冲压组合式LED球泡灯设计说明书

1、目录中文摘要3英文摘要41 前言52 LED的发展史、发光发热原理及应用62.1 LED的发展史62.2 LED的发光发热原理62.2.1 LED的发光原理62.2.2 LED的发热原理72.3 LED的主要应用93 LED的优缺点及其在球泡灯上的先天优势与劣势113.1 LED优点113.2 LED 缺点123.3 LED应用于球泡灯有先天优势和劣势124 LED散热基本知识144.1 比热容与温升144.2 热传导散热144.3 对流散热154.4 辐射散热155 LED球泡灯的外形结构设计165.1 设计要求165.2 方案的拟定165.3 方案的具体设计及改进175.3.1 外观设计1

2、75.3.2 上环的设计175.3.3 上环盖的设计195.3.4 下环的设计195.3.5 创新设计195.3.6 铝基板的设计206 LED球泡灯散热片的方案比较与设计及其优化216.1 LED球泡灯散热片的比较216.2 LED球泡灯散热片的方案设计226.2.1 方案确定226.2.2 散热片具体设计236.2.3 人性化细节设计266.3 LED球泡灯散热片的计算与优化分析266.3.1 参数选择266.3.2 散热分析计算27结论35谢辞36参考文献37冲压组合式LED球泡灯设计摘要：在全球资源紧张的大环境下，传统白炽灯已渐渐被各国政府禁止生产，作为其替代品的LED球泡灯应运而生。

3、LED球泡灯最大的市场是民用市场，它集节能、环保、寿命长、易于维修等优点于一身，具有很大的市场潜力。本设计中的设计对象是5W的LED球泡灯，可以作为60W的白炽灯的替代品。本设计对LED球泡灯进行了一系列外形结构设计，并确定散热器采用冲压组合的成型方式。在用有限元软件进行散热分析的基础上对散热器的结构做了优化。关键词：LED球泡灯、结构设计、散热分析Abstract: As the number of global resources sharply shrinks, the production of traditional incandescent has been gradually b

4、anned by most governments in the world. At the same time, LED bulbs are more and more popular.LED bulbs are mainly used by civilians. Considering their advantages at energy saving, environmental protection, long life and repairing, we believe that LED bulbs are very potential in the market. The inte

5、ntion of designing the 5W LED bulbs is to take the place of 60W incandescent. In this design , I did lots of work to decide what the bulb looks like. The radiator will be processed by stamping and assembling. After analyzing the radiator with ANSYS,I change the structure of the radiator so that it c

6、ould be more useful for the bulb.Keywords: LED bulb, Structural Design, Thermal analysis1 前言近年来随着我国政府大力推行节能减排政策,节能环保的意识不断深入人心.随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED球泡灯逐渐走入人们的视野。LED球泡灯照明最大的市场是民用市场，历史习惯的原因,市民用的最多的也是球形灯炮，所以LED球泡灯是替代传统白炽灯泡的新型的绿色光源。传统白炽灯（钨丝灯）耗能高、寿命短，在全球资源紧张的大环境下，已渐渐被各国政府禁止生产，随之替代产品是电子节能灯，电子节能灯虽然提高了节

7、能效果，但由于使用了诸多污染环境的重金属元素，又有悖于环境保护的大趋势。LED在发光原理、节能、环保的层面上都远远优于传统照明产品。对比传统的民用照明产品，LED球泡灯在主要性能方面的优点有：1环保：LED是全固体发光体，可以承受高强度机械冲击和震动，不易破碎，废弃物便于回收。而且LED光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。2节能：发光效率高，灯具反射损失低，节省能源70%；在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/10。3寿命长，维护成本低 ：LED理论寿命超过10万小时，LED球泡灯的实际使用寿命在3万小时以上，是白炽灯30倍以上的寿命，维护费用低

8、。4. 显色性佳：LED球泡灯的色温可以在4000-7000K之间灵活选择，显色指数最高可达80以上，发光颜色更接近于自然光，感觉更舒适。5. 光效利用率高：LED光源利用率高，约为90%。而白炽灯仅有约5%10%的电能转化为光能。6启动时间短：LED路灯将不存在启动延时问题，可随时接通，随时工作，能够非常方便地实现智能化节能控制。同时，作为低压灯具，安全性好也是LED的突出优点。基于LED在节能、减排、环保等方面的独特优势，半导体照明被誉为人类照明的第三次革命，其应用领域也正在被快速拓展。中国是目前全球城市化进程最快的国家之一，可以预料在未来的数十年内，全国各地对于LED球泡灯产品的市场需求

