新型熱管式大功率LED路燈散熱器的研制

胡津津，徐 歡

（安徽電子信息職業技術學院信息工程系，安徽蚌埠 233000）

大功率發光二極管（LED）作為第4代照明光源，其發光效率經過幾十年的研究已經得到了較大的提高，具有安全可靠性強、發光效率高、穩定性好、響應時間短、節能環保等優點而廣泛應用于照明和信號燈具中［1］.基于目前制造半導體的技術，LED輸入功率中絕大多數的能量轉化為熱能，大約只有15%的轉化為光能［2］.器件的正常使用的前提條件是，結溫要求在110℃以下.通過在LED的基板上安裝散熱器，可以有效解決芯片功率不斷增大帶來的散熱問題.

LED道路照明燈具中主要采用被動式散熱和主動式散熱這兩種散熱方式.所謂被動式散熱，就是通過安裝散熱片.比如Sheu G J等人利用商用微型熱管散熱，顯著降低了LED的工作溫度，并提高了芯片的輸入功率［3］.所謂主動式散熱，就是通過外加水冷或者風扇等方式來散熱［4］.主動式散熱的缺點有可靠性低、泵抽吸泄露以及額外的能量消耗等［5］.

本文采用熱管原理設計了一種新型大功率LED路燈散熱器.該散熱器由散熱翅片、封閉殼體、芯體、金屬薄片、液體工質、通孔組成，且散熱器的方向垂直于基板，為降低芯片結溫，在散熱翅片之間留有冷空氣流通的通道.

1 熱傳導熱管技術及工作原理

以多種元素的混合物為導熱介質，并將它注入如金屬狀的腔體內，經過真空處理密封成型后，形成具有導熱特性的元件——熱傳導熱管.

熱管是一種具有較高導熱性能的相變傳熱元件，是20世紀60年代發展起來的，具有超長的熱敏感性和熱活性.在受熱后，熱傳導熱管內部的導熱介質吸熱后，其內部分子震蕩、摩擦，將熱能快速激發，熱量從熱管的一端很快傳導至另一端.在傳熱過程中，熱管的熱導性為表面呈現出熱阻趨于零的特性［5］.熱管之所以導熱能力遠高于普通金屬材料，原因是其熱傳導是通過腔體內部的介質來導熱的.熱管能以較小的溫差獲得較大的傳熱率，由于其特有機理，使冷熱流體間的熱交換均在管外進行，且結構簡單，具有單向導熱的特點.此外，由于熱管內部被抽成真空狀態，所以工質很容易沸騰與蒸發，能夠快速啟動［6］.

2 大功率LED路燈散熱器的設計

熱板散熱器呈水平放置，其工作原理如圖1.熱量從下方進入，工質吸收熱量后汽化，汽化后的工質充滿整個熱管腔體，然后在熱板上方放出熱量并液化，液化后的工質隨著熱管內腔壁上的特殊材料的毛細力回到熱源部分.這種熱管傳熱效率較高，但由于這種結構使得翅片不好布置且機械強度不夠，因此在大功率LED路燈上使用，效果并不理想.

圖1 傳統熱管散熱器工作原理圖

為了克服以上熱管散熱器在應用中的存在的問題，重新設計了熱管散熱器的結構，以應用于大功率LED路燈中.

設計時，首先考慮到散熱器要有利于熱量從LED光源快速、順利地傳導到散熱器上，其次要有利于空氣的流通，使散熱器與空氣充分對流換熱.結合路燈的特點，設計散熱器時注意了以下幾點:

（1）基板形狀.將散熱器的基板形狀設計為弧線型，以利于雨水的排出，同時也利于雨水對灰塵、落葉等的沖刷，保證散熱器的散熱效率.

（2）翅片的排列方向.為了提高翅片和空氣間的對流換熱，將翅片排列方向設計成與馬路方向平行，且方向垂直于基板.

（3）造型設計.為了設計的美觀，將散熱器與路燈燈體設計為一個整體.同時，考慮到路燈是高空懸掛的，引入“抗風設計”的理念，依據流體力學原理，將路燈造型設計成為流線型，翅片形狀做相應調整，以減少阻力.

