基于平板微热管阵列的大功率LED路灯散热研究

梁　锋，赵连玉，张　慧，岳有军

(1.天津理工大学，机械工程学院，天津　300384；2.天津理工大学，自动化学院，天津　300384；3.天津出入境检验检疫局，天津　300201)



基于平板微热管阵列的大功率LED路灯散热研究

梁锋1，赵连玉1，张慧3，岳有军2

(1.天津理工大学，机械工程学院，天津300384；2.天津理工大学，自动化学院，天津300384；3.天津出入境检验检疫局，天津300201)

大功率LED路灯是照明行业的发展趋势，但是目前由于散热等问题限制了其大规模推广。本文选用平板微热管阵列与翅片散热器结合的方式针对大功率LED路灯设计出一种新型的散热器，首先对所选用的平板微热管进行传热特性实验，结果表明所选用平板微热管具有良好的均温性和快速启动特性，在蒸发段外壁面温度为53 ℃时，达到最大热通量达到117.2 W/cm2；建立了LED路灯系统的装配模型，在ANSYS Workbench中进行稳态热模拟， 结果表明新型散热器可以很好的解决大功率LED路灯的散热难题。

大功率LED；平板微热管阵列；散热；数值模拟

引言

大功率发光二极管(LED)作为新一代照明光源因其低碳环保、绿色节能、寿命长的优点备受重视。目前，大功率LED芯片的尺寸可以很容易做到0.5 mm×0.5 mm[1]，热流密度已超过100 W/cm2。作为光电元件，大功率LED只能将约10%～20%的输入功率转化为光能，其余80%～90%转化为热能[2]，若芯片上累积的热量不能及时有效的散出，将导致LED芯片的结温过高而影响路灯正常工作[3]。随着LED路灯亮度的进一步提升，驱动电流的日益增大，散热问题已成为制约大功率LED推广应用的重要瓶颈。

1　大功率LED散热研究现状

为了解决大功率LED的散热难题，不少国内外学者进行了相关研究，指出相变冷却技术可能是解决微电子芯片高热流密度冷却问题的主要途径，M. Arik[4]等针对一种特殊用途的LED灯具设计了专用的浸液冷却系统，并对比分析了不同填充液的散热效果，发现HFE7200作为填充液时可以很大程度上改善散热效果并提高照明亮度；王永翔[5]等采用多孔微热沉对大功率LED阵列进行主动散热，系统由一个微泵驱动，数值模拟的结果表明有无多孔芯，孔隙率以及入口流速是影响散热效果的主要因素。热管利用相变来强化散热，已经成功应用在多种电子设备散热问题。针对热管解决大功率LED路灯的散热研究工作主要有：鲁祥友[6]等对一种应用在多芯片大功率LED散热上的回路热管装置进行了试验研究，总结出该种结构的热管应用在大功率LED散热系统中的首要问题是蒸发器倾斜角度对系统散热性能的影响；李志[7]等实验研究了板式脉动热管与翅片结合对额定功率为100 W的LED的自然对流冷却效果，结果表明脉动热管自然对流对于功率在52 W以下的LED取得较好的冷却效果；田水[8]等提出了一种用于大功率LED的强制散热器，采用蜂窝板作为蓄热结构的热管散热装置，取得了良好的散热效果，缺点是此种结构不方便应用在LED路灯上。

相比传统热管，平板微热管阵列在大功率LED散热领域显示了突出优势[9]，本文选用平板热管阵列与翅片散热器进行组合，设计出了一种适用于大功率LED路灯的新型散热器，并对路灯系统进行了数值模拟，结果表明新型散热器应用在150 W和180 W功率级别的LED路灯上散热效果良好，可以在大功率LED路灯工作过程中及时散热，有效地降低芯片结温。

2　平板微热管阵列的传热特性实验

本文选用的平板微热管阵列在每米宽度上安装200根相互独立的微热管，这些微热管可以随意组合成一定宽度的微热管阵列，纵向尺寸上可以在考虑大功率LED路灯内部的安装情况进行适当的加长或缩短。图1为平板微热管阵列的内部结构示意图。选用的平板微热管阵列宽度为25 mm, 厚度为3 mm, 长度取50 mm, 每根微热管内表面均布置有微槽群结构强化散热。这种结构使得微热管阵列具有很高的可靠性，当某根热管出现故障不能正常工作时，其他热管不受其影响。选用丙酮作为工质，充液量为30%[10]。

