一种新型平板式大功率LED照明装置微热管散热方案

图2单片翅片模拟结果图。(a)翅片温度分布图；(b)翅片温度梯度分布；(c)翅片热流密度分布。

图3为翅片间距分别为2mm和3mm的单排翅片温度分布情况。翅片间距为2mm时，各翅片温度分布不均匀，相邻翅片存在明显温差，如图3(a)所示。翅片间距为3mm时，各翅片温度分布基本一致，翅片与微热管接触的部位温度较高，穿孔处可达到60℃。可见，翅片间距对LED散热有直接的影响。相同条件下，翅片温差越小越好，因为对流传热是由空气与翅片的温度梯度驱动的。因此，本照明装置采用的翅片间距为3mm。

图3不同间距的翅片的温度分布图。

图4为单排LED模组的温度分布情况。芯片结温TJ=TC+PD·RJC,其中TC为散热衬底的温度，PD为LED的功耗，RJC为LED芯片结点到散热衬底的热阻。图4(a)为使用等直径铜管散热器的情况，芯片衬底的最高温度可达92.8℃，TJ=103.6℃。LED芯片在较高温度下工作，会影响芯片的使用寿命和出光效率。

图4(b)为使用微热管散热器的情况，TC最高为65℃，TJ为73℃，LED芯片的温度大大降低。

图4LED模组温度分布图。(a)铜管散热器；(b)微热管散热器。

图5LED照明装置模型温度分布(a)和热流密度分布(b)。

图5(a)为整个LED照明装置的温度分布图。翅片温度分布与单片的近似，每排翅片以及同排不同位置的翅片温度分布都基本相同。LED芯片衬底的最高温度为67℃，换算后结温为75℃，产生在3和4排铝基电路板中间位置的LED芯片上，与实验结果吻合。模组间距、翅片间距以及翅片本身的参数都有待进一步优化，可使此模型获得更好的散热效果。模拟结果的温度分布和实验测得的温度分布情况是吻合的，因此可以用模拟结果来一步核算每个散热模块的散热量。整个LED照明装置模型的热流密度分布如图5(b)所示，其平均热流密度为100W/m2，模组的传热量为平均热流密度与散热面积之积。因此，可计算单个模组的最大传热量为38W，略小于单个模组的最大散热理论计算值，这主要是因为在模拟分析时考虑了热场的耦合效应，使得对流散热作用减弱，传热量减小。

5实验及结果分析

该照明装置采用了两种实验方法进行对比测试分析。一种是采用非接触式红外温度测试仪测量LED芯片和翅片表面温度，其结果可以直观地反映结点温度的大小，如图6所示。另一种是采用K型热电偶对关键特征点进行接触式测量，如图7所示。

图6红外温度测试装置。

图7热电偶测温装置。

在红外测温方法中，LED表面的温度由红外测温仪直接测得，实验误差主要源于红外测温仪自身的误差(约为0.1℃)。在热电偶测温方法中，各个点的温度值由热电偶直接测得，误差主要由热电偶的测量误差和多次测量的读数误差组成。实验用热电偶为标准NiCr-NiSi的K型热电偶，在温度范围为－30～150℃时，绝对测量误差为0.2℃，相对测量误差为0.75%；读数的绝对误差为1℃，相对误差为1%。所以总的绝对误差为1.2℃，相对误差为1.75%。

图8为不同导热铝基电路板热平衡时的温度分布图和曲线。红外测温时，环境温度为30℃，且系统已运行60min达到热平衡。芯片衬底最高温度为67.7℃，经换算得LED芯片最高结温为75.7℃，芯片衬底最低温度为60℃(两基板中间空隙空气温度约为40℃)。基板的表面温度约为67℃，两侧的温度稍低于中间温度。2~5排温度分布相近，1，6排温度较低。2~5排基板周围热场干扰大，空气流动较弱，热量不易被带走，从而使其温度高于1，6排。实验结果表明，采用微热管散热方案，大功率LED芯片可以长时间工作，这表明该散热方案具有实用价值。

图8不同导热基板温度分布图和曲线。

图9不同排翅片表面的稳定温度分布图和曲线。

图9为LED翅片表面热平衡时的温度分布图和曲线，顺序与基板顺序相同，翅片表面最高温度为60.3℃，最低温度为52.8℃(两排翅片中间空隙空气温度约为46.9℃)。翅片表面温度中间高，两侧低，中间排翅片温度较高。此排翅片温度升高主要是对流散热效果不佳、热量不能及时对流到空气中所致。为使中间翅片获得更好的散热效果，可在适当的位置加风扇强排。

实验过程中，LED电源有一定的发热量，会使芯片组周围空气温度升高，在一定程度上增加对流散热的困难性。因此，在实际应用中，可以考虑将电源单独放置。红外温度测试仪只能拍摄到某一平面的温度分布情况，温度会有些误差，但是可以用其代表LED系统整体温度分布状况，因为红外测温与热电偶直接测量结果一致。

图10为7个模组上相同位置点的热电偶测温得到的温度分布曲线。图中可以看出，各点在7个模组上的温度基本成正态分布，最高温度为61.2℃，最低温度为53.6℃，与红外温度测试仪测得的温度分布相吻合。在单个模组的不同点上，点1和点2的温度基本相等，点3的温度最低，因为点3处在模组翅片的最外层。图11为A，B，C，D4片翅片上不同点的温度分布。由理论知识可知，单片翅片上的温度成对称分布，所以在其1/4面积上取了5个点，点的位置分布如图12所示。可见翅片在整体翅片中的位置对翅片温度有很大的影响，而各片翅片的温度分布情况是一致的，离热管中心越远其温度越低，因为在热传导过程中温度会降低。