（工程热物理专业论文）板式脉动热管用于led散热研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 大功率l e d 是一种能将电能直接转换成光能的固体半导体发光元件，其在 发光效率、使用寿命及绿色无污染等方面具有独特的优势，然而，在决定大功率 l e d 应用的几个关键技术中，散热设计显得尤为重要。散热设计的好坏将直接 影响到大功率l e d 的实际应用能否成功。本文将板式脉动热管应用于大功率 l e d 散热中，系统的开展了不同冷却方式的散热研究。 首先，本文开展了大功率l e d 自然冷却实验，并对l e d 基板温度及发光强 度的变化特征进行了研究，研究结果表明，大功率l e d 在自然冷却条件下无法 正常有效的工作。本文还开展了大功率l e d 板式脉动热管水冷实验，并对板式 脉动热管加热面温度的变化特征进行了研究，研究结果表明，板式脉动热管对各 功率l e d 都会产生非常显著的冷却效果。l e d 功率越大，板式脉动热管所带走 的热量占加载在l e d 上的总能量的比例也在增大，而且板式脉动热管启动时间 变短，热阻减小。在理论方面，建立了大功率l e d 板式脉动热管水冷等效热阻 模型，分析发现板式脉动热管的热阻是影响l e d 结温高低的重要因素。 此外，本文也开展了大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷实验，对翅 片式板式脉动热管加热面温度随时间的变化特征进行了研究，研究结果表明，各 功率l e d 在翅片式板式脉动热管风冷下不仅能达到非常显著的冷却效果，而且 l e d 各点温度也非常均匀。翅片式板式脉动热管的运行过程与板式脉动热管水 冷下的运行过程存在着差异。l e d 基板面积大小及l e d 的布置方式都会对翅片 式板式脉动热管的冷却效果产生影响。无论处于高温4 0 环境下，还是处于低 温o 环境下，翅片式板式脉动热管都能将大功率l e d 产生的热量迅速及时的 带走，所不同的是当处于4 0 环境下时，翅片式板式脉动热管启动时间变短， 当处于0 环境下时，翅片式板式脉动热管的最小启动功率明显增大。 关键词：大功率l e d ；板式脉动热管；冷却 分类号：t k l 2 4 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a h i g hp o w e rl e di sa s o l i d s t a t es e m i c 0 n d u c t o r ，l i g h t 一锄i t t i n gc 0 m p o n e n t 谢 d i r e c u yt r a r l s f o m se l e c t r i c a le n e 理黟i n t 0l u m i i l o u se r l e 增莎t h e r ea r em 龇l y a d v a n t ag e st ol l s m gh i 曲p o 、v e rl e d ss u c h 舔l u m i d o l l se 伍c i e n c y u s e 矗j ll i f e ，a n d n o n p o l l u t i o n d e s i 鲥n gf o rh e a td i s s i p a t i o no fm eh i 曲p o w e rl e d i se s p e c i a l l y i m p o r t a n ti nd e t e n ：1 1 i i l i n g i t sp 删i c a la p p l i c a t i o n i i lt h i sp a p e r ，ap l a t ep u l s a t i n g h e a tp i p e ( p l a t ep h p ) 、嬲印p l i e dt 0t l l eh i g l lp o w e rl e df o rh e a td i s s i p a t i o n 锄da 鳓j d yo fd i f r e r e n tc o o l i i 毽m e t i l o d sh a sb e c ns y s t e m a t i c a l l yc 硎e d o u t a n 诚t i a le x p e r i m e n te x a m i n i n gm en a n l m lc o o l i n go fah i 曲p o w e rl e ds h o w s v a r i a t i o ni nm e 吼l b s 们：t et e i n p e r a t u r c 锄dl 眦i n 0 i l si i l t e n s 时o fm el e i ) ，吐n l s c o n c l u d 吨也a tah i 曲p o w e rl e dc 锄o tw o r ke 虢c t i v e i yi nan 加蒯c 0 0 1 吨 c o n d i t i o n a nl e dp l a t ep h pw 栅c o o l i n ge x p e r i i n e m 、弱t h e nc a r i i e do u t a c c o r m n gt om et e m p e r a n 鹏v a