LED 燈主動散熱系統的設計與實驗驗證

朱智浩 李國能 駱國棟 李 珂 湯元君

浙江科技學院能源與環境系統工程系

0 簡介

在追求能源綠色、可持續、高質量發展的現今社會，LED燈因其體積小、光效高、節約能源、使用壽命長等優點，成為了全球市場上主要的照明選擇[1]。我國大力追求能源的高質量發展，但由于歷史原因，目前大量照明的路燈仍然為高壓鈉燈，相較于LED燈，它的顯色指數低、發光效率低、光線昏暗且存在一定安全隱患[2]。可以預測在不久的將來，LED燈將全面取代傳統照明光源[3]。但目前來說，LED燈電光轉化效率僅有20%，剩下80%的能量將轉化為熱能[4]，也就意味著LED燈大部分的能量都以熱能的形式耗散[5]，若熱能無法被快速地傳遞到外界，LED燈結溫上升[6]，這將大大影響LED燈使用壽命。LED燈冷卻問題一直是延長LED燈使用壽命繞不開的話題[7-8]（見圖1）。

本文通過帕爾貼效應（Peltier effect）[9]設計了一款LED燈主動散熱系統，有效降低LED燈結溫溫度，為提高LED燈使用壽命提供技術參考，有助于LED路燈的快速全面使用。

圖1 結溫對LED壽命的影響

為降低LED燈結溫，國內外采用了多種方法。謝偉偉等人[4]設計了一款采用自然對流進行散熱的200 W LED燈散熱器，其LED最高結溫為96.1℃，降低4.47%。Mimi Wang等人[10]設計了帶自調直翅片的鋁熱管散熱器，可降低LED燈結溫8℃。Sheng Liu[11]等人在散熱器上安裝一個微陣列冷卻系統來解決LED燈的散熱問題。楊曉華[12]等人設計了一套基于斯特林機的大功率LED半主動散熱系統，利用LED燈產生的多余熱量來帶動斯特林機的風扇轉動進行散熱。

上述研究報道對我國的LED散熱研究具有重要意義。本文設計LED燈主動散熱系統，基于帕爾貼效應，對一款LED吸頂燈進行改造，研究不同輸入電壓下，半導體制冷片散熱效果，并分析LED燈結溫情況，為我國LED燈散熱方式提供技術參考。

1 實驗裝置介紹

圖2給出了實驗裝置示意圖，直流電源通過降壓模塊連接半導體制冷片，為制冷片持續提供電力，形成穩定的冷熱端。LED燈具產生的熱量被半導體制冷片吸收，散熱器與半導體制冷片直接接觸進行散熱。通過紅外熱成像儀進行溫度采集與分析，為保證溫度測量的準確性，使用熱電偶進行輔助測量。通過記錄不同電壓下鋁基板的溫度，以此判斷半導體制冷片工作情況與LED燈具的結溫情況。設備實際連接效果如圖3所示。

圖3 設備實際連接情況

圖2 實驗裝置示意圖

1.1 LED燈具參數

本次實驗使用LED吸頂燈改造燈板，具體參數如表1所示。

表1 LED頂燈改造燈板性能參數

1.2 導熱硅脂

常用的LED設備中，熱量經LED封裝結構件、電路板、鋁基板以熱傳導的形式到達散熱器，之后以對流換熱及熱輻射形式將熱量釋放到空氣中。其中，熱量流經兩個相接觸的固體交界面時，由于接觸面存在大量的間隙，實際接觸面積較小，會對熱量傳遞形成較大的阻力，被稱為接觸熱阻[13]，如圖4所示。

圖4 接觸面熱傳遞示意圖

通過在半導體制冷片兩端涂抹導熱硅脂，可以有效增加半導體制冷片與LED燈具及散熱片的換熱面積，減少接觸熱阻[14]。

1.3 散熱片

本次實驗使用的散熱片為鋁散熱片，尺寸為91 mm（長）×76 mm（寬）×56 mm（高），其中底座8 mm，肋片高48 mm，并且由21片肋片組成。

1.4 半導體制冷片

半導體制冷(Semiconductor Refrigeration)[15]以帕爾貼效應為基礎，當使用直流電源接通半導體制冷片后，一端溫度會下降，而另一端溫度會上升。在實驗中，將冷端面緊貼LED燈降低其工作溫度，熱端面緊貼散熱器表面強化散熱效果。

