[发明专利]一种用于大功率LED路灯的散热器结构参数的确定方法

权利要求书

1.一种大功率LED路灯，其特征在于它包括灯壳、支架、透光罩、反光板、电源、LED灯珠阵列、铝基PCB板、驱动器和铝制散热器组成；其中，所述LED灯珠阵列安装在灯杆上，并封装在铝基PCB板的铜箔层上；所述PCB板通过两个螺钉固定在铝制散热器的底板上，所述LED灯珠焊接于PCB板上；所述PCB板和铝制散热器底板之间的间隙中填充导热硅胶减小板件之间的传导热阻；所述驱动器依驱动器盖板安装在铝制散热器上。

2.根据权利要求1所述一种大功率LED路灯，其特征在于所述铝制散热器为翅片式散热器，且其翅片为改进的异形翅片；所述改进的异性翅片是加厚加高且有开槽的异性翅片；所述异性翅片的开槽内嵌有可以加强散热器传热能力的平板微热管。

3.一种用于大功率LED路灯的散热器结构参数的确定方法，其特征在于它包括以下步骤：

①建立大功率LED路灯关键散热构件的物理模型，抽取出与路灯散热关系最紧密的几个构件：LED路灯、铝基PCB板、平板微热管阵列、翅片散热器；

②由于步骤①中的物理模型为三维构造体，因此要对其进行分析简化，假设：

(1)单颗LED灯珠的输入电功率恒定；

(2)各结构体材质均匀，导热系数λ为常数；

(3)自然对流环境为标准大气压下的干燥空气，且温度T_A恒定；

(4)自然对流换热系数α仅与翅片温度T_F相关；

(5)由于翅片散热的厚度t远小于翅片高度H，所以忽略翅片末端及侧面的对流换热影响；

(6)忽略辐射散热的影响，仅考虑对流换热作用；

③等效热阻网络图的建立：

经过步骤①的建模和步骤②的简化，大功率LED路灯的三维散热问题已经简化为一维稳态传热问题，进一步地，将传热路径转化为等效热路形式，形成方便分析各个分热阻间的串、并联关系的热阻网络；

④建立数学模型及计算散热器结构参数：

根据步骤③中的热阻网络，结合各部分热阻的串、并联形式，可将芯片—环境的总热阻定义为：

RJ-A=RLEDNLED+RCu+RD+RAl+RB+RF=TJ-TMQT+TM-TBQT+TB-TFQT+TF-TAQT---(1)]]>

式(1)中：

R_LED--LED灯珠封装热阻，可以通过查相关手册获取；

N_LED--LED灯珠的数量；

R_Cu--MCPCB板上覆铜层热阻；

R_D--MCPCB板上介电层热阻；

R_Al--MCPCB板上铝基层热阻；

R_F--新型散热器翅片部分的热阻；

其中，R_LED和N_LED为已知参数，MCPCB板上的覆铜层热阻R_Cu,介电层热阻R_D,铝基层热阻R_Al和散热器铝制基板热阻R_B计算较为简单，均可等效为一维平板传热问题，可将已知参数代入下式中进行计算：

RX=δXλXAX=δXλX(f·LX·HX)---(2)]]>

式中，X分别代表覆铜层C_u,介电层D，铝基层A_l和散热器铝制基板B：

δ_X--各结构体材料热传导系数；

A_X--各结构体垂直于热流方向的导热面积；

f--面积系数，其中覆铜层面积系数f＝0.8,其余均为f＝1；

根据热阻表达式及热阻网络图，可得到散热器翅片热阻R_F由两部分构成：传统的矩形截面翅片热阻R_F'和平板微热管阵列的热阻R_H，其中，R_H可在微热管阵列的产品说明中提供，而R_F'可由下式计算得出：

RF′=1αAηF=1αηF(2NFHBW)---(3)]]>

式中：

A--翅片上垂直热流方向且未被忽略的散热面积总和；

η_F--翅片肋效率，可由下式计算得出；

ηF=tanh(mW)mW=tanh(2α/(λHt)W)2α/(λHt)W---(4)]]>

由于LED路灯的散热器结构属于竖直平面上矩形截面参与自然对流换热的情况，因此，根据经VandePol范德波修正后的Elenbaas方程与实测数据，即可得到对流换热系数α的数值，选用该经验公式求取对流换热系数α：

α=λAirrNu=λAirr.Raψ[1-e-ψ(0.50/Ra)3/4]---(5)]]>

式中：

ψ=24(1-0.483e-0.17/a*){(1+a*/2)[1+(1-e-0.83a*)(9.14a*e-0.4646S-0.61)]}3,Ra=gβ(TF-TA)varHB]]>

r=2WS2W+S,a*=SW]]>

由热阻网络图可知，两部分热阻之间属于并联关系，因此，散热器的总热阻R_F满足：

1RF=1RF′+NHRH---(6)]]>

从而可知，RF=RF′·RHRF′·NH+RH.]]>

在式(5)中，将已知的结构物理参数，包括下翅片散热器底座宽度L_B，底座高度H_B，底座厚度δ_B，翅片间距S，翅片高度H，翅片厚度t，翅片数量N_F，平板微热管阵列数量以及重力加速度g，代入式中，并根据空气物性表，可以得到相关的涉及到空气物性中的膨胀系数β,热扩散系数a及导热系数λ_Air，即可确定新型散热器关键参数翅片间距S、翅片高度H、翅片厚度t以及平板微热管阵列的数量N_H。

4.根据权利要求3所述一种用于大功率LED路灯的散热器结构参数的确定方法，其特征在于所述步骤④中的散热器翅片部分的热阻R_F是将其考虑为普通铝制矩形截面翅片与平板微热管阵列并联的形式，忽略平板微热管阵列内部所进行的相变换热所产生的热阻。