石墨烯材料在LED路燈模組中的應用及該模組的設計

李柏林，張仕輝

(廣州廣日電氣設備有限公司，廣東廣州 511447)

石墨烯材料在LED路燈模組中的應用及該模組的設計

李柏林，張仕輝

(廣州廣日電氣設備有限公司，廣東廣州 511447)

我們介紹了一種石墨烯散熱材料在LED路燈模組中的應用，并探討該模組的設計方法；結合其成型及材質的選取，我們稱其為鈑金模組，該鈑金模組設計結構簡潔精致、質量輕，解決了以銅管鰭片、壓鑄及擠出成型為散熱方式的常見問題，尤其是石墨烯在其基礎上的應用，更是有效地提高模組散熱性能。

LED；LED路燈；LED模組；石墨烯；散熱模擬

引言

石墨烯是一種新型的納米材料，被稱為“黑金”，是“新材料之王”[1]。各個涉及材料學的行業都試圖發揮其優勢，應用于研發產品之上，實現產品創新。解決散熱問題是LED應用的關鍵。當前，LED路燈的模組化設計已得到行業認可，LED路燈模組散熱器加工成型工藝先后經歷了銅管+散熱鰭片、壓鑄鋁及擠出型材等階段，但以銅管鰭片、壓鑄及擠出成型的LED模組，其加工方法面臨著成本高、質量重、生產效率低等問題。

本文將介紹一種石墨烯散熱材料在LED路燈模組中的應用，探討石墨烯在噴涂位置對模組及整燈散熱性能的影響，并討論該模組的設計方法，得出了LED路燈模組的成型方案。

1 LED路燈模組技術方案

1.1鈑金模組材料的選取

我們研究的鈑金散熱模組采用鈑金工藝對鈑金件進行沖壓拉伸成型，選用材料除要求具有較高的導熱系數外還要求具有良好的延伸率以及抗拉強度；綜合考慮銀、銅、鋁等高導熱率材料的特性及其性價比，最終選定采用材料1060-O態熱軋鋁板[2]做為此款鈑金散熱器材料。AL1060導熱系數為234 W/(m·K)，較常用散熱鋁材AL6063導熱系數201 W/(m·K)、鑄鋁ADC12導熱系數96 W/(m·K)高；其具有良好的延伸率以及抗拉強度，能夠完全滿足常規的加工要求(沖壓，拉伸)，且成型性高；同時AL1060為鋁板中較為常用的系列，技術相對于比較成熟，價格相對于其它材料及合金鋁板有巨大優勢。

1.2鈑金模組的設計過程

1.2.1 熱傳遞設計分析

熱的傳遞方式有三種：傳導、輻射及對流[3]。LED熱量的擴散主要是通過傳導方式來實現的，這就涉及與貼LED的鋁基板直接接觸的散熱器。LED散熱器的外形及尺寸受到燈具外形及安裝空間等條件的限制，在散熱容積不變，散熱面積增加到一定程度情況下，如果還一味追求增大散熱面積則只能加密散熱片的數量，勢必影響散熱片間的間隙，導致對流換熱系數的降低，從而減弱散熱器的散熱能力。結果可能并無法達到加速散熱的目的，故在設計散熱片的過程中需要兼顧散熱片間空氣對流換熱環境。綜合傳導及對流因素，LED熱量的要快速散發就需要使LED產生的熱量能夠以最快的速度經散熱器傳導并散發到周邊環境中去，在材料及散熱容積一定的前提下，必須使熱量的傳導路徑最短，散熱面積及對流換熱系數乘積最大化。

根據以上理論，以下將通過ProE軟件建模并結合熱模擬軟件FloEFD模擬，采用沖壓、折彎工藝將板材加工成所需散熱器形狀，并通過在適當的位置沖裁對流孔，控制熱量在散熱器內部的傳導路徑以及改善散熱片對流散熱效果方式，尋找使LED散發的熱量以最短，最快的路徑傳遞開并散發到空氣中的最優方案。

1.2.2 鈑金散熱器結構、性能分析及優化

燈具內部安裝模組有效空間尺寸為220 mm (寬)×45 mm(高)，長度方向可依據模組數量做調整；此空間內允許鈑金模組散熱器有效尺寸為220 mm(長)×76 mm(寬)×45 mm(高)。此散熱模組設計總功率30 W，燈珠采用3030封裝中功率貼片LED燈珠60顆，燈珠設計驅動電流為80 mA,燈珠熱阻為10 ℃/W，設計目標結溫Tj≤65 ℃。

