摘要 LED灯由于节能、环保、工作寿命长等特点而倍受社会各界的关注，然而大功率LED灯在工作过程中，除发光外同时产生大量热能，约有80%的能量转化为热能。随着LED的功率以及集成度的提高，LED灯的发热热流密度迅猛增加，其工作过程中散发热量大幅提高，而LED结温（芯片温度）的高低直接影响灯的使用寿命；因此，大功率LED灯的散热问题急需改善。本设计针对LED灯散热问题日益严重的现象而提出，设计出一种自然回流散热系统，使LED灯工作过程中产生的大部分热量通过回流系统散发出去，实验证明该散热系统能取得良好的散热效果。
关键词 节能减排LED散热器
随着LED灯功率的增大和发热热流密度迅猛增加，大功率LED灯的散热问题急需改善，业内已经对大功率LED灯的散热问题作出了很多的努力［1］：通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板（MCPCB），使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到10W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。本设计方案针对此种散热问题从结构上和散热材料选择上对散热器进行大胆的设计创新，实验结果证明散热效果优于传统散热器
1.设计方案
本设计以30W大功率LED灯为研究对象，对其进行散热问题的研究。从结构设计方面和材料选择两个方面进行创新研究。1.1市场现有的散热技术
图1中：（101为散热铝型材；102为导热硅胶垫片/硅脂；103～106组成铝基板；其中103为铝板；104为绝缘层；105为敷铜层；106为阻焊层；201～204组成LED灯；其中201为电极；202为LED底座；203为LED的PN结；204为硅胶），然后使用锡膏将LED焊接于铝基板的敷铜层上，如图1黑色箭头所示。LED的PN结发出的热量经过LED底座一锡膏焊接层—敷铜层—绝缘层—铝板—导热硅胶垫片/硅脂—散热铝型材—散发于空气中，这样就完成了散热过程［2］。
图2为目前普遍使用的散热器的实物图，其主体部分只是一个铝质材料，虽制作成本较为低廉，但是散热效果一般，已经不能满足功率日益增高的LED灯的需求，所以研发改进散热器的工作显得尤为急切
1.2强化换热器设计方案
本强化换热器的设计方案是在传统换热器的基础上进行的创新设计。如图3所示。热传递的有导热、对流和热辐射三种方式［3］，导热是指两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间温度不同而引起的热传递现象；对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递方式；普通散热器主要只用了导热，而强化换热器则主要运用导热和对流这两种方式实现散热，因而具有更好的散热效果。这是因为该方案设计的强化换热器的中心是真空的，而不像传统散热器是实心的，在空腔中加入了甲醇导热液，来自LED的大量热量经散热器底座传到内腔的导热液甲醇，甲醇受热气化，大量热量随着气化的甲醇往散热器上方运动，在这过程中，热量不断通过散热器上方的腔壁往散热分管散发热量。这时甲醇介质由于温度下降会液化，流回散热器底部，为下一次的循环做准备。同时由于散热器内腔密封真空，所以也更有利于热传导。这也是强化散热器相比于传统散热器的创新部分。如图4所示。
2实体模型实验设计
强化换热器使用全铜制造，经过多道工序加工制造，换热器整体的密封性好，确保散热器里面的热蒸汽能够在内腔循环使用，铜是一种良好的导热材料，散热器底座是一个盛放导热液的容器，当热量经过底座传到导热液，液体就会在真空的内腔转换成热蒸汽，热蒸汽顺着温度梯度往散热器低温的上部扩散，由于散热器上下部分的温度差别比较大，而且上部空间受到来自外界的冷却，使得容易液化的传热介质液化，顺着腔壁回流到底座的容器内进入下一次的受热循环。
散热器加装翅片，最大限度地提高散热面积，使散热效能达到最佳；在设计方面，散热分管的下端采用倾斜角度，更利于液化后的传感液的流动循环，同时运用优化科学的方法布置翅片的位置，使其更好地发挥其功能；在功能方面，其主要靠传热介质的对流换热，同时利用散热器本身的热传导来更好地达到散热效果。散热器内腔使用真空处理技术，保证受热以后的传热液受热以后快速形成热蒸汽，顺着热力梯度往低温的散热器上部扩散，扩散的热蒸汽带走大量的热量，一部分热量由于热传递的作用，通过散热翅片释放，剩余大部分热量，在散热器上不受热冷却最后液化，顺着换热器分管的管壁回流到底座继续循环进行散热工作。
