热管散热大功率LED路灯原理与灯具结构设计

摘  要  半导体发光技术应用于照明，因其光学指标与热特性密切相关，应用大功率多芯片集成封装LED为光源，合理利用热管的可调节热流密度的特性进行散热系统、光学配光和灯具结构设计，系统地解决了LED灯具设计与应用的难题。

    关键词 热管散热 LED灯具

一．散热原理及计算

1、热管散热原理：假设热管蒸发段与冷凝段的温差为零

Qe≈Qc 散热则有q_e≥q_c

Le·πd≤Lc·πd

Le≤Lc

q_c=Qc/ (Lc·πd)

式中：Qe－蒸发段热流量，Qc－冷凝段热流量， q_e－蒸发段热流密度，

q_c－冷凝段热流密度， Le－蒸发段长度， Lc－冷凝段长度， d－热管直径。

q_c与散热片材料特性相适应就可以实现散热，减小q_c则更有利于散热，可以通过增大冷凝段长度Lc和加大热管直径d来减小冷凝段热流密度q_c。

2、自然对流散热原理：热空气上升，冷空气下降，是因为阿基米德浮力与重力场的原因，形成空气自然对流的动力。

F=（ρ-ρ_f ）V=Δρg V

Δρ=ρ-ρ_f

式中：ρ_f－高温空气密度，g－重力加速度，ρ－空气密度，V－散热器计算空间体积，F－浮力合力，Δρ－温差下的密度差。

温度升高时密度ρ减小，Δρ为负值，浮力合力F为负值，空气产生上浮。

散热量Q=α·A· Δt

式中：α—对流换热表面传热系数，A—换热面积，Δt =(T₂-T₁)—散热片出口处空气温度T₂与进口处空气温度T₁的温差，出口处空气温度T₂最高不超过散热片的壁面温度，即(T₂-T₁)有最大可能的数值。

自然对流  Nu=C·（Gr·Pr）ⁿ   

努塞尔数 Nu=αL/λ

雷诺数 Re=uL/v=GL/μ

普朗特数 Pr=v/a=c_pμ/λ

格拉晓夫数 Gr=L³α_vgΔt/v²= L³α_vgρ²Δt/μ²

式中：L－特征尺寸，u－流体速度，G－流体质量速度，c_p－流体比定压热容，μ－流体动力黏度，λ－流体导热系数，v－流体运动黏度，α_v－流体膨胀系数，g－重力加速度，a－流体扩散系数，Δt－流体与壁面温差，系数C和指数n可从表中查得。故求出Nu，则可得出对流表面传热系数α= Nuλ/ L。

在紧凑式传热型面中，则应该引用柯尔朋传热因子j=C₁Reⁿ¹，C₁和n₁为实验数据，可查表得。确定j值后，则α=jGc_p/Pr^2/3=jGc_pPr^-2/3 

从上式可以得出，最有效提高散热量的方法是提高散热面积A或者改变特征尺寸L。

二．灯具结构

图1,2,3所示灯具设有上下灯体、反光器和玻璃，可以开合，LED连接到置于反光器焦点上的热汇，通过热汇和热管将热量传到外面的散热器上，用自然对流的方法散到大气中，保证多芯片集成封装LED模组正常的运行环境。

图1热管散热LED路灯内部结构

图2热管散热LED路灯210W

灯具上下壳体为铝压铸件，壳体有适当的通风口，造型较为美观，散热器外形尺寸与灯具本体截面尺寸相匹配，使其形体协调一致。上下壳体之间的子口内装有硅橡胶密封条，扣件可以开合，保证防护等级达到IP65。灯具内设置了光学反射器，材质纯铝阳极氧化，保证能按道路照明要求实施科学配光，提高了灯具效率。下壳体上装有钢化玻璃和LED恒流源，较为方便维护。热管与灯具本体之间安装有密封接头，灯杆连接件的端部安装有电缆防水接头。

