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浅谈微槽群复合相变LED灯散热技术与应用
 

  LED芯片工作时,约有7080%的能量转化为热。随着LED芯片集成度以及功率的升高,LED光源单位面积的发热强度增加迅猛,过高的LED芯片结温不但使LED光源寿命急剧衰减,还会对LED的峰值波长、光功率、光通量等诸多光学性能造成严重甚至致命影响,这使得散热问题成为制约LED行业发展的瓶颈。 

  任何一种散热器要实现将LED光源的热量散失到外界环境中去,达到很好地控制LED芯片温度的目的,首先考虑的并不是热量如何从散热器外表面散失到外界环境这一过程的散热问题,而是必须首先解决如何从LED光源高效率取热的问题,也就是如何能够减小散热器的取热表面,从LED光源将热量取出的取热热阻(传热阻力)[Zhl1] ,取热热阻过大,热取不出的话,散热就无从谈起。为什么这样说呢?这是因为LED光源的热量首先是经散热器取热环节、然后再经热输运环节、最后由散热器外表面与环境之间的散热环节散失到外界环境中去的。这里,取热热阻、热输运热阻和散热热阻这三个热阻是串联的。而热流的热阻和电流的电阻的串并联规律是一样的,在热流方向上取热热阻环节是处于散热热阻环节的上游,所以是要首先被关注的。尤其是对于大功率集成LED光源,由于其LED光源发热量大、热量高度集中,取热极具挑战性。 

                  图炽热发红的电炉子                    

空旷惬意的足球场 

     为什么会是这样呢?举一个日常生活中的例子大家就能很好地理解这一点了。大家应该都用过电炉子,一个1000瓦的电炉子直径只有十几个厘米,如图1所示。当它通电工作的时候,由于发热量集中,温度高,表面炽热发红,相信沒有人敢伸出手摸它的发热表面。即使用几台大功率空调来冷却它,使得房间气温都冷得如寒冬一般了,电炉子却依旧会炽热滚烫,用手依然不敢触摸。但是如果你把1000瓦电炉子的热量分摊到一个足球场大小的巨大面积上的话,如图2所示,那么你根本用不着空调去冷却它,甚至你躺在上面睡大觉都不会有任何问题,这就是热量集中和分散的区别。显然,从热量集中的热源取热比从热量分散的热源取热要麻烦得多。 

  同样,热输运环节也是要被高度关注的传热环节。取出热以后如何在散热器内部实现高效率地大功率热量的热输运,也就是如何能够减小热量从散热器取热表面传递到散热器对外散热的外表面(肋片表面)的过程中的热输运热阻,这也是非常关键并具有挑战性的。就好像城市道路交通运输一样,只有道路畅通沒有追尾剐蹭等交通事故造成车辆堵塞道路,通过的车流量才能大,但要做到这一点,在现实生活中并不容易。热流的输运也是如此。 

  目前,市场上常见的LED散热器多采用铝、塑料或者陶瓷等材料通过不同的加工工艺做成的型材散热器。这些散热器靠散热器材料的导热性能通过热传导实现散热器的取热和热量在散热器内部的热输运。由于材料的导热性能取决于材料的导热系数,而已知的各种材料的导热系数都不是很高,所以型材散热器的取热热阻和热输运热阻很大。虽然市场上出现的LED热管散热器较型材散热器其取热热阻和热输运热阻有一定程度地减小,但受制于其取热能力的限制以及内部结构导致的各种热输运极限,其热阻值仍然较大,难以实现从大功率、高发热强度的LED光源表面及时取热和高效热输运并对外界环境散热。 

微槽群复合相变热沉原理性结构及其弯月面形状

  微槽群复合相变LED散热器采用的核心技术是微槽群复合相变传热技术,它是一种用于高热流密度和大功率器件散热与温度控制的新一代微细尺度高强度相变传热技术。微槽群复合相变LED灯散热器在其取热面上构建了微细尺度槽群结构取热热沉,在对LED光源取热的过程中,利用了微细尺度槽群结构取热热沉的高强度复合相变强化换热机理。即在微细尺度槽群结构热沉的自身结构所形成的压力梯度作用下,液体工质沿微槽流动的同时,在微细尺度槽群结构热沉内形成汽液固三相接触线附近扩展弯月面薄液膜区域内高强度蒸发和厚液膜区域(固有弯月面部分)内核态沸腾的微细尺度复合相变强化换热,以实现极高换热系数和热流密度的传热过程。理论最大取热热流密度可达到每平方厘米10000W的数量级,如图1所示。同时,利用等温相变模式进行热扩散,消除热量从散热器取热面传递到散热器对外散热的外表面(肋片表面)的热输运过程中所产生的热输运热阻,使得微槽群复合相变LED灯散热器的整个取热热阻和热输运热阻趋于无限小,并使散热器的对外散热表面(肋片表面)保持高均温性,使微槽群复合相变LED散热器的取热热阻、热输运热阻和散热热阻这三个热阻之和最小化,从而实现对大功率集成LED光源的高效散热。与型材和热管散热器等相比,微槽群复合相变LED散热器的取热热阻和热输运热阻要小得多,这使得在同等对外散热表面面积和结构尺寸的条件下,可以散失多出很多倍的LED光源发热量。 

  由于与外形相似的热管、热柱等相变类散热器相比,微槽群复合相变LED散热器在换热机理、结构和性能等方面有太多本质上的不同,所以尽管微槽群复合相变散热器与热管散热器在许多人看来外形、结构乃至于取热原理都看似差不多,但实际上两者差之毫厘,谬以千里。就像猫和老虎,虽然都是猫科动物,但能力上有天壤之别。  目前,微槽群复合相变LED散热技术已开始在LED行业里应用。研究所传热中心微槽群技术团队开发出的可用于工矿灯、路灯、球泡灯、诱鱼灯、体育场馆灯的20-1300W多种微槽群复合相变LED散热器及整灯产品,产品性能在LED行业里处于领先地位。与市场上其他LED散热器产品相比,微槽群复合相变LED散热器产品的取热及热输运能力强,取热热流密度已达到400W/cm2的水平;LED光源的负极引脚温升低10℃以上;散热器表面温度的均温性在2℃以内;与100W型材散热器相比,微槽群复合相变LED散热器的重量仅为其一半左右,功率越大,轻量化的优势越为明显。采用微槽群复合相变LED散热技术研制出的300W LED诱鱼灯已批量生产应用,可替代1000W传统金卤诱鱼灯进行海上灯光围网捕鱼作业,捕鱼产量提高一倍,渔船平均油耗降低50%,节能效果显著。研制出的高功率密度LED集成光源的50W球泡灯、500W体育场馆灯、100-200W路灯、50W防爆灯以及500W-1300W超远程分体式工矿灯和投光灯/探照灯整灯产品均填补了国内外相关专业与特殊领域照明的LED产品空白。 

  微槽群复合相变LED散热技术在大功率高功率密度LED灯的应用领域展现出了強大的技术优势,彻底解决了制约大功率LED发展的光源散热问题,为国家半导体照明领域的技术进步和LED产业的迅速发展起着重要的战略支撑作用。