9、是极其庞大的。2 LED的发展史、发光发热原理及应用2.1 LED的发展史1907年，科学家首次发现作为研磨剂的碳化硅晶体（SiC）通电后可以发光的现象。该发光现象与火光、放电光、黑体辐射不同，是一种固体物质通电后发光的新形态。该现象被发现之后，人们就对SiC和半导体的矿物质发光现象展开研究。20世纪50年代后，随着半导体知识的不断积累，人们开始尝试利用半导体晶体的发光现象。1952年人工合成的Ge、Si晶体的pn结发光，促成了1954年人工合成Gap晶体发光的诞生。1962年首次实现了可见光LED，它是通过GaAs衬底上生成GaAsP外延膜而实现的。19681970年由于各公司竞相采用LED

10、作为计算器、手表显示器的光源，因此每隔数月销量便会翻倍，创下了惊人的销售记录。1990年代初期，实现了光的三原色红、绿、蓝色LED光源，并实现了三原色混光的白光LED。随后经过无数次的改良，LED的性能有了显著的提高，现在的发光效率已达150lm/W，终于在2009年，因提高了LED的性能，降低了成本，很多公司陆续开始销售LED灯泡，并一直占领着LED照明市场。2.2 LED的发光发热原理 LED的发光原理半导体二极管在正向电压下，电源对N区导带的电子做功，克服PN结电场，推动到P区，电子被价带的空穴俘获，成为低能级的电子，两能极差的能量Eg以电磁波形式释放；在电源的作用下，P区产生新的电子空

11、穴时，电子被抽走移动到电源正极，如图2.1和图2.2所示：复合 P区N区图2.1 结构示意图导带空穴能量价带P区势垒区N区电子能量导带光子复合价带图2.2 能级图半导体二极管发射电磁波的峰值波长与半导体材料的禁带宽度有关，即公式：1240/Eg（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。Eg的大小是半导体材料本身的特性，与外部能量无关。根据材料特性及Eg的数值，可以制造出发射可见光的二极管LED和发射红外线的二极管IRED。普通的二极管，在发生电子-空穴对的复合时，由于能级差Eg的因素，释放的电磁波不在可见光范围内。 LED的发热原理从原理上看，LED的结构示意图如图所示，说明LED的电阻构成。

12、LED的总电阻可分为两大类：晶体材料体电阻和接触电阻。体电阻区可以分为三个区域：N区、势垒区（PN结）、P区。接触电阻包括：芯片电极材料与芯片晶体材料之间的电阻、芯片粘接或焊接电阻、芯片与金线接触面电阻、金线与外电极的接触电阻。我们可以先忽略接触电阻的影响。电子在LED内部的移动路途中，都会因电阻的存在而消耗功率，电源克服PN结势垒也要消耗功率，所消耗的功率符合电子学的基本定律：P=I2R=I2(RN+RP)+VTH 式中：RN是N区体电阻 RP是P区体电阻VTH是PN结的阀值电压，它是电源克服PN结势垒电压Epn后的残留电压。这个电压是刚有电流时，PN结处于一种动态平衡下的势垒。（它与体电阻

13、的压降的和构成二极管导通时的正向电压VF）（Epn是在没有外电源是，PN结处于动态平衡时的势垒。）消耗的功率产生的热量为：Q=Pt式中：t为二极管通电的时间。负极金属正极金属P型层PN结N型层N型衬底背金电极金金接触电阻金金接触电阻金半接触电阻P区体电阻PN结势垒N区体电阻金半接触电阻粘（焊）接触电阻图2.3 LED发热原理某一对电子-空穴的复合，则是发生在一个点上。复合后的电子暂时被原子核束缚，成为自由电子，产生新的电子-空穴对。空穴向PN结方向扩散，电子在电场的作用下，继续向电源正极运动（根据半导体物理理论，可以看做电源正极向P区注入空穴）。统计来看，可以看做是一个电子连续穿过半导体体区内

14、的全部路程，它经历了路途的所有电阻。它所形成的电流通过电阻产生热量。2.3 LED的主要应用鉴于LED 的自身优势，目前主要应用于以下几大方面： 1显示屏、交通讯号显示光源的应用。LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三色和单色显示屏，全国共有100 多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED, 因为采用LED 信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。 2. 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、

15、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于LED响应速度快, 可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED 制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP 公司在1996年推出的LED 汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED 显示。我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED 的极好时机。近几年内会形成年产10亿元的产值，5 年内会形成每年30 亿元的产值。 3.

