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热管换热器应用于大功率LED路灯冷却系统的实验研究点击：2065 日期：[ 2014-04-26 22:51:19 ] |
| 热管换热器应用于大功率LED路灯冷却系统的实验研究 勾昱君1，2刘中良1 (1.北京工业大学环境与能源工程学院教育部传热强化与过程节能重点实验室，北京100022;2.唐山学院，河北唐山063009) 摘要:研发了一系列将大功率发光二极管(LED)散热和热管传热相结合的用于大功率LED路灯冷却的热管散热器，并对设计出的热管散热器的传热性能进行了实验研究。实验结果表明，该系列热管散热器具有良好的散热能力，能控制节点温度在70℃以下，满足了LED路灯对结点温度的控制要求;同时实验结果表明，改变翅片结构，换热器散热能力明显不同，所研发的具有菱形、开孔形及外翻形翅片的热管换热器散热能力比普通矩形翅片热管换热器的散热能力明显提高，其中以外翻形翅片的热管换热器散热能力最好;另外研究了改变环境温度、热管排布数量、翅片材质及结构对换热器散热性能、换热装置体积、成本及质量的影响，找到更具应用价值的热管换热器形式;最后研究了热管换热器工作倾角对LED路灯散热能力的影响，倾角越小，散热能力越好，垂直使用时散热能力最差，最后从理论上加以分析。 关键词:热管;大功率LED;工作倾角;传热系数 1·引言 大功率LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，是基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源。与采用高压钠灯的传统路灯相比，具有光效高、光电转化效率高、光衰小、光显色性好及对环境污染性小等优点，因此LED路灯替代传统的高压钠灯，是今后发展的一个主要趋势。但随着LED路灯功率的增大，散热能力差是限制其发展的一个主要技术瓶颈。众所周知，LED作为光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的结点温度升高，其生命周期、亮度、产品稳定性等都会随之发生衰竭，大功率LED路灯也因此发生损坏。因此在大功率LED路灯设计中，最主要的设计工作就是散热环节。同时LED路灯亮度要求高，使用环境比较苛刻，如果散热解决不好，会迅速导致LED老化，稳定性降低。 目前LED路灯的散热方式主要有:自然对流散热、加装风扇强制散热、均温板散热、热管及回路热管散热等。自然对流的散热方式效果差，不能及时把产生的热量释放出去，加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性降低，考虑大功率LED路灯的实际应用情况，其冷却部分的尺寸不允许过大，要能够满足容纳于灯罩中的尺寸要求，还要兼顾美观，近几年很多学者研发了新型的散热方式来取代传统的直接固体外部热沉的方法实现对LED的散热。如罗小兵、刘胜等人开展了采用微喷射流［1］，［2］的方法来冷却LED芯片系统的研究，该系统依靠一个微型泵来提供循环的动力，虽然取得了良好的散热效果，但是微泵工作的可靠性和稳定性制约了这种系统实际应用于LED器件散热的可能性。 热管技术近年来成为大功率LED路灯散热的另一项热门技术［3～4］。如莫冬传［5］等人开展了环路热管对于LED启动特性的研究，鲁祥友［6］等人进行了回路热管热阻和蒸发部分表面温度的测定，以及不同功率下热管散热性能的研究。这些实验结果表明把热管技术应用于LED器件散热是可行的。因为热管是一种传热效率极高的换热元件，冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的，它的当量热导率可达金属的103～104倍。但就目前来说，热管应用于LED路灯散热方面的研究还处于刚刚起步的阶段，技术并不成熟。 本文作者在研究热管换热机理及LED路灯热源发热特点的基础上研发了一组新型热管换热器，把该系列热管换热装置应用于LED路灯模拟实验台上取得了良好的换热效果，而且实验结果表明热管换热器翅片结构的不同会极大影响其散热性能，所研发的外布开孔形翅片和外翻形翅片结构的热管换热器散热能力比普通外布矩形翅片结构的热管换热器散热能力有明显提高。