用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究参考word

1、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0.212.6K/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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。推荐精选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：3.61041.0105W/m2；热管充液率（工质体积与环路总体积之比）：50%；热管运行压力及相应饱和温度：0.07375105Pa（40）、0.12335105Pa（50）、0.19920105Pa（60）、0.3116

7、105Pa（70）、0.7011105Pa（90）；薄膜电阻加热器：薄膜电阻加热器的面积为70mm55mm，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：035V，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 回路热管稳定操作温度热管稳定操作温度是蒸发器壁在某一特定功率下稳定操作时的温度，是评价用来冷却大功率LED芯片散热的回路热管的性能的一个非常重要的参数。实验中，当热电偶温度在5min内波动幅度小于1时，即认为热管已处于稳定工作状态。图2为输人功

8、率为30W时回路热管各测点的温度采样曲线。图3为输入功率为30W、热管内没有充装工质水时热管蒸发器和薄膜电阻的采样温度曲线。分析两国可知：所设计的回路热管的性能非常优异，在输入功率为30W时，热管在5min内能够迅速启动，热管的稳定性好，薄膜电阻的温度始终被控制在55左右。从图3可看出，没有工质水时，热管的功能相当于钢板散热器，在大热流密度时，完全靠铜板已经不能够将热量及时带走，热量在薄膜电阻上积聚起来，导致了薄膜电阻的温度在短时间内急剧升高到200左右。试验中，为了保护薄膜电阻，没有再做更长时间的试验，这恰恰说明了回路热管是靠相变传热，其导热性能优于铜板。2.2 回路热管启动性能回路热管是否

9、已经成功启动，可以用热管冷凝器入口温度变化曲线来进行判断。图4为蒸发器在不同的角度和负荷下冷凝器人口的温度曲线。一方面，对于大功率LED系统而言，随着大功率LED输入功率的增加，散热量成线性增加，这就要求热管在不同输入的输入功率条件下，能够迅速地启动。另一方面，为了能够满足大功率LED在不同的应用场合要求有不同的安装角度，及配合不同的二次光学设计要求，例如：在LED路灯中，路灯的安装角度随着不同的应用场合，有很大的变化，LED系统必须要在不同的路灯安装角度下，其热量都要能够及时地散发出去，这就要求，热管蒸发器在不同的安装角度下，都能够正常地启动、运行。本文通过试验分析了在改变大功率LED散热负

10、荷大小及回路热管蒸发器与水平方向呈不同的角度的前提下热管的启动性能。分析图4可知：蒸发器在不同的输入功率和不同的倾斜角度下，热管都能够在6min内迅速启动，并且迅速达到稳定；角度相同，输入功率大时，热管启动迅速；输入功率相同，角度小的时候，热管的启动较迅速。由图4可见，热管冷凝器入口的温度随着功率的增大而增大，近似呈线性上升，可见大热载荷有利于热管启动。2.3 大功率LED系统的结温及回路热管的热阻2.3.1大功率LED系统的结温推荐精选LED器件的结温主要由器件的环境温度、器件Pn结到环境的热阻所决定。热阻是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比，单位为/W或K/W。大功率LED器件加上外部

11、热沉的总热阻为RJ-ATJ-A/P（1）式中，TJ-ATjunctionTambient，单位为；P为流经介质的热功率；PVfIfPp，式中Vf和If分别为加在LED器件上的驱动电压和电流，Pp为光功率。由于大功率LED封装形式一般采用表面贴装，为了使LED器件与热管蒸发器壁紧密相连，LED器件与热管蒸发器壁之间应涂敷一层导热绝缘胶。图5为一个大功率LED应用示意图及其简单的热阻模型，大功率LED器件加上外部热沉的总热阻可以表示为从pn结到外界环境热路上几个热阻之和。RJ-ARJ-SRattachRheat-pipe（2）式中，RJ-S为LED器件热阻，即pn结到热沉之间的热阻；凡attach

12、为热沉与热管蒸发器壁之间导热绝缘胶的热阻；Rheat-pipe为热管到环境（一般为空气）之间的热阻。由式（1）和式（2）得：TjunctionTambient（RJ-SRattachRheat-pipe）（VflfPp）（3）由于LED结温直接影响器件的光通量、光品质和寿命，因此一般规定LED结温不高于125，即：Tattach（RJ-SRattachRheat-pipe）（VflfPp）125所以，由上面的分析可以得出结论：热阻Rheat-pipe的大小直接关系到LED系统的结点温度的高低，必须对热管的热阻进行探讨。2.3.2回路热管的热阻图6为热管的输入功率与热阻之间的关系曲线。回路热管的

13、热阻定义为：R=(TETCC)/Q式中，R为热阻，TE为蒸发器的温度，TCC为冷凝段的平均温度。Q为回路热管的传热量。热管所有内部性能的指标最后都反映在热管的热阻上。分析图6可知：随着功率的增大，回路的热阻逐渐减小，并且趋向平缓，100W时的热阻约为0.21/W，一般的电子散热装置的热阻只能达到0.5K/W左右。2.4 回路热管温度与输入功率之间的关系图7为回路热管各测点温度随输入功率的变化曲线。由图7分析可知，随薄膜电阻的输入功率的上升，薄膜电阻的温度、蒸发器的温度和冷凝器的入口温度几乎呈线性上升。在输入功率为85W时，蒸发器壁的温度为82.6，薄膜电阻的温度为87.5，冷凝器的人口温度为80。在这个温度下，绝大多数电子芯片仍然是处于正常工作状态，体现了回路热管在热量传递方面的优异性能。3、结论（1）回路热管散热器与常规的散热装置相比，具有体积小、散热效率高等优点，能快速有效地对大功率LED阵列等大功率密