石墨烯材料在LED路灯模组中的应用及该模组的设计

李柏林，张仕辉

(广州广日电气设备有限公司，广东广州 511447)

石墨烯材料在LED路灯模组中的应用及该模组的设计

李柏林，张仕辉

(广州广日电气设备有限公司，广东广州 511447)

我们介绍了一种石墨烯散热材料在LED路灯模组中的应用，并探讨该模组的设计方法；结合其成型及材质的选取，我们称其为钣金模组，该钣金模组设计结构简洁精致、质量轻，解决了以铜管鳍片、压铸及挤出成型为散热方式的常见问题，尤其是石墨烯在其基础上的应用，更是有效地提高模组散热性能。

LED；LED路灯；LED模组；石墨烯；散热模拟

引言

石墨烯是一种新型的纳米材料，被称为“黑金”，是“新材料之王”[1]。各个涉及材料学的行业都试图发挥其优势，应用于研发产品之上，实现产品创新。解决散热问题是LED应用的关键。当前，LED路灯的模组化设计已得到行业认可，LED路灯模组散热器加工成型工艺先后经历了铜管+散热鳍片、压铸铝及挤出型材等阶段，但以铜管鳍片、压铸及挤出成型的LED模组，其加工方法面临着成本高、质量重、生产效率低等问题。

本文将介绍一种石墨烯散热材料在LED路灯模组中的应用，探讨石墨烯在喷涂位置对模组及整灯散热性能的影响，并讨论该模组的设计方法，得出了LED路灯模组的成型方案。

1 LED路灯模组技术方案

1.1钣金模组材料的选取

我们研究的钣金散热模组采用钣金工艺对钣金件进行冲压拉伸成型，选用材料除要求具有较高的导热系数外还要求具有良好的延伸率以及抗拉强度；综合考虑银、铜、铝等高导热率材料的特性及其性价比，最终选定采用材料1060-O态热轧铝板[2]做为此款钣金散热器材料。AL1060导热系数为234 W/(m·K)，较常用散热铝材AL6063导热系数201 W/(m·K)、铸铝ADC12导热系数96 W/(m·K)高；其具有良好的延伸率以及抗拉强度，能够完全满足常规的加工要求(冲压，拉伸)，且成型性高；同时AL1060为铝板中较为常用的系列，技术相对于比较成熟，价格相对于其它材料及合金铝板有巨大优势。

1.2钣金模组的设计过程

1.2.1 热传递设计分析

热的传递方式有三种：传导、辐射及对流[3]。LED热量的扩散主要是通过传导方式来实现的，这就涉及与贴LED的铝基板直接接触的散热器。LED散热器的外形及尺寸受到灯具外形及安装空间等条件的限制，在散热容积不变，散热面积增加到一定程度情况下，如果还一味追求增大散热面积则只能加密散热片的数量，势必影响散热片间的间隙，导致对流换热系数的降低，从而减弱散热器的散热能力。结果可能并无法达到加速散热的目的，故在设计散热片的过程中需要兼顾散热片间空气对流换热环境。综合传导及对流因素，LED热量的要快速散发就需要使LED产生的热量能够以最快的速度经散热器传导并散发到周边环境中去，在材料及散热容积一定的前提下，必须使热量的传导路径最短，散热面积及对流换热系数乘积最大化。

根据以上理论，以下将通过ProE软件建模并结合热模拟软件FloEFD模拟，采用冲压、折弯工艺将板材加工成所需散热器形状，并通过在适当的位置冲裁对流孔，控制热量在散热器内部的传导路径以及改善散热片对流散热效果方式，寻找使LED散发的热量以最短，最快的路径传递开并散发到空气中的最优方案。

1.2.2 钣金散热器结构、性能分析及优化

灯具内部安装模组有效空间尺寸为220 mm (宽)×45 mm(高)，长度方向可依据模组数量做调整；此空间内允许钣金模组散热器有效尺寸为220 mm(长)×76 mm(宽)×45 mm(高)。此散热模组设计总功率30 W，灯珠采用3030封装中功率贴片LED灯珠60颗，灯珠设计驱动电流为80 mA,灯珠热阻为10 ℃/W，设计目标结温Tj≤65 ℃。

