大功率集魚(yú)燈水冷系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉燕娟 丁文超 李東征

（佛山電器照明股份有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

目前大功率LED照明燈具廣泛應(yīng)用在路燈、投光燈、探照燈、集魚(yú)燈等場(chǎng)景下，是一種公認(rèn)的節(jié)能環(huán)保的照明方式。LED芯片在正常工作時(shí)70%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能，轉(zhuǎn)為光能的不足30%。因此，對(duì)使用大功率LED芯片的燈具進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)顯得尤為重要[1-2]。

LED集魚(yú)燈可以在白天將大型魚(yú)群聚集在較淺水層進(jìn)行捕獲，具有節(jié)能、誘捕范圍廣、穿透水層深等特點(diǎn)，并且還可以在晚上將深水層的魚(yú)群引誘到較淺的水層進(jìn)行作業(yè)。對(duì)LED集魚(yú)燈進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，可以保證燈具的穩(wěn)定性和使用壽命，減少燈具維修替換的工作量，并將更多的能量轉(zhuǎn)化為燈具的光效，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。

LED的散熱方式以及散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)很大程度上影響LED的散熱冷卻效果，因此對(duì)LED散熱方式以及散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究成為近幾年的研究熱點(diǎn)。該文總結(jié)了大功率LED照明燈具的冷卻技術(shù)研究現(xiàn)狀，介紹了散熱翅片、風(fēng)冷和其他新型冷卻方式以及LED燈具散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)。并針對(duì)大功率LED水上集魚(yú)燈的散熱情況，設(shè)計(jì)了一種水冷散熱系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)水冷散熱系統(tǒng)的理論分析和負(fù)荷量仿真計(jì)算，得出最優(yōu)的水冷系統(tǒng)搭建參數(shù)。為L(zhǎng)ED水上集魚(yú)燈的散熱技術(shù)提供了可靠的技術(shù)手段和試驗(yàn)方案。

1 現(xiàn)有LED照明燈具散熱技術(shù)

目前LED集魚(yú)燈常用的散熱方式為散熱翅片散熱[4-5]。這種方式要求散熱的面積非常大，不利于船上安裝，同時(shí)也加重了船體負(fù)擔(dān)，對(duì)船的性能要求更高。另一種散熱方式是散熱外殼加裝風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，這種方式可以減少鋁的散熱面積，減輕燈的質(zhì)量，但是風(fēng)扇的噪聲很大，會(huì)驅(qū)離魚(yú)，對(duì)船上的工作人員也是一種噪聲污染。

還有一種散熱方式是在LED散熱器表面或中部增加導(dǎo)熱界面材料，如石墨烯材料[6]。通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值分析方法，研究在涂覆石墨烯材料下不同功率密度、不同監(jiān)控點(diǎn)的溫度分布情況，旨在評(píng)估石墨烯界面材料相比傳統(tǒng)導(dǎo)熱硅脂材料的優(yōu)異性。相對(duì)來(lái)說(shuō)，石墨烯材料的散熱能力依然有限，對(duì)大功率的燈具，石墨烯材料不足以進(jìn)行有效的熱傳導(dǎo)。

有部分研究針對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器散熱系統(tǒng)進(jìn)行水冷散熱設(shè)計(jì)。對(duì)水冷散熱系統(tǒng)的流體通道中的冷卻液進(jìn)行了流體分析，采用有限元分析軟件Fluent分別對(duì)散熱模型的分布和激光器模塊器件的熱分布進(jìn)行了數(shù)值模擬[7]。結(jié)果表明，冷卻液在流體通道的填充流動(dòng)效果能夠使散熱系統(tǒng)具備更良好的散熱性能。在激光器滿功率輸出情況下進(jìn)行散熱試驗(yàn)對(duì)比，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致。

散熱性能差是大功率LED非常突出的一個(gè)問(wèn)題，并且在一定程度上燈具的散熱性能也會(huì)影響燈具的使用壽命。因此要使大功率LED燈具得到更廣泛的應(yīng)用，就必須解決散熱問(wèn)題。該文針對(duì)水上集魚(yú)燈設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)水冷散熱系統(tǒng)，分析燈具串并聯(lián)數(shù)量、水流速、燈具尺寸等因素對(duì)燈具散熱性能的影響，進(jìn)而提出了有效解決2000W水上集魚(yú)燈散熱性能的方案。

2 水冷散熱原理

水冷又稱為液冷。水冷散熱的原理為在一個(gè)密閉的液體循環(huán)裝置中，通過(guò)水泵產(chǎn)生的動(dòng)力，推動(dòng)密閉系統(tǒng)中的液體循環(huán)，將熱沉吸收的部件產(chǎn)生的熱量通過(guò)液體的循環(huán)帶到面積更大的散熱裝置進(jìn)行散熱。冷卻后的液體再次回流到吸熱設(shè)備，如此循環(huán)往復(fù)。由于水冷散熱效率高，熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20倍以上，可以解決幾百瓦至數(shù)千瓦的散熱問(wèn)題，在激光、軍工、醫(yī)療、電力電子、工業(yè)設(shè)備等行具有廣泛的應(yīng)用[8-10]。

