熱管在大功率LED燈上的應(yīng)用

魏 麗

（陜西烽火通信集團有限公司，陜西 西安 710075）

隨著環(huán)保節(jié)能時代的到來，高效節(jié)能LED燈的開發(fā)和應(yīng)用正在蓬勃興起，但是成本和散熱始終是LED路燈擴大普及的瓶頸，特別是大功率LED路燈的散熱技術(shù)和重量之間的矛盾一度成為技術(shù)上一個難以解決的問題，因為無論采用哪種散熱技術(shù)，最終是靠面積來解決散熱，而面積越大重量越大。

早在20世紀40年代，國外首先發(fā)明了以液體為介質(zhì)的進行熱能傳遞的元件——熱管（Heatpipe），作為一種特種傳熱元件，它以很小的溫差傳送大量熱量，有著兩個優(yōu)異的特性：①導(dǎo)熱性能優(yōu)異；②均熱效果好。在所有的金屬和非金屬材料中，就傳熱性能而言，幾乎沒有哪種材料能夠與熱管元件相比。

1 熱管的工作原理

熱管由管殼、毛細芯和工作流體組成，將管內(nèi)抽成1.3×（10-1～10-4）P a的負壓后充以適量的工作流體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的加熱段一端受熱時液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷卻段一端，放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳至另一端，達到傳熱的目的。（圖1為熱管的工作原理圖）

圖1 熱管的工作原理

熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：①熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液～汽）分界面；②液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液～汽）分界面上蒸發(fā)；③蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；④蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽、液分界面上凝結(jié)；⑤熱量從（汽～液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；⑥在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

利用熱管的這種工作原理，可以根據(jù)需要來設(shè)計熱管的形狀，可以在一定限度內(nèi)被折彎及壓扁，以適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)需要。在熱管傳熱原理的基礎(chǔ)上，還衍生出了其它的高效傳熱器件，如熱柱（heat column）、真空冷板（vapor chamber）、回路熱管（loop heatpipe）等，可以滿足各種特殊需要，以達到我們使用的目的。

2 熱管用于大功率LED燈上的散熱分析

目前，大多數(shù)企業(yè)采用的一種方法是將LED燈芯安裝在純鋁（純銅也可以）型材或鑄鋁件上，通過一定厚度和面積的金屬板將LED的熱量導(dǎo)走，這種辦法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低，缺點是功率過大時重量過大，且散熱不夠理想。圖2為采用這種散熱器的LED燈。

圖2 翅片散熱器做的LED路燈

盡量低的結(jié)溫是LED工作者一直的追求，因為這樣可以提高光效、延緩光衰、延長燈的壽命。給LED散熱實際上就是要迅速地把LED所產(chǎn)生的熱量帶走，關(guān)鍵在于“迅速”二字。

燈具的散熱最好是尋找設(shè)計最短的散熱通道減少熱阻,使熱量盡快地釋放到大氣中。其中，在總熱阻中，界面熱阻是散熱通道的瓶頸,散熱的重點應(yīng)該放在界面導(dǎo)熱材料上。導(dǎo)熱速度的高低決定于材料的導(dǎo)熱系數(shù)，以下是典型的幾種材料的導(dǎo)熱系數(shù)表。

材料 硅 金 銀 銅 鋁 鐵導(dǎo)熱系數(shù) 61131742 94012378 0

很顯然，硅的導(dǎo)熱系數(shù)雖很高，但并不能為燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計所采用；金、銀的經(jīng)濟性會很差；銅的經(jīng)濟性介于前兩種材料和鋁以后的材料之間，根據(jù)經(jīng)驗，其經(jīng)濟性也很差。為了達到更好的散熱效果，現(xiàn)在越來越多的廠家采用增加翅片的辦法來散熱，所以絕大多數(shù)企業(yè)都采用鋁材做為翅片的材料，重量也輕，滿足經(jīng)濟性和使用性的要求。這樣以來，雖增加了一些成本，但散熱效果得到明顯改善。而要將大量的熱量迅速傳導(dǎo)出來，光靠翅片是不夠的，因此，我們在翅片上開孔，去安裝帶毛細芯的銅管（熱管），由于熱管的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，它可以將大量熱量迅速傳導(dǎo)出來。再在翅片橫向開一定大的孔以便于通風(fēng)。

熱管有以下優(yōu)點：①翅片密度高——大幅度增加散熱面積；②產(chǎn)品重量輕體積小——適應(yīng)產(chǎn)品的小型或輕型化要求；③銅鋁混合焊接——兼取銅材傳熱更佳及鋁材重量較輕的優(yōu)勢；④特定區(qū)域焊接——可以僅在需要散熱的區(qū)域焊接散熱齒片或傳熱部件；⑤模具費用低——節(jié)省大型鋁型材昂貴的模具費；⑥底板可精密加工——底板可以加工精密腔體或復(fù)雜的避讓位。

高效熱管的軸向熱流密度可達到8.4×106W/m2，有效導(dǎo)熱系數(shù)為3.2×106W/m k，對比可知，高效熱管的導(dǎo)熱速度為白銀導(dǎo)熱速度的數(shù)千倍。圖3即LED燈的熱管模組。

圖3 LED燈的熱管模組

3 結(jié)語

采用上述熱管后，將之應(yīng)用于180 W路燈、160 W路燈、120 W路燈、80 W隧道燈等大功率的燈具上，燈芯的結(jié)溫被控制在80°C以下，已經(jīng)過了二年之久的考驗，主干道平均照度為30 L x，照度均勻度為0.48，光衰、光效均在要求范圍內(nèi)；經(jīng)實驗室測試，壽命也達到了50000 h。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，使用LED道路燈已成為勢不可擋的局勢。然而，功率越大，產(chǎn)生的熱量越多，而大量的熱量要迅速的傳導(dǎo)出去，利用熱管加翅片焊接在底板上的散熱無疑是正確的選擇。

實踐證明，熱管在大功率LED燈上的應(yīng)用，有著廣闊的前景。

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