基于平板微熱管陣列的大功率LED路燈散熱研究

梁　鋒，趙連玉，張　慧，岳有軍

(1.天津理工大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，天津　300384；2.天津理工大學(xué)，自動(dòng)化學(xué)院，天津　300384；3.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津　300201)

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基于平板微熱管陣列的大功率LED路燈散熱研究

梁鋒1，趙連玉1，張慧3，岳有軍2

(1.天津理工大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，天津300384；2.天津理工大學(xué)，自動(dòng)化學(xué)院，天津300384；3.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津300201)

大功率LED路燈是照明行業(yè)的發(fā)展趨勢，但是目前由于散熱等問題限制了其大規(guī)模推廣。本文選用平板微熱管陣列與翅片散熱器結(jié)合的方式針對大功率LED路燈設(shè)計(jì)出一種新型的散熱器，首先對所選用的平板微熱管進(jìn)行傳熱特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所選用平板微熱管具有良好的均溫性和快速啟動(dòng)特性，在蒸發(fā)段外壁面溫度為53 ℃時(shí)，達(dá)到最大熱通量達(dá)到117.2 W/cm2；建立了LED路燈系統(tǒng)的裝配模型，在ANSYS Workbench中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱模擬， 結(jié)果表明新型散熱器可以很好的解決大功率LED路燈的散熱難題。

大功率LED；平板微熱管陣列；散熱；數(shù)值模擬

引言

大功率發(fā)光二極管(LED)作為新一代照明光源因其低碳環(huán)保、綠色節(jié)能、壽命長的優(yōu)點(diǎn)備受重視。目前，大功率LED芯片的尺寸可以很容易做到0.5 mm×0.5 mm[1]，熱流密度已超過100 W/cm2。作為光電元件，大功率LED只能將約10%～20%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，其余80%～90%轉(zhuǎn)化為熱能[2]，若芯片上累積的熱量不能及時(shí)有效的散出，將導(dǎo)致LED芯片的結(jié)溫過高而影響路燈正常工作[3]。隨著LED路燈亮度的進(jìn)一步提升，驅(qū)動(dòng)電流的日益增大，散熱問題已成為制約大功率LED推廣應(yīng)用的重要瓶頸。

1　大功率LED散熱研究現(xiàn)狀

為了解決大功率LED的散熱難題，不少國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，指出相變冷卻技術(shù)可能是解決微電子芯片高熱流密度冷卻問題的主要途徑，M. Arik[4]等針對一種特殊用途的LED燈具設(shè)計(jì)了專用的浸液冷卻系統(tǒng)，并對比分析了不同填充液的散熱效果，發(fā)現(xiàn)HFE7200作為填充液時(shí)可以很大程度上改善散熱效果并提高照明亮度；王永翔[5]等采用多孔微熱沉對大功率LED陣列進(jìn)行主動(dòng)散熱，系統(tǒng)由一個(gè)微泵驅(qū)動(dòng)，數(shù)值模擬的結(jié)果表明有無多孔芯，孔隙率以及入口流速是影響散熱效果的主要因素。熱管利用相變來強(qiáng)化散熱，已經(jīng)成功應(yīng)用在多種電子設(shè)備散熱問題。針對熱管解決大功率LED路燈的散熱研究工作主要有：魯祥友[6]等對一種應(yīng)用在多芯片大功率LED散熱上的回路熱管裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)出該種結(jié)構(gòu)的熱管應(yīng)用在大功率LED散熱系統(tǒng)中的首要問題是蒸發(fā)器傾斜角度對系統(tǒng)散熱性能的影響；李志[7]等實(shí)驗(yàn)研究了板式脈動(dòng)熱管與翅片結(jié)合對額定功率為100 W的LED的自然對流冷卻效果，結(jié)果表明脈動(dòng)熱管自然對流對于功率在52 W以下的LED取得較好的冷卻效果；田水[8]等提出了一種用于大功率LED的強(qiáng)制散熱器，采用蜂窩板作為蓄熱結(jié)構(gòu)的熱管散熱裝置，取得了良好的散熱效果，缺點(diǎn)是此種結(jié)構(gòu)不方便應(yīng)用在LED路燈上。

相比傳統(tǒng)熱管，平板微熱管陣列在大功率LED散熱領(lǐng)域顯示了突出優(yōu)勢[9]，本文選用平板熱管陣列與翅片散熱器進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)出了一種適用于大功率LED路燈的新型散熱器，并對路燈系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明新型散熱器應(yīng)用在150 W和180 W功率級(jí)別的LED路燈上散熱效果良好，可以在大功率LED路燈工作過程中及時(shí)散熱，有效地降低芯片結(jié)溫。

