大功率LED排式热管散热器的开发及性能研究

　　发光二极管（LED）具有节能、环保、寿命长、体积小以及发光响应时间短等众多优点，被公认为新―代照明光源。由于大功率LED工作过程中，光电转换效率较低，只有1520左右电能转化为光输出，其余均转换成热能，如果热量不能及时有效地散出，LED的结温将迅速升高，进而导致LED发射光谱红移、效率降低、色温色度改变、寿命缩短甚至芯片烧毁。因此，散热是大功率LED亟需解决的关键技术难题之。目前，普遍的散热方式是在封装基板下加装热沉，并借助改变热沉的结构以获取佳的散热效果。马洪霞等6提出了可用于大功率LED模组封装的圆柱型散热片结构，程婷等提出种基于封闭式微喷射流的大功率LED散热方案，袁柳林等利用微通道制冷结构对大功率LED阵列进行散热，田大垒等、唐政维等采用热电制冷方式来冷却大功率LED，鲁祥友等将平板式回路热管用于大功率LED的冷却，孙磊等开发了应用于40W以下功率的LED筒灯热管散热器。

　　上述研究采用了自然对流、微喷射流冷却、微通道制冷、热电制冷、热管技术等外部散热方式来解决大功率LED的散热难题。为了提高散热功率，扩大散热器的适用范围，本文将自然对流散热条件和热管技术相结合，开发了一种新型排式热管散热器，并且在大空间自然对流冷却条件下对其进行了试验研究。通过对排式热管散热器在不同输入功率、多角度放置的启动特性和均温特性的研究，从而验证本文所开发新型散热器的散热性能。

　　1排式热管散热器的开发基于自然对流的散热技术不需要运动部件，成本低，运行更加可靠，因此本文的目的之为开发种自然对流条件下散热功率尽可能大的设备。鉴于此，提出了一种外观类似普通型材散热器，实际上基于热管技术的散热器――排式热管散热器。

　　排式热管散热器如所示。该新型排式热管散热器外形尺寸为15°mmX12°mmX12°mm，冷凝端高为1°°mm，蒸发端高为2°mm.该散热器本质上为异型热管，热管的蒸发端是下部的蒸发腔，上部的翅片则为热管的冷凝端，也就是说每个翅片都是中空的，且与蒸发腔连通。

　　金属纤维毡蒸发腔排式热管散热器整个散热器以铜为材料，其冷凝端由13片热管翅组成。每片热管翅的内部为3mmX1°6mmX99mm的长方体空腔，热管翅壁厚为1mm.蒸发端壁厚为4mm，其内部形成一个内空为142mmX1°8mmX16mm的空腔。蒸发腔底部平铺厚度为5 mm的金属纤维毡。散热器内部的工作介质为水。

　　基于热管本身在均温性、强化换热及能承受高热流密度等方面的优势，该排式热管散热器主要有以下几个特点：1）热管蒸发端的均温性较好，热管蒸发面的扩散热阻较小；）利用热管冷凝端形成的热管翅代替常规型材散热器的翅片散热，使得整个翅片表面温度更高，强化了自然对流换热；3）热管使用金属纤维毡吸液芯，提高了热管蒸发面所能承受的热流密度，同时可以多角度放置散热器，增大了热管散热器的使用范围。

　　LED芯片装配在散热器蒸发端底面，当LED工作时，热量从芯片传递到散热器蒸发端底部，蒸发端吸液芯内的工质吸热蒸发，蒸汽在微小的压差下流向散热器的冷凝段，放出热量凝结成液体，液体在重力作用下回流蒸发端并因吸液芯的毛细作用而均布于整个蒸发面。热量在冷凝端热管翅的外表面以自然对流的方式传递到环境中。

　　2性能试验测试系统与数据处理为了研究排式热管散热器的散热性能，本文建立排式热管散热器性能测试系统，如所示。搭建密闭大空间以保证试验在自然对流环境中进行。

　　用电阻加热器模拟LED芯片阵列，用导热垫圈将它黏贴在排式热管散热器底部并压紧。利用调压器来调节输入电阻加热器的电压和电流，从而改变输入排式热管散热器的热量。

　　排式热管散热器性能测试系统如所示，排式热管散热器中心对称，选取一半为热电偶布置对象。在排式热管散热器蒸发段底部均匀布置9对热电偶（T1T2，7；9）。选取第1、第4、第7片热管翅，每片热管翅均匀布置9对热电偶（Td，T2，了27）。另有两对热电偶在图中未标出，分别是加热器中心点温度Ths和环境温度Ta.通过安捷伦Agilent3497°A数据采集仪采集热电偶测量的温度值。整个试验在环境温度为8±2°C的室内进行。将中字母A所指的面定义为面A.当面A与水平面的夹角为0°时，称散热器0°放置；当面A与水平面的夹角为30°时，称散热器30°放置；当面A与水平面的夹角为60°时，称散热器60°放置；当面A与水平面的夹角为90°时，称散热器90°放置。

