摘要 LED燈由于節能、環保、工作壽命長等特點而倍受社會各界的關注，然而大功率LED燈在工作過程中，除發光外同時產生大量熱能，約有80%的能量轉化為熱能。隨著LED的功率以及集成度的提高，LED燈的發熱熱流密度迅猛增加，其工作過程中散發熱量大幅提高，而LED結溫（芯片溫度）的高低直接影響燈的使用壽命；因此，大功率LED燈的散熱問題急需改善。本設計針對LED燈散熱問題日益嚴重的現象而提出，設計出一種自然回流散熱系統，使LED燈工作過程中產生的大部分熱量通過回流系統散發出去，實驗證明該散熱系統能取得良好的散熱效果。
關鍵詞 節能減排LED散熱器
隨著LED燈功率的增大和發熱熱流密度迅猛增加，大功率LED燈的散熱問題急需改善，業內已經對大功率LED燈的散熱問題作出了很多的努力［1］：通過對芯片外延結構優化設計，使用表面粗化技術等提高芯片內外量子效率，減少無輻射復合產生的晶格振蕩，從根本上減少散熱組件負荷；通過優化封裝結構、材料，選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板（MCPCB），使用陶瓷、復合金屬基板等方法，加快熱量從外延層向散熱基板散發。多數廠家還建議在高性能要求場合中使用散熱片，依靠強對流散熱等方法促進大功率LED散熱。盡管如此，單個LED產品目前也僅處于1～10W級的水平，散熱能力仍亟待提高。相當多的研究將精力集中于尋找高熱導率熱沉與封裝材料，然而當LED功率達到10W以上時，這種關注遇到了相當大的阻力。即使施加了風冷強對流方式，犧牲了成本優勢，也未能獲得令人滿意的變化。本設計方案針對此種散熱問題從結構上和散熱材料選擇上對散熱器進行大膽的設計創新，實驗結果證明散熱效果優于傳統散熱器
1.設計方案
本設計以30W大功率LED燈為研究對象，對其進行散熱問題的研究。從結構設計方面和材料選擇兩個方面進行創新研究。1.1市場現有的散熱技術
圖1中：（101為散熱鋁型材；102為導熱硅膠墊片/硅脂；103～106組成鋁基板；其中103為鋁板；104為絕緣層；105為敷銅層；106為阻焊層；201～204組成LED燈；其中201為電極；202為LED底座；203為LED的PN結；204為硅膠），然后使用錫膏將LED焊接于鋁基板的敷銅層上，如圖1黑色箭頭所示。LED的PN結發出的熱量經過LED底座一錫膏焊接層—敷銅層—絕緣層—鋁板—導熱硅膠墊片/硅脂—散熱鋁型材—散發于空氣中，這樣就完成了散熱過程［2］。
圖2為目前普遍使用的散熱器的實物圖，其主體部分只是一個鋁質材料，雖制作成本較為低廉，但是散熱效果一般，已經不能滿足功率日益增高的LED燈的需求，所以研發改進散熱器的工作顯得尤為急切
1.2強化換熱器設計方案
本強化換熱器的設計方案是在傳統換熱器的基礎上進行的創新設計。如圖3所示。熱傳遞的有導熱、對流和熱輻射三種方式［3］，導熱是指兩個相互接觸的物體或同一物體的各部分之間溫度不同而引起的熱傳遞現象；對流是指流體各部分之間發生相對位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞方式；普通散熱器主要只用了導熱，而強化換熱器則主要運用導熱和對流這兩種方式實現散熱，因而具有更好的散熱效果。這是因為該方案設計的強化換熱器的中心是真空的，而不像傳統散熱器是實心的，在空腔中加入了甲醇導熱液，來自LED的大量熱量經散熱器底座傳到內腔的導熱液甲醇，甲醇受熱氣化，大量熱量隨著氣化的甲醇往散熱器上方運動，在這過程中，熱量不斷通過散熱器上方的腔壁往散熱分管散發熱量。這時甲醇介質由于溫度下降會液化，流回散熱器底部，為下一次的循環做準備。同時由于散熱器內腔密封真空，所以也更有利于熱傳導。這也是強化散熱器相比于傳統散熱器的創新部分。如圖4所示。
2實體模型實驗設計
強化換熱器使用全銅制造，經過多道工序加工制造，換熱器整體的密封性好，確保散熱器里面的熱蒸汽能夠在內腔循環使用，銅是一種良好的導熱材料，散熱器底座是一個盛放導熱液的容器，當熱量經過底座傳到導熱液，液體就會在真空的內腔轉換成熱蒸汽，熱蒸汽順著溫度梯度往散熱器低溫的上部擴散，由于散熱器上下部分的溫度差別比較大，而且上部空間受到來自外界的冷卻，使得容易液化的傳熱介質液化，順著腔壁回流到底座的容器內進入下一次的受熱循環。