同时工作角度的改变也会影响热管换热器的换热性能，本文通过实验测定了热管换热器应用的最为理想的工作条件，并从理论上加以分析。 2·实验系统与装置 实验系统由LED路灯模拟热源、均热铜板和热管换热器三部分构成。均热铜板置于热源和热管换热器中间，厚度为4mm。其中热管换热器又分为蒸发段、传热段和冷凝段三部分，材质均为紫铜，其中蒸发段热管内嵌于均热板当中，强化蒸发换热，热管采用烧结芯，冷凝段热管外加特殊结构的翅片，破坏传热的层流边界层，也起到强化换热的作用。LED模拟热源由一根下部为圆柱形上部切削为矩形的铜柱体构成，下部内嵌4根电阻加热棒，总功率可达300W，上部切成的矩形铜柱体端面面积为26mm×14mm，在柱体顶端构建6个小圆柱端面，每个直径为5mm，模拟LED的发热源。在上部矩形铜柱的四个侧面各设置4排测温孔，孔深5mm，孔径1mm，孔间距为15mm，采用T型热电偶测温，以获取不同实验条件下的热流密度。T型热电偶连接于数据采集系统，并通过计算机输出温度数值。置于热源和换热器之间的均热板的四个侧面各设置四个测温孔，孔深为5mm，孔径为1mm，测定不同实验条件下热管换热器的冷却效果。整个实验过程设计在自然对流条件下进行。实验系统如图1所示。 3·实验结果及分析 3.1均热板、普通热管换热器及新研制热管换热器散热能力的比较 传统的LED路灯散热技术中使用的均热板一般为一片5mm厚的铜板，实际上算是均温板，把热源产生的热量传递到铜板上再均匀散掉，实验过程中我们也使用了这样一块铜板，用于比较其与热管换热器的散热能力的不同。传统的热管换热器中翅片的形状为矩形，有些情况为了增强换热的效果也有采用铜翅片的结构，这样就增加了散热的成本，且使得质量增加，不利于实际的使用，在我们研发的新型热管换热器中，采用铝质翅片，但翅片形状和结构与以往不同，以更小的菱形翅片取代原来的矩形翅片，研发的过程中反复调整翅片的间距，达到最好的换热效果，这样的设计使得散热装置的成本降低、质量减轻，同时换热效果也有一定改善。实验过程中，控制环境的平均温度均保持在25～26℃之间，环境的湿度在45～50%，保证各个实验条件相似。实验均在自然对流条件下进行，实验结果如图2所示，热源上部的温度随着实验的进行在开始阶段都会迅速增加，经过一段时间之后，趋于稳定，但三次实验结束时热源表面的温度相差非常大。从图中可以明显看出，只设均热板的情况，如黑线所示，实验经过6小时后，均热板表面的温度已达到了143.6℃，远远超过了LED灯正常使用的结点温度110℃。设置传统的热管换热器，热源表面温度在6小时后为80.1℃，而改用我们研制的热管换热器，6小时后热源表面的温度可控制在71.2℃，比以往的热管换热器降低热源表面温度近10℃左右，实验结果说明我们所研发的热管换热器具有良好的散热性能，且能够稳定工作。 3.2热管换热器不同翅片结构对散热性能影响的实验 热管换热器翅片形状及结构的不同会影响其换热的性能。通过改变翅片结构，我们研发了三种不同的热管换热器A、B、C，翅片形状分别为菱形、开孔形和切割外翻形，对所研发的三种新型翅片形状的热管换热器的散热性能进行了实验测定，结果表明，具有外翻形翅片的换热器C散热性能最好，具有开孔形翅片的换热器B的散热能力优于在实验一中采用的菱形翅片的换热器A。 实验结果如图3所示，三个实验的环境温度分别为18.1℃、18.4℃和18.5℃，环境温度近似，可以忽略环境温度对不同热管换热器散热性能的影响。实验过程进行5个小时，测定热源表面最终的温度，在安装换热器A和B时，终温分别为58.3℃和55.7℃，而设置换热器C时，热源表面的温度可以控制在52.3℃，比换热器A降低板表面的温度接近6℃，比散热器B降低近3.5℃，散热能力最好。分析其原因，可能与换热器C的翅片结构能够明显破坏换热层流边界层，提高了翅片与外部空间的换热能力有关。 