大功率LED灯热管散热器性能研究

戴绍碧 王娇琳 王 倩



大功率LED灯热管散热器性能研究

戴绍碧 王娇琳 王 倩

（广东石油化工学院机电工程学院 茂名 525000）

设计了一种新型重力热管并对其散热性能进行了理论计算与实验验证。研究表明：新型重力热管散热器总热阻比普通重力热管降低32%；在环境温度为21℃，LED灯发热功率为14W时，热管能启动时间约为30min；在极限热流密度以下，新型热管散热器具有良好的散热性能且能在较宽的环境温度下运行。

热管；大功率LED灯；散热

0 引言

半导体照明是2l世纪最具发展前景的高技术领域之一。由于半导体材料可直接将电能转换为光能，所以LED半导体照明与传统照明光源最大的不同在于它的光能不是由热能转化而来的，是真正意义上的绿色光源，与传统的白炽灯和荧光灯相比，LED具有体积小、寿命长、稳定性好、能耗低、光效高、光电转化效率高、光衰小、光显色性好、无频闪以及无红外线和紫外线辐射以及对环境污染小等优点，并且发出的光色纯净[1]，有可能成为替代白炽、荧光灯的新型固体光源，将创造照明产业的第四次革命[2]。但随着LED灯功率的增大，散热能力差是限制其发展的一个主要技术瓶颈。LED消耗的电能中只有15%～25%[3]转换成光能，其余电能几乎都转换成热能，且目前制作的大功率LED的芯片的热流密度已经超过了100W/cm2，如此高的热流密度会使LED的结点温度升高。为了保证器件的寿命，一般要求结点温度在1l0℃以下[4]，如不采取有效的散热措施，会导致产品寿命、亮度、稳定性等下降。因此在大功率LED灯设计中，散热技术成为大功率LED照明产品应用必须解决的核心问题。

目前常用散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷散热等[5]。自然对流散热方式，热阻大，传热性能差，不能及时把产生的热量释放出去。当器件发热密度大于0.08W/cm2时，这种冷却方法已难满足要求[6]。加装风扇强制散热方式则系统复杂、噪声变大、可靠性降低，且考虑大功率LED路灯的实际应用情况，强制风冷散热受周围环境温度影响较大，也限制了其发展与应用。液冷散热也有不利的一面，如果冷却液外漏会浸湿线路板，这种情况是相当危险的。热管作为一种高效传热元件，应用于LED灯散热具有良好的效果，但有芯热管技术直接应用在大功率LED的散热上存在制造成本高、加工困难等缺点，不利于大功率LED产品的市场化。半导体制冷易产生冷端结露，造成主板短路，且制冷效率低，消耗功率较大。因此，开发一种可应用于大功率LED灯且廉价、高效、稳定的新型散热器显得尤其迫切。

1 传统重力热管

1.1 重力热管工作原理

重力热管的基本工作原理如图1所示，它是一种依靠重力回液的高效型热管，传热方向不可逆。重力热管的工作介质积蓄在热管的底部，蒸发段处于热管下半部，凝结段在热管的上半部，绝热段在中间。工质在蒸发段吸收了热源供给的热量后蒸发，蒸汽向上流动，通过绝热段后，在凝结段将汽化潜热交给冷源而凝结成液体，凝结液由于重力的作用回流到下半部蒸发段完成一个工作循环。借助工质连续不断的循环，将下半部热源的热量源源不断地传到上半部的冷源[7]。

图1 重力热管工作原理图

1.2 传统重力热管特点

重力热管的当量热导率可达金属的103～104倍[8]，有传热性能好、均温性好、无噪音等优点。目前应用于LED灯散热的重力热管散热器（如图2（b）所示），要通过热沉与热源连接，这样不但增加了热沉导热热阻，而且热沉与热管的连接间隙的存在会造成非常大的接触热阻；尤其长时间运行后，热管与热沉的连接会松动，这样接触热阻会极大的消弱热管的传热性能；再者，该形式蒸发面积也较小。因此这种结构的重力热管蒸发段的总热阻过大。

针对上述问题，本文提出了一种新型重力热管散热器（如图2（a）所示），该散热器结构简单，易于加工，可一体铸造，消除了热沉与热管的接触热阻，工作稳定、廉价且传热效率提高。