初步设计此LED换热器结构及尺寸为：0.09×0.05×0.0003，选取的翅片为紫铜材料；紫铜基板（0.0325）2π；中心管（0.016）2π；LED芯片0.02×0.02；LED芯片、紫铜基板间通过导热胶接触；围绕芯片水平均布的四个分管蒸发段，分别紧切芯片底部；热管冷凝段均布11个翅片；水平方向，芯片中心到热管冷凝端0.475m，垂直方向，芯片到热管顶部1.2m，物理模型如图5～图10所示，相关参数如表1和表2
3. 实验数据分析
如图6所示，大功率
LED灯（30W）通过隔热
垫片安装在试验台上，在电路板的金属背面涂上导热硅胶进而强化与换热器的连接，热电偶测温探头布置在LED灯的芯片上用于测量LED的结温变化情况。此外，另外再布置热电偶探头测量散热器各点的温度。每隔10min记录一次LED灯的结温和散热器各点的温度。
（1）每隔10min测量一次LED的结温，做出LED结温随时间变化线曲线如图11所示。
从温度变化曲线可以看出，LED结温随着时间变长而升高，大约一个小时以后，LED结温趋近于一条直线，而且温度保持在80℃左右，LED灯处于正常的工作状态。
（2）每隔10min测出散热器底座温度。
从图12可以看出，底座温度升高得很快，10min就能从室温25℃升高到49℃。随着时间的推进，底座温度趋近稳定于60℃。
从图13曲线可以看出，散热器回流分管刚开始温度上升得比较快，然后趋缓，这是由于，刚开始LED的结温还没达到，导热工质（甲醇）的气化温度，来自散热器底座的温度直接被甲醇吸收了，并没有热蒸汽把温度带到回流分管。
（4）每隔10min测出散热器顶端温度。
从图14中可以看出，散热器顶部温度随着时间增加而增加，并最终超过稳定后散热器底座的温度，这是由于，散热器内导热介质已经气化，变成高温高压的热蒸汽上升到散热器的顶部。
4与市场现有产品的对比分析
目前市场上普遍使用铝制散热器［5］，使用铝制散热器对30W同一型号的LED进行散热实验得到结果对比如图15所示。
（1）LED灯正常工作时，强化换热器把LED灯的结温控制在80℃；铝制散热器把结温控制在115℃。（见图15）LED的结温越低，证明散热器的散热能力越好。LED的结温过高会导致光度、色度、电气参数等发生变化并使其使用寿命降低。
（2）散热相同功率的LED灯，强化换热器的整体温度较铝制散热器低（见图16），由此可以看出，当两种散热器的整体温度相当的时候，前者可以解决更大功率的LED灯的散热问题。
（3）从两种散热器的温度分布情况可以看出，具有热管结构的强化换热器的顶部温度比底座温度更高，这是由于底座的导热工质（甲醇）具有沸点低易挥发等物理性质，使得受热后的液体迅速气化带走大量热，所以底座温度较低。由于底座是通过导热硅胶直接跟LED接触的，所以底座温度越低、且与LED灯的温差越大，则两者的热阻越小，LED更容易通过散热器把热量带走使得结温保持在相对较低的温度中。而铝制散热器的顶部温度较底座温度低，但总体温度接近。温度在散热器与LED灯之间积聚不容易把热量带走，导致LED的结温偏高影响LED的工作效果。
（4）强化换热器内的工质运动是在一个密闭真空的环境中进行循环，工质的气化、液化都会带走大量的热量，因此不用担心工质的流失造成浪费，而且会大大提高散热器的整体散热效果。
（5）以强制散热型LED散热器［6］为例，一般小型散热风扇65W，假设大功率LED路灯每天工作8h，每年按365d计算；那么一盏路灯的散热风扇一年的耗电量：W电=P·h=65×8×365=189.8kW·h。一条马路上大概有50盏路灯，那么总耗电量为W=50×W电=50×189.8=9490kW·h。换句话说，一年总共有9490kW·h的电量是浪费在LED灯的散热器上。相比之下，强化换热器运用热管循环散热的原理，在保证良好的散热效果的同时，免去了强制散热的小型风扇，换句话说，一条使用LED灯照明的公路一年可以节省9490kW·h的电量。
5结论
通过调查、试验时下市场上的多种大功率LED灯的散热器，发现其中众多种类都是具有散热不均、体积重大、安装辅助散热装置的特点。本方案设计此新型的强化换热器，利用甲醇易挥发的物理特性以及紫铜的良好导热性，满足快速均匀散热的目的取得良好的散热效果。