2　平板微熱管陣列的傳熱特性實(shí)驗(yàn)

本文選用的平板微熱管陣列在每米寬度上安裝200根相互獨(dú)立的微熱管，這些微熱管可以隨意組合成一定寬度的微熱管陣列，縱向尺寸上可以在考慮大功率LED路燈內(nèi)部的安裝情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)募娱L或縮短。圖1為平板微熱管陣列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。選用的平板微熱管陣列寬度為25 mm, 厚度為3 mm, 長度取50 mm, 每根微熱管內(nèi)表面均布置有微槽群結(jié)構(gòu)強(qiáng)化散熱。這種結(jié)構(gòu)使得微熱管陣列具有很高的可靠性，當(dāng)某根熱管出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，其他熱管不受其影響。選用丙酮作為工質(zhì)，充液量為30%[10]。

圖1　平板微熱管陣列結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of flat micro-heat pipe arrays

2.1實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

熱管的傳熱特性評價(jià)指標(biāo)主要有：①沿?zé)峁茌S向的溫度均勻性；②熱管的響應(yīng)時(shí)間；③蒸發(fā)段外壁面溫度與熱通量之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)元件(平板微熱管陣列)，加熱模塊(RH PT100薄膜電阻等)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Aglilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀等)組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過空調(diào)維持室內(nèi)環(huán)境溫度為25 ℃，將平板微熱管陣列垂直安裝，底部為蒸發(fā)段，上部為冷凝段，冷凝段與外界空氣自然對流換熱，采用薄膜電阻模擬熱源對蒸發(fā)段進(jìn)行加熱，薄膜電阻通過絕緣的導(dǎo)熱膠貼附在蒸發(fā)段外壁上，在蒸發(fā)段外壁上布置一個(gè)T型熱電偶測溫點(diǎn)，沿平板微熱管陣列軸向布置另外兩個(gè)T型熱電偶測溫點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)采集儀采集溫度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意如圖2所示。

圖2　平板微熱管陣列熱特性實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2　Schematic diagram of flat MHPA thermal performance experiment

薄膜熱電阻對平板微熱管陣列蒸發(fā)段進(jìn)行加熱，微熱管內(nèi)部的工質(zhì)迅速蒸發(fā)，上升至冷凝段，釋放出熱量，重新凝結(jié)為液滴，在重力與微熱管內(nèi)部微槽群所提供的毛細(xì)力的共同作用下返回蒸發(fā)段，冷凝段通過自然對流的方式將熱量擴(kuò)散到周圍空氣中。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1誤差分析

實(shí)驗(yàn)中采用的熱電偶最大校正誤差為0.18K，薄膜電阻的功率偏差±8%，熱電偶安裝時(shí)采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行定位，游標(biāo)卡尺的測量精度為0.02，根據(jù)誤差傳遞理論，所測量溫度差的不確定度為0.197，間接測量熱通量的不確定度為2.81%。

2.2.2結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)測得的平板微熱管陣列的均溫性和響應(yīng)特性曲線如圖3所示，可以看出，平板微熱管陣列各段的溫差小于2 ℃，具有很好的均溫性，從開始加熱到達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)所需時(shí)間約75 s，具有快速響應(yīng)的特性。

圖3　平板微熱管溫度分布曲線Fig.3　Temperature distribution of flat MHPA

通過分析測溫點(diǎn)1的數(shù)據(jù)可以得出蒸發(fā)段外壁面溫度和熱通量的關(guān)系曲線如圖4所示，可以看出，開始加熱后，蒸發(fā)段外壁面溫度迅速升高，熱通量也隨之升高，在蒸發(fā)段外壁面溫度達(dá)到53 ℃時(shí)，熱通量達(dá)到最大值117.2 W/cm2，可以看出此后熱通量的變化逐漸趨于緩和，這是由于平板微熱管內(nèi)部的蒸發(fā)和冷凝過程逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，熱攜帶能力達(dá)到極限。

圖4　蒸發(fā)段外壁面溫度與熱通量關(guān)系曲線Fig.4　Temperature on evaporating surface area of flat MHPA and heat transfer rate

3　大功率LED路燈散熱器設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬研究

在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用平板微熱管與翅片結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了新型大功率LED路燈散熱器，結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，在熱流密度較大的區(qū)域上設(shè)置“異形翅片”，其中嵌入數(shù)個(gè)平板微熱管陣列強(qiáng)化散熱效果。

