新型熱管式大功率LED路燈散熱器的研制

胡津津，徐 歡

（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽蚌埠 233000）

大功率發(fā)光二極管（LED）作為第4代照明光源，其發(fā)光效率經(jīng)過幾十年的研究已經(jīng)得到了較大的提高，具有安全可靠性強(qiáng)、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)時(shí)間短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于照明和信號(hào)燈具中［1］.基于目前制造半導(dǎo)體的技術(shù)，LED輸入功率中絕大多數(shù)的能量轉(zhuǎn)化為熱能，大約只有15%的轉(zhuǎn)化為光能［2］.器件的正常使用的前提條件是，結(jié)溫要求在110℃以下.通過在LED的基板上安裝散熱器，可以有效解決芯片功率不斷增大帶來(lái)的散熱問題.

LED道路照明燈具中主要采用被動(dòng)式散熱和主動(dòng)式散熱這兩種散熱方式.所謂被動(dòng)式散熱，就是通過安裝散熱片.比如Sheu G J等人利用商用微型熱管散熱，顯著降低了LED的工作溫度，并提高了芯片的輸入功率［3］.所謂主動(dòng)式散熱，就是通過外加水冷或者風(fēng)扇等方式來(lái)散熱［4］.主動(dòng)式散熱的缺點(diǎn)有可靠性低、泵抽吸泄露以及額外的能量消耗等［5］.

本文采用熱管原理設(shè)計(jì)了一種新型大功率LED路燈散熱器.該散熱器由散熱翅片、封閉殼體、芯體、金屬薄片、液體工質(zhì)、通孔組成，且散熱器的方向垂直于基板，為降低芯片結(jié)溫，在散熱翅片之間留有冷空氣流通的通道.

1 熱傳導(dǎo)熱管技術(shù)及工作原理

以多種元素的混合物為導(dǎo)熱介質(zhì)，并將它注入如金屬狀的腔體內(nèi)，經(jīng)過真空處理密封成型后，形成具有導(dǎo)熱特性的元件——熱傳導(dǎo)熱管.

熱管是一種具有較高導(dǎo)熱性能的相變傳熱元件，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的，具有超長(zhǎng)的熱敏感性和熱活性.在受熱后，熱傳導(dǎo)熱管內(nèi)部的導(dǎo)熱介質(zhì)吸熱后，其內(nèi)部分子震蕩、摩擦，將熱能快速激發(fā)，熱量從熱管的一端很快傳導(dǎo)至另一端.在傳熱過程中，熱管的熱導(dǎo)性為表面呈現(xiàn)出熱阻趨于零的特性［5］.熱管之所以導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)高于普通金屬材料，原因是其熱傳導(dǎo)是通過腔體內(nèi)部的介質(zhì)來(lái)導(dǎo)熱的.熱管能以較小的溫差獲得較大的傳熱率，由于其特有機(jī)理，使冷熱流體間的熱交換均在管外進(jìn)行，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有單向?qū)岬奶攸c(diǎn).此外，由于熱管內(nèi)部被抽成真空狀態(tài)，所以工質(zhì)很容易沸騰與蒸發(fā)，能夠快速啟動(dòng)［6］.

2 大功率LED路燈散熱器的設(shè)計(jì)

熱板散熱器呈水平放置，其工作原理如圖1.熱量從下方進(jìn)入，工質(zhì)吸收熱量后汽化，汽化后的工質(zhì)充滿整個(gè)熱管腔體，然后在熱板上方放出熱量并液化，液化后的工質(zhì)隨著熱管內(nèi)腔壁上的特殊材料的毛細(xì)力回到熱源部分.這種熱管傳熱效率較高，但由于這種結(jié)構(gòu)使得翅片不好布置且機(jī)械強(qiáng)度不夠，因此在大功率LED路燈上使用，效果并不理想.

圖1 傳統(tǒng)熱管散熱器工作原理圖

為了克服以上熱管散熱器在應(yīng)用中的存在的問題，重新設(shè)計(jì)了熱管散熱器的結(jié)構(gòu)，以應(yīng)用于大功率LED路燈中.

設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮到散熱器要有利于熱量從LED光源快速、順利地傳導(dǎo)到散熱器上，其次要有利于空氣的流通，使散熱器與空氣充分對(duì)流換熱.結(jié)合路燈的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)散熱器時(shí)注意了以下幾點(diǎn):

（1）基板形狀.將散熱器的基板形狀設(shè)計(jì)為弧線型，以利于雨水的排出，同時(shí)也利于雨水對(duì)灰塵、落葉等的沖刷，保證散熱器的散熱效率.

