泡沫鎂合金散熱器對(duì)LED 燈散熱性能影響因素分析

李楠楠，龐曉軍，王 芳，呂 猛，王錄才

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

LED燈在使用的過程中，由于大量電能轉(zhuǎn)化為熱能會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高，影響發(fā)光效率，導(dǎo)致LED燈使用壽命縮短。因此，LED燈的散熱問題成為限制該行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題[1，2]。通孔泡沫金屬由金屬基體和孔隙復(fù)合而成，使得泡沫金屬具有巨大的比表面積，擁有非常大的熱交換面積，流體從其孔隙中通過的時(shí)候，泡沫金屬良好的流通能力，會(huì)使熱量迅速均勻地傳導(dǎo)入金屬內(nèi)部并快速的擴(kuò)散，達(dá)到更好的散熱效果[3，4]。本研究采用滲流法制備通孔泡沫鎂合金作為L(zhǎng)ED燈的散熱器，對(duì)其散熱性能的影響因素及其影響機(jī)理進(jìn)行分析。圖1為散熱器試樣。

1 實(shí)驗(yàn)過程

采用鹽粒滲流法制備具有不同特征參數(shù)（孔隙率，孔徑）的泡沫鎂合金毛坯，金屬基體為AZ91，并將其加工成圓柱狀LED燈散熱器，其宏觀尺寸為外圓直徑50mm，內(nèi)圓20mm，厚度15mm.圖2為安裝泡沫鎂散熱器的LED燈。

圖1 散熱器試樣

測(cè)試過程為[6]：選擇離芯片最近的點(diǎn)，如圖2中小圓圈標(biāo)出的測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試其溫度，取其平均值，以此溫度來表征LED芯片的溫度。測(cè)試的時(shí)候需要接通電源半小時(shí)，使燈具的散熱逐漸達(dá)到穩(wěn)定，選擇其中一個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試并記錄溫度。

圖2 測(cè)試所用LED 燈及散熱器安裝圖

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

前期研究表明，通孔泡沫金屬的孔徑、孔隙率和底座厚度對(duì)其散熱性能有影響。試驗(yàn)采用L934正交試驗(yàn)考察三個(gè)因素對(duì)泡沫鎂合金散熱器散熱性能的影響程度。各因素水平分別設(shè)置為：孔隙率50%，60%，70%；平均孔徑1mm，1.6mm，2.5mm；底座為實(shí)體鎂合金，與泡沫鎂為一體，試樣制作和加工時(shí)根據(jù)需要選擇不同厚度，分別選取0mm（即不加底座），3mm和5mm.

測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度為16℃，利用原裝散熱器測(cè)得溫度為36.2℃.表1為利用泡沫鎂合金散熱器測(cè)試結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果

比較表1中測(cè)試溫度與原始散熱器測(cè)試溫度，發(fā)現(xiàn)測(cè)試溫度均低于原始散熱器測(cè)試溫度，可知泡沫鎂合金散熱器較原始散熱器散熱性能要好。

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，并且計(jì)算單個(gè)因子影響的程度，孔隙率、孔徑、底座厚度及誤差的影響程度分別為23.51%、48.90、22.16%、5.43%.可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，在所選3個(gè)因素中，孔徑對(duì)泡沫鎂合金散熱器的影響最大，其次是孔隙率，最后是散熱器底座厚度。

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)最佳參數(shù)組合制作孔隙率為60%，孔徑大小為1.6mm，底座厚度為0mm的散熱器，利用同一個(gè)LED燈，在同樣的環(huán)境溫度下，對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得穩(wěn)定溫度為32.3℃，與原裝散熱器比較，降低了3.9℃.該溫度值比正交實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的9組溫度值都要低。表明采用該結(jié)構(gòu)參數(shù)的散熱器可以有效降低LED的溫度，使其發(fā)光效率相對(duì)提高，壽命就相應(yīng)延長(zhǎng)。

2.2 散熱機(jī)理分析

2.2.1 散熱過程

從LED燈芯片產(chǎn)生熱量到散熱器達(dá)到穩(wěn)定的散熱平衡的過程中，有兩個(gè)不同的換熱過程，一為未達(dá)到熱平衡時(shí)的過程，即非穩(wěn)態(tài)過程，二為達(dá)到穩(wěn)定的散熱平衡后持續(xù)散熱的過程[5]。

第一個(gè)過程的傳導(dǎo)方程為式1：

式1中：a=λ/ρCp，a 為泡沫金屬的熱擴(kuò)散系數(shù)；ρ，Cp，λ分別為泡沫金屬的密度（g/cm3），比熱容（J·kg-1·K-1），熱導(dǎo)率（W·m-1·K-1）.

