被動式無耗能大功率LED降溫裝置

趙旖旎 方文杰

【摘要】針對現(xiàn)有大功率LED發(fā)熱量大，所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散出而導(dǎo)致的結(jié)溫過高等問題，將對燈具壽命和發(fā)光效率造成嚴(yán)重影響。將溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到大功率LED降溫裝置的設(shè)計(jì)中，提出了一款被動式無耗能大功率LED降溫裝置。通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：散熱裝置能無額外耗能的降低燈具工作時(shí)的結(jié)溫溫度，在有效提高LED發(fā)光效率的同時(shí)延長了其使用壽命。本裝置可將LED壽命提高近兩倍，相對發(fā)光效率提高約20%。每盞燈每年可以省46486.4度電。相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤18.59456噸。同時(shí)可減少85.71%該類型LED的損耗。

【關(guān)鍵詞】降溫；LED；被動式；無耗能

1、引言

LED具有功耗低、體積小、可靠性高和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。數(shù)據(jù)顯示，2007年全球照明市場LED的占有率為2%，2012年提升為11%，再到目前的17.6%，應(yīng)用前景廣闊。

然而，大功率LED70-80%的輸入電量均轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的大量熱量嚴(yán)重影響燈具使用。當(dāng)LED的結(jié)溫溫度超過最高臨界溫度時(shí)，會造成LED的永久性失效?，F(xiàn)有大功率LED外接散熱裝置的降溫方案主要有：風(fēng)冷散熱、水冷散熱、熱管散熱和熱電散熱。均使用不便且成本較高。

基于此，我們設(shè)計(jì)了一種被動式無額外耗能大功率LED降溫裝置。

2、方案設(shè)計(jì)

本作品將溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到大功率LED降溫裝置的設(shè)計(jì)中，利用半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)對大功率LED燈芯熱量的快速轉(zhuǎn)移，從而降低其工作時(shí)的結(jié)溫溫度，有效提高LED發(fā)光效率并較大的延長了其使用壽命。同時(shí)，通過對所產(chǎn)生的電能進(jìn)行處理，使其驅(qū)動微型散熱器工作，進(jìn)一步提高熱量轉(zhuǎn)移效率且無需額外耗能。另外，裝置結(jié)構(gòu)上充分采用可拆分式設(shè)計(jì)，能夠快速完成對裝置各個(gè)部分的維修和更換。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置由可拆分式兩半殼體、燈板及其供電適配器、半導(dǎo)體降溫模塊、無額外耗能風(fēng)冷散熱模塊、固緊定位模塊五個(gè)部分組成。

3.1可拆分式兩半殼體

上下殼體之間通過螺栓連接。上殼體中間回字形凹槽實(shí)現(xiàn)對燈板的固定，防止意外滑動；通過殼體內(nèi)側(cè)壁實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體和翅片的水平限位，起到了良好的固定作用，確保燈板、半導(dǎo)體以及翅片之間相對位置保持不變，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性；在上下殼體側(cè)壁均設(shè)有定位孔，通過螺栓實(shí)現(xiàn)定位孔與其他各個(gè)模塊的連接并完成各個(gè)模塊的固定安裝。

3.2燈板及其適配器

綜合考慮成本、功率、發(fā)熱量和應(yīng)用范圍等因素，選擇72W的LED投射燈作為實(shí)驗(yàn)對象。燈板由24顆3W黃白LED珠排布成矩形。

3.3半導(dǎo)體降溫模塊

半導(dǎo)體溫差發(fā)電片迅速將燈板熱量導(dǎo)出并與空氣進(jìn)行熱交換從而降低燈板溫度，并利用燈板所發(fā)出的熱量產(chǎn)生電能供散熱器使用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置中半導(dǎo)體冷熱兩端溫差為10℃時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)散熱器的自啟動并持續(xù)工作。四片半導(dǎo)體片通過杜邦線串聯(lián)，它們之間的相對位置根據(jù)實(shí)驗(yàn)中達(dá)到最佳效果時(shí)的位置確定，半導(dǎo)體溫差發(fā)電片熱端和大功率LED的燈板之間涂有一層導(dǎo)熱硅脂，具備一定的潤滑性和電絕緣性，從而保證電子元器件電氣性能的穩(wěn)定。冷端同樣通過導(dǎo)熱硅脂實(shí)現(xiàn)與翅片的無縫結(jié)合，確保熱量及時(shí)傳遞至翅片并與空氣進(jìn)行熱交換。

3.4無額外耗能風(fēng)冷散熱模塊

在實(shí)際工作過程中，由于半導(dǎo)體本身與空氣進(jìn)行換熱的速率有限，冷熱兩端的溫差不斷減小，燈板熱量導(dǎo)出速率降低，因此采用翅片加散熱器，以加快冷端與空氣的換熱速度。

3.4.1翅片散熱裝置。通過散熱對比實(shí)驗(yàn)。選定80*80*27翅片。

3.4.2風(fēng)冷散熱裝置。電能處理部分將半導(dǎo)體模組群所發(fā)出的電能進(jìn)行收集處理，之后供給散熱風(fēng)扇工作。散熱風(fēng)扇加速翅片散熱速率，進(jìn)而加快半導(dǎo)體冷端和空氣的換熱速率。

3.4.2.1散熱風(fēng)扇。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，匹配0.48W的直流低電壓啟動型散熱風(fēng)扇作為此模塊的風(fēng)冷降溫裝置，額定電壓12V、額定電流 0.12A。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，燈板溫度基本恒定在70℃。

3.4.2.2電能處理部分。半導(dǎo)體兩端形成溫差輸出電能是低品質(zhì)電源，且存在劇烈的電壓波動，電能處理部分將不穩(wěn)定的持續(xù)變化的電能經(jīng)過整流穩(wěn)壓之后升壓輸出穩(wěn)定且電壓值適宜的電能，之后供給微型散熱器工作。

3.5固緊定位模塊

固緊壓桿隨著調(diào)節(jié)螺栓上下移動，伸出端扣壓在翅片肋片上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓向下移動時(shí)，伸出端將翅片向下壓緊；當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓向上移動時(shí)，翅片松開。雙定位螺母實(shí)現(xiàn)對固緊壓桿的軸向限位。另外，固線卡完成對電路部分連線的固定。

4、電路設(shè)計(jì)

采用微功耗的LTC3105芯片，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體溫差發(fā)電片發(fā)電能量的收集。溫差發(fā)電從Vin引腳通入芯片，電能的一小部分儲存于電容C1中，用于供芯片工作，其余則經(jīng)過升壓后輸出，直接為散熱器提供工作所需的電能。采用升壓芯片MT3680，將5V電壓升高至12V。

5、結(jié)束語

該作品裝置利用了大功率LED自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電，并采用散熱風(fēng)扇為冷端散熱，維持燈芯在適宜溫度下的動態(tài)平衡。除此之外，該作品能適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，操作拆卸方便，增加了其實(shí)際的應(yīng)用前景。

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作者簡介

趙旖旎（1995-），女，湖北武漢人，主要從事機(jī)械工程及自動化方面的研究。