16、LED 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED 作为LCD 背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点， 已广泛应用于电子手表、手机、BP 机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED 背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED 是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10 只LED 器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20 只LED 器件。现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35 亿只LED 芯片。目前我国手机生产量很大，而且大部分LED 背光源还是进口的，对于国产LED 产品来说，这是个极好的市场机

17、会。 4. LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED 光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目( 称为" 照亮日本") ，头五年的预算为50 亿日元，如果LED 替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60 亿升原油的能源, 相当于五个1.35 ×106kW 核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。我国也于2004 年投资50 亿大力发展

18、节能环保的半导体照明计划。 5.其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5 亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍, 该公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3 亿只发光灯；正在流行的LED 圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。 6.家用室内照明的LED产品越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入家庭！3 LED的优缺点及其在球泡灯上的先天优势与劣

19、势3.1 LED优点LED的内在特征决定了它具有很多优点，诸如： 1.体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。 2.耗电量低LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管瓦），电光功率转换接近100%。一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。 3.使用寿命长有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 4.高亮度、低热量

20、LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。 5.环保LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。6.坚固耐用LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。7.多变幻LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×25616777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像

21、。 8.技术先进与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。 3.2 LED 缺点LED发光二极管已被全球公认为最高效的人造照明技术。虽然国内还有不少人在商家误导下认为LED是用来替代LCD液晶的显示技术，但实际上这种高能效照明技术从上世纪六七十年代就已经开始应用，如今从各种指示灯、路灯、节日彩灯再到笔记本、电视背光都在广泛采用LED照明。由于其高能效，人们普遍认为用LED灯取代传统的灯泡、荧光灯是一种非常环保的做法

22、。然而，近日由美国加州大学艾尔文分校进行的一项调查却显示，使用LED的环保功效很可能会被其包含的有毒物质所抵消。在该校社会生态学系和公共健康项目共同进行的这项研究中，他们分析了市场上常见的圣诞树彩灯组中的红色、黄色、绿色和蓝色的LED灯，其中既包括高亮度LED，也包括低亮度产品。 结果显示，这些LED灯中包含有锑、砷、铬、铅以及其他多种金属元素。其中，部分LED灯的有毒元素含量已经超过了监管部门制定的标准。比如在低亮度红色LED灯中，研究人员发现其铅含量超标达到8倍，镍含量也超标2.5倍。 实际上在美国加州法律中，绝大多数LED灯都已经被明确定义为有毒垃圾，如果使用普通填埋的办法处理将会污染土

23、壤和地下水。而如果LED灯破碎，还可能会对直接接触的人体健康造成损害。但至今，无论各国政府还是民众都对LED灯的环境和健康危险知之甚少。 该报告表示，LED中的砷、铅、镍和铜元素对人体和环境的影响最为严重，未来应当进行更为细致深入的调查，以促进政府对LED产品的安全使用和回收处理制定规范。简单的说，大家应该清楚，虽然LED的能效非常高，但它绝非完全环保的选择，只是蕴含的潜在危险和其他照明技术不同罢了。3.3 LED应用于球泡灯有先天优势和劣势1.优势在于： 第一，可频繁开关：LED的寿命是按点亮时算的，即便每秒钟开关数千次也不影响LED寿命，在装饰等需要频繁亮灭的场合，LED灯有绝对优势。 第

