熱管換熱器應(yīng)用于大功率LED路燈冷卻系統(tǒng)的實驗研究*

勾昱君 劉中良

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院教育部傳熱強化與過程節(jié)能重點實驗室，北京 100022;2.唐山學(xué)院，河北唐山 063009)

1 引言

大功率LED路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是，大功率LED路燈的光源采用低壓直流供電、GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，是基于半導(dǎo)體PN結(jié)形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源。與采用高壓鈉燈的傳統(tǒng)路燈相比，具有光效高、光電轉(zhuǎn)化效率高、光衰小、光顯色性好及對環(huán)境污染性小等優(yōu)點，因此LED路燈替代傳統(tǒng)的高壓鈉燈，是今后發(fā)展的一個主要趨勢。但隨著LED路燈功率的增大，散熱能力差是限制其發(fā)展的一個主要技術(shù)瓶頸。眾所周知，LED作為光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的結(jié)點溫度升高，其生命周期、亮度、產(chǎn)品穩(wěn)定性等都會隨之發(fā)生衰竭，大功率LED路燈也因此發(fā)生損壞。因此在大功率LED路燈設(shè)計中，最主要的設(shè)計工作就是散熱環(huán)節(jié)。同時LED路燈亮度要求高，使用環(huán)境比較苛刻，如果散熱解決不好，會迅速導(dǎo)致LED老化，穩(wěn)定性降低。

目前LED路燈的散熱方式主要有:自然對流散熱、加裝風(fēng)扇強制散熱、均溫板散熱、熱管及回路熱管散熱等。自然對流的散熱方式效果差，不能及時把產(chǎn)生的熱量釋放出去，加裝風(fēng)扇強制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性降低，考慮大功率LED路燈的實際應(yīng)用情況，其冷卻部分的尺寸不允許過大，要能夠滿足容納于燈罩中的尺寸要求，還要兼顧美觀，近幾年很多學(xué)者研發(fā)了新型的散熱方式來取代傳統(tǒng)的直接固體外部熱沉的方法實現(xiàn)對LED的散熱。如羅小兵、劉勝等人開展了采用微噴射流［1］，［2］的方法來冷卻LED芯片系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)依靠一個微型泵來提供循環(huán)的動力，雖然取得了良好的散熱效果，但是微泵工作的可靠性和穩(wěn)定性制約了這種系統(tǒng)實際應(yīng)用于LED器件散熱的可能性。

熱管技術(shù)近年來成為大功率LED路燈散熱的另一項熱門技術(shù)［3～4］。如莫冬傳［5］等人開展了環(huán)路熱管對于LED啟動特性的研究，魯祥友［6］等人進(jìn)行了回路熱管熱阻和蒸發(fā)部分表面溫度的測定，以及不同功率下熱管散熱性能的研究。這些實驗結(jié)果表明把熱管技術(shù)應(yīng)用于LED器件散熱是可行的。因為熱管是一種傳熱效率極高的換熱元件，冷、熱流體間的熱量傳遞是靠熱管內(nèi)工作介質(zhì)蒸發(fā)和冷凝的相變過程耦合在一起的，它的當(dāng)量熱導(dǎo)率可達(dá)金屬的103～104倍。但就目前來說，熱管應(yīng)用于LED路燈散熱方面的研究還處于剛剛起步的階段，技術(shù)并不成熟。

本文作者在研究熱管換熱機理及LED路燈熱源發(fā)熱特點的基礎(chǔ)上研發(fā)了一組新型熱管換熱器，把該系列熱管換熱裝置應(yīng)用于LED路燈模擬實驗臺上取得了良好的換熱效果，而且實驗結(jié)果表明熱管換熱器翅片結(jié)構(gòu)的不同會極大影響其散熱性能，所研發(fā)的外布開孔形翅片和外翻形翅片結(jié)構(gòu)的熱管換熱器散熱能力比普通外布矩形翅片結(jié)構(gòu)的熱管換熱器散熱能力有明顯提高。同時工作角度的改變也會影響熱管換熱器的換熱性能，本文通過實驗測定了熱管換熱器應(yīng)用的最為理想的工作條件，并從理論上加以分析。

