大功率led液冷散热器(王程)

河 南 理 工 大 学2011 年工程训练创新大赛设计方案申报书项 目 名 称 ： 大功率 LED 液冷散热器 负 责 人（签字）： 王 程 成 员 （签字） ： 王程、韩相元、魏德超、徐庆庆 申 报 日 期 ： 2011 年 5 月 15 日工程训练中心制2011 年 4 月共 9 页 第 2 页项目名称 大功率 LED 液冷散热 器姓 名 性别 专业班级 分 工 手机号码/邮箱王程 男 热能 08-4 设计、计算、实验庆庆 女 热能 08-2 计算、实验德超 男 机制 09-9 实验相元 男 热能 08-2 计算究团队指导教师 王 华目的意义现状：LED 是一种高效能的固 态光源，它具有可靠性高、寿命长、 发光效率高、启动时间短、无紫外 线等 优点，但是现有大功率 LED 的散 热问题 一直是困扰其发展的一个重要因素，温度过高会使其发光强度降低，影响其出光效率及照明质量，而且严重影响它的寿命。功能说明：现在液冷技术已经发展的相当成熟，而且很多液冷介质具有比热大、换热良好等特性，但是在 LED 方面却没得到应用。本成果通过尝试新的散热方式液冷散热，来实现高效地解决现在大功率 LED 的散热问题。项目来源LED 是未来的新一代固体光源，由于它寿命长、 发光效率高、能耗低、单 色性好、色彩丰富、响 应速度快使得它在照明领域普及与广泛应用，并被公认为 21 世纪最具发展前景的高技术领域之一，这一新型节能发光元件符合国家“十二五 ”发展规划，有着巨大的发展空间。共 9 页 第 3 页设计方案（一）方案原理1、LED 发光原理LED 是利用半 导体 PN 结把电能转换成光能的器件，在元素原子核周围有使电子能够存在的两个能量带，即电子不能够自由移动的“价电 子带” 与电 子可动的“传导带”。从 电子的角度看，低的能量带为价电子带，高的为传导带。图 1 LED 的结构图N 型半导体的传导带中电子是可动的，P 型半导体的传导带中没有电子，取而代之的是在价电子带上无电子的空穴。因此在P 区和 N 区之 间，N 型半 导体中的电子与 P 型半导体中的空穴会发生相互扩散。因为相互扩散的原因，在 PN 结处会形成一个一定大小的势垒（势能比附近的势能都高的空间区域），进而阻止电子和空穴进一步扩散，使 PN 结内部处于平衡状态。在 PN 结工作 时，要 给它施加一个正向电压（P 型半导体材料接正极），此时 PN 结的 势垒将降低， N 区的电子注入到 P 区， P区的空穴注入到 N 区，导致非平衡状态的产 生。这些注入的电子和空穴在 PN 结处相遇复合并湮灭，将能量以光的方式向外释放。从而实现了半导体的发光，这也就是 LED 的 发光原理。在 电子的移动过程中，一些电子会被无辐射中心俘获，能量以热能的形式散发，因为 目前 LED 器件的密集化和小型化程度越来越高， 单位容积器件的发热量迅速增大，所以其散热问题成为了阻碍其发展共 9 页 第 4 页的重要原因。2、大功率 LED 散热器工作原理图 2.1 液冷 LED 散热结构示意图当散热系统设备连接完毕，电路导通，水泵、芯片及风扇开始工作，芯片的温度渐渐升高，热量穿过导热硅脂传递给水冷块，进而将热量传向导热液，导热液温度升高。它在水泵的推动作用下流向换热器，并在风扇强制冷却下，将热量排向外界，然后低温的导热液被泵推到水冷块中进入下一轮循环，系统就在不断的循环中达到散热的目的。（二）大功率 LED 散热 器的结构组成试验阶段的 LED 散热 系统，包括了测温装置和两个循环（图4.1）。共 9 页 第 5 页图 2.2 实验散热系统测温装置通过热电偶来采集测温点数据，并将其反映在显示屏上，我们 可以通过观察测温装置的显示屏，来监控芯片、水冷块以及导热液的温度。试验阶段的电路循环部分包含了电源、LED 芯片、水 泵、风扇及电流表、 电压表。