LED是一种新型半导体固态光源，具有低功耗、长寿命等显著优点。因此，在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED 半导体照明已被公认为是一种节能环保的重要途径[1].
研究表明[1]，大功率LED 电光转换效率约为20% ，剩余的80% 转化为热能，由于芯片尺寸仅为1 mm × 1 mm ～ 2. 15 mm × 2. 15 mm，导致芯片的功率密度很大. 与传统照明器件不同，白光LED 发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放. 对于单个LED 而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则极易导致芯片温度升高，从而引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降. 毛德丰等人研究表明[2]，当结温超过80 ℃时，LED 寿命、光通量输出等参数迅速减小. 陈伟等人研究表明[3]，利用微喷射流冷却，LED 输入功率为9. 3 W 时，结点温度为54. 3 ℃. 马璐等人研究表明[4]，利用液态金属冷却，LED 输入功率为25. 7 W 时，基板温度为33. 1 ℃.
本文旨在针对80 W 大功率LED 在环境温度为22 ℃、自然对流冷却的条件下提出一种散热基板———热管散热系统，使结温有效地控制在75 ℃ 以下. 该散热基板采用隧道式结构，因为系统内部工质在一定数值的压力范围内工作、灌装量合理，从而能使集中热量快速均匀地铺展开，基板热流密度超过4 ～ 5 W/ cm2 . 在此基础上，本文研究了LED 输入功率和散热器倾斜角度对结温和照度的影响。
1 实验系统
1. 1 实验装置与实验方法
实验装置如图1 所示，实验系统分为3 个部分: LED 散热系统、测量系统和数据采集系统. LED 散热系统: LED 光源a ( 型号V-GY70P70N8024BW，额定功率80 W) 通过双路稳压稳流电源b ( 型号DH1718E( G) ，最大输出电压35 V，最大输出电流10 A) 供电; 在LED 光源背部贴有散热基板c( 又称取热器) ，由散热基板c 导出的热量通过热管散热器d 传给环境. 测量系统: 为了方便测量、并有效显示散热基板———热管散热系统的均温特性，本系统沿工质流动方向共布置15 根T 型热电偶e. 1 号热电偶测量散热基板中心温度，2、3 号热电偶分别测量散热基板平面对角线位置的温度，4、14 号热电偶分别测量冷凝器出口和入口温度，5、13 号热电偶分别测量蒸发器入口和出口温度，6 ～ 12 号热电偶均匀、对称布置在散热器铜管不同位置测量散热器温度，15 号热电偶测量LED 结点温度. 实验过程中，当各测量温度值在10 min 内变化范围小于± 0. 1 ℃时，可认为散热系统进入稳定工况. 数据采集系统: 温度信号通过Agilent 34970A 数据采集器f 传输到计算机g，对热电偶e 所测温度进行实时监测和分析处理; 同时，借助Fluke Ti55 便携式红外热成像仪对散热器表面温度分布均匀性进行监测，选用TES-1330A 照度计测量LED 光源的照度，照度计距离LED 光源的垂直距离为1. 2 m.
1. 2 散热基板设计
本文中LED 散热基板结构如图2 所示，尺寸为50 mm × 50 mm × 5 mm，该散热基板采用隧道式结构，因为其真空度高、灌装量合理，从而能够使集中热量快速均匀地铺展开，其热流密度大于4 ～ 5 W/ cm2 。
图2 散热基板结构示意图
文中所采用的大功率LED 光源是一个额定功率为80 W 的多芯片模组，即80 个1W 的LED 芯片封装在半径约为25 mm 的模块中.
假定LED 光源在输入额定功率的情况下，有80% 的能量转换为了热能
2 实验结果与讨论
2. 1 散热器水平放置时的工况研究
图3 为散热器水平放置、LED 照射方向竖直向下时，散热基板中心温度与LED 结点温度随LED 输入功率的变化曲线. 由图3 可看出，散热基板中心温度随输入功率的增大而近似呈线性增大，这与刘召军等[5]的研究结论相一致; LED 结点温度随输入功率的增大而增大，且增大趋势在达到额定功率前后变大.
