LED 燈主動(dòng)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

朱智浩 李國(guó)能 駱國(guó)棟 李 珂 湯元君

浙江科技學(xué)院能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系

0 簡(jiǎn)介

在追求能源綠色、可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)今社會(huì)，LED燈因其體積小、光效高、節(jié)約能源、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為了全球市場(chǎng)上主要的照明選擇[1]。我國(guó)大力追求能源的高質(zhì)量發(fā)展，但由于歷史原因，目前大量照明的路燈仍然為高壓鈉燈，相較于LED燈，它的顯色指數(shù)低、發(fā)光效率低、光線昏暗且存在一定安全隱患[2]?？梢灶A(yù)測(cè)在不久的將來(lái)，LED燈將全面取代傳統(tǒng)照明光源[3]。但目前來(lái)說(shuō)，LED燈電光轉(zhuǎn)化效率僅有20%，剩下80%的能量將轉(zhuǎn)化為熱能[4]，也就意味著LED燈大部分的能量都以熱能的形式耗散[5]，若熱能無(wú)法被快速地傳遞到外界，LED燈結(jié)溫上升[6]，這將大大影響LED燈使用壽命。LED燈冷卻問(wèn)題一直是延長(zhǎng)LED燈使用壽命繞不開(kāi)的話題[7-8]（見(jiàn)圖1）。

本文通過(guò)帕爾貼效應(yīng)（Peltier effect）[9]設(shè)計(jì)了一款LED燈主動(dòng)散熱系統(tǒng)，有效降低LED燈結(jié)溫溫度，為提高LED燈使用壽命提供技術(shù)參考，有助于LED路燈的快速全面使用。

圖1 結(jié)溫對(duì)LED壽命的影響

為降低LED燈結(jié)溫，國(guó)內(nèi)外采用了多種方法。謝偉偉等人[4]設(shè)計(jì)了一款采用自然對(duì)流進(jìn)行散熱的200 W LED燈散熱器，其LED最高結(jié)溫為96.1℃，降低4.47%。Mimi Wang等人[10]設(shè)計(jì)了帶自調(diào)直翅片的鋁熱管散熱器，可降低LED燈結(jié)溫8℃。Sheng Liu[11]等人在散熱器上安裝一個(gè)微陣列冷卻系統(tǒng)來(lái)解決LED燈的散熱問(wèn)題。楊曉華[12]等人設(shè)計(jì)了一套基于斯特林機(jī)的大功率LED半主動(dòng)散熱系統(tǒng)，利用LED燈產(chǎn)生的多余熱量來(lái)帶動(dòng)斯特林機(jī)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行散熱。

上述研究報(bào)道對(duì)我國(guó)的LED散熱研究具有重要意義。本文設(shè)計(jì)LED燈主動(dòng)散熱系統(tǒng)，基于帕爾貼效應(yīng)，對(duì)一款LED吸頂燈進(jìn)行改造，研究不同輸入電壓下，半導(dǎo)體制冷片散熱效果，并分析LED燈結(jié)溫情況，為我國(guó)LED燈散熱方式提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

圖2給出了實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，直流電源通過(guò)降壓模塊連接半導(dǎo)體制冷片，為制冷片持續(xù)提供電力，形成穩(wěn)定的冷熱端。LED燈具產(chǎn)生的熱量被半導(dǎo)體制冷片吸收，散熱器與半導(dǎo)體制冷片直接接觸進(jìn)行散熱。通過(guò)紅外熱成像儀進(jìn)行溫度采集與分析，為保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，使用熱電偶進(jìn)行輔助測(cè)量。通過(guò)記錄不同電壓下鋁基板的溫度，以此判斷半導(dǎo)體制冷片工作情況與LED燈具的結(jié)溫情況。設(shè)備實(shí)際連接效果如圖3所示。

圖3 設(shè)備實(shí)際連接情況

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.1 LED燈具參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)使用LED吸頂燈改造燈板，具體參數(shù)如表1所示。

表1 LED頂燈改造燈板性能參數(shù)

1.2 導(dǎo)熱硅脂

常用的LED設(shè)備中，熱量經(jīng)LED封裝結(jié)構(gòu)件、電路板、鋁基板以熱傳導(dǎo)的形式到達(dá)散熱器，之后以對(duì)流換熱及熱輻射形式將熱量釋放到空氣中。其中，熱量流經(jīng)兩個(gè)相接觸的固體交界面時(shí)，由于接觸面存在大量的間隙，實(shí)際接觸面積較小，會(huì)對(duì)熱量傳遞形成較大的阻力，被稱為接觸熱阻[13]，如圖4所示。

圖4 接觸面熱傳遞示意圖

通過(guò)在半導(dǎo)體制冷片兩端涂抹導(dǎo)熱硅脂，可以有效增加半導(dǎo)體制冷片與LED燈具及散熱片的換熱面積，減少接觸熱阻[14]。

1.3 散熱片

本次實(shí)驗(yàn)使用的散熱片為鋁散熱片，尺寸為91 mm（長(zhǎng)）×76 mm（寬）×56 mm（高），其中底座8 mm，肋片高48 mm，并且由21片肋片組成。

1.4 半導(dǎo)體制冷片

半導(dǎo)體制冷(Semiconductor Refrigeration)[15]以帕爾貼效應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)使用直流電源接通半導(dǎo)體制冷片后，一端溫度會(huì)下降，而另一端溫度會(huì)上升。在實(shí)驗(yàn)中，將冷端面緊貼LED燈降低其工作溫度，熱端面緊貼散熱器表面強(qiáng)化散熱效果。

