当热量从蒸发器传至回路热管内的工作介质,工作介质吸收热量后蒸发流向冷凝器,释放热量冷凝后,再藉由蒸发器内多孔材料的毛细力,重新回到蒸发器,重复循环。
在被动散热的原件中,回路热管恰好补足热管与均温板无法远距离热传这一块,可将热导至较远或较容易散热的地方。
回路热管技术原本应用于太空科技、人造卫星等,在LED照明是一项新尝试,原理如图3(A),应用示意如图3(B),散热管可利用灯壳散热,不须多加装鳍片,若考虑美观,可将散热管绕置于灯壳内部。
散热组件基本上只是一个工具,没有真正所谓的优劣之分,重要的乃是利用这些工具达到优化应用散热之目的。下列将针对上述散热机构在LED路灯上应用作相关比较。
? 自然散热
优点为散热成本最低、结构最简单,较偏向于小瓦数散热,如MR16的应用。
市场上以自身结构本体散热方式的LED路灯产品,多为100瓦以下的产品,乃利用LED灯珠排放密度低的方式,克服热通量过高的问题,但松排列却产生光学上可能有多重影像的现象。
在实际应用上,若灯具利用鳍片散热(鳍片外露于大气中),应特别注意落尘或其他异物等积累于鳍片上,以至于造成散热效果降低,影响LED寿命。
? 热管加鳍片
目前市场较成熟的热管技术,一般单支直径6毫米的圆管热管便可解决约40~50瓦的热量,考虑折弯、打扁效率的折损,一支热管约可解决30~40瓦左右的热量。
以一个100瓦的灯具来说,约三支热管便可将热带出LED模块,接着导至鳍片散热。针对高瓦数如100瓦以上的LED路灯产品,此为较合理、成本较低廉的解决方式。此散热方式为目前LED路灯市场上的大宗。
? 均温板加鳍片
均温板最大的优点是解决高热通量的散热,或是解决突扩热阻,将不易散热的点热源,拓展成较易散热的面热源,如图4业界所做的模拟比较。图中左以单纯铝板加鳍片、中为三根热管加鳍片、右为均温板加鳍片,整个温度分布可以发现,当热源在整个散热模块的右方时,三根热管加鳍片很明显优于单纯铝板加鳍片,但若利用均温板,很明显的温度分布更佳,热阻也从0.61K/W再降至0.54K/W。这是强调传热的均匀性,以确定鳍片的利用率。
均温板加鳍片的散热方式最大的限制是,热管可以把热往水平或垂直方向传递,但均温板仅能往垂直方向传递,便造成在灯具外型设计上的限制(图5)。目前市场上利用此散热方式的厂家并不多,应用的方式为六至八颗LED为一模块,以多模块组合成大瓦数的LED路灯。
回路热管散热
回路热管市售单一模块可达最高瓦数为160瓦(图6),除了可解决高热通量的问题外,亦具有远距离热传、抗重力以及可挠式的散热管等优点,若散热管能有效与灯壳结合,便能大幅降低整体灯具重量。透过回路热管,将位于灯具下方的LED模块的热带往上灯壳,透过上灯壳的大幅面积把热量散掉,以此方式便不会在灯壳上方看到鳍片,让灯壳不只是外观件也是功能件(图7)。
市售150瓦LED路灯采用回路热管散热的实际测试结果如图8。经过有效的散热设计,重量仅8.5公斤,在环境温度30℃、无风的环境下,量测到的芯片温度为71℃,热阻值为0.27K/W。目前市场上,以回路热管散热方式制作的LED路灯仍在少数,但因其整体灯具重量轻,也吸引不少目光。
由于近期业界的投入,LED路灯在热问题解决上渐渐成熟,上述的解决方式皆会因应用的方式与切入的角度,考虑有所不同。将上述方式就可靠度、成本、设计难易度以及重量四个角度切入评比,作一简单比较(图9)。若是主打低价市场,成本为第一考虑,鳍片或热管加鳍片即为较佳选择;若是在安全有顾虑,需要轻量化设计的路灯,回路热管散热在有效降低成本后,会是不错选择。