CN103544364A - 大功率led散热器的优化与设计 - Google Patents

Abstract

本发明大功率LED散热器的优化与设计，涉及遗传算法理论结合散热器的换热及阻力性能与结构参数的关系研究，其步骤是：选取常用的平直肋片散热器的底板长度、厚度以及肋片间距、高度和厚度作为优化变量，将散热器的外形尺寸与肋片的参数作为优化目标，并在遗传优化算法的执行步骤与流程设计的基础上，开发了采用MATLAB编程的优化程序并进行仿真计算，得到LED散热结构的最优化组合，其组合结果用于对散热器的优化与设计。本发明不仅可以提高散热器的传热效能，还可以降低散热器的设计和运行成本，同时减少了对设计者经验的依赖，具有通用性和工程实用价值，可应用于热工方面的多种散热器的优化设计。

Description

大功率LED散热器的优化与设计

技术领域

本发明的技术方案涉及遗传算法理论结合散热器的换热及阻力性能与结构参数的关系研究对大功率LED散热器进行优化与设计，具体地说是通过仿真计算来获得影响LED散热结构的最优化组合，其组合结果用于对散热器的优化与设计。

背景技术

LED因其节能环保等诸多优点被认为是最有可能替代白炽灯的第四代绿色照明光源，具有广阔的应用前景。但LED在工作过程中会产生热量，如果不迅速耗散而积聚起来会导致LED温度过高，将严重影响LED的工作性能。CN201819168U公开了通过在大功率LED散热器的散热均衡板上安装导热基板，使散热翅片宽出散热均衡板的部分与散热均衡板两侧面并构成气流空间，且在位于LED散热器下方的灯具外壳开设有气流进气口等方面进行了实用新型改进。CN102767809A披露了一种在每片翅片上同轴固接一个发散式振荡流热管，并与充填低沸点导热介质或导热油的导热腔的联合运行，将LED产生的热量及时释放，为一种高效、轻便、美观的新型的大功率LED散热器。上述对大功率LED散热器的优化与设计，都是通过外接其他介质或者导热装置等方法来提高散热量，其缺点主要有二：首先，增加了工业成本，增加了LED装置自身的体积且操作较为麻烦；其次，在外加机械载荷的作用下，易对散热器本身带来额外的附加损伤，使散热装置工作可靠性降低。

因此，基于快速、高效散热的目的，通过算法研究，对大功率LED散热器进行优化设计成为一个重要的研究课题，具有重要的理论意义与实际应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在不增加工业成本及LED装置自身体积的前提下，通过简单操作对大功率LED散热器进行优化与设计，提高散热装置的工作可靠性，并适于实际的工业应用。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：大功率LED散热器的优化与设计，涉及遗传算法理论结合散热器的换热及阻力性能与结构参数的关系研究，其步骤是：选取常用的平直肋片散热器的底板长度、厚度以及肋片间距、高度和厚度作为优化变量，将散热器的外形尺寸与肋片的参数作为优化目标，并在遗传优化算法的执行步骤与流程设计的基础上，开发了采用MATLAB编程的优化程序并进行仿真计算，得到LED散热结构的最优化组合，其组合结果用于对散热器的优化与设计。

上述大功率LED散热器的优化与设计，所述的变量优化是考虑到散热肋片的类型和尺寸是影响散热器性能的主要因素之一，且国内外散热器肋片的结构类型和尺寸已经形成系列，故选择典型的平直肋片，选取散热器的底板长度、厚度以及肋片间距、高度和厚度作为优化变量，将底板的宽度和肋片的数目设为固定值。

上述大功率LED散热器的优化与设计，所述的对变量进行约束的条件由结构限制和性能指标共同构成，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\max }>x_i>x_{\min }\\ {\mathrm{\ΔP}}_{i\max }>{\mathrm{\ΔP}}_i\\ {\mathrm{\η}}_f>{\mathrm{\η}}_{\min }\end{array}\right.$

式中，x_i为优化变量；x_max、x_min分别为优化变量的最大值和最小值，由散热器的外形尺寸与肋片参数等决定；ΔP_i为冷、热侧的流体压降；ΔP_imax为冷、热侧的流体压降的上限；η_f为肋片效率；η_min为肋片效率允许的最小值。

上述大功率LED散热器的优化与设计，所述的优化目标函数是综合考虑散热器各主要结构参数及热力学参数之间的优化匹配，选取散热器的散热量、体积和压降作为优化目标，根据各优化目标在优化中的重要程度，采用线性加权法建立散热器的多目标优化函数：

$\min F\left(x\right)=\min [\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\Φ}\left(x\right)}+{\mathrm{\ω}}_{2}V\left(x\right)+{\mathrm{\ω}}_3\mathrm{\Δp}\left(x\right)]$