2 實驗系統(tǒng)與裝置

實驗系統(tǒng)由LED路燈模擬熱源、均熱銅板和熱管換熱器三部分構(gòu)成。均熱銅板置于熱源和熱管換熱器中間，厚度為4mm。其中熱管換熱器又分為蒸發(fā)段、傳熱段和冷凝段三部分，材質(zhì)均為紫銅，其中蒸發(fā)段熱管內(nèi)嵌于均熱板當(dāng)中，強化蒸發(fā)換熱，熱管采用燒結(jié)芯，冷凝段熱管外加特殊結(jié)構(gòu)的翅片，破壞傳熱的層流邊界層，也起到強化換熱的作用。LED模擬熱源由一根下部為圓柱形上部切削為矩形的銅柱體構(gòu)成，下部內(nèi)嵌4根電阻加熱棒，總功率可達(dá)300W，上部切成的矩形銅柱體端面面積為26mm×14mm，在柱體頂端構(gòu)建6個小圓柱端面，每個直徑為5mm，模擬LED的發(fā)熱源。在上部矩形銅柱的四個側(cè)面各設(shè)置4排測溫孔，孔深5mm，孔徑1mm，孔間距為15mm，采用T型熱電偶測溫，以獲取不同實驗條件下的熱流密度。T型熱電偶連接于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過計算機輸出溫度數(shù)值。置于熱源和換熱器之間的均熱板的四個側(cè)面各設(shè)置四個測溫孔，孔深為5mm，孔徑為1mm，測定不同實驗條件下熱管換熱器的冷卻效果。整個實驗過程設(shè)計在自然對流條件下進(jìn)行。實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 均熱板、普通熱管換熱器及新研制熱管換熱器散熱能力的比較

傳統(tǒng)的LED路燈散熱技術(shù)中使用的均熱板一般為一片5mm厚的銅板，實際上算是均溫板，把熱源產(chǎn)生的熱量傳遞到銅板上再均勻散掉，實驗過程中我們也使用了這樣一塊銅板，用于比較其與熱管換熱器的散熱能力的不同。傳統(tǒng)的熱管換熱器中翅片的形狀為矩形，有些情況為了增強換熱的效果也有采用銅翅片的結(jié)構(gòu)，這樣就增加了散熱的成本，且使得質(zhì)量增加，不利于實際的使用，在我們研發(fā)的新型熱管換熱器中，采用鋁質(zhì)翅片，但翅片形狀和結(jié)構(gòu)與以往不同，以更小的菱形翅片取代原來的矩形翅片，研發(fā)的過程中反復(fù)調(diào)整翅片的間距，達(dá)到最好的換熱效果，這樣的設(shè)計使得散熱裝置的成本降低、質(zhì)量減輕，同時換熱效果也有一定改善。實驗過程中，控制環(huán)境的平均溫度均保持在25～26℃之間，環(huán)境的濕度在45～50%，保證各個實驗條件相似。實驗均在自然對流條件下進(jìn)行，實驗結(jié)果如圖2所示，熱源上部的溫度隨著實驗的進(jìn)行在開始階段都會迅速增加，經(jīng)過一段時間之后，趨于穩(wěn)定，但三次實驗結(jié)束時熱源表面的溫度相差非常大。從圖中可以明顯看出，只設(shè)均熱板的情況，如黑線所示，實驗經(jīng)過6小時后，均熱板表面的溫度已達(dá)到了143.6℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了LED燈正常使用的結(jié)點溫度110℃。設(shè)置傳統(tǒng)的熱管換熱器，熱源表面溫度在6小時后為80.1℃，而改用我們研制的熱管換熱器，6小時后熱源表面的溫度可控制在71.2℃，比以往的熱管換熱器降低熱源表面溫度近10℃左右，實驗結(jié)果說明我們所研發(fā)的熱管換熱器具有良好的散熱性能，且能夠穩(wěn)定工作。

