LED最新散熱設(shè)計(jì)：最大化規(guī)避散熱系統(tǒng)能量損耗

　　LED燈中的LED芯片是熱流密度很大的電子元件，它們?cè)谶\(yùn)行過程中，由于其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的損耗，產(chǎn)生大量的多余熱量，通過散熱系統(tǒng)發(fā)散到外部，維持其工作溫度的穩(wěn)定。目前LED的發(fā)光效率還是比較低，從而引起結(jié)溫升高，壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。LED的散熱設(shè)計(jì)必須從芯片開始一直到整個(gè)散熱器，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要給于充分的注意。任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不當(dāng)都會(huì)引起嚴(yán)重的散熱問題。所以對(duì)散熱的設(shè)計(jì)必須給以充分的重視。

　　高性能微槽群復(fù)合相變傳熱技術(shù)，滿足大功率LED照明的散熱要求，該技術(shù)命名為“微槽群復(fù)合相變集成冷卻技術(shù)”。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用LED燈上，LED芯片的熱量能瞬間分布在整個(gè)散熱空間中，延長(zhǎng)了LED燈的壽命提高了發(fā)光效率。

　　一、微槽群復(fù)合相變集成冷卻技術(shù)：

　　LED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。普遍的散熱是：LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經(jīng)過焊料到鋁基板的PCB，再通過導(dǎo)熱膠才到鋁散熱器。LED燈具的散熱實(shí)際上包括導(dǎo)熱和散熱兩個(gè)部分。有一個(gè)概念先要搞清楚，就是導(dǎo)熱和散熱的區(qū)別。導(dǎo)熱就是要把熱量最快地從發(fā)熱源傳送到散熱器表面，而散熱則是要把熱量從散熱器表面散發(fā)到空氣中去。首先要把熱最快的導(dǎo)出來，然后要最有效地散到空氣里去。傳統(tǒng)的散熱器的熱沉是鋁翅片，我們的熱沉是：微槽群相變技術(shù)。

　　微槽群相變冷卻技術(shù)是依靠技術(shù)手段（如設(shè)備結(jié)構(gòu)：微槽等手段）把密閉循環(huán)的冷卻介質(zhì)（若介質(zhì)為水）變?yōu)榧{米數(shù)量級(jí)的水膜，水膜越薄，遇熱蒸發(fā)能力越強(qiáng)，潛熱交換能力越強(qiáng)，大功率電子器件的熱量被蒸氣帶走。

　　冷卻器系統(tǒng)組成及工作原理：

　　1、 冷卻器的組成：

　　系統(tǒng)主要由四部分組成，即取熱器、冷凝器、輸送管路、取熱介質(zhì)（如水、乙醇等）。

　　取熱器一般情況下用進(jìn)口鋁合金制作，板內(nèi)腔有許多微米數(shù)量級(jí)的槽道，其作用是把取熱介質(zhì)（如水）按設(shè)計(jì)要求變成所需的液膜，發(fā)熱功率器件與鋁合金表面緊密接觸，其熱能通過鋁熱傳導(dǎo)給液膜，液膜瞬間汽化，把熱能通過管路送到冷凝器冷卻。因取熱器的取熱能力很強(qiáng)，其導(dǎo)熱系數(shù)大于106 W/（m*℃），所以取熱器的體積可以做到很小。

　　冷凝器一般情況下用進(jìn)口鋁合金制作，板內(nèi)腔有許多毫米數(shù)量級(jí)的槽道，鋁合金板外有肋片，取熱介質(zhì)通過管路送來熱能由它負(fù)責(zé)與室外空氣進(jìn)行對(duì)流換熱和輻射換熱，取熱介質(zhì)的熱能通過冷凝器釋放，由汽態(tài)變液態(tài)，液態(tài)的取熱介質(zhì)通過自身的重力作用又回到了取熱器里，準(zhǔn)備下一次熱能交換循環(huán)。

