LED 灯主动散热系统的设计与实验验证

朱智浩 李国能 骆国栋 李 珂 汤元君

浙江科技学院能源与环境系统工程系

0 简介

在追求能源绿色、可持续、高质量发展的现今社会，LED灯因其体积小、光效高、节约能源、使用寿命长等优点，成为了全球市场上主要的照明选择[1]。我国大力追求能源的高质量发展，但由于历史原因，目前大量照明的路灯仍然为高压钠灯，相较于LED灯，它的显色指数低、发光效率低、光线昏暗且存在一定安全隐患[2]。可以预测在不久的将来，LED灯将全面取代传统照明光源[3]。但目前来说，LED灯电光转化效率仅有20%，剩下80%的能量将转化为热能[4]，也就意味着LED灯大部分的能量都以热能的形式耗散[5]，若热能无法被快速地传递到外界，LED灯结温上升[6]，这将大大影响LED灯使用寿命。LED灯冷却问题一直是延长LED灯使用寿命绕不开的话题[7-8]（见图1）。

本文通过帕尔贴效应（Peltier effect）[9]设计了一款LED灯主动散热系统，有效降低LED灯结温温度，为提高LED灯使用寿命提供技术参考，有助于LED路灯的快速全面使用。

图1 结温对LED寿命的影响

为降低LED灯结温，国内外采用了多种方法。谢伟伟等人[4]设计了一款采用自然对流进行散热的200 W LED灯散热器，其LED最高结温为96.1℃，降低4.47%。Mimi Wang等人[10]设计了带自调直翅片的铝热管散热器，可降低LED灯结温8℃。Sheng Liu[11]等人在散热器上安装一个微阵列冷却系统来解决LED灯的散热问题。杨晓华[12]等人设计了一套基于斯特林机的大功率LED半主动散热系统，利用LED灯产生的多余热量来带动斯特林机的风扇转动进行散热。

上述研究报道对我国的LED散热研究具有重要意义。本文设计LED灯主动散热系统，基于帕尔贴效应，对一款LED吸顶灯进行改造，研究不同输入电压下，半导体制冷片散热效果，并分析LED灯结温情况，为我国LED灯散热方式提供技术参考。

1 实验装置介绍

图2给出了实验装置示意图，直流电源通过降压模块连接半导体制冷片，为制冷片持续提供电力，形成稳定的冷热端。LED灯具产生的热量被半导体制冷片吸收，散热器与半导体制冷片直接接触进行散热。通过红外热成像仪进行温度采集与分析，为保证温度测量的准确性，使用热电偶进行辅助测量。通过记录不同电压下铝基板的温度，以此判断半导体制冷片工作情况与LED灯具的结温情况。设备实际连接效果如图3所示。

图3 设备实际连接情况

图2 实验装置示意图

1.1 LED灯具参数

本次实验使用LED吸顶灯改造灯板，具体参数如表1所示。

表1 LED顶灯改造灯板性能参数

1.2 导热硅脂

常用的LED设备中，热量经LED封装结构件、电路板、铝基板以热传导的形式到达散热器，之后以对流换热及热辐射形式将热量释放到空气中。其中，热量流经两个相接触的固体交界面时，由于接触面存在大量的间隙，实际接触面积较小，会对热量传递形成较大的阻力，被称为接触热阻[13]，如图4所示。

图4 接触面热传递示意图

通过在半导体制冷片两端涂抹导热硅脂，可以有效增加半导体制冷片与LED灯具及散热片的换热面积，减少接触热阻[14]。

1.3 散热片

本次实验使用的散热片为铝散热片，尺寸为91 mm（长）×76 mm（宽）×56 mm（高），其中底座8 mm，肋片高48 mm，并且由21片肋片组成。

1.4 半导体制冷片

半导体制冷(Semiconductor Refrigeration)[15]以帕尔贴效应为基础，当使用直流电源接通半导体制冷片后，一端温度会下降，而另一端温度会上升。在实验中，将冷端面紧贴LED灯降低其工作温度，热端面紧贴散热器表面强化散热效果。

