刘燕娟 丁文超 李东征

（佛山电器照明股份有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

目前大功率LED照明灯具广泛应用在路灯、投光灯、探照灯、集鱼灯等场景下，是一种公认的节能环保的照明方式。LED芯片在正常工作时70%以上的能量转化为热能，转为光能的不足30%。因此，对使用大功率LED芯片的灯具进行良好的散热设计显得尤为重要[1-2]。

LED集鱼灯可以在白天将大型鱼群聚集在较浅水层进行捕获，具有节能、诱捕范围广、穿透水层深等特点，并且还可以在晚上将深水层的鱼群引诱到较浅的水层进行作业。对LED集鱼灯进行良好的散热设计，可以保证灯具的稳定性和使用寿命，减少灯具维修替换的工作量，并将更多的能量转化为灯具的光效，提高产品的经济价值[3]。

LED的散热方式以及散热器优化设计会很大程度上影响LED的散热冷却效果，因此对LED散热方式以及散热器优化设计的研究成为近几年的研究热点。该文总结了大功率LED照明灯具的冷却技术研究现状，介绍了散热翅片、风冷和其他新型冷却方式以及LED灯具散热器优化设计。并针对大功率LED水上集鱼灯的散热情况，设计了一种水冷散热系统，通过对串联和并联水冷散热系统的理论分析和负荷量仿真计算，得出最优的水冷系统搭建参数。为LED水上集鱼灯的散热技术提供了可靠的技术手段和试验方案。

1 现有LED照明灯具散热技术

目前LED集鱼灯常用的散热方式为散热翅片散热[4-5]。这种方式要求散热的面积非常大，不利于船上安装，同时也加重了船体负担，对船的性能要求更高。另一种散热方式是散热外壳加装风扇进行强制对流散热，这种方式可以减少铝的散热面积，减轻灯的质量，但是风扇的噪声很大，会驱离鱼，对船上的工作人员也是一种噪声污染。

还有一种散热方式是在LED散热器表面或中部增加导热界面材料，如石墨烯材料[6]。通过试验与数值分析方法，研究在涂覆石墨烯材料下不同功率密度、不同监控点的温度分布情况，旨在评估石墨烯界面材料相比传统导热硅脂材料的优异性。相对来说，石墨烯材料的散热能力依然有限，对大功率的灯具，石墨烯材料不足以进行有效的热传导。

有部分研究针对大功率半导体激光器散热系统进行水冷散热设计。对水冷散热系统的流体通道中的冷却液进行了流体分析，采用有限元分析软件Fluent分别对散热模型的分布和激光器模块器件的热分布进行了数值模拟[7]。结果表明，冷却液在流体通道的填充流动效果能够使散热系统具备更良好的散热性能。在激光器满功率输出情况下进行散热试验对比，获得的试验数据与仿真结果基本一致。

散热性能差是大功率LED非常突出的一个问题，并且在一定程度上灯具的散热性能也会影响灯具的使用寿命。因此要使大功率LED灯具得到更广泛的应用，就必须解决散热问题。该文针对水上集鱼灯设计了一种并联水冷散热系统，分析灯具串并联数量、水流速、灯具尺寸等因素对灯具散热性能的影响，进而提出了有效解决2000W水上集鱼灯散热性能的方案。

2 水冷散热原理

水冷又称为液冷。水冷散热的原理为在一个密闭的液体循环装置中，通过水泵产生的动力，推动密闭系统中的液体循环，将热沉吸收的部件产生的热量通过液体的循环带到面积更大的散热装置进行散热。冷却后的液体再次回流到吸热设备，如此循环往复。由于水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，可以解决几百瓦至数千瓦的散热问题，在激光、军工、医疗、电力电子、工业设备等行具有广泛的应用[8-10]。

2.1 水冷散热的优点

水冷散热的优点包括强大的载热能力、热量定向移动、静音环保、密封防尘、实时监测、使用安全而灵活、分离式散热、适用于高功率密度场合、热流密度大以及热阻小。

2.2 水冷散热的缺点

水冷散热的缺点包括冷却成本高（相对风冷）、冷却系统的可靠性低和受环境条件的限制。

2.3 水冷散热技术要求

水冷散热技术要求如下：1）对固体颗粒的要求。避免0.3mm以上颗粒进入循环系统，建议加过滤器或电子除垢仪。2）对水冷系统进行防腐蚀处理。对散热系统中的铝材或其他金属表面进行防腐蚀处理。水冷介质为合适的pH值。在水冷介质中增加缓蚀剂，减缓电化学腐蚀。3）在北方地区，需要考虑对结冰的预防。可在水冷介质中加入一些乙烯乙二醇、乙醇、芳香类等防冻剂。4）做好水冷管道系统的密封处理。使用耐久性强的防水胶带或防水胶，对水管接头做好密封处理。

3 并联水冷散热系统设计

该方案设计的并联水冷散热系统由水泵、水流管道、灯具、输入水箱、输出水箱、输出水箱冷却处理系统等组成，如图1所示。

图1 并联水冷散热系统设计

针对该方案的大功率水上集鱼灯水冷散热系统的设计，需要考虑水冷散热理论、灯具散热面积、水泵功率与负载量、水管尺寸和材质等方面。

预设灯具2000W，通过水冷散热系统后，温度不超过60℃。根据能量守恒定律和白光LED光源在不同电流、不同温度下光转化效率的变化趋势可知，这两年由于技术的提升，LED的光转化效率可以达到30%以上，对应热损耗接近70%。而要控制最高温度不超过100℃，至少有50%的热量需要依靠散热器和水冷循环散热。