按以上條件在鈑金加工工藝允許的前提下，盡可能的使散熱器散熱面積最大化。經優化設計后得到散熱器結構尺寸如圖1所示，散熱器散熱面積為79 500 mm2。

圖1 散熱器尺寸Fig.1 Dimensions of radiator

運用FloEFD熱學模擬軟件進行熱模擬，模擬條件如下：①初始環境溫度：25 ℃；②LED：3030，60pcs； ③LED總功率： 28 W； ④LED發熱功率：19.6 W； ⑤散熱器輻射系數：0.27。模擬結果見圖2，其中LED焊點溫度Ts=63.18 ℃;θth=10 ℃/W (燈珠熱阻)；Ptotal≈0.47 W；Tj=67.88 ℃≥65 ℃(目標結溫)，故需進行優化。

圖2 熱模擬結果Fig.2 Thermal simulation results

由于空間及工藝限制，在現有空間及工藝條件下散熱面積已無法繼續增大，因此通過增大散熱面積達到降溫顯然無法達到目標；根據牛頓冷卻定律Q=hA(Tw-Tc)，影響散熱效果的主要條件除散熱面積A，還取決于對流換熱系數h；通過改善對流條件，可加速散熱器對流換熱，以此達到加速散熱的效果。對此，我們對散熱器兩側散熱片進行開孔，加速對流，同過運用FloEFD熱學模擬軟件進行對比模擬優化：

在散熱器上開對流孔后，散熱器散熱面積雖較之前減小，但改善了對流后散熱效果也會得到改善。依據對流換熱原理，結合空氣流動，在散熱片上交錯開槽，使空氣充分流經散熱器表面，與散熱器進行充分的熱交換。經過多次優化對比開槽方案后確定散熱器結構尺寸如圖3所示，散熱器散熱面積為74 300 mm2。

圖3 開有對流槽散熱器尺寸Fig.3 Dimensions of radiators for open convection tanks

上述設計參數運用FloEFD熱學模擬軟件模擬結果見圖4。其中，LED焊點溫度Ts=59 ℃，θth=10 ℃/W (燈珠熱阻)，Ptotal≈0.47 W，Tj=63.7 ℃≤65 ℃(目標結溫)。

圖4 開有對流槽 熱模擬結果Fig.4 Thermal simulation results of open convection tanks

至此欲通過傳導及加速對流方式散熱已很難有效的降低LED結溫。若要繼續追求降低LED結溫，在現有條件限制的基礎上唯有設法增加散熱的表面的輻射系數，增加散熱器輻射散熱能力。

1.3新型石墨烯材料的應用

石墨烯散熱涂料是由石墨烯組合而成的片狀分子結構物，其輻射率ε達0.98，能將熱能轉換成紅外線輻射散熱。散熱器表面采用納米技術涂覆石墨烯材料，可增加散熱器的輻射散熱能力，將散熱器熱能轉換成紅外線輻射散發到空氣中。因此，可在散熱器表面涂覆石墨烯散熱涂料，使之輻射率提高到0.98，在保證其傳導、對流能力不變的前提下，最大的提高其輻射散熱能力，以此提高散熱器整體的散熱能力。

針對此優化，保證散熱器結構尺寸如圖3所示，將散熱器表面輻射率設置為0.98，運用FloEFD熱學模擬軟件進行熱模擬。

模擬條件如下：①初始環境溫度：25 ℃； ②LED：3030，60pcs； ③LED總功率： 28 W； ④LED發熱功率： 19.6 W； ⑤散熱器輻射系數：0.98。模擬結果見圖5。其中，LED焊點溫度Ts=55.4 ℃;θth=10 ℃/W (燈珠熱阻)；Ptotal≈0.47 W；Tj=60.1 ℃≤63.7 ℃。LED結溫較涂覆前降低2.6 ℃，距離目標結溫65 ℃有約5 ℃的余量。

圖5 涂覆新型石墨烯材料熱模擬結果Fig.5 Thermal simulation results of new grapheme coating

1.4實驗研究及性能分析

基于上述設計模擬分析，按設計及模擬最終確定的結構尺寸參數制作樣品進行實際測試！

測試前準備：如圖3結構尺寸樣品兩件，一件表面涂覆石墨烯散熱涂料，另一件表面氧化處理(完成樣品如圖6、圖7)。

圖6 表面涂覆石墨烯模組散熱器Fig.6 Module radiator coated with graphene

圖7 表面氧化 模組散熱器Fig.7 Module radiator for surface oxidation treatment

將上述兩樣品同時置于常溫同等環境下進行散熱測試，測試條件如下：

①試驗方法：GB 7000.1—2007 防風罩條件；②環境溫度：24.1 ℃，濕度59%；③測試工具 ：溫度儀Fluke 54Ⅱ B；④測試方法：用恒流電源正常驅動點亮全部LED，分別測試LED焊點的溫度；⑤輸入電流：恒流 0.8 A；⑥LED： 3030，60PCS； ⑦LED總功率： 27.6 W；單顆LED功率：0.46 W；⑧結溫公式：Tj=T+RhΔP，Tj為LED結點溫度；Rh為結點到基板的熱阻；T為基板溫度；ΔP為所測LED 的功率。