图5为本次实验采用的半导体制冷片，型号为TEC1-12706，尺寸为40 mm（长）×40 mm（宽）×3.7 mm（高），内有127对元件，额定电压12 V，额定电流6 A，最大制冷功率达到60 W。

图5 半导体制冷片

1.5 降压模块

通过降压模块与直流电源和半导体制冷片之间的连接，可以调节降压模块，控制半导体制冷片的输入电压，以研究在何种电压下制冷效果最佳。

1.6 测温仪器

本次实验采用大立T8型号红外热成像仪及其相关分析图象软件大立红外分析报表系统进行散热器温度测量，并使用TES1310型热电偶进行辅助温度采集与分析。

2 实验流程介绍

首先通过实验装置示意图连接各个数据采集工具及实验设备。初次实验时不放置半导体制冷片，在散热器与LED灯接触的铝基板面上均匀涂抹导热硅脂，如图6所示。

图6 不使用半导体制冷片

保持环境稳定的情况下接通LED灯具电源，经过足够长的运行时间后对LED灯具铝基板进行多次温度测量取平均值。通过热成像仪拍摄，导入相应软件进行数据采集分析后，得到仅存在散热器时，LED灯铝基板温度稳定在59℃左右。红外热示意图如图7所示。

图7 红外热示意图

在保持其它条件不变的前提下，在散热器与LED灯铝基板平面中间放置准备好的半导体制冷片，并在两个接触面上均匀地涂抹导热硅脂，如图8所示。

图8 使用半导体制冷片

连接好实验设备，接通LED灯具电源，使用直流电源对半导体制冷片进行供电，电压为4 V。随时间持续测量并记录LED灯具铝基板温度变化情况，待温度基本稳定后进行图像采集。

调节降压模块，改变介入半导体制冷片电压，取值分别为5 V、6 V、7 V、8 V，重复上述步骤，收集实验数据并绘制相应表格。

3 实验结果分析

不使用半导体制冷片，只使用散热器时，LED灯温度保持在59℃左右。使用半导体制冷片后，不同电压下，LED灯温度均有所下降，如图9所示。

图9 不同电压下LED灯温度分布图

输入电压为6 V时，LED灯平均温度在53～56℃，输入电压为7 V时，平均温度约为55～58℃，输入电压为8 V时候，平均温度约为52～54℃。

其中，当输入电压达到5 V时，LED灯平均温度可保持在49℃左右，下降温度可达10℃，降温幅度达到16.9%，为实验最佳情况，对该工况进行细致讨论。

半导体制冷片输入电压为5 V时，整套装置于冷态正常启动，利用红外热成像仪与热电偶进行实时的数据采集，自连接电源后LED灯铝基板温度随时间变化如图10所示。实验开始前3 min，LED灯温度在半导体制冷片作用下，快速降低至约26.5℃。之后LED灯持续放热，温度稳定上升至43℃左右进入平缓发展，最终在44℃左右趋于稳定，整个过程约持续40 min。断开所有电源后，半导体制冷片与LED灯均停止工作，LED灯铝基板温度突然跃升至48℃左右，持续2 min后，温度持续下降，最终回归室温。

图10 LED灯温度变化示意图（5 V）

经过分析，LED灯温度跃升情况是因为设备停止工作后，散热器温度远高于LED灯铝基板温度，热量通过热传递的方式返回LED灯，导致LED灯温度的突然升高。

经过实验分析，若半导体制冷片冷热端散热良好，不发生重压摔打等恶劣工作条件情况下，该LED灯主动散热系统可有效延长LED灯具的实际使用寿命至10万h。

4 结论

本文基于帕尔贴效应，设计了一种LED灯主动散热系统。在半导体制冷片输入电压为5 V的情况下，将LED灯温度保持在49℃，有效降温达10℃，降温幅度达16.9%，可有效延长LED灯实际使用寿命至10万h。虽然使用半导体制冷片需要消耗额外电量，但是对应的是将大大减少LED灯的使用成本和维护费用。在我国追求能源绿色发展，高质量发展的今天，该方法将对LED灯大规模使用提供一定的技术支持。