一種新型平板式大功率LED照明裝置微熱管散熱方案

設(shè)計(jì)了一種新型的帶有百葉窗的平板式大功率發(fā)光二極管(LED)照明裝置。該裝置采用高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁基板作為多顆大功率LED的散熱電路板，用0.4mm的鋁片作為散熱翅片，結(jié)合溝槽式微熱管構(gòu)成集發(fā)光與散熱一體化的輸入功率為21W的照明模組，該模組可根據(jù)照明亮度要求重構(gòu)成不同功率的照明裝置。

1引言

與在道路照明中使用量最大的高壓鈉燈相比，大功率LED作為照明裝置具有色溫可選、發(fā)光效率高、無需高壓、超高亮度、顯色性高及長壽命等優(yōu)勢。散熱問題是限制大功率LED照明應(yīng)用的最大障礙。經(jīng)過研究了硅基多芯片的封裝新方法，找到一種可以有效降低熱阻的用于LED封裝的金屬粘結(jié)方法。即用豎直的碳納米管作為粘結(jié)材料直接粘結(jié)在鋁基板上，生長的碳納米管作為熱邊界材料，得到了較好的散熱效果。并開發(fā)了一種新型熱沉來實(shí)現(xiàn)大功率LED的冷卻。還提出了一種LED的熱管散熱模型，結(jié)點(diǎn)溫度和熱阻都得到了較大的降低。研究了將LED粘結(jié)在微熱管上的散熱性能，微熱管能使芯片溫度降低更多。

利用動(dòng)態(tài)電學(xué)測試方法測量大功率LED熱阻和結(jié)溫的原理、實(shí)驗(yàn)裝置、測量步驟和影響測試結(jié)果的因素。針對利用有限元模擬分析了工作過程中的溫度和熱應(yīng)力分布，并測試了實(shí)際器件表面特征點(diǎn)的溫度變化。設(shè)計(jì)了大功率LED陣列封裝的微通道冷卻結(jié)構(gòu)，探討了各參數(shù)對LED多芯片散熱效果的影響。研究了微噴射流的大功率LED主動(dòng)散熱方案，實(shí)現(xiàn)大功率LED芯片組的高效散熱。采用有限體積數(shù)值模擬、瞬態(tài)熱阻測試方法以及熱沉溫度-峰值波長變化的關(guān)系，對3種散熱基板上大功率lGaInP紅光LED進(jìn)行了熱特性分析。提出了一種新型結(jié)構(gòu)的回路熱管，并建立了其性能測試實(shí)驗(yàn)裝置。

目前，國內(nèi)外的研究多集中在LED熱阻、結(jié)溫測量及利用封裝方法降低熱阻等方面。本文針對大功率LED的照明應(yīng)用需求，提出了一種集成微熱管的新型百葉窗式的大功率LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對其散熱性能進(jìn)行模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究。

2大功率LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)

圖1(a)為大功率LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風(fēng)道示意圖。照明裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每排LED都是1個(gè)照明模組，可以單獨(dú)使用，總共由7個(gè)模組組成，如圖1(b)所示。照明裝置分前艙和后艙兩部分，前艙裝有LED及電源，設(shè)計(jì)成全密封結(jié)構(gòu)；后艙安裝散熱模塊，左右及下壁面開有散熱用百葉窗結(jié)構(gòu)。翅片自然對流散熱的風(fēng)道經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)可以從照明裝置翅片艙的任意一側(cè)流入，從另一側(cè)流出，同時(shí)翅片的上表層也可以和周圍的空氣進(jìn)行對流散熱。LED照明裝置結(jié)構(gòu)的整體尺寸為328mm×480mm×84mm，模塊的基座尺寸為22mm×205mm，微熱管直徑為6mm，單片翅片的尺寸為35mm×66mm×0.4mm，翅片間距為3mm。

圖1LED照明裝置及模組示意圖。(a)LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風(fēng)道；(b)照明與散熱一體化的模組結(jié)構(gòu)。

在每個(gè)照明模組中，LED陣列焊接在鋁基電路板上，鋁基電路板下面由擠壓鋁型材板作為支撐。微熱管一端與鋁型材板下表面半圓孔利用過渡配合方式進(jìn)行固定；另外一端套裝上鋁翅片并焊接牢固，為了減小接觸熱阻，它們之間采用高導(dǎo)熱焊料焊接。鋁基電路板和擠壓鋁型材采用螺釘連接，中間涂有硅膠。

LED照明裝置通電運(yùn)行后，LED產(chǎn)生的熱量通過微熱管的一端吸收，運(yùn)輸?shù)匠崞?，熱量通過翅片的熱傳導(dǎo)和自然對流，最后被空氣帶走。微熱管具有很高的導(dǎo)熱率，能夠及時(shí)將LED產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，避免芯片結(jié)溫過度升高；采用厚度為0.4mm的薄鋁片來加強(qiáng)對流散熱，比一般的鋁基擠壓型材熱沉具有更大的散熱面積、更輕的質(zhì)量及更好的散熱風(fēng)道。此照明裝置運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，具有可重構(gòu)特征。散熱系統(tǒng)采用自然對流散熱，不需要額外的驅(qū)動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)簡單、靈活且成本低廉。

3散熱量的理論計(jì)算

單個(gè)LED照明模組中微熱管散熱器的最大傳熱能力可按描述對流傳熱的牛頓冷卻公式寫為

式中Q為熱管散熱器的總傳熱量，單位為W；α為散熱器的總傳熱系數(shù)，單位為W/(m2；Δt為熱管基板表面溫度tb與散熱片周圍冷卻氣流溫度tf的差，即Δt=tb-tf，單位為℃。從(1)式可以推導(dǎo)得到

式中R為當(dāng)基準(zhǔn)面積A為單位面積時(shí)，微熱管散熱器的總熱阻，按傳熱學(xué)理論，它也是各串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)中的熱阻之和，即

式中Rb為從熱管基板表面?zhèn)鬟f到貼附其上的熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻；Rrg為蒸發(fā)段的傳熱熱阻；Rbh為熱管內(nèi)飽和蒸氣傳遞熱阻，由于熱管熱阻極小，在此計(jì)算中予以忽略；Rin為冷凝段蒸氣與內(nèi)壁的傳熱系數(shù)；Rsr為冷凝段內(nèi)壁到散熱片基板之間的導(dǎo)熱熱阻；Rf為從冷凝段翅片到冷卻氣體之間的傳熱熱阻。得到總傳熱系數(shù)

代入數(shù)據(jù)，得α=6.48W/(m2·K)，則微熱管散熱器的最大散熱量為47W。

單個(gè)LED照明模組的輸入功率為21W，假設(shè)發(fā)光效率為15％，則單個(gè)模組的發(fā)熱量為18W。由此可見，單個(gè)照明模組中微熱管散熱器的最大理論傳熱量遠(yuǎn)大于LED的發(fā)熱量，所以該種散熱方式能夠滿足LED的散熱要求。

4LED照明裝置的數(shù)值模擬分析

根據(jù)一般應(yīng)用要求，假設(shè)環(huán)境溫度為30℃，翅片與空氣的對流散熱系數(shù)為10W/(m6063型鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為201W/(m2·K)。圖2為D翅片的溫度、溫度梯度和熱流密度分布圖?？梢姕囟忍荻群蜔崃髅芏鹊姆植紶顟B(tài)基本一致，溫度梯度越大熱流密度越大，這與理論分析相符合。在實(shí)際應(yīng)用中，因翅片間的熱場會(huì)產(chǎn)生干擾，使熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，導(dǎo)致其中某些翅片的實(shí)際溫度值要高于理論值。