24、二，色温可选，这样在不同场合的应用中，也是提高效率、降低成本的一个重要途径；第三，技术进步空间依然很大。 2.劣势有： 第一，当前价格还太高，光通量低，当前同等照度设计的LED光源价格大约相当于传统光源的4倍，在民用中难以承受。当前设计和制造标准比较混乱，损坏比例高，影响了LED的寿命优势。第二，受球泡灯形状的影响，LED的散热器的结构设计受到了严重限制，所以相对于其他LED照明产品，球泡灯的散热难度更大。4 LED散热基本知识散热的方式一般有三种，即热传导散热、对流散热和辐射散热，下面要了解散热的一些基本概念。4.1 比热容与温升物体吸收或放出的热量与温度变化的关系如下：Q=Cm(T2-T1

25、)= CmT (4.1)式中：Q：吸收的总热量 C：比热容 m：物体质量T1：物体吸（放）热前的温度T2：物体吸（放）热后的温度T：物体吸（放）热前后的温度差4.2 热传导散热相关的理论公式Q=kST/L (4.2) 式中:Q:传导热量（W）k:导热系数（W/m2K）S:截面积（m2）T:温度差（K）L:传导路径长度（m）从公式（4.2）可见，单位时间内传导的热量与众多因素有关。就形状基本相同的不同材料的散热器，导热系数是影响导热的重要因素。对相同的材料，传热路径的截面积是影响传热的重要因素。4.3 对流散热Q=hST (4.3)式中：Q:对流热量（W）h:热对流系数（W/m2K）S:有效面积

26、（m2）T:表面与流体的温差（K）在对流散热设计中，散热器的表面积是一个重要的因素。4.4 辐射散热Q=ST4 (4.4) 式中：Q:辐射热量（W）:表面热辐射率（W/m2K）:黑体辐射常数，5.68×10-8 （W/m2K2）S:辐射表面积（m2）T:绝对温度（K）在辐射散热中虽然热量和温度的四次方成正比，但是由于公式中的常数值很小，所以将温度的影响变小了，使得影响散热的主要因素归结于表面辐射率和表面积。公式（4.4）是理想黑体的辐射计算式，对于实际的散热系统，情况比较复杂。辐射体还会受到其他热源的影响。比如，翅片式散热器，一个翅片还会吸收和反射其他翅片的能量。散热器的几何形状、相

27、对位置等也会对辐射造成影响。因此，在公式（4.4）中还应增加一个反映这种影响的系数角系数。公式（4.4）可以变换为：Q=FT4 (4.5)式中F为角系数。5 LED球泡灯的外形结构设计5.1 设计要求1、具有良好的散热效果。散热是LED球泡灯需要重点解决的问题，LED球泡灯是冷光源，不会像白炽灯那样产生灼热的高温，但是LED的耐热性比较差， 保证芯片在安全温度的工作环境下，才能体现出LED球泡灯的使用寿命长的优势；2、具有良好的工艺。例如利用导热膏将翅片和底座接合紧密，尽量避免界面阻抗影响散热。3、便于安装和维护。设计方便、可靠的闭合打开结构，增加产品的安装和维护性能；4、造型新颖美观。5.2

28、 方案的拟定根据LED球泡灯的设计要求，要外形美观，便于安装和维护。前期的分析选型中主要可虑了以下两种球泡灯结构的三维外型。1半球形如下图所示的半球形LED球泡灯，具有体积小的优点，但外形稍不美观，维修时半球形的灯罩也不易拆卸。图片5.1 半球形外观2、梨形如下图所示的梨形LED球泡灯，外形美观，与以往人们使用的白炽灯相似。且球形的灯罩比半球形更易拆卸，维护更方便。图5.2 梨形外观5.3 方案的具体设计及改进 外观设计考虑到在过去的几十年中,人们已习惯了白炽灯的外形,所以仿照传统白炽灯的外观,把LED球泡灯设计成梨形。球泡灯由灯罩、散热器、下环、上环、上环盖和灯尾组成。灯罩是大半个球形，散热

29、器近似于半球形，整体看起来像一只梨。 上环的设计 上环的边缘做了锯齿状的设计，用来放置散热器的翅片，如图5.3所示。图5.3 上环为了充分发挥烟筒效应，在上环的多个部位开了通风口。如图5.4所示。图5.4 通风口上环的空腔用以放置LED球泡灯的电源。 上环盖的设计出于烟筒效应的需要，上环盖也开设了通风口。如图5.5所示：图5.5 上环盖通风口尾部的螺纹用于与金属灯尾的连接。 下环的设计下环的边缘同样采用了锯齿的设计，用以放置散热器的翅片。图5.6 下环下环的另一侧加工成内螺纹，与灯罩进行螺纹连接。 创新设计上环与上环盖的连接方式，如图5.7：图5.7 上环与上环盖连接方式此连接方式的灵感来源于