d a t i o no fm eh e a t i n gs u r f j 趸c eo fm ep l a t ep h p ，l e r e s u n ss h o wm a tp l a t ep h p h a sav e r ys i g n i f i c a n tc o o l i n ge 胁c t0 nd i 彘r e n tp o w e r s o fl e d s ；舭p e r c e n 魄eo fe n e 唧t a l 【e na w a yb ym ep l 咖p h p 硫r e 弱e sa n d 恤 s t a r t - u pt 妇eo f 也ep l a t ep 唧d e c r e a s e s a d d i t i o 脚l y ，m em e m a lr e s i s t a l l c eo fm e p l a t ep h pb e c o m e si i l s i 鲥f i c a i l t 嬲m ep ow i e ro f 廿l el e d 洫c r e a s e s a ne q u i v a l e n t t 1 1 e m l a lr e s i 啦m c em o d e lo fah i g hp o w e rl e dp la ：t ep h pw a t e rc o o l i n gs y s t e mh a s b e e n 砸h 锄d 恤t l l e m l a lr e s i s 伽蛾o f 也ep l a t ep 肿、糯f - o u n dt 0h a v eag r e a te 腩c t o nt l l el e dj 硼而o nt i 锄p e r 加鹏 a na d d i t i o 蹦l e df i i l n e dp l a t ep 肿f o r c e da i rc 0 0 l 啦e x p e 血n e n t 、懈a l s o c 枷e do u t n et e m p e r a 血l r e i a t i o no f 舭h e a t 吨s u r 缸eo f 也ep l a 钯p 肿 s u g g e s t s 恤td i 彘r e n tp 0 、袱l e d s c a i la c l l i e v eb o mav e 巧s i 鲥f i c 趾tc 0 0 l i n ge 彘c t u s 吨位f 岫e dp l a t ep 肿觚da l s oau i l i f o 珊t e m p e r a t 叫ed i 姬b u t i o n 1 1 1 e r ea r e d i 蔬r e n c e s ，h o w e v o n l eo p e r a t i o no f l ef i 皿e dp l a t ep h p 啪d e rn l ef o r c e da i r c o o l i n g 锄d 撇吐e rc o o l i n gc o n d i t i o i l s 1 ks u b s t m t es 诬a n dd i s t r i b u t i o no f 廿1 el e d 诵l l 咖a c tm ep e 响删o f m ef i n i l e dp l a t ep 腿，n l ef i n n e dp l a t ep 肿c 趾 r a p i d l yr e i n o v e 廿l eh e a tg 翎e m t e db yn l el e d w h e 吐l e ri ti sp e r f 0 m l i n gi na4 0 0 co r o o ce n v i r o n m e m o nt h eo l e rh 锄d ，t h es t a r t - u pt i r r l eo ft h ef i t l n e dp l a t ep h pi s s h o r t e ri na4 0 0 ce n v i r d 姗e n t 觚dt h el o w e s ts 切m u pp o w e ro fu 1 ef i | m e dp l a t ep h p i sl a r g e ri i lao o c 朗v i r o 衄e n t k e y w o r d s ：p o w e rl e d ；p l a t ep l l l s a t i n gh e a tp i p e ；c o o l i i 培 c i 。a s s n o ：t k l2 4 致谢。 在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师贾力教授的指导与督促，同时感 谢他的谅解与包容，没有贾老师的帮助也就没有今天的这篇论文。求学历程是艰 苦的，但又是快乐的，感谢我的所有同门师兄弟，谢谢他们在这两年中为我所做 的一切，他们不求回报，无私奉献的精神很让我感动，再次向他们表示由衷的感 谢。在这两年的时间中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一 笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。 