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大功率集成LED翅片式重力热管散热器的传热特性研究

王强  
【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/(m~2·K)~5700W/(m~2·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/(m~2·K)~6000W/(m~2·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/(m~2·K)~5700W/(m~2·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。


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