　　2、工作原理：

　　在毛細(xì)微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鲀?nèi)表面加工許多微槽道，形成微槽群結(jié)構(gòu)，利用微細(xì)尺度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱機(jī)理，實(shí)現(xiàn)在狹小空間內(nèi)，對(duì)小體積的高熱流密度及大功率的器件的高效率地取熱。毛細(xì)微槽群復(fù)合相變?nèi)崞魅〕龅臒崃坑烧羝?jīng)蒸汽回路輸運(yùn)到遠(yuǎn)程的高效微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器中，在微結(jié)構(gòu)冷凝器內(nèi)微細(xì)尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行高強(qiáng)度微尺度蒸汽凝結(jié)放熱。冷凝器凝結(jié)所釋放的熱量可迅捷地?cái)U(kuò)散到微細(xì)尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面，并經(jīng)壁面向外傳導(dǎo)到微結(jié)構(gòu)冷凝器的外壁的肋表面上，通過與外界環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱將熱量釋放到環(huán)境中去。凝結(jié)液通過凝結(jié)液體回路，在壓力梯度作用流回到微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鳌亩鴮?shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身取熱與放熱的高效率、無功耗的封閉循環(huán)，達(dá)到器件冷卻的目的。微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鞯娜崦媾c電力電子器件緊密接觸，其內(nèi)表面刻有許多復(fù)合相變微槽道，集成為復(fù)合相變微槽群。微槽群復(fù)合相變?nèi)崞髦杏猩倭康木哂幸欢ㄆ瘽摕岬囊后w工質(zhì)。液體工質(zhì)在微槽群自身結(jié)構(gòu)所形成的毛細(xì)壓力梯度的作用下沿微槽流動(dòng)，同時(shí)在微槽中形成擴(kuò)展彎月面薄液膜蒸發(fā)和厚液膜核態(tài)沸騰的高強(qiáng)度微細(xì)尺度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱過程，使液體工質(zhì)變成蒸汽，利用汽化潛熱帶走電力電子器件工作時(shí)產(chǎn)生的巨大熱量，從而將器件的工作溫度降低并控制在理想的范圍內(nèi)。微槽群復(fù)合相變冷卻系統(tǒng)由小尺寸取熱元件（微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鳎?、熱量及流體輸運(yùn)管路、遠(yuǎn)程放熱元件（遠(yuǎn)程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器）部分構(gòu)成。其中，熱量及流體輸運(yùn)管路包括輸運(yùn)熱量的蒸汽回路和輸運(yùn)凝結(jié)液的凝結(jié)液回路兩部分，分別將微槽群復(fù)合相變?nèi)崞骱瓦h(yuǎn)程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器連接起來，形成一個(gè)對(duì)外封閉的微負(fù)壓循環(huán)系統(tǒng)。微槽群復(fù)合相變?nèi)崞魅〕龅木薮鬅崃坑烧羝谙到y(tǒng)的蒸發(fā)與凝結(jié)壓差作用下經(jīng)蒸汽回路輸運(yùn)到遠(yuǎn)程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器中，在微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器內(nèi)腔中的微細(xì)尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行高強(qiáng)度微尺度蒸汽凝結(jié)放熱。蒸汽凝結(jié)所釋放的熱量由微細(xì)尺度凝結(jié)槽群結(jié)構(gòu)表面經(jīng)壁面向外傳導(dǎo)到微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器外壁的肋表面上或外壁上的冷卻水通道群中（注：微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器壁面將外界環(huán)境和冷卻水與微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器內(nèi)部隔開，外界環(huán)境和冷卻水與微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器中的凝結(jié)液不接觸），通過與外界環(huán)境進(jìn)行的空氣（自然或強(qiáng)制）對(duì)流換熱或與冷卻水通道群中的冷卻水進(jìn)行單相強(qiáng)制對(duì)流換熱，最終散失到外界環(huán)境中。而凝結(jié)液則通過凝結(jié)液回路，借助于重力和系統(tǒng)微細(xì)尺度槽群結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力梯度作用，流回到微槽群復(fù)合相變?nèi)崞髦小亩麄€(gè)系統(tǒng)按照由微槽群復(fù)合相變?nèi)崞?、蒸汽回路、遠(yuǎn)程微結(jié)構(gòu)凝結(jié)器、凝結(jié)液回路再回到微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鞯捻樞蛐纬梢粋€(gè)具有工質(zhì)單向性流動(dòng)的、液－汽－液相變?nèi)岷头艧崮Ｊ降臒o功耗循環(huán)（被動(dòng)式循環(huán)），達(dá)到使發(fā)熱的大功率電力電子器件冷卻的目的。圖1 為冷卻系統(tǒng)示意圖。

　　圖1 微槽群復(fù)合相變冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

　　3、 與熱管的區(qū)別

　　形式上與熱管相似，但在換熱機(jī)理、結(jié)構(gòu)和性能等方面有本質(zhì)不同：

　　1.采用強(qiáng)大的微細(xì)尺度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱機(jī)理；熱管僅為普通的液膜蒸發(fā)；