圖5為本次實驗采用的半導體制冷片，型號為TEC1-12706，尺寸為40 mm（長）×40 mm（寬）×3.7 mm（高），內有127對元件，額定電壓12 V，額定電流6 A，最大制冷功率達到60 W。

圖5 半導體制冷片

1.5 降壓模塊

通過降壓模塊與直流電源和半導體制冷片之間的連接，可以調節降壓模塊，控制半導體制冷片的輸入電壓，以研究在何種電壓下制冷效果最佳。

1.6 測溫儀器

本次實驗采用大立T8型號紅外熱成像儀及其相關分析圖象軟件大立紅外分析報表系統進行散熱器溫度測量，并使用TES1310型熱電偶進行輔助溫度采集與分析。

2 實驗流程介紹

首先通過實驗裝置示意圖連接各個數據采集工具及實驗設備。初次實驗時不放置半導體制冷片，在散熱器與LED燈接觸的鋁基板面上均勻涂抹導熱硅脂，如圖6所示。

圖6 不使用半導體制冷片

保持環境穩定的情況下接通LED燈具電源，經過足夠長的運行時間后對LED燈具鋁基板進行多次溫度測量取平均值。通過熱成像儀拍攝，導入相應軟件進行數據采集分析后，得到僅存在散熱器時，LED燈鋁基板溫度穩定在59℃左右。紅外熱示意圖如圖7所示。

圖7 紅外熱示意圖

在保持其它條件不變的前提下，在散熱器與LED燈鋁基板平面中間放置準備好的半導體制冷片，并在兩個接觸面上均勻地涂抹導熱硅脂，如圖8所示。

圖8 使用半導體制冷片

連接好實驗設備，接通LED燈具電源，使用直流電源對半導體制冷片進行供電，電壓為4 V。隨時間持續測量并記錄LED燈具鋁基板溫度變化情況，待溫度基本穩定后進行圖像采集。

調節降壓模塊，改變介入半導體制冷片電壓，取值分別為5 V、6 V、7 V、8 V，重復上述步驟，收集實驗數據并繪制相應表格。

3 實驗結果分析

不使用半導體制冷片，只使用散熱器時，LED燈溫度保持在59℃左右。使用半導體制冷片后，不同電壓下，LED燈溫度均有所下降，如圖9所示。

圖9 不同電壓下LED燈溫度分布圖

輸入電壓為6 V時，LED燈平均溫度在53～56℃，輸入電壓為7 V時，平均溫度約為55～58℃，輸入電壓為8 V時候，平均溫度約為52～54℃。

其中，當輸入電壓達到5 V時，LED燈平均溫度可保持在49℃左右，下降溫度可達10℃，降溫幅度達到16.9%，為實驗最佳情況，對該工況進行細致討論。

半導體制冷片輸入電壓為5 V時，整套裝置于冷態正常啟動，利用紅外熱成像儀與熱電偶進行實時的數據采集，自連接電源后LED燈鋁基板溫度隨時間變化如圖10所示。實驗開始前3 min，LED燈溫度在半導體制冷片作用下，快速降低至約26.5℃。之后LED燈持續放熱，溫度穩定上升至43℃左右進入平緩發展，最終在44℃左右趨于穩定，整個過程約持續40 min。斷開所有電源后，半導體制冷片與LED燈均停止工作，LED燈鋁基板溫度突然躍升至48℃左右，持續2 min后，溫度持續下降，最終回歸室溫。

圖10 LED燈溫度變化示意圖（5 V）

經過分析，LED燈溫度躍升情況是因為設備停止工作后，散熱器溫度遠高于LED燈鋁基板溫度，熱量通過熱傳遞的方式返回LED燈，導致LED燈溫度的突然升高。

經過實驗分析，若半導體制冷片冷熱端散熱良好，不發生重壓摔打等惡劣工作條件情況下，該LED燈主動散熱系統可有效延長LED燈具的實際使用壽命至10萬h。

4 結論

本文基于帕爾貼效應，設計了一種LED燈主動散熱系統。在半導體制冷片輸入電壓為5 V的情況下，將LED燈溫度保持在49℃，有效降溫達10℃，降溫幅度達16.9%，可有效延長LED燈實際使用壽命至10萬h。雖然使用半導體制冷片需要消耗額外電量，但是對應的是將大大減少LED燈的使用成本和維護費用。在我國追求能源綠色發展，高質量發展的今天，該方法將對LED燈大規模使用提供一定的技術支持。