圖2 均熱板、普通熱管換熱器及新研制熱管換熱器散熱能力的比較

圖3 不同翅片結(jié)構(gòu)熱管換熱器散熱能力比較

3.2 熱管換熱器不同翅片結(jié)構(gòu)對散熱性能影響的實驗

熱管換熱器翅片形狀及結(jié)構(gòu)的不同會影響其換熱的性能。通過改變翅片結(jié)構(gòu)，我們研發(fā)了三種不同的熱管換熱器A、B、C，翅片形狀分別為菱形、開孔形和切割外翻形，對所研發(fā)的三種新型翅片形狀的熱管換熱器的散熱性能進(jìn)行了實驗測定，結(jié)果表明，具有外翻形翅片的換熱器C散熱性能最好，具有開孔形翅片的換熱器B的散熱能力優(yōu)于在實驗一中采用的菱形翅片的換熱器A。

實驗結(jié)果如圖3所示，三個實驗的環(huán)境溫度分別為18.1℃、18.4℃和18.5℃，環(huán)境溫度近似，可以忽略環(huán)境溫度對不同熱管換熱器散熱性能的影響。實驗過程進(jìn)行5個小時，測定熱源表面最終的溫度，在安裝換熱器A和B時，終溫分別為58.3℃和55.7℃，而設(shè)置換熱器C時，熱源表面的溫度可以控制在52.3℃，比換熱器A降低板表面的溫度接近6℃，比散熱器B降低近3.5℃，散熱能力最好。分析其原因，可能與換熱器C的翅片結(jié)構(gòu)能夠明顯破壞換熱層流邊界層，提高了翅片與外部空間的換熱能力有關(guān)。

3.3 不同熱管根數(shù)及翅片材質(zhì)和形狀對換熱性能的綜合影響

為了研究熱管根數(shù)和翅片材質(zhì)對熱管換熱器的影響，我們設(shè)計了具有不同翅片材質(zhì)和內(nèi)嵌不同根熱管的熱管換熱器E、F和G，其中熱管換熱器E內(nèi)嵌三根熱管，采用銅質(zhì)翅片，而F熱管換熱器采用四根熱管，鋁質(zhì)翅片結(jié)構(gòu)，兩種熱管換熱器的成本相近，外觀尺寸相同 (為了使F的尺寸和E相同，我們減小了熱管的尺寸，采用 5的燒結(jié)芯熱管取代E中使用的 6熱管來制作換熱器F)，從圖4中可以明顯看到換熱器F的散熱性能明顯優(yōu)于換熱器E，實驗測定最終熱源表面的溫度，在使用換熱器E時最終溫度達(dá)到70℃，而使用換熱器F時的溫度只有56.4℃，兩者相差近14℃，說明熱管換熱器中起到轉(zhuǎn)移熱量的關(guān)鍵部件是熱管，雖然翅片的材質(zhì)也會影響熱管換熱器的散熱性能，但與熱管對散熱能力的影響相比，銅質(zhì)翅片和鋁質(zhì)翅片對散熱的影響差別并不大。

圖4 不同熱管根數(shù)及翅片材質(zhì)對熱管換熱器散熱能力比較

圖4中，熱管換熱器G采用的是兩根熱管，鋁質(zhì)翅片的結(jié)構(gòu)，散熱能力最差，熱源表面的最終溫度達(dá)到了73.6℃。但是換熱器G的成本要比E和F的成本降低50%左右，而且尺寸減小，質(zhì)量只是換熱器E的1/3，換熱器F的1/2左右，具體比較數(shù)據(jù)見表1，結(jié)合2.3的實驗結(jié)果我們對G的翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用散熱效果最好的切割外翻形翅片，其散熱性能與普通的帶有矩形銅質(zhì)翅片結(jié)構(gòu)的換熱器E的散熱性能比較如圖5所示，環(huán)境溫度分別為26.5℃和17.6℃，從圖中可以明顯看出，工作的環(huán)境溫度更高的情況下優(yōu)化后的散熱器G的散熱能力與普通矩形翅片結(jié)構(gòu)換熱器E的散熱能力相近，而新型熱管換熱器G的尺寸減小了近1/3，質(zhì)量減少了1/3以上，這樣的尺寸和質(zhì)量更適用于大功率LED散熱裝置的實際應(yīng)用。

