新型热管式大功率LED路灯散热器的研制

胡津津，徐 欢

（安徽电子信息职业技术学院信息工程系，安徽蚌埠 233000）

大功率发光二极管（LED）作为第4代照明光源，其发光效率经过几十年的研究已经得到了较大的提高，具有安全可靠性强、发光效率高、稳定性好、响应时间短、节能环保等优点而广泛应用于照明和信号灯具中［1］.基于目前制造半导体的技术，LED输入功率中绝大多数的能量转化为热能，大约只有15%的转化为光能［2］.器件的正常使用的前提条件是，结温要求在110℃以下.通过在LED的基板上安装散热器，可以有效解决芯片功率不断增大带来的散热问题.

LED道路照明灯具中主要采用被动式散热和主动式散热这两种散热方式.所谓被动式散热，就是通过安装散热片.比如Sheu G J等人利用商用微型热管散热，显著降低了LED的工作温度，并提高了芯片的输入功率［3］.所谓主动式散热，就是通过外加水冷或者风扇等方式来散热［4］.主动式散热的缺点有可靠性低、泵抽吸泄露以及额外的能量消耗等［5］.

本文采用热管原理设计了一种新型大功率LED路灯散热器.该散热器由散热翅片、封闭壳体、芯体、金属薄片、液体工质、通孔组成，且散热器的方向垂直于基板，为降低芯片结温，在散热翅片之间留有冷空气流通的通道.

1 热传导热管技术及工作原理

以多种元素的混合物为导热介质，并将它注入如金属状的腔体内，经过真空处理密封成型后，形成具有导热特性的元件——热传导热管.

热管是一种具有较高导热性能的相变传热元件，是20世纪60年代发展起来的，具有超长的热敏感性和热活性.在受热后，热传导热管内部的导热介质吸热后，其内部分子震荡、摩擦，将热能快速激发，热量从热管的一端很快传导至另一端.在传热过程中，热管的热导性为表面呈现出热阻趋于零的特性［5］.热管之所以导热能力远高于普通金属材料，原因是其热传导是通过腔体内部的介质来导热的.热管能以较小的温差获得较大的传热率，由于其特有机理，使冷热流体间的热交换均在管外进行，且结构简单，具有单向导热的特点.此外，由于热管内部被抽成真空状态，所以工质很容易沸腾与蒸发，能够快速启动［6］.

2 大功率LED路灯散热器的设计

热板散热器呈水平放置，其工作原理如图1.热量从下方进入，工质吸收热量后汽化，汽化后的工质充满整个热管腔体，然后在热板上方放出热量并液化，液化后的工质随着热管内腔壁上的特殊材料的毛细力回到热源部分.这种热管传热效率较高，但由于这种结构使得翅片不好布置且机械强度不够，因此在大功率LED路灯上使用，效果并不理想.

图1 传统热管散热器工作原理图

为了克服以上热管散热器在应用中的存在的问题，重新设计了热管散热器的结构，以应用于大功率LED路灯中.

设计时，首先考虑到散热器要有利于热量从LED光源快速、顺利地传导到散热器上，其次要有利于空气的流通，使散热器与空气充分对流换热.结合路灯的特点，设计散热器时注意了以下几点:

（1）基板形状.将散热器的基板形状设计为弧线型，以利于雨水的排出，同时也利于雨水对灰尘、落叶等的冲刷，保证散热器的散热效率.

（2）翅片的排列方向.为了提高翅片和空气间的对流换热，将翅片排列方向设计成与马路方向平行，且方向垂直于基板.

（3）造型设计.为了设计的美观，将散热器与路灯灯体设计为一个整体.同时，考虑到路灯是高空悬挂的，引入“抗风设计”的理念，依据流体力学原理，将路灯造型设计成为流线型，翅片形状做相应调整，以减少阻力.

新型热管式散热器结构图，参见图2.

图2 新型热管式散热器结构图

该新型热管式散热器由封闭壳体、金属薄片、芯体、通孔、散热翅片及液体工质组成.该封闭壳体的内部空腔为真空后灌注一定量的液体工质;将金属薄片紧密叠置做成芯体.在安装过程中，封闭壳体的内部空腔与芯体的外表面焊接.为了便于液体工质在金属薄片的相邻缝隙间流通，在金属薄片上开设有用于汽化的通孔.芯体在通孔的地方形成贯穿的孔洞.散热翅片是垂直焊接在封闭壳体的外表面，之间专门留有让冷空气流通的通道.

图3 测试系统装置

3 温度测试实验

利用现代加工技术，将设计的LED路灯散热器制作成样品.为了验证安装有热管散热器的LED路灯散热效果，对其进行温度测试实验.测试系统由安装有热管散热器的LED路灯、温度传感器、数据采集仪构成.测试系统模型，参见图3.

为保证数据测量的准确性，在LED光源上的四个位置布置了温度传感探头，参见图4.

实验在环温为25℃左右时进行，共反复进行15次测试.每次实验，光源点亮10小时，并从光源点亮时起每15分钟采集一次数据，待温度测试实验结束后，取4个测量点的温度测量平均值进行分析.同时，与未安装散热器的LED路灯升温过程进行对比.作出升温曲线图，参见图5.

图4 LED光源测试点

图5 升温曲线图

由图5可以看出，未安装散热器的LED光源，在起初的1小时内，温度一直处于上升阶段，且上升速度非常快.在1小时后，温度上升的速度变慢，实验中测量到的最高温度为62.15℃.安装有新型热管式散热器的LED光源，温度变化平稳，实验中测量到的最高温度为41.2℃.实验数据表明，安装有新型热管式散热器的大功率LED路灯，其散热效果明显.

4 小结

散热是集成大功率LED光源面临的首要问题.本文利用热管原理设计了一种适用于大功率LED路灯的新型散热器.在环温为25℃时，对LED路灯制作样品进行了温度测试实验.结果表明，点亮5小时后，温度变化开始趋向平稳，最后达到热平衡，在第10小时测试到最高温度，为41.2℃.结温在长时间内保持在相对稳定的范围内，从而解决了制约大功率LED应用的瓶颈问题.

:

［1］刘红，梁华，蒋兰芳.分布式大功率LED路灯散热器的结构设计［J］.轻工机械，2011，29（4）.

［2］刘一兵，黄新民，刘国华.基于功率型LED散热技术的研究［J］.照明工程学报，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］李玉强，王阳，生南南，阳炎平，鄂加强.大功率LED路灯新型散热器的开发［J］.广西轻工业，2010，26（4）.

［6］鲁祥友，程远霞，刘美静，华泽钊.用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究［J］.半导体光电，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.