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【摘 要】发光二极管（light-emittingdiode,LED）是公认的新一代光源,具有长寿命、节能环保、高可靠性的优点.但LED在工作过程中会产生大量的热量,如果无法有效散发出去将严重影响其性能.尤其对于当前研究热点的嵌入式大功率LED灯具,散热问题更加严峻,已成为制约该领域研究的瓶颈之一.目前常用的散热方式分为被动散热和主动散热两种,本文将对这两种散热方式的研究进行简介,希望对人们了解该领域的研究有所帮助.
【关 键 词】大功率LED,散热技术
1.简介
相比于传统的荧光灯或高强度气体放电等,发光二极管（light-emittingdiode,LED）被认为是新一代的高效光源.原料上来说LED是由p型半导体（空穴型）和n型半导体（电子型）半导体结合形成的p-n结二极管.当LED两端被施加上电压后,电子和空穴相向运动,通过复合从而产生光子[1].在这个过程中,同时发生有两种能量转换过程：辐射型复合和非辐射型复合.辐射型复合将部分的电能转换为光子的形式发出,而非辐射型复合将电能转换为热能.尽管非辐射型复合并非一个我们想要的过程,但却是不可避免的.这主要是因为半导体材料的晶体结构中总是难免会存在各种缺陷.据统计,在LED中,约75%-85%的电能将被转换为需要传导并释放到外界的热能[2].相比于传统光源,这个比例是很高的.
LED是一个温度敏感型器件,如果热能不能有效散发出去,结温（p-n结温度）的升高将严重影响LED各方面的性能,如光通量、光色（波长）、光效、LED寿命、色温、光形（配光）、以及正向电压、最大注入电流等.据统计,结温每升高10℃,LED的寿命就会减半[3].LED芯片本身的散热能力非常有限,热能只能通过热传导的方式传递到外部.随着科技的发展,LED光源的功率越来越大,散热问题也越来越严峻.而所谓大功率LED,目前没有统一标准,通常认为功率大于1W即属于大功率LED.LED光源的散热能力也随着光源的应用场景而发生变化.对于室内照明来说,嵌入式筒灯是最常用的形式.目前嵌入式大功率LED应用上的一个关键技术瓶颈就是散热问题.本文将综述嵌入式大功率LED光源散热技术的最新研究进展,希望对这一领域的研究能有所帮助.
2.被动散热技术
2.1自然对流冷却
自然对流冷却技术作为廉价有效的散热技术而被人们广泛研究.自然对流冷却技术多使用翅式结构进行散热.大部分的散热研究的重点在于理解翅式结构几何参数对热量传递的影响,以及通过优化几何参数来最大化热量传递.翅式结构分为板翅结构和钉翅结构两种.
2.1.1板翅式散热
板翅式散热结构作为最常见的散热方式之一被人们广泛的研究.Guvenc等人通过实验研究了竖向结构的板翅散热结构内部的热量传输特性[4].其得到的一些重要结论如下：
（1）热量传输效率随翅的高度增加而增加,
（2）当翅间距扩大,翅高度对热量传输效率的影响减小.
Bar-Cohen等人提出了一个可用来评估板翅结构散热效率的分析框架[5].基于已知的平行板和单个竖向翅之间的热量传输关系,他们建立了总的热量传输效率与结果几何参数之间的关系.结果给出了翅间最佳间距,
2.1.2钉翅式结构
钉翅结构也是一种常见的自然对流散热结构,Zografos等人通过实验研究了钉翅结构散热的影响因素,如翅的分布、倾斜度、翅的直径与中心间距的比例等[6].实验结果显示：
（1）翅的直径与中心间距的比例是最重要的影响因素,最佳的热量传输效率出现在这个比例大约为0.33的时候,
（2）热量传输效率与翅的倾斜度关系并不大,
（3）翅的直线排列时的热量传输效率比翅交错排列时高约20%.
Bahadur等人研究了聚合物钉翅散热结构的散热效率.实验中的散热结构由高热导率的聚亚硫化物制成,翅呈交错状排列[7].他们研究了翅的高度、翅的直径、翅间距、翅密度等对热量传输效率的影响.实验结果给出了热量传输效率与钉翅散热结构参数的关系式,并显示最大的热量传输效率出现在翅直径与翅中心间距比例约为1时.
自然对流方式是目前LED灯具常用的散热方式,优点是成本低廉,不需要通风机或泵等额外的散热设备.但对于大功率的LED灯具,自然对流散热方式的效率仍然有所欠缺,因此需要与其他方式进行结合或使用更高效率的散热方式.
2.2辐射增强散热
辐射通常被认为在一些高温的应用中发挥作用.但更多的研究显示在一些中等温度的情况下也可以发挥重要作用.将自然对流散热与辐射散热进行结合以提高板翅散热结构和钉翅结构的热量传输效率也在大功率LED灯具的散热研究中占据重要地位.
