基于立體散熱拓?fù)銵ED照明的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究

胡民浩 席儉飛 高 輝

(陜西唐華能源有限公司，陜西西安 710100)

1 引言

基于無機(jī)寬禁帶半導(dǎo)體材料電致發(fā)光技術(shù)，由于使用摻雜技術(shù)，存在材料品質(zhì)和位錯(cuò)，以及外延工藝上引入的各種缺陷，使得產(chǎn)生雜質(zhì)電離、激發(fā)散射、與晶格散射等問題，最終使得電子在由激發(fā)態(tài)往基態(tài)躍遷過程中與晶格原子或者離子交換產(chǎn)生無輻射躍遷，以發(fā)射聲子的形式產(chǎn)生熱量［1］。目前的外延工藝和芯片制作水平，量產(chǎn)的LED光源熱功率占到整個(gè)光源功率的80%左右，因此LED照明燈具的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。散熱不好會(huì)降低照明效率，高溫還會(huì)使得LED發(fā)生色坐標(biāo)漂移、壽命衰減加速等等。

伴隨半導(dǎo)體照明技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的LED照明燈具的散熱手段也越來越多。主流的已應(yīng)用于半導(dǎo)體照明燈具的散熱方式有以下幾種［2］:(1)純型材自然風(fēng)冷:優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、加工裝配方式簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是體積龐大、重量高、散熱效率低。(2)型材加風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷:優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱效率大于風(fēng)冷;缺點(diǎn)是功耗增加，不利于LED節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)凸顯，有噪音，風(fēng)扇的防塵防水能力不強(qiáng)，使得應(yīng)用受到局限。(3)熱管:優(yōu)點(diǎn)是重量輕、有較大的傳熱能力、較高的等溫性、熱流密度可變性;缺點(diǎn)是體積較為龐大、在極端工況下，當(dāng)熱負(fù)荷較高時(shí)，氣液之間的不穩(wěn)定性增加、減少了凝結(jié)液回流至蒸發(fā)段蒸發(fā)，會(huì)造成蒸發(fā)段溫度突然上升，使得熱管因高溫而損壞或者失效。(4)合成射流冷卻:優(yōu)點(diǎn)是合成射流可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)扇，通過隔膜的運(yùn)動(dòng)，可以引起氣流在開口處的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而打破了既有的湍流層流邊界層，引發(fā)射流冷卻，從而使得效率較高，散熱體積小;缺點(diǎn)是成本較高，并且需要消耗電能。(5)遠(yuǎn)紅外輻射散熱:優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增加外殼散熱能力，減緩?fù)鈿ぱ趸?缺點(diǎn)是增加輻射的同時(shí)也會(huì)吸收輻射，受使用環(huán)境的限制，同時(shí)使得工藝增加、成本提高。(6)微尺度復(fù)合相變散熱［3］:優(yōu)點(diǎn)是取熱能力強(qiáng)，體積小、重量輕、均溫性高;缺點(diǎn)是充裝工藝對(duì)技術(shù)要求較高、導(dǎo)致成品后使用成本較高。

其他的見諸文獻(xiàn)報(bào)道的LED散熱技術(shù)如華中科技大學(xué)劉勝、羅小兵老師課題組的微噴射流冷卻技術(shù)［4］，曾成功應(yīng)用于1500W LED封裝光源的散熱;中科院理化技術(shù)研究所劉靜課題組的納米金屬散熱［5］，開發(fā)出了具備良好散熱能力的200W集成光源的納米金屬散熱器原型;天津工業(yè)大學(xué)牛萍娟等研究的基于熱電制冷的LED散熱技術(shù)［6］等等。

以上種種散熱技術(shù)固然技術(shù)領(lǐng)先，但是基于成本等原因?qū)嶋H用于半導(dǎo)體照明燈具的大多數(shù)仍是型材或者壓鑄散熱器，所以對(duì)型材或者壓鑄散熱器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化當(dāng)前依然具有重要的意義，可以減輕燈具重量，節(jié)約成本，以更利于達(dá)到半導(dǎo)體照明節(jié)能環(huán)保的期許?；谏鲜霰尘?，胡民浩教授提出了立體散熱拓?fù)涞母拍詈蜕崮＝M，并成功應(yīng)用于LED大功率功能性照明。經(jīng)幾年來多案例應(yīng)用充分證明，這一全新的立體散熱技術(shù)結(jié)合LED熱源特點(diǎn)，充分利用熱對(duì)流現(xiàn)象加速空氣場(chǎng)的風(fēng)對(duì)流，并遵循空氣動(dòng)力學(xué)原理以及相關(guān)材料熱特性，完全滿足各種場(chǎng)合LED功能性燈具的散熱要求。