图1　平板微热管阵列结构图Fig.1　Structure diagram of flat micro-heat pipe arrays

2.1实验装置与实验方法

热管的传热特性评价指标主要有：①沿热管轴向的温度均匀性；②热管的响应时间；③蒸发段外壁面温度与热通量之间的关系。

实验系统由实验元件(平板微热管阵列)，加热模块(RH PT100薄膜电阻等)和数据采集系统(Aglilent 34970A数据采集仪等)组成。实验时通过空调维持室内环境温度为25 ℃，将平板微热管阵列垂直安装，底部为蒸发段，上部为冷凝段，冷凝段与外界空气自然对流换热，采用薄膜电阻模拟热源对蒸发段进行加热，薄膜电阻通过绝缘的导热胶贴附在蒸发段外壁上，在蒸发段外壁上布置一个T型热电偶测温点，沿平板微热管阵列轴向布置另外两个T型热电偶测温点，通过数据采集仪采集温度数据。实验系统的示意如图2所示。

图2　平板微热管阵列热特性实验示意图Fig.2　Schematic diagram of flat MHPA thermal performance experiment

薄膜热电阻对平板微热管阵列蒸发段进行加热，微热管内部的工质迅速蒸发，上升至冷凝段，释放出热量，重新凝结为液滴，在重力与微热管内部微槽群所提供的毛细力的共同作用下返回蒸发段，冷凝段通过自然对流的方式将热量扩散到周围空气中。

2.2实验结果与分析

2.2.1误差分析

实验中采用的热电偶最大校正误差为0.18K，薄膜电阻的功率偏差±8%，热电偶安装时采用游标卡尺进行定位，游标卡尺的测量精度为0.02，根据误差传递理论，所测量温度差的不确定度为0.197，间接测量热通量的不确定度为2.81%。

2.2.2结果分析

通过实验测得的平板微热管阵列的均温性和响应特性曲线如图3所示，可以看出，平板微热管阵列各段的温差小于2 ℃，具有很好的均温性，从开始加热到达到稳定工作状态所需时间约75 s，具有快速响应的特性。

图3　平板微热管温度分布曲线Fig.3　Temperature distribution of flat MHPA

通过分析测温点1的数据可以得出蒸发段外壁面温度和热通量的关系曲线如图4所示，可以看出，开始加热后，蒸发段外壁面温度迅速升高，热通量也随之升高，在蒸发段外壁面温度达到53 ℃时，热通量达到最大值117.2 W/cm2，可以看出此后热通量的变化逐渐趋于缓和，这是由于平板微热管内部的蒸发和冷凝过程逐渐达到动态平衡，热携带能力达到极限。

图4　蒸发段外壁面温度与热通量关系曲线Fig.4　Temperature on evaporating surface area of flat MHPA and heat transfer rate

3　大功率LED路灯散热器设计与数值模拟研究

在实验研究的基础上，应用平板微热管与翅片结合的方式设计了新型大功率LED路灯散热器，结构如图5(a)所示，在热流密度较大的区域上设置“异形翅片”，其中嵌入数个平板微热管阵列强化散热效果。

仿真计算分以下两个部分进行：①为了比较新型散热器与传统的翅片散热器的性能优劣，对150 W LED路灯安装两种散热器，分别进行数值模拟，模型的参数及仿真计算参数的设定都保持一致；②为了纵向的比较新型散热器在不同功率LED路灯上的散热效果，选取目前市场上三种常见的大功率LED路灯的功率配置：150 W, 180 W, 200 W，安装新型散热器，进行仿真模拟，对芯片结温分布进行对照分析。仿真过程中所需材料参数如表1中所示。

表1　材料参数定义

计算前做出以下假设：①平板微热管阵列可以等效为恒定热导率的各向同性固体材料；②固体的物性参数为常数；③忽略辐射换热的影响，仅考虑散热器的自然对流换热作用；④假定散热器各个部件之间接触良好，接触热阻可以忽略不计。运用Ansys Workbench对散热器进行数值模拟，计算类型设定为Steady-state Thermal。 考虑到模型本身的对称性，为了节省计算机资源，对模型进行对称简化，针对装配体中不同零部件，选取恰当的方法划分网格。

