基于平板微熱管陣列的大功率LED路燈散熱研究

梁　鋒，趙連玉，張　慧，岳有軍

(1.天津理工大學，機械工程學院，天津　300384；2.天津理工大學，自動化學院，天津　300384；3.天津出入境檢驗檢疫局，天津　300201)

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基于平板微熱管陣列的大功率LED路燈散熱研究

梁鋒1，趙連玉1，張慧3，岳有軍2

(1.天津理工大學，機械工程學院，天津300384；2.天津理工大學，自動化學院，天津300384；3.天津出入境檢驗檢疫局，天津300201)

大功率LED路燈是照明行業的發展趨勢，但是目前由于散熱等問題限制了其大規模推廣。本文選用平板微熱管陣列與翅片散熱器結合的方式針對大功率LED路燈設計出一種新型的散熱器，首先對所選用的平板微熱管進行傳熱特性實驗，結果表明所選用平板微熱管具有良好的均溫性和快速啟動特性，在蒸發段外壁面溫度為53 ℃時，達到最大熱通量達到117.2 W/cm2；建立了LED路燈系統的裝配模型，在ANSYS Workbench中進行穩態熱模擬， 結果表明新型散熱器可以很好的解決大功率LED路燈的散熱難題。

大功率LED；平板微熱管陣列；散熱；數值模擬

引言

大功率發光二極管(LED)作為新一代照明光源因其低碳環保、綠色節能、壽命長的優點備受重視。目前，大功率LED芯片的尺寸可以很容易做到0.5 mm×0.5 mm[1]，熱流密度已超過100 W/cm2。作為光電元件，大功率LED只能將約10%～20%的輸入功率轉化為光能，其余80%～90%轉化為熱能[2]，若芯片上累積的熱量不能及時有效的散出，將導致LED芯片的結溫過高而影響路燈正常工作[3]。隨著LED路燈亮度的進一步提升，驅動電流的日益增大，散熱問題已成為制約大功率LED推廣應用的重要瓶頸。

1　大功率LED散熱研究現狀

為了解決大功率LED的散熱難題，不少國內外學者進行了相關研究，指出相變冷卻技術可能是解決微電子芯片高熱流密度冷卻問題的主要途徑，M. Arik[4]等針對一種特殊用途的LED燈具設計了專用的浸液冷卻系統，并對比分析了不同填充液的散熱效果，發現HFE7200作為填充液時可以很大程度上改善散熱效果并提高照明亮度；王永翔[5]等采用多孔微熱沉對大功率LED陣列進行主動散熱，系統由一個微泵驅動，數值模擬的結果表明有無多孔芯，孔隙率以及入口流速是影響散熱效果的主要因素。熱管利用相變來強化散熱，已經成功應用在多種電子設備散熱問題。針對熱管解決大功率LED路燈的散熱研究工作主要有：魯祥友[6]等對一種應用在多芯片大功率LED散熱上的回路熱管裝置進行了試驗研究，總結出該種結構的熱管應用在大功率LED散熱系統中的首要問題是蒸發器傾斜角度對系統散熱性能的影響；李志[7]等實驗研究了板式脈動熱管與翅片結合對額定功率為100 W的LED的自然對流冷卻效果，結果表明脈動熱管自然對流對于功率在52 W以下的LED取得較好的冷卻效果；田水[8]等提出了一種用于大功率LED的強制散熱器，采用蜂窩板作為蓄熱結構的熱管散熱裝置，取得了良好的散熱效果，缺點是此種結構不方便應用在LED路燈上。

相比傳統熱管，平板微熱管陣列在大功率LED散熱領域顯示了突出優勢[9]，本文選用平板熱管陣列與翅片散熱器進行組合，設計出了一種適用于大功率LED路燈的新型散熱器，并對路燈系統進行了數值模擬，結果表明新型散熱器應用在150 W和180 W功率級別的LED路燈上散熱效果良好，可以在大功率LED路燈工作過程中及時散熱，有效地降低芯片結溫。