圖5 普通熱管換熱器E和帶切割外翻形翅片小型熱管換熱器G的散熱能力比較

表1 三種熱管換熱器E、F、G質(zhì)量、尺寸及最終均熱板溫度的比較

3.4 不同環(huán)境溫度對熱管換熱器散熱性能影響實驗

環(huán)境溫度是影響熱管換熱器散熱性能的另一個主要因素，為了找到環(huán)境溫度對熱管換熱器散熱性能的具體影響，我們設(shè)計了另一個實驗，讓同一熱管換熱器在不同的環(huán)境溫度下工作，比較發(fā)熱源的最終溫度，分析散熱能力的不同，實驗結(jié)果如圖6所示，熱管換熱器 (采用的是普通的矩形翅片)在環(huán)境溫度為17.7℃的條件下工作，最終熱源表面溫度可控制在73.6℃，當(dāng)環(huán)境溫度升高到26.8℃時，熱源表面的最終溫度達(dá)到了80.6℃，環(huán)境溫度相差9.1℃時，熱源表面的終溫最終相差7℃，可見隨著環(huán)境溫度的升高，發(fā)熱源表面的溫度也隨之大幅度的上升，在大功率LED散熱裝置的優(yōu)化設(shè)計過程中應(yīng)注意環(huán)境溫度的影響。

圖6 環(huán)境溫度對熱管換熱器散熱性能影響的分析

3.5 不同輸入電壓對熱管啟動性能的影響

熱管換熱器性能測試實驗臺當(dāng)輸入不同的電壓時，LED模擬熱源內(nèi)部的加熱管輸入功率不同，均溫板輸出的熱流密度也會發(fā)生變化，進(jìn)而影響熱管的啟動時間、影響換熱器的散熱性能。圖7反映了三者之間的關(guān)系，隨著輸入電壓的加大，熱流密度逐漸增大，而熱管的啟動時間逐漸縮短，當(dāng)輸入電壓為75V時，熱管換熱器在49min時才開始啟動，之后隨著輸入電壓增加為100V、150V和200V，啟動時間逐漸縮短為30min、18min和14min，可見，輸入功率越大，熱管啟動越迅速，越容易進(jìn)入到穩(wěn)定工作的狀態(tài)。

圖7 輸入電壓與啟動時間的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)建立了熱管散熱器性能測試臺，可對不同結(jié)構(gòu)尺寸及不同輸入功率的熱管散熱器，分析其散熱能力、熱穩(wěn)定性等;

(2)對翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，我們設(shè)計了三種不同翅片形狀的熱管換熱器，分別為菱形、開孔形和切割外翻形，根據(jù)實驗結(jié)果，菱形翅片結(jié)構(gòu)的換熱器A比以往傳統(tǒng)的矩形翅片結(jié)構(gòu)具有更好地散熱能力，實驗條件相似的情況下，熱源表面溫度可比傳統(tǒng)翅片形式的換熱器多降低10℃左右，但A的換熱效果不及開孔形翅片的換熱器B，兩者最終溫度相差為2.6℃左右，而帶有切割外翻形翅片結(jié)構(gòu)的熱管換熱器C換熱效果最好，可比菱形翅片換熱器A減低熱源表面溫度達(dá)6℃左右;

(3)研究熱管根數(shù)及翅片材質(zhì)對散熱性能的影響發(fā)現(xiàn)，帶有4根熱管的換熱器F散熱能力明顯優(yōu)于帶有兩根熱管的G和三根熱管的E，在成本相近的情況下F可比E多降低均熱板溫度達(dá)14℃左右;換熱器G的散熱能力雖不及F，但要優(yōu)于E，而且尺寸比E和F小近1/3，成本只是前面兩種換熱器的1/2，質(zhì)量也極大的減輕，僅為E的1/3，F(xiàn)的1/2，這樣的體積、質(zhì)量和成本更有利于熱管換熱器在LED路燈中的實際應(yīng)用;

(4)研究了環(huán)境溫度對熱管換熱器散熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的升高，熱管換熱器的散熱能力隨之降低，因此熱管換熱器實際應(yīng)用于LED路燈中要考慮惡劣環(huán)境 (高溫地區(qū))的影響。

(5)研究了熱管換熱器的啟動時間與輸入電壓之間的關(guān)系，輸入電壓加大，熱流密度增加，熱管啟動時間隨之減小，這也會影響熱管換熱器的工作情況。

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