一種新型平板式大功率LED照明裝置微熱管散熱方案

圖2單片翅片模擬結(jié)果圖。(a)翅片溫度分布圖；(b)翅片溫度梯度分布；(c)翅片熱流密度分布。

圖3為翅片間距分別為2mm和3mm的單排翅片溫度分布情況。翅片間距為2mm時(shí)，各翅片溫度分布不均勻，相鄰翅片存在明顯溫差，如圖3(a)所示。翅片間距為3mm時(shí)，各翅片溫度分布基本一致，翅片與微熱管接觸的部位溫度較高，穿孔處可達(dá)到60℃?？梢?jiàn)，翅片間距對(duì)LED散熱有直接的影響。相同條件下，翅片溫差越小越好，因?yàn)閷?duì)流傳熱是由空氣與翅片的溫度梯度驅(qū)動(dòng)的。因此，本照明裝置采用的翅片間距為3mm。

圖3不同間距的翅片的溫度分布圖。

圖4為單排LED模組的溫度分布情況。芯片結(jié)溫TJ=TC+PD·RJC,其中TC為散熱襯底的溫度，PD為LED的功耗，RJC為L(zhǎng)ED芯片結(jié)點(diǎn)到散熱襯底的熱阻。圖4(a)為使用等直徑銅管散熱器的情況，芯片襯底的最高溫度可達(dá)92.8℃，TJ=103.6℃。LED芯片在較高溫度下工作，會(huì)影響芯片的使用壽命和出光效率。

圖4(b)為使用微熱管散熱器的情況，TC最高為65℃，TJ為73℃，LED芯片的溫度大大降低。

圖4LED模組溫度分布圖。(a)銅管散熱器；(b)微熱管散熱器。

圖5LED照明裝置模型溫度分布(a)和熱流密度分布(b)。

圖5(a)為整個(gè)LED照明裝置的溫度分布圖。翅片溫度分布與單片的近似，每排翅片以及同排不同位置的翅片溫度分布都基本相同。LED芯片襯底的最高溫度為67℃，換算后結(jié)溫為75℃，產(chǎn)生在3和4排鋁基電路板中間位置的LED芯片上，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。模組間距、翅片間距以及翅片本身的參數(shù)都有待進(jìn)一步優(yōu)化，可使此模型獲得更好的散熱效果。模擬結(jié)果的溫度分布和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度分布情況是吻合的，因此可以用模擬結(jié)果來(lái)一步核算每個(gè)散熱模塊的散熱量。整個(gè)LED照明裝置模型的熱流密度分布如圖5(b)所示，其平均熱流密度為100W/m2，模組的傳熱量為平均熱流密度與散熱面積之積。因此，可計(jì)算單個(gè)模組的最大傳熱量為38W，略小于單個(gè)模組的最大散熱理論計(jì)算值，這主要是因?yàn)樵谀M分析時(shí)考慮了熱場(chǎng)的耦合效應(yīng)，使得對(duì)流散熱作用減弱，傳熱量減小。

5實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

該照明裝置采用了兩種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析。一種是采用非接觸式紅外溫度測(cè)試儀測(cè)量LED芯片和翅片表面溫度，其結(jié)果可以直觀地反映結(jié)點(diǎn)溫度的大小，如圖6所示。另一種是采用K型熱電偶對(duì)關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行接觸式測(cè)量，如圖7所示。