2　平板微熱管陣列的傳熱特性實驗

本文選用的平板微熱管陣列在每米寬度上安裝200根相互獨立的微熱管，這些微熱管可以隨意組合成一定寬度的微熱管陣列，縱向尺寸上可以在考慮大功率LED路燈內部的安裝情況進行適當的加長或縮短。圖1為平板微熱管陣列的內部結構示意圖。選用的平板微熱管陣列寬度為25 mm, 厚度為3 mm, 長度取50 mm, 每根微熱管內表面均布置有微槽群結構強化散熱。這種結構使得微熱管陣列具有很高的可靠性，當某根熱管出現故障不能正常工作時，其他熱管不受其影響。選用丙酮作為工質，充液量為30%[10]。

圖1　平板微熱管陣列結構圖Fig.1　Structure diagram of flat micro-heat pipe arrays

2.1實驗裝置與實驗方法

熱管的傳熱特性評價指標主要有：①沿熱管軸向的溫度均勻性；②熱管的響應時間；③蒸發段外壁面溫度與熱通量之間的關系。

實驗系統由實驗元件(平板微熱管陣列)，加熱模塊(RH PT100薄膜電阻等)和數據采集系統(Aglilent 34970A數據采集儀等)組成。實驗時通過空調維持室內環境溫度為25 ℃，將平板微熱管陣列垂直安裝，底部為蒸發段，上部為冷凝段，冷凝段與外界空氣自然對流換熱，采用薄膜電阻模擬熱源對蒸發段進行加熱，薄膜電阻通過絕緣的導熱膠貼附在蒸發段外壁上，在蒸發段外壁上布置一個T型熱電偶測溫點，沿平板微熱管陣列軸向布置另外兩個T型熱電偶測溫點，通過數據采集儀采集溫度數據。實驗系統的示意如圖2所示。

圖2　平板微熱管陣列熱特性實驗示意圖Fig.2　Schematic diagram of flat MHPA thermal performance experiment

薄膜熱電阻對平板微熱管陣列蒸發段進行加熱，微熱管內部的工質迅速蒸發，上升至冷凝段，釋放出熱量，重新凝結為液滴，在重力與微熱管內部微槽群所提供的毛細力的共同作用下返回蒸發段，冷凝段通過自然對流的方式將熱量擴散到周圍空氣中。

2.2實驗結果與分析

2.2.1誤差分析

實驗中采用的熱電偶最大校正誤差為0.18K，薄膜電阻的功率偏差±8%，熱電偶安裝時采用游標卡尺進行定位，游標卡尺的測量精度為0.02，根據誤差傳遞理論，所測量溫度差的不確定度為0.197，間接測量熱通量的不確定度為2.81%。

2.2.2結果分析

通過實驗測得的平板微熱管陣列的均溫性和響應特性曲線如圖3所示，可以看出，平板微熱管陣列各段的溫差小于2 ℃，具有很好的均溫性，從開始加熱到達到穩定工作狀態所需時間約75 s，具有快速響應的特性。

圖3　平板微熱管溫度分布曲線Fig.3　Temperature distribution of flat MHPA

通過分析測溫點1的數據可以得出蒸發段外壁面溫度和熱通量的關系曲線如圖4所示，可以看出，開始加熱后，蒸發段外壁面溫度迅速升高，熱通量也隨之升高，在蒸發段外壁面溫度達到53 ℃時，熱通量達到最大值117.2 W/cm2，可以看出此后熱通量的變化逐漸趨于緩和，這是由于平板微熱管內部的蒸發和冷凝過程逐漸達到動態平衡，熱攜帶能力達到極限。

圖4　蒸發段外壁面溫度與熱通量關系曲線Fig.4　Temperature on evaporating surface area of flat MHPA and heat transfer rate

3　大功率LED路燈散熱器設計與數值模擬研究

在實驗研究的基礎上，應用平板微熱管與翅片結合的方式設計了新型大功率LED路燈散熱器，結構如圖5(a)所示，在熱流密度較大的區域上設置“異形翅片”，其中嵌入數個平板微熱管陣列強化散熱效果。

