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大功率LED散热用回路热管传热性能研究

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大功率LED散热用回路热管传热性能研究
作者： 作者单位： 鲁祥友， 华泽钊， 刘美静， 程远霞 上海理工大学动力工程学院,上海200093
[1] Arik M, Weaver S. Chip scale thermal management of high brightness LED packages. Proc. SPIE, 2004, 5530:214-223. [2] Hong E, Narendran N. A method for projecting useful life of LED lighting systems . Third International Conference on Solid State Lighting, Proc. SPIE .2004, 5187:93-99. [3] Yang L, Jang S, Hwang W, et al. Thermal analysis of high power GaN-based LEDs with ceramic package. Thermochimica Acta , 2007,455:95– 99. [4] Sheu G J, Hwu F S, Tu S H, et al. The heat dissipation performance of LED applied a MHP. Proc. SPIE, 2005, 5941:13-20. [5] Shin M W. Thermal design of high-power LED package and system. Proc. SPIE, 2006, 6355:9-21. [6] Kim L, Choi J H, Jang S H, et al. Thermal analysis of LED array system with heat pipe. Thermochimica Acta , 2007,455:21– 25.
中国工程热物理学会 学术会议论文
传热传质学 编号： 083173
大功率 LED 散热用回路热管传热性能研究
鲁祥友， ，华泽钊，刘美静，程远霞
（上海理工大学动力工程学院，上海 200093） (Tel:13512119677, Email:gaoyunwansu@) 摘要 提出了一种用于大功率LED（light emitting diode）散热的回路热管；研究了热负荷、倾角、 加热方式等对热管的起动性、 均温性、 热阻等影响。 研究结果表明： 热管的热阻在 0.19 K / W ~ 3.1K / W 之间，蒸发器的均温性被控制在1℃以内，满足大功率LED封装的均温性要求，在热负荷为100W时，蒸 发器的温度被控制在100℃以下，满足大功率LED结点温度的控制要求。 关键词 大功率LED；回路热管；热阻；平板式蒸发器
资助项目：国家自然科学基金资助项目(No.50676063)；上海市重点学科建设项目(T0503;P0502)
温点分布: T1为蒸发器出口温度测点，T2为冷凝器入口温度测点，T3～ T8为冷凝器上各 测点， T9为冷凝器出口温度测点，T10为蒸发器入口温度测点，T11～T15为薄膜电阻加热 器的测温点， T16～ T20为蒸发器的测温点。本试 8 9 A 验用薄膜电阻加热器模拟大功率LED芯片，如图1 T 7 6 1 所示，将薄膜电阻加热器贴在回路热管蒸发器壁 T10 面，仅与热管接触的面能够传递热量，其余面都 采用绝热材料保温。为了便于观察热管内部工质 1 A Qin 5 的流动状态，在蒸汽管路、储液器和液体管路上 10 2 3 T5 T6 4 T3 T4 各加装了观察孔，此观察孔为透明的石英玻璃和 连接装置组成。 T2 T9 1.2 实验条件 9 T7 T8 Qout 蒸发器:长×宽×高=70mm×55 mm×8mm； 蒸汽 8 管路：Φ6×140mm，管壁厚为１mm；液体管路： T11～T15 T16～T20 Φ6×1100mm，管壁厚为１mm；充液率（工质体积 2 1 10 与环路总体积比） ：50％； A-A 薄膜电阻加热器：加热功率为120W，厚度 1.蒸发器 2.循环管 3.冷凝器 0.2mm，面积 70 mm ×55 mm ,通过导热绝缘胶与 4.工质 5.储液器 6.蒸气挡板 蒸发器壁贴合； 冷凝器的冷却方式： 自然风冷却， 7.小孔 8.翅片 9.蒸汽槽道 10.丝网 风速约为 1m/s，由风速仪测定；蒸汽压力测量： 图 1 热管及其测温点布置示意图 压力传感器；试验的环境温度：25℃；试验用铜 丝网的目数：500 目。 2.1热管的启动特性 图 2 为不同负荷下热管的启动曲线 （蒸发器 水平放置,上加热） 。对于大功率 LED 系统而言， 随着输入功率的增加， 散热量将呈线性增加， 这 就要求热管要能够在不同的输入功率条件下， 能 够迅速的启动， 而且启动后热管各测量点的温度 要能够在规定的误差范围内保持稳定。实验中, 当热电偶温度在 5min 内波动幅度小于±1℃时, 即认为热管已处于稳定工作状态。分析图 2 可 知：所设计的回路热管在输入功率为 5W 和 85W 时，热管的启动时间分别为 7min 和 5min，可见 负荷增加有利于热管启动， 薄膜电阻的温度分别 被控制在 36℃和 90℃左右，很好地满足了大功 率 LED 的散热结点温度的控制要求。 2.2 蒸发器的均温性 由于大功率 LED 芯片是通过焊接或者粘结 的方式连接到蒸发器壁面上的， 所以蒸发器壁面