谢谢我的父母，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇 高的敬意献给他们! 本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬! 北京交通人学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 电子装置通常由大量的电子元器件组成，其发热量主要来自变压器、大功率 电阻等具有阻性载流的元器件【l 】。随着电子工业的发展，电子装置日益小型化， 但其数据存储能力不断增强，所包含的元器件总数量也在不断增多。摩尔定律指 出电子芯片的数据存储密度每1 8 个月将增加一倍。这一法则已经提出了将近四 十年，计算机行业在这四十年中的发展轨迹也证实了该规律的正确性。目前，固 体金属散热片已广泛的应用于电子芯片的冷却中。随着芯片的数据存储密度的增 加，其热流密度也跟着增加。为适应芯片热流密度的不断上升，金属散热片在这 几年中已经进行了多次重新设计，但是，金属散热片与空气进行强制对流换热的 能力已趋于极限。 低成本热扩散材料、高导热系数材料及装置的研制和发展是强制对流换热迫 切需要提高的一个方面。提取芯片所产生的热量的最终目的是将这些热量及时迅 速地散失到外界环境中，然而这一过程需要足够大的散热表面。一个微小但热流 密度很大的热源单纯依靠金属的热传导将其产生的热量散失到外界环境中的过 程是非常缓慢的，这就需要微型高效的传热装置将电子芯片所产生的热量迅速带 走，为微型电子产品的发展铺平道路。 脉动热管是一种微型散热装置，与传统热管相比，它没有毛细极限。此外， 它还具有价格低廉、结构简单、体积小、传热能力强等特点。脉动热管所具备的 优异特性决定了它在日益小型化的电子设备的冷却中有着广阔的应用前景。 1 2 脉动热管的特点 脉动热管( p u l s a t i l l gh e a tp i p e ，p h p ) 一种新型高效的传热装置，是由日本 学者砧l l i 首先于九十年代初提出的，它具有体积小、传热能力强等特点，脉 动热管所具备的这些独特优势显示了其在电子冷却及航空电子设备热控制应用 中的巨大潜力。 脉动热管包括两种基本结构型式：闭合回路结构和开放回路结构，如图1 1 所示。其中，闭合回路结构还包含一种带单向阀的闭合回路结构，该结构是在管 路中加几个单向阀，来控制工质的单向流动。 与传统热管不同，脉动热管是由金属毛细管弯曲成蛇形结构，并且管内含有 更多的工质。该蛇形结构的一端是加热端，另一端是冷却端。另外，脉动热管无 毛细芯结构，这将有利于冷凝端工质回流到蒸发端。脉动热管中的工作介质在表 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 面张力的作用下会形成汽液塞并随机的分布在脉动热管的蛇形回路中，通过工质 的相变和汽液塞振荡，热量会迅速的从脉动热管的蒸发端传递到冷却端，最终散 失到外界环境中。脉动热管内部不是单纯的相变传热，而是集显热传热、相变传 热、膨胀功于一体，涉及多物理学科、多参数的汽液两相流系统。 a 闭合回路结构b 开放同路结构c 带单向阀的闭合回路 图1 1 脉动热管基本结构示意图 基于独特的结构和传热机理，脉动热管具有如下显著优点： 1 ) 体积小，结构简单，成本低。体积小是由于脉动热管管径小；结构简单 是由于脉动热管无毛细吸液芯；成本底是由于脉动热管的振荡动力来自于其本 身，不需要其他动力设备，降低了运行成本。 2 ) 传热性能好。与普通热管相比，脉动热管的传热限制较少，只要充液率 合适，其热流密度可以很大，而且不会出现烧干的现象。 3 ) 适应性好。脉动热管不仅可以弯曲成任意形状，而且能在任意倾斜角度 下工作。它可以有多个加热部位和冷却部位，并且这些部位可以任意选取。 1 3 脉动热管的研究现状 1 3 1 实验研究现状 1 ) 实验研究的一个主要内容是脉动热管内部流型及运动过程的可视化实验。 s c l l n e i d 一2 1 、l d 3 1 、l i 【4 l 等学者发现，弹状流是脉动热管运行的主要流型， k h 锄d e k a r 和( l l 【5 】【6 】等学者发现，当热流密度增加时，上升通道流动转变成环 状流，脉动热管的传热也从以显热传热为主转化为以潜热传热为主，并且此时脉 动热管的热阻较低。w r o o k 【7j 通过4 个弯的板式脉动热管可视化实验研究发现， 当脉动热管充液率在2 0 8 0 范围内，倾斜角为9 0 度时，可以观察到非常剧 烈的振荡现象。b y t o n g l 8 j 发现，当脉动热管处于启动阶段时，其内部工质振荡 幅度很大，当脉动热管处于稳定运行阶段时，其内部工质开始循环流动，但不能 2 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 确定其流动方向。此外，还发现脉动热管内部出现了核态沸腾、气泡聚合等现象。 l 沁i v o g i 【9 】通过可视化实验，对脉动热管的流型进行了较为系统的研究。研究结 果表明，汽液塞分布的均匀性与充液率及运行温度有关，当充液率较高或运行温 度较低时，都会导致脉动热管内部汽液塞分布不均匀。工质循环速度与充液率、 倾角、加热方式有关。当脉动热管采用底加热时，在一定充液率范围内，工质的 循环速度会随充液率的增加而升高，但当充液率超过6 0 时，循环速度会随着充 液率的增加而下降。 