大功率LED热管散热器研究

田 水 杨 峻 王海波

(1.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211816;2.南京工业大学电光源材料科学研究所，江苏南京 210015)

1 引言

LED作为新一代的照明光源，相比于传统光源具有工作寿命长、功耗低、亮度高、体积小等优势，因而受到越来越多的关注。LED芯片正朝着小体积和大功率两个方向发展，但是其发光效率目前仅有10%～20%，也就是说有高达80%～90%的电能直接转化为了热量［1］。目前应用于照明的大功率LED(功率＞1W)芯片尺寸大多在1mm×1mm以上，热流密度超过了100W/cm2，如果芯片的热量不能及时散发出去，芯片的结点温度过高会降低其发光效率和可靠性，会使芯片老化甚至失效，这是制约大功率白光LED光源发展的重要瓶颈。为了保证LED器件的正常工作和使用寿命，一般要求结点温度不超过80℃。若要实现大功率LED的规模化应用就必须解决其散热问题，对于这方面的问题，无论是从内部材料或封装还是外部辅助工具，国内外已经就此进行了诸多研究。

C.C.Hsu等［2］研究了一种可以有效降低热阻的用于LED封装的金属粘结方法。余彬海等人［3］分析了芯片衬底材料对大功率LED的热特性的影响机制，以三类典型粘接材料为例计算了不同厚度下的热阻。李炳乾［4］采用金属线路板和板上芯片技术，在金属线路板上直接制作反光杯，用以降低系统热阻。

Yueguang Deng［5］等提出了一种利用液态金属(GaIn20)作为介质的循环冷却系统并进行了试验研究，与工作介质为水相比，此系统具有很高的散热能力。鲁祥友［6］等对回路热管散热装置做了试验，证明其能够满足大功率LED的散热要求。Lan Kim［7］等建立了热虹吸管散热模型，极大地降低了LED的结点温度。罗小兵［8］等提出了一种基于微喷射流的大功率LED散热装置，实验结果表明该系统具有极高的散热效率。袁柳林［9］对LED芯片的交错微流道制冷结构进行了分析，结果显示这种结构能很好地满足大功率LED阵列的散热需要。除此之外还有人对热电制冷用于大功率LED散热做了研究与分析［10］。

针对大功率LED的热量管理，本文研制了一种基于热管的散热装置，它利用了热管散热技术与强制对流散热技术，同时利用CFD软件fluent对其散热性能进行了研究。

2 微型热管散热器结构与工作原理

本散热装置主要由LED发热端、蜂窝蓄热板、热管组成。LED光源固定于蜂窝板上，缝隙由高导热胶填充，以保证充分传热，热管蒸发段镶嵌在蜂窝板内，冷凝段布满散热片。当LED开始工作后，热量由LED传导至蜂窝板，热管蒸发段在此吸热并通过管内介质的相变将热量输送到冷凝段，工作介质由气态变为液态，同时释放热量，热量由管壁输送至散热片，最后通过空气对流把热量散发掉，热管内工作介质冷凝放热后回到蒸发段再次吸热，如此形成一个不间断的工作介质循环流动和热量传递过程。图1是本散热器所用热管的启动性能曲线，可以看出热管在很短时间内达到高温随后保持稳定，这也证明了此热管具有极佳的传热性能。本装置见图2，正是利用了热管的这一特性，快速地将热量导出，避免热量积聚，从而保证LED芯片能够在安全温度下长期而高效地工作。散热装置采用热管为铜—水重力热管，其优点是无吸液芯，工作介质靠重力回流，故制造成本低廉。

图1 热管启动性能曲线Fig.1 Curve of set-up performance for heat pipe

图2 微型热管散热器示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of micro-heat pipe

蜂窝板 (图3)是一种重量轻，强度大同时具有柔韧性的材料。本散热装置采用铝材蜂窝板，具有极强的蓄热能力，快速吸收热量并传导至热管。

由工作原理可以看出，此散热装置热量传递过程由两部分构成:各个组成部分间的热传递和热管内部的相变传热。对于热管内部的相变传热在此不做研究，本文仅对前一部分进行了数值求解，以了解此散热器相关传热性能。

图3 蜂窝板Fig.3 Honeycomb

此散热器的优点在于:(1)利用了蜂窝结构的蓄热能力，为热管提供持续热量;(2)采用散热片加风扇的双重强化散热作用，能更好地把热量散发掉;(3)风扇位于散热器内部，这样既可以保护风扇也能降低噪音。

3 蜂窝板与铜板传热能力的比较

假定散热片端条件一致，故仅比较蜂窝板和铜板热沉端的传热情况。

3.1 蜂窝板传热计算

蜂窝板的热阻［11］主要有空气层热阻、面层热阻、粘合层热阻和蜂窝芯热阻等组成，如图4所示。其等效计算公式如下:

式中 kw和ρw——分别是材料的导热系数和密度;

tc——是芯子厚度;

本装置所用蜂窝板为铝材，其蓄热能力可用牛顿冷却定律计算，即

这名字一听就是有来历的，藏着一个古老的传说。但我无意探寻来龙山名的传说。我想探寻的，是一条上山的路，想沿着山路爬到山顶上去。

式中 Ah——传热面积;

Δt——冷热面之间的温度差;