按以上条件在钣金加工工艺允许的前提下，尽可能的使散热器散热面积最大化。经优化设计后得到散热器结构尺寸如图1所示，散热器散热面积为79 500 mm2。

图1 散热器尺寸Fig.1 Dimensions of radiator

运用FloEFD热学模拟软件进行热模拟，模拟条件如下：①初始环境温度：25 ℃；②LED：3030，60pcs； ③LED总功率： 28 W； ④LED发热功率：19.6 W； ⑤散热器辐射系数：0.27。模拟结果见图2，其中LED焊点温度Ts=63.18 ℃;θth=10 ℃/W (灯珠热阻)；Ptotal≈0.47 W；Tj=67.88 ℃≥65 ℃(目标结温)，故需进行优化。

图2 热模拟结果Fig.2 Thermal simulation results

由于空间及工艺限制，在现有空间及工艺条件下散热面积已无法继续增大，因此通过增大散热面积达到降温显然无法达到目标；根据牛顿冷却定律Q=hA(Tw-Tc)，影响散热效果的主要条件除散热面积A，还取决于对流换热系数h；通过改善对流条件，可加速散热器对流换热，以此达到加速散热的效果。对此，我们对散热器两侧散热片进行开孔，加速对流，同过运用FloEFD热学模拟软件进行对比模拟优化：

在散热器上开对流孔后，散热器散热面积虽较之前减小，但改善了对流后散热效果也会得到改善。依据对流换热原理，结合空气流动，在散热片上交错开槽，使空气充分流经散热器表面，与散热器进行充分的热交换。经过多次优化对比开槽方案后确定散热器结构尺寸如图3所示，散热器散热面积为74 300 mm2。

图3 开有对流槽散热器尺寸Fig.3 Dimensions of radiators for open convection tanks

上述设计参数运用FloEFD热学模拟软件模拟结果见图4。其中，LED焊点温度Ts=59 ℃，θth=10 ℃/W (灯珠热阻)，Ptotal≈0.47 W，Tj=63.7 ℃≤65 ℃(目标结温)。

图4 开有对流槽 热模拟结果Fig.4 Thermal simulation results of open convection tanks

至此欲通过传导及加速对流方式散热已很难有效的降低LED结温。若要继续追求降低LED结温，在现有条件限制的基础上唯有设法增加散热的表面的辐射系数，增加散热器辐射散热能力。

1.3新型石墨烯材料的应用

石墨烯散热涂料是由石墨烯组合而成的片状分子结构物，其辐射率ε达0.98，能将热能转换成红外线辐射散热。散热器表面采用纳米技术涂覆石墨烯材料，可增加散热器的辐射散热能力，将散热器热能转换成红外线辐射散发到空气中。因此，可在散热器表面涂覆石墨烯散热涂料，使之辐射率提高到0.98，在保证其传导、对流能力不变的前提下，最大的提高其辐射散热能力，以此提高散热器整体的散热能力。

针对此优化，保证散热器结构尺寸如图3所示，将散热器表面辐射率设置为0.98，运用FloEFD热学模拟软件进行热模拟。

模拟条件如下：①初始环境温度：25 ℃； ②LED：3030，60pcs； ③LED总功率： 28 W； ④LED发热功率： 19.6 W； ⑤散热器辐射系数：0.98。模拟结果见图5。其中，LED焊点温度Ts=55.4 ℃;θth=10 ℃/W (灯珠热阻)；Ptotal≈0.47 W；Tj=60.1 ℃≤63.7 ℃。LED结温较涂覆前降低2.6 ℃，距离目标结温65 ℃有约5 ℃的余量。

图5 涂覆新型石墨烯材料热模拟结果Fig.5 Thermal simulation results of new grapheme coating

1.4实验研究及性能分析

基于上述设计模拟分析，按设计及模拟最终确定的结构尺寸参数制作样品进行实际测试！

测试前准备：如图3结构尺寸样品两件，一件表面涂覆石墨烯散热涂料，另一件表面氧化处理(完成样品如图6、图7)。

图6 表面涂覆石墨烯模组散热器Fig.6 Module radiator coated with graphene

图7 表面氧化 模组散热器Fig.7 Module radiator for surface oxidation treatment

将上述两样品同时置于常温同等环境下进行散热测试，测试条件如下：

①试验方法：GB 7000.1—2007 防风罩条件；②环境温度：24.1 ℃，湿度59%；③测试工具 ：温度仪Fluke 54Ⅱ B；④测试方法：用恒流电源正常驱动点亮全部LED，分别测试LED焊点的温度；⑤输入电流：恒流 0.8 A；⑥LED： 3030，60PCS； ⑦LED总功率： 27.6 W；单颗LED功率：0.46 W；⑧结温公式：Tj=T+RhΔP，Tj为LED结点温度；Rh为结点到基板的热阻；T为基板温度；ΔP为所测LED 的功率。