圖5為本次實(shí)驗(yàn)采用的半導(dǎo)體制冷片，型號(hào)為T(mén)EC1-12706，尺寸為40 mm（長(zhǎng)）×40 mm（寬）×3.7 mm（高），內(nèi)有127對(duì)元件，額定電壓12 V，額定電流6 A，最大制冷功率達(dá)到60 W。

圖5 半導(dǎo)體制冷片

1.5 降壓模塊

通過(guò)降壓模塊與直流電源和半導(dǎo)體制冷片之間的連接，可以調(diào)節(jié)降壓模塊，控制半導(dǎo)體制冷片的輸入電壓，以研究在何種電壓下制冷效果最佳。

1.6 測(cè)溫儀器

本次實(shí)驗(yàn)采用大立T8型號(hào)紅外熱成像儀及其相關(guān)分析圖象軟件大立紅外分析報(bào)表系統(tǒng)進(jìn)行散熱器溫度測(cè)量，并使用TES1310型熱電偶進(jìn)行輔助溫度采集與分析。

2 實(shí)驗(yàn)流程介紹

首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖連接各個(gè)數(shù)據(jù)采集工具及實(shí)驗(yàn)設(shè)備。初次實(shí)驗(yàn)時(shí)不放置半導(dǎo)體制冷片，在散熱器與LED燈接觸的鋁基板面上均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，如圖6所示。

圖6 不使用半導(dǎo)體制冷片

保持環(huán)境穩(wěn)定的情況下接通LED燈具電源，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間后對(duì)LED燈具鋁基板進(jìn)行多次溫度測(cè)量取平均值。通過(guò)熱成像儀拍攝，導(dǎo)入相應(yīng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析后，得到僅存在散熱器時(shí)，LED燈鋁基板溫度穩(wěn)定在59℃左右。紅外熱示意圖如圖7所示。

圖7 紅外熱示意圖

在保持其它條件不變的前提下，在散熱器與LED燈鋁基板平面中間放置準(zhǔn)備好的半導(dǎo)體制冷片，并在兩個(gè)接觸面上均勻地涂抹導(dǎo)熱硅脂，如圖8所示。

圖8 使用半導(dǎo)體制冷片

連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，接通LED燈具電源，使用直流電源對(duì)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行供電，電壓為4 V。隨時(shí)間持續(xù)測(cè)量并記錄LED燈具鋁基板溫度變化情況，待溫度基本穩(wěn)定后進(jìn)行圖像采集。

調(diào)節(jié)降壓模塊，改變介入半導(dǎo)體制冷片電壓，取值分別為5 V、6 V、7 V、8 V，重復(fù)上述步驟，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)表格。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不使用半導(dǎo)體制冷片，只使用散熱器時(shí)，LED燈溫度保持在59℃左右。使用半導(dǎo)體制冷片后，不同電壓下，LED燈溫度均有所下降，如圖9所示。

圖9 不同電壓下LED燈溫度分布圖

輸入電壓為6 V時(shí)，LED燈平均溫度在53～56℃，輸入電壓為7 V時(shí)，平均溫度約為55～58℃，輸入電壓為8 V時(shí)候，平均溫度約為52～54℃。

其中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到5 V時(shí)，LED燈平均溫度可保持在49℃左右，下降溫度可達(dá)10℃，降溫幅度達(dá)到16.9%，為實(shí)驗(yàn)最佳情況，對(duì)該工況進(jìn)行細(xì)致討論。

半導(dǎo)體制冷片輸入電壓為5 V時(shí)，整套裝置于冷態(tài)正常啟動(dòng)，利用紅外熱成像儀與熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，自連接電源后LED燈鋁基板溫度隨時(shí)間變化如圖10所示。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前3 min，LED燈溫度在半導(dǎo)體制冷片作用下，快速降低至約26.5℃。之后LED燈持續(xù)放熱，溫度穩(wěn)定上升至43℃左右進(jìn)入平緩發(fā)展，最終在44℃左右趨于穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程約持續(xù)40 min。斷開(kāi)所有電源后，半導(dǎo)體制冷片與LED燈均停止工作，LED燈鋁基板溫度突然躍升至48℃左右，持續(xù)2 min后，溫度持續(xù)下降，最終回歸室溫。

圖10 LED燈溫度變化示意圖（5 V）

經(jīng)過(guò)分析，LED燈溫度躍升情況是因?yàn)樵O(shè)備停止工作后，散熱器溫度遠(yuǎn)高于LED燈鋁基板溫度，熱量通過(guò)熱傳遞的方式返回LED燈，導(dǎo)致LED燈溫度的突然升高。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，若半導(dǎo)體制冷片冷熱端散熱良好，不發(fā)生重壓摔打等惡劣工作條件情況下，該LED燈主動(dòng)散熱系統(tǒng)可有效延長(zhǎng)LED燈具的實(shí)際使用壽命至10萬(wàn)h。

4 結(jié)論

本文基于帕爾貼效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種LED燈主動(dòng)散熱系統(tǒng)。在半導(dǎo)體制冷片輸入電壓為5 V的情況下，將LED燈溫度保持在49℃，有效降溫達(dá)10℃，降溫幅度達(dá)16.9%，可有效延長(zhǎng)LED燈實(shí)際使用壽命至10萬(wàn)h。雖然使用半導(dǎo)體制冷片需要消耗額外電量，但是對(duì)應(yīng)的是將大大減少LED燈的使用成本和維護(hù)費(fèi)用。在我國(guó)追求能源綠色發(fā)展，高質(zhì)量發(fā)展的今天，該方法將對(duì)LED燈大規(guī)模使用提供一定的技術(shù)支持。