　　加热功率可由下式计算：板中读出。

　　排式热管散热器蒸发面平均温度：3试验结果及分析3.1启动性能散热器90°放置、输入功率为70 W时温度随时间的变化曲线排式热管散热器冷凝面平均温度：导热胶垫接触热阻：排式热管散热器蒸发面扩散热阻：如所示，排式热管的温度从环境温度逐渐升高，经过段时间后温度基本不再变化，说明排式热管进入了稳定的工作状态。

　　如所示，输入不同功率的启动过程中，热源表面中心点温度Ths平稳变化，没有出现剧烈的振荡和波动，因此将排式热管散热器应用于大功率LED散热时，能够满足LED芯片对温度稳定性的要求，从而保证了大功率LED有较长的使用寿命。

　　排式热管散热器热管热阻：排式热管散热器热管翅与环境换热热阻：R在对LED筒灯热管散热器进行开发与研究时发现，复合热管散热器的启动时间约为33min.Luo等人研制的冷却LED的平板热管散热器的启动时间达到100min.本试验的启动时间介于二者之间。

　　散热器0°放置、输入不同功率时散热器中心点温度随时间的变化曲线3.2散热效果分析本文所开发的排式热管散热器的根本目的是及时有效地移除大功率LED工作时产生的热量，控制其芯片的结温在合理的范围之内。对于试验研究而言，衡量散热器性能的关键指标是热源表面的温度是否在允许的高温度以下。

　　为散热器90°放置时热源表面中心点温度、蒸发面中心点温度、蒸发面平均温度和冷凝面平均温度随加热功率的变化关系。如图所示，各部分温度都随输入功率的增加而升高，并且升高的速率几乎保持一致。在输入功率为3070W的范围内，热源表面中心点温度不超过75C.散热器90°放置时温度随输入功率的变化曲线由可知，随着输入功率的增加，不同放置角度下的热源表面中心点温度都在升高且升高的速率大致相同。在同输入功率下，散热器0°放置时，热源表面中心点温度低；散热器90°放置时，热源表面中心点温度高。

　　在分析了散热器各点温度随输入功率变化的前提下，继续对散热器热阻进行分析。散热器热阻也是衡量散热器性能的个重要指标。散热器热阻越小，在相同温差下就能传递更多的热量。给出了输入功率对各环节热阻的影响。从图中可以看出扩散热阻、接触热阻和热管热阻随加热功率的变化很小，说明加热功率的变化对这三部分的热阻影响很小。热管翅热阻随着加热功率的增大而逐渐减小，这是因为随着加热功率的增大，散热器的表面温度升高，从而使热管翅与空气的自然对流换热和辐射换热增强，进而热管翅热阻减小。

　　在四部分热阻中扩散热阻小，约0.远小于Luo等人的，当散热器以0°、30°、60°、90°放置时，随着输入功率的升高，不同角度放置的散热器的总热阻都逐渐降低，降低的速率大致相等。在任一输入功率下，散热器0°放置时的总热阻小。

　　0散热器0°、30°、60°、90°放置时总热阻随输入功率的变化曲线根据LED结温的计算方法，计算了本文所开发热管散热器在环境温度为40°C工况下工作时芯片的结温。

　　散热器90°放置时不同输入功率下LED结温的计算结果如表1所示，从表中可以看出，结温随着功率的增加而升高，高结温为103.8C，小于高允许结温120C，因此所开发热管散热器能够满足90°放置时70W以下的大功率LED的散热要求。

　　表1 90°放置、不同输入功率结温计算结果输入功率/w结温/°C散热器多角度放置、输入功率为70W时LED结温的计算结果如表2所示，从表中可以看出，高结温为104°C，小于高允许结温120°C，因此所开发热管散热器能够满足多角度放置时70W以下的大功率LED的散热要求。

　　表2多角度放置、输入功率为70W时结温计算结果角度/结温/°C 4结论本文成功开发了一种排式热管散热器，并研制了试验件，对其散热性能进行了试验研究。得到以下主要结论：各倾角条件下，输入不同功率，散热器均能从环境温度平稳启动，启动时间约为67min.散热器90°放置时，热源表面中心点温度、蒸发面中心点温度、蒸发面平均温度和冷凝面平均温度随输入功率的增加而升高。在输入功率为30 70W的范围内，热源表面中心点温度不超过75C.散热器不同倾角放置，输入功率相同时，0°放置的热源表面中心点温度低，90°放置的热源表面中心点温度高。

　　散热器90°放置时，随着输入功率的升高，扩散热阻、接触热阻和热管热阻变化很小，热管翅与环境换热热阻随着加热功率的增大而逐渐减小。

　　置的总热阻小。

　　计算可得，不同倾角条件下，环境温度为40°C，输入功率为70W时，LED芯片高结温为与当前的大功率LED冷却用散热器相比，新型排式热管散热器具有散热性能高、适用范围广等特点，并且可以满足热输出70W以下LED的散热要求。