图 2.3 水冷块及芯片LED 芯片它是整个系统的核心元件，它作为光源为我们提供了高品质的白光，这个是恒压直流电源，它保证了 LED 芯片的工作稳定性；和水泵及风扇相连的是直流电源，水泵可推动导热液的流动，风 扇将高温导热液的热量带到灯罩外，从而实现了对导热液的降温；测温装置置水冷块 芯片共 9 页 第 6 页两块电表分别是电流表和电压表用以监控 LED 芯片的工作状况。图 2.4 水循环部分试验阶段的液冷循环部分它是由水冷块、换热器、流量计、水泵和管路组成的。图 2.5 水冷块内部通道设计自行设计的水冷块是一个中空的腔体，它是由两块铜板焊接而成，内部结构图 2.5 所示。关于水冷腔的设计我们做了大量工作，首先，因为热源是面热源，为了能 够均匀冷却整个接触面，未将水冷腔内通道设计成为蛇形，这样设计同时减小了水冷腔内液体的流动阻力利于小流量散热；其次，在水冷板的成形方式上，考虑全部用铜片焊接时焊接工作量大，而且焊接温度高，不容易保证水冷板的尺寸、平面度等要求，选用厚铜板成形，以减小焊接工作量。共 9 页 第 7 页水冷板选择导热率较高的红铜，以使工作面的热量尽快传递到墙体内部，将热量交换给温度较低的水，完成散热过程。为了加工方便，水冷腔的槽设计得较宽，槽的两端都采用圆角设计，考虑出、入水口的直径不能太小（加工、流动阻力、配套设备的限制），为尽可能增加工作面与流体的换热面积，只在水冷板下板内部加铣供水槽与排水槽（图 2.5 左）。水冷板上板槽的槽深设计得较大，既能减小上板工作面内外壁温间的热阻，又增加了上板内壁与冷却水之间的换热面积。同时留有供工作面铣磨的加工余量。水冷板的下板则相对较厚，以便于出口入口处螺帽的焊接。水冷板加工好后，通过焊接工艺将上下板焊接到一块，保证密封。焊接好后的工作面要再经过铣磨加工，以保证足够平整。并且将两个接口螺帽分别焊接在水冷板下板供水槽与排水槽中央的小孔上，同样要保 证密封。水泵为液冷循环提供动力，保证导热液的正常循环。换热器通过将水箱的表面做成褶皱形的，增大它的换热面，从而加快对导热液的冷却；流量计主要用于控制和监控导热液的流动。共 9 页 第 8 页2 （包括材料、调研、加工制作、 论文发表等费用）本项目经费预算 430.00 元整，具体预算如下：1、材料：1）硬质的板材若干（做灯罩用）需要 YG8 型板材 150.00 元左右2）材料需红铜块大概 80 元左右 80.00 元左右2、调研：相关材料的检索、打印复印费用需 100.00 元左右3、加工制作：灯罩加工制作、散热器优化费用 100.00 元左右预期成果（如作品实物、模型、论文、专利等）1、需要对散热器的循环回路进行优化；2、做出散热器的灯罩，并实现完整装配该灯具；3、如果允许， 还可以将现在的 LED 芯片功率增大，向更大功率的 LED 芯片 发展。共 9 页 第 9 页特色创新创新点：本成果独特地将液冷方式应用于 LED 的散热，还具有独特设计的吸热端水冷块，该冷块中的液冷通道能够使流经该通道的导热液高效吸收芯片所发出的热量，将热量及时带走。作品的先进性：现有针对 LED 的散热 的实现形式主要是风冷散热及热管散热。1、对于风冷散热：在强制对流过程中，增大空气流速度可以增大热交热功率，但是二者并不是简单的线性关系，随着空气流速的进一步增大，热交换率的改变量会变小，这样对于散热器的应用范围就相对减少。而液冷散热方式，它的热传导率为传统风冷的二十倍以上，相对于风冷散热，它的散热效果更优越。2、对于热管散热：虽然它的散热效率也很高，但是它热交换所排出的热量很大，仍需要风扇将这部分热量排出LED工作器件，这又额外带来了噪音。而液冷模式，主要利用导热液比热容大的特点，只需在LED 基座中合理布置液冷回路，并严格控制导热液流量，可以将LED 芯片散 发的热量直接传导 入空气中。所以， LED液冷系统，可以 节约空间、降低成本、降低噪音。经对比不难发现：液冷散热方式是一种既能实现高效率散热、噪音又小的散热形式，将它与 LED 的结合，将会给国内照明行业带来一次质的飞跃。进度安