李楠楠，龐曉軍，王 芳，呂 猛，王錄才

（太原科技大學材料科學與工程學院， 山西 太原 030024）

LED燈在使用的過程中，由于大量電能轉化為熱能會導致芯片溫度升高，影響發(fā)光效率，導致LED燈使用壽命縮短。因此，LED燈的散熱問題成為限制該行業(yè)發(fā)展的關鍵問題[1，2]。通孔泡沫金屬由金屬基體和孔隙復合而成，使得泡沫金屬具有巨大的比表面積，擁有非常大的熱交換面積，流體從其孔隙中通過的時候，泡沫金屬良好的流通能力，會使熱量迅速均勻地傳導入金屬內部并快速的擴散，達到更好的散熱效果[3，4]。本研究采用滲流法制備通孔泡沫鎂合金作為LED燈的散熱器，對其散熱性能的影響因素及其影響機理進行分析。圖1為散熱器試樣。

1 實驗過程

采用鹽粒滲流法制備具有不同特征參數(shù)（孔隙率，孔徑）的泡沫鎂合金毛坯，金屬基體為AZ91，并將其加工成圓柱狀LED燈散熱器，其宏觀尺寸為外圓直徑50mm，內圓20mm，厚度15mm.圖2為安裝泡沫鎂散熱器的LED燈。

圖1 散熱器試樣

測試過程為[6]：選擇離芯片最近的點，如圖2中小圓圈標出的測試點，測試其溫度，取其平均值，以此溫度來表征LED芯片的溫度。測試的時候需要接通電源半小時，使燈具的散熱逐漸達到穩(wěn)定，選擇其中一個固定點進行測試并記錄溫度。

圖2 測試所用LED 燈及散熱器安裝圖

2 結果及分析

2.1 試驗結果

前期研究表明，通孔泡沫金屬的孔徑、孔隙率和底座厚度對其散熱性能有影響。試驗采用L934正交試驗考察三個因素對泡沫鎂合金散熱器散熱性能的影響程度。各因素水平分別設置為：孔隙率50%，60%，70%；平均孔徑1mm，1.6mm，2.5mm；底座為實體鎂合金，與泡沫鎂為一體，試樣制作和加工時根據(jù)需要選擇不同厚度，分別選取0mm（即不加底座），3mm和5mm.

測量時環(huán)境溫度為16℃，利用原裝散熱器測得溫度為36.2℃.表1為利用泡沫鎂合金散熱器測試結果。

表1 測試結果

比較表1中測試溫度與原始散熱器測試溫度，發(fā)現(xiàn)測試溫度均低于原始散熱器測試溫度，可知泡沫鎂合金散熱器較原始散熱器散熱性能要好。

對實驗結果進行方差分析，并且計算單個因子影響的程度，孔隙率、孔徑、底座厚度及誤差的影響程度分別為23.51%、48.90、22.16%、5.43%.可以看出，在實驗條件下，在所選3個因素中，孔徑對泡沫鎂合金散熱器的影響最大，其次是孔隙率，最后是散熱器底座厚度。

為了驗證實驗結果，根據(jù)正交實驗最佳參數(shù)組合制作孔隙率為60%，孔徑大小為1.6mm，底座厚度為0mm的散熱器，利用同一個LED燈，在同樣的環(huán)境溫度下，對同一測量點的溫度進行測試，測得穩(wěn)定溫度為32.3℃，與原裝散熱器比較，降低了3.9℃.該溫度值比正交實驗中測得的9組溫度值都要低。表明采用該結構參數(shù)的散熱器可以有效降低LED的溫度，使其發(fā)光效率相對提高，壽命就相應延長。

2.2 散熱機理分析

2.2.1 散熱過程

從LED燈芯片產生熱量到散熱器達到穩(wěn)定的散熱平衡的過程中，有兩個不同的換熱過程，一為未達到熱平衡時的過程，即非穩(wěn)態(tài)過程，二為達到穩(wěn)定的散熱平衡后持續(xù)散熱的過程[5]。

第一個過程的傳導方程為式1：

式1中：a=λ/ρCp，a 為泡沫金屬的熱擴散系數(shù)；ρ，Cp，λ分別為泡沫金屬的密度（g/cm3），比熱容（J·kg-1·K-1），熱導率（W·m-1·K-1）.

第二個過程溫度分布方程為式2：

從式（1）和（2）可以看出，泡沫金屬換熱過程都與其熱導率有很大的關系。

泡沫金屬的熱導率的表達式如式3：

對泡沫金屬來說，泡沫金屬基體骨架的導熱系數(shù)λ*s與孔隙率P 的關系如式4：

式4中：λs為實體泡沫金屬的導熱系數(shù)；與泡沫金屬基體材質、孔壁厚度、孔形狀及分布有關，為不大于1的熱傳導結構因子常數(shù)。

式5中：λg為空氣的導熱系數(shù)為孔隙內空氣的對流換熱系數(shù)。

資料顯示只有當格拉曉夫系數(shù)（Cr）大于1000時，孔內空氣的對流作用才是重要的[5]。在1大氣壓下，只有孔穴尺寸達到10mm時，才能滿足Cr=1000，孔內的對流才起作用。而試驗中制備的泡沫鎂最大平均孔徑為2.5mm，不能滿足對流發(fā)生作用需要條件。因此，在本實驗中，孔隙內空氣的對流換熱系數(shù)λ*c可以忽略不計。

由于試驗中的溫度相對比較低，孔壁與孔隙的輻射傳熱可以忽略，即λ*r對泡沫鎂合金的導熱率的貢獻也可以忽略。

綜合上述分析，實驗所得泡沫鎂散熱器的熱導率可以表示為金屬骨架的熱導率和孔隙內氣體的熱導率之和，即式6所示：

2.2.2 影響因素分析

式6表明，泡沫鎂合金散熱器的熱導率與孔隙率有很大關系，孔隙率增大熱導率反而減小，所以，孔隙率增大增加了散熱面積，但同時又降低了熱導率。

泡沫鎂散熱器的散熱性能不僅僅取決于孔隙率，還與泡沫鎂將熱量擴散到空氣中的能力及底座厚度有關[6]。泡沫鎂孔徑越大，越有利于熱交換的進行，熱量擴散到空氣中的能力越強，越有利于散熱。底座為實體鎂合金，理論上，實體鎂合金的導熱率遠遠大于泡沫金屬的熱導率，底座厚度越厚，熱導能力越強，但是在同樣散熱器高度的情況下，增加泡沫鎂合金的厚度，則泡沫金屬部分就相應的要減少，這會導致散熱表面積的減少，從而影響泡沫鎂合金的散熱性能。試驗證明底座厚度為零時散熱性能最好，但在實際應用當中，考慮到安裝問題，必須有實體底座，所以在保證安裝的功能下，底座厚度應該越小越好。

4 結 論

1）泡沫鎂合金LED燈散熱器散熱能力優(yōu)于傳統(tǒng)散熱器。

2）在影響泡沫鎂散熱性能的結構因素中，孔徑影響最為顯著，孔隙率次之，底座厚度最小。當泡沫鎂散熱器的結構參數(shù)為平均孔徑1.6mm，孔隙率60%、底座厚度在滿足實際安裝需要盡可能薄時，散熱性能是最好的。在實驗室條件下，測試溫度與原裝散熱器相比較可以降低3.9℃.

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