一种热管散热器对大功率LED 散热效果的研究[1]

　　LED是一种新型半导体固态光源，具有低功耗、长寿命等显著优点。因此，在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED 半导体照明已被公认为是一种节能环保的重要途径[1].

　　研究表明[1]，大功率LED 电光转换效率约为20% ，剩余的80% 转化为热能，由于芯片尺寸仅为1 mm × 1 mm ～ 2. 15 mm × 2. 15 mm，导致芯片的功率密度很大. 与传统照明器件不同，白光LED 发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放. 对于单个LED 而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则极易导致芯片温度升高，从而引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降. 毛德丰等人研究表明[2]，当结温超过80 ℃时，LED 寿命、光通量输出等参数迅速减小. 陈伟等人研究表明[3]，利用微喷射流冷却，LED 输入功率为9. 3 W 时，结点温度为54. 3 ℃. 马璐等人研究表明[4]，利用液态金属冷却，LED 输入功率为25. 7 W 时，基板温度为33. 1 ℃.

　　本文旨在针对80 W 大功率LED 在环境温度为22 ℃、自然对流冷却的条件下提出一种散热基板———热管散热系统，使结温有效地控制在75 ℃ 以下. 该散热基板采用隧道式结构，因为系统内部工质在一定数值的压力范围内工作、灌装量合理，从而能使集中热量快速均匀地铺展开，基板热流密度超过4 ～ 5 W/ cm2 . 在此基础上，本文研究了LED 输入功率和散热器倾斜角度对结温和照度的影响。

　　1 实验系统

　　1. 1 实验装置与实验方法

　　实验装置如图1 所示，实验系统分为3 个部分: LED 散热系统、测量系统和数据采集系统. LED 散热系统: LED 光源a ( 型号V-GY70P70N8024BW，额定功率80 W) 通过双路稳压稳流电源b ( 型号DH1718E( G) ，最大输出电压35 V，最大输出电流10 A) 供电; 在LED 光源背部贴有散热基板c( 又称取热器) ，由散热基板c 导出的热量通过热管散热器d 传给环境. 测量系统: 为了方便测量、并有效显示散热基板———热管散热系统的均温特性，本系统沿工质流动方向共布置15 根T 型热电偶e. 1 号热电偶测量散热基板中心温度，2、3 号热电偶分别测量散热基板平面对角线位置的温度，4、14 号热电偶分别测量冷凝器出口和入口温度，5、13 号热电偶分别测量蒸发器入口和出口温度，6 ～ 12 号热电偶均匀、对称布置在散热器铜管不同位置测量散热器温度，15 号热电偶测量LED 结点温度. 实验过程中，当各测量温度值在10 min 内变化范围小于± 0. 1 ℃时，可认为散热系统进入稳定工况. 数据采集系统: 温度信号通过Agilent 34970A 数据采集器f 传输到计算机g，对热电偶e 所测温度进行实时监测和分析处理; 同时，借助Fluke Ti55 便携式红外热成像仪对散热器表面温度分布均匀性进行监测，选用TES-1330A 照度计测量LED 光源的照度，照度计距离LED 光源的垂直距离为1. 2 m.