被动式无耗能大功率LED降温装置

赵旖旎 方文杰

【摘要】针对现有大功率LED发热量大，所产生的热量不能及时散出而导致的结温过高等问题，将对灯具寿命和发光效率造成严重影响。将温差发电技术应用到大功率LED降温装置的设计中，提出了一款被动式无耗能大功率LED降温装置。通过实验，实验表明：散热装置能无额外耗能的降低灯具工作时的结温温度，在有效提高LED发光效率的同时延长了其使用寿命。本装置可将LED寿命提高近两倍，相对发光效率提高约20%。每盏灯每年可以省46486.4度电。相当于节约标准煤18.59456吨。同时可减少85.71%该类型LED的损耗。

【关键词】降温；LED；被动式；无耗能

1、引言

LED具有功耗低、体积小、可靠性高和响应快等优点，应用范围广泛。数据显示，2007年全球照明市场LED的占有率为2%，2012年提升为11%，再到目前的17.6%，应用前景广阔。

然而，大功率LED70-80%的输入电量均转化为热能，产生的大量热量严重影响灯具使用。当LED的结温温度超过最高临界温度时，会造成LED的永久性失效。现有大功率LED外接散热装置的降温方案主要有：风冷散热、水冷散热、热管散热和热电散热。均使用不便且成本较高。

基于此，我们设计了一种被动式无额外耗能大功率LED降温装置。

2、方案设计

本作品将温差发电技术应用到大功率LED降温装置的设计中，利用半导体实现对大功率LED灯芯热量的快速转移，从而降低其工作时的结温温度，有效提高LED发光效率并较大的延长了其使用寿命。同时，通过对所产生的电能进行处理，使其驱动微型散热器工作，进一步提高热量转移效率且无需额外耗能。另外，装置结构上充分采用可拆分式设计，能够快速完成对装置各个部分的维修和更换。

3、结构设计

装置由可拆分式两半壳体、灯板及其供电适配器、半导体降温模块、无额外耗能风冷散热模块、固紧定位模块五个部分组成。

3.1可拆分式两半壳体

上下壳体之间通过螺栓连接。上壳体中间回字形凹槽实现对灯板的固定，防止意外滑动；通过壳体内侧壁实现对半导体和翅片的水平限位，起到了良好的固定作用，确保灯板、半导体以及翅片之间相对位置保持不变，以保证实验结果的稳定性；在上下壳体侧壁均设有定位孔，通过螺栓实现定位孔与其他各个模块的连接并完成各个模块的固定安装。

3.2灯板及其适配器

综合考虑成本、功率、发热量和应用范围等因素，选择72W的LED投射灯作为实验对象。灯板由24颗3W黄白LED珠排布成矩形。

3.3半导体降温模块

半导体温差发电片迅速将灯板热量导出并与空气进行热交换从而降低灯板温度，并利用灯板所发出的热量产生电能供散热器使用。经实验验证，该装置中半导体冷热两端温差为10℃时，即可实现散热器的自启动并持续工作。四片半导体片通过杜邦线串联，它们之间的相对位置根据实验中达到最佳效果时的位置确定，半导体温差发电片热端和大功率LED的灯板之间涂有一层导热硅脂，具备一定的润滑性和电绝缘性，从而保证电子元器件电气性能的稳定。冷端同样通过导热硅脂实现与翅片的无缝结合，确保热量及时传递至翅片并与空气进行热交換。

3.4无额外耗能风冷散热模块

在实际工作过程中，由于半导体本身与空气进行换热的速率有限，冷热两端的温差不断减小，灯板热量导出速率降低，因此采用翅片加散热器，以加快冷端与空气的换热速度。

3.4.1翅片散热装置。通过散热对比实验。选定80*80*27翅片。

3.4.2风冷散热装置。电能处理部分将半导体模组群所发出的电能进行收集处理，之后供给散热风扇工作。散热风扇加速翅片散热速率，进而加快半导体冷端和空气的换热速率。

3.4.2.1散热风扇。经过理论分析和实验验证后，匹配0.48W的直流低电压启动型散热风扇作为此模块的风冷降温装置，额定电压12V、额定电流 0.12A。实验验证表明，灯板温度基本恒定在70℃。

3.4.2.2电能处理部分。半导体两端形成温差输出电能是低品质电源，且存在剧烈的电压波动，电能处理部分将不稳定的持续变化的电能经过整流稳压之后升压输出稳定且电压值适宜的电能，之后供给微型散热器工作。

3.5固紧定位模块

固紧压杆随着调节螺栓上下移动，伸出端扣压在翅片肋片上，当旋转调节螺栓向下移动时，伸出端将翅片向下压紧；当旋转调节螺栓向上移动时，翅片松开。双定位螺母实现对固紧压杆的轴向限位。另外，固线卡完成对电路部分连线的固定。

4、电路设计

采用微功耗的LTC3105芯片，实现对半导体温差发电片发电能量的收集。温差发电从Vin引脚通入芯片，电能的一小部分储存于电容C1中，用于供芯片工作，其余则经过升压后输出，直接为散热器提供工作所需的电能。采用升压芯片MT3680，将5V电压升高至12V。

5、结束语

该作品装置利用了大功率LED自身产生的热量进行发电，并采用散热风扇为冷端散热，维持灯芯在适宜温度下的动态平衡。除此之外，该作品能适应不同作业环境，操作拆卸方便，增加了其实际的应用前景。

参考文献

[1]邹琳.LED照明灯具寿命影响因素及测试方法的研究[J].大连工业大学，2010（14）：12-18.

[2]刘淑平.基于半导体制冷的太阳能LED系统散热设计[B].电子设计，2008 （1）：9-14.

[3]叶剑锋.半导体温差发电系统研究及电热式试验台设计[D].北京交通大学，2012.

作者简介

赵旖旎（1995-），女，湖北武汉人，主要从事机械工程及自动化方面的研究。