温度/℃
2 试验结果与分析
40 36 34 32 30 28 26 24 22
T11～T15
T16～T20
T2
T9
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 时间/min (a)5W
100 90 80 70 T11～T15 T2 60 T16～T20 T9 50 40 30 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 时间/min (b)85W 图 2 不同热负荷下热管启动曲线
温度/℃ 温度/℃ 热阻/K/W
上，回路热管的热阻定义为： R
TE TC Q
Байду номын сангаас
，式
中： R 为热阻， TE 为蒸发器的温度， TC 为冷凝器 的平均温度， Q 为输入功率。图5为蒸发器在不同
3.3 2.9 2.5 2.1 1.7 1.3 0.9 0.5 0.1
热负荷/W 倾斜角度、不同加热方式及不同热负荷的条件下热 图 5 热阻与热负荷的关系曲线 阻变化曲线。分析图5可知：在小功率负荷时，蒸 发器上壁加热时的热管的热阻要比下壁加热时热管的热阻小的多，这说明在小负荷时， 上部加热方式热管的性能更好，但是，随着功率的增大，两种加热方式的回路的热阻都 逐渐减小，并且都趋向平缓，100W时的热阻都约为0.19K/W，一般的电子散热装置的热 阻只能达到0.5 K/W左右。
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100
5
30º,上加热 30º,下加热 0º,下加热 0º,上加热
3 结
论
（1）研制了一种应用在大功率LED散热上的回路热管装置。 （2）研究了热负荷、倾角、加热方式等对热管的起动性、均温性、热阻等的影响， 试验结果表明， 所设计的热管散热器的热阻在 0.19 K / W ~ 3.1K / W 之间， 蒸发器的均 温性被控制在1℃以内，满足大功率LED封装的均温性要求，在热负荷为100W时，蒸发器 的温度被控制在100℃以下，满足大功率LED结点温度的控制要求。 参考文献
温度/℃
要有良好的均温性， 所设计的热管结合了先进 82 的热管散热技术和冷板散热技术二者的优势， 80 提供了一种既能将大功率 LED 发出的热量带 78 85W 85W T16 走， 又能为大功率 LED 提供均温性良好的安装 76 T17 74 支承表面 （平板式蒸发器的壁面类似冷板的两 T18 72 个大表面） 。 图 3 为输入功率由 85W 变化到 50W， 50W T19 70 再回到 85W 的变负荷工况下热管蒸发器壁面 68 T20 温度曲线 （蒸发器水平放置,上加热） 。 T16～T20 66 60 90 120 150 180 30 0 为蒸发器壁面测温点，其布置方式见图 1。分 时间 /min 析图 3 可知：变负荷时，蒸发器的均温性被 图 3 变负荷时蒸发器各测点温度 控制在 1℃以内，在 85W 时，蒸发器壁的温 120 度为 80℃左右，50W 时蒸发器壁的温度为 69℃ 100 左右，具有良好的均温性。 2.3 加热方式及倾斜角度对蒸发器温度的影响 80 图4为蒸发器在不同倾斜角度、不同加热方式 60 0º,下加热 及不同热负荷的条件下温度变化曲线。大功率LED 30º,下加热 40 0º,上加热 在不同的应用场合要求有不同的安装角度及不同 20 30º,上加热 的二次光学设计，所以，在改变蒸发器与水平方 0 向呈不同角的前提下（ 0 ~ 30 ） ，在改变蒸发器 热负荷/W 不同的加热方式（上加热或者下加热）的条件下， 图 4 蒸发器温度与负荷的关系 研究了在改变大功率LED热负荷时，蒸发器的温度 变化。分析图4可知：在蒸发器的倾斜角度在 0 ~ 30 之间变化及蒸发器采取不同的加 热方式时， 热管蒸发器的温度都能够很好地被控制在100℃以下，可以满足大功率LED 的散热管理需要。 2.4 蒸发器加热方式及倾斜角度对热管热阻的影响 热管所有内部性能最后都反映在热管的热阻
1 试验用回路热管及试验条件
1.1 回路热管及其测温点布置 为了便于大功率LED的封装，提出一种平板式蒸发器回路热管结构，如图1所示，包 括蒸发器 、循环管 、冷凝器 、储液器四个部分。蒸发器为平板状，回路热管运行时， 液体工质在蒸发器内吸收热量蒸发， 产生的蒸汽通过循环管进入冷凝器后放出热量冷凝 成液体，而毛细结构的毛细力再使液体沿着循环管的管壁上的小孔回流到蒸发器中的 丝网毛细结构中， 如此形成了一个工质的流动循环和热量传递过程。 本试验用热管为铜 -水热管，即热管的材料为铜，工质是二次蒸馏水，从经济的角度出发，毛细结构采用 的是与水具有亲和力的铜丝网。温度采用铜—康铜热电偶测量，测量误差为0.1℃，测