图5　两种散热器模型(前视图)Fig.5　Models of two different radiators(front view)

根据之前的实验结果，将平板微热管阵列定义为恒导热率的固体，设定为各向同性材料，热导率定义为2 500 W/(m·K)。选取LED芯片定义internal heat generator(内部热生成)模拟芯片的恒功率输入，边界条件考虑为第三类边界条件，由于散热器的外形较为复杂，在工作稳定状态下，各个位置的温度分布不同，难以直接得出其表面的自然对流换热系数，因此需要进行迭代计算，求得散热器外表面的自然对流换热系数，在Workbench中通过表格的方式读入，设定仿真过程中的环境温度为25 ℃，忽略装配体中各个零部件间的接触热阻，定义接触类型为MPC(完全接触传热类型)。

4　结果与讨论

4.1150 W LED路灯安装两种散热器仿真分析

图6中显示的是常规的翅片散热器应用于150 W路灯的温度分布云图，可以看出，最高温度为77.34 ℃，虽然低于LED芯片正常工作的结温要求，但如此高的温度，仍能影响芯片的工作性能，并且可以看到，采用翅片散热器的温度分布明显不够均匀，在灯珠密集区域形成了较严重的高温区，这些区域热流密度很大，容易造成局部LED芯片因结温过高而失效；而对比图7中采用了新型散热器的LED路灯，其系统最高温度仅为52.5 ℃，整个系统的工作温度得到了极大的降低，并且可以观察到新型散热器由于嵌入了平板微热管阵列，散热器均温性更好，从而提高了LED芯片工作的可靠性。

图6　150 W路灯安装翅片散热器温度分布云图Fig.6　Temperature cloud image of 150 W lamp with fin radiator

图7　150 W路灯安装新型散热器温度分布云图Fig.7　Temperature cloud image of 150 W lamp with new radiator

在LED芯片上设置Probe温度探针，监测到结温分布如图8所示，可以看出，与常规翅片散热器相比，新型散热器能显著降低LED芯片结温，经过分析，采用常规翅片散热器时芯片平均结温为72.84 ℃，而采用新型散热器的芯片平均结温仅为50.77 ℃，并且从图中折线的变化趋势可以进一步证明安装新型散热器的LED路灯具有更好的均温性，对电子器件而言，其温度分布越均匀，对提高电子元器件的可靠性和耐用度越有利[11]。因此，新型散热器可以有效的解决150 W LED路灯的散热难题。

图8　两种散热器LED芯片结温分布曲线Fig.8　Chip junction temperature of LED lamps with two radiators

4.2新型散热器应用于150 W,180 W和200 W三种大功率路灯散热效果讨论

从图7中可以看出，新型散热器应用于150 W路灯时散热效果非常理想；应用在180 W路灯时系统最高温度达到69.69 ℃，平均结温达到66.87 ℃，从图9中折线的变化趋势可以看出散热器仍能保证系统具有较好的均温性，随着功率的增大，结温也迅速增大，但此时芯片仍处于正常工作温度范围；但当新型散热器应用在200 W路灯上时，系统的最高温度达到了86.88 ℃，平均结温升高至83.23 ℃，在如此高的温度下芯片很有可能出现大面积失效，不能保证LED路灯工作的可靠性，所以新型散热器应用在200 W功率级别的大功率LED路灯时未能取得理想的散热效果。

图9　三种功率LED路灯安装新型散热器结温分布曲线Fig.9　Chips junction temperature of three power LED lamps with new radiator

5　结论

1)选用适当尺寸的平板微热管阵列，通过实验的方法测定其传热特性，实验结果表明所选用的50 mm×25 mm×3 mm的平板微热管阵列启动性能良好，具有良好的均温性，热携带能力出色，最大热通量可以达到117.2 W/cm2；

