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用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究
摘要：提出了一种将大功率发光二极管（LED）散热和热管传热相结合的用于大功率LED冷却的热管散热器新概念，并对设计出的热管散热器的传热性能和整体的均温性进行了试验研究。试验结果表明，热管散热器的热阻在0.21～2.6K/W，且整个散热器具有均匀的温度分布。与当前的LED散热器相比，这种结构的热管散热器具有散热效率高、结构紧凑、热阻小、重量轻、成本低等特点，可以满足未来大功率LED散热的要求。关键词：大功率LED；回路热管；散热；结温引言目前，大功率发光二极管（LED）的发光效率仅能达到10%～20%，80%～90%的能量转换成了热量。为了保证器件的寿命，一般要求结温在110℃以下，所以散热对LED意义重大。近年来，关于大功率LED封装的热问题，国际上已有很多相关报道，但是，目前国内外普遍采用的方法是通过改变LED基板材料、封装结构和其他辅助工具带走热量的方法来试图解决LED的散热问题。热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的导热性能的相变传热元件。它可将大量的热量通过其很小截面积远距离地传输而无需外加动力。它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热，以及可控制温度等一系列优点。热管能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点。特别是由于热管的特有机理，使冷热流体间的热交换均在管外进行，这就可以方便地进行强化传热。此外，由于热管内部一般拍成真空，工质极易沸腾与蒸发，热管启动非常迅。1984年，Cotter首先提出了用于电子冷却的微型热管的概念。1993年以后，Mallik等人把微型热管与半导体做成一体，以解决其散热问题，并将该技术应用于笔记本电脑等领域，现在热管已在空间技术、电子、冶金、动力、石油、化工等各种行业得到了广泛的应用。1、实验1.1实验用回路热管的工作原理回路热管由蒸发器、蒸汽段、冷凝器、回流段、补偿室5个部分组成，如图1所示。其中，在蒸发器内部有一组毛细结构（蒸发器的结构及其内部丝网毛细结构的布置详见图1（b）的A-A剖面图），其基本工作原理是：毛细结构本身可以将液态往上吸，使得毛细结构充满工质液体。而当蒸发器被加热时，毛细结构也被加热，毛细结构中的液体便会蒸发成气体，并通过蒸汽槽道沿着蒸汽段到冷凝段，同时带走了热量；在冷凝段，气体被冷凝成了液体，释放出潜热；毛细结构的毛细力再使液体沿着回流段回流到储液器，并到达毛细结构。如此形成了一个工质的流动循环和热量传递过程。储液器的作用主要是启动的时候容纳在蒸汽段和冷凝段的液体，并且在运行时防止液体来不及回流造成蒸发器干涸。本试验所用热管为铜一水热管，即热管的材料为铜，所采用的循环工质是二次蒸馏水。从经济的角度出发，毛细结构采用与水具有亲和力的铜丝网，粗丝网的目数为60目，细丝网的目数为500目。1.2试验装置及试验方法为了研究热管装置冷却大功率LED的传热性能，我们建立了试验系统，并基于研华ADAM-4018数据采集卡和ADAM-4520转换器建立了热电偶测温的数据采集仪硬件系统。将铜-康钢热电偶（型号为K型）测得的电信号进行采集，然后通过计算机软硬件系统对采集得到的电信号进行分析处理，得到实时的温度值。数据采集和动态显示的软件系统则基于研华组态王软件平台来构建。采用薄膜电阻加热器来模拟大功率LED芯片，如图1所示。将薄膜电阻加热器贴在回路热管蒸发器底部，薄膜电阻加热器的厚度为0.2mm，最大加热功率为120W，仅与热管接触的面能够传递热量，其余面都采用绝热材料保温。为了便于观察热管内部工质的流动状态，在蒸汽管路和液体管路上各加装了观察孔，此观察孔由一透明的石英玻璃和连接装置组成。1.3实验条件蒸发器内部尺寸：70mm（长）×55mm（宽）×5mm（高）；蒸汽管路尺寸：长为140mm，内径为6mm，管壁厚为lmm；液体管路尺寸：长度1100mm，内径为6mm，管壁厚为lmm；循环工质：二次蒸馏水；热流密度范围q：3.6×104～1.0×105W/m2；热管充液率（工质体积与环路总体积之比）ξ：50%；热管运行压力及相应饱和温度：0.07375×105Pa（40℃）、0.12335×105Pa（50℃）、0.19920×105Pa（60℃）、0.3116×105Pa（70℃）、0.7011×105Pa（90℃）；薄膜电阻加热器：薄膜电阻加热器的面积为70mm×55mm，与蒸发器的下表面积相等，通过导热绝缘胶与蒸发器壁贴合在一起以减少接触热阻；直流稳压电源规格为：0～35V，20A；冷凝器的冷却方式：自然风冷却，风速约为1m/s，由风速仪测定；蒸汽压力测量：压力传感器；试验的环境温度：25℃。2、试验结果与分析2.1回路热管稳定