新型平板式大功率LED照明装置微热管散热方案

1 引 言 　　与在道路照明中使用量最大的高压钠灯相比，大功率LED作为照明装置具有色温可选、发光效率高、无需高压、超高亮度、显色性高及长寿命等优势。散热问题是限制大功率LED照明应用的最大障碍。经过研究了硅基多芯片的封装新方法，找到一种可以有效降低热阻的用于LED封装的金属粘结方法。即用竖直的碳纳米管作为粘结材料直接粘结在铝基板上，生长的碳纳米管作为热边界材料，得到了较好的散热效果。并开发了一种新型热沉来实现大功率LED的冷却。还提出了一种LED的热管散热模型，结点温度和热阻都得到了较大的降低。研究了将LED粘结在微热管上的散热性能，微热管能使芯片温度降低更多。
　　利用动态电学测试方法测量大功率LED热阻和结温的原理、实验装置、测量步骤和影响测试结果的因素。针对利用有限元模拟分析了工作过程中的温度和热应力分布，并测试了实际器件表面特征点的温度变化。设计了大功率LED阵列封装的微通道冷却结构，探讨了各参数对LED多芯片散热效果的影响。研究了微喷射流的大功率LED主动散热方案，实现大功率LED芯片组的高效散热。采用有限体积数值模拟、瞬态热阻测试方法以及热沉温度-峰值波长变化的关系，对3 种散热基板上大功率lGaInP 红光LED进行了热特性分析。提出了一种新型结构的回路热管，并建立了其性能测试实验装置。
　　目前，国内外的研究多集中在LED 热阻、结温测量及利用封装方法降低热阻等方面。本文针对大功率LED 的照明应用需求，提出了一种集成微热管的新型百叶窗式的大功率LED 照明装置模块化结构设计方案，并对其散热性能进行模拟分析和实验研究。
　　2 大功率LED 照明装置模块化结构
　　图1(a)为大功率LED 照明装置结构及散热风道示意图。照明装置采用模块化的设计方法，每排LED都是1 个照明模组，可以单独使用，总共由7 个模组组成，如图1(b)所示。照明装置分前舱和后舱两部分，前舱装有LED 及电源，设计成全密封结构；后舱安装散热模块，左右及下壁面开有散热用百叶窗结构。翅片自然对流散热的风道经过优化设计，风可以从照明装置翅片舱的任意一侧流入，从另一侧流出，同时翅片的上表层也可以和周围的空气进行对流散热。LED 照明装置结构的整体尺寸为328 mm×480mm×84 mm，模块的基座尺寸为22 mm×205 mm，微热管直径为6 mm，单片翅片的尺寸为35 mm×66mm×0.4 mm，翅片间距为3 mm。
 
　图1 LED 照明装置及模组示意图。(a)LED 照明装置结构及散热风道；(b)照明与散热一体化的模组结构。
　　在每个照明模组中，LED阵列焊接在铝基电路板上，铝基电路板下面由挤压铝型材板作为支撑。微热管一端与铝型材板下表面半圆孔利用过渡配合方式进行固定；另外一端套装上铝翅片并焊接牢固，为了减小接触热阻，它们之间采用高导热焊料焊接。铝基电路板和挤压铝型材采用螺钉连接，中间涂有硅胶。
　　LED照明装置通电运行后，LED产生的热量通过微热管的一端吸收，运输到翅片端，热量通过翅片的热传导和自然对流，最后被空气带走。微热管具有很高的导热率，能够及时将LED产生的热量导出，避免芯片结温过度升高；采用厚度为0.4 mm的薄铝片来加强对流散热，比一般的铝基挤压型材热沉具有更大的散热面积、更轻的质量及更好的散热风道。此照明装置运用模块化设计，具有可重构特征。散热系统采用自然对流散热，不需要额外的驱动，因此结构简单、灵活且成本低廉。
　　3 散热量的理论计算
　　单个LED照明模组中微热管散热器的最大传热能力可按描述对流传热的牛顿冷却公式写为
 
　　式中Q为热管散热器的总传热量，单位为W；α 为散热器的总传热系数，单位为W/(m2·K)；A为散热器的基准散热面积，单位为m2； Δt 为热管基板表面温度tb与散热片周围冷却气流温度tf的差，即  Δt = tb - t f，单位为℃。从(1)式可以推导得到
 
　　式中R为当基准面积A为单位面积时，微热管散热器的总热阻，按传热学理论，它也是各串联传热环节中的热阻之和，即
　　式中Rb为从热管基板表面传递到贴附其上的热管蒸发段内壁的导热热阻；Rrg为蒸发段的传热热阻；Rbh为热管内饱和蒸气传递热阻，由于热管热阻极小，在此计算中予以忽略；Rin为冷凝段蒸气与内壁的传热系数；Rsr为冷凝段内壁到散热片基板之间的导热热阻；Rf为从冷凝段翅片到冷却气体之间的传热热阻。得到总传热系数
 
　　代入数据，得α=6. 48 W/(m2·K)，则微热管散热器的最大散热量为47 W。
　　单个LED照明模组的输入功率为21 W，假设发光效率为15％，则单个模组的发热量为18 W。由此可见，单个照明模组中微热管散热器的最大理论传热量远大于LED的发热量，所以该种散热方式能够满足LED的散热要求。
　　4 LED 照明装置的数值模拟分析
　　根据一般应用要求，假设环境温度为30 ℃，翅片与空