e平板热管应用与大功率led路灯的试验研究.doc

第 十 二 届 全 国 热 管 会 议1新型平板热管散热器应用于大功率 LED 路灯的试验研究李茂松 车廷建 杨洪武 * （大连金三维科技有限公司，大连，116600）（*联系：13904286093，E-mail:byjd@）摘要：随着实际应用的 LED 产品的功率越来越大，其散热量也随之增大，对散热要求也逐步提高，传统的散热方式已 经不能满足大功率 LED 路灯的要求本文设计了一种新型铝板制作的平板热管，并将其应用与 LED 路灯散热器上散 热 器尺寸为 300mm×155mm×150mm在环境温度为 25℃，功率为 56 瓦时铝基板温度为 42℃，平板热管上最大温差为 1.3℃在进行的倾斜角度测试时，平板热 管在整个试验过程中均温性良好，在 90°倾斜角时，温差达到最大的 2.4℃，此时铝基板上的温度也达到最大的 52℃关键词：LED 路灯；平板热管；均温性1 前言随着由气候变暖引发的自然灾害越来越频繁，危害越来越大，环境问题和节能技术也越来越受到全世界的关注作为节能环保重要一环的 LED 产业已经引起世界大部分国家的重视LED 从其产生之初的发光率 0.1lm/W 到现在可以达到 100lm/W，其发光效率已经提高了三个数量级，随着材料科学的发展，其发光效率和发光亮度一定会继续向前飞跃。

一直以来散热问题都是 LED 应用中需要重点解决的问题在目前的 LED 应用中，大约有 20%的能量转化成光，剩下的 80%左右的能量转化成热能，这些热能如不能有效排出，对 LED 的寿命会产生致命的影响利用热管技术将 LED 里的热量带出是业界普遍的思路，也做了很多类似的研究莫冬传 [1]等研究了将回路热管应用与大功率 LED 的试验，袁柳林 [2]等将微槽道式热管进行 LED 散热，程婷 [3]和陈伟 [4]等人分别从理论和试验用喷射流冷却系统对大功率 LED 进行了散热研究这些研究为 LED 散热问题提供可供借鉴的经验本文在将一种新型平板热管技术应用于大功率 LED 路灯散热中，并进行了试验研究，起到了良好的效果2.热管散热器的构成传统的热管由于其自身结构的缺点，不适合使用与大功率 LED 路灯灯具上一般的水平放置的vapor chamber 工作原理如图 1 所示，热量从下方进入，工质吸收热量后汽化，汽化后的工质充满整个热管腔体，然后在上方的地方放出热量液化，液化后的工质随着热管内腔壁上的特殊材料的毛细力回到热源部分这种热管传热效率比较高，但是用在大功率 LED 上效果并不好，主要问题在于这样的结构使得翅片布置很难达到良好的散热效果，且热管的外形尺寸不好控制，机械强度不够。

第 十 二 届 全 国 热 管 会 议2图 1 传统水平放置 vapor chamber 热板工作原理图为了克服以上热管在 LED 应用中的缺点，本文设计了一种新型平板热管新平板热管兼顾轴向和径向传热，其传热原理示意图如图 2 所示平板热管竖直放置，热量从下端蒸发段进入，加热工质使工质汽化，汽化的工质将热量传到平板热管各个地方，并在壁面液化放热，并回到蒸发端绝热段并非必须，在新平板热管中，绝热段长度可以忽略图 2 新型平板热管竖直放置 图 3 平板热管散热器工作原理示意图 侧面图 新型平板热管最大的改进在于在热管内部加入了支撑架 [5]以加强整个平板热管的机械强度热管的下端放置高约 20mm，厚 0.3mm 的吸液芯以保证热管在一定范围内的倾斜角度下可以正常工作图 3 为平板热管散热器的侧面图图中 1 为平板热管2 为散热片，散热片的布置方向与灯具正常使用时的重力方向一致，平板热管与散热片牢牢焊接在一起3 为基体，基体的下面安装铝基板。

整个试验散热器的尺寸为 300mm×155mm×150mm平板热管的尺寸为 210mm×120mm×5mm,散热片尺寸为 130mm×80mm,两个散热片之间间隔 11.6mm共 36 个散热片，总散热片面积约为 0.8m2,散热片在平板热管两侧对称均匀分布，热管在内部压强达到 2×10-3Pa 后，充灌丙酮，最终使丙酮的充液率到 30%铝基板的尺寸为 230mm×60mm×2mm,铝基板与散热器之间用导热硅脂涂抹以减小二者之间的热阻基板上有 48 个 CREE 的 LED 芯片3 试验装置试验装置包括恒流电源、Agilent 数字检测仪、PT100 热电阻等 第 十 二 届 全 国 热 管 会 议3试验所用的功率由恒流电源提供，通过调节恒流电源的电压电流，来调节整个灯具的工作功率热电偶分别布在平板热管、铝基板和环境中其中平板热板上布置四个测点，测点位置如图 4 所示，其中测点 1、2、3、4 为平板热管上的补点，通过检测四个测点的差值来检测平板热管运行的效果5、6、7 为铝基板上的三个测点，用三者的平均值来代替铝基板上的温度热电偶采集的数据经过Agilent 数字检测仪处理并最终传入到 PC 机中进行保存和再处理。