本文正是在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明，該散熱器在極端工礦的情況下，具有在較大空間范圍內(nèi)使得靜止空氣加速流動(dòng)的效果，較好的解決了型材散熱器笨重的問題;但是散熱器的均溫性仍有待進(jìn)一步的提高，體積仍稍顯龐大，這將是下一步工作的重點(diǎn)，重點(diǎn)將在優(yōu)勢(shì)拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，基于該散熱拓?fù)浣Y(jié)合場(chǎng)協(xié)同原理來定量的優(yōu)化散熱器的百葉窗結(jié)構(gòu)。

2 立體散熱拓?fù)淠＝M架構(gòu)

本文研究的對(duì)象如圖1和圖2所示，分別為立體散熱單模塊和模組，燈具以單模塊為核心組合成各個(gè)功率模塊，每個(gè)功率模塊具有獨(dú)立的光電色、防水功能。每個(gè)模組可以藉由單個(gè)模塊進(jìn)行疊加構(gòu)造空間拓?fù)?，而每個(gè)模組可以組合成更大功率數(shù)的燈具模組。單模塊為鋁型材沖壓折彎成型，當(dāng)模組拼接在一起時(shí)形成的散熱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在極限工況的情況下，即空氣靜止?fàn)顟B(tài)下，由于空氣的熱脹冷縮，引發(fā)大范圍內(nèi)的空氣流動(dòng)加速，從而打破既有的層流湍流邊界層，實(shí)現(xiàn)了更有效的散熱效果。最終使得在耗費(fèi)較少材質(zhì)的情況下散熱效果依然良好，使得燈具的重量減輕。不僅如此，模組化設(shè)計(jì)使得加工方便，成本低廉，同時(shí)可以形成產(chǎn)品家族，從而使得產(chǎn)品的綜合性價(jià)比得以提升。

圖1 立體散熱模塊Fig.1 Single module of stereo heatsink

圖2 立體散熱模組Fig.2 Module of stereo heatsink

3 立體散熱模組實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

3.1 模組實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

本論文論證的對(duì)象為圖3所示的工礦燈模組，實(shí)驗(yàn)溫度使用JK-8A多路溫度巡檢儀采樣。圖4標(biāo)識(shí)分別為光源焊點(diǎn)溫度、近基板溫度、沖壓翅中部溫度、各個(gè)單模塊根部溫度。在室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境模擬燈具實(shí)際安裝狀況進(jìn)行試驗(yàn)。環(huán)境溫度為35℃左右，在40分鐘左右溫度不再變化時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候，以上溫度值按照注釋序號(hào)分別為39.6℃、35.4℃、40.5℃、43.7℃、39.2℃、43.2℃、47.2℃、40.2℃、44.6℃、59.8℃。從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以對(duì)所用散熱模組的散熱性能進(jìn)行表征，近基板溫度為59.8℃，散熱模組最低溫度為35.4℃，溫差為24.4℃，基本滿足散熱器溫升小于25℃的要求。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，近基板溫度的上升有一個(gè)逐步上升然后比穩(wěn)態(tài)要高出3～4℃的峰值，然后才會(huì)趨于穩(wěn)定，熱瞬態(tài)響應(yīng)與散熱設(shè)計(jì)時(shí)的熱容有關(guān)，類似于電路中的電容充電，尤其會(huì)產(chǎn)生熱脈沖沖擊，會(huì)對(duì)結(jié)溫產(chǎn)生一定程度的影響，關(guān)于散熱器的熱容設(shè)計(jì)瞬態(tài)響應(yīng)及其對(duì)結(jié)溫及可靠性的影響問題具體將另外撰文詳述。

圖3 工場(chǎng)燈模組Fig.3 Module of Spot Light

圖4 模組測(cè)溫點(diǎn)Fig.4 Point for measuring temperature

3.2 集成光源結(jié)構(gòu)函數(shù)測(cè)試

依照J(rèn)ESD-51的標(biāo)準(zhǔn)，使用T3ster對(duì)所使用的集成光源的熱阻特性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量該集成光源依照的測(cè)試原理為［7］:在給集成光源加上熱功率Pth一段時(shí)間以后，光源的結(jié)溫會(huì)逐漸下降，其熱瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)可以寫為公式 (1)。

式中 Ta——環(huán)境溫度;

τ——時(shí)間常數(shù);