30、手机后盖。上环盖插入上环并顺时针旋转便能使上盖卡住，利用的是塑料零件的弹性变形。如果要拆卸，只需把上环盖逆时针旋转。因为连接处倾斜角度的差异，拆卸时要比安装稍费力一些。此实际的优点是便于上环盖的拆卸，方便维修。 铝基板的设计本设计为5W球泡灯，为避免铝基板上灯珠过于集中，采用10枚贴片式5730灯珠，呈放射状分布于铝基板上。铝基板电路图如:5.8所示图5.8 铝基板电路图6 LED球泡灯散热片的方案比较与设计及其优化6.1 LED球泡灯散热片的比较传统的LED球泡灯散热器有两种成型方式，分别是压铸式和挤压式。现分析以上两种种成型方法的优劣。1.压铸的优点是容易得到很好的尺寸精度和表面光洁度，不

31、需要很高的工艺，且可以把翅片与底面铸成一体，增大散热器与铝基板的接触面积。缺点是需要大吨（500吨以上）位的锻压机械，也正因为设备和模具的高昂费用而导致产品成本极高成本高，同时其翅片厚度大，形状不易改变，散热面积远远少于挤压制作的散热片。图6.1 压铸式散热器2.挤压的优点在于成本低，节省材料,制作工艺简单，易得到所需的翅片形式，可以极大的增加散热面积。在材质相同的情况下，挤压出来的散热片密度要大于压铸出来的，因此导热系数也会比压铸成型的高一些。缺点是挤压成型的散热器横截面积大大受限，使得散热器与铝基板之间阻抗较大。图6.2 挤压式散热器 3.在这两种制作工艺的基础上又提出了冲压组合的制作方式

32、，也就是把压铸和挤压制造的散热片的优势结合起来，翅片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以选用不同的材质做翅片。当然了，缺点也显而易见，就是利用导热膏和焊锡接结合翅片和底座会存在介面阻抗问题，从而影响散热. 6.2 LED球泡灯散热片的方案设计 方案确定LED灯产生的热量少部分传递给灯罩，大部分通过铝基板传给散热器，然后由散热器外表面、灯罩等渠道通过热辐射、对流等方式将热量传到空气中。其中LED灯到散热器外表面的传热方式以热传导为主，另外有少量热(散热器内腔)通过对流和辐射等方式传递，为便于分析在此忽略不计。LED传导到散热器外表面的热量应与LED灯和散热器外表面平均温度的温差(散热器外表

33、面的温度因形状复杂，为便于分析取平均值)成正比，与散热器的传热面积成正比，又与散热器的形状、材质(或热阻)等有关，同时空气的湿度，灰尘等也会对LED路灯的散热有一定的影响。在散热片与路灯的热传导率、材料以及体积一定的情况下，散热能力的强弱就主要决定与散热的面积。所以目前散热片选择冲压的方案比较适宜。根据行业内的经验：对散热片质量的影响由大到小的因素依次为：翅片厚度、平板厚度、翅片高度、翅片间距。对芯片最高温度的影响因素有大到小依次为翅片间距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。综上所述，在设计翅片式LED散热结构时，应在合适的范围内使翅片的厚度和间距尽可能小一些，这样可以同时有效地减小散热器的质量，

34、控制芯片的最高温度。 散热片具体设计冲压组合式散热器方案的散热片如图所示, 竖直的翅片由板料冲压而成，可拼凑成一个完整的柱形结构，充分利用了烟囱效应，使得从铝基板产生的热量可以从圆柱内部向上流动。图6.3 散热片三维图出于美观的考虑，散热片的边缘曲线为一抛物线，以下图中的点为圆点建立直角坐标系，则抛物线方程为：y=x2+12x-2图6.4 抛物线坐标原点散热片的连接采用了如下图所示的搭扣。图6.5 散热片搭扣散热片的组合方式如下图所示图6.6 散热片组合方式散热片底部折弯的扇形边缘，在组合之后可以拼成一个较大的底盘，使得散热器与铝基板有足够的接触面积，更有利于铝基板与散热器之间的热传导。拼接后