测试如图8所示，测试结果如表1所示。

图8 防风罩内散热测试Fig.8 Heat test in windproof hood

表1 散热测试结果Table 1 Thermal test results

散热测试数据与热模拟数据对比如表2所示。

表2 散热测试数据与热模拟数据对比表Table 2 Comparison of heat release test data and thermal sumulstion data

由表2可见，排除环境等其他因素对测试结果的影响因素，理论与实际数据相对吻合。

按上述氧化及表面石墨烯散热涂料两种方式，各制作6件散热模组，将此两款散热模组分别按间距5 mm距离组装成180 W灯具，测试灯具结温。测试条件如下：①试验方法：GB 7000.1—2007《防风罩条件》；②环境温度：23.7 ℃，湿度52%;③测试工具 ：温度仪Fluke 54Ⅱ B；④测试方法：市电驱动灯具，分别测试模组LED焊点的温度。⑤输入电压：AC200 50 Hz;⑥LED：3030，6×60PCS； ⑦LED总功率：1#灯具 186.5 W，2#灯具184.4 W；单颗LED功率：1#灯具LED 0.474 W，2#灯具LED 0.469 W；⑧结温公式：Tj=T+Rh*ΔP;Tj: LED 晶片结点温度；Rh：结点到基板的热阻；T：基板温度；ΔP：所测LED 的功率。

测试如图9所示，测试结果如表3所示。

1#模组散热器表面涂覆石墨烯散热涂料；2#模组散热器表面氧化图9 防风罩内 180 WLED路灯散热测试Fig.9 Heat test of 180 W LED street lamp in windproof hood

表3 180 W LED路灯散热测试数据对比表

试验发现，整灯测试得出数据与模组测试时数据相悖。涂覆石墨烯散热涂料模组组装的灯具结温反高于表面氧化模组组装的灯具。考虑到模组间间距只有5 mm，模组散热器表面涂覆石墨烯散热涂料，此材料辐射率0.98，辐射散热材料涂覆后在增加散热器的辐射散热能力同时也提高了其吸收其他物体辐射能量的能力，由于受到周边模组辐射热能的干扰导致装配到灯具后表面涂覆石墨烯散热涂料的散热器散热能力反而降低。故需要拉大模组间间距，让模组间辐射的热量能散发到周边空气中，避免相互吸收干扰，这样才能最大限度的发挥石墨烯散热涂料的作用，但这会造成灯具长度大大的加长，现实中显然不便实施。

对此唯有设法降低或避免模组间的辐射吸收效应，发挥其辐射散热效应。利用辐射的强方向性特点，将散热器有选择性的选择涂覆石墨烯散热涂料，避开有可能相互吸收干扰的表面，只在散热器两侧顶部折弯处平面涂覆石墨烯散热涂料，其他表面只作氧化处理。完成后散热器如图10所示，涂覆石墨烯散热涂料面积6 650 mm2；

图10 表面氧化+局部涂覆石墨烯模组Fig.10 Module radiator for surface oxidation treatmentand locally coated graphene

运用FloEFD热学模拟软件进行热模拟，模拟条件如下：①初始环境温度：25 ℃； ②LED：3030，60pcs； ③LED总功率： 28 W； ④LED发热功率：19.6 W； ⑤散热器辐射系数：0.27；顶部涂覆石墨烯辐射系数：0.98。模拟结果见图11，其中LED焊点温度Ts=58.5 ℃；θth=10 ℃/W (灯珠热阻)；Ptotal≈0.47 W；Tj=63.2 ℃；较散热器表面氧化模拟得出结温Tj=63.7 ℃，较铝表面单独氧化有降低。

图11 表面氧化+局部涂覆多层石墨烯模组散热模拟图Fig.11 Thermal simulation results of Module radiator for surface oxidation treatment and locally coated graphene