仿真計算分以下兩個部分進行：①為了比較新型散熱器與傳統的翅片散熱器的性能優劣，對150 W LED路燈安裝兩種散熱器，分別進行數值模擬，模型的參數及仿真計算參數的設定都保持一致；②為了縱向的比較新型散熱器在不同功率LED路燈上的散熱效果，選取目前市場上三種常見的大功率LED路燈的功率配置：150 W, 180 W, 200 W，安裝新型散熱器，進行仿真模擬，對芯片結溫分布進行對照分析。仿真過程中所需材料參數如表1中所示。

表1　材料參數定義

計算前做出以下假設：①平板微熱管陣列可以等效為恒定熱導率的各向同性固體材料；②固體的物性參數為常數；③忽略輻射換熱的影響，僅考慮散熱器的自然對流換熱作用；④假定散熱器各個部件之間接觸良好，接觸熱阻可以忽略不計。運用Ansys Workbench對散熱器進行數值模擬，計算類型設定為Steady-state Thermal。 考慮到模型本身的對稱性，為了節省計算機資源，對模型進行對稱簡化，針對裝配體中不同零部件，選取恰當的方法劃分網格。

圖5　兩種散熱器模型(前視圖)Fig.5　Models of two different radiators(front view)

根據之前的實驗結果，將平板微熱管陣列定義為恒導熱率的固體，設定為各向同性材料，熱導率定義為2 500 W/(m·K)。選取LED芯片定義internal heat generator(內部熱生成)模擬芯片的恒功率輸入，邊界條件考慮為第三類邊界條件，由于散熱器的外形較為復雜，在工作穩定狀態下，各個位置的溫度分布不同，難以直接得出其表面的自然對流換熱系數，因此需要進行迭代計算，求得散熱器外表面的自然對流換熱系數，在Workbench中通過表格的方式讀入，設定仿真過程中的環境溫度為25 ℃，忽略裝配體中各個零部件間的接觸熱阻，定義接觸類型為MPC(完全接觸傳熱類型)。

4　結果與討論

4.1150 W LED路燈安裝兩種散熱器仿真分析

圖6中顯示的是常規的翅片散熱器應用于150 W路燈的溫度分布云圖，可以看出，最高溫度為77.34 ℃，雖然低于LED芯片正常工作的結溫要求，但如此高的溫度，仍能影響芯片的工作性能，并且可以看到，采用翅片散熱器的溫度分布明顯不夠均勻，在燈珠密集區域形成了較嚴重的高溫區，這些區域熱流密度很大，容易造成局部LED芯片因結溫過高而失效；而對比圖7中采用了新型散熱器的LED路燈，其系統最高溫度僅為52.5 ℃，整個系統的工作溫度得到了極大的降低，并且可以觀察到新型散熱器由于嵌入了平板微熱管陣列，散熱器均溫性更好，從而提高了LED芯片工作的可靠性。

圖6　150 W路燈安裝翅片散熱器溫度分布云圖Fig.6　Temperature cloud image of 150 W lamp with fin radiator

圖7　150 W路燈安裝新型散熱器溫度分布云圖Fig.7　Temperature cloud image of 150 W lamp with new radiator

在LED芯片上設置Probe溫度探針，監測到結溫分布如圖8所示，可以看出，與常規翅片散熱器相比，新型散熱器能顯著降低LED芯片結溫，經過分析，采用常規翅片散熱器時芯片平均結溫為72.84 ℃，而采用新型散熱器的芯片平均結溫僅為50.77 ℃，并且從圖中折線的變化趨勢可以進一步證明安裝新型散熱器的LED路燈具有更好的均溫性，對電子器件而言，其溫度分布越均勻，對提高電子元器件的可靠性和耐用度越有利[11]。因此，新型散熱器可以有效的解決150 W LED路燈的散熱難題。

