（衢州学院 电气与信息工程学院 浙江 衢州 324000）
摘要：大功率的照明场合，一般采用阵列式LED照明系统，但是大功率LED在使用中稳定性、安全性、使用寿命普遍较差。主要是大功率LED的光学设计和热管理技术不够完善。针对大功率LED存在的散热问题，提出了一种双进双出型射流冲击冷却装置，该冷却装置具有良好的散热性和均温性能，且能在较低的散热功耗下保持良好的工作。
关键字：大功率LED；散热系统；射流冷却
1引言
对于高功率LED的使用，光学设计和热管理是其获得高性能的重要因素。目前，LED的实际发光效率仍然比较低，且较高的LED运行温度还将使得LED的寿命快速下降。 Narendran等人已经通过实验证实：LED的寿命与LED芯片节点温度的增加成指数形式下降。
LED输出光强、波长、光衰、颜色变化对结温十分敏感，LED的结温依赖于输入功率、环境条件、热沉和灯具的设计。由于结温的变化受LED灯的封装、照明灯具设计、输入功率变化、环境条件的影响，传统的散热技术主要依赖于优化设计热沉结构和散热方式，其缺点在于结温的直接测量受到限制，无法进行精确测量。基于此，设计了一种双进双出的射流冲击冷却系统，该系统中的流体冷却依靠带导流罩的优化热沉系统，可以达到对大功率LED室内照明系统进行快速降温。
2.系统结构
双进双出大功率LED系统射流冲击冷却装置，如图1所示。该装置在LED芯片基板底部设置有系列微喷器件，且在微喷器件两侧设置有连通的双进双出流体腔体，流体腔体上均设有微泵和带导流罩的热沉，导流罩的热沉上设有风扇。微喷器件的下部设有微喷器件下腔体，下腔体与双进双出流体腔体连通。双进双出流体腔体为一闭合回路，导流罩的热沉和微泵均设置在闭合回路上。双进双出流体腔体由微喷器件入口和微喷器件出口组成。带导流罩的热沉设置在微喷器件出口处，微泵设置在微喷器件入口处。
1-LED芯片基板 2-系列微喷 3-微喷器件下腔体
4-带导流罩的热沉5-风扇 6-微泵 7-微喷器件入口 8-微喷器件出口
图1 射流冷却系统原理图
系统内冷却流体介质为水，腔体中的水通过微喷器件入口流入微喷器件，通过微喷器件下腔体的压力形成流体射流，流体射流直接冲击LED芯片基板下表面，实现换热。LED芯片基板产生的高热流被射流吸收，流体由于吸收了热量温度升高，在微泵的作用下，升温的流体通过微喷器件出口流出，进入带导流罩的热沉，在带导流罩的热沉和风扇的作用下，热流体与环境发生换热，使温度下降，低温流体重新通过微泵流入微喷器件入口中开始新一轮循环。
系统控制芯片选取的是意法半导体的STM32F103ZET6芯片，温度传感器选取的是K型热电偶，冷端补偿芯片选用的是美信公司的MAX6675芯片，散热水泵和散热风扇的功率控制芯片选用的意法半导体的L298N芯片，该芯片能够同时驱动两路直流电机或者一路步进电机，选用两块L298N芯片完全满足设计的控制需求。
3 散热系统性能实验
系统热源选取4片COB封装的大功率LED，总功率为96W，实验时由于电源输出功率限制，设定为60W水泵和风扇均工作在额定功率。两个K型热电偶安装在射流水冷散热器顶部的凹槽内，可测量LED基板温度。在环境温度为20℃条件下进行实验，可得到实际升温曲线如图2所示，由图2可知，系统经过25分钟左右达到稳态，此时LED的底部温度为32±2℃。
图2 系统散热性能实验曲线
在本系统中，对散热效果的影响主要是水泵和风扇的工作功率，而这两部分又直接受到控制器发出的PWM信号影响，所以可通过改变对应的PWM信号实现调节相应设备的功率。对于散热系统的散热元件进行权重分析，可通过讨论其PWM控制信号进行分析。对于PWM控制信号，当信号的频率过低时，会导致电机震颤，工作不稳定，而信号频率过高会导致带负载能力下降。基于L298N功率控制芯片的频率特性，规定最高频率不能超过40KHz，选取其典型的工作频率25KHz。
工作频率确定后，进行实验设计，选取控制水泵和风扇的两个PWM信号为控制变量，实验数据如表1所示。
根据表1可得到因素和指标温度的关系如图3所示。由图3可得控制水泵和风扇的PWM信号因素的极差分别为Rpump=2.55和Rfan=0.65，因此，水泵对散热系统的影响权重高于风扇，同时可取水泵和风扇的控制信号占空比为100%和70%时，散热系统散热效果较优，同时散热系统功耗较低。
图3 因素指标趋势图
3.结论
所设计的一种双进双出型射流冲击冷却装置与当前的单进单出射流冷却装置相比，双进双出射流冷却装置具有良好的散热性和均温性能，而且，双进双出系统在较低的散热功耗下能保持良好的工作。
参考文献
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论文作者:吕志超，金建芳， 费志杰， 刑璐， 童鎏港，吴飞
论文发表刊物:《科技新时代》2018年6期
论文发表时间:2018/8/13
标签：射流论文; 流体论文; 器件论文; 系统论文; 芯片论文; 功率论文; 风扇论文; 《科技新时代》2018年6期论文;