x u 【l o 】通过闭合回路脉动热管高速可视化实验发现，在脉动热管的运行过程 中，存在整体循环流和局部振荡流。气泡的位移及速度的变化与正弦波的变化相 似，呈现出周期性的运动特征。整体循环流持续时间很长，而局部振荡流持续时 间较短。在局部振荡中，气泡振荡的幅度小，但频率高。工质的脉动造成了气泡 的生成、破裂等现象。各管路中的气泡大小是不同的。在脉动热管的运行中出现 了三种形态的气泡，包括离散气泡、汽塞及长汽塞。从离散气泡到长汽塞的变化 过程是脉动热管最主要的流动型态。 j i a “1 1 】通过脉动热管传热特性可视化研究发现，整体流、过渡流和环状流是 脉动热管运行时的主要流型。在不同充液率和热流量的情况下，脉动热管中的流 型会从整体流逐渐转变成环状流，同时，脉动热管的传热性能得到提高。在实验 中，还发现核沸腾、汽液塞的聚合和破裂等现象。 马同泽和曲伟【1 2 】、曹小林【”】观察发现，脉动热管内部流型会受到热流密度 大小的影响。当热流密度较小时，呈现出间歇流动，随着热流密度的增大，内部 流体会改变成为单向脉动流动。杨蔚劂1 4 】等发现，脉动热管运行的稳定性会受到 温差、充液率、对流换热条件、加热端长度等因素的影响。温差越大，工质脉动 越剧烈，脉动热管运行的稳定性越好。充液率也会影响热管运行的稳定性，但其 影响程度与换热条件有关，当冷却条件较差时，其影响就会很大。在同一充液率 下，当加热端长度为8 0 m m 时，脉动热管可以稳定在5 0 ，而当加热端长度为 5 0 姗时，脉动热管可以稳定在4 5 。尹大燕【l5 】等发现，充液率、传热量、不 凝性气体会影响脉动热管整体热阻的大小。 2 ) 截面形状、倾斜角度、工质种类、是否为闭合回路、充液率、加热段与 冷却段的长度比、加热面积等多种因素对脉动热管传热性能的影响是实验研究的 另一主要内容。 s c l l l l e i d e 【1 6 1 和k h a i l d e k a i l l 7 】通过不同截面板式脉动热管的实验研究发现，圆 形截面的脉动热管的传热性能要好于方形截面的脉动热管。n i s l l i os 【l8 】发现，在 其它条件相同的情况下，脉动热管冷热端温差越大，其传热量也越大。相比于具 有相同直径且传热能力最强的传统热管，脉动热管的单根管子的传热量都要比其 3 北京交通入学硕士学位论文l 绪论 大的多，而且有效导热系数大约是其5 0 0 倍。s k h a n d e k a r 【侈j 通过实验研究发现， 脉动热管的传热性能会受到弯头数、工质和重力的影响。脉动热管在垂直底加热 时，传热性能要比水平条件下好。c h a r o e n s a w a l l 【2 0 】发现，倾斜角、弯头数、管径 都会影响到脉动热管的传热性能。当脉动热管的弯头数大于其临界弯头数时，若 倾斜角处于低于6 0 度的范围内，则倾斜角与脉动热管的传热性能成正比关系； 若倾斜角处于6 0 度9 0 度之间，则倾斜角对脉动热管的传热性能并无影响。当 弯头数低于临界弯头数时，倾斜角为9 0 度，并且底加热时，脉动热管传热性能 最好。 徐进良【2 1 j 瞄】等通过实验发现在均匀加热方式下，脉动热管的传热性能要比 非均匀加热方式的传热性能差。杨蔚原团】研究发现了脉动热管的整体热阻会受到 其外部换热条件的影响。曲伟和马同泽阱】等通过实验观察发现，脉动热管运行时， 液塞的前进和后退接触角不同，从而为液塞的运动带来了毛细滞后阻力。还发现 脉动热管内壁面的粗糙度对脉动热管的运行也存在影响。当脉动热管内壁面的粗 糙度很低时，脉动热管启动所需要的热流密度会很大。 曹小林【2 5 】则发现，当热流密度较低时，方形断面的脉动热管的传热性能要比 三角形断面的脉动热管差。当热流密度比较大时，截面形状对脉动热管性能几乎 没有影响。杨洪海1 2 6 j 通过对单回路脉动热管的实验研究发现，重力对脉动热管传 热性能的影响会随着回路数的增多而逐渐减弱。当热流密度从较小开始逐渐增大 时，单回路脉动热管内部流态会从柱状流逐渐转变成环状流，同时，传热性能也 得到提高。 j i al i 【2 7 】等通过脉动热管传热性能实验研究，观察了在不同充液率、不同热 流量等因素下，脉动热管从启动到稳定运行整个过程中流型的变化情况。还研究 了不同加热方式下，脉动热管的运行性能。实验结果表明，在顶加热方式下，脉 动热管内部不会出现环状流。在不同充液率和热流量情况下，脉动热管在底加热 时的传热性能会得到提高。脉动热管的整体热阻会随着充液率的增加而增大。当 充液率为5 0 时，脉动热管的传热性能最好。变管径脉动热管的热阻要高于等管 径脉动热管的热阻。 李燕【2 8 】通过实验发现，脉动热管的整体热阻会随着充液率的增大而增大。无 水乙醇、丙酮、蒸馏水三种工质相比，当脉动热管采用丙酮为工质时，其更容易 形成环状流，而且脉动热管整体热阻最低，传热性能最强。在垂直底加热方式下， 脉动热管热阻最小。在相同条件下，非闭合回路型脉动热管的传热性能要比闭合 回路脉动热管的传热性能差。 权力1 2 9 】建立了板式脉动热管实验台，研究了小型板式脉动热管的启动和运行 特性，以及脉动热管的倾斜角、充液率、工质等因素对板式脉动热管换热状况的 4 北京交通火学硕士学位论文 l 绪论 影响。实验结果表明，不同充液率和倾斜角存在着不同的临界启动功率，管内真 空度对启动运行有一定的影响。 1 3 2 理论研究现状 1 ) “单弹簧一质量一阻尼系统”动力学模型 z u o 【3 0 j 等建立了“单弹簧一质量阻尼系统”的简化数学模型，研究了汽塞在脉 动热管中的运动现象。