基于平板热管的大功率LED照明散热研究

　　0 引言

　　目前 , 照明消耗约占整个电力消耗的 20 % , 大大降低照明用电是节省能源的重要途径。LED 是 21 世纪的绿色光源, 具有节能、寿命长、环保、体积小、控制灵活、响应速度快等优点, 有广阔的应用前景[l]。但是 , 目前 LED 的发光效率仅能达到 10% 一20% , 其余 80% -90% 的能量转化为热能[2]。随着大功率芯片的研制成功 , 大大提升了 LED 在照明领域的应用潜力, 但同时单位面积也释放出了更多的热量 , 大功率 LED 芯片散热问题成了当前 LED 技术在照明工程中应用的障碍。

　　为保证大功率 LED 的正常工作, 需通过有效的散热设计保证 LED 的工作结温在允许温度范围内。散热能力越强 , 结温越低。目前 , 应用于道路LED 照明灯具中的主要散热方式有 : 自然对流散热、加装风扇或是水冷强制散热、热管和回路热管散热等。

　　自然对流散热以传统的肋片散热器为主 , 主要是借助翅片对周围空气进行对流换热。但随着芯片产生热流密度的增加, 通过气体对流方式已无法及时有效地进行散热。加装风扇强制散热方式虽然散热效率较高, 但系统复杂、可靠性低、维修、维护的费用较高, 并且需要额外的功耗。回路热管散热方式成本高, 并且适用性还有待进一步研究。而道路照明具有散热位置较高。体型受限制等特点 , 所以借助热管的高效输热就变得非常必要。另外 , 现有散热装置强调热传导环节、 忽视对流散热环节 , 尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施来改善热传导环节 : 如采用热管 、加导热硅脂等 , 却没有意识到热量最终还是要依靠灯具的外表面带走 , 忽视了传热的均衡性。如果翅片的温度分布严重不均匀, 将会导致其中部分翅片 (温度较低的部分)效率大大降低。现有针对 LED 照明的散热装置仍局限于功率较低 LED 灯 , 并且效果不明显, 成本高, 不易应用于实际生产。

　　可见 , 大功率 LED 的散热问题是目前节能减排形势下有待进一步解决的很重要的科学问题。本文将平板热管技术应用于大功率 LED 照明系统的散热当中, 充分利用了平板热管热稳定性好、热输运能力强、结构规则利于安装使用等优点, 通过实验研究为其实际应用提供理论依据。

　　1 实验装置及试验方法

　　试验装置如图 1 所示。

　　本实验由稳压器将 220V 交流电电压变为不同LED 装置的额定直流电压 , 并将电流输送到 LED装置上, 同时用 T 型热电偶测量温度 , 利用 Asilelt数据采集系统, 进行数据采集 。并实时传输到实验用计算机中。

　　图1 实验装置圈

　　实验所使用的平板热管由金属铝制制成 , 内部灌装R141b 工质, 具有制造工艺简单、承压性好、结构紧凑, 制造工艺成熟等优点。为了对比采用热管技术对大功率 LED 照明散热的实际影响, 本实验中,以 8 个相同的 LED 光源组成的功率为 40W的阵列光源 , 配合外型尺寸为350 mm × 122 mm × 38 mm ,肋高40 mm , 肋间距10 mm 的肋片散热器, 将新型平板热管阵[4]贴于肋片散热器表面, 封装成全新的平板热管式肋片散热装置 , 并将其在 自然状态下的实际工作情况与传统的肋片散热装置 (肋片散热器外型尺寸与上述相同)进行比较.

　　一般而言, 大功率 LED 灯具的结温控制在 70 ℃以内。芯片 PN 结的结温与 LED 器件性能直接相关,结温升高时, 光通量会减小, 发光效率降低 (如图 2所示 [3] ), 所以用灯具外壳的温度与外界环境的温度的温升来判断其散热 能值得商榷。本实验所用LED 照明散热装置为新型平板热管实验中将标准T型热电偶置于芯片底部, 用以测量芯片的温度;同时用标准 T 型热电偶测试散热片上所布的测点 (如图3) 的温度, 得到散热器瞬态及稳态传热特性和 LED结温及散热器不同测点的温度随时间的变化。

　　图 2 白光 LED 光通量与结温的关系

　　图3 散热板上各个测点分布

　　实验时将 LED 光源放在同一封闭房间以保证肋片散热器与空气的对流系数相同, 工作时间保证照明系统达到了热平衡。肋片散热器的摆放应尽量减少与实验台表面的接触面积, 数据采集点应该尽量远离实验台位置;平板热管摆放应竖直放置，以使热管的工作状态处于最优 。

　　2 实验结果与分析

　　如图 4 所示 , 散热器在不加热管时, 测点1显示芯片温度即结温低于 70℃, 达到所测试光源的散热要求。加热管的 LED 光源芯片中心温度在结温允许范围内比不加热管的 LED 要低约 5℃, 散热器表面位置的测点2 处两种情况的温度相近 , 肋片末端加热管比无热管的LED散热器的末端温度高1℃。加热管的 LED 散热器表面各点的温降幅度更小, 温度分布更为均衡，并且在肋片部分有趋于平缓，而无热管散热器表面各点温差降很大。当散热量一定时, 由于加热管的散热装置中芯片温度较低, 相应的, 加热管和无热管两种情况各测点的连线必然存在交点。可以看出, 有热管时, 散热器表面各点温度降相对平缓 , 肋片均温性更好, 肋片利用率更高。但是最大的温降是发生在芯片与2 点 (基座附近), 要想进一步改进 LED 散热装置性能, 基座将是一个重点考虑环节。

　　图5 反映了散热器肋片末端温度随时间的变化。加入热管后 , 散热器表面温度的达到稳定的时间大约需要 0.85 h , 明显比不加热管达到稳定的时间要快大约 0.1h ;同时比加热管的散热器肋片末端温度受环境影响更大 , 波动较大。达到稳定状态后 , 加热管的散热器末端温度稳定在大约 41.6℃ , 比无热管的散热器末端温度大约高1℃。 散热片肋片末端的散热效率得到了提高, 很好地发挥了肋片的作用 ,并且与不加热管的普通肋片散热器相 比, 在同等散热量下, 加热管的散热装置, 节省散热器体积, 降低重量。图 5 所示, 在散热器工作的前0.5h 内, 两种散热情况下的温度发生了重叠现象, 这是由于散热器肋片末端距离芯片较远 , 当工作初期肋端温度与环境温度相差较低时, 容易外界影响产生波动。

　　图4 40W LED的散热器各测点温度

　　图5 散热器肋片末端温度与时间的关系

　　3 结论

　　将新型平板热管应用于大功率 LED 照明散热中, 通过试验研究8个相同的 LED 光源组成的功率为 40 W的 LED 阵列光源利用热管肋片散热器的散热状况, 可以看出: 加管的 LE D 光源芯片中心温度在结温允许范围内比没有热管的 LED 要低约5℃, 效果相当明显;加入热管后，散热器表面温度稳定时间大约需要 0.85 h, 明显比没有热管达到稳定所需时间要快 0.1h;对于较大功率的 LED 阵列光源, 增加了平板热管的 LED 照明装置, 散热器表面各点温度降相对平缓, 肋片均温性更好, 肋片效率更高。散热性能更好, 散热器各部分能更好发挥作用, 并且可以节省散热器体积, 降低重量。

编辑：Cedar