仿真計(jì)算分以下兩個(gè)部分進(jìn)行：①為了比較新型散熱器與傳統(tǒng)的翅片散熱器的性能優(yōu)劣，對150 W LED路燈安裝兩種散熱器，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，模型的參數(shù)及仿真計(jì)算參數(shù)的設(shè)定都保持一致；②為了縱向的比較新型散熱器在不同功率LED路燈上的散熱效果，選取目前市場上三種常見的大功率LED路燈的功率配置：150 W, 180 W, 200 W，安裝新型散熱器，進(jìn)行仿真模擬，對芯片結(jié)溫分布進(jìn)行對照分析。仿真過程中所需材料參數(shù)如表1中所示。

表1　材料參數(shù)定義

計(jì)算前做出以下假設(shè)：①平板微熱管陣列可以等效為恒定熱導(dǎo)率的各向同性固體材料；②固體的物性參數(shù)為常數(shù)；③忽略輻射換熱的影響，僅考慮散熱器的自然對流換熱作用；④假定散熱器各個(gè)部件之間接觸良好，接觸熱阻可以忽略不計(jì)。運(yùn)用Ansys Workbench對散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算類型設(shè)定為Steady-state Thermal。 考慮到模型本身的對稱性，為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，對模型進(jìn)行對稱簡化，針對裝配體中不同零部件，選取恰當(dāng)?shù)姆椒▌澐志W(wǎng)格。

圖5　兩種散熱器模型(前視圖)Fig.5　Models of two different radiators(front view)

根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將平板微熱管陣列定義為恒導(dǎo)熱率的固體，設(shè)定為各向同性材料，熱導(dǎo)率定義為2 500 W/(m·K)。選取LED芯片定義internal heat generator(內(nèi)部熱生成)模擬芯片的恒功率輸入，邊界條件考慮為第三類邊界條件，由于散熱器的外形較為復(fù)雜，在工作穩(wěn)定狀態(tài)下，各個(gè)位置的溫度分布不同，難以直接得出其表面的自然對流換熱系數(shù)，因此需要進(jìn)行迭代計(jì)算，求得散熱器外表面的自然對流換熱系數(shù)，在Workbench中通過表格的方式讀入，設(shè)定仿真過程中的環(huán)境溫度為25 ℃，忽略裝配體中各個(gè)零部件間的接觸熱阻，定義接觸類型為MPC(完全接觸傳熱類型)。

4　結(jié)果與討論

4.1150 W LED路燈安裝兩種散熱器仿真分析

圖6中顯示的是常規(guī)的翅片散熱器應(yīng)用于150 W路燈的溫度分布云圖，可以看出，最高溫度為77.34 ℃，雖然低于LED芯片正常工作的結(jié)溫要求，但如此高的溫度，仍能影響芯片的工作性能，并且可以看到，采用翅片散熱器的溫度分布明顯不夠均勻，在燈珠密集區(qū)域形成了較嚴(yán)重的高溫區(qū)，這些區(qū)域熱流密度很大，容易造成局部LED芯片因結(jié)溫過高而失效；而對比圖7中采用了新型散熱器的LED路燈，其系統(tǒng)最高溫度僅為52.5 ℃，整個(gè)系統(tǒng)的工作溫度得到了極大的降低，并且可以觀察到新型散熱器由于嵌入了平板微熱管陣列，散熱器均溫性更好，從而提高了LED芯片工作的可靠性。

圖6　150 W路燈安裝翅片散熱器溫度分布云圖Fig.6　Temperature cloud image of 150 W lamp with fin radiator

圖7　150 W路燈安裝新型散熱器溫度分布云圖Fig.7　Temperature cloud image of 150 W lamp with new radiator

在LED芯片上設(shè)置Probe溫度探針，監(jiān)測到結(jié)溫分布如圖8所示，可以看出，與常規(guī)翅片散熱器相比，新型散熱器能顯著降低LED芯片結(jié)溫，經(jīng)過分析，采用常規(guī)翅片散熱器時(shí)芯片平均結(jié)溫為72.84 ℃，而采用新型散熱器的芯片平均結(jié)溫僅為50.77 ℃，并且從圖中折線的變化趨勢可以進(jìn)一步證明安裝新型散熱器的LED路燈具有更好的均溫性，對電子器件而言，其溫度分布越均勻，對提高電子元器件的可靠性和耐用度越有利[11]。因此，新型散熱器可以有效的解決150 W LED路燈的散熱難題。

