摘要：LED照明系统在使用过程中，内部的LED芯片基板会产生大量的热量，若不能及时散发热量，则会加速LED照明系统内电气元件的老化，导致减少照明系统的使用时间。基于此，设计了一种应用于LED照明系统的热能收集装置，该装置结构简单、使用方便，不仅可以降低LED芯片基板在运行时的温度，还能减小能源的浪费，提高对能源的利用效率。
关键词：照明系统，热能，芯片基板
1 引言
一般的LED照明系统在使用过程中，内部的LED芯片基板会产生大量的热量，若热量不能及时排出，则会加速LED照明系统内电气元件的老化，进而影响LED照明系统的使用寿命。目前，现有的技术需采用散热装置将热量散发掉，这样不仅浪费热能，而且散热装置的运行也需要耗费电能，导致LED照明系统的总能耗有所提高。
为了解决现有技术中存在的LED照明系统由于散热问题产生的热能浪费和和增加能源消耗的缺点，提出了一种应用于LED照明系统的热能收集装置。该系统结构简单、使用方便，不仅可以降低LED芯片基板在运行时的温度，还能减小能源的浪费，提高对能源的利用效率。
2 系统结构
LED照明系统的热能收集装置结构由两个壳体、导热铜棒、环形件、固定杆、金属板等部分组成，如图1所示。第二壳体安装在第一壳体的底面，第一壳体的内部安装有LED芯片基板和金属板，金属板位于LED芯片基板的下方。金属板的上表面安装有十四个散热片，并以等距的方式排列。底面安装有多个第二导热铜棒，第二导热铜棒远离金属板的一端贯穿第一壳体的底部，并延伸至第二壳体内，并且与第一壳体的侧壁之间还设有密封橡胶圈，另外，第二导热铜棒远离第一壳体的一端同轴固定安装有第一环形件。第一环形件的下方设有第一导热铜棒，第一导热铜棒与第二导热铜棒接触，接触的一面开设有安装槽，且第一导热铜棒上设有与安装槽位置对应的凸块，且凸块能插接在安装槽内，如图2所示。第二导热铜棒与第一导热铜棒同轴安装有第二环形件，结构如图3所示。第二环形件上安装有两个固定杆，固定杆远离第二环形件的一端能延伸至长条孔的内部，固定杆上还活动安装有挡块，且挡块位于第一环形件的上方，另外，第二壳体的侧壁顶端开设有三个竖直等距排列的透气孔。
1-散热片 2-第一导热铜棒3-凸块4-第二导热铜棒5-安装槽6-第一环形件7-固定杆8-第二环形件9-挡块10-长条孔11-第二壳体12-第一壳体13-金属板14-透气孔15-LED芯片基板
图1系统结构示意图图2 导热铜棒结构示意图图3 环形件结构示意图
系统工作时，首先通过金属板、第一导热铜棒和第二导热铜棒将LED芯片基板运行时产生的热量导出至第二壳体，并在第二壳体内放入低温水溶液，这样热量会被传导至低温水溶液内，使得LED芯片基板表面温度降低，减小高温对LED芯片基板的影响，延长LED芯片基板的使用寿命。应用第一环形件、第二环形件和挡块，将第一导热铜棒和第二导热铜棒相连接，可以便于第一导热铜棒和第二导热铜棒之间拆卸和组装，也可以对实现多个铜棒进行组装。设计的第二壳体上的透气孔可以使得第一导热铜棒和第二导热铜棒将导出的热量对冷却水产生的水蒸气排出，有效的增加干燥空间内环境的湿度。
3 实验结果
实验设计的系统，如图4所示。系统中的LED阵列由4个24W的LED芯片组成，实验时由于系统电源功率限制，LED的实际功率为60W，为减小热阻，将其用导热硅胶并联粘贴在铝基板上。
图4 大功率LED阵列
本系统中温度测量利用热电偶，为了减小环境温度变化对测量产生的影响，利用Cu电阻设计了温度补偿桥路。首先测量未加冷却系统的结温，将热电偶紧贴芯片基板采集芯片基板温度。并将数据送入计算机中进行进一步处理。通过计算LED芯片热阻，导热胶热阻，铝基板热阻，最终将基板温度转化为所需的结温。
实验中所使用的LED芯片为Si衬底金球倒装焊晶片，由公式R=L/λS（R为热阻，L为热传导距离，S为热传导面积，λ为导热系数）得出1W芯片总热阻。：
LED结温和芯片基板温度关系推导如下（LED部分热阻值如表1所示）：
表1 LED部分热阻值
图5 实验温度比较图
由图5可见，当设计的冷却系统工作时，测得温度明显降低，而且在800s之后趋于平衡，达到55℃左右，说明所设计的冷却系统具有很好的降温作用。
4 结论
应用于LED照明系统的热能收集装置设计结构简单、使用方便，不仅可以降低LED芯片基板在运行时的温度，还能减小能源的浪费，提高对能源的利用效率，而且可以使用多个导热铜棒进行连接安装，方便导热铜棒根据所处空间环境大小进行长度的改变。
参考文献
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[3]刘小凤.关于大功率LED散热技术分析.电子世界.2018, (10):145-146
国家级大学生创新创业训练计划项目（201711488002）资助
论文作者:童鎏港，金建芳， 费志杰， 刑璐，吕志超，吴飞
论文发表刊物:《科技新时代》2018年6期
论文发表时间:2018/8/9
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