大功率集成LED翅片式重力熱管散熱器的傳熱特性研究.pdf

1、大功率白光LED(Light Emitting Diode)由于其比傳統(tǒng)光源更高的發(fā)光效率以及更長(zhǎng)久的壽命，使得LED在燈飾照明市場(chǎng)的應(yīng)用前景日趨廣闊。然而隨著集成度和功率密度的增加，散熱問題成為影響LED性能的關(guān)鍵因素之一，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。面對(duì)大功率集成LED高熱流密度的散熱問題，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)已難滿足其散熱要求。因此，本文提出一種新型的散熱器結(jié)構(gòu)，將重力式熱管與特別布置方式的圓形翅片相結(jié)合，通過自然對(duì)流換熱方式進(jìn)行散熱。此外，該

2、散熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無毛細(xì)芯、易于加工，同時(shí)，豎直布置的翅片結(jié)構(gòu)不僅利于自然對(duì)流換熱，還能顯著改善翅片結(jié)垢問題，其性能可滿足大功率集成LED系統(tǒng)的散熱要求。本文針對(duì)所提出的散熱器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加工了實(shí)驗(yàn)樣件，對(duì)其換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，討論了不同工質(zhì)、加熱功率和充液量對(duì)散熱器換熱特性的影響。所取得的研究成果如下：
　　 ①所設(shè)計(jì)的翅片式重力熱管散熱器在加熱功率為150W，散熱熱流密度為37.5W/cm2時(shí)，翅片式重力熱管散熱器的系統(tǒng)熱阻

3、在0.14K/W-0.25K/W之間，此時(shí)蒸發(fā)段受熱表面溫度低于65℃，冷凝段管壁溫度相差不超過3℃。該散熱器不僅具有良好的均溫性，而且在工況變化時(shí)，能在很短的時(shí)間內(nèi)(3分鐘)重新達(dá)到穩(wěn)定。
　　 ②以水作為熱管工質(zhì)時(shí)，熱管散熱器的啟動(dòng)性能良好，啟動(dòng)時(shí)間隨著加熱功率的增大而減小，隨著充液量的加大而增加。散熱器的熱阻也隨著加熱功率的增大而減小，隨充液量的增加而增大。由于蒸發(fā)段出口的T型結(jié)構(gòu)，散熱器在工作時(shí)有一定的溫度波動(dòng)，但溫度波

4、動(dòng)幅度在5℃以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)工況內(nèi)，散熱器的系統(tǒng)熱阻為0.08K/W～0.33K/W，綜合換熱系數(shù)為3200W/(m2·K)～5700W/(m2·K)。
　　 ③乙醇作為熱管工質(zhì)時(shí)，當(dāng)充液量為30％時(shí)，實(shí)驗(yàn)工況內(nèi)的啟動(dòng)性能良好。但在20％充液量下，加熱功率為200W時(shí)散熱器蒸發(fā)段底部壁面溫度升至100.5℃，散熱器性能惡化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用乙醇作為熱管工質(zhì)時(shí)，散熱器蒸汽對(duì)冷凝液的剪切、攜帶現(xiàn)象不能忽視，冷凝液受到蒸汽的剪切力停留在絕熱段，

5、阻塞了蒸汽的流動(dòng)通道，導(dǎo)致蒸發(fā)腔壓力升高。因此，蒸發(fā)器壁面溫度的迅速升高，影響其對(duì)熱源的冷卻能力。實(shí)驗(yàn)工況內(nèi)，散熱器的系統(tǒng)熱阻為0.07K/W～0.34K/W，綜合換熱系數(shù)為3500W/(m2·K)～6000W/(m2·K)。
　　 ④在以丙酮作為熱管工質(zhì)時(shí)，散熱器啟動(dòng)時(shí)間迅速，對(duì)功率變化響應(yīng)快。在30％充液量下，加熱功率為200W時(shí)散熱器蒸發(fā)段底部壁面溫度會(huì)在升至95℃以后，突然回落到78℃并保持穩(wěn)定。散熱器的系統(tǒng)熱阻隨著功率

6、的增加而減小，兩種充液量的散熱器系統(tǒng)熱阻由于絕熱段液塞的影響呈現(xiàn)相互交錯(cuò)。在實(shí)驗(yàn)工況內(nèi)，熱阻為0.07K/W～0.37K/W，綜合換熱系數(shù)為3000W/(m2·K)～5700W/(m·K)。
　　 ⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工質(zhì)為水，乙醇和丙酮的最佳充液量都在30％左右。由于實(shí)驗(yàn)樣件的T型結(jié)構(gòu)，造成水為工質(zhì)的散熱器系統(tǒng)溫度具有一定的波動(dòng)，乙醇和丙酮由于蒸汽對(duì)冷凝回流液的剪切、攜帶作用，會(huì)使系統(tǒng)的溫度有一次大幅度的振蕩，這種振蕩帶來散熱器蒸