热力学公式如公式（1）所示。

式中：K为不均匀换热系数，通常为1.1~1.5，该项目以最低1.1计算；c为水的比热，为4.2×103（J/（kg·℃））；m为冷却介质流量（质量=水密度×体积）；Δt为介质进出口温差。

根据该热力学公式，以无水冷时LED最高温度可达150℃来算，水冷带走的温差最少应为60℃，对应灯具散热的计算方如下：功率2000W×时间t×50%=1.1×4.2×103（J/（kg·℃））×水密度103kg/m3×灯具横截面s×流速v×时间t×90℃。对应得到灯具横截面s×流速v约等于1.92×10-6m3/s。根据该项目光源尺寸及排布要求，对应的灯具水流通道横截面尺寸大约为110mm×30mm=3.3×10-3m2，对应水流速应为0.58×10-3m/s。

4 并联水冷系统硬件选择方案

4.1 水泵参数表

水冷散热系统的水流管道流量设计取决于水泵的功率，水泵功率选择参考公式（2）。

式中：P为功率，W；ρ为水的密度，ρ=1000kg/m3；g为重力加速度，g=9.8m/s2；Q为流量，m3/s；H为扬程，m；h为水泵效率，一般取0.75。

水上集鱼灯水冷系统通常使用水泵功率为10kW~60kW，单个水泵扬程通常为12m~100m。

4.2 灯具负载数量

并联水冷系统需要考虑对应的并联灯具负载数量，因此需要将并联水冷系统和串联水冷系统的流量进行对比，选取水泵功率20kW，负载扬程为50m，对应的流量数据见表1。

表1 并联水冷系统和串联水冷系统的流量数据统计

由表1可见，水泵并联运行时，流量有所衰减；当并联数量超过5台时，衰减尤为厉害。因此强烈建议：1）采用并联水冷系统时，选用的水泵要考虑流量的衰减，留有余量。2）水冷系统中，单台水泵并联的水管支路不宜超过5条，否则后面的通道流量衰减会大于25%。

将并联水冷系统和串联水冷系统前后灯具表面平均温度进行统计，负载灯具分布如图2和图3所示，灯具表面平均温度统计见表2。并联水冷系统前后灯具温差为12.4℃，相邻分支水路之间的温差基本接近；串联水冷系统前后灯具温差为45.5℃，平均每经过一台灯具，灯具表面平均温度增加4℃~15℃。灯具表面平均温度超过60℃时，后面的灯具表面温度急剧升高，因此串接灯具单路最多支撑7台灯具。

图3 串联水冷系统负载灯具分布

表2 并联水冷系统和串联水冷系统负载灯具表面温度统计

图2 并联水冷系统负载灯具分布

5 水冷灯具设计及散热仿真

5.1 灯具结构设计

水冷灯具采用铝型材结构，端口做水管转接件，做好防腐蚀防盐雾表面处理（如特氟龙涂层）。灯具的截面设计可以通过增加曲面或锯齿形状来增加散热材料与水介质的接触面积，不同灯具结构设计方案如图4所示。

图4 不同结构灯具设计方案

5.2 水冷灯具散热仿真

根据散热的需求，灯具的设计有窄截面长款、宽截面短款两种方式，其中宽截面短款又有波浪形截面和锯齿形截面两种形式，如图5所示。对这几种形状的灯具进行散热仿真：1）对灯具前后温差要求较高，可以选择窄截面长款的灯具。COB光源单排分布在灯体中，灯体尺寸为50mm×50mm×1000mm。灯具最高温度为81.49℃，前后温差小于2.89℃。2）对灯具最高温度要求较高，可以选择宽截面短款的灯具。COB光源分成三排分布在灯体中，灯体尺寸为120mm×50mm×1000mm。灯具最大温度为79.5℃，前后温差小于5.2℃。3）宽截面短款灯具有波浪形截面和锯齿形截面两种形式。波浪形截面与水流的接触面积增加了5%~20%，灯具最高温度低于79℃，前后温差小于5℃；锯齿形截面灯具与水流的接触面积增加了50%~100%，灯具最高温度低于75℃，前后温差小于4.8℃。但这种截面形式会增加灯具端盖防水的难度，因此进行灯具设计时需要考虑综合因素。

图5 灯具水冷散热仿真示意图

6 结语

该文提出了一种针对大功率水上集鱼灯的并联水冷散热系统的设计方案，对并联水冷系统的负载量进行了理论和热仿真计算，得出在水泵功率20kW时，并联系统最大支撑12台灯具且依然保持灯具最高温度不超过57.6℃，而串联水冷系统最多只能支撑7台灯具且最高温度已经达到93.5℃。对水冷系统中不同尺寸的灯具进行散热仿真，得出窄截面长款、宽截面短款两种方式具有各自的优势，均可以满足不同的场景要求。该方案设计能够实现多套灯具并联接入水冷散热系统后，所有灯具表面平均温度控制在60℃以下，最高温度控制在100℃以下，为后期大功率灯具散热提供了理论支撑和数据参考，助力于高功率密度灯具向新的方向发展。