照明用LED新型冷卻方式的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢★

劉東 蔣斌 鄒國榮

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010)

0 引言

隨著社會科技的進步，人們對能源的需求越來越大。這其中照明逐步成為能源消耗的一個很重要的方面。據(jù)統(tǒng)計:現(xiàn)有電能產(chǎn)量的15%用于照明［1］。為了減少照明用電，人類開始嘗試使用大功率LED作為照明光源，其具有照度大、節(jié)能、環(huán)保和長壽命等優(yōu)勢，與白熾燈相比，可節(jié)省60%～90%的電能，壽命提高數(shù)倍，因此LED照明得到了世界各國的普遍認同和推廣。2007年歐盟春季首腦會議已經(jīng)達成協(xié)議，從2009年開始，禁止生產(chǎn)白熾燈泡，以減少溫室氣體排放。我國在2003年啟動了“國家半導(dǎo)體照明工程”，并確定了廈門、上海、大連和南昌為首批四個國家半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)基地。

1 LED散熱問題

在LED照明中，輸入功率中約60%～70%的能量轉(zhuǎn)化為熱量，如果這些熱量不及時帶走會導(dǎo)致芯片溫度上升，而過高的溫度會引起LED芯片效率降低，甚至燒毀。通過對現(xiàn)有半導(dǎo)體器件LED失效的原因分析發(fā)現(xiàn)，其中55%是由于溫度過高而導(dǎo)致的，因此LED的散熱問題，已經(jīng)成為LED照明的技術(shù)瓶頸，嚴(yán)重阻礙了大功率LED的推廣與應(yīng)用?，F(xiàn)有的LED冷卻一般都是直接采用自然冷卻，對于小型LED燈而言，其單位面積熱流密度約為5 W/cm2～30 W/cm2。此時自然對流冷卻由于其低成本、小體積和重量輕的特點成為小型LED首選的有效的散熱方式。如:現(xiàn)在市場上家用的3 W～5 W的LED燈都是采用肋片自然對流冷卻(如圖1所示)。而隨著LED功率的不斷增加，這種冷卻方式越來越不能適應(yīng)LED的散熱需求。因此大量新型的冷卻方式被提出并應(yīng)用。本文介紹幾種新型的冷卻方式，給LED熱設(shè)計者提供一定參考。

圖1 某品牌照明用3 W LED燈

圖2 熱管工作原理示意圖

2 熱管冷卻技術(shù)

最早的熱管是1944年美國俄亥俄州通用發(fā)動機公司的R.S.Gaugler在其專利［2］中提出的。熱管散熱技術(shù)是最近幾年被廣泛應(yīng)用的一種高效傳熱方式，其通過重力或者毛細力的作用，可以在很小的截面上遠距離傳輸大量的熱量。和常規(guī)的傳熱方式相比，其最大的優(yōu)點是無需外加動力。其主要工作原理如圖2所示。其由工作介質(zhì)，管殼等組成(毛細熱管還必須有吸液芯)。熱管是將管內(nèi)抽成10－1Pa～10－4Pa的負壓后充以適量的工作介質(zhì)并密封。根據(jù)位置的不同，熱管吸收熱量的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，兩段中間為絕熱段。熱管工作時，其蒸發(fā)段受熱，熱量傳遞到內(nèi)部從而使此處液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段;工質(zhì)在冷凝段放出熱量后凝結(jié)成液體，液體依靠毛細力或者重力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量就由熱管的一端傳至另一端。現(xiàn)有的熱管按照其工作原理不同可以分為:重力熱管、毛細熱管、脈動熱管和平板熱管等。

從熱管的原理分析可以發(fā)現(xiàn):熱管由于其沒有運動部件，熱流流動完全依靠其自身的能量，并且導(dǎo)熱過程伴隨著相變的進行，因此，其具有較好的導(dǎo)熱能力，傳熱量大，傳熱溫差小的優(yōu)點。同時熱管的蒸發(fā)段及凝結(jié)段可以互換，因此熱傳輸方向可以任意改變。但由于低溫蒸汽粘性力、氣流速度達到音速導(dǎo)致的塞流現(xiàn)象、液滴超過液體表面張力飛散的剪斷力等制約，散熱能力只能在100 W/cm2～200 W/cm2之間，用于目前LED的散熱，可以完全滿足要求。

3 微結(jié)構(gòu)冷卻方式

對于傳統(tǒng)的散熱器而言，在換熱系數(shù)一定的情況下，比表面積增加，換熱量就會增強。而微結(jié)構(gòu)冷卻方式就是在一些薄片上加工出不同的微結(jié)構(gòu)形狀(槽道、肋片、多孔結(jié)構(gòu))，并將這些薄片按照一定的方式堆疊和焊接起來形成小尺度換熱器。采用大比熱容的流體工質(zhì)流過該散熱器從而構(gòu)成微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。其主要由驅(qū)動泵、微結(jié)構(gòu)散熱器、外部散熱器等組成。冷卻液體被驅(qū)動泵增壓后，流過微結(jié)構(gòu)散熱系統(tǒng)進行吸熱，從而帶走微結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱量，換熱后高溫的冷卻液體進入外部散熱器冷卻后繼續(xù)循環(huán)(見圖3)。

圖3 典型的微結(jié)構(gòu)散熱系統(tǒng)

