大功率集成LED翅片式重力热管散热器的传热特性研究

摘要

大功率白光LED(Light Emitting Diode)由于其比传统光源更高的发光效率以及更长久的寿命，使得LED在灯饰照明市场的应用前景日趋广阔。然而随着集成度和功率密度的增加，散热问题成为影响LED性能的关键因素之一，限制了其进一步发展。面对大功率集成LED高热流密度的散热问题，传统的冷却技术已难满足其散热要求。因此，本文提出一种新型的散热器结构，将重力式热管与特别布置方式的圆形翅片相结合，通过自然对流换热方式进行散热。此外，该散热器结构简单、无毛细芯、易于加工，同时，竖直布置的翅片结构不仅利于自然对流换热，还能显著改善翅片结垢问题，其性能可满足大功率集成LED系统的散热要求。本文针对所提出的散热器结构，设计加工了实验样件，对其换热性能进行了实验研究，讨论了不同工质、加热功率和充液量对散热器换热特性的影响。所取得的研究成果如下：
　　 ①所设计的翅片式重力热管散热器在加热功率为150W，散热热流密度为37.5W/cm2时，翅片式重力热管散热器的系统热阻在0.14K/W-0.25K/W之间，此时蒸发段受热表面温度低于65℃，冷凝段管壁温度相差不超过3℃。该散热器不仅具有良好的均温性，而且在工况变化时，能在很短的时间内(3分钟)重新达到稳定。
　　 ②以水作为热管工质时，热管散热器的启动性能良好，启动时间随着加热功率的增大而减小，随着充液量的加大而增加。散热器的热阻也随着加热功率的增大而减小，随充液量的增加而增大。由于蒸发段出口的T型结构，散热器在工作时有一定的温度波动，但温度波动幅度在5℃以内。实验工况内，散热器的系统热阻为0.08K/W～0.33K/W，综合换热系数为3200W/(m2·K)～5700W/(m2·K)。
　　 ③乙醇作为热管工质时，当充液量为30％时，实验工况内的启动性能良好。但在20％充液量下，加热功率为200W时散热器蒸发段底部壁面温度升至100.5℃，散热器性能恶化。实验发现，用乙醇作为热管工质时，散热器蒸汽对冷凝液的剪切、携带现象不能忽视，冷凝液受到蒸汽的剪切力停留在绝热段，阻塞了蒸汽的流动通道，导致蒸发腔压力升高。因此，蒸发器壁面温度的迅速升高，影响其对热源的冷却能力。实验工况内，散热器的系统热阻为0.07K/W～0.34K/W，综合换热系数为3500W/(m2·K)～6000W/(m2·K)。
　　 ④在以丙酮作为热管工质时，散热器启动时间迅速，对功率变化响应快。在30％充液量下，加热功率为200W时散热器蒸发段底部壁面温度会在升至95℃以后，突然回落到78℃并保持稳定。散热器的系统热阻随着功率的增加而减小，两种充液量的散热器系统热阻由于绝热段液塞的影响呈现相互交错。在实验工况内，热阻为0.07K/W～0.37K/W，综合换热系数为3000W/(m2·K)～5700W/(m·K)。
　　 ⑤实验结果表明，工质为水，乙醇和丙酮的最佳充液量都在30％左右。由于实验样件的T型结构，造成水为工质的散热器系统温度具有一定的波动，乙醇和丙酮由于蒸汽对冷凝回流液的剪切、携带作用，会使系统的温度有一次大幅度的振荡，这种振荡带来散热器蒸发段壁面温度飞升，超过了LED的要求温度。