用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究

　　光电器件用于大功率LED冷却的热管散热器的。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（b）的A-A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。本试验所用热管为锯水热管，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60目，细丝网的目数为500目。

　　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。将铜康铜热电偶（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，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。

　　2.3实验条件壁厚为1mm；100mm，内径为6mm，管壁厚为1mm；循环工质：二次蒸馏水；104~1.0105W/m2；热管充液率（工质体积与环路总体积之比）E50；热管运行压力及相应饱和温度：0.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：0~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；3试验结果与分析3.1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 *c时，即认为热管已处于稳定工作状态「21.为输入功率为30W时回路热管各测点的温度采样曲线。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。分析两图可知：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*C左右。从可看出，没有工质水时，热管的功能相当于铜板散热器，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*C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。

　　回路热管是否已经成功启动，可以用热管冷凝器入口温度变化曲线来进行判断。为蒸发器在不同的角度和负荷下冷凝器入口的温度曲线。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，散热量呈线性增加，这就要求热管在不同的输入功率条件下，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。

　　3大功率LED系统的结温及回路热管的热阻3.3.1大功率LED系统的结温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*C/W或K/W.大功率LED器件加上外部热沉的总热阻为单位为°C；P为流经介质的热功率；P=Ff/f-Pp，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。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。

　　热阻；Rattah为热沉与热管蒸发器壁之间导热绝缘胶的热阻；Rhea-pipe为热管到环境（一般为空气）之间的热阻。由式（1）和式（2）得：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°C.分析可知：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0.21K/W，―般的电子散热装置的热阻只能达到0.回路热管温度与输入功率之间的关系为回路热管各测点温度随输入功率的变化曲线。由分析可知，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*C，薄膜电阻的温度为87. 5*C，冷凝器的入口温度为80 *C.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。

　　4结论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阵列等大功率密度器件进行散热；建立了回路热管散热器性能测试台，可对不同结构尺寸及不同输入功率的热管散热器，分析其散热功率、启动性、热阻等；所研究的回路热管在真空条件下，能够顺利地启动、热稳定性好、热阻较小，能够满足大功率LED系统较高热流密度的冷却要求；回路热管的小型化和低成本化是其在LED中得以应用的关键，也是需进一步研究的课题。