因辐射能与物体的温度及表面积有关，温度越高，表面积越大辐射能越大。此处散热器表面温度仅50多度，且顶部面积仅6 650 mm2,故LED结温下降不明显。若将模组装入灯具型腔，由于灯具型腔内部对流较外部空间差，且存在多模组同时发热，模组散热器表面温度会有所升高，到时石墨烯散热涂料发挥效用必会加大。

按上述涂覆方式制作6模组按5 mm间距安装成180 W灯具进行测试时对比，测试条件如下：①试验方法：GB 7000.1—2007《防风罩条件》；②环境温度：25 ℃，湿度52%；③测试工具 ：温度仪Fluke 54Ⅱ B；④测试方法：市电驱动灯具，分别测试模组LED焊点的温度。⑤输入电压：AC200 50 Hz; ⑥LED： 3030，6×60PCS； ⑦LED总功率：1#灯具 186.5 W，2#灯具184.4 W；单颗LED功率：1#灯具LED 0.472 W，2#灯具LED 0.469 W；⑧结温公式：Tj=T+RhΔP;Tj: LED晶片结点温度；Rh：结点到基板的热阻；T：基板温度；ΔP：所测LED 的功率。测试如图12所示，测试结果如表4所示。

1#模组散热器表面涂覆石墨烯散热涂料；2#模组散热器表面氧化图12 防风罩内 180 WLED路灯散热测试Fig.12 Heat test of 180 W LED street lamp in windproof hood

由表4可以看出，经调整辐射表面，避免模组间相互辐射干扰后模组涂覆石墨烯的灯具散热效果明显改善且优于模组表面氧化的灯具。最终，我们完成了此款钣金散热器的实际及验证。

综上可知：LED散热所讲的散热面积准确的说应该称之为有效散热面积，散热器散热翅片只有与周围环境充分接触，才能够有效进行热交换，将散热翅片上的热量散发到空气中。辐射散热虽具有加速散热优点，但在使用中需考虑其辐射吸收及其他队辐射散热有影响的因素(如物体的温度与环境的温差，辐射面面积等)。可见设计一款好的LED散热器，只有综合运用好了传导、对流及辐射才能极限的发挥散热器的散热性能。

表4 180 W路灯优化后散热测试数据对比表

3 结论

本文根据散热理论结合FloEFD热学模拟软件进行模拟，建立热传导、对流及辐射模型，通过分析改善散热器散热设计，并经过分析及实验最终完成设计：通过钣金工艺设计加工的模组散热器，成型后模组散热器总重量为210 g，较市面铝挤、压铸散热器质量大大降低，在达到同等散热能力的前提下可节约材料成本约50%。通过以上研究可以发现，合理的设计热传导路径及对流路径才是有效提高散热器的散热效果最经济合理的方法。在结构受限，对散热器散热面积、传导路径、对流路径优化已难改进散热器散热能力的情况下，辐射散热成为进一步提高散热器散热能力的又一利器，特别是新型石墨烯散热涂料的应用，其辐射率ε达0.98；通过在散热器表面涂覆石墨烯材料，能有效增加散热器的辐射散热能力，将散热器热能转换成红外线辐射散发到空气中；但需合理设置散热器辐射表面，及辐射表面间距以减少不同辐射表面相互间的吸收干扰，进而影响辐射散热效果的情形，以便充分的发挥散热器的散热能力。

[1] 朱宏伟，徐志平，谢丹，等.石墨烯：结构、制备方法与性能表征.北京：清华大学出版社，2011.

[2] 罗婉霞，李柏林.拉深工艺在LED筒灯设计上的应用.照明工程学报，2014，25(4):90.

[3] 杨世铭，陶文铨.热传学.第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4] 传热和传质基板原理[M].葛新石，叶宏，译.北京：化学工业出版社，2007.

ApplicationofGraphemeHeatRadiationMaterialinLEDLampModuleandDesignMethodoftheModule

LI Bolin, ZHANG Shihui
(ElectricityFacilitiesGuangriGuangzhouCo.,Ltd.，Guangzhou511447,China)

We introduced the application of a heat graphene material in the LED streetlight module, and discussed the design method of the module. The module was called sheet metal module whose name was chosen due to its shape and material selection. The sheet metal module was designed more concisely and delicately, with light weight, which resolved the common issues existing in the current cooling mode using brass fin, die-casting and extrusion.The application of graphene can improve the heat dissipationmodule performance effectively.

LED; LED lights; LED module; graphene;thermal simulation

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.013