大功率LED照明屬固態(tài)照明，具有壽命長、安全環(huán)保、高效節(jié)能、響應速度快等優(yōu)點，但尚有一些技術急需解決，主要為：光提取效率低、發(fā)熱量大、價格較高。目前l(fā)ed的發(fā)光效率僅能達到10％～20％，80％～90％的能量轉(zhuǎn)化成了熱量，使得大功率LED的熱流密度超過150W/cm2，而常規(guī)的銅/鋁散熱翅片一般僅能滿足50W/cm2散熱需求。如果熱量不能及時有效地散發(fā)出去，將會使LED芯片結溫升高，從而導致輸出光功率減小、芯片蛻化、波長“紅移”、器件壽命縮短等不良后果。因此，如何解決散熱問題成為LED推廣應用的關鍵。

LED器件的散熱分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱兩部分，一次封裝散熱主要是通過改善LED自身封裝材料和結構進行散熱，二次熱沉散熱主要是通過設計開發(fā)外部的熱沉結構對LED進行熱控制。因此，要真正實現(xiàn)大功率LED的有效散熱，需同時解決好一次散熱和二次散熱問題。常見的二次熱沉散熱結構是將多顆大功率LED陣列在鋁熱沉上，如圖1所示。隨著應用LED功率的增大，出現(xiàn)了熱管散熱、液體冷卻散熱、熱電制冷散熱等新型二次熱沉散熱結構。魯祥友等提出了一種將大功率LED散熱和回路熱管傳熱相結合的用于大功率LED冷卻的熱管散熱器，并對其傳熱性能和整體的均溫性進行了實驗研究。袁柳林設計了大功率LED陣列封裝的微通道制冷結構，并用熱分析軟件模擬了其熱學性能及其參數(shù)的影響。唐政維等設計了一種采用半導體致冷技術散熱的集成大功率LED，不僅散熱效果良好，且還可以使LED器件在高溫、震蕩等惡劣環(huán)境中正常工作。PetroSki開發(fā)了一種新型熱沉來實現(xiàn)大功率LED的冷卻，該熱沉基于自然對流實現(xiàn)換熱，采用圓柱結構，周圍布滿了縱向分布的翅片，該設計可實現(xiàn)散熱效果各向同性。S.W.Chau等提出了一種采用電流體動力學方法（EHD）冷卻LED的裝置，由氣體放電得到離子風進行強迫對流散熱，其對流換熱系數(shù)是自然對流的7倍，使熱沉溫度保持在20～30℃，并研究了不同條件下的散熱效果。LiuChunkai等人將硅基熱電制冷器（te）與倒裝大功率LED集成，研究了大功率LED的性能，證實硅基熱電制冷器的熱阻可降低至零，并能有效提高出光效率，降低Pn結結溫，是一種有效的主動冷卻方式。

當前眾多LED路燈示范工程中大部分采用全鋁熱沉作為二次熱沉散熱結構。隨著微熱管技術的發(fā)展及LED器件功率的增大，微熱管技術已經(jīng)越來越多地應用到LED器件的二次熱沉散熱結構中。為了研究不同熱沉結構的實際散熱效果，本文設計了具有三種不同熱沉結構的大功率LED照明裝置，并對其散熱性能進行了實驗對比。

1、大功率LED照明裝置典型熱沉結構性能分析

1.1典型熱沉散熱結構設計

圖2所示為具有全鋁熱沉型散熱結構的大功率LED照明裝置（結構Ⅰ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導和鋁熱沉肋片的熱傳導及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。此結構主要利用高熱導率金屬鋁合金作為熱傳導介質(zhì)，利用鋁肋片作為擴展表面增強表面?zhèn)鳠崮芰Α?/p>