圖8　兩種散熱器LED芯片結溫分布曲線Fig.8　Chip junction temperature of LED lamps with two radiators

4.2新型散熱器應用于150 W,180 W和200 W三種大功率路燈散熱效果討論

從圖7中可以看出，新型散熱器應用于150 W路燈時散熱效果非常理想；應用在180 W路燈時系統最高溫度達到69.69 ℃，平均結溫達到66.87 ℃，從圖9中折線的變化趨勢可以看出散熱器仍能保證系統具有較好的均溫性，隨著功率的增大，結溫也迅速增大，但此時芯片仍處于正常工作溫度范圍；但當新型散熱器應用在200 W路燈上時，系統的最高溫度達到了86.88 ℃，平均結溫升高至83.23 ℃，在如此高的溫度下芯片很有可能出現大面積失效，不能保證LED路燈工作的可靠性，所以新型散熱器應用在200 W功率級別的大功率LED路燈時未能取得理想的散熱效果。

圖9　三種功率LED路燈安裝新型散熱器結溫分布曲線Fig.9　Chips junction temperature of three power LED lamps with new radiator

5　結論

1)選用適當尺寸的平板微熱管陣列，通過實驗的方法測定其傳熱特性，實驗結果表明所選用的50 mm×25 mm×3 mm的平板微熱管陣列啟動性能良好，具有良好的均溫性，熱攜帶能力出色，最大熱通量可以達到117.2 W/cm2；

2)針對150 WLED路燈分別安裝常規的翅片散熱器和嵌入平板微熱管陣列的新型散熱器，并分別進行穩態熱模擬，結果表明，安裝常規翅片散熱器的路燈系統局部最高溫度為77.34 ℃，芯片的平均結溫為72.84 ℃，而采用了新型散熱器的路燈系統局部最高溫度為52.5 ℃，芯片平均結溫僅為50.77 ℃，可見，新型散熱器可以很好的解決150 WLED路燈的散熱問題；

3)分別對市面上常見的150 W、180 W和200 W三種功率的路燈安裝新型散熱器進行穩態熱模擬，結果表明，180 W時路燈系統局部最高溫度為69.69 ℃，平均結溫達到66.87 ℃，可見隨著功率的增大，系統溫升較大，但新型散熱器仍能保證路燈系統維持在較低的溫度下正常工作；200 W時路燈系統的局部最高溫度則達到了86.88 ℃，平均結溫升高至83.23 ℃，如此大的溫度已有可能對系統的正常工作造成影響，可能會由于芯片結溫過高而失效，進而引起LED燈珠的壞死，可見，新型散熱器應用在200 W功率級別的路燈上已不能取得較好的散熱效果，需要對散熱器進行改進設計。

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Study on Thermal Dissipation of High-power LED Lamps Based on Flat Micro-heat Pipe Arrays

LIANG Feng1，ZHAO Lianyu1，ZHANG Hui3, YUE Youjun2

(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology， Tianjin300384, China；2.SchoolofAutomation,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China；3.TianjinEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Tianjin300201,China)

High-power LED lamps is considered to be the future of lighting industry, however, there are some obstacles such as heat dissipation problem that prevent its popular using. This essay suggests a new type radiator that combined flat micro-heat pipe arrays and traditional fin radiator for high-power LED lamps. Firstly, we tested the heat performance of MHPA experimentally, the results indicate that the MHPA has rapid startup, excellent temperature uniformity, and heat flux peaked at 117.2 W/cm2when evaporator section temperature was 53 ℃. Then we built 3-D models of LED lamps system, completed steady-heat-thermal analysis in ANSYS Workbench using Finite Element Method, the results of numerical analysis demonstrated the new radiator gets ability in dealing with heat dissipation problem of high-power LED lamps.

high-power LED; micro-heat pipe arrays(MHPA); heat dissipation; numerical analysis

趙連玉，E-mail: lianyuzhao@163.com

TN312.8; TK172.4

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.021

項目資助：天津市科技計劃項目(13ZCZDGX03200)