測試如圖8所示，測試結果如表1所示。

圖8 防風罩內散熱測試Fig.8 Heat test in windproof hood

表1 散熱測試結果Table 1 Thermal test results

散熱測試數據與熱模擬數據對比如表2所示。

表2 散熱測試數據與熱模擬數據對比表Table 2 Comparison of heat release test data and thermal sumulstion data

由表2可見，排除環境等其他因素對測試結果的影響因素，理論與實際數據相對吻合。

按上述氧化及表面石墨烯散熱涂料兩種方式，各制作6件散熱模組，將此兩款散熱模組分別按間距5 mm距離組裝成180 W燈具，測試燈具結溫。測試條件如下：①試驗方法：GB 7000.1—2007《防風罩條件》；②環境溫度：23.7 ℃，濕度52%;③測試工具 ：溫度儀Fluke 54Ⅱ B；④測試方法：市電驅動燈具，分別測試模組LED焊點的溫度。⑤輸入電壓：AC200 50 Hz;⑥LED：3030，6×60PCS； ⑦LED總功率：1#燈具 186.5 W，2#燈具184.4 W；單顆LED功率：1#燈具LED 0.474 W，2#燈具LED 0.469 W；⑧結溫公式：Tj=T+Rh*ΔP;Tj: LED 晶片結點溫度；Rh：結點到基板的熱阻；T：基板溫度；ΔP：所測LED 的功率。

測試如圖9所示，測試結果如表3所示。

1#模組散熱器表面涂覆石墨烯散熱涂料；2#模組散熱器表面氧化圖9 防風罩內 180 WLED路燈散熱測試Fig.9 Heat test of 180 W LED street lamp in windproof hood

表3 180 W LED路燈散熱測試數據對比表

試驗發現，整燈測試得出數據與模組測試時數據相悖。涂覆石墨烯散熱涂料模組組裝的燈具結溫反高于表面氧化模組組裝的燈具。考慮到模組間間距只有5 mm，模組散熱器表面涂覆石墨烯散熱涂料，此材料輻射率0.98，輻射散熱材料涂覆后在增加散熱器的輻射散熱能力同時也提高了其吸收其他物體輻射能量的能力，由于受到周邊模組輻射熱能的干擾導致裝配到燈具后表面涂覆石墨烯散熱涂料的散熱器散熱能力反而降低。故需要拉大模組間間距，讓模組間輻射的熱量能散發到周邊空氣中，避免相互吸收干擾，這樣才能最大限度的發揮石墨烯散熱涂料的作用，但這會造成燈具長度大大的加長，現實中顯然不便實施。

對此唯有設法降低或避免模組間的輻射吸收效應，發揮其輻射散熱效應。利用輻射的強方向性特點，將散熱器有選擇性的選擇涂覆石墨烯散熱涂料，避開有可能相互吸收干擾的表面，只在散熱器兩側頂部折彎處平面涂覆石墨烯散熱涂料，其他表面只作氧化處理。完成后散熱器如圖10所示，涂覆石墨烯散熱涂料面積6 650 mm2；

圖10 表面氧化+局部涂覆石墨烯模組Fig.10 Module radiator for surface oxidation treatmentand locally coated graphene

運用FloEFD熱學模擬軟件進行熱模擬，模擬條件如下：①初始環境溫度：25 ℃； ②LED：3030，60pcs； ③LED總功率： 28 W； ④LED發熱功率：19.6 W； ⑤散熱器輻射系數：0.27；頂部涂覆石墨烯輻射系數：0.98。模擬結果見圖11，其中LED焊點溫度Ts=58.5 ℃；θth=10 ℃/W (燈珠熱阻)；Ptotal≈0.47 W；Tj=63.2 ℃；較散熱器表面氧化模擬得出結溫Tj=63.7 ℃，較鋁表面單獨氧化有降低。

圖11 表面氧化+局部涂覆多層石墨烯模組散熱模擬圖Fig.11 Thermal simulation results of Module radiator for surface oxidation treatment and locally coated graphene