2.1 水冷散熱的優(yōu)點(diǎn)

水冷散熱的優(yōu)點(diǎn)包括強(qiáng)大的載熱能力、熱量定向移動(dòng)、靜音環(huán)保、密封防塵、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、使用安全而靈活、分離式散熱、適用于高功率密度場(chǎng)合、熱流密度大以及熱阻小。

2.2 水冷散熱的缺點(diǎn)

水冷散熱的缺點(diǎn)包括冷卻成本高（相對(duì)風(fēng)冷）、冷卻系統(tǒng)的可靠性低和受環(huán)境條件的限制。

2.3 水冷散熱技術(shù)要求

水冷散熱技術(shù)要求如下：1）對(duì)固體顆粒的要求。避免0.3mm以上顆粒進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，建議加過(guò)濾器或電子除垢儀。2）對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行防腐蝕處理。對(duì)散熱系統(tǒng)中的鋁材或其他金屬表面進(jìn)行防腐蝕處理。水冷介質(zhì)為合適的pH值。在水冷介質(zhì)中增加緩蝕劑，減緩電化學(xué)腐蝕。3）在北方地區(qū)，需要考慮對(duì)結(jié)冰的預(yù)防。可在水冷介質(zhì)中加入一些乙烯乙二醇、乙醇、芳香類等防凍劑。4）做好水冷管道系統(tǒng)的密封處理。使用耐久性強(qiáng)的防水膠帶或防水膠，對(duì)水管接頭做好密封處理。

3 并聯(lián)水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該方案設(shè)計(jì)的并聯(lián)水冷散熱系統(tǒng)由水泵、水流管道、燈具、輸入水箱、輸出水箱、輸出水箱冷卻處理系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 并聯(lián)水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)該方案的大功率水上集魚(yú)燈水冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要考慮水冷散熱理論、燈具散熱面積、水泵功率與負(fù)載量、水管尺寸和材質(zhì)等方面。

預(yù)設(shè)燈具2000W，通過(guò)水冷散熱系統(tǒng)后，溫度不超過(guò)60℃。根據(jù)能量守恒定律和白光LED光源在不同電流、不同溫度下光轉(zhuǎn)化效率的變化趨勢(shì)可知，這兩年由于技術(shù)的提升，LED的光轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到30%以上，對(duì)應(yīng)熱損耗接近70%。而要控制最高溫度不超過(guò)100℃，至少有50%的熱量需要依靠散熱器和水冷循環(huán)散熱。

熱力學(xué)公式如公式（1）所示。

式中：K為不均勻換熱系數(shù)，通常為1.1~1.5，該項(xiàng)目以最低1.1計(jì)算；c為水的比熱，為4.2×103（J/（kg·℃））；m為冷卻介質(zhì)流量（質(zhì)量=水密度×體積）；Δt為介質(zhì)進(jìn)出口溫差。

根據(jù)該熱力學(xué)公式，以無(wú)水冷時(shí)LED最高溫度可達(dá)150℃來(lái)算，水冷帶走的溫差最少應(yīng)為60℃，對(duì)應(yīng)燈具散熱的計(jì)算方如下：功率2000W×?xí)r間t×50%=1.1×4.2×103（J/（kg·℃））×水密度103kg/m3×燈具橫截面s×流速v×?xí)r間t×90℃。對(duì)應(yīng)得到燈具橫截面s×流速v約等于1.92×10-6m3/s。根據(jù)該項(xiàng)目光源尺寸及排布要求，對(duì)應(yīng)的燈具水流通道橫截面尺寸大約為110mm×30mm=3.3×10-3m2，對(duì)應(yīng)水流速應(yīng)為0.58×10-3m/s。

4 并聯(lián)水冷系統(tǒng)硬件選擇方案

4.1 水泵參數(shù)表

水冷散熱系統(tǒng)的水流管道流量設(shè)計(jì)取決于水泵的功率，水泵功率選擇參考公式（2）。

式中：P為功率，W；ρ為水的密度，ρ=1000kg/m3；g為重力加速度，g=9.8m/s2；Q為流量，m3/s；H為揚(yáng)程，m；h為水泵效率，一般取0.75。

