《武汉工程大学学报》 2015年01期
49-53
出版日期：2015-01-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
积分球通用ＬＥＤ光源灯座的优化设计
０ 引 言 积分球是专门用于ＬＥＤ光色参数测量和光谱分析的仪器. 近年来，ＬＥＤ光源以其体积小、能耗低、响应快、寿命长等诸多优点，在各个领域得到广泛使用. 积分球作为一种重要的ＬＥＤ测试分析仪器，在ＬＥＤ光源的快速研究和发展中发挥了极大作用. 积分球球内设有两脚直插灯座，适用于两脚形式的ＬＥＤ光源，但由于目前绝大多数ＬＥＤ光源都采用铝基板的形式，直插灯座不再适用. 此时需另行设计积分球的外接灯座. 此外，对于大功率ＬＥＤ光源，外接灯座还需兼具散热器的功能. 本文的目的在于为积分球设计一种通用的外接灯座，该灯座不仅能满足铝基板形式的ＬＥＤ光源的便捷安装与测试，同时能充分满足ＬＥＤ光源的散热要求. １ 外接灯座设计方案 本文以０．５ m规格的积分球为例，该积分球球体直径为５００ ｍｍ，对光通量的测试范围为１~１ ９９９ ｌｍ. １．１ ＬＥＤ光源热耗散功率Ｐｄ 良好散热条件下，通常功率型ＬＥＤ光源的光效可达１００ ｌｍ／Ｗ以上. 本文选取实用光效为１００ ｌｍ／Ｗ的光源作为设计样本，即该规格积分球可测试的ＬＥＤ光源最大功率约２０ Ｗ. 目前ＬＥＤ光电转换效率只有约２０％~３０％，剩余的都将转化为热量. 取光电转化效率为最低的２０％，则该ＬＥＤ光源的热耗散功率为１６ Ｗ. １．２ 温度设计 ＬＥＤ结温超过１２０ ℃后会造成光通量下降、光效降低等不良后果. 本文设计要求为ＬＥＤ结温不高于１２０ ℃. ＬＥＤ芯片样本内热阻约１．５ ℃／Ｗ，则此芯片壳温不能高于９０ ℃. 铝基板热阻约为１ ℃／Ｗ，则铝基板另一侧温度不高于７０ ℃. 铝基板与灯座间的热界面材料采用常用的导热硅脂，导热系数为３ Ｗ／（ｍ·℃），厚度约０．５ ｍｍ，其热阻为０．２８ ℃／Ｗ，则灯座最高壁温不得高于６４．４ ℃. １．３ 外接灯座的设计 经测量，积分球外接端口直径为４６ ｍｍ，深度为４０ ｍｍ. 外接灯座采用最常用的矩形肋片式散热器形式，灯座材料采用最常用材料Ａｌ６０６３－Ｔ５，其导热系数为２０９ Ｗ／（ｍ·℃），表面经过阳极氧化处理，辐射率约为０．６. 为消除接触热阻，肋片由整块铝锭切削加工而来，肋厚与肋间距不宜过小，以保证可加工性. 参照相关资料的经验公式，并结合本文实际，确定灯座各个参数的初始值［１］，如表１所示. 表1 灯座各参数初始设计值 Table1 The each initial design values of lamp holder 根据灯座入品处尺寸，结合表１中的灯座凸台尺寸，利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件建立外接灯座的三维模型，如图１所示. 图１ 外接灯座三维模型 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌａｍｐ ｈｏｌｄｅｒ １．４ 散热方式 自然对流散热和强制对流散热是肋片散热器最常用的两种散热方式. 本文条件下，灯座的肋片部分暴露在积分球外部，故肋片的外形尺寸可不受空间限制. 此外，如采用强制对流散热，肋片端需加装风扇固定位，还需考虑风扇供电等问题. 综合以上因素，灯座采用自然对流散热［２］. １．５ 灯座肋片安装方向 据场协同理论，当肋片沿重力场方向时有最佳协同角和最佳散热效果，故肋片沿肋长方向竖直放置. ２ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ稳态热分析 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的稳态热分析需给定对流换热系数，该参数的准确性对于整个热分析的准确性至关重要. 采用试算迭代法来确定自然对流换热系数. 即先假设一个试算值，用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ稳态热分析计算得到灯座的温度场和灯座肋片壁温［３］，再将此温度作为条件代入相应的实验关联式中，计算出该温度条件下的对流换热系数. 比较两个对流换热系数的差值，并更换新的试算值，用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ进行第二次稳态热迭代计算. 当前后的换热系数相差不超过１％，即可认为迭代收敛，得到最终的换热系数. 据传热学理论，确定本文条件下灯座肋片与空气对流散热的流态，并利用相关实验关联式计算自然对流换热系数［４］，其迭代过程如表２所示. 表2 迭代计算值 Table2 Iterative calculation value 从表２可以看出，当试算值ｈ１＝６．７ Ｗ/（ｍ·℃）时，稳态热分析前后的对流换热系数相差仅为０．４％，迭代收敛，即本文实验条件下，空气的自然对流换热系数为６．