大功率LED冷卻器
北京瑞德桑節(jié)能科技有限公司 謝金元
隨著能源價(jià)格的不斷上漲，世界能源日漸貧乏，在建設(shè)節(jié)能型社會的理念下，大功率LED燈得到大量應(yīng)用。LED燈節(jié)電效果顯著，但是在LED燈中，LED芯片是設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)是否穩(wěn)定直接影響整個(gè)LED燈的可靠性。LED燈中的LED芯片是熱流密度很大的電子元件，它們在運(yùn)行過程中，由于其靜態(tài)與動態(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)都會引起嚴(yán)重的散熱問題。所以對散熱的設(shè)計(jì)必須給以充分的重視。

一、為什么LED的散熱是LED燈具設(shè)計(jì)中最為重要的一個(gè)問題
LED的散熱現(xiàn)在越來越為人們所重視，這是因?yàn)長ED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān)，散熱不好結(jié)溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。從Cree公司發(fā)布的光衰和結(jié)溫的關(guān)系圖(圖1)中可以看出，結(jié)溫假如能夠控制在65℃，那么其光衰至70％的壽命可以高達(dá)10萬小時(shí)!
這是人們夢寐以求的壽命，可是真的可以實(shí)現(xiàn)嗎?是的，只要能夠認(rèn)真地處理它的散熱問題就有可能做到!遺憾的是，現(xiàn)在實(shí)際的LED燈的散熱和這個(gè)要求相去甚遠(yuǎn)!以致LED燈具的壽命變成了一個(gè)影響其性能的主要問題，所以必須要認(rèn)真對待!
而且，結(jié)溫不但影響長時(shí)間壽命，也還直接影響短時(shí)間的發(fā)光效率，例女llCree公司的XLamp7090XR—E的發(fā)光量和結(jié)溫的關(guān)系假如以結(jié)溫為25度時(shí)的發(fā)光為100％，那么結(jié)溫上升至60度時(shí)，其發(fā)光量就只有90％；結(jié)溫為100度時(shí)就下降到80％；140度就只有70％。可見改善散熱，控制結(jié)溫是十分重要的事。
除此以夕J'LED的發(fā)熱還會使得其光譜移動；色溫升高；正向電流增大(恒壓供電時(shí))；反向電流也增大；熱應(yīng)力增高；熒光粉環(huán)氧樹脂老化加速等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設(shè)計(jì)中最為重要的一個(gè)問題。
本公司與中國科學(xué)院工程熱物理研究合作開發(fā)利用具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能微槽群復(fù)合相變傳熱技術(shù)，研制集成式高效散熱器，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)(簡稱：MGCP)”。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，延長了LED燈的壽命提高了發(fā)光效率。

二、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，其冷卻能力比空冷提高1000倍，不用消耗寶貴電能，并且把大功率電子器件發(fā)的熱量(廢熱)重新利用，實(shí)現(xiàn)余熱利用，該熱量能變?yōu)?0℃～60℃熱水供日常生活用。

三、冷卻器系統(tǒng)組成及工作原理：
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6063鋁合金制作，板內(nèi)腔有許多微米數(shù)量級的槽道，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書℃)，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6063鋁合金制作，板內(nèi)腔有許多毫米數(shù)量級的槽道，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)。

四、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*oC)。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*oC)；MGCP導(dǎo)熱能力與銅比，具有超導(dǎo)熱性質(zhì)。用一根長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。C；用上述銅棒重量的一半做成MGCP取熱器，也在100。C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0．50C，實(shí)驗(yàn)表明MGCP技術(shù)具有超導(dǎo)熱能力。

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