泡沫镁合金散热器对LED 灯散热性能影响因素分析

李楠楠，庞晓军，王 芳，吕 猛，王录才

（太原科技大学材料科学与工程学院， 山西 太原 030024）

LED灯在使用的过程中，由于大量电能转化为热能会导致芯片温度升高，影响发光效率，导致LED灯使用寿命缩短。因此，LED灯的散热问题成为限制该行业发展的关键问题[1，2]。通孔泡沫金属由金属基体和孔隙复合而成，使得泡沫金属具有巨大的比表面积，拥有非常大的热交换面积，流体从其孔隙中通过的时候，泡沫金属良好的流通能力，会使热量迅速均匀地传导入金属内部并快速的扩散，达到更好的散热效果[3，4]。本研究采用渗流法制备通孔泡沫镁合金作为LED灯的散热器，对其散热性能的影响因素及其影响机理进行分析。图1为散热器试样。

1 实验过程

采用盐粒渗流法制备具有不同特征参数（孔隙率，孔径）的泡沫镁合金毛坯，金属基体为AZ91，并将其加工成圆柱状LED灯散热器，其宏观尺寸为外圆直径50mm，内圆20mm，厚度15mm.图2为安装泡沫镁散热器的LED灯。

图1 散热器试样

测试过程为[6]：选择离芯片最近的点，如图2中小圆圈标出的测试点，测试其温度，取其平均值，以此温度来表征LED芯片的温度。测试的时候需要接通电源半小时，使灯具的散热逐渐达到稳定，选择其中一个固定点进行测试并记录温度。

图2 测试所用LED 灯及散热器安装图

2 结果及分析

2.1 试验结果

前期研究表明，通孔泡沫金属的孔径、孔隙率和底座厚度对其散热性能有影响。试验采用L934正交试验考察三个因素对泡沫镁合金散热器散热性能的影响程度。各因素水平分别设置为：孔隙率50%，60%，70%；平均孔径1mm，1.6mm，2.5mm；底座为实体镁合金，与泡沫镁为一体，试样制作和加工时根据需要选择不同厚度，分别选取0mm（即不加底座），3mm和5mm.

测量时环境温度为16℃，利用原装散热器测得温度为36.2℃.表1为利用泡沫镁合金散热器测试结果。

表1 测试结果

比较表1中测试温度与原始散热器测试温度，发现测试温度均低于原始散热器测试温度，可知泡沫镁合金散热器较原始散热器散热性能要好。

对实验结果进行方差分析，并且计算单个因子影响的程度，孔隙率、孔径、底座厚度及误差的影响程度分别为23.51%、48.90、22.16%、5.43%.可以看出，在实验条件下，在所选3个因素中，孔径对泡沫镁合金散热器的影响最大，其次是孔隙率，最后是散热器底座厚度。

为了验证实验结果，根据正交实验最佳参数组合制作孔隙率为60%，孔径大小为1.6mm，底座厚度为0mm的散热器，利用同一个LED灯，在同样的环境温度下，对同一测量点的温度进行测试，测得稳定温度为32.3℃，与原装散热器比较，降低了3.9℃.该温度值比正交实验中测得的9组温度值都要低。表明采用该结构参数的散热器可以有效降低LED的温度，使其发光效率相对提高，寿命就相应延长。

2.2 散热机理分析

2.2.1 散热过程

从LED灯芯片产生热量到散热器达到稳定的散热平衡的过程中，有两个不同的换热过程，一为未达到热平衡时的过程，即非稳态过程，二为达到稳定的散热平衡后持续散热的过程[5]。

第一个过程的传导方程为式1：

式1中：a=λ/ρCp，a 为泡沫金属的热扩散系数；ρ，Cp，λ分别为泡沫金属的密度（g/cm3），比热容（J·kg-1·K-1），热导率（W·m-1·K-1）.

第二个过程温度分布方程为式2：

从式（1）和（2）可以看出，泡沫金属换热过程都与其热导率有很大的关系。

泡沫金属的热导率的表达式如式3：

对泡沫金属来说，泡沫金属基体骨架的导热系数λ*s与孔隙率P 的关系如式4：

式4中：λs为实体泡沫金属的导热系数；与泡沫金属基体材质、孔壁厚度、孔形状及分布有关，为不大于1的热传导结构因子常数。

式5中：λg为空气的导热系数为孔隙内空气的对流换热系数。

资料显示只有当格拉晓夫系数（Cr）大于1000时，孔内空气的对流作用才是重要的[5]。在1大气压下，只有孔穴尺寸达到10mm时，才能满足Cr=1000，孔内的对流才起作用。而试验中制备的泡沫镁最大平均孔径为2.5mm，不能满足对流发生作用需要条件。因此，在本实验中，孔隙内空气的对流换热系数λ*c可以忽略不计。

由于试验中的温度相对比较低，孔壁与孔隙的辐射传热可以忽略，即λ*r对泡沫镁合金的导热率的贡献也可以忽略。

综合上述分析，实验所得泡沫镁散热器的热导率可以表示为金属骨架的热导率和孔隙内气体的热导率之和，即式6所示：

2.2.2 影响因素分析

式6表明，泡沫镁合金散热器的热导率与孔隙率有很大关系，孔隙率增大热导率反而减小，所以，孔隙率增大增加了散热面积，但同时又降低了热导率。

泡沫镁散热器的散热性能不仅仅取决于孔隙率，还与泡沫镁将热量扩散到空气中的能力及底座厚度有关[6]。泡沫镁孔径越大，越有利于热交换的进行，热量扩散到空气中的能力越强，越有利于散热。底座为实体镁合金，理论上，实体镁合金的导热率远远大于泡沫金属的热导率，底座厚度越厚，热导能力越强，但是在同样散热器高度的情况下，增加泡沫镁合金的厚度，则泡沫金属部分就相应的要减少，这会导致散热表面积的减少，从而影响泡沫镁合金的散热性能。试验证明底座厚度为零时散热性能最好，但在实际应用当中，考虑到安装问题，必须有实体底座，所以在保证安装的功能下，底座厚度应该越小越好。

4 结 论

1）泡沫镁合金LED灯散热器散热能力优于传统散热器。

2）在影响泡沫镁散热性能的结构因素中，孔径影响最为显著，孔隙率次之，底座厚度最小。当泡沫镁散热器的结构参数为平均孔径1.6mm，孔隙率60%、底座厚度在满足实际安装需要尽可能薄时，散热性能是最好的。在实验室条件下，测试温度与原装散热器相比较可以降低3.9℃.

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