3.3不同热管根数及翅片材质和形状对换热性能的综合影响 为了研究热管根数和翅片材质对热管换热器的影响，我们设计了具有不同翅片材质和内嵌不同根热管的热管换热器E、F和G，其中热管换热器E内嵌三根热管，采用铜质翅片，而F热管换热器采用四根热管，铝质翅片结构，两种热管换热器的成本相近，外观尺寸相同(为了使F的尺寸和E相同，我们减小了热管的尺寸，采用5的烧结芯热管取代E中使用的6热管来制作换热器F)，从图4中可以明显看到换热器F的散热性能明显优于换热器E，实验测定最终热源表面的温度，在使用换热器E时最终温度达到70℃，而使用换热器F时的温度只有56.4℃，两者相差近14℃，说明热管换热器中起到转移热量的关键部件是热管，虽然翅片的材质也会影响热管换热器的散热性能，但与热管对散热能力的影响相比，铜质翅片和铝质翅片对散热的影响差别并不大。 图4中，热管换热器G采用的是两根热管，铝质翅片的结构，散热能力最差，热源表面的最终温度达到了73.6℃。但是换热器G的成本要比E和F的成本降低50%左右，而且尺寸减小，质量只是换热器E的1/3，换热器F的1/2左右，具体比较数据见表1，结合2.3的实验结果我们对G的翅片结构进行优化，采用散热效果最好的切割外翻形翅片，其散热性能与普通的带有矩形铜质翅片结构的换热器E的散热性能比较如图5所示，环境温度分别为26.5℃和17.6℃，从图中可以明显看出，工作的环境温度更高的情况下优化后的散热器G的散热能力与普通矩形翅片结构换热器E的散热能力相近，而新型热管换热器G的尺寸减小了近1/3，质量减少了1/3以上，这样的尺寸和质量更适用于大功率LED散热装置的实际应用。 3.4不同环境温度对热管换热器散热性能影响实验 环境温度是影响热管换热器散热性能的另一个主要因素，为了找到环境温度对热管换热器散热性能的具体影响，我们设计了另一个实验，让同一热管换热器在不同的环境温度下工作，比较发热源的最终温度，分析散热能力的不同，实验结果如图6所示，热管换热器(采用的是普通的矩形翅片)在环境温度为17.7℃的条件下工作，最终热源表面温度可控制在73.6℃，当环境温度升高到26.8℃时，热源表面的最终温度达到了80.6℃，环境温度相差9.1℃时，热源表面的终温最终相差7℃，可见随着环境温度的升高，发热源表面的温度也随之大幅度的上升，在大功率LED散热装置的优化设计过程中应注意环境温度的影响。 3.5不同输入电压对热管启动性能的影响 热管换热器性能测试实验台当输入不同的电压时，LED模拟热源内部的加热管输入功率不同，均温板输出的热流密度也会发生变化，进而影响热管的启动时间、影响换热器的散热性能。图7反映了三者之间的关系，随着输入电压的加大，热流密度逐渐增大，而热管的启动时间逐渐缩短，当输入电压为75V时，热管换热器在49min时才开始启动，之后随着输入电压增加为100V、150V和200V，启动时间逐渐缩短为30min、18min和14min，可见，输入功率越大，热管启动越迅速，越容易进入到稳定工作的状态。 4·结论 (1)建立了热管散热器性能测试台，可对不同结构尺寸及不同输入功率的热管散热器，分析其散热能力、热稳定性等; (2)对翅片结构进行优化，我们设计了三种不同翅片形状的热管换热器，分别为菱形、开孔形和切割外翻形，根据实验结果，菱形翅片结构的换热器A比以往传统的矩形翅片结构具有更好地散热能力，实验条件相似的情况下，热源表面温度可比传统翅片形式的换热器多降低10℃左右，但A的换热效果不及开孔形翅片的换热器B，两者最终温度相差为2.6℃左右，而带有切割外翻形翅片结构的热管换热器C换热效果最好，可比菱形翅片换热器A减低热源表面温度达6℃左右; (3)研究热管根数及翅片材质对散热性能的影响发现，带有4根热管的换热器F散热能力明显优于带有两根热管的G和三根热管的E，在成本相近的情况下F可比E多降低均热板温度达14℃左右;换热器G的散热能力虽不及F，但要优于E，而且尺寸比E和F小近1/3，成本只是前面两种换热器的1/2，质量也极大的减轻，仅为E的1/3，F的1/2，这样的体积、质量和成本更有利于热管换热器在LED路灯中的实际应用; (4)研究了环境温度对热管换热器散热性能的影响，发现随着环境温度的升高，热管换热器的散热能力随之降低，因此热管换热器实际应用于LED路灯中要考虑恶劣环境(高温地区)的影响。 (5)研究了热管换热器的启动时间与输入电压之间的关系，输入电压加大，热流密度增加，热管启动时间随之减小，这也会影响热管换热器的工作情况。 参考文献：略 |
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