詳解微熱管技術(shù)在LED散熱問題中的應(yīng)用

　　從理論上講，如果使用每顆功率較低的分散LED且每顆LED熱沉的散熱面積足夠大，則LED照明系統(tǒng)的散熱就不成為技術(shù)問題。但由此會產(chǎn)生LED的重量、配光、造型等各方面的實際問題，因此，對于超大功率LED(尤其是聚光燈、工礦燈及大功率路燈)，散熱就成為了LED照明系統(tǒng)的主要技術(shù)問題。

　　當不考慮LED內(nèi)部熱阻時，一個有效的LED外部散熱器(或稱散熱模組)需要解決三個層次的傳熱問題：一是要將大功率集中發(fā)熱體(高熱流密度)的熱量通過基座低熱阻有效吸收與擴散形成相對低熱流密度的熱量;二是將相對低熱流密度的熱量能盡可能有效地傳輸?shù)缴崮＝M的本體，使得本體表面溫度盡可能均勻一致(使得翅片效率接近于1);三是散熱模組的自然空氣對流散熱要優(yōu)化。

　　針對第一個傳熱問題，傳統(tǒng)上低熱阻有效吸收與擴散高熱流密度發(fā)熱體熱量的最簡單方法就是利用高導(dǎo)熱材料如銅、鋁材料做基材(支架或熱沉基座)，但當熱流密度較高時，發(fā)熱體中心熱量還是很難有效擴散開來，造成中心部溫度過高。對于超大功率的集成LED光源，傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱無法解決其中心溫度過高的難題。針對第二個傳熱問題，目前最通常的辦法是采用鋁翅片來實現(xiàn)模組本體內(nèi)部的導(dǎo)熱。很顯然，為了達到翅片有效導(dǎo)熱(高翅片效率)，鋁翅片的厚度要求厚，使得高度受到很大的限制(過高翅片效率降低)，造成散熱模組的重量大，單位重量的散熱量小，最關(guān)鍵的是無法解決集成光源中心部位溫度過高的難題。因此，近年來發(fā)展出了VC(蒸汽腔，又名均溫板，最初主要用于CPU的散熱)、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等來替代支架、熱沉本體導(dǎo)熱的相變技術(shù)及其功能性傳熱器件。針對第三個問題，目前對于全翅片式散熱器(主要用于分散光源)，可采用小模塊組合式解決整體式模組中心部位散熱不利的問題。而用于超大功率或者集中光源的散熱模組，目前采用VC、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等散熱模組都沒有或者很難實現(xiàn)理想的空氣對流模式。　　微熱管可實現(xiàn)傳熱強化

　　微細熱管與常規(guī)熱管最大區(qū)別在于微熱管內(nèi)單位蒸汽流量的壁面比表面積提高，因而可實現(xiàn)傳熱的強化。

　　出于為電子器件冷卻的目的，Cotter在1984年提出“微型熱管”的概念以來，微型熱管的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了重力型、具有毛細芯的單根熱管，到具有一簇平行獨立微槽道的平板熱管，進而發(fā)展到內(nèi)部槽道簇之間通過蒸汽空間相互連通的形式。近十幾年來，用于冷卻電子元器件的微熱管技術(shù)得到了很大的發(fā)展，國內(nèi)外有許多學(xué)者進行了研究。但至今沒有成熟的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。

　　從傳熱觀點看，微細熱管與常規(guī)熱管最大的區(qū)別在于微熱管內(nèi)單位蒸汽流量的壁面比表面積大大提高，因而可以實現(xiàn)傳熱的強化。平板微熱管陣列(micro-heatpipearray)，即將多個同時形成的、彼此完全獨立的微細熱管組合在一起(而不僅僅是微通道陣列熱管)，各個微細熱管間不連通，且每個微熱管內(nèi)表面可帶有微槽群等強化換熱的微結(jié)構(gòu)。這樣的平板微熱管陣列與現(xiàn)有的平板熱管和單根微熱管相比，特點在于：第一，多根微熱管并聯(lián)解決了微熱管由于微尺度造成的熱輸運能力小的問題;第二，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使得相變換熱面積大大增加。因為微熱管之間的鋁質(zhì)壁面具有很好的導(dǎo)熱性能，能夠?qū)⒓訜崦娴牟糠譄崃總鲗?dǎo)到與其相對的微槽面上，在整個微熱管的周面都有相變發(fā)生。無論蒸發(fā)段還是冷凝段，單位蒸汽流通量的散熱能力得到極大強化。第三，微細熱管之間的間壁在結(jié)構(gòu)上起到了“加強筋”的作用，大大增強了平板微熱管陣列的承壓能力。第四，平板微熱管陣列的外形扁平，能夠方便地與換熱面貼合，克服了常規(guī)圓形截面的重力熱管需要增加特殊結(jié)構(gòu)才能與換熱面緊密貼合的缺點，減小了界面接觸熱阻。

　　平板微熱管陣列材料為鋁合金，寬度、長度、厚度可任意調(diào)整，內(nèi)部有一定數(shù)量和尺寸相同的、并排排列彼此獨立的微細熱管，每個微熱管內(nèi)有微槽群結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得平板微熱管陣列具有很高的可靠性，即使出現(xiàn)其中某個微熱管損壞的情況，其他獨立的微熱管仍然可以正常工作，因此平板微熱管陣列的可靠性遠遠高于連通結(jié)構(gòu)熱管的可靠性。

　　平板微熱管陣列是種具有超導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱元件，其表觀熱傳導(dǎo)率是同樣金屬材質(zhì)熱傳導(dǎo)率的5000倍以上，是具有同樣斷面積的傳統(tǒng)圓形熱管的換熱能力的10倍。利用平板微熱管陣列技術(shù)，每平米為200～400根，獨立運行的微熱管是高傳熱性、高可靠性;微熱管陣列應(yīng)具有承壓能力強、能夠與換熱表面很好貼合、熱輸運能力強、性價比高等特點。能夠解決目前電子芯片散熱、LED燈散熱等領(lǐng)域內(nèi)高熱流密度的散熱問題。

　　微熱管陣列具有高效吸熱性

　　微熱管陣列因為同時具有高效吸熱、傳輸及高效放熱特性，因此可以基本解決各種LED的散熱難題。

　　熱管的性能表觀評價方法主要是測量熱管沿軸向的溫度均勻性。熱管的響應(yīng)時間則取決于其材料(包括金屬材料及工質(zhì))的熱容。為了評價制作的平板微熱管陣列，用50cm長的熱管進行了均溫性及熱響應(yīng)時間的測試。實驗時在熱管垂直方向布置4根T型熱電偶，分別位于熱管的蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。

　　實驗數(shù)據(jù)表明，平板微熱管陣列具有很好的均溫性。從蒸發(fā)段到冷凝段的溫度差在1℃以內(nèi)，熱響應(yīng)時間在80s以內(nèi)。

　　通過對基于平板微熱管陣列的功率型LED照明裝置的幾種不同組合形式進行試驗測試，分析了平板微熱管陣列與散熱器的接觸面積、微熱管陣列熱運輸長度、接觸熱阻對基于平板微熱管陣列的功率型LED照明散熱裝置的影響，包括管板接觸面積對裝置的傳熱影響、接觸熱阻對平板微熱管陣列LED傳熱裝置的傳熱影響和U形平板微熱管陣列的LED照明散熱裝置的性能。

　　微熱管可以隨意組合成一定寬度的平板微熱管陣列，且微熱管可以任意彎折，且傳熱效果在較低的熱流密度下無明顯變化。U形微熱管陣列是一種由實驗證明傳熱性能良好的微熱管陣列的彎折形式。