圖2：鋁熱沉型散熱器

圖3所示為具有微熱管散熱結構的大功率LED照明裝置（結構Ⅱ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、微熱管的熱傳導及鋁肋片的熱傳導及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。結構Ⅱ與結構Ⅰ的差異在于利用了極高熱導率的微熱管作為熱傳導介質(zhì)，利用多個獨立的極薄鋁翅片以穿片的方式形成擴展表面增強散熱能力，但肋片之間的間隙不能過小以至于阻礙空氣的流動，這會導致對流換熱系數(shù)減?。?］；且各薄鋁翅片進行了表面鍍鎳處理，以增強抗腐蝕能力。微熱管是一種熱導率極高的導熱元件，具有響應快、等溫性能好等優(yōu)點，熱阻可忽略不計。

圖3：微熱管散熱器

圖4所示為具有微熱管－風扇散熱系統(tǒng)的大功率LED照明裝置（結構Ⅲ）。此結構與結構Ⅱ相同，只是增加了溫控儀和風扇系統(tǒng)，以實現(xiàn)主動強迫對流散熱，當器件溫度較低時，風扇不運轉(zhuǎn)，肋片進行自然對流散熱。

圖4：微熱管－風扇散熱器

1.2三種典型熱沉的等效熱阻模型

熱能傳遞的三種基本方式：熱傳導、熱對流與熱輻射。對于上述三種照明裝置，主要利用了熱傳導和熱對流這兩種熱傳遞方式。

熱傳遞的基本方程為：

式中，λ是比例系數(shù)，稱為熱導率，又稱導熱系數(shù)（thermaLConduCtivity）。

溫度分布為：

式中，α＝λ/ρC稱為熱擴散率或熱擴散系數(shù)（thermaLdiffuSivity）。

熱對流基本方程為：

式中，比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也稱對流換熱系數(shù)。

根據(jù)上述方程可以求出其熱流量Φ，利用熱擴散和電荷擴散之間存在的類比關系，可以定義導熱熱阻為：

則對流熱阻為：

上述三種照明裝置結構類似，則其等效熱阻網(wǎng)絡如圖5所示，表達式為：

式中，rtotaL為總熱阻，rjS為從結點到內(nèi)部熱沉的熱阻，rSP為從內(nèi)部熱沉到MCPCB板的熱阻，rPb為從MCPCB板到鋁基板的熱阻，rbh為從鋁基板到熱沉的熱阻，rha為從熱沉到空氣的熱阻。

1.3、實驗研究及性能分析

1.3.1、實驗方法

對上述三種結構的照明裝置進行了實驗研究，采用k型熱電偶對鋁基板及翅片的關鍵特征點進行接觸式測量。測量時環(huán)境溫度為31℃，風速為0.8m/S。圖6所示為測量點的位置分布圖，結構與圖3（a）結構相同，用實線連接的點為熱電偶測量點，實線連線成斜n型分布，由對稱性畫出虛線連線，可看出其基本覆蓋特征點，是一種合理的測量分布。由于結構Ⅲ的密封性，只取C、d、e、Ｇ四個點的位置進行測量。

1.3.2、實驗結果及分析

測得各照明裝置的基板、翅片平均溫度如表1所示。三種結構中由LED燈到鋁基板的結構相同，即由LED芯片到鋁基板的熱阻是相等的，不等的是外部熱沉到空氣的熱阻。所以，由鋁基板的溫度即可比較各結構中LED芯片Pn結的結溫。由表1可知，結構Ⅲ的Pn結結溫是最低的，此照明裝置的散熱是最佳的。Pn結結溫由其外部熱沉的二次散熱決定，外部熱沉的熱阻由傳導介質(zhì)的熱導率、肋片的表面總效率、空氣的對流換熱系數(shù)決定，三者都是越大越好。三種結構中，微熱管的導熱率是極高的，相互靠得很緊的薄肋片有效度是較大的，風扇運行后其對流換熱系數(shù)是較大的。

圖7、8、9所示分別為結構Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的鋁基板和翅片溫度分布圖，可以看出：（1）三種結構各自的鋁基板和翅片溫度分布基本一致，且翅片溫度低于鋁