图3热管散热LED路灯210W

三．热管散热系统

图4，5所示用螺栓使LED与热汇连接，用螺栓将热管的一端与热汇连接，另一端与散热器连接，LED和热汇置于反光器的焦点上，由散热片自然对流实现有效的散热。

图4热管散热LED路灯散热系统

图5热管散热LED路灯热汇结构

   热管是一个管状密封真空腔体，内部有管状毛细装置其外壁与真空管内壁紧密结合，并填充适量的工质。其中毛细装置由多孔毛细物质组成，其一端为蒸发段，另一端为冷凝段，中部为绝热段，其原理是利用热源于蒸发段加热工质，使其蒸发，蒸汽流向冷凝段，遇冷源后凝结成液态，在毛细装置中靠毛细作用使液相工质由冷凝段回流到蒸发段，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的。热管在进行相变过程中将吸收和释放大量的热量，因此与其它传热方式相比，热管具有以下几个主要优点：

1、热响应速度快：由于热管壳体内部为真空状态（一般为1.3×10^-1~10^-3pa）工作介质的相变温度远低于常压下的沸点温度（启动温度低），内部流体的流动阻力小。因此，热管的传热系数一般为金属银的40-1000倍。

2、等温性能好：由于具有非常高的导热性能，因此热管的等温性能是其它材料所无法比拟的。一般一根长十米的热管，其两端温差为2- 3度。

3、热流密度可调性：热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积，即以较小加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，反之亦然，这样即可以调整热流密度，解决了一些其它方法无法解决的传热难题。

4、体积小、重量轻：由于热管具有高的导热性能、优良的等温特性，无需外加辅助动力设备，因此它与传统的铝型材散热器相比较，在热阻相同的条件下，尺寸和重量要小1/3~1/2左右。

5、运行安全可靠，不污染环境：热管的工作介质在封闭的腔体内进行工作，封口采用国际先进的焊接技术，工作介质数量少，即使泄漏也不可能造成电气事故。

6、其工作寿命一般为20年，它所采用的制造材料不会对环境产生任何的污染，是一种环保安全的热元件。

四．LED光源选用与灯具的优点

图6 多芯片集成封装LED

1、选用多芯片集成封装LED，总光通量大，功率最大可至200w；

2、第三，四代先进多芯片集成封装LED模组，LED光源封装尺寸较小，40-100w外形尺寸40*55mm，标准化程度高；

3、可以用不同颜色芯片配色成三基色，减少依靠荧光粉，减少荧光粉的老化，可靠性增强。

4、多芯片封装，热阻小，70wLED的热阻R=RJc/n,n=70,0.1k/w；

5、热通路全部螺栓连接紧密，不易变形牢固可靠，热通路连接热阻小，0.1K/w

6、有利于灯具结构设计，设有压铸成型上下壳体、反光器和玻璃，上下壳体可以开合，LED连接到置于反光器焦点上的热汇，通过热汇和热管将热量传到外面的散热器上，以自然对流的方法散到大气中，保证多芯片集成封装LED模组正常的运行环境。

7、设置反光器，配光灵活，灯具利用系数高。

8、灯具的安全性能和密封性能易于保证，防护等级IP55-IP65；

9、可维护性高，维修简单，LED和电源均已成标准化模组。

10、散热措施：利用热管调整热流密度，适应散热片在自然对流工况下的运行能力，为科学合理完善的散热系统。

11、散热片性能较好，高纯铝AA1050的导热系数高于挤压成型的铝合金AA6063，厚度较薄，散热效率高，重量轻，成本低，经济合理。

12、灯具的散热能力能够合理设计，散热面积大小变化灵活。

13、 能实现科学的光学配光，确保灯具的照明质量，无炫光，均匀度高，能满足各种配光要求。

14、由于热管散热系统的合理应用于LED路灯，LED光衰减少，使用寿命提高，可以科学合理地控制LED热沉上的温度。

参考文献：

［1］       电子设备热设计及分析技术（第2版）余建祖 高红霞 谢永奇 –北京：北京航空航天大学出版社，2008.11

［2］       卫星热控技术 闵桂荣 张正纲 何知朱 –北京：中国宇航出版社，2009.8

［3］       热管节能技术 张红 杨峻 庄俊 --北京：化学工业出版社，2009.5

［4］       LED热设计与工程应用 周志敏，纪爱华  -北京：电子工业出版社，2012.1

［5］       固体照明导论 A·茹考斯卡斯 黄世华译 –北京：化学工业出版社，2004