图4 为散热器水平放置、LED 照射方向竖直向下时，LED 的照度随输入功率变化曲线. 由图4 可以看出，LED 的照度随输入功率的增大而增加，当输入功率达到额定功率以前，照度的增大趋势明显; 当输入功率达到额定功率以后，照度的增大趋势趋于平缓。
图5 为散热器水平放置、LED 输入功率为额定功率80 W 时，散热器不同位置的温度分布情况. 由图5 可以看出，散热器温度分布均匀，最大温差不超过6. 1 ℃，且最高温度不超过42. 0 ℃。
2. 2 散热器倾斜放置时的工况研究
散热器倾斜角为LED 照射方向与竖直向下方向之间的夹角. 在实际应用中，LED 灯具有时需要倾斜安装，比如路灯的最佳倾斜角度为12° ～ 20°，而太阳能路灯的倾角则根据当地纬度的不同有所改变，但是一般不会超过20°[6]. 针对这种情况，本文研究当LED 输入功率为额定功率80 W 时，散热器倾斜角度从0°到30°之间改变时LED 的散热情况.
图6 为散热基板中心温度随散热器倾斜角度变化曲线. 由图6 可以看出，当散热器倾角在10° 到30°之间时，随着倾斜角度的增加，散热基板中心温度总体呈增大趋势，但15°左右倾角对应的散热基板中心温度有所降低，其原因是此时热管内的工质回流较为顺畅，而30°左右倾角对应的散热效果最差，这与刘召军[5]、鲁祥友等[7]所得结论相一致。
借助Fluke Ti55 便携式红外热成像仪对散热器表面温度分布的均匀性进行监测，其中热成像仪的设置为发射率0. 95、背景温度22. 0 ℃. 图7 为散热器水平放置时，散热器表面温度分布图. 由图7 可以看出，散热器表面温度分布均匀，表面温度范围29. 3 ～ 37. 0 ℃，散热效果良好; 图8 为散热器倾角为30°时的散热器表面温度分布图，此时散热器温度分布出现明显的不均匀，表面温度范围25. 4 ～42. 1 ℃，散热效果不佳. 表1 为这2 种工况下的散热器温度和LED 结点温度的对比. 由表1 可知，散热器0°倾角所对应的散热器平均温度和LED 结点温度，均比散热器30°倾角时有明显降低。
3 结点温度分析
LED 的热量从芯片结点通过金球、衬底、银胶、芯片热沉，最终传递到基板上，表2 为LED 各部分的材料、导热系数、尺寸以及热阻计算结果。
本文所采用的80 W 的LED 芯片模组相当于80 个1W 的LED 芯片并联，因此从LED 结点到基板的热阻为：
由于铝基板和导热胶的热阻( 10 - 4 ～ 10 - 3 K /W) 远远小于LED 结点到基板的热阻，可以忽略不计.经计算，LED 结点温度为75. 9 ℃，该计算结果略高于LED 结点实际测量温度73. 5 ℃，这是因为芯片热沉材料Cu 的导热系数会略高于264 W/ ( m·K) ，导致了热阻计算结果略高于实际热阻值.
4 结论
本文详细分析了散热基板———热管散热系统、LED 输入功率、散热器倾斜角度对大功率LED 散热效果的影响，结论如下:
1) 在环境温度为22. 0 ℃、自然对流冷却的条件下，本文所设计的散热基板———热管散热系统能有效地控制大功率LED 的结温. 当LED 输入功率为80 W 时，结点温度最高值为73. 5 ℃. 本文所设计的散热系统，与微喷射流冷却和液态金属冷却相比，有望在同等功率条件下，将LED 结温降至更低.
2) 散热器倾斜角度对LED 散热有着明显影响. 在LED 输入功率为80 W、散热器倾斜角度从0°到30°之间改变时，散热基板中心温度不超过50 ℃，其中15°左右倾角对应散热效果相对较好，30°左右倾角对应的散热效果最差，这说明本系统适用于LED 路灯散热.
3) 本文所设计的散热基板———热管散热系统可以将大功率LED 器件中必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热基板上，实现先成型、后灌装，从而有效减小内部热沉界面的热阻，该技术对于大功率LED 散热研究与应用具有指导意义.衷心感谢袁达忠、李玉华和陈东芳博士的悉心指导与帮助。
