熱管在大功率LED燈上的應用

魏 麗

（陜西烽火通信集團有限公司，陜西 西安 710075）

隨著環保節能時代的到來，高效節能LED燈的開發和應用正在蓬勃興起，但是成本和散熱始終是LED路燈擴大普及的瓶頸，特別是大功率LED路燈的散熱技術和重量之間的矛盾一度成為技術上一個難以解決的問題，因為無論采用哪種散熱技術，最終是靠面積來解決散熱，而面積越大重量越大。

早在20世紀40年代，國外首先發明了以液體為介質的進行熱能傳遞的元件——熱管（Heatpipe），作為一種特種傳熱元件，它以很小的溫差傳送大量熱量，有著兩個優異的特性：①導熱性能優異；②均熱效果好。在所有的金屬和非金屬材料中，就傳熱性能而言，幾乎沒有哪種材料能夠與熱管元件相比。

1 熱管的工作原理

熱管由管殼、毛細芯和工作流體組成，將管內抽成1.3×（10-1～10-4）P a的負壓后充以適量的工作流體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的加熱段一端受熱時液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷卻段一端，放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不已，熱量由熱管的一端傳至另一端，達到傳熱的目的。（圖1為熱管的工作原理圖）

圖1 熱管的工作原理

熱管在實現這一熱量轉移的過程中，包含了以下六個相互關聯的主要過程：①熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液～汽）分界面；②液體在蒸發段內的（液～汽）分界面上蒸發；③蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流到冷凝段；④蒸汽在冷凝段內的汽、液分界面上凝結；⑤熱量從（汽～液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；⑥在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發段。

利用熱管的這種工作原理，可以根據需要來設計熱管的形狀，可以在一定限度內被折彎及壓扁，以適應不同的結構需要。在熱管傳熱原理的基礎上，還衍生出了其它的高效傳熱器件，如熱柱（heat column）、真空冷板（vapor chamber）、回路熱管（loop heatpipe）等，可以滿足各種特殊需要，以達到我們使用的目的。

2 熱管用于大功率LED燈上的散熱分析

目前，大多數企業采用的一種方法是將LED燈芯安裝在純鋁（純銅也可以）型材或鑄鋁件上，通過一定厚度和面積的金屬板將LED的熱量導走，這種辦法的優點是結構簡單、安裝方便、成本低，缺點是功率過大時重量過大，且散熱不夠理想。圖2為采用這種散熱器的LED燈。

圖2 翅片散熱器做的LED路燈

盡量低的結溫是LED工作者一直的追求，因為這樣可以提高光效、延緩光衰、延長燈的壽命。給LED散熱實際上就是要迅速地把LED所產生的熱量帶走，關鍵在于“迅速”二字。

燈具的散熱最好是尋找設計最短的散熱通道減少熱阻,使熱量盡快地釋放到大氣中。其中，在總熱阻中，界面熱阻是散熱通道的瓶頸,散熱的重點應該放在界面導熱材料上。導熱速度的高低決定于材料的導熱系數，以下是典型的幾種材料的導熱系數表。

材料 硅 金 銀 銅 鋁 鐵導熱系數 61131742 94012378 0

很顯然，硅的導熱系數雖很高，但并不能為燈具結構設計所采用；金、銀的經濟性會很差；銅的經濟性介于前兩種材料和鋁以后的材料之間，根據經驗，其經濟性也很差。為了達到更好的散熱效果，現在越來越多的廠家采用增加翅片的辦法來散熱，所以絕大多數企業都采用鋁材做為翅片的材料，重量也輕，滿足經濟性和使用性的要求。這樣以來，雖增加了一些成本，但散熱效果得到明顯改善。而要將大量的熱量迅速傳導出來，光靠翅片是不夠的，因此，我們在翅片上開孔，去安裝帶毛細芯的銅管（熱管），由于熱管的導熱系數比較大，它可以將大量熱量迅速傳導出來。再在翅片橫向開一定大的孔以便于通風。

熱管有以下優點：①翅片密度高——大幅度增加散熱面積；②產品重量輕體積小——適應產品的小型或輕型化要求；③銅鋁混合焊接——兼取銅材傳熱更佳及鋁材重量較輕的優勢；④特定區域焊接——可以僅在需要散熱的區域焊接散熱齒片或傳熱部件；⑤模具費用低——節省大型鋁型材昂貴的模具費；⑥底板可精密加工——底板可以加工精密腔體或復雜的避讓位。

高效熱管的軸向熱流密度可達到8.4×106W/m2，有效導熱系數為3.2×106W/m k，對比可知，高效熱管的導熱速度為白銀導熱速度的數千倍。圖3即LED燈的熱管模組。

圖3 LED燈的熱管模組

3 結語

采用上述熱管后，將之應用于180 W路燈、160 W路燈、120 W路燈、80 W隧道燈等大功率的燈具上，燈芯的結溫被控制在80°C以下，已經過了二年之久的考驗，主干道平均照度為30 L x，照度均勻度為0.48，光衰、光效均在要求范圍內；經實驗室測試，壽命也達到了50000 h。為了響應國家節能減排的號召，使用LED道路燈已成為勢不可擋的局勢。然而，功率越大，產生的熱量越多，而大量的熱量要迅速的傳導出去，利用熱管加翅片焊接在底板上的散熱無疑是正確的選擇。

實踐證明，熱管在大功率LED燈上的應用，有著廣闊的前景。

[1]周旭.現代電子設備設計制造手冊[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2]王建石.電子機械工程設計手冊[M].北京：中國標準出版社，2006.

[3]毛興武.新一代綠色能源LED及其應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]王建石.電子設備熱設計速查手冊[M].北京：電子工業出版社，2008.