35、的底盘如图所示：图6.7 散热器底盘参考市场上已有的挤压成型的LED散热器,暂定散热器的翅片数为48片，组合以后的散热器如下图：图6.8 散热器三维图因为翅片呈放射状排列，所以当侧面有空气流动时，可以使散热器与空气有更充分的热交换。 人性化细节设计散热片的边缘采用了花边压弯的设计，此设计的好处在于，第一，散热片由板件冲压而成，其边缘的锋利程度足以对装配工人和用户造成伤害，折弯后既提高了散热片的安全系数，又使得散热器整体看上去更美观；第二，花边折弯的设计可以增加散热片与空气的接触面积，提高散热效果。图6.9 散热片花边折弯6.3 LED球泡灯散热片的计算与优化分析 参数选择本节参数的选择主要包括

36、材料的选择、载荷的分析。 材料的选择 本设计中，球泡灯散热片的材料选择为铝合金6063。根据相关资料查得，铝合金6063的性能如下：6063铝合金中的主要合金元素为镁与硅,其具有加工性能极佳、优良的可焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性,易于抛光、上色膜,阳极氧化效果优良等特性,是典型的挤压合金。 热边界条件和热载荷的分析 散热器散热的方式有与空气的对流换热和自身的热辐射。根据本产品的实际情况，主要散热途径是与空气的对流换热，因此不考虑热辐射。根据相关资料的查阅确定空气的对流换热系数为5W/(m2·)。在本产品中，热源只有一个，就是10粒5730贴片式LED灯珠。因此添加热载

37、荷为10粒灯珠的热流率。灯珠的总功率为5W，热源加载的面积即为灯珠的总面积：0.00017m2。计算得热流率为29200W。 散热分析计算 模型的简化 在LED球泡灯的散热过程中，起主导作用的是散热器，因此这里只对散热器作有限元分析。如图6.10所示图6.10 散热分析模型因散热器为对称物体，为减少计算时间，可以取散热器的一半来作计算，这样一来可以节约时间，二来可以更清楚地观察到散热器内部的温度分布。由于散热器结构复杂，计算机配置有限，为了进一步简化模型，将组合而成的翅片简化为一个整体，并去掉翅片边缘压弯的花边，将复杂的边角简单化，整个过程在solidworks中进行。简化后的模型如下图所示：

38、图6.11 简化后的散热模型简化后的模型保存成*.igs格式。 散热分析计算 打开ANSYS中的稳态热分析模块后，将模型导入，如下图：图6.12 在ANSYS中导入模型导入模型后,选取几何模型的材料,并划分网格.共划出354046个节点和179052个网格。图6.13 网格划分设置热边界条件，选定除截面以外的所有表面，对流换热系数为5W/(m2·)。假定球泡灯在较恶劣的环境下工作，设定环境温度为35。图6.14 设置热边界条件设置热载荷，选定灯珠分布的区域，热流率为29200W。6.15 施加热载荷热边界条件和热载荷设置完成，开始计算温度，计算结果如下图：图6.16 温度云图分析得最

39、高温度约54，位置在铝基板的灯珠附近；最低温度约为50，位置在离灯珠最远的散热器上端。原因是，靠近灯珠的地方离热源近，吸收的热量多，而热量传导到距热源较远的散热器上端时已所剩无几。 要使得LED灯珠能够长期有效地工作,灯珠的结点温度必须控制在80以下,结点温度一般比铝基板的最高温度高出20,也就是说铝基板的最高温度控制在60左右最为合适。而以上得出的温度云图，最高温度约为54，也就是说散热器仍可进行优化以节省材料。 散热器的优化由于球泡灯的外形对翅片的形状有很大的限制，此处的优化通过减少翅片的数量来实现。将翅片数量减少到36片，在ANSYS中重新导入模型：图6.17 导入模型导入模型后,选取几何模型的材料为铝合金,并划分网格.共划出278873个节点和142642个网格。图6.18 网格划分设置热边界条件，选定除截面以外的所有表面，对流换热系数为5W/(m2