图 4 平板热管散热器测试布偶图4 数据处理散热器的散热效果是衡量其整体效果的一个重要参数，本文通过测量由平板热管组成的散热器的各个特征点的温度计算散热器的热阻热阻的计算式为（1）PTR(2)4321式中 R 为散热器的总体热阻， △T 为铝基板与环境的温差，P 为灯具功率T 1、T 2、T 3 分别为铝基板上的三个热电偶温度，T 4 为环境温度4.1 加热功率对散热器散热效果的影响图 5 中测点 1 和测点 3 分别是平板热管上远离热源的两个测点，测点 2 和测点 4 为靠近热源的两个测点，其中，测点 1 在测点 2 的正上方，测点 3 在测点 4 的正上方通过四个测点的温度变化情况来考察平板热管的运行情况从图 5 可以看出在功率从 20 瓦变化到 56 瓦的过程中，平板热管上各个测点的温度基本上同步上升在对比各个功率段平板热管上的温差发现，30 瓦时，平板热管上的温差达到最大值，最大值为 1.3℃图 6 是基板温度随功率变化的情况，图中数值是通过铝基板上三个测点进行平均而得基板温度基本随功率的增加而增加，功率在 30 瓦到 40 瓦之间变化时，基板温度快速升高，之后温度变化趋于平稳。

第 十 二 届 全 国 热 管 会 议4图 5 热板上各测点温度随功率变化 图 6 基板温度随功率变化图 7 热阻随功率变化关系 从图 7 中可以看出随着功率的加大，热阻呈下降趋势，在 20 瓦到 30 瓦的区间，热阻下降明显，这主要是在 20 瓦阶段，散热器的整体温度较低，平板热管没有完全发挥出作用随着功率的增加，散热器的整体温度升高，平板热管作用越来越明显，使整体热阻不断降低4.2 放置角度对散热器效果的影响为研究放置角度对平板热管以及散热器整体散热效果的影响，在功率为 56 瓦的情况下，分别把散热器在重力方向上倾斜一定角度进行测量研究了倾斜角度为 0°、30°、60°和 90°时散热器和平板热管的各项性能 图 8 是平板热管上四个角温度随热管角度的变化情况，从图中可以看出，热管在从 0°到 60°的变化中，热管上各点温度都是上升的，但上升趋势缓慢，在从 60°到 90°的变化中，热管上的温度急剧升高考察各个角度上热管四个点的温度发现在 90°时热管上的温差达到最大，最大值为2.4℃，除此之外热管上最大温差为 0.6℃。

造成这种现象的原因是：1，在热管倾斜角度较小的时候，热管内部的吸液芯通过毛细作用将一部分工质从势能较低的地方传送到势能较高的地方，保证了热管能正常工作2，当热管倾斜角度较大时，毛细作用不足以将高位沸腾所需的工质都传送到位，热管中出现工质烧干的现象，热管和散热器的温度快速升高3，在倾斜过程中，翅片位置逐渐从垂直重力方向变为平行重力方向，恶化了翅片散热效果4，热管在整个试验过程中，只有在 90°时其第 十 二 届 全 国 热 管 会 议5上的温差达图 8 热板上各点温度随角度变化情况 图 9 热阻随角度变化情况到了 2.4℃，其它时间都小于 1℃，说明热管在整个试验过程中，工作性能良好图 9 为热阻随角度变化，可以看出，随着角度的增加，LED 的热阻逐渐增加90°时达到 0.47K/W图 10 铝基板平均温度随角度变化 图 11 路基板三个测点温度随角度变化图 10 为铝基板温度随角度的变化情况，图中的温度是通过铝基板上三个热偶测得的温度值平均得来的可以看出随着角度的增加，铝基板的平均温度先缓慢升高，当超过 60°时，铝基板上的温度随角度变化快速升高。

图 11 为铝基板上布置的三个热偶的温度值测点 1、2、3 分别对应的位置是下、中、上从图中可以看出，在水平放置时，三个测点的温度相差不大，30°时三者最大温差为 1.7℃，60°时温差又缩减为 0.7℃，到 90°时，温差达到最高为 5.1℃出现铝基板上温度的这种变化主要是因为：随着角度的增大，平板热管以及整个散热器的工作条件被破坏，使得各个部分的温度都升高在温度升高的过程中，低位地方，由于工质含量充分，能够满足内部沸腾需要，温度上升相对较小高位部分，由于吸液芯不能将高位沸腾所需的工质完全送达，导致高位温度上升较明显这种趋势在倾斜角度从 60°变为 90°时最明显结论第 十 二 届 全 国 热 管 会 议61. 平板热管散热器在功率从 20 瓦到 56 瓦的过程中，铝基板和热管温度随着功率的增加而增加铝基板上最大温度为 42℃2. 平板热管散热器在倾斜角度小于 60°时，倾斜角度对于散热器效果影响不大，当倾斜角度大于 60°时，散热效果急剧恶化，基板温度在倾角为 90°基板上最高温度达到 52℃3. 在平板热管在整个倾斜试验过程中，均温性良好水平放置 30 瓦时平板热管上的温差最大，最大为 1.3℃，角度测试时 90°角热管上温差最大，最大为 2.4℃。

参考文献[1]莫冬传.高效平板式两相回路热管的试验研究[J].工程热物理学报，2007.28：229-232[2]袁柳林.基于微通道致冷的大功率 LED 陈列封装热分析[J].半导体光电，2006.27：712-716[3]程婷.大功率 LED 照明器件中散热问题的研究[D].华中科技大学，2009.11：77-99[4]陈伟.大功率 LED 用微喷射流冷却系统的试验研究[J].半导体光电，2007.28：480-481[5]杨洪武.集成热管内腔吸液芯记支撑架[P].中国，zl 200520112162.0。