该模型忽略了表面张力的影响，并假设管壁与汽塞之间无 液膜，而且传热系数也是根据对流换热的经验公式估计出来的，因此该模型仅适 用于充液率很大的情况。 如图1 2 所示，用单级弹簧振子的运动行为来模拟脉动热管内部工质的脉动 行为，并用液塞和汽塞的质量中心来代替整个液塞和汽塞。x = 0 处是脉动热管 的中心，当脉动热管处于初始状态时，认为流体的质心在x = o 处。当质心开始 移动后，正如图所示，杆1 的长度会增加x ，杆2 的长度会减小x 。 ol 一 ： 图1 2 单弹簧质量阻尼系统模型 通过对脉动热管内部工质进行受力分析，可得到内部工质运动的数学模型： 警+ 酬争一脚训o ) + 牡。 其中，a ，d ，l ，p ，a 。，q 分别是脉动热管的横截面积、管路直径、长度、 周长、充液率、传热量；岛、成、“、匕、分别是工质的液相密度、气相 密度、动力粘性系数、饱和温度、汽化潜热。 与阻尼振荡方程类比： 5 北京交通火学硕士学位论文 1 绪论 f 墅避生1 相当于阻尼系数； l 岛删j 五j乏j融【-(叫2p岛(1一f2jo)+罢j相当于弹簧的弹性系数； 该方程在形式上和阻尼机械振动方程十分相似，所不同的是最后一项的系 数，它不仅是x 的函数，还是f 的函数。 通过该模型计算出的结果与实验结果相差甚远，因此这个模型在以后的文献 中几乎没有出现过。 2 ) “多弹簧质量一阻尼系统”动力学模型 w b n g f 3 l 】等建立了脉动热管的c 多弹簧一质量一阻尼系统”的简化数学模型。该模 型忽略了脉动热管内部工质传热和相变的过程，同时也没有考虑工质的表面张力 及汽塞和管壁之间的液膜对脉动热管运行的影响，利用拉格朗日方法研究了汽塞 和液塞的动力特性，用在加热端突然给汽塞施加压力脉动的方式来模拟脉动热管 局部受热。该模型成功的模拟了压力波在脉动热管中的传播过程。 3 ) 对汽、液塞建立的质量、动量、能量方程的控制容积法 s l 觚i p 刁等以液塞及其两边的汽塞作为单元控制体，提出了回路型和开路型 两种脉动热管具有多个汽塞的分析模型。该模型忽略了液塞脉动以及蒸发、冷凝 引起的传热传质过程。通过该模型得出，显热传递是回路型和开路型两种脉动热 管的主要传热方式。曲伟【3 3 】等则建立了回路型脉动热管稳态自激循环流动运行机 制的物理模型和数学模型，结果分析表明，潜热传热量仅占总传热量的3 0 以内。 4 ) 基于神经网络的数学模型 崔晓钰【蚓闭和k h a n d e k a 一6 1 等人在大量实验数据的基础上，将神经网络方法 应用到脉动热管的建模中。但是，该模型回避了脉动热管复杂的运行机理，因此， 在实际应用中也受到了很大的限制。 5 ) 半经验公式 s k h a n d e k a r l 3 7 1 对脉动热管的运行进行了理论分析，并根据大量实验数据建 立了无量纲的半经验方程： g = o 5 4 ( e x p ( ) ) n 勰p 豸7 妇1 4 3 加上7 ( 1 2 ) 其中：是试验台倾角；g 是热通量；砌是j a k o b 数；p r 是p 删以e l 数；勋是 k 锄a n 数；是弯头数。 该模型在实际应用中仍然具有很大的局限性，但相比于其它理论模型，其有 更大的空间去完善和发展。 6 ) 两相流动模型 6 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 k h 锄d e k a r 【3 8 1 等认为脉动热管在高热流密度下运行时，其内部工质是呈单向 循环流动的。他们对单向循环流动的两相流动理论进行了分析，并在此基础上建 立了脉动热管的两相流动理论模型，最后计算出了内部工质一个循环内的压力分 布。 上述理论模型在一定程度上都作了相应的简化，并没有完全考虑到脉动热管 内部的不平衡现象，因此，在实际应用中具有很大的局限性。 1 4 l e d 发热原理及散热技术 1 4 1 l e d 工作原理及其优势 发光二极管( “g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是2 0 世纪6 0 年代末期出现的一 种半导体光源，它是一种能够直接将电能转化成光能的固体半导体装置【3 州。发光 二极管的核心是一个半导体晶片，该晶片的一端接电源的正极，另一端接电源的 负极。接正极的这一端叫p 型半导体，在p 型半导体中空穴占主导地位；接负极 的这一端叫n 型半导体，在n 型半导体中，电子占主导地位。p n 结的中间还夹 杂着一层量子阱。当p n 结两端加上正向电压以后，n 型半导体中电子和p 型半 导体中的空穴就会被推向量子阱，并在电子阱内发生复合，然后以光子的形式发 出能量，而发光二极管所发出光的颜色是由p n 结的材料决定的，这就是发光二 极管的发光原理。 与传统光源相比，l e d 具有不可比拟的优势：1 ) 节能、环保；2 ) 寿命长、 响应快；3 ) 发光效率高；4 ) 颜色丰富；5 ) 稳定性高。 1 4 2 l e d 光源应用的制约因素 l e d 整体发热量虽然不高，但换算成单位体积发热量时，却远远超过其它 光源。目前，比较成熟的商品化功率型发光二极管输入功率一般为l w ，芯片面 积1 衄1 m m ，其热流密度达到了1 0 0 w c m z 。对于一个4 0h i 删的白光l e d 来 说，大约只有1 5 的能量转化为可见光，其余的约8 5 的能量全部转化为热。 