大功率LED路灯新型散热器的开发

　　0 前言

　　LED(LightEmittingDiode，发光二极管)是种将电能转变为光能的固体光源，有可能成为替代白炽灯、荧光灯的新型固体光源，将创造照明产业的第四次革命。与现有照明灯具相比，发光效率特别是光提取效率低和散热能力差是照明用大功率LED(功率大于1W)面临的主要技术瓶颈，目前LED的发光效率仅能达到10%~20%，还有80%~90%的能量转换成了热量，为了保证器件的寿命，一般要求结点温度在110℃以下。目前制作的满足照明用大功率LED的芯片尺寸大多在lmm×lmm以上，热流密度超过了100W/cm2，若不及时将热量转移，热量的聚集会导致LED结点温度的升高，而结点温度直接影响到器件的出光效率、峰值波长、器件寿命等。因此解决LED的散热成了大功率LED发展照明用的首要问题。

　　1 LED路灯散热器存在的问题

　　目前应用在LED道路照明灯具中的主要散热方式有两种：第一种是被动式散热，即通过安装散热片来散热。第二种是主动式散热，即通过外加风扇或者水冷等方式来散热。

　　1.1 被动散热

　　被动式散热就是依靠灯具自身的外表面与空气的自然对流将LED产生的热量散出。这种散热方式设计简单,并且很容易和灯具的机械结构设计结合起来,这就比较容易达到灯具的防护等级要求,并且成本较低,因此是目前采用最广泛的一种散热方式。热量先是经过焊接层传给固定LED的铝基板，然后通过铝基板导热胶传给灯具外壳,再通过灯具外壳传导给各个散热片,最后靠散热片与空气间的对流将热量散出。这种方式结构简单，但散热效率比较低。

　　1.2 主动散热

　　主动式散热主要是通过水冷、风扇等手段增加散热器表面的空气流动速度,以便快速带走散热片上的热量，从而提高散热效率。这种方法散热效率比较高，但是需要额外的功耗,会降低系统效率,并且设计难度很大。

　　2 热传导热管技术的基本特点

　　2.1 工作原理

　　热传导以多种元素的混合物为导热介质，并将它诸如金属状的腔体内，经真空处理且密封成型后，形成具有导热特性的元件———热传导热管。它具有超长的热活性和热敏感性，预热而吸，预冷而放。在受热条件下，热传导热管的内部的导热介质吸热后，利用分子的震荡、摩擦，将热能快速激发，并呈波状快速传递，将热量从热管的一端迅速传导至另一端。在整个传热过程中，热管的表面呈现出热阻趋于零的特性(即热导性)。由于热传导主要通过腔体内部的介质来实现导热的，所以导热能力远高于普通金属材料，导热系数为3.2MW/(m·k)，等效导热总数最高可达到表面积形同的金属硬材料的7000余倍。

　　2.2 热管的安全性、寿命和适用范围

　　热传导介质由元素构成。介质本身无毒、无污染、无腐蚀性，在导热过程中无相变。经实验证实，结算值与多种金属均有良好的形容性，不发生发硬或分解生成不凝气体而使热管失效。由于热传导介质完全由介质配成，介质自身能力能有效抑制氢、氧分子的产生，内压较低，使用安全可靠。热传导热管无论在激发运作过程还是在静止状态，均不会产生对人体有害的放射性物质，因此在适用时无放射性污染。热管自身压降小，速率可持续11×104h，达到长寿命稳定运行的效果。

　　2.3 热传导热管的优势

　　(1)热阻小，传热快

　　超导热管具有热阻小、均温性好、启动迅速、导热速度块的特点，轴向热流密度在8.26×106W/cm2以上。自热管的一端加热，数秒钟就可以将热量传递到另一端;因沿热管轴向温差趋于零，可使热管的比哦面温度趋于一致。传热系数高。

　　(2)结构紧凑，流动阻力小

　　用加翅片的热传导热管制成的散热器，换热面积大，传热系数高，设备体积小，质量轻。由于，空气流动方向与翅片一致，降低了流动阻力。

　　(3)良好的维护性

　　由于热管之间彼此独立工作，并与LED灯板用螺栓连接，适用分别拆卸和单独更换;设备正常运行期间不需检修，维修费低。

　　3 热管散热器设计

　　本文针对某厂生产的LED路灯进行散热器的设计。其中热管和翅片的有关设计参数见表1、表2所示，其物理模型见图1。

　　4 新型散热器前后散热效果对比

　　使用新型散热器前后LED结点温度和翅片表面温度温度随时间的变化对比曲线见图2、图3。

　　5 结论

　　设计出了一种适用于大功率LED路灯的运用热管技术的新型散热器，并在25℃的环境温度下进行测试，结果表明,此种装置能将发光二极管的热量快速的散布到外界空气中，并将结点温度始终控制在40℃以下。

编辑：Cedar