图2 三种散热器示意图

2 新型重力热管散热器

2.1 新型热管散热器的结构与工作原理

新型重力热管散热器结构如图2（a）所示，由30根重力热管和长方体空腔底座组成。底座长为68mm，宽为59mm，高为11mm，壁厚为1mm，上面的三十根重力式热管的管外径为6mm，壁厚为1mm，高为60mm。新型热管制选用导热性能良好的铜为制作材料，底座下平板与LED灯表面直接接触，热量传到平板热管的底部，被液体工质吸收带走。吸热汽化后，工质在热管冷凝段放热冷凝，工质的冷凝放热被管外空气自然对流带走。冷凝后的工质在重力的作用下流至长方体空腔底部，这样如此反复循环把热量带走。计算出在相同外几何结构下新型热管的蒸发面积和常用热管的蒸发面积列于表1中，由计算可知，在相同外几何结构下新型热管的蒸发面积为常用热管蒸发面积的3倍。

表1 相同外几何结构两种热管散热器的蒸发面积

2.2 换热理论描述

如图2（a）所示新型热管散热器的主要总传热能力可描述为：

把转换热阻的形式，则为：

式（3）中，R是散热器的总热阻，其组成如图3所示。

上图中LED为从LED表面传递到散热器底盘的导热热阻；2为空腔底壁导热热阻，由于铜的导热系数很大，2为相对极小量，忽略不计；3为蒸发段的对流换热热阻；b为热管内饱和蒸汽传递热阻，由于是等温传热，故可忽略；41为热管内壁冷凝热阻；42为空腔内壁冷凝热阻；51为冷凝段内壁至外壁的导热热阻，52为空腔内壁至外壁的导热热阻，51、52与2相当也可以忽略不计；61为热管冷凝段外表面与空气之间的对流换热热阻；62为空腔冷凝部分外表面与空气之间的对流换热热阻；Ln为冷凝部分总热阻。

根据图3，可用下式表示：

上述主要热阻的具体计算如下：

式中：3为蒸发段的内壁与工质之间的对流换热系数；3为空腔内壁蒸发部分面积。

式中：41为热管内壁冷凝换热热阻；42为空腔内壁冷凝换热热阻；41为热管冷凝段内表面积；42为空腔内壁冷凝部分表面积；41为工质与热管冷凝段内壁的对流换热系数；42为工质与空腔冷凝部分内壁的对流换热系数。

式中：61为热管冷凝段外表面积，62为空腔冷凝部分外表面积；61为热管冷凝段外表面与空气的对流换热系数；62为空腔冷凝部分外表面与空气的对流换热系数。

式（6）、（7）中工质蒸发、冷凝对换热系数取3=41=42=5800W/m2·℃，式（8）中冷凝段管外壁为竖管自然对流换热，则61用以下方法确定。

取圆柱的高度1为特征长度，则格拉晓夫数为：

瑞利数为：

平均努塞尔数为：

式（11）适用范围为10-1＜aL＜1012，适用于本研究。

式（8）空腔冷凝部分外表面为水平平板自由对流换热，则换热系数62可根据如下方法确定。

特征长度2为：

式中，为平板面积；为周长。

式（12）中，、的取值根据参考文献[9]确定。

同理，图2（b）所表示的常用热管散热器换热的传热过程热阻如图4所示，与图2（a）的热阻相似，只是增加了热沉的导热热阻1及热管与热沉的接触热阻0。图2（c）是常用自然对流散热器，用全铜制成，其传热模型可以用柱形圆肋来计算，由于篇幅限制，此处不累述。

图4 常用热管传热过程热阻分析图

根据上述方法，使用VB编制计算程序，可以得到图2中三种散热器在不同环境温度与热流量下的散热性能，得出LED灯表面温度。

2.3 计算结果分析

2.3.1 散热器对发热功率的适应性

分别安装图2所示三种散热器的LED灯，在不同的环境温度和不同输入功率条件下，对应的表面温度的计算结果如图5和图6所示。从图5中可以得知，当环境温度设定为30℃时，在不同输入率下，常用散热器与LED灯的接触面的温度均最高，新型热管散热器与LED灯的接触面的温度最低，而常用热管散热器介于两者之间；LED灯表面温度随着LED灯的发热功率的增加而升高，但使用不同的散热器LED灯的表面温度升高的程度不一样。新型热管散热器接触面的温度升幅最小，而常用散热器随接触面的温度升幅最大，常用热管散热器接触面温度居于两者之间；即在新型热管散热器的散热效果最好，可用于更大功率的LED灯，新型热管散热器有更好的应用前景。