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关于大功率LED灯具的散热结构设计

关于大功率LED灯具的散热结构设计

关于大功率LED灯具的散热结构设计[摘要]大功率LED灯具，因功率相对较大，对散热性能层面的要求更高，因此，设计者要更加重视对其内部散热结构的合理设计工作。

鉴于此，本文主要探讨大功率LED灯具内部散热结构的合理设计，仅供参考。

[关键词]LED灯具；大功率；散热结构；合理设计；前言：伴随现代人们对LED灯具实际需求量的不断增加，LED灯具生产制造得以持续发展，对其内部散热结构也提出了更高要求，尤其是针对大功率LED灯具而言，其散热性能层面要求较高，若想充分满足这些实际需求，那么做好大功率LED灯具内部散热结构合理设计，对大功率LED灯具内部散热结构的合理设计开展综合分析较为必要。

1、关于大功率的LED灯具及其散热装置概述大功率的LED灯具，从属一种LED的节能灯具，与小功率的LED节能灯具相比，大功率的LED节能灯具呈更高单颗功率，更高亮度及价格。

从能量层面分析，热属于能量传递的一种方式，并非属于能量。

外部能量在冲击分子情况下，能量会经高能分子逐渐传递给其底部分子。

而若是以微观角度分析，则能量偶传递的便是热。

对于热量传递，以热传导、对流、辐射这几种方式为主[1]。

除LED的芯片之外，LED灯具内部散热装置接触导热是否良好，是保证LED灯具实现稳定照明一方面重要因素。

故而，有必要提高对大功率LED灯具内部散热装置结构、制作及安装各项工作重视度。

经热对流和热传导，确保大功率的LED灯具内部热量可被疏散至空气环境当中，散热装置通过提升自身导热能力，扩大散热的有效面积，确保自身更具散热性，满足大功率的LED灯具正常照明需求。

可以说，大功率的LED灯具内部散热装置所起到作用以散热及防护为主。

2、结构设计2.1 在设计方法及材料选用层面一是，在设计方法层面。

1A、700mA、500mA 均属于大功率LED的驱动电流，功率较大情况下，荧光粉老化加速、出光率下降、LED芯片当中热量积聚等相关问题的出现，致使较大功率LED灯具内部散热装置使用寿命无法得到保证。

大功率LED灯的散热性能分析

大功率LED灯的散热性能分析

大功率LED灯的散热性能分析【摘要】大功率LED灯在使用过程中会产生大量的热量，而良好的散热性能对LED灯的性能和寿命至关重要。

本文通过分析LED灯的发热原因，探讨了不同的散热方式及原理，介绍了散热材料与结构设计的重要性。

在散热性能测试方法方面，我们讨论了各种测试方法的优缺点，并提出了一些改进的建议。

结合实际案例，我们总结了一些提升大功率LED灯散热性能的有效措施。

通过本文的内容，读者可以全面了解大功率LED灯的散热性能分析，为LED照明产品的设计和选购提供参考。

【关键词】大功率LED灯、散热性能、发热原因、散热方式、散热材料、结构设计、性能测试方法、改进措施、结论1. 引言1.1 大功率LED灯的散热性能分析大功率LED灯的散热性能分析是LED照明领域中一个非常重要的课题。