水上集魚(yú)燈水冷系統(tǒng)通常使用水泵功率為10kW~60kW，單個(gè)水泵揚(yáng)程通常為12m~100m。

4.2 燈具負(fù)載數(shù)量

并聯(lián)水冷系統(tǒng)需要考慮對(duì)應(yīng)的并聯(lián)燈具負(fù)載數(shù)量，因此需要將并聯(lián)水冷系統(tǒng)和串聯(lián)水冷系統(tǒng)的流量進(jìn)行對(duì)比，選取水泵功率20kW，負(fù)載揚(yáng)程為50m，對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 并聯(lián)水冷系統(tǒng)和串聯(lián)水冷系統(tǒng)的流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1可見(jiàn)，水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，流量有所衰減；當(dāng)并聯(lián)數(shù)量超過(guò)5臺(tái)時(shí)，衰減尤為厲害。因此強(qiáng)烈建議：1）采用并聯(lián)水冷系統(tǒng)時(shí)，選用的水泵要考慮流量的衰減，留有余量。2）水冷系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵并聯(lián)的水管支路不宜超過(guò)5條，否則后面的通道流量衰減會(huì)大于25%。

將并聯(lián)水冷系統(tǒng)和串聯(lián)水冷系統(tǒng)前后燈具表面平均溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，負(fù)載燈具分布如圖2和圖3所示，燈具表面平均溫度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。并聯(lián)水冷系統(tǒng)前后燈具溫差為12.4℃，相鄰分支水路之間的溫差基本接近；串聯(lián)水冷系統(tǒng)前后燈具溫差為45.5℃，平均每經(jīng)過(guò)一臺(tái)燈具，燈具表面平均溫度增加4℃~15℃。燈具表面平均溫度超過(guò)60℃時(shí)，后面的燈具表面溫度急劇升高，因此串接燈具單路最多支撐7臺(tái)燈具。

圖3 串聯(lián)水冷系統(tǒng)負(fù)載燈具分布

表2 并聯(lián)水冷系統(tǒng)和串聯(lián)水冷系統(tǒng)負(fù)載燈具表面溫度統(tǒng)計(jì)

圖2 并聯(lián)水冷系統(tǒng)負(fù)載燈具分布

5 水冷燈具設(shè)計(jì)及散熱仿真

5.1 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水冷燈具采用鋁型材結(jié)構(gòu)，端口做水管轉(zhuǎn)接件，做好防腐蝕防鹽霧表面處理（如特氟龍涂層）。燈具的截面設(shè)計(jì)可以通過(guò)增加曲面或鋸齒形狀來(lái)增加散熱材料與水介質(zhì)的接觸面積，不同燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 不同結(jié)構(gòu)燈具設(shè)計(jì)方案

5.2 水冷燈具散熱仿真

根據(jù)散熱的需求，燈具的設(shè)計(jì)有窄截面長(zhǎng)款、寬截面短款兩種方式，其中寬截面短款又有波浪形截面和鋸齒形截面兩種形式，如圖5所示。對(duì)這幾種形狀的燈具進(jìn)行散熱仿真：1）對(duì)燈具前后溫差要求較高，可以選擇窄截面長(zhǎng)款的燈具。COB光源單排分布在燈體中，燈體尺寸為50mm×50mm×1000mm。燈具最高溫度為81.49℃，前后溫差小于2.89℃。2）對(duì)燈具最高溫度要求較高，可以選擇寬截面短款的燈具。COB光源分成三排分布在燈體中，燈體尺寸為120mm×50mm×1000mm。燈具最大溫度為79.5℃，前后溫差小于5.2℃。3）寬截面短款燈具有波浪形截面和鋸齒形截面兩種形式。波浪形截面與水流的接觸面積增加了5%~20%，燈具最高溫度低于79℃，前后溫差小于5℃；鋸齒形截面燈具與水流的接觸面積增加了50%~100%，燈具最高溫度低于75℃，前后溫差小于4.8℃。但這種截面形式會(huì)增加燈具端蓋防水的難度，因此進(jìn)行燈具設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮綜合因素。

圖5 燈具水冷散熱仿真示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種針對(duì)大功率水上集魚(yú)燈的并聯(lián)水冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)并聯(lián)水冷系統(tǒng)的負(fù)載量進(jìn)行了理論和熱仿真計(jì)算，得出在水泵功率20kW時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)最大支撐12臺(tái)燈具且依然保持燈具最高溫度不超過(guò)57.6℃，而串聯(lián)水冷系統(tǒng)最多只能支撐7臺(tái)燈具且最高溫度已經(jīng)達(dá)到93.5℃。對(duì)水冷系統(tǒng)中不同尺寸的燈具進(jìn)行散熱仿真，得出窄截面長(zhǎng)款、寬截面短款兩種方式具有各自的優(yōu)勢(shì)，均可以滿足不同的場(chǎng)景要求。該方案設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)多套燈具并聯(lián)接入水冷散熱系統(tǒng)后，所有燈具表面平均溫度控制在60℃以下，最高溫度控制在100℃以下，為后期大功率燈具散熱提供了理論支撐和數(shù)據(jù)參考，助力于高功率密度燈具向新的方向發(fā)展。