LED散熱的方法介紹

　　LED燈中的LED芯片是熱流密度很大的電子元件，它們在運行過程中，由于其靜態(tài)與動態(tài)的損耗，產(chǎn)生大量的多余熱量，通過散熱系統(tǒng)發(fā)散到外部，維持其工作溫度的穩(wěn)定。目前LED的發(fā)光效率還是比較低，從而引起結(jié)溫升高，壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。LED的散熱設(shè)計必須從芯片開始一直到整個散熱器，每一個環(huán)節(jié)都要給于充分的注意。任何一個環(huán)節(jié)設(shè)計不當都會引起嚴重的散熱問題。所以對散熱的設(shè)計必須給以充分的重視。

　　高性能微槽群復(fù)合相變傳熱技術(shù)，滿足大功率LED照明的散熱要求，該技術(shù)命名為“微槽群復(fù)合相變集成冷卻技術(shù)”。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用LED燈上，LED芯片的熱量能瞬間分布在整個散熱空間中，延長了LED燈的壽命提高了發(fā)光效率。

　　一、微槽群復(fù)合相變集成冷卻技術(shù)：

　　LED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。普遍的散熱是：LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經(jīng)過焊料到鋁基板的PCB，再通過導(dǎo)熱膠才到鋁散熱器。LED燈具的散熱實際上包括導(dǎo)熱和散熱兩個部分。有一個概念先要搞清楚，就是導(dǎo)熱和散熱的區(qū)別。導(dǎo)熱就是要把熱量最快地從發(fā)熱源傳送到散熱器表面，而散熱則是要把熱量從散熱器表面散發(fā)到空氣中去。首先要把熱最快的導(dǎo)出來，然后要最有效地散到空氣里去。傳統(tǒng)的散熱器的熱沉是鋁翅片，我們的熱沉是：微槽群相變技術(shù)。

　　微槽群相變冷卻技術(shù)是依靠技術(shù)手段（如設(shè)備結(jié)構(gòu)：微槽等手段）把密閉循環(huán)的冷卻介質(zhì)（若介質(zhì)為水）變?yōu)榧{米數(shù)量級的水膜，水膜越薄，遇熱蒸發(fā)能力越強，潛熱交換能力越強，大功率電子器件的熱量被蒸氣帶走。

　　冷卻器系統(tǒng)組成及工作原理：

　　1、 冷卻器的組成：

　　系統(tǒng)主要由四部分組成，即取熱器、冷凝器、輸送管路、取熱介質(zhì)（如水、乙醇等）。

　　取熱器一般情況下用進口鋁合金制作，板內(nèi)腔有許多微米數(shù)量級的槽道，其作用是把取熱介質(zhì)（如水）按設(shè)計要求變成所需的液膜，發(fā)熱功率器件與鋁合金表面緊密接觸，其熱能通過鋁熱傳導(dǎo)給液膜，液膜瞬間汽化，把熱能通過管路送到冷凝器冷卻。因取熱器的取熱能力很強，其導(dǎo)熱系數(shù)大于106 W/（m*℃），所以取熱器的體積可以做到很小。

　　冷凝器一般情況下用進口鋁合金制作，板內(nèi)腔有許多毫米數(shù)量級的槽道，鋁合金板外有肋片，取熱介質(zhì)通過管路送來熱能由它負責(zé)與室外空氣進行對流換熱和輻射換熱，取熱介質(zhì)的熱能通過冷凝器釋放，由汽態(tài)變液態(tài)，液態(tài)的取熱介質(zhì)通過自身的重力作用又回到了取熱器里，準備下一次熱能交換循環(huán)。

