大功率LED熱沉結(jié)構(gòu)性能分析與集成式散熱系統(tǒng)研究

溫瑞

摘 要 大功率LED照明是固態(tài)照明的一種，它的優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長、安全環(huán)保且高效節(jié)能。但受到技術(shù)因素的影響，在大功率LED的使用過程中，難免會(huì)遇到一些棘手的問題，比如其發(fā)熱量大、散熱不好就是一個(gè)亟待解決的問題。本文就大功率LED照明的熱沉結(jié)構(gòu)性能及其散熱系統(tǒng)進(jìn)行探討研究。

關(guān)鍵詞 大功率LED；熱沉結(jié)構(gòu)；集成式散熱；研究

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）164-0169-01

據(jù)相關(guān)調(diào)查研究表明，我國目前使用的LED照明的發(fā)光效率僅為10%～20%，其他能量全部都轉(zhuǎn)化成了熱能，這就使得大功率LED的熱流密度過大，一旦熱量不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，那么LED照明的芯片將會(huì)因溫度過高而出現(xiàn)一系列不良后果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響LED的使用壽命。因此，如何解決好大功率LED照明的散熱問題成為其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

1 LED相關(guān)內(nèi)容概述

LED器件的散熱方式通常有2種重要的散熱形式：一次封裝散熱和兩次熱沉散熱。通過改善LED照明的自身封裝材料和改變相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱的叫做一次封裝散熱；而通過設(shè)計(jì)研發(fā)改變外部的熱沉結(jié)構(gòu)來進(jìn)行散熱控制的叫做二次熱沉散熱。因此，要想解決好LED的散熱問題，必須要同時(shí)在這兩個(gè)方面進(jìn)行著手控制。

在日常的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程之中，工作人員通常將多個(gè)大功率LED排列在鋁熱沉上，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和LED功率的不斷增大，一些新型的熱忱散熱原件相繼出現(xiàn)并發(fā)揮著重要的作用。眾多的研究者嘗試用不同的散熱方式進(jìn)行結(jié)合散熱，均取得了一定的研究成果。當(dāng)前眾多LED路燈示范工程中的LED照明都以全鋁熱沉作為二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)。隨著微熱管技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大并得到了廣泛的認(rèn)可。

2 不同熱沉結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置的散熱性能分析

研究表明，大功率的LED照明裝置由于采用的是全鋁熱沉散熱結(jié)構(gòu)，它主要是通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導(dǎo)和鋁熱沉的熱傳導(dǎo)方式將熱量散發(fā)到空氣中來進(jìn)行散熱[1]。這種結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)采用的也是高熱導(dǎo)率金屬鋁合金，需要利用鋁肋片來擴(kuò)展表面并增強(qiáng)表面?zhèn)鳠崮芰?，從而更好的達(dá)到散熱的效果[2]。

具有微熱管散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置與第一種散熱結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于，該結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)利用了具有非常高的熱導(dǎo)率的微熱管來作為傳導(dǎo)熱量的的介質(zhì)，同時(shí)還設(shè)計(jì)了多個(gè)獨(dú)立的極薄鋁翅，這些鋁翅通過穿片的方式來增強(qiáng)大功率LED照明裝置表面的散熱能力；除此之外，各薄鋁翅片均被進(jìn)行了表面鍍鎳處理，以增強(qiáng)其抗腐蝕能力和使用壽命[3]。

第三種大功率LED照明裝置其自身帶有微熱管—風(fēng)扇散熱系統(tǒng)。此裝置的大體結(jié)構(gòu)與第二種比較類似，其區(qū)別在于它是在原來基礎(chǔ)上增加了溫控儀和風(fēng)扇系統(tǒng)以采取主動(dòng)的強(qiáng)迫對(duì)流散熱，其工作原理是當(dāng)器件溫度較低時(shí)，風(fēng)扇不運(yùn)轉(zhuǎn)，肋片進(jìn)行自然對(duì)流散熱[4]。

3 大功率LED散熱技術(shù)的研究方向及特點(diǎn)

研究表明，大功率LED的散熱情況嚴(yán)重影響著LED的發(fā)光效率和使用壽命，眾多的研究者和可行性方案的設(shè)計(jì)過程之中，經(jīng)濟(jì)性和安全性是大家最為關(guān)注的兩點(diǎn)。強(qiáng)化散熱的雖然有著其自身的優(yōu)勢，但是在設(shè)備運(yùn)行上存在較大的誤差，在經(jīng)濟(jì)上也不是非常實(shí)用，而且眾多的該種結(jié)構(gòu)的設(shè)備都因體積過大加重了其額外的負(fù)擔(dān)和支出。

在未來LED照明裝置散熱性的問題研究上，如何使散熱結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)有效且保證安全成為該技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵所在。在現(xiàn)有的材料和科學(xué)技術(shù)水平下，只有改良散熱結(jié)構(gòu)才能強(qiáng)化裝置的散熱功能，將非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、微型導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)應(yīng)用于LED已經(jīng)成為現(xiàn)今社會(huì)照明裝置領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。

目前，在大功率LED強(qiáng)化散熱中使用非常普遍的是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，但是，很少有人應(yīng)用熱輻射技術(shù)進(jìn)行散熱。在散熱技術(shù)的發(fā)展歷程當(dāng)中，我們?nèi)詫⒗^續(xù)關(guān)注熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的強(qiáng)化過程，而最可能會(huì)為LED的散熱帶來新的突破的是以輻射換熱強(qiáng)化為突破點(diǎn)的復(fù)合換熱方式的研究。從結(jié)構(gòu)改造上來講，相對(duì)較為認(rèn)可的散熱解決方案還是在熱沉結(jié)構(gòu)中使用熱管，或是使用改進(jìn)后的熱管。

目前，基于經(jīng)濟(jì)和材料方面的考慮，減少散熱設(shè)備的使用是非常楊浦必要的，而加大對(duì)能源的綜合管理能夠有效減少散熱設(shè)備的數(shù)量及大小，起到節(jié)能環(huán)保的作用。有一種基于能源管理的有效的新型散熱模式，它通過LED所產(chǎn)生的熱能來獲得輸送熱能的其他能量。因此，在未來LED散熱的技術(shù)研發(fā)過程中，基于環(huán)境保護(hù)的宗旨，只有融匯貫通能源綜合管理的理念，綜合考慮能源的充分利用和互相之間的轉(zhuǎn)化利用才能使散熱裝置達(dá)到更好的散熱效果，這不僅有助于散熱設(shè)備的簡化，而且進(jìn)一步提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。

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