2)针对150 WLED路灯分别安装常规的翅片散热器和嵌入平板微热管阵列的新型散热器，并分别进行稳态热模拟，结果表明，安装常规翅片散热器的路灯系统局部最高温度为77.34 ℃，芯片的平均结温为72.84 ℃，而采用了新型散热器的路灯系统局部最高温度为52.5 ℃，芯片平均结温仅为50.77 ℃，可见，新型散热器可以很好的解决150 WLED路灯的散热问题；

3)分别对市面上常见的150 W、180 W和200 W三种功率的路灯安装新型散热器进行稳态热模拟，结果表明，180 W时路灯系统局部最高温度为69.69 ℃，平均结温达到66.87 ℃，可见随着功率的增大，系统温升较大，但新型散热器仍能保证路灯系统维持在较低的温度下正常工作；200 W时路灯系统的局部最高温度则达到了86.88 ℃，平均结温升高至83.23 ℃，如此大的温度已有可能对系统的正常工作造成影响，可能会由于芯片结温过高而失效，进而引起LED灯珠的坏死，可见，新型散热器应用在200 W功率级别的路灯上已不能取得较好的散热效果，需要对散热器进行改进设计。

[1] 刘木清. LED对照明学科的深远影响[J]. 照明工程学报，2014,25(6):1-7.

[2] CHENG Hui Huang, HUANG De-shau, LIN Ming-tzer. Heat dissipation design and analysis of high power LED array using the finite element method[J]. Microelectronics Reliability, 2012, 52(6): 905-911.

[3] WAN Z M, Liu J, SUN K L, et al. Flow and heat transfer in porous micro heat sink for thermal management of high power LEDs[J]. Microelectronics Journal. 2011,42(5): 632-637

[4] ARIK M, UTTURKAR Y, WEAVER S. Immersion Cooling of Light Emitting Diodes[C]. Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems(ITherm), 2010 12th IEEE Intersociety Conference.

[5] 王永翔, 万忠民, 常华伟, 等. 多孔微热沉大功率LED阵列散热数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2015, 36(1): 158-162.

[6] 鲁祥友, 华泽钊, 王宴平, 等. 一种回路热管对大功率LED散热的影响[J]. 光电子·激光, 2012, 23(9): 1676-1680.

[7] 李志, 贾力, 魏文博. 基于板式脉动热管的LED自然对流冷却实验研究[J]. 工程热物理学报, 2013, 34(7): 1361-1364.

[8] 田水, 杨俊, 王海波. 大功率LED热管散热器研究[J]. 照明工程学报, 2013, 24(2):44-48.

[9] 王宏燕, 邓月超, 赵耀华, 等. 平板微热管阵列在LED散热装置中的应用[J]. 半导体技术, 2012, 37(3): 240-244.

[10] 赵耀华, 王宏燕, 刁彦华, 等. 平板微热管阵列及其传热特性[J]. 化工学报, 2011, 62(2): 336-343.

[11] 邓阿强, 贾力, 许文云. 板式脉动热管用于LED散热研究[J]. 工程热物理学报, 2012, 33(9): 1567-1570.

Study on Thermal Dissipation of High-power LED Lamps Based on Flat Micro-heat Pipe Arrays

LIANG Feng1，ZHAO Lianyu1，ZHANG Hui3, YUE Youjun2

(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology， Tianjin300384, China；2.SchoolofAutomation,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China；3.TianjinEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Tianjin300201,China)

High-power LED lamps is considered to be the future of lighting industry, however, there are some obstacles such as heat dissipation problem that prevent its popular using. This essay suggests a new type radiator that combined flat micro-heat pipe arrays and traditional fin radiator for high-power LED lamps. Firstly, we tested the heat performance of MHPA experimentally, the results indicate that the MHPA has rapid startup, excellent temperature uniformity, and heat flux peaked at 117.2 W/cm2when evaporator section temperature was 53 ℃. Then we built 3-D models of LED lamps system, completed steady-heat-thermal analysis in ANSYS Workbench using Finite Element Method, the results of numerical analysis demonstrated the new radiator gets ability in dealing with heat dissipation problem of high-power LED lamps.

high-power LED; micro-heat pipe arrays(MHPA); heat dissipation; numerical analysis

赵连玉，E-mail: lianyuzhao@163.com

TN312.8; TK172.4

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.021

项目资助：天津市科技计划项目(13ZCZDGX03200)