2.2.1辐射增强板翅式散热结构
Rao等人通过实验研究了将辐射散热与板翅式结构进行结合的散热方式[8].他们系统研究了翅表面的辐射系数、翅间距、翅高度、基础温度等对热量传输效率的影响.研究结果显示,当辐射系数从0.05增加到0.85时,大约有40%更多的热量从翅的表面散发到外界环境中.
2.2.2辐射增强钉翅式散热结构
Sparrow等人通过实验研究了辐射增强型钉翅结构散热结构的散热影响因素,其中重点研究了钉翅的倾斜方向对热量传输效率的影响[9].实验中,散热结构用的铝制的钉翅,长度为2.54厘米,直径为0.635厘米.这些钉翅呈交错状排列,并经过阳极化处理,使得其辐射效率为0.82.实验中,LED灯具内部与外界的初始温度差为2到70℃.实验结果显示辐射散热占到总的热量传输的25%到40%.
2.3烟囱效应增强热传输
烟囱效应,是指器件内部空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降,造成空气加强对流的现象.在实际应用中,烟囱效应也被广泛用来增加大功率LED灯具的自然对流散热效率.Kitamura等人通过实验研究了烟囱效应增强自然对流散热结构的散热效率.结果发现烟囱的位置、边界条件、倾斜度是影响散热效率的主要因素.Shahin等人研究带有烟囱效应的板翅散热结构的热传输效率.通过对比带与不带烟囱效应的同样的散热结构,得出结论是烟囱效应显著增加了器件的热量传输效率.Thrasher等人通过实验研究了烟囱效应增强型的钉翅式散热系统.系统研究了烟囱高度等对热量传输效率的影响.结果显示随着烟囱高度的增加,散热效率逐渐提高.
3.主动散热方式
相比于被动散热方式,主动散热方式具有更高的热量传输效率,因此也被广泛的研究.压电风扇散热和合成射流散热是嵌入式大功率LED灯具散热的常用主动散热手段.压电风扇是一种共振器件,可以放大来自压电材料的微小振动从而驱动空气产生运动.合成射流是一种基于周期性小规模涡旋的零质量射流.这两种新技术都被应用于大功率LED灯具的散热中.
3.1压电风扇
压电风扇的热行为主要依赖于一些重要的参数,如风扇振幅、风扇与热源的距离、风扇长度、振动频率等.Acikalin等人研究了这些参数对于压电风扇散热能力的影响,并试图寻找出最佳的参数.结果显示,散热效率最主要依赖于风扇振动频率和风扇振幅.在最佳状况下,压电风扇的热量传输系数可以达到100.8W/m2K,比自然对流方式增强了275%.
Petroski等人构建了一种新的散热系统,其中整合了两种压电风扇以用于大功率LED灯具的散热.该设计具有三维气流的优势：在区域2由于风扇振动形成的涡旋从上方吸入额外的空气以增强冷却效果.作者还将这种新的设计与自然对流方式进行对比,结果显示该设计的散射效率是同体积自然对流散热结构的5倍.
3.2合成射流散热系统
Mahalingam等人通过实验研究了合成射流散热系统的影响因素.在吹风期,入口的喷射产生的低气压使得空气进入到通道中,在吸入期又有新的气流产生进入到通道中.实验结果显示,对于通道宽度存在一个最佳值使得散热效率最高.在最佳值达到前,散热效率随着通道宽度的增加而增加,而在最佳值达到后,散热效率基本保持不变.同时,作者通过对比得知合成射流技术具有比自然对流和风扇更好的散热效率.该系统在100℃时的热阻为0.69℃/W,而自然对流散热结构为3.14℃/W.而相比于普通的风扇散热系统,该合成射流的热传输效率高40%.
4.总结
嵌入式大功率LED灯具的散热问题已经成为限制该领域技术发展的主要瓶颈之一,目前散热方式主要有被动散热和主动散热两种.被动散热是指在不借助外界辅助设备的帮助下,通过散热器本身的将芯片热量散发到空气中,主要方式为空气自然对流.为了提高自然对流的效率,散热器设计有板翅式结构和钉翅式结构两种.为了进一步提高自然对流散热方式的效率,常结合辐射散热和烟囱效应来设计出更具效率的散热器.
相对于被动散热,利用额外辅助散热设备的主动散射方式具有更好的散热效率.常用的两种主动散热方式如压电风扇和合成射流都是当前研究的热点方向.虽然主动散热的效率较高,但缺点是制作成本较高.目前,从LED灯具的性价比等方面考虑,被动散热仍然是主流的散热方式,然而随着LED灯具功率的不断增加,主动散热必然引起越来越多的关注.
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tionalJournalofHeatandMassTraner,49,3379-3391.[9]Sparrow,E.M.,andVemuri,S.B.1986.Orientationeffectsonnaturalconvection/radiationheattranerfrompin-finarrays.InternationalJournalofHeatandMassTraner,29,3,359-368.