随着电子工业的发展，单个l e d 芯片的输入功率可以进一步提高到5 w 甚至更 高，热流密度也会随着驱动电流的升高而升高【4 0 j 。因此利用相应的散热方法对 l e d 进行有效的热管理显得越来越重要。 如果不能及时将大功率l e d 所产生的热量带走，随之而来的热效应将会对 l e d 造成很严重的损害，主要表现在：结温的升高，将直接导致芯片出射光子 的减少，从而取光效率降低，使用寿命减短【4 l 】；温度的升高会使得芯片的发射光 谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光l e d 激发黄色荧光粉的白光l e d 7 北京交通大学硕+ 学位论文 1 绪论 器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随着温度的升高而降低。为了保证 l e d 正常工作，它的节温应控制在11 0 以下。 叫l 施l 娴 刮 1 0 0 0 o 1 5 0 1 4 0 1 3 0 咛台 1 2 0 号 墨1 1 0 嘏i o d 鬟螂矗 8 0 擘矗 7 移譬若 6 0 5 c r 1 日龙l e d i i - - - ，l i 、 、 - - l h 1l ll 温度( ) 图1 3l e d 结温与光通量及使用寿命的关系 图1 3 【4 2 】是l e d 结温与光通量及使用寿命的关系图。从图中可以看出，结温 的高低直接影响了大功率l e d 的光通量及使用寿命的长短。l e d 芯片结温越高， 其光通量及使用寿命都会大幅下降。 综上所述，散热问题已经成为了l e d 光源大规模应用的瓶颈问题。 1 4 3 l e d 封装结构的散热过程 l e d 封装结构主要由芯片、内部热层、粘结层、电路板、封装透镜、金线、 外壳等组成，如图1 _ 4 所示。 8 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 金属线路扳 图l - 4l e d 封装结构 由图1 - 4 可见，由于封装透镜材料几乎是不导热的，其作用是将芯片的输出 光进行分配和取出，芯片的热量主要由内部热沉导出后再通过外部散热器进行散 热。 l 鼍椭 图l - 5l e d 散热流程图 l e d 封装结构热阻网络示意图如图1 5 所示。芯片p d 所产生的热量从结点 流出后分成了两股：极少一部分热量经过封装透镜和外壳的总热阻r t p 后散失 在外界环境中；绝大部分热量是通过r 吒、l 沁、r s 后散失在外界环境中。 其中，r c 是指热流从结点流出到流入内部热层之前的总热阻，是指热流从 流入内部热层到流入电路板之前的总热阻，是指热流从流入电路板到流入外 部散热装置之前的总热阻，是指外部散热装置的热阻。 1 4 4 l e d 散热技术的介绍 目前，大功率l e d 的冷却方法有很多种。按接触方式的不同可分为：直接 冷却和间接冷却。直接冷却是指热源与冷却介质通过直接接触方式将热量带走。 间接冷却是指热源与冷却介质并没有直接接触。减小热源与冷却介质之间的热阻 是提高间接冷却技术的最主要的方法。目前l e d 最常用的间接冷却方法是在芯 片与冷却介质之间放置一些填充材料，譬如，导热硅脂等。按冷却介质的不同可 分为：流体冷却和固态冷却。常见的流体冷却有空气自然对流或强制对流换热、 液体强制对流换热，相变流体冷却，图l 一6 给出了空气和水的几种对流换热过程 占 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 表面传热系数的大致范围m 3 】；常见的固态冷却有热电冷却和磁热冷却。 水蒸汽凝结二= = 二= 二二二二二二= 二二二二二 j j 。1 水沸腾【二二二二二二二二一一 、，二jj 一、如j 水强制对流 = 二二= 二二二二 ”。二一2 “4 水蒸汽强制对流口 “j 哪 空气强制对流 ：“7 珀 水自然对流口二。= “ ”“ 空气自然对流 。j o5 0 0 0l o o ( 1 01 5 0 2 0 0 0 02 5 0 0 03 0 0 0 03 5 0 0 0 袭露传热系数晰2 妁 图l - 6 不同散热方式表面传热系数的范围 为了对l e d 进行有效的散热管理，研究者己经采取了许多比较成熟的散热 手段，例如，空气强制对流技术被广泛的应用于电子装置中。然而，电子器件正 向小型化、阵列化方向发展，这一趋势会不断要求散热片和风扇的尺寸逐渐减小， 这样，空气强制对流的散热能力会越来越趋近于其极限散热能力( 炯币以后，热管冷热端温 度并没有立即进入稳定的状态，而是缓慢的攀升一段时间，最后达到稳定，很明 糟 柏 o 魁罐 话 够 鞴 螗 第 嚣 u ，斟露 北京交通大学硕士学位论文4 大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷 显这与板式脉动热管水冷的启动过程有很大的差异，这主要是因为与水冷相比， 风冷时板式脉动热管冷却端散热能力相对差一些，冷却端温度较高，振荡强度较 弱；随着工质脉动频率的增加，逐渐形成单向脉动循环以后，脉动热管才开始稳 定运行。 4 2 不同功率l e d 冷却效果分析 4 2 1 翅片式板式脉动热管启动时间比较及分析 启动时间是翅片式板式脉动热管启动特性的一个非常重要的指标，启动时间 是从脉动热管受热到脉动热管内部工质开始循环所经历的时间，时间越短则脉动 热管启动越迅速，进入稳态运行的时间越早。