热管在大功率LED灯上的应用

魏 丽

（陕西烽火通信集团有限公司，陕西 西安 710075）

随着环保节能时代的到来，高效节能LED灯的开发和应用正在蓬勃兴起，但是成本和散热始终是LED路灯扩大普及的瓶颈，特别是大功率LED路灯的散热技术和重量之间的矛盾一度成为技术上一个难以解决的问题，因为无论采用哪种散热技术，最终是靠面积来解决散热，而面积越大重量越大。

早在20世纪40年代，国外首先发明了以液体为介质的进行热能传递的元件——热管（Heatpipe），作为一种特种传热元件，它以很小的温差传送大量热量，有着两个优异的特性：①导热性能优异；②均热效果好。在所有的金属和非金属材料中，就传热性能而言，几乎没有哪种材料能够与热管元件相比。

1 热管的工作原理

热管由管壳、毛细芯和工作流体组成，将管内抽成1.3×（10-1～10-4）P a的负压后充以适量的工作流体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的加热段一端受热时液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷却段一端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端，达到传热的目的。（图1为热管的工作原理图）

图1 热管的工作原理

热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：①热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液～汽）分界面；②液体在蒸发段内的（液～汽）分界面上蒸发；③蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；④蒸汽在冷凝段内的汽、液分界面上凝结；⑤热量从（汽～液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；⑥在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

利用热管的这种工作原理，可以根据需要来设计热管的形状，可以在一定限度内被折弯及压扁，以适应不同的结构需要。在热管传热原理的基础上，还衍生出了其它的高效传热器件，如热柱（heat column）、真空冷板（vapor chamber）、回路热管（loop heatpipe）等，可以满足各种特殊需要，以达到我们使用的目的。

2 热管用于大功率LED灯上的散热分析

目前，大多数企业采用的一种方法是将LED灯芯安装在纯铝（纯铜也可以）型材或铸铝件上，通过一定厚度和面积的金属板将LED的热量导走，这种办法的优点是结构简单、安装方便、成本低，缺点是功率过大时重量过大，且散热不够理想。图2为采用这种散热器的LED灯。

图2 翅片散热器做的LED路灯

尽量低的结温是LED工作者一直的追求，因为这样可以提高光效、延缓光衰、延长灯的寿命。给LED散热实际上就是要迅速地把LED所产生的热量带走，关键在于“迅速”二字。

灯具的散热最好是寻找设计最短的散热通道减少热阻,使热量尽快地释放到大气中。其中，在总热阻中，界面热阻是散热通道的瓶颈,散热的重点应该放在界面导热材料上。导热速度的高低决定于材料的导热系数，以下是典型的几种材料的导热系数表。

材料 硅 金 银 铜 铝 铁导热系数 61131742 94012378 0

很显然，硅的导热系数虽很高，但并不能为灯具结构设计所采用；金、银的经济性会很差；铜的经济性介于前两种材料和铝以后的材料之间，根据经验，其经济性也很差。为了达到更好的散热效果，现在越来越多的厂家采用增加翅片的办法来散热，所以绝大多数企业都采用铝材做为翅片的材料，重量也轻，满足经济性和使用性的要求。这样以来，虽增加了一些成本，但散热效果得到明显改善。而要将大量的热量迅速传导出来，光靠翅片是不够的，因此，我们在翅片上开孔，去安装带毛细芯的铜管（热管），由于热管的导热系数比较大，它可以将大量热量迅速传导出来。再在翅片横向开一定大的孔以便于通风。

热管有以下优点：①翅片密度高——大幅度增加散热面积；②产品重量轻体积小——适应产品的小型或轻型化要求；③铜铝混合焊接——兼取铜材传热更佳及铝材重量较轻的优势；④特定区域焊接——可以仅在需要散热的区域焊接散热齿片或传热部件；⑤模具费用低——节省大型铝型材昂贵的模具费；⑥底板可精密加工——底板可以加工精密腔体或复杂的避让位。

高效热管的轴向热流密度可达到8.4×106W/m2，有效导热系数为3.2×106W/m k，对比可知，高效热管的导热速度为白银导热速度的数千倍。图3即LED灯的热管模组。

图3 LED灯的热管模组

3 结语

采用上述热管后，将之应用于180 W路灯、160 W路灯、120 W路灯、80 W隧道灯等大功率的灯具上，灯芯的结温被控制在80°C以下，已经过了二年之久的考验，主干道平均照度为30 L x，照度均匀度为0.48，光衰、光效均在要求范围内；经实验室测试，寿命也达到了50000 h。为了响应国家节能减排的号召，使用LED道路灯已成为势不可挡的局势。然而，功率越大，产生的热量越多，而大量的热量要迅速的传导出去，利用热管加翅片焊接在底板上的散热无疑是正确的选择。

实践证明，热管在大功率LED灯上的应用，有着广阔的前景。

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