因輻射能與物體的溫度及表面積有關，溫度越高，表面積越大輻射能越大。此處散熱器表面溫度僅50多度，且頂部面積僅6 650 mm2,故LED結溫下降不明顯。若將模組裝入燈具型腔，由于燈具型腔內部對流較外部空間差，且存在多模組同時發熱，模組散熱器表面溫度會有所升高，到時石墨烯散熱涂料發揮效用必會加大。

按上述涂覆方式制作6模組按5 mm間距安裝成180 W燈具進行測試時對比，測試條件如下：①試驗方法：GB 7000.1—2007《防風罩條件》；②環境溫度：25 ℃，濕度52%；③測試工具 ：溫度儀Fluke 54Ⅱ B；④測試方法：市電驅動燈具，分別測試模組LED焊點的溫度。⑤輸入電壓：AC200 50 Hz; ⑥LED： 3030，6×60PCS； ⑦LED總功率：1#燈具 186.5 W，2#燈具184.4 W；單顆LED功率：1#燈具LED 0.472 W，2#燈具LED 0.469 W；⑧結溫公式：Tj=T+RhΔP;Tj: LED晶片結點溫度；Rh：結點到基板的熱阻；T：基板溫度；ΔP：所測LED 的功率。測試如圖12所示，測試結果如表4所示。

1#模組散熱器表面涂覆石墨烯散熱涂料；2#模組散熱器表面氧化圖12 防風罩內 180 WLED路燈散熱測試Fig.12 Heat test of 180 W LED street lamp in windproof hood

由表4可以看出，經調整輻射表面，避免模組間相互輻射干擾后模組涂覆石墨烯的燈具散熱效果明顯改善且優于模組表面氧化的燈具。最終，我們完成了此款鈑金散熱器的實際及驗證。

綜上可知：LED散熱所講的散熱面積準確的說應該稱之為有效散熱面積，散熱器散熱翅片只有與周圍環境充分接觸，才能夠有效進行熱交換，將散熱翅片上的熱量散發到空氣中。輻射散熱雖具有加速散熱優點，但在使用中需考慮其輻射吸收及其他隊輻射散熱有影響的因素(如物體的溫度與環境的溫差，輻射面面積等)。可見設計一款好的LED散熱器，只有綜合運用好了傳導、對流及輻射才能極限的發揮散熱器的散熱性能。

表4 180 W路燈優化后散熱測試數據對比表

3 結論

本文根據散熱理論結合FloEFD熱學模擬軟件進行模擬，建立熱傳導、對流及輻射模型，通過分析改善散熱器散熱設計，并經過分析及實驗最終完成設計：通過鈑金工藝設計加工的模組散熱器，成型后模組散熱器總重量為210 g，較市面鋁擠、壓鑄散熱器質量大大降低，在達到同等散熱能力的前提下可節約材料成本約50%。通過以上研究可以發現，合理的設計熱傳導路徑及對流路徑才是有效提高散熱器的散熱效果最經濟合理的方法。在結構受限，對散熱器散熱面積、傳導路徑、對流路徑優化已難改進散熱器散熱能力的情況下，輻射散熱成為進一步提高散熱器散熱能力的又一利器，特別是新型石墨烯散熱涂料的應用，其輻射率ε達0.98；通過在散熱器表面涂覆石墨烯材料，能有效增加散熱器的輻射散熱能力，將散熱器熱能轉換成紅外線輻射散發到空氣中；但需合理設置散熱器輻射表面，及輻射表面間距以減少不同輻射表面相互間的吸收干擾，進而影響輻射散熱效果的情形，以便充分的發揮散熱器的散熱能力。

[1] 朱宏偉，徐志平，謝丹，等.石墨烯：結構、制備方法與性能表征.北京：清華大學出版社，2011.

[2] 羅婉霞，李柏林.拉深工藝在LED筒燈設計上的應用.照明工程學報，2014，25(4):90.

[3] 楊世銘，陶文銓.熱傳學.第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4] 傳熱和傳質基板原理[M].葛新石，葉宏，譯.北京：化學工業出版社，2007.

ApplicationofGraphemeHeatRadiationMaterialinLEDLampModuleandDesignMethodoftheModule

LI Bolin, ZHANG Shihui
(ElectricityFacilitiesGuangriGuangzhouCo.,Ltd.，Guangzhou511447,China)

We introduced the application of a heat graphene material in the LED streetlight module, and discussed the design method of the module. The module was called sheet metal module whose name was chosen due to its shape and material selection. The sheet metal module was designed more concisely and delicately, with light weight, which resolved the common issues existing in the current cooling mode using brass fin, die-casting and extrusion.The application of graphene can improve the heat dissipationmodule performance effectively.

LED; LED lights; LED module; graphene;thermal simulation

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.013