　　2、工作原理：

　　在毛細微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鲀?nèi)表面加工許多微槽道，形成微槽群結(jié)構(gòu)，利用微細尺度復(fù)合相變強化換熱機理，實現(xiàn)在狹小空間內(nèi)，對小體積的高熱流密度及大功率的器件的高效率地取熱。毛細微槽群復(fù)合相變?nèi)崞魅〕龅臒崃坑烧羝?jīng)蒸汽回路輸運到遠程的高效微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器中，在微結(jié)構(gòu)冷凝器內(nèi)微細尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面上進行高強度微尺度蒸汽凝結(jié)放熱。冷凝器凝結(jié)所釋放的熱量可迅捷地擴散到微細尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面，并經(jīng)壁面向外傳導(dǎo)到微結(jié)構(gòu)冷凝器的外壁的肋表面上，通過與外界環(huán)境進行對流換熱將熱量釋放到環(huán)境中去。凝結(jié)液通過凝結(jié)液體回路，在壓力梯度作用流回到微槽群復(fù)合相變?nèi)崞?。從而實現(xiàn)系統(tǒng)自身取熱與放熱的高效率、無功耗的封閉循環(huán)，達到器件冷卻的目的。微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鞯娜崦媾c電力電子器件緊密接觸，其內(nèi)表面刻有許多復(fù)合相變微槽道，集成為復(fù)合相變微槽群。微槽群復(fù)合相變?nèi)崞髦杏猩倭康木哂幸欢ㄆ瘽摕岬囊后w工質(zhì)。液體工質(zhì)在微槽群自身結(jié)構(gòu)所形成的毛細壓力梯度的作用下沿微槽流動，同時在微槽中形成擴展彎月面薄液膜蒸發(fā)和厚液膜核態(tài)沸騰的高強度微細尺度復(fù)合相變強化換熱過程，使液體工質(zhì)變成蒸汽，利用汽化潛熱帶走電力電子器件工作時產(chǎn)生的巨大熱量，從而將器件的工作溫度降低并控制在理想的范圍內(nèi)。微槽群復(fù)合相變冷卻系統(tǒng)由小尺寸取熱元件（微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鳎?、熱量及流體輸運管路、遠程放熱元件（遠程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器）部分構(gòu)成。其中，熱量及流體輸運管路包括輸運熱量的蒸汽回路和輸運凝結(jié)液的凝結(jié)液回路兩部分，分別將微槽群復(fù)合相變?nèi)崞骱瓦h程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器連接起來，形成一個對外封閉的微負壓循環(huán)系統(tǒng)。微槽群復(fù)合相變?nèi)崞魅〕龅木薮鬅崃坑烧羝谙到y(tǒng)的蒸發(fā)與凝結(jié)壓差作用下經(jīng)蒸汽回路輸運到遠程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器中，在微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器內(nèi)腔中的微細尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面上進行高強度微尺度蒸汽凝結(jié)放熱。蒸汽凝結(jié)所釋放的熱量由微細尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面經(jīng)壁面向外傳導(dǎo)到微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器外壁的肋表面上或外壁上的冷卻水通道群中（注：微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器壁面將外界環(huán)境和冷卻水與微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器內(nèi)部隔開，外界環(huán)境和冷卻水與微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器中的凝結(jié)液不接觸），通過與外界環(huán)境進行的空氣（自然或強制）對流換熱或與冷卻水通道群中的冷卻水進行單相強制對流換熱，最終散失到外界環(huán)境中。而凝結(jié)液則通過凝結(jié)液回路，借助于重力和系統(tǒng)微細尺度槽群結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力梯度作用，流回到微槽群復(fù)合相變?nèi)崞髦?。從而整個系統(tǒng)按照由微槽群復(fù)合相變?nèi)崞?、蒸汽回路、遠程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器、凝結(jié)液回路再回到微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鞯捻樞蛐纬梢粋€具有工質(zhì)單向性流動的、液－汽－液相變?nèi)岷头艧崮Ｊ降臒o功耗循環(huán)（被動式循環(huán)），達到使發(fā)熱的大功率電力電子器件冷卻的目的。圖1 為冷卻系統(tǒng)示意圖。