（2）翅片的排列方向.為了提高翅片和空氣間的對(duì)流換熱，將翅片排列方向設(shè)計(jì)成與馬路方向平行，且方向垂直于基板.

（3）造型設(shè)計(jì).為了設(shè)計(jì)的美觀，將散熱器與路燈燈體設(shè)計(jì)為一個(gè)整體.同時(shí)，考慮到路燈是高空懸掛的，引入“抗風(fēng)設(shè)計(jì)”的理念，依據(jù)流體力學(xué)原理，將路燈造型設(shè)計(jì)成為流線型，翅片形狀做相應(yīng)調(diào)整，以減少阻力.

新型熱管式散熱器結(jié)構(gòu)圖，參見圖2.

圖2 新型熱管式散熱器結(jié)構(gòu)圖

該新型熱管式散熱器由封閉殼體、金屬薄片、芯體、通孔、散熱翅片及液體工質(zhì)組成.該封閉殼體的內(nèi)部空腔為真空后灌注一定量的液體工質(zhì);將金屬薄片緊密疊置做成芯體.在安裝過程中，封閉殼體的內(nèi)部空腔與芯體的外表面焊接.為了便于液體工質(zhì)在金屬薄片的相鄰縫隙間流通，在金屬薄片上開設(shè)有用于汽化的通孔.芯體在通孔的地方形成貫穿的孔洞.散熱翅片是垂直焊接在封閉殼體的外表面，之間專門留有讓冷空氣流通的通道.

圖3 測(cè)試系統(tǒng)裝置

3 溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

利用現(xiàn)代加工技術(shù)，將設(shè)計(jì)的LED路燈散熱器制作成樣品.為了驗(yàn)證安裝有熱管散熱器的LED路燈散熱效果，對(duì)其進(jìn)行溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn).測(cè)試系統(tǒng)由安裝有熱管散熱器的LED路燈、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)成.測(cè)試系統(tǒng)模型，參見圖3.

為保證數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，在LED光源上的四個(gè)位置布置了溫度傳感探頭，參見圖4.

實(shí)驗(yàn)在環(huán)溫為25℃左右時(shí)進(jìn)行，共反復(fù)進(jìn)行15次測(cè)試.每次實(shí)驗(yàn)，光源點(diǎn)亮10小時(shí)，并從光源點(diǎn)亮?xí)r起每15分鐘采集一次數(shù)據(jù)，待溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度測(cè)量平均值進(jìn)行分析.同時(shí)，與未安裝散熱器的LED路燈升溫過程進(jìn)行對(duì)比.作出升溫曲線圖，參見圖5.

圖4 LED光源測(cè)試點(diǎn)

圖5 升溫曲線圖

由圖5可以看出，未安裝散熱器的LED光源，在起初的1小時(shí)內(nèi)，溫度一直處于上升階段，且上升速度非常快.在1小時(shí)后，溫度上升的速度變慢，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的最高溫度為62.15℃.安裝有新型熱管式散熱器的LED光源，溫度變化平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的最高溫度為41.2℃.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，安裝有新型熱管式散熱器的大功率LED路燈，其散熱效果明顯.

4 小結(jié)

散熱是集成大功率LED光源面臨的首要問題.本文利用熱管原理設(shè)計(jì)了一種適用于大功率LED路燈的新型散熱器.在環(huán)溫為25℃時(shí)，對(duì)LED路燈制作樣品進(jìn)行了溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，點(diǎn)亮5小時(shí)后，溫度變化開始趨向平穩(wěn)，最后達(dá)到熱平衡，在第10小時(shí)測(cè)試到最高溫度，為41.2℃.結(jié)溫在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而解決了制約大功率LED應(yīng)用的瓶頸問題.

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［1］劉紅，梁華，蔣蘭芳.分布式大功率LED路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.輕工機(jī)械，2011，29（4）.

［2］劉一兵，黃新民，劉國(guó)華.基于功率型LED散熱技術(shù)的研究［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2008，19（1）:68－73.

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［4］Sheu G J，Hwu F S，Tu S H et al.The heat dissipation performance of LED applied a MHP［C］//Fourth international conference on solid state lighting，Procedings of SPIE，2005，5941:594113.1 －8.

［5］李玉強(qiáng)，王陽(yáng)，生南南，陽(yáng)炎平，鄂加強(qiáng).大功率LED路燈新型散熱器的開發(fā)［J］.廣西輕工業(yè)，2010，26（4）.

［6］魯祥友，程遠(yuǎn)霞，劉美靜，華澤釗.用于大功率LED冷卻的熱管散熱器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.半導(dǎo)體光電，2008，29（5）.

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