启动时间的长短对l e d 的可靠性 和使用寿命有着非常重要的影响，也是决定脉动热管能否在实际中应用的重要因 素。 当l e d 功率增大时，单位时间内通过铝板壁传递到翅片式板式脉动热管热 端工质的热量增多，导致脉动热管热端工质能在更短的时间内吸收足够的能量并 与冷端工质形成足够的温度梯度，因而翅片式板式脉动热管启动时间变短。如图 4 2 所示，当l e d 功率为7 5 w 时，翅片式板式脉动热管启动时间为2 0 0 s ；当l e d 功率为8 5 w 时，翅 01 瑚如柚0 0 时问，s 图4 2 板式脉动热管加热面温度随时间变化曲线图 4 2 2 翅片式板式脉动热管加热面温度比较及分析 图4 3 是加热面温度与l e d 功率关系曲线图。从图中可以看出，当l e d 功 率从5 5 w 增大到9 5 w 时，加热面温度并没有随着l e d 功率的增大而升高，有 时反而会下降，并且各种功率下，加热面温度都集中在5 6 6 6 6 6 之间。这 主要是因为一方面随着传热量的增加，加热端工质的压力和温度增加，导致蒸汽 量增加，温度升高，携带的潜热及显热大，另一方面随着l e d 功率的增大，板 北京交通大学硕士学位论文4 大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷 式脉动热管工质会在更短的时间内吸收足够的能量而脉动起来，这样，板式脉动 热管热端可能在较低温度时，就发生了温度的骤降并进入稳定状态。因而，加热 面温度可能会因为l e d 功率的增大而有所降低。 p 、 避 赠 6 07 08 0 9 01 0 0 功率w 图4 3 翅片式板式脉动热管加热面温度与l e d 功率关系曲线图 由此可知，板式脉动热管风冷形式同样能满足大功率l e d 的散热需求，能 迅速有效的将l e d 产生的热量传导出去，并将加热面温度稳定在适宜的温度下， 极大程度的延长了l e d 的使用寿命。 4 3 翅片式板式脉动热管加热面温度均匀性分析 阵列式大功率l e d 各芯片都是以一定间隔镶嵌在内部热沉上的，当各芯片 点温度相差很大时，往往会对l e d 在各个领域的应用带来很大的障碍。特别是 当阵列式大功率l e d 应用于超大尺寸背光源时，因超大尺寸背光源尺寸非常大， 且通常竖直放置，往往会造成顶端比底部热的情况，导致整个背光源温度分布不 均，这会使不同位置l e d 发光特性不同，导致三基色l e d 的颜色配比出现差异， 因而会引起色差，严重影响背光源的颜色表现能力1 5 。 所以，利用翅片式板式脉动热管强制风冷对大功率l e d 进行散热，不仅要 求脉动热管能迅速将大量的热量带走，而且还要求加热面温度均匀性好，进而保 证l e d 各结点温度均匀性好。 图4 4 是各功率l e d 对翅片式板式脉动热管加热时，脉动热管加热面各点 温度随时间变化曲线图，其中，1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 分别是布置在不同位置的热电偶。 从图中可以看出，当l e d 功率为1 0 0 w 时，加热面各点最大温差是4 0 4 ；当 l e d 功率为6 9 w 时，加热面最大温差是1 2 2 ；当l e d 功率为5 6 w 时，加热 面各点温差为1 9 l 。由此可知，加热面温度均匀性是非常好的，说明翅片式板 式脉动热管强制风冷对l e d 散热，不仅能带走大量热量，让l e d 在适宜稳定的 温度下工作，还能保证大功率l e d 各结点温度均匀性好，极大提高l e d 的颜色 3 5 鼹融；鼹弱雅娩弱 北京交通大学硕士学位论文4 大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷 表现能力。 7 0 u 印 魁 霸| 0 3 0 2 0 o 1 2 3 0 5 咖7 时衙，s ( a ) 1 0 0 w 0 2 3 帕05 6 0 07 时向，s ( b ) 6 9 w 01 2 3 05 6 7 时问，s ( c ) 5 6 w 图4 - 4 加热面各点温度随时间变化曲线图 4 4 l e d 基板面积对翅片式板式脉动热管启动的影响 由于加热面积对脉动热管的启动特性有一定的影响，因此在本文中也研究了 功率相同但基板面积不同的两种大功率l e d 对翅片式板式脉动启动的影响。在 本实验中，所采用的两种5 0 w 的l e d ，如图4 5 所示，其物性参数如表4 1 所 硒 坫 ： 籀 佶 伯 u 髓碉 辐 峙 加 笛 翦 ；q 为 u _ ，毯礴 北京交通大学硕士学位论文4 大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷 不o a ) 大基板l e db ) 小基板l e d 图垂5 两种不同基板面积l e d 实物图 表4 1 相同功率不同基板面积l e d 物性参数 l e d 功率( w )基板面积( 删n 2 )热流密度( w m m 2 ) 大基板 5 02 0 9 2o 0 1 9 小基板 5 08 8 00 0 4 5 图4 6 是这两种相同功率但基板面积不同的l e d 加热时，翅片式板式脉动 热管冷热端温度随时间变化曲线图。 