詳解微熱管技術(shù)在LED散熱問(wèn)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(wèn)題。但由此會(huì)產(chǎn)生LED的重量、配光、造型等各方面的實(shí)際問(wèn)題，因此，對(duì)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(wèn)題。

　　當(dāng)不考慮LED內(nèi)部熱阻時(shí)，一個(gè)有效的LED外部散熱器(或稱(chēng)散熱模組)需要解決三個(gè)層次的傳熱問(wèn)題：一是要將大功率集中發(fā)熱體(高熱流密度)的熱量通過(guò)基座低熱阻有效吸收與擴(kuò)散形成相對(duì)低熱流密度的熱量;二是將相對(duì)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(duì)流散熱要優(yōu)化。

　　針對(duì)第一個(gè)傳熱問(wèn)題，傳統(tǒng)上低熱阻有效吸收與擴(kuò)散高熱流密度發(fā)熱體熱量的最簡(jiǎn)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(dāng)熱流密度較高時(shí)，發(fā)熱體中心熱量還是很難有效擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，造成中心部溫度過(guò)高。對(duì)于超大功率的集成LED光源，傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱無(wú)法解決其中心溫度過(guò)高的難題。針對(duì)第二個(gè)傳熱問(wèn)題，目前最通常的辦法是采用鋁翅片來(lái)實(shí)現(xiàn)模組本體內(nèi)部的導(dǎo)熱。很顯然，為了達(dá)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(guò)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(wú)法解決集成光源中心部位溫度過(guò)高的難題。因此，近年來(lái)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(lái)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(duì)第三個(gè)問(wèn)題，目前對(duì)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(wèn)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(méi)有或者很難實(shí)現(xiàn)理想的空氣對(duì)流模式。　　微熱管可實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化

　　微細(xì)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(shí)現(xiàn)傳熱的強(qiáng)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(lái)，微型熱管的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了重力型、具有毛細(xì)芯的單根熱管，到具有一簇平行獨(dú)立微槽道的平板熱管，進(jìn)而發(fā)展到內(nèi)部槽道簇之間通過(guò)蒸汽空間相互連通的形式。近十幾年來(lái)，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(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者進(jìn)行了研究。但至今沒(méi)有成熟的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。

　　從傳熱觀點(diǎn)看，微細(xì)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(shí)現(xiàn)傳熱的強(qiáng)化。平板微熱管陣列(micro-heatpipearray)，即將多個(gè)同時(shí)形成的、彼此完全獨(dú)立的微細(xì)熱管組合在一起(而不僅僅是微通道陣列熱管)，各個(gè)微細(xì)熱管間不連通，且每個(gè)微熱管內(nèi)表面可帶有微槽群等強(qiáng)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(diǎn)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(yùn)能力小的問(wèn)題;第二，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使得相變換熱面積大大增加。因?yàn)槲峁苤g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(duì)的微槽面上，在整個(gè)微熱管的周面都有相變發(fā)生。無(wú)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(qiáng)化。第三，微細(xì)熱管之間的間壁在結(jié)構(gòu)上起到了“加強(qiáng)筋”的作用，大大增強(qiáng)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(diǎn)，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(zhǎng)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(dú)立的微細(xì)熱管，每個(gè)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(gè)微熱管損壞的情況，其他獨(dú)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dú)立運(yùn)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(qiáng)、能夠與換熱表面很好貼合、熱輸運(yùn)能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)。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(wèn)題。

　　微熱管陣列具有高效吸熱性

　　微熱管陣列因?yàn)橥瑫r(shí)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(píng)價(jià)方法主要是測(cè)量熱管沿軸向的溫度均勻性。熱管的響應(yīng)時(shí)間則取決于其材料(包括金屬材料及工質(zhì))的熱容。為了評(píng)價(jià)制作的平板微熱管陣列，用50cm長(zhǎng)的熱管進(jìn)行了均溫性及熱響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間在80s以內(nèi)。

　　通過(guò)對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)測(cè)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(yùn)輸長(zhǎng)度、接觸熱阻對(duì)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(duì)裝置的傳熱影響、接觸熱阻對(duì)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(wú)明顯變化。U形微熱管陣列是一種由實(shí)驗(yàn)證明傳熱性能良好的微熱管陣列的彎折形式。