新型熱管式散熱器結構圖，參見圖2.

圖2 新型熱管式散熱器結構圖

該新型熱管式散熱器由封閉殼體、金屬薄片、芯體、通孔、散熱翅片及液體工質組成.該封閉殼體的內部空腔為真空后灌注一定量的液體工質;將金屬薄片緊密疊置做成芯體.在安裝過程中，封閉殼體的內部空腔與芯體的外表面焊接.為了便于液體工質在金屬薄片的相鄰縫隙間流通，在金屬薄片上開設有用于汽化的通孔.芯體在通孔的地方形成貫穿的孔洞.散熱翅片是垂直焊接在封閉殼體的外表面，之間專門留有讓冷空氣流通的通道.

圖3 測試系統裝置

3 溫度測試實驗

利用現代加工技術，將設計的LED路燈散熱器制作成樣品.為了驗證安裝有熱管散熱器的LED路燈散熱效果，對其進行溫度測試實驗.測試系統由安裝有熱管散熱器的LED路燈、溫度傳感器、數據采集儀構成.測試系統模型，參見圖3.

為保證數據測量的準確性，在LED光源上的四個位置布置了溫度傳感探頭，參見圖4.

實驗在環溫為25℃左右時進行，共反復進行15次測試.每次實驗，光源點亮10小時，并從光源點亮時起每15分鐘采集一次數據，待溫度測試實驗結束后，取4個測量點的溫度測量平均值進行分析.同時，與未安裝散熱器的LED路燈升溫過程進行對比.作出升溫曲線圖，參見圖5.

圖4 LED光源測試點

圖5 升溫曲線圖

由圖5可以看出，未安裝散熱器的LED光源，在起初的1小時內，溫度一直處于上升階段，且上升速度非常快.在1小時后，溫度上升的速度變慢，實驗中測量到的最高溫度為62.15℃.安裝有新型熱管式散熱器的LED光源，溫度變化平穩，實驗中測量到的最高溫度為41.2℃.實驗數據表明，安裝有新型熱管式散熱器的大功率LED路燈，其散熱效果明顯.

4 小結

散熱是集成大功率LED光源面臨的首要問題.本文利用熱管原理設計了一種適用于大功率LED路燈的新型散熱器.在環溫為25℃時，對LED路燈制作樣品進行了溫度測試實驗.結果表明，點亮5小時后，溫度變化開始趨向平穩，最后達到熱平衡，在第10小時測試到最高溫度，為41.2℃.結溫在長時間內保持在相對穩定的范圍內，從而解決了制約大功率LED應用的瓶頸問題.

:

［1］劉紅，梁華，蔣蘭芳.分布式大功率LED路燈散熱器的結構設計［J］.輕工機械，2011，29（4）.

［2］劉一兵，黃新民，劉國華.基于功率型LED散熱技術的研究［J］.照明工程學報，2008，19（1）:68－73.

［3］Lai Y，Cordero N.Themal management of bright LEDs for automotive applications［C］//Proceedings of the 7th international conference on thermal，Mechanical and multiphysics simulation and experiments in micro－electronics and micro－systems，2006:390－394.

［4］Sheu G J，Hwu F S，Tu S H et al.The heat dissipation performance of LED applied a MHP［C］//Fourth international conference on solid state lighting，Procedings of SPIE，2005，5941:594113.1 －8.

［5］李玉強，王陽，生南南，陽炎平，鄂加強.大功率LED路燈新型散熱器的開發［J］.廣西輕工業，2010，26（4）.

［6］魯祥友，程遠霞，劉美靜，華澤釗.用于大功率LED冷卻的熱管散熱器的實驗研究［J］.半導體光電，2008，29（5）.

［7］Acikalin T，Garimella S V，Petroski J，et al.Optimal design of miniature piezoelectric fans for cooling light emitting diodes［C］//In:Proc Ninth Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems，Vol 1.New York:IEEE，2004.663 －671.