第二個(gè)過程溫度分布方程為式2：

從式（1）和（2）可以看出，泡沫金屬換熱過程都與其熱導(dǎo)率有很大的關(guān)系。

泡沫金屬的熱導(dǎo)率的表達(dá)式如式3：

對(duì)泡沫金屬來說，泡沫金屬基體骨架的導(dǎo)熱系數(shù)λ*s與孔隙率P 的關(guān)系如式4：

式4中：λs為實(shí)體泡沫金屬的導(dǎo)熱系數(shù)；與泡沫金屬基體材質(zhì)、孔壁厚度、孔形狀及分布有關(guān)，為不大于1的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)因子常數(shù)。

式5中：λg為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為孔隙內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)。

資料顯示只有當(dāng)格拉曉夫系數(shù)（Cr）大于1000時(shí)，孔內(nèi)空氣的對(duì)流作用才是重要的[5]。在1大氣壓下，只有孔穴尺寸達(dá)到10mm時(shí)，才能滿足Cr=1000，孔內(nèi)的對(duì)流才起作用。而試驗(yàn)中制備的泡沫鎂最大平均孔徑為2.5mm，不能滿足對(duì)流發(fā)生作用需要條件。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，孔隙內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)λ*c可以忽略不計(jì)。

由于試驗(yàn)中的溫度相對(duì)比較低，孔壁與孔隙的輻射傳熱可以忽略，即λ*r對(duì)泡沫鎂合金的導(dǎo)熱率的貢獻(xiàn)也可以忽略。

綜合上述分析，實(shí)驗(yàn)所得泡沫鎂散熱器的熱導(dǎo)率可以表示為金屬骨架的熱導(dǎo)率和孔隙內(nèi)氣體的熱導(dǎo)率之和，即式6所示：

2.2.2 影響因素分析

式6表明，泡沫鎂合金散熱器的熱導(dǎo)率與孔隙率有很大關(guān)系，孔隙率增大熱導(dǎo)率反而減小，所以，孔隙率增大增加了散熱面積，但同時(shí)又降低了熱導(dǎo)率。

泡沫鎂散熱器的散熱性能不僅僅取決于孔隙率，還與泡沫鎂將熱量擴(kuò)散到空氣中的能力及底座厚度有關(guān)[6]。泡沫鎂孔徑越大，越有利于熱交換的進(jìn)行，熱量擴(kuò)散到空氣中的能力越強(qiáng)，越有利于散熱。底座為實(shí)體鎂合金，理論上，實(shí)體鎂合金的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泡沫金屬的熱導(dǎo)率，底座厚度越厚，熱導(dǎo)能力越強(qiáng)，但是在同樣散熱器高度的情況下，增加泡沫鎂合金的厚度，則泡沫金屬部分就相應(yīng)的要減少，這會(huì)導(dǎo)致散熱表面積的減少，從而影響泡沫鎂合金的散熱性能。試驗(yàn)證明底座厚度為零時(shí)散熱性能最好，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，考慮到安裝問題，必須有實(shí)體底座，所以在保證安裝的功能下，底座厚度應(yīng)該越小越好。

4 結(jié) 論

1）泡沫鎂合金LED燈散熱器散熱能力優(yōu)于傳統(tǒng)散熱器。

2）在影響泡沫鎂散熱性能的結(jié)構(gòu)因素中，孔徑影響最為顯著，孔隙率次之，底座厚度最小。當(dāng)泡沫鎂散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為平均孔徑1.6mm，孔隙率60%、底座厚度在滿足實(shí)際安裝需要盡可能薄時(shí)，散熱性能是最好的。在實(shí)驗(yàn)室條件下，測(cè)試溫度與原裝散熱器相比較可以降低3.9℃.

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