大功率LED熱管散熱器研究

田 水 楊 峻 王海波

(1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京 211816;2.南京工業(yè)大學(xué)電光源材料科學(xué)研究所，江蘇南京 210015)

1 引言

LED作為新一代的照明光源，相比于傳統(tǒng)光源具有工作壽命長、功耗低、亮度高、體積小等優(yōu)勢(shì)，因而受到越來越多的關(guān)注。LED芯片正朝著小體積和大功率兩個(gè)方向發(fā)展，但是其發(fā)光效率目前僅有10%～20%，也就是說有高達(dá)80%～90%的電能直接轉(zhuǎn)化為了熱量［1］。目前應(yīng)用于照明的大功率LED(功率＞1W)芯片尺寸大多在1mm×1mm以上，熱流密度超過了100W/cm2，如果芯片的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，芯片的結(jié)點(diǎn)溫度過高會(huì)降低其發(fā)光效率和可靠性，會(huì)使芯片老化甚至失效，這是制約大功率白光LED光源發(fā)展的重要瓶頸。為了保證LED器件的正常工作和使用壽命，一般要求結(jié)點(diǎn)溫度不超過80℃。若要實(shí)現(xiàn)大功率LED的規(guī)?；瘧?yīng)用就必須解決其散熱問題，對(duì)于這方面的問題，無論是從內(nèi)部材料或封裝還是外部輔助工具，國內(nèi)外已經(jīng)就此進(jìn)行了諸多研究。

C.C.Hsu等［2］研究了一種可以有效降低熱阻的用于LED封裝的金屬粘結(jié)方法。余彬海等人［3］分析了芯片襯底材料對(duì)大功率LED的熱特性的影響機(jī)制，以三類典型粘接材料為例計(jì)算了不同厚度下的熱阻。李炳乾［4］采用金屬線路板和板上芯片技術(shù)，在金屬線路板上直接制作反光杯，用以降低系統(tǒng)熱阻。

Yueguang Deng［5］等提出了一種利用液態(tài)金屬(GaIn20)作為介質(zhì)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，與工作介質(zhì)為水相比，此系統(tǒng)具有很高的散熱能力。魯祥友［6］等對(duì)回路熱管散熱裝置做了試驗(yàn)，證明其能夠滿足大功率LED的散熱要求。Lan Kim［7］等建立了熱虹吸管散熱模型，極大地降低了LED的結(jié)點(diǎn)溫度。羅小兵［8］等提出了一種基于微噴射流的大功率LED散熱裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有極高的散熱效率。袁柳林［9］對(duì)LED芯片的交錯(cuò)微流道制冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示這種結(jié)構(gòu)能很好地滿足大功率LED陣列的散熱需要。除此之外還有人對(duì)熱電制冷用于大功率LED散熱做了研究與分析［10］。

針對(duì)大功率LED的熱量管理，本文研制了一種基于熱管的散熱裝置，它利用了熱管散熱技術(shù)與強(qiáng)制對(duì)流散熱技術(shù)，同時(shí)利用CFD軟件fluent對(duì)其散熱性能進(jìn)行了研究。

2 微型熱管散熱器結(jié)構(gòu)與工作原理

本散熱裝置主要由LED發(fā)熱端、蜂窩蓄熱板、熱管組成。LED光源固定于蜂窩板上，縫隙由高導(dǎo)熱膠填充，以保證充分傳熱，熱管蒸發(fā)段鑲嵌在蜂窩板內(nèi)，冷凝段布滿散熱片。當(dāng)LED開始工作后，熱量由LED傳導(dǎo)至蜂窩板，熱管蒸發(fā)段在此吸熱并通過管內(nèi)介質(zhì)的相變將熱量輸送到冷凝段，工作介質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，同時(shí)釋放熱量，熱量由管壁輸送至散熱片，最后通過空氣對(duì)流把熱量散發(fā)掉，熱管內(nèi)工作介質(zhì)冷凝放熱后回到蒸發(fā)段再次吸熱，如此形成一個(gè)不間斷的工作介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)和熱量傳遞過程。圖1是本散熱器所用熱管的啟動(dòng)性能曲線，可以看出熱管在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高溫隨后保持穩(wěn)定，這也證明了此熱管具有極佳的傳熱性能。本裝置見圖2，正是利用了熱管的這一特性，快速地將熱量導(dǎo)出，避免熱量積聚，從而保證LED芯片能夠在安全溫度下長期而高效地工作。散熱裝置采用熱管為銅—水重力熱管，其優(yōu)點(diǎn)是無吸液芯，工作介質(zhì)靠重力回流，故制造成本低廉。

圖1 熱管啟動(dòng)性能曲線Fig.1 Curve of set-up performance for heat pipe

圖2 微型熱管散熱器示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of micro-heat pipe