圖8　兩種散熱器LED芯片結(jié)溫分布曲線Fig.8　Chip junction temperature of LED lamps with two radiators

4.2新型散熱器應(yīng)用于150 W,180 W和200 W三種大功率路燈散熱效果討論

從圖7中可以看出，新型散熱器應(yīng)用于150 W路燈時(shí)散熱效果非常理想；應(yīng)用在180 W路燈時(shí)系統(tǒng)最高溫度達(dá)到69.69 ℃，平均結(jié)溫達(dá)到66.87 ℃，從圖9中折線的變化趨勢可以看出散熱器仍能保證系統(tǒng)具有較好的均溫性，隨著功率的增大，結(jié)溫也迅速增大，但此時(shí)芯片仍處于正常工作溫度范圍；但當(dāng)新型散熱器應(yīng)用在200 W路燈上時(shí)，系統(tǒng)的最高溫度達(dá)到了86.88 ℃，平均結(jié)溫升高至83.23 ℃，在如此高的溫度下芯片很有可能出現(xiàn)大面積失效，不能保證LED路燈工作的可靠性，所以新型散熱器應(yīng)用在200 W功率級(jí)別的大功率LED路燈時(shí)未能取得理想的散熱效果。

圖9　三種功率LED路燈安裝新型散熱器結(jié)溫分布曲線Fig.9　Chips junction temperature of three power LED lamps with new radiator

5　結(jié)論

1)選用適當(dāng)尺寸的平板微熱管陣列，通過實(shí)驗(yàn)的方法測定其傳熱特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所選用的50 mm×25 mm×3 mm的平板微熱管陣列啟動(dòng)性能良好，具有良好的均溫性，熱攜帶能力出色，最大熱通量可以達(dá)到117.2 W/cm2；

2)針對150 WLED路燈分別安裝常規(guī)的翅片散熱器和嵌入平板微熱管陣列的新型散熱器，并分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱模擬，結(jié)果表明，安裝常規(guī)翅片散熱器的路燈系統(tǒng)局部最高溫度為77.34 ℃，芯片的平均結(jié)溫為72.84 ℃，而采用了新型散熱器的路燈系統(tǒng)局部最高溫度為52.5 ℃，芯片平均結(jié)溫僅為50.77 ℃，可見，新型散熱器可以很好的解決150 WLED路燈的散熱問題；

3)分別對市面上常見的150 W、180 W和200 W三種功率的路燈安裝新型散熱器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱模擬，結(jié)果表明，180 W時(shí)路燈系統(tǒng)局部最高溫度為69.69 ℃，平均結(jié)溫達(dá)到66.87 ℃，可見隨著功率的增大，系統(tǒng)溫升較大，但新型散熱器仍能保證路燈系統(tǒng)維持在較低的溫度下正常工作；200 W時(shí)路燈系統(tǒng)的局部最高溫度則達(dá)到了86.88 ℃，平均結(jié)溫升高至83.23 ℃，如此大的溫度已有可能對系統(tǒng)的正常工作造成影響，可能會(huì)由于芯片結(jié)溫過高而失效，進(jìn)而引起LED燈珠的壞死，可見，新型散熱器應(yīng)用在200 W功率級(jí)別的路燈上已不能取得較好的散熱效果，需要對散熱器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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Study on Thermal Dissipation of High-power LED Lamps Based on Flat Micro-heat Pipe Arrays

LIANG Feng1，ZHAO Lianyu1，ZHANG Hui3, YUE Youjun2

(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology， Tianjin300384, China；2.SchoolofAutomation,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China；3.TianjinEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Tianjin300201,China)

High-power LED lamps is considered to be the future of lighting industry, however, there are some obstacles such as heat dissipation problem that prevent its popular using. This essay suggests a new type radiator that combined flat micro-heat pipe arrays and traditional fin radiator for high-power LED lamps. Firstly, we tested the heat performance of MHPA experimentally, the results indicate that the MHPA has rapid startup, excellent temperature uniformity, and heat flux peaked at 117.2 W/cm2when evaporator section temperature was 53 ℃. Then we built 3-D models of LED lamps system, completed steady-heat-thermal analysis in ANSYS Workbench using Finite Element Method, the results of numerical analysis demonstrated the new radiator gets ability in dealing with heat dissipation problem of high-power LED lamps.

high-power LED; micro-heat pipe arrays(MHPA); heat dissipation; numerical analysis

趙連玉，E-mail: lianyuzhao@163.com

TN312.8; TK172.4

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.021

項(xiàng)目資助：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(13ZCZDGX03200)