αh——传热系数。

由(2)式推导得

这里Rh==0.356W/K，将代入(3)式得αh=9.6W/(m2·K)，传热能力Qh=62.7W。可以看出蜂窝结构具有很强的蓄热能力，能将大部分热量聚集，从而为热管提供稳定的热源。

图4 蜂窝板总热阻Fig.4 Total thermal resistance of honeycomb

3.2 铜板传热计算

把蜂窝板换成铜板，此时铜板仅起到传热作用，由于热管具有极高的传热性能，故忽略热管综合导热热阻，其传热能力可用牛顿冷却定律确定，总热阻为所有热阻之和，即

式中 Rjs——芯片内部热阻;

Rtg——MCPCB与铜板之间热阻;

则传热系数可用下式表示

式中 Ac——传热面积。

将 Rjs、Rtg、Rbh代 入 (5) 式，计算得αc=4.68W/(m2·K)，传热量 Qc=50.3W。

对比两种计算结果可以看出，蜂窝结构比铜板具有明显优势，其较强的蓄热能力，可将大部分热量传递给热管，避免热量在LED芯片处聚集，从而保证LED能安全工作。此外采用蜂窝结构还有利于降低整个装置重量。

4 数值计算模型与系统热阻

4.1 CFD模型

本模型采用Gambit建模，模型采用实际尺寸。热管长度200mm，直径7mm，蜂窝板厚度为12mm。为建模方便，将LED灯简化为 40mm的均匀热源置于MCPCB中心，且不考虑其发光效率及热损失，但在实际中，发光会消耗掉10%～20%的功耗。空间边界条件设置为 WALL，进口为 Velocity条件，出口为Pressure条件，压力—速度耦合采用SIMPLE。环境温度设为25℃。由于模拟中不考虑热管内部的传热情况，因此将热管设置为具有极高导热系数的实心圆柱体。另外由于采用强制对流散热，亦不考虑辐射效应［12］。

4.2 LED阵列系统热阻分析

热阻是评价一种散热装置散热性能优劣的重要参数。热阻定义为导热介质两端的温度差与通过功率的比值，单位为℃/W或K/W，表达式为:

式中 Tj，Ta——分别为LED结点温度和周围环境温度;

Ph——发热功率，Ph=Pt－ Pl，其中 Pt，Pl分别为总功率和发光功率。

图5为LED阵列系统的热阻模型，Rin为芯片与内部热沉之间热阻、热沉与导热膏之间热阻的和，Rout为MCPCB到热管蒸发段壁面热阻，Pi为第i个LED的通过热功率。通常LED的结点温度应不高于80℃，每个LED芯片的结点温度可用以下方程表示:

图5 LED系统热阻模型Fig.5 Thermal resistance of LED array

5 模拟结果与分析

5.1 散热片对LED结点温度的影响

在热管上焊接散热片扩大了散热面积，继而会对散热性能产生显著影响。从图6可以看出，在同一输入功率下，相比于光管，散热片热管能更有效地降低LED结点温度，下降了10℃左右。例如当输入功率是60W时，结点温度分别为67℃和79℃。这主要是因为散热片增加了与空气接触的散热面积，起到了强化传热的作用，故而能更有效地将热量带走，最终使LED结点温度保持在合理水平。

图6 LED结点温度与输入功率间的关系Fig.6 Comparison of junction temperature LED array using heat pipe with and without fins under different input power

图7为散热片间距是2mm时的温度分布情况，可以看出每个散热片温度分布基本一致，且热管与散热片相接处温度最高。对流传热是靠空气与散热片的温度梯度进行，故散热片温差越小越好，本散热装置的散热片间距采用2mm。

图7 不同间距时的散热片温度分布Fig.7 Temperature distribution with different fin interval

5.2 风压对LED结点温度的影响

风压是影响散热器性能的一个重要参数。从图8可以看出，随着进口压力的增大，LED芯片结点温度随之降低，这说明增大风压能有效地降低LED温度。这主要是因为风压增大，空气流速也增大，继而使得空气与散热片的对流传热系数增大，能带走更多的热量，最终使得LED结点温度降低。

图8 两种输入功率下，LED芯片结点温度与空气进口压力之间的关系Fig.8 Junction temperature vs.air pressure with two different input power

但是当空气进口压力增大到一定程度时，就不能再有效地降低LED温度。因为风压过大使得大部分高速气流来不及与散热片进行对流换热，此时高速气流不但起不到强化传热的作用，反而阻碍了热量传递，另外风压过大还会增加能耗也会使散热装置产生不稳定性。由此可知，应当选择一个较为合理的风压值以保证LED照明系统的节能性。

6 结论

本文提出了一种采用蜂窝板蓄热，同时结合热管与空气强制对流的大功率LED散热器，对其构成和工作原理做了阐述，并使用CFD软件进行了数值研究。主要结论有:

(1)采用蜂窝板用于蓄热，有效吸收LED的热量，为热管提供稳定的热源。

(2)从模拟结果看，本散热装置能够满足大功率LED的散热要求。

(3)相比于光管，使用翅片管时散热器的散热性能更优良，LED结点温度下降了10℃左右。

(4)散热片间距采用2mm，此时的温度分布较一致，有助于散热片与空气对流换热。

(5)风压的增大有助于降低温度，但也存在一个最优值，超过此值，温度下降便不再明显，因此应当根据LED输入功率，风扇能耗，装置可靠性等方面合理选择。

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