新型熱管技術(shù)在大功率LED照明中的應(yīng)用

丁明亞，陳尚智，朱佳南，陶 俊，秦大為

(1.無(wú)錫市城市照明管理處，江蘇 無(wú)錫 214000;2.鹽城師范學(xué)院物電學(xué)院，江蘇 鹽城 224002;3.鹽城師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 鹽城 224002）

0 引 言

LED(Light Emitting Diode）發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成:一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“PN結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片時(shí)，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后會(huì)以光子的形式發(fā)出能量。

大功率LED在戶(hù)外照明應(yīng)用中的優(yōu)越性表現(xiàn)在以下4方面。

(1）LED作為點(diǎn)光源，如果設(shè)計(jì)合理，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光反射來(lái)解決的二次取光及光損耗問(wèn)題。

(2）對(duì)光照射面的均勻度可控。理論上可以做到在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完全均勻。

(3）色溫可選。這樣在不同場(chǎng)合應(yīng)用不同色溫的LED，是提高效率、降低成本的一個(gè)重要方法途徑。

(4）技術(shù)進(jìn)步空間依然很大。高導(dǎo)熱金屬材質(zhì)的發(fā)展將有力地提高LED的光效，比如科銳(CREE）已經(jīng)可以做到芯片光效達(dá)到130～150 lm/W。而熱平衡散熱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，在保持低成本和被動(dòng)散熱方式的前提下，利用高導(dǎo)熱介質(zhì)，通過(guò)嶄新的器件或燈具整體結(jié)構(gòu)，能成功降低熱阻，有效降低PN結(jié)的結(jié)溫，使PN結(jié)在允許工作溫度內(nèi)，保持最大量光子輸出。

1 熱管概述

熱管是由管殼、起毛細(xì)作用的吸液芯，以及傳遞熱能的工質(zhì)構(gòu)成。吸液芯牢固地貼附在管殼內(nèi)壁上，并被工質(zhì)滲透。熱管自身形成一個(gè)高真空的封閉系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱管工作原理圖

其工作原理是:大功率LED所產(chǎn)生的熱量，通過(guò)蒸發(fā)段的管壁和浸滿(mǎn)工質(zhì)吸液芯的導(dǎo)熱使液體工質(zhì)的溫度上升。上升到一定溫度，液面蒸發(fā)，直至達(dá)到飽和蒸汽壓，此時(shí)熱量以潛熱的方式傳遞給蒸汽，飽和蒸汽壓隨著液體溫度的上升而升高，在壓差的作用下，蒸汽流向氣壓和溫度都較低的冷凝段，并在冷凝段的氣液界面上冷凝，發(fā)出潛熱。放出的熱量從氣液界面通過(guò)吸液芯和管壁的導(dǎo)熱，傳遞給管外的散熱片。

熱管技術(shù)的特性:(1）優(yōu)良的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。(2）不可逆性。由于溫差的存在，熱量在傳遞過(guò)程中是不可逆的。

2 熱管技術(shù)在LED照明應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

2.1 導(dǎo)熱快

由于熱管蒸發(fā)段和冷凝段均以相變潛熱形式傳熱，所以與銀、銅及鋁等金屬相比，單位質(zhì)量的熱管可以多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。

圖2 LED散熱方式

2.2 散熱面積大

現(xiàn)有LED散熱方式如圖2所示，散熱鰭片設(shè)計(jì)在LED的上面，熱管改變了LED的熱通路，熱量通過(guò)熱管輸送到LED側(cè)邊，散熱鰭片就可以延伸到下部，利用了下部空間，使散熱面積增加一倍左右。

2.3 熱通道靈活

由于熱量是通過(guò)熱管傳遞，只要改變熱管形狀，就可以通過(guò)彎曲的熱管輕易地把熱量送到容易散發(fā)掉的地方。

2.4 重量輕

熱通路的靈活性使熱管散熱器的散熱面積更大，因此，相同重量的燈具，使用熱管相對(duì)來(lái)說(shuō)散熱面積可以更大，能夠承載更大功率的LED。

3 熱管散熱在原有路燈燈具上的應(yīng)用

隨著LED路燈迅猛發(fā)展，LED作為照明的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越得到了體現(xiàn)，但是高壓鈉燈燈具還是占有很大的市場(chǎng)，如果廢棄原來(lái)的路燈改為L(zhǎng)ED路燈，勢(shì)必造成極大的資源浪費(fèi)。有沒(méi)有一種產(chǎn)品既可以達(dá)到節(jié)約能源的效果又能利用原有燈具的產(chǎn)品呢?以下產(chǎn)品給研究者提供了一個(gè)思路，這種產(chǎn)品是利用熱管的特性制作一個(gè)帶有LED的熱管散熱器，安裝在現(xiàn)有燈具上，通過(guò)熱管把位于反光器內(nèi)的LED熱量傳遞到反光器外散發(fā)掉。這種結(jié)構(gòu)的LED安裝卸載都比較方便，熱管上有和反光器配套的燈頭座，就像安裝普通的鈉燈泡一樣(見(jiàn)圖3），把LED伸到反光器內(nèi)旋緊燈頭座即可。如此，充分利用了現(xiàn)有路燈燈具的反光器，能產(chǎn)生良好的照明質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)熱管應(yīng)用于LED照明的分析，熱管可以從根本上解決現(xiàn)有LED路燈體積大、散熱能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)。而且熱管的熱通路比較靈活，特別是文中提到的產(chǎn)品案例，既發(fā)揮了LED路燈節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，又能保留現(xiàn)有的路燈資源，避免重復(fù)投資造成的浪費(fèi)。

圖3 安裝結(jié)構(gòu)示意圖

4 小結(jié)

LED所產(chǎn)生的熱量，通過(guò)蒸發(fā)段的管壁和浸滿(mǎn)工質(zhì)吸液芯的導(dǎo)熱，使液體工質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽流向氣壓和溫度都較低的冷凝段，并在冷凝段的氣液界面上冷凝，發(fā)出潛熱。放出的熱量從氣液界面通過(guò)吸液芯和管壁的導(dǎo)熱，傳遞給管外的散熱片。因而該熱管具有導(dǎo)熱快、散熱面積大、散熱通道靈活，以及散熱器重量輕等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)該新型熱管技術(shù)的應(yīng)用，有效地降低了LED發(fā)光管工作溫度，提高LED燈的光效，降低LED發(fā)光管功耗，整燈的可靠性以及整燈壽命也隨之提高。

［1］雷玉堂，黎慧.未來(lái)的照明光源—白光LED技術(shù)及其進(jìn)展［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2003

［2］田金穎，諸凱，劉建林.冷卻電子芯片的平板熱管散熱器傳熱性能研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2007(6）

［3］吳曉敏，朱競(jìng)飛，王維城.小熱管強(qiáng)化傳熱的研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004(2）