散熱器加裝翅片，最大限度地提高散熱面積，使散熱效能達到最佳；在設計方面，散熱分管的下端采用傾斜角度，更利于液化后的傳感液的流動循環，同時運用優化科學的方法布置翅片的位置，使其更好地發揮其功能；在功能方面，其主要靠傳熱介質的對流換熱，同時利用散熱器本身的熱傳導來更好地達到散熱效果。散熱器內腔使用真空處理技術，保證受熱以后的傳熱液受熱以后快速形成熱蒸汽，順著熱力梯度往低溫的散熱器上部擴散，擴散的熱蒸汽帶走大量的熱量，一部分熱量由于熱傳遞的作用，通過散熱翅片釋放，剩余大部分熱量，在散熱器上不受熱冷卻最后液化，順著換熱器分管的管壁回流到底座繼續循環進行散熱工作。
初步設計此LED換熱器結構及尺寸為：0.09×0.05×0.0003，選取的翅片為紫銅材料；紫銅基板（0.0325）2π；中心管（0.016）2π；LED芯片0.02×0.02；LED芯片、紫銅基板間通過導熱膠接觸；圍繞芯片水平均布的四個分管蒸發段，分別緊切芯片底部；熱管冷凝段均布11個翅片；水平方向，芯片中心到熱管冷凝端0.475m，垂直方向，芯片到熱管頂部1.2m，物理模型如圖5～圖10所示，相關參數如表1和表2
3. 實驗數據分析
如圖6所示，大功率
LED燈（30W）通過隔熱
墊片安裝在試驗臺上，在電路板的金屬背面涂上導熱硅膠進而強化與換熱器的連接，熱電偶測溫探頭布置在LED燈的芯片上用于測量LED的結溫變化情況。此外，另外再布置熱電偶探頭測量散熱器各點的溫度。每隔10min記錄一次LED燈的結溫和散熱器各點的溫度。
（1）每隔10min測量一次LED的結溫，做出LED結溫隨時間變化線曲線如圖11所示。
從溫度變化曲線可以看出，LED結溫隨著時間變長而升高，大約一個小時以后，LED結溫趨近于一條直線，而且溫度保持在80℃左右，LED燈處于正常的工作狀態。
（2）每隔10min測出散熱器底座溫度。
從圖12可以看出，底座溫度升高得很快，10min就能從室溫25℃升高到49℃。隨著時間的推進，底座溫度趨近穩定于60℃。
從圖13曲線可以看出，散熱器回流分管剛開始溫度上升得比較快，然后趨緩，這是由于，剛開始LED的結溫還沒達到，導熱工質（甲醇）的氣化溫度，來自散熱器底座的溫度直接被甲醇吸收了，并沒有熱蒸汽把溫度帶到回流分管。
（4）每隔10min測出散熱器頂端溫度。
從圖14中可以看出，散熱器頂部溫度隨著時間增加而增加，并最終超過穩定后散熱器底座的溫度，這是由于，散熱器內導熱介質已經氣化，變成高溫高壓的熱蒸汽上升到散熱器的頂部。
4與市場現有產品的對比分析
目前市場上普遍使用鋁制散熱器［5］，使用鋁制散熱器對30W同一型號的LED進行散熱實驗得到結果對比如圖15所示。
（1）LED燈正常工作時，強化換熱器把LED燈的結溫控制在80℃；鋁制散熱器把結溫控制在115℃。（見圖15）LED的結溫越低，證明散熱器的散熱能力越好。LED的結溫過高會導致光度、色度、電氣參數等發生變化并使其使用壽命降低。
（2）散熱相同功率的LED燈，強化換熱器的整體溫度較鋁制散熱器低（見圖16），由此可以看出，當兩種散熱器的整體溫度相當的時候，前者可以解決更大功率的LED燈的散熱問題。
（3）從兩種散熱器的溫度分布情況可以看出，具有熱管結構的強化換熱器的頂部溫度比底座溫度更高，這是由于底座的導熱工質（甲醇）具有沸點低易揮發等物理性質，使得受熱后的液體迅速氣化帶走大量熱，所以底座溫度較低。由于底座是通過導熱硅膠直接跟LED接觸的，所以底座溫度越低、且與LED燈的溫差越大，則兩者的熱阻越小，LED更容易通過散熱器把熱量帶走使得結溫保持在相對較低的溫度中。而鋁制散熱器的頂部溫度較底座溫度低，但總體溫度接近。溫度在散熱器與LED燈之間積聚不容易把熱量帶走，導致LED的結溫偏高影響LED的工作效果。
（4）強化換熱器內的工質運動是在一個密閉真空的環境中進行循環，工質的氣化、液化都會帶走大量的熱量，因此不用擔心工質的流失造成浪費，而且會大大提高散熱器的整體散熱效果。
（5）以強制散熱型LED散熱器［6］為例，一般小型散熱風扇65W，假設大功率LED路燈每天工作8h，每年按365d計算；那么一盞路燈的散熱風扇一年的耗電量：W電=P·h=65×8×365=189.8kW·h。一條馬路上大概有50盞路燈，那么總耗電量為W=50×W電=50×189.8=9490kW·h。換句話說，一年總共有9490kW·h的電量是浪費在LED燈的散熱器上。相比之下，強化換熱器運用熱管循環散熱的原理，在保證良好的散熱效果的同時，免去了強制散熱的小型風扇，換句話說，一條使用LED燈照明的公路一年可以節省9490kW·h的電量。
5結論
通過調查、試驗時下市場上的多種大功率LED燈的散熱器，發現其中眾多種類都是具有散熱不均、體積重大、安裝輔助散熱裝置的特點。本方案設計此新型的強化換熱器，利用甲醇易揮發的物理特性以及紫銅的良好導熱性，滿足快速均勻散熱的目的取得良好的散熱效果。