蜂窩板 (圖3)是一種重量輕，強(qiáng)度大同時(shí)具有柔韌性的材料。本散熱裝置采用鋁材蜂窩板，具有極強(qiáng)的蓄熱能力，快速吸收熱量并傳導(dǎo)至熱管。

由工作原理可以看出，此散熱裝置熱量傳遞過程由兩部分構(gòu)成:各個(gè)組成部分間的熱傳遞和熱管內(nèi)部的相變傳熱。對(duì)于熱管內(nèi)部的相變傳熱在此不做研究，本文僅對(duì)前一部分進(jìn)行了數(shù)值求解，以了解此散熱器相關(guān)傳熱性能。

圖3 蜂窩板Fig.3 Honeycomb

此散熱器的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)利用了蜂窩結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，為熱管提供持續(xù)熱量;(2)采用散熱片加風(fēng)扇的雙重強(qiáng)化散熱作用，能更好地把熱量散發(fā)掉;(3)風(fēng)扇位于散熱器內(nèi)部，這樣既可以保護(hù)風(fēng)扇也能降低噪音。

3 蜂窩板與銅板傳熱能力的比較

假定散熱片端條件一致，故僅比較蜂窩板和銅板熱沉端的傳熱情況。

3.1 蜂窩板傳熱計(jì)算

蜂窩板的熱阻［11］主要有空氣層熱阻、面層熱阻、粘合層熱阻和蜂窩芯熱阻等組成，如圖4所示。其等效計(jì)算公式如下:

式中 kw和ρw——分別是材料的導(dǎo)熱系數(shù)和密度;

tc——是芯子厚度;

本裝置所用蜂窩板為鋁材，其蓄熱能力可用牛頓冷卻定律計(jì)算，即

這名字一聽就是有來歷的，藏著一個(gè)古老的傳說。但我無意探尋來龍山名的傳說。我想探尋的，是一條上山的路，想沿著山路爬到山頂上去。

式中 Ah——傳熱面積;

Δt——冷熱面之間的溫度差;

αh——傳熱系數(shù)。

由(2)式推導(dǎo)得

這里Rh==0.356W/K，將代入(3)式得αh=9.6W/(m2·K)，傳熱能力Qh=62.7W?？梢钥闯龇涓C結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的蓄熱能力，能將大部分熱量聚集，從而為熱管提供穩(wěn)定的熱源。

圖4 蜂窩板總熱阻Fig.4 Total thermal resistance of honeycomb

3.2 銅板傳熱計(jì)算

把蜂窩板換成銅板，此時(shí)銅板僅起到傳熱作用，由于熱管具有極高的傳熱性能，故忽略熱管綜合導(dǎo)熱熱阻，其傳熱能力可用牛頓冷卻定律確定，總熱阻為所有熱阻之和，即

式中 Rjs——芯片內(nèi)部熱阻;

Rtg——MCPCB與銅板之間熱阻;

則傳熱系數(shù)可用下式表示

式中 Ac——傳熱面積。

將 Rjs、Rtg、Rbh代 入 (5) 式，計(jì)算得αc=4.68W/(m2·K)，傳熱量 Qc=50.3W。

對(duì)比兩種計(jì)算結(jié)果可以看出，蜂窩結(jié)構(gòu)比銅板具有明顯優(yōu)勢(shì)，其較強(qiáng)的蓄熱能力，可將大部分熱量傳遞給熱管，避免熱量在LED芯片處聚集，從而保證LED能安全工作。此外采用蜂窩結(jié)構(gòu)還有利于降低整個(gè)裝置重量。

4 數(shù)值計(jì)算模型與系統(tǒng)熱阻

4.1 CFD模型

本模型采用Gambit建模，模型采用實(shí)際尺寸。熱管長度200mm，直徑7mm，蜂窩板厚度為12mm。為建模方便，將LED燈簡化為 40mm的均勻熱源置于MCPCB中心，且不考慮其發(fā)光效率及熱損失，但在實(shí)際中，發(fā)光會(huì)消耗掉10%～20%的功耗。空間邊界條件設(shè)置為 WALL，進(jìn)口為 Velocity條件，出口為Pressure條件，壓力—速度耦合采用SIMPLE。環(huán)境溫度設(shè)為25℃。由于模擬中不考慮熱管內(nèi)部的傳熱情況，因此將熱管設(shè)置為具有極高導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)心圓柱體。另外由于采用強(qiáng)制對(duì)流散熱，亦不考慮輻射效應(yīng)［12］。

4.2 LED陣列系統(tǒng)熱阻分析

熱阻是評(píng)價(jià)一種散熱裝置散熱性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。熱阻定義為導(dǎo)熱介質(zhì)兩端的溫度差與通過功率的比值，單位為℃/W或K/W，表達(dá)式為:

式中 Tj，Ta——分別為LED結(jié)點(diǎn)溫度和周圍環(huán)境溫度;

Ph——發(fā)熱功率，Ph=Pt－ Pl，其中 Pt，Pl分別為總功率和發(fā)光功率。

圖5為LED陣列系統(tǒng)的熱阻模型，Rin為芯片與內(nèi)部熱沉之間熱阻、熱沉與導(dǎo)熱膏之間熱阻的和，Rout為MCPCB到熱管蒸發(fā)段壁面熱阻，Pi為第i個(gè)LED的通過熱功率。通常LED的結(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)不高于80℃，每個(gè)LED芯片的結(jié)點(diǎn)溫度可用以下方程表示:

圖5 LED系統(tǒng)熱阻模型Fig.5 Thermal resistance of LED array

5 模擬結(jié)果與分析

5.1 散熱片對(duì)LED結(jié)點(diǎn)溫度的影響

在熱管上焊接散熱片擴(kuò)大了散熱面積，繼而會(huì)對(duì)散熱性能產(chǎn)生顯著影響。從圖6可以看出，在同一輸入功率下，相比于光管，散熱片熱管能更有效地降低LED結(jié)點(diǎn)溫度，下降了10℃左右。例如當(dāng)輸入功率是60W時(shí)，結(jié)點(diǎn)溫度分別為67℃和79℃。這主要是因?yàn)樯崞黾恿伺c空氣接觸的散熱面積，起到了強(qiáng)化傳熱的作用，故而能更有效地將熱量帶走，最終使LED結(jié)點(diǎn)溫度保持在合理水平。

圖6 LED結(jié)點(diǎn)溫度與輸入功率間的關(guān)系Fig.6 Comparison of junction temperature LED array using heat pipe with and without fins under different input power

圖7為散熱片間距是2mm時(shí)的溫度分布情況，可以看出每個(gè)散熱片溫度分布基本一致，且熱管與散熱片相接處溫度最高。對(duì)流傳熱是靠空氣與散熱片的溫度梯度進(jìn)行，故散熱片溫差越小越好，本散熱裝置的散熱片間距采用2mm。

圖7 不同間距時(shí)的散熱片溫度分布Fig.7 Temperature distribution with different fin interval

5.2 風(fēng)壓對(duì)LED結(jié)點(diǎn)溫度的影響

風(fēng)壓是影響散熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)。從圖8可以看出，隨著進(jìn)口壓力的增大，LED芯片結(jié)點(diǎn)溫度隨之降低，這說明增大風(fēng)壓能有效地降低LED溫度。這主要是因?yàn)轱L(fēng)壓增大，空氣流速也增大，繼而使得空氣與散熱片的對(duì)流傳熱系數(shù)增大，能帶走更多的熱量，最終使得LED結(jié)點(diǎn)溫度降低。

圖8 兩種輸入功率下，LED芯片結(jié)點(diǎn)溫度與空氣進(jìn)口壓力之間的關(guān)系Fig.8 Junction temperature vs.air pressure with two different input power

但是當(dāng)空氣進(jìn)口壓力增大到一定程度時(shí)，就不能再有效地降低LED溫度。因?yàn)轱L(fēng)壓過大使得大部分高速氣流來不及與散熱片進(jìn)行對(duì)流換熱，此時(shí)高速氣流不但起不到強(qiáng)化傳熱的作用，反而阻礙了熱量傳遞，另外風(fēng)壓過大還會(huì)增加能耗也會(huì)使散熱裝置產(chǎn)生不穩(wěn)定性。由此可知，應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)較為合理的風(fēng)壓值以保證LED照明系統(tǒng)的節(jié)能性。

6 結(jié)論

本文提出了一種采用蜂窩板蓄熱，同時(shí)結(jié)合熱管與空氣強(qiáng)制對(duì)流的大功率LED散熱器，對(duì)其構(gòu)成和工作原理做了闡述，并使用CFD軟件進(jìn)行了數(shù)值研究。主要結(jié)論有:

(1)采用蜂窩板用于蓄熱，有效吸收LED的熱量，為熱管提供穩(wěn)定的熱源。

(2)從模擬結(jié)果看，本散熱裝置能夠滿足大功率LED的散熱要求。

(3)相比于光管，使用翅片管時(shí)散熱器的散熱性能更優(yōu)良，LED結(jié)點(diǎn)溫度下降了10℃左右。

(4)散熱片間距采用2mm，此時(shí)的溫度分布較一致，有助于散熱片與空氣對(duì)流換熱。

(5)風(fēng)壓的增大有助于降低溫度，但也存在一個(gè)最優(yōu)值，超過此值，溫度下降便不再明顯，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)LED輸入功率，風(fēng)扇能耗，裝置可靠性等方面合理選擇。

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