R(τ)——時(shí)間常數(shù)譜，其中時(shí)間常數(shù)τ為熱阻R和熱容C的乘積。

然后令z=ln(t)，可以得到公式(2)。

把公式(2)對(duì)兩邊求導(dǎo)，可以得到公式(3)。

由公式 (3)通過對(duì)卷積型微分方程的反卷積算法的求解，即可以得到時(shí)間常數(shù)譜R(z)，然后通過Foster模型和Cauer模型把各個(gè)熱阻疊加［8］～［10］，即可以得到類似于圖 5結(jié)果的微分形式的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

使用不同陶瓷散熱基板及熱電分離銅基板的熱阻結(jié)果通過圖5可知:光源溫升分別約為12℃和14℃。實(shí)際測(cè)試模組散熱器近基板最高溫度為59.8℃，所以可以保證芯片結(jié)溫工作在75℃以下，基于國(guó)外芯片廠家的測(cè)試數(shù)據(jù)，在燈具其他部分不出現(xiàn)異常的情況下理論上可以保證燈具光源具有5萬小時(shí)的壽命。

圖5 不同基板集成光源熱阻值Fig.5 Thermal resistance value of light

4 立體散熱模組數(shù)值仿真

為了進(jìn)一步對(duì)立體散熱模塊架構(gòu)的立體散熱模組進(jìn)行合理的布局、以至于外形優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、很有必要采用有限元數(shù)值模擬的手段來進(jìn)行仿真。從而可以使得器件獲得更低的結(jié)點(diǎn)溫度，散熱器獲得更均衡的溫度分布，最后達(dá)到體積更小，整個(gè)燈具更加時(shí)尚輕薄的效果。數(shù)值仿真使用k－ξ模型，采用二階迎風(fēng)格式，環(huán)境參數(shù)與測(cè)試狀況一致。由于模組水平放置，所以結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱型，為了降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的依賴，提高運(yùn)算速度，仿真中采用1/4模型進(jìn)行。仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明散熱拓?fù)淠＝M最高溫度為60.3℃。

圖6 數(shù)值仿真結(jié)果Fig.6 Result of numerical simulation

在本次模擬結(jié)果的指導(dǎo)下，優(yōu)化了該模組的初始布局，使得整個(gè)散熱模組架構(gòu)的空間分布趨于合理化。

5 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)與有限元分析采取同一拓?fù)淠＝M，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本一致。通過數(shù)值仿真的手段，可以對(duì)已有的拓?fù)淠Ｐ?、空間形狀、具體尺寸進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化，從而在不影響散熱效果的前提條件下，使得整個(gè)模組更加輕薄。

由實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):由于中間空氣流速較慢，速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)沒有達(dá)到較佳的協(xié)同一致性，使得中間翅片的溫度偏低，可以縮短中間翅片的長(zhǎng)度，增加下部和上部翅片的長(zhǎng)度，這樣更有利于整個(gè)模組均溫性的提高，從而可以提高散熱效率，降低燈具成本。

以上為極限工況下模組工作時(shí)的溫度狀況，在實(shí)際應(yīng)用中，由于室外無風(fēng)的狀況幾乎是不存在的，所以實(shí)際使用的狀況會(huì)優(yōu)于實(shí)驗(yàn)時(shí)的狀況，使得器件工作在更低的結(jié)點(diǎn)溫度下，從而保證了燈具的壽命，使得燈具色坐標(biāo)不會(huì)發(fā)生漂移，保證了燈具設(shè)計(jì)的舒適性和安全性。

6 結(jié)論

本文提出的立體散熱模組的拓?fù)?，可以用于集成光源大功率半?dǎo)體照明領(lǐng)域。對(duì)所使用的集成光源使用T3ster熱阻測(cè)試儀進(jìn)行了測(cè)試，以80W工場(chǎng)燈為例進(jìn)行了熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)的數(shù)值仿真，可以得到以下結(jié)論:

(1)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)該系統(tǒng)具有良好的散熱能力，在極限工況下，該散熱模組達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，結(jié)點(diǎn)溫度最大值為74.4℃?？梢员ＷC集成光源的結(jié)點(diǎn)溫度在75℃以下，從而為燈具正常點(diǎn)亮5萬小時(shí)提供了理論依據(jù)。

(2)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，近基板溫度相差0.6℃，具有較高的一致性，進(jìn)一步佐證了數(shù)值分析手段在散熱設(shè)計(jì)上的有效性。

(3)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果還表明，溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)還沒有完全的一致，在更改了空間架構(gòu)以后得到了更好的效果，當(dāng)然依照?qǐng)鰠f(xié)同原理可以進(jìn)一步的優(yōu)化。

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