　　圖1 微槽群復(fù)合相變冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

　　3、 與熱管的區(qū)別

　　形式上與熱管相似，但在換熱機理、結(jié)構(gòu)和性能等方面有本質(zhì)不同：

　　1.采用強大的微細尺度復(fù)合相變強化換熱機理；熱管僅為普通的液膜蒸發(fā)；

　　2.無熱管固有的沸騰、挾帶、毛細管力等諸多傳熱極限；

　　3.無熱管大功率散熱時的高接觸熱阻與導(dǎo)熱熱阻以及裝置笨重復(fù)雜問題；

　　4.無熱管啟動與工作穩(wěn)定性方面的問題；

　　5.同等溫度下的單位面積取熱能力比熱管高出約100倍，且系統(tǒng)簡潔、輕巧和緊湊。

　　二、微槽群復(fù)合相變LED大功率光源冷卻器的特點：

　　1、超導(dǎo)熱能力：

　　微槽群復(fù)合相變冷卻技術(shù)具有超導(dǎo)熱能力，其導(dǎo)熱能力是鋁基板的10000倍，該技術(shù)能把LED芯片的熱量及時送到面積無限大鋁基板各個散熱面上。

　　導(dǎo)熱系數(shù)大于106 W/（m*℃）。銅是優(yōu)良導(dǎo)體，也是優(yōu)良導(dǎo)熱體，銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為400 W/（m*℃）；MGCP導(dǎo)熱能力與銅比，具有超導(dǎo)熱性質(zhì)。用一根長60cm、直徑1.3cm的實心銅棒在100℃工作溫度下輸送200W的熱能量，銅棒兩端溫度差高達70℃；用上述銅棒重量的一半做成MGCP取熱器，也在100℃工作溫度下輸送200W的熱能量，熱輸送距離也是60cm遠，其溫度只降了0.5℃，實驗表明MGCP技術(shù)具有超導(dǎo)熱能力。

　　2、冷卻能力超強：

　　取熱熱流密度已達400W/ ，其能力比水冷高1000倍，比熱管高約100倍。取熱能力比強制水冷高100倍，比強制風(fēng)冷高1000倍。

　　1個標準大氣壓下，水的沸點是100℃，1Kg水從99℃升溫到100℃，需要的熱能量為4200焦爾；1Kg的100℃水吸熱變100℃的蒸氣，溫度沒有變化，但是吸取的熱量為2260000焦爾。水冷為顯熱交換，換熱熱量低，MGCP技術(shù)是潛熱交換，換熱能力超強。1Kg水升溫1℃只需4200焦爾熱量，1Kg的100℃水吸熱變100℃的蒸氣，溫度沒有變化，但是吸取的熱量為2260000焦爾，兩者吸取的熱量相差500多倍，因此，兩者換熱能力有巨大差別。

　　3、無功耗冷卻：

　　被動式散熱，無需風(fēng)扇或水泵，無冷卻用能耗，無動力運行，節(jié)能。MGCP技術(shù)是巧妙利用大功率電力電子器件發(fā)熱的能量使取熱介質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生動能和勢能，蒸氣流動到冷凝器放熱冷凝成液體，借助取熱器微槽群的毛細力和液體重力回流到與大功率電力電子器件緊貼的取熱器，從而實現(xiàn)無外加動力的閉式散熱循環(huán)。

　　4、重量輕、體積小：

　　重量不到現(xiàn)有散熱器的25％，體積可小到20％以下。

　　5、可靠性高：

　　裝置簡潔緊湊，工作穩(wěn)定，無啟動問題，可靠性遠高于風(fēng)扇、水冷和熱管散熱器。

　　6、成本低、環(huán)保：

　　產(chǎn)品成本小于風(fēng)扇、水冷和熱管的散熱器；相變工質(zhì)環(huán)境友好，量少無消耗。

　　7、余熱利用：

　　大功率電力電子器件發(fā)的熱量（廢熱）能變?yōu)?0℃~60℃熱水供日常生活用，取代電熱水器，實現(xiàn)節(jié)能。

　　LED照明技術(shù)仍然在飛速的向前發(fā)展，隨著技術(shù)的進步，微槽群復(fù)合相變技術(shù)已經(jīng)成熟，在中國有很多LED照明企業(yè)都在陸續(xù)投入使用，相信在不久的將來，這項技術(shù)會走進更多再為散熱問題苦惱的大功率LED照明廠商，真正解決散熱問題。