u1 叫删州u4 删叫u石w l 时- 问，s 图4 _ 6 板式脉动热管冷热端壁面温度随时间变化曲线图 从图中可以看出，当基板小的l e d 对翅片式板式脉动热管加热时，冷热端 温度都是随时间逐渐上升直至达到稳定。这主要是由铝板的纯导热所致，在此过 程中，没有出现热端温度骤降，冷端温度骤升的现象，而且壁面温度从始至终没 有出现脉动，说明在小基板l e d 加热下，脉动热管并没有启动。当采用大基板 l e d 加热时，脉动热管热端温度低于小基板l e d 加热时热管热端的温度，同时， 脉动热管冷端温度要低于小基板l e d 加热时热管冷端的温度，即在相同的加热 功率下，脉动热管冷热端温差随u d 基板面积的增大而减小。这主要是因为l e d 基板面积大小不仅影响着脉动热管的热流密度，而且还直接影响着脉动热管加热 3 7 昭 蛞 加 始 ； 筠 加 u ，世蝠 北京交通大学硕士学位论文4 大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷 面积的大小，增大l e d 基板面积，进而就会增大脉动热管的加热面积，脉动热 管的热流密度的分布就会更加均匀，并且热管内被加热的工质也会更多，脉动热 管内汽液塞受热产生的流动驱动力增大，热管更容易启动。当热管启动以后，热 端温度骤降，冷端温度骤升，从而减小了冷热端的温度差。 由此可知，增大l e d 基板面积，有利于翅片式板式脉动热管的启动。从图 中可知，当l e d 功率为5 0 w 时，尚且可以通过铝板的纯导热将l e d 产生的热 量带走，一旦l e d 功率高于5 0 w ，达到1 0 0 w 甚至更高时，完全由铝板的纯导 热是很难迅速将l e d 产生的热量带走的，必将导致l e d 热量积累，温度大幅上 升，严重影响了l e d 的性能。所以，在一定程度上应尽量增大l e d 基板面积， 使其更容易启动脉动热管。 4 5 l e d 不同布置方式冷却效果比较及分析 本文通过实验对两种不同布置方式l e d 在板式脉动热管强制风冷下的冷却 效果进行了比较及相关分析。在本实验中所采用的是一个基板大的1 0 0 w 的l e d 和两个完全相同但基板很小的5 0 w 的l e d ，将l o o w 的l e d 布置在脉动热管底 部中心部位，而将两个5 0 w 的l e d 沿铝板中心线对称布置在脉动热管底部。表 4 2 是各l e d 的物性参数，图4 7 是l e d 在热管上布置方式的示意图。 表4 2 两种l e d 的物性参数 数量功率基板面积热流密度 l e d ( 个) ( w )( m m 2 )( 、w m m 2 ) 大基板 11 0 02 0 9 2 0 0 3 8 小基板 25 0 8 8 00 0 4 5 a ) 一个1 0 0 w 的l e d 布置示意图b ) 两个5 0 w 的l e d 布置示意图 图4 7l e d 布置方式示意图 在这两种布置方式下，本文主要从加热面温度均匀性来比较脉动热管的冷 北京交通大学硕士学位论文 4 大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷 却效果。图4 8 是l e d 两种布置方式下，加热面各点温度随时间变化曲线图， 其中，1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 、1 0 4 分别是布置在加热面不同位置处的热电偶。从图中 可以看出，当用两个5 0 w 的l e d 对热管加热时，各点最大温差为4 1 ；当用 一个1 0 0 w 的l e d 加热时，各点最大温差为1 8 2 。究其原因，1 0 0 w 的l e d 基板面积要大于两个5 0 w 的l e d 基板面积之和，当1 0 0 w 的l e d 对翅片式板 式脉动热管加热时，热管加热面积要大，导致热管热流密度的分布会更加均匀， 所以加热面各点温度均匀性好。 01 2 0 03 0 0加05 6 0 07 0 0 时f 司，s a ) 两个5 0 w l e d 加热 01 2 3 0 0 b ) 一个1 0 0 w l e d 加热 图4 _ 8 不同l e d 布置方式下加热面温度随时间变化曲线图 4 6 高温和低温环境下l e d 冷却效果分析 鉴于l e d 自身优势，目前主要应用于以下几个方面：1 ) 显示屏、交通讯号 显示光源等；2 ) 汽车仪表盘、刹车灯、尾灯等；3 ) l c d 背光源等。因其应用 领域非常广泛，常常会遭受到恶劣天气环境的影响，所以翅片式板式脉动热管对 3 9 加 卯 加 勰 u k 越赠 阳 幻 柏 u 髓媚 北京交通大学硕士学位论文 4 大功率l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷 大功率l e d 散热，不仅要求其能在常温环境下达到良好的冷却效果，同样要求 其能在炎热的夏季和寒冷的冬季也能迅速将l e d 产生的热量带走，让l e d 在适 宜稳定的温度下工作。 本文通过实验研究了4 0 高温环境和o 低温环境下翅片式板式脉动热管 对l e d 的冷却效果。本实验首先通过电热炉在带有小孔的箱内加热及冰箱分别 制造出了温度为4 0 和0 的恒温环境，然后将实验系统置于其中。图4 9 和图 4 1 0 分别是4 0 和0 环境下l e d 翅片式板式脉动热管强制风冷实物图。 a ) 实验系统各装置实物图 温度计 耨 b ) 4 0 环境下实验系统示意图 图