式中ω₁(i=1，2，3)为加权系数，即各目标函数的权重，根据经验或具体情况及各目标函数在优化问题中的重要程度来确定，且加权系数的总和满足∑ω₁=1。

上述大功率LED散热器的优化与设计，所述的散热器最优化组合由散热底板长度、肋片高度与肋片厚度这3个参数共同组成，是在遗传优化算法的执行步骤与流程设计的基础上，开发了采用MATLAB编程的优化程序并进行仿真计算后得到的，其组合结果用于对散热器的优化与设计。

本发明的有益效果是：①基本不增加工业成本及LED装置自身的体积；②通过简单操作对大功率LED散热器进行优化与设计，提高散热装置的工作可靠性，并适于实际的工业应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明大功率LED散热器的优化与设计的流程示意框图。

图2为本发明大功率LED散热器的散热结构分析模型示意图。

图3为本发明大功率LED散热器的优化与设计的遗传优化算法执行步骤与流程设计图。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明大功率LED散热器的优化与设计的流程是：根据平直肋片散热器的结构参数，选取散热器的底板长度、厚度以及肋片间距、高度和厚度作为优化变量，确定散热器的散热量、体积和压降作为优化目标，进而在遗传优化算法的执行步骤与流程设计的基础上，开发了采用MATLAB编程的优化程序并进行仿真计算，得到LED散热结构的最优化组合，其组合结果用于对散热器的优化与设计。

图2所示实施例表明，本发明大功率LED散热器的散热结构分析模型，肋片等间距排列的散热器底板上覆盖有PCB涂层，LED阵列点缀其中。

图3所示实施例表明，本发明大功率LED散热器的优化与设计的遗传优化算法执行步骤与流程设计图。优化程序由两部分组成：遗传算法部分和散热器性能模拟计算部分。遗传算法是主程序，它通过调用散热器模拟程序得到目标函数值，然后转化成适应度值，经过不断循环直至找到最优解。

Claims (5)

1.大功率LED散热器的优化与设计，其特征在于涉及：遗传算法理论结合散热器的换热及阻力性能与结构参数的关系研究，其步骤是：选取常用的平直肋片散热器的底板长度、厚度以及肋片间距、高度和厚度作为优化变量，将散热器的外形尺寸与肋片的参数作为优化目标，并在遗传优化算法的执行步骤与流程设计的基础上，开发了采用MATLAB编程的优化程序并进行仿真计算，得到LED散热结构的最优化组合，其组合结果用于对散热器的优化与设计。

2.根据权利要求1所述的大功率LED散热器的优化与设计，其特征还在于，所述的变量优化是考虑到散热肋片的类型和尺寸是影响散热器性能的主要因素之一，且国内外散热器肋片的结构类型和尺寸已经形成系列，故选择典型的平直肋片，选取散热器的底板长度、厚度以及肋片间距、高度和厚度作为优化变量，将底板的宽度和肋片的数目设为固定值。

3.根据权利要求1所述的大功率LED散热器的优化与设计，其特征还在于，所述的对变量进行约束的条件由结构限制和性能指标共同构成，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\max }>x_i>x_{\min }\\ {\mathrm{\ΔP}}_{i\max }>{\mathrm{\ΔP}}_i\\ {\mathrm{\η}}_f>{\mathrm{\η}}_{\min }\end{array}\right.$

式中，x_i为优化变量；x_max、x_min分别为优化变量的最大值和最小值，由散热器的外形尺寸与肋片参数等决定；ΔP_i为冷、热侧的流体压降；ΔP_imax为冷、热侧的流体压降的上限；η_f为肋片效率；η_min为肋片效率允许的最小值。

4.根据权利要求1所述的大功率LED散热器的优化与设计，其特征还在于，所述的优化目标函数是综合考虑散热器各主要结构参数及热力学参数之间的优化匹配，选取散热器的散热量、体积和压降作为优化目标，根据各优化目标在优化中的重要程度，采用线性加权法建立散热器的多目标优化函数：

$\min F\left(x\right)=\min [\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\Φ}\left(x\right)}+{\mathrm{\ω}}_{2}V\left(x\right)+{\mathrm{\ω}}_3\mathrm{\Δp}\left(x\right)]$

式中ω₁(i=1，2，3)为加权系数，即各目标函数的权重，根据经验或具体情况及各目标函数在优化问题中的重要程度来确定，且加权系数的总和满足∑ω₁=1。

5.根据权利要求1所述的大功率LED散热器的优化与设计，其特征还在于，所述的散热器最优化组合由散热底板长度、肋片高度与肋片厚度这3个参数共同组成，是在遗传优化算法的执行步骤与流程设计的基础上，开发了采用MATLAB编程的优化程序并进行仿真计算后得到的，其组合结果用于对散热器的优化与设计。

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