列的数量NH为设计变量，在迭代计算中给定初值：翅片间距s= 8mm,翅片高度H= 36mm, 翅片厚度t= 2mm,平板微热管阵列数量NH= 35根。
[0109] 采用等效热路法对模型进行分析，绘制散热系统的热阻网络图，分析各个分热阻 之间的串、并联关系。根据前面给出的计算流程图在MATLAB中编写程序进行迭代计算，计 算时首先应该在大功率LED路灯处于稳定状态下测量出翅片散热器表面上若干点的温度 TF，为了可靠起见，可以多测量几组数据取平均值，同时还应测量出稳定工作状态下路灯散 热器周围的环境参数TA，，代入散热器底座参数LB= 500mm，宽1= 360mm，厚δB= 10mm， 查阅手册资料获取计算所需的空气物性参数P，v，a，λ，在开始迭代计算之前，不同功 率和结构的路灯需要根据经验给出相应的散热器的初始结构尺寸s，t，H，NH，在具体实施方 式一开始，我们给出了针对某款大功率LED路灯产品的初始参数，作为参考，代入查得的空 气物性参数和工作环境状态参数，首先得出翅片散热器的对流换热系数α，进而求得翅片 的肋效率qF，然后由公式（5)可以得出矩形截面翅片部分热阻R/，查取平板微热管阵列的 热阻RH，进而由公式（6)可以推得散热器部分总热阻RF;在此基础上可以求出翅片散热器底 座热阻RB和底座温度TB;接下来查阅产品手册，获取铝基PCB各层的热力学参数，在具体实 施方案一开始给出了某款产品所采用铝基PCB的具体参数，但是不同厂家产品选用的铝基 PCB的参数不完全一致，实际计算中需要具体分析，在上述参数的基础上，代入公式（2)可 以计算铝基PCB的热阻RM和其上覆铜层温度TM;然后查阅产品手册得到LED灯珠的封装热 阻，不同的单颗功率和封装工艺的LED灯珠封装热阻往往不同，在针对具体产品设计散热 器时，可以查看所选用LED灯珠产品手册上获取，最终推算出路灯稳定工作状态下的LED芯 片结温，将迭代计算所得的结果与产品手册上规定的结温相比较，如果不满足，则修改新型 散热器的参数后重新开始迭代计算，直至满足芯片结温要求。
[0110] 如果满足要求，则进行下一步计算，这一部分计算是在满足散热要求基础上对散 热器的尺寸进行进一步的优化设计，为了在满足芯片结温要求的基础上设计出更加合理的 新型散热器，通过控制变量的方法，考察翅片间距S，翅片高度H，翅片厚度t以及平板微热 管阵列的数量NH各单变量对结温的影响，得出使结温满足设计要求时的最佳尺寸参数分 布，同时再考虑新型散热器的成本、耗材以及易加工性对参数进行适当调整，从而为新型散 热器在180W大功率LED路灯上的应用提供指导。
[0111] 本发明计算流程图如下图4中所示，在计算过程中应该综合考虑新型翅片散热器 的耗材，成本及加工可行性等多种因素的影响，散热器参数确定步骤将在【具体实施方式】中 详细阐述。
[0112] 综上所述，本发明所提出的计算方法可以很方便的确定带平板微热管阵列的新型 散热器应用在具体LED路灯上的关键尺寸参数，为新型散热器的应用提供技术参考，具有 很大的工程实用价值。
【主权项】
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板的铜箱层上；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. -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X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Ta恒定； (4) 自然对流换热系数a仅与翅片温度Tf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，可将芯片一环境的总热阻 定义为：式⑴中： R^1--LED灯珠封装热阻，可以通过查相关手册获取； Ntm--LED灯珠的数量； Rcu-MCPCB板上覆铜层热阻； Rd--MCPCB板上介电层热阻； Rai-MCPCB板上铝基层热阻； Rf-新型散热器翅片部分的热阻； 其中，UPN^1为已知参数，MCPCB板上的覆铜层热阻Reu，介电层热阻RD，铝基层热 阻Rai和散热器铝制基板热阻RB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：式中，X分别代表覆铜层Cu，介电层D，铝基层A1和散热器铝制基板B: Sx-各结构体材料热传导系数； Ax-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Rf由两部分构成：传统的矩形 截面翅片热阻R/和平板微热管阵列的热阻Rh，其中，Rh可在微热管阵列的产品说明中提 供，而R/可由下式计算得出：式中： A-翅片上垂直热流方向且未被忽略的散热面积总和；nF-翅片肋效率，可由下式计算得出；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 a的数值，选用该经验公式求取对流换热系数a: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Rf满足：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Lb，底座高度Hb，底 座厚度SB，翅片间距S，翅片高度H，翅片厚度t，翅片数量Nf，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 0，热扩散系数a及导热系数Ato，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Nh。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Rf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。
【专利摘要】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；其散热器结构参数的确定方法包括：建模、简化、建立热阻网络图、计算散热器结构参数；其优越性在于：①散热性能好，安装方便、维护成本低，解决了大功率LED路灯的散热难题；②基于等效热路法的散热器设计方法使得各个参数对散热效果的影响更加清晰明了，方便进行编程计算，更有利于散热器参数的优化计算。
【IPC分类】F21S8/00, F21V29/89, G06F17/50, F21W131/103, F21V29/74, F21V29/51
【公开号】CN105222014
【申请号】CN201510657647
【发明人】梁锋, 赵连玉
【申请人】天津理工大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年10月12日