最早的微結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)是在1981年由Tuckerman［3］提出的。其設(shè)計加工的硅基微槽道散熱器在進出口溫差為71℃時可帶走790 W/cm2的熱量。此后，研究者對其進行了大量的研究，Qu［4，5］等的文章對其進行了較好的闡述。微結(jié)構(gòu)冷卻方式的最高散熱能力可達1 000 W/cm2，加之其結(jié)構(gòu)緊湊、散熱量大、低熱阻、薄片型設(shè)計、能夠成批生產(chǎn)等特點，如果用作LED的散熱，其具有很好的發(fā)展前景。

4 微槽群復(fù)合相變集成冷卻技術(shù)

微槽群復(fù)合相變集成冷卻技術(shù)是在微結(jié)構(gòu)冷卻方式上的改進，其利用微細結(jié)構(gòu)復(fù)合相變強化換熱機理，利用流動工質(zhì)自身的毛細現(xiàn)象和重力實現(xiàn)循環(huán)。其利用毛細微槽群復(fù)合相變?nèi)崞魅〕鰺崃亢?，工質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽通過管道進入高效微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器中，微結(jié)構(gòu)冷凝器利用微細尺度凝結(jié)槽群上的微結(jié)構(gòu)換熱效應(yīng)將蒸汽凝結(jié)并放熱，放出的熱量經(jīng)壁面向外傳導(dǎo)到微結(jié)構(gòu)冷凝器的外壁的肋表面上，并利用自然對流效應(yīng)釋放到環(huán)境中去。凝結(jié)液在壓力梯度作用下通過管道流回到微槽群復(fù)合相變?nèi)崞骼^續(xù)取熱，從而實現(xiàn)循環(huán)冷卻的目的。冷卻系統(tǒng)示意圖［6］見圖4。

圖4 微槽群負荷相變冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

微槽群復(fù)合相變集成冷卻技術(shù)具有超導(dǎo)熱能力、冷卻能力超強、無功耗冷卻、重量輕、體積小、可靠性高、成本低、環(huán)保、余熱利用等特點，并被成功應(yīng)用在LED燈上，LED芯片的熱量能瞬間分布在整個散熱空間中，延長了LED燈的壽命，提高了發(fā)光效率。

5 噴霧冷卻

噴霧冷卻是將連續(xù)的液體工質(zhì)加壓后通過小孔噴出，由于速度梯度和剪切力的作用，連續(xù)的液體被破碎成不同大小的微細霧狀液滴，并以一定的速度沖擊到被冷表面，通過單相對流和兩相沸騰帶走被冷表面熱量的一種冷卻方式(見圖5)［7］，近幾十年來，隨著電子器件散熱需求的不斷增加，噴霧冷卻也受到了研究者的廣泛關(guān)注。但是將其用于LED散熱，必須要解決噴霧液滴的收集等問題。

6 射流沖擊冷卻

在局部需要產(chǎn)生強烈的換熱效果時可以采用射流沖擊的方法。氣體或液體在一定的壓差作用下通過不同形狀的噴嘴成一定角度(可能垂直)的噴射到被冷卻的表面上［8］。單個噴嘴射流沖擊的示意圖如圖6所示。

影響射流沖擊的設(shè)計關(guān)鍵是:噴嘴陣列形式(噴嘴數(shù)量、噴嘴形狀、噴嘴的傾斜度等)、流體流態(tài)和換熱特性、噴嘴到冷卻表面的距離D。使用液體射流沖擊時還需要考慮排水問題，有一種做法是出流管在板長度方向，和噴嘴平行。沖擊形式如自由射流、浸沒射流、圓形孔射流、平板射流、單噴嘴射流陣列。要考慮被沖擊表面的邊界即液膜厚度的影響。

圖5 典型噴霧圖

圖6 單個噴嘴垂直射流示意圖

按照射流沖擊的工質(zhì)可分為氣體射流沖擊和液體射流沖擊，氣體射流沖擊，導(dǎo)熱系數(shù)可以達到900 W/(m·K)。Lanchao［9］使用碳氟化合物作為冷卻液，可以冷卻的最大熱流密度為90 W/cm2;用甲醇作為冷卻液，可以冷卻的最大熱流密度為490 W/cm2，用水作為冷卻介質(zhì)時，可以達到的最大熱流密度為1 000 W/cm2。

7 結(jié)語

本文針對幾種不同類型的新型LED冷卻方式的原理進行了綜述，并對各種冷卻方式進行了對比。并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，加工和制造技術(shù)的不斷成熟，冷卻技術(shù)的不斷革新，這幾種冷卻技術(shù)在LED照明上必然會得到廣泛的推廣。

［1］張健忠.降低照明能耗的措施［J］.機械工廠設(shè)計，1981(2):25-26.

［2］Gaurler R S.Heat transfer device.USA US2350384［P］.1944.

［3］D B.Tuckerman，R F W Pease.High Performance Heat Sinking for VLSI［J］.IEEE Electron Device Letters，1981(5):126-129.

［4］劉 東.高熱流密度微結(jié)構(gòu)散熱器換熱特性的研究［D］.北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

［5］Weilin Qu，Issam Mudawar.Flow boiling heat transfer in twophase micro-channel heat sinks—Ⅱ.Annular two-phase flow model［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46(15):2773-2784.

［6］http://baike.baidu.com/view/6420355.htm.2013-3-18.

［7］王亞青，劉明侯，劉 東，等.噴霧冷卻換熱機理和影響換熱性能的因素［J］.強激光與粒子束，2011(9):2277-2281.

［8］平麗浩，錢吉裕，徐德好.電子裝備熱控新技術(shù)綜述(下)［J］.電子機械工程，2008，24(2):1-9.

［9］Lanchao Liu，Reng asam y ponnappan.Heat transfer characteristics of spray cooling in a closed loop［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003(46):3737-3746.