新型热管技术在大功率LED照明中的应用

丁明亚，陈尚智，朱佳南，陶 俊，秦大为

(1.无锡市城市照明管理处，江苏 无锡 214000;2.盐城师范学院物电学院，江苏 盐城 224002;3.盐城师范学院实验中心，江苏 盐城 224002）

0 引 言

LED(Light Emitting Diode）发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成:一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“PN结”。当电流通过导线作用于这个晶片时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后会以光子的形式发出能量。

大功率LED在户外照明应用中的优越性表现在以下4方面。

(1）LED作为点光源，如果设计合理，很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光反射来解决的二次取光及光损耗问题。

(2）对光照射面的均匀度可控。理论上可以做到在目标区域内完全均匀。

(3）色温可选。这样在不同场合应用不同色温的LED，是提高效率、降低成本的一个重要方法途径。

(4）技术进步空间依然很大。高导热金属材质的发展将有力地提高LED的光效，比如科锐(CREE）已经可以做到芯片光效达到130～150 lm/W。而热平衡散热结构关键技术的应用，在保持低成本和被动散热方式的前提下，利用高导热介质，通过崭新的器件或灯具整体结构，能成功降低热阻，有效降低PN结的结温，使PN结在允许工作温度内，保持最大量光子输出。

1 热管概述

热管是由管壳、起毛细作用的吸液芯，以及传递热能的工质构成。吸液芯牢固地贴附在管壳内壁上，并被工质渗透。热管自身形成一个高真空的封闭系统，其结构如图1所示。

图1 热管工作原理图

其工作原理是:大功率LED所产生的热量，通过蒸发段的管壁和浸满工质吸液芯的导热使液体工质的温度上升。上升到一定温度，液面蒸发，直至达到饱和蒸汽压，此时热量以潜热的方式传递给蒸汽，饱和蒸汽压随着液体温度的上升而升高，在压差的作用下，蒸汽流向气压和温度都较低的冷凝段，并在冷凝段的气液界面上冷凝，发出潜热。放出的热量从气液界面通过吸液芯和管壁的导热，传递给管外的散热片。

热管技术的特性:(1）优良的导热性。热管内部主要靠工作液体的汽液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。(2）不可逆性。由于温差的存在，热量在传递过程中是不可逆的。

2 热管技术在LED照明应用中的优势

2.1 导热快

由于热管蒸发段和冷凝段均以相变潜热形式传热，所以与银、铜及铝等金属相比，单位质量的热管可以多传递几个数量级的热量。

图2 LED散热方式

2.2 散热面积大

现有LED散热方式如图2所示，散热鳍片设计在LED的上面，热管改变了LED的热通路，热量通过热管输送到LED侧边，散热鳍片就可以延伸到下部，利用了下部空间，使散热面积增加一倍左右。

2.3 热通道灵活

由于热量是通过热管传递，只要改变热管形状，就可以通过弯曲的热管轻易地把热量送到容易散发掉的地方。

2.4 重量轻

热通路的灵活性使热管散热器的散热面积更大，因此，相同重量的灯具，使用热管相对来说散热面积可以更大，能够承载更大功率的LED。

3 热管散热在原有路灯灯具上的应用

随着LED路灯迅猛发展，LED作为照明的优势越来越得到了体现，但是高压钠灯灯具还是占有很大的市场，如果废弃原来的路灯改为LED路灯，势必造成极大的资源浪费。有没有一种产品既可以达到节约能源的效果又能利用原有灯具的产品呢?以下产品给研究者提供了一个思路，这种产品是利用热管的特性制作一个带有LED的热管散热器，安装在现有灯具上，通过热管把位于反光器内的LED热量传递到反光器外散发掉。这种结构的LED安装卸载都比较方便，热管上有和反光器配套的灯头座，就像安装普通的钠灯泡一样(见图3），把LED伸到反光器内旋紧灯头座即可。如此，充分利用了现有路灯灯具的反光器，能产生良好的照明质量。

通过对热管应用于LED照明的分析，热管可以从根本上解决现有LED路灯体积大、散热能力不强的缺点。而且热管的热通路比较灵活，特别是文中提到的产品案例，既发挥了LED路灯节能的优势，又能保留现有的路灯资源，避免重复投资造成的浪费。

图3 安装结构示意图

4 小结

LED所产生的热量，通过蒸发段的管壁和浸满工质吸液芯的导热，使液体工质蒸发，蒸汽流向气压和温度都较低的冷凝段，并在冷凝段的气液界面上冷凝，发出潜热。放出的热量从气液界面通过吸液芯和管壁的导热，传递给管外的散热片。因而该热管具有导热快、散热面积大、散热通道灵活，以及散热器重量轻等优点。通过该新型热管技术的应用，有效地降低了LED发光管工作温度，提高LED灯的光效，降低LED发光管功耗，整灯的可靠性以及整灯寿命也随之提高。

［1］雷玉堂，黎慧.未来的照明光源—白光LED技术及其进展［J］.光学与光电技术，2003

［2］田金颖，诸凯，刘建林.冷却电子芯片的平板热管散热器传热性能研究［J］.制冷学报，2007(6）

［3］吴晓敏，朱竞飞，王维城.小热管强化传热的研究［J］.工程热物理学报，2004(2）