由于LED灯具有高光效、长寿命等优点，被广泛应用于各种场所，尤其是大功率LED灯。

随着LED功率不断增加，LED发热量也相应增加，导致灯具温度过高，影响灯具的使用寿命和光效。

对大功率LED灯的散热性能进行分析和改进具有十分重要的意义。

在大功率LED灯的散热性能分析中，需要对LED灯的发热原因进行深入分析。

LED灯的发热主要来源于LED芯片在工作时产生的热量，而LED芯片的工作温度会直接影响LED的发光效率和寿命。

了解LED 灯的发热原因对于提高LED灯的散热效果至关重要。

除了了解LED灯的发热原因外，还需对LED灯的散热方式及原理进行深入探讨。

常见的LED散热方式包括空气散热、风冷散热、水冷散热等，不同的散热方式有不同的原理和适用条件，选择合适的散热方式对于提高LED灯的散热效果十分重要。

大功率LED灯的散热性能分析是一个复杂而重要的课题，需要综合考虑LED灯的发热原因、散热方式及原理、散热材料与结构设计以及散热性能测试方法等因素，通过科学的分析和改进措施提高LED灯的散热性能，确保LED灯长期稳定工作。

2. 正文2.1 LED灯的发热原因分析LED灯具有高效、节能等优势，但是在工作过程中仍然会产生较大的热量，主要原因如下：1. 光电转换效率不足：LED灯在发光的同时会产生一定的热量，由于光电转换效率不是100%，所以部分电能会转化为热能导致发热。

大功率LED的散热研究设计方案

大功率LED的散热研究设计方案

大功率LED的散热设计方案近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。

与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。

例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。

2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。

又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。

从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。

Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。

这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。

前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。

如1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等。

这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。

为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED 来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。

例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用Φ5白光LED则要几百个。

另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为65lm的强光手电筒，照射距离可达几十M。

若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。

图1 结温TJ与相对出光率关系图用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。

如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。

在节能和环保两大需求的强力推动下LED的应用己从早年的指示、显示和装饰逐步走向照明领域。

大功率LED灯具的散热结构设计研究

大功率LED灯具的散热结构设计研究

大功率LED灯具的散热结构设计研究摘要：在现代照明领域，LED灯具凭借其高效节能、长寿命和无汞等优点成为主流选择。

然而，由于大功率LED灯具在工作过程中会产生大量热能，散热问题成为设计和制造LED灯具时需要重点考虑的因素之一。

基于此，本文简单讨论大功率LED灯具的散热结构设计优势，深入探讨设计要点，以供参考。

关键词：散热结构；散热材料；风扇参数前言：散热是影响LED灯具性能和寿命的关键因素之一。

当LED灯具长时间处于高温环境下运行时，LED芯片和电子元件的工作温度会不断升高，如果散热不良，将导致电流驱动下LED芯片的发光效率下降，甚至出现过热而损坏的情况。

因此，为了确保LED灯具长期稳定高效运行，合理设计散热结构至关重要。

1.大功率LED灯具的散热结构设计优势大功率LED灯具的散热结构设计的优势主要包括以下几点：第一，散热效果好。

LED灯具在工作时会产生大量的热量，如果不能有效地散热，会导致LED芯片温度过高，影响其寿命和光学性能。

通过优化散热结构设计，可以提高热量的传导和散发效率，确保LED芯片的温度在正常范围内。

第二，增强信号灯可靠性。

大功率LED灯具通常在信号灯、车灯等应用中使用，对可靠性要求较高。

良好的散热结构设计可以减轻LED芯片的工作温度，降低温度引起的膨胀和收缩对焊点的压力，从而减少焊接部位的损坏和故障的发生，提高信号灯的可靠性。

第三，延长LED寿命。

LED的寿命与工作温度密切相关，温度过高会缩短LED的使用寿命。

优秀的散热结构设计可以有效降低LED芯片的工作温度，延长LED的寿命，降低维护成本。

第四，减少空间占用。

大功率LED灯具通常需要较大的散热面积，以提供足够的散热效果。

通过设计紧凑、高效的散热结构，可以减少散热器在灯具内部所占据的空间，从而减小整个灯具的体积。

第五，提升灯具效率。

优秀的散热结构设计可以降低LED芯片的工作温度，减少能量的损耗，提高LED灯具的发光效率，从而节约能源和降低使用成本。