2.3.2 散热器对环境温度的适应性

从图6中可以得知，当LED灯的输入功率设为14W时，随着环境温度的升高，LED灯的表面温度也升高，应用不同散热器LED灯的表面温度升幅基本一样。在相同环境温度下，常用散热器与LED灯的接触面的温度均最高，新型热管散热器与LED灯的接触面的温度均最低，而常用热管散热器介于两者之间。因此新型热管散热器可以使LED工作于更低的温度，对环境温度的改变有更好的适应性。

图5 输入功率对LED表面温度的影响

图6 环境温度对LED表面温度的影响性

2.3.3 原因分析

表2 相同外几何结构下两种热管主要热阻

常用散热器是一个实心铜制的散热器，它的主要散热是通过导热的方式，将热量送到圆柱形的实心铜的表面，与环境的空气进行对流换热，从而实现散走热量，在散热过程中，没有出现相变，因此铜管的导热热阻很大。常用热管散热器是用30根圆柱形的热管进行散热的，在散热的过程中，热管内部的工质发生了相变，因此能带走的热量比实心铜制的散热器带走的热量更多，那么传到表面热量更多，温度更高，传热温差更大，所以它散热能力比实心铜制的散热器的强。新型热管散热器也是通过热管的工作原理进行散热的，在工作过程中，散热器内部也存在工质的相变，但是新型热管散热器内部工质液体与管壁内表面的接触面积比常用热管散热器内部工质液体与管壁内表面的接触面积大很多，因此能带走的热量比常用热管散热器带走的热量更多，表面温度更高，传热温差更大，所以它散热能力比常用热管散热器的强。从表2可以看出，常用热管存在较大的接触热阻，其值占总热阻的22.8%，而新型热管的接触热阻为0；由于新型热管冷凝面积更大，壁温更均匀，因此外表面对流换热热阻也比常规热管的小11.5%；因此新型热管的总热阻比常用热管的总热阻低32%；综合以上分析可得，在三种散热器中，新型热管散热器的散热能力最强，实心铜制的散热器的散热能力最差，而常用热管散热器介于两者之间。

2.4 实验验证

为验证新型热管的性能，按照图2（a）的尺寸制造了一个样品，并进行了测试，图7为新型换热器样品照片。测试时，在LED灯散热面上涂上导热硅胶，然后把新型热管散热器样品贴在硅胶上，并用4支经过校准，精度为±0.1℃的K型热电偶布置于LED灯散热面的四个角，用电压表与电流表分别测量LED灯的输入电压与输入电流。测试结果如图8所示，在输入功率为14W，环境温度为21℃时，开灯后30分钟内，LED灯表面温度从34℃迅速升至47℃，然后逐渐稳定，开灯60分钟后，LED灯表面温度稳定在49℃左右。实验表明，在上述工况下，新型热管散热器启动时间约为30min，启动性能良好，并与能稳定工作在49℃左右，与计算值47.4℃非常接近，上述计算结果得到验证。

图7 新型换热器实物图

图8 启动时LED表面温度随时间的变化

3 结论

（1）新型热管散热器制作简易，且消除了现有应用于LED灯的重力热管中的固有接触热阻，这是本文的主要创新点。

（2）新型热管散热器热阻比现有应用于LED灯散热的普通重力热管降低32%。

（3）新型热管散热器再启动时间约30min，启动性能良好。

（4）在极限热流密度以下，新型热管散热器

具有最好的散热性能且能在较宽的环境温度下运行。

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[9] J P Holman. Heat Transfer[M].北京:机械工业出版社,2005:321-322.

A Study on Cooling Performance of a Novel Heat Pipefor High-power LED Light

Dai Shaobi Wang Jiaolin Wang Qian

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming, 525000 )

A novel gravity heat pipe (NGHP) is designed and its cooling performance is investigated theoretically and experimentally. The results are as follows: the total thermal resistance of the NGHP is 32% lower than that of the gravity heat pipe (GHP). When the ambient temperature is 21℃ and the heating power is 14W, the GNHP startup time is about 30min. Under the limit of heat flux, the NGHP has perfect heat dissipation performance and can operate in a wide ambient temperature.

Heat pipe; High power LED light; heat dissipation

1671-6612（2017）05-511-05

TK172.4/TN312.8

A

茂名市科技计划（201345）；广东石油化工学院重点学科项目（512065）

2016-11-24

作者（通讯作者）简介：戴绍碧（1979-），男，硕士，讲师，E-mail：ep_daishb@gdupt.edu.cn