　　2.無熱管固有的沸騰、挾帶、毛細(xì)管力等諸多傳熱極限；

　　3.無熱管大功率散熱時(shí)的高接觸熱阻與導(dǎo)熱熱阻以及裝置笨重復(fù)雜問題；

　　4.無熱管啟動(dòng)與工作穩(wěn)定性方面的問題；

　　5.同等溫度下的單位面積取熱能力比熱管高出約100倍，且系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、輕巧和緊湊。

　　二、微槽群復(fù)合相變LED大功率光源冷卻器的特點(diǎn)：

　　1、超導(dǎo)熱能力：

　　微槽群復(fù)合相變冷卻技術(shù)具有超導(dǎo)熱能力，其導(dǎo)熱能力是鋁基板的10000倍，該技術(shù)能把LED芯片的熱量及時(shí)送到面積無限大鋁基板各個(gè)散熱面上。

　　導(dǎo)熱系數(shù)大于106 W/（m*℃）。銅是優(yōu)良導(dǎo)體，也是優(yōu)良導(dǎo)熱體，銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為400 W/（m*℃）；MGCP導(dǎo)熱能力與銅比，具有超導(dǎo)熱性質(zhì)。用一根長(zhǎng)60cm、直徑1.3cm的實(shí)心銅棒在100℃工作溫度下輸送200W的熱能量，銅棒兩端溫度差高達(dá)70℃；用上述銅棒重量的一半做成MGCP取熱器，也在100℃工作溫度下輸送200W的熱能量，熱輸送距離也是60cm遠(yuǎn)，其溫度只降了0.5℃，實(shí)驗(yàn)表明MGCP技術(shù)具有超導(dǎo)熱能力。

　　2、冷卻能力超強(qiáng)：

　　取熱熱流密度已達(dá)400W/ ，其能力比水冷高1000倍，比熱管高約100倍。取熱能力比強(qiáng)制水冷高100倍，比強(qiáng)制風(fēng)冷高1000倍。

　　1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)是100℃，1Kg水從99℃升溫到100℃，需要的熱能量為4200焦?fàn)枺?Kg的100℃水吸熱變100℃的蒸氣，溫度沒有變化，但是吸取的熱量為2260000焦?fàn)?。水冷為顯熱交換，換熱熱量低，MGCP技術(shù)是潛熱交換，換熱能力超強(qiáng)。1Kg水升溫1℃只需4200焦?fàn)枱崃浚?Kg的100℃水吸熱變100℃的蒸氣，溫度沒有變化，但是吸取的熱量為2260000焦?fàn)?，兩者吸取的熱量相?00多倍，因此，兩者換熱能力有巨大差別。

　　3、無功耗冷卻：

　　被動(dòng)式散熱，無需風(fēng)扇或水泵，無冷卻用能耗，無動(dòng)力運(yùn)行，節(jié)能。MGCP技術(shù)是巧妙利用大功率電力電子器件發(fā)熱的能量使取熱介質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生動(dòng)能和勢(shì)能，蒸氣流動(dòng)到冷凝器放熱冷凝成液體，借助取熱器微槽群的毛細(xì)力和液體重力回流到與大功率電力電子器件緊貼的取熱器，從而實(shí)現(xiàn)無外加動(dòng)力的閉式散熱循環(huán)。

　　4、重量輕、體積小：

　　重量不到現(xiàn)有散熱器的25％，體積可小到20％以下。

　　5、可靠性高：

　　裝置簡(jiǎn)潔緊湊，工作穩(wěn)定，無啟動(dòng)問題，可靠性遠(yuǎn)高于風(fēng)扇、水冷和熱管散熱器。

　　6、成本低、環(huán)保：

　　產(chǎn)品成本小于風(fēng)扇、水冷和熱管的散熱器；相變工質(zhì)環(huán)境友好，量少無消耗。

　　7、余熱利用：

　　大功率電力電子器件發(fā)的熱量（廢熱）能變?yōu)?0℃~60℃熱水供日常生活用，取代電熱水器，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　LED照明技術(shù)仍然在飛速的向前發(fā)展，隨著技術(shù)的進(jìn)步，微槽群復(fù)合相變技術(shù)已經(jīng)成熟，在中國(guó)有很多LED照明企業(yè)都在陸續(xù)投入使用，相信在不久的將來，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)走進(jìn)更多再為散熱問題苦惱的大功率LED照明廠商，真正解決散熱問題。