７ Ｗ/（ｍ·℃），此条件下灯座的ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的热稳态分析温度场如图２所示. 灯座最高温度位于与导热硅脂接触的壁面，为６８．５ ℃，高于设计要求的６４．４ ℃，因此需要对灯座的肋片参数进行优化，确保灯座最高壁温不高于设计要求. 图２ ｈ＝６．７ Ｗ·（ｍ·℃）-1时灯座的温度场分布 Ｆｉｇ．２ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｍｐ ｈｏｌｄｅｒ ｗｈｅｎ ｈ＝６．７ Ｗ／（ｍ·℃）-1 ３ 灯座的优化 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ平台具有卓越的优化分析能力［５］，本文采用其中的Ｇｏａｌ Ｄｒｉｖｅｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ（多目标驱动优化分析）工具，利用Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（参数相关性优化分析工具）和Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｓｕｒｆａｃｅ（响应曲面优化分析工具）对灯座的肋片参数进行优化设计［６］. 保持肋片数Ｎ为７个不变，选取基座厚ｄ、基座长（肋长）Ｌ、基座宽Ｗ、肋高Ｈ、肋厚ａ、肋间距ｂ等六个参数作为输入变量，选取灯座最高壁温和灯座体积两个参数作为设计输出. 综合各项边界条件，给定各设计变量的取值范围，详见表３. 表3 设计变量取值范围 Table.3 Design variables ranging 系统根据各个变量的取值范围，采用蒙特卡罗抽样方法，列出４５个设计样本，分别求解后，自动找出产生极值的四个设计样本. 六个设计变量对输出目标的影响关系，如图３所示. 从图3中可以看出，对灯座的体积影响最大的三个设计变量分别是肋厚ａ、肋高Ｈ、肋长Ｌ，对灯座壁温影响最大的三个设计变量分别是肋高Ｈ、肋长Ｌ、肋厚ａ，可见这三个设计变量是优化设计的关键参数. 图３ 设计变量与输出目标的敏感关系 Ｆｉｇ．３ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｔａｒｇｅｔｓ 设置温度不高于６４．４ ℃为硬性要求，寻找体积最小的设计样本. 软件经计算后会自动筛选出的三个最符合要求的设计候选样本中，其中一个设计样本有最小体积1.2７×105 ｍｍ３，因此这个设计样本就是最佳优化设计样本. 为了便于实际加工，对设计样本Ａ中的六个设计变量值进行适当处理. 为保证基座宽度方向两端不留空余（即满足７ａ＋６ｂ＝Ｗ），对多出的宽度予以切除，每个变量的小数点后仅保留一位. 按照处理后的设计变量值修改灯座模型，重新进行热稳态分析，将得到的结果与优化前进行比较，如表４所示. 表4 优化前后的各参数对比 Table4 Each parameter comparison between before and after optimization 用优化处理后的值更新灯座模型，重新进行热稳态分析，对应的稳态热分析得到的温度分布：最高壁温为６４．２ ℃，最低壁温为６０．７ ℃. ４ 实验验证 按照优化后的灯座尺寸，选择ＡＬ－６０６３为材料，加工出灯座实体. 实验设备安装如图４所示. 采用福禄克公司的红外测量仪作为测温设备，将程控直流电源输入功率设为２０ Ｗ，点亮ＬＥＤ光源. 每隔１０ min用红外测量仪测试一次灯座的温度，当灯座壁温不再升高并保持在一个稳定温度值时，此时灯座温度到达热稳态，此时的灯座温度场分布如图５所示. 图４ 实验设备安装示意图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 图５ 灯座温度分布 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｍｐ ｈｏｌｄｅｒ 对比热稳态仿真得到的温度分布与实验条件下得到的温度分布，如表５所示. 表5 仿真与实验条件下的灯座温度分布 Table5 The temperature distribution under simulation and experiment conditions 从表5可以看出，仿真结果与实验结果两者十分接近，说明ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真分析和优化效果是可靠和准确的. ５ 结 论 在ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中，利用其强大的多目标驱动优化分析工具，结合稳态热分析，阐述了在满足灯座壁温不超过最高设计壁温的前提下，缩小灯座体积，减轻灯座重量并节省材料的优化设计方法，并用实验证实了这种优化效果. 与传统方法相比，该设计方法不仅省时和高效，而且大大降低了生产成本. 对于此类问题的优化设计均具有指导意义. 致 谢 在研究过程中，清华大学深圳研究生院国家光盘中心提供了实验场地与实验设备，在此表示衷心的感谢！