圖6紅外溫度測(cè)試裝置。

圖7熱電偶測(cè)溫裝置。

在紅外測(cè)溫方法中，LED表面的溫度由紅外測(cè)溫儀直接測(cè)得，實(shí)驗(yàn)誤差主要源于紅外測(cè)溫儀自身的誤差(約為0.1℃)。在熱電偶測(cè)溫方法中，各個(gè)點(diǎn)的溫度值由熱電偶直接測(cè)得，誤差主要由熱電偶的測(cè)量誤差和多次測(cè)量的讀數(shù)誤差組成。實(shí)驗(yàn)用熱電偶為標(biāo)準(zhǔn)NiCr-NiSi的K型熱電偶，在溫度范圍為－30～150℃時(shí)，絕對(duì)測(cè)量誤差為0.2℃，相對(duì)測(cè)量誤差為0.75%；讀數(shù)的絕對(duì)誤差為1℃，相對(duì)誤差為1%。所以總的絕對(duì)誤差為1.2℃，相對(duì)誤差為1.75%。

圖8為不同導(dǎo)熱鋁基電路板熱平衡時(shí)的溫度分布圖和曲線。紅外測(cè)溫時(shí)，環(huán)境溫度為30℃，且系統(tǒng)已運(yùn)行60min達(dá)到熱平衡。芯片襯底最高溫度為67.7℃，經(jīng)換算得LED芯片最高結(jié)溫為75.7℃，芯片襯底最低溫度為60℃(兩基板中間空隙空氣溫度約為40℃)。基板的表面溫度約為67℃，兩側(cè)的溫度稍低于中間溫度。2~5排溫度分布相近，1，6排溫度較低。2~5排基板周圍熱場(chǎng)干擾大，空氣流動(dòng)較弱，熱量不易被帶走，從而使其溫度高于1，6排。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用微熱管散熱方案，大功率LED芯片可以長(zhǎng)時(shí)間工作，這表明該散熱方案具有實(shí)用價(jià)值。

圖8不同導(dǎo)熱基板溫度分布圖和曲線。

圖9不同排翅片表面的穩(wěn)定溫度分布圖和曲線。

圖9為L(zhǎng)ED翅片表面熱平衡時(shí)的溫度分布圖和曲線，順序與基板順序相同，翅片表面最高溫度為60.3℃，最低溫度為52.8℃(兩排翅片中間空隙空氣溫度約為46.9℃)。翅片表面溫度中間高，兩側(cè)低，中間排翅片溫度較高。此排翅片溫度升高主要是對(duì)流散熱效果不佳、熱量不能及時(shí)對(duì)流到空氣中所致。為使中間翅片獲得更好的散熱效果，可在適當(dāng)?shù)奈恢眉语L(fēng)扇強(qiáng)排。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，LED電源有一定的發(fā)熱量，會(huì)使芯片組周圍空氣溫度升高，在一定程度上增加對(duì)流散熱的困難性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮將電源單獨(dú)放置。紅外溫度測(cè)試儀只能拍攝到某一平面的溫度分布情況，溫度會(huì)有些誤差，但是可以用其代表LED系統(tǒng)整體溫度分布狀況，因?yàn)榧t外測(cè)溫與熱電偶直接測(cè)量結(jié)果一致。

圖10為7個(gè)模組上相同位置點(diǎn)的熱電偶測(cè)溫得到的溫度分布曲線。圖中可以看出，各點(diǎn)在7個(gè)模組上的溫度基本成正態(tài)分布，最高溫度為61.2℃，最低溫度為53.6℃，與紅外溫度測(cè)試儀測(cè)得的溫度分布相吻合。在單個(gè)模組的不同點(diǎn)上，點(diǎn)1和點(diǎn)2的溫度基本相等，點(diǎn)3的溫度最低，因?yàn)辄c(diǎn)3處在模組翅片的最外層。圖11為A，B，C，D4片翅片上不同點(diǎn)的溫度分布。由理論知識(shí)可知，單片翅片上的溫度成對(duì)稱分布，所以在其1/4面積上取了5個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)的位置分布如圖12所示?？梢?jiàn)翅片在整體翅片中的位置對(duì)翅片溫度有很大的影響，而各片翅片的溫度分布情況是一致的，離熱管中心越遠(yuǎn)其溫度越低，因?yàn)樵跓醾鲗?dǎo)過(guò)程中溫度會(huì)降低。