内江职业技术学院四川内江
摘要：LED路灯翅片散热技术实用、可靠，是目前LED路灯散热的主要技术方式[1]。本文以30W型LED路灯为研究对象，在单因素变量情况下，基于ANSYS仿真，分析基板厚度、翅片厚度、高度、间距对散热器散热性能的影响。
关键词：LED路灯、翅片散热器、ANSYS、仿真分析
1.引言
本文以30W型LED路灯为研究对象，分析翅片散热器的外形参数对散热效果的影响。环境温度为25℃，自然对流换热系数为10W(m2·K)-1，散热器材料为AA1017铝合金。以1.5mm×1.5mm×0.25mmSiC为LED芯片衬底。用1.5mm×1.5mm×1mm导电银胶将铝基板和芯片相连。LED路灯散热系统中各材料导热系数[2]如表1.1：
图1.1LED路灯翅片散热器结构简图
(1)2.翅片对LED芯片结温影响的仿真分析
在ANSYS中，当散热器基板为160mm×120mm×13mm时，在不加翅片的情况下，基于SiC芯片、银导电胶、散热器基本的外形尺寸，30W型LED路灯模型如图2.1：
图2.2模拟温度云图
由图2.2可知，在不加散热器翅片时，散热器基板（天蓝色）温度为76.27℃，LED芯片（红色）温度为96.9157℃。根据LED结温与其使用寿命的关系曲线，[3、4]当结温为96.9℃时，LED的使用期限会明显缩短。
为探究翅片对散热性能的作用，基于图2.1所示结构，为其添加翅片，假设翅片厚度为10mm，高度为60mm，相邻翅片间距为20mm,其仿真结果如图2.3：
图2.3模拟温度云图
由图2.3可知，在添加翅片后，散热器基板（深蓝色）温度为36.1℃，LED芯片（红色）温度为57.2℃，LED寿命延长数10倍。
对比图2.2和图2.3的仿真结果，可知加入翅片后，散热器基板和LED芯片的温度下降明显。由此可见，翅片显著改变了散热器的散热效果。
(2)3.翅片高度对散热效果影响的仿真分析
设散热器翅片的厚度是10mm，相邻翅片之间的间距是15mm，散热器基板的厚度是13mm，在其他边界条件及几何参数不变的前提下，改变翅片的高度，可得各种高度情况下LED芯片的结温如表3.1：
图3.1散热器模型的温度分布图
通过表3.1分析翅片高度对LED芯片结温的影响，可知随着翅片高度的增加，其温度逐渐降低，当高度较小时，高度增加可以明显减小LED芯片的温度，但是当高度高于55mm后，随高度的进一步增加，其降低态势逐渐趋于平缓。
(3)4.翅片间距对散热效果的影响
假设散热器翅片的厚度是10mm，翅片的高度是60mm，基板的厚度是13mm，在其他边界条件及几何参数不发生改变的前提下，改变相邻翅片之间的间距，得到在不同翅片间距条件下LED结温如表4.1所示：
图4.1散热器模型的温度分布图
通过表4.1总结LED芯片结温随翅片间距的变化规律，随着间距的增大，LED芯片温度先降低后增大，当间距较小时，空气粘滞效应明显，对自然对流的热交换带来明显负作用，此时，随间距的变大，这种作用急剧削弱，因而LED结温有所降低。但当间距达到一定值时，流体的粘滞作用基本可忽略，而随着间距进一步增大，翅片个数急剧变少，有效散热面积减少，从而导致LED芯片温度有所升高。
(4)5.翅片厚度对散热效果影响的仿真分析
假设散热器翅片的高度是60mm，翅片的长度是120mm，翅片的间距是10mm,散热器基体厚度是13mm，在其他几何参数和边界条件不变的情况下，改变翅片的厚度，得到不一样翅片厚度情况下LED芯片的温度如表5.1所示：
图5.1散热器模型的温度分布图
通过表5.1分析翅片的厚度对LED温度的影响，当翅片的厚度不断增大时，LED芯片温度逐渐升高。当厚度增大时，用于散热的有效面积变小，导致LED结温上升。
(5)6.散热器基板厚度对散热效果影响的仿真分析
假设散热器的翅片高度是60mm，翅片的厚度是10mm，翅片的长度是120mm，翅片的间距是15mm,在其它几何参数和边界条件不变的前提下，改变散热基体的厚度得到不同厚度时LED芯片结温如表6.1：
图6.1散热器模型的温度分布图
通过表6.1分析基板厚度对LED结温的影响，随着厚度的增加LED结温呈非线性降低，当厚度增加到定值后，作用变得越来越不明显
7.总结与展望
本文仿真分析了LED路灯翅片散热器基板厚度、翅片厚度、翅片高度、翅片间距对散热器散热性能的影响。在今后的研究工作中，需综合考虑基板厚度、翅片厚度、翅片高度、翅片间距等多个因素，进行翅片散热器的多因素综合设计。
参考文献
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