CN102691999A - 一种用于大功率led散热的板式脉动热管 - Google Patents

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Abstract

一种用于大功率LED散热的板式脉动热管，包括：盖板，基板，毛细管束，液塞，空腔，毛细管束下弯头组，毛细管束上弯头组，充液口，LED芯片安装螺孔；基板上铣出毛细管束、与毛细管束下部相通的空腔以及位于毛细管束上部与毛细管束相通的充液口，毛细管的截面是矩形截面或三角形截面，每个毛细管束的两个端口分别独立与空腔相连接，且连接位置不对称，基板与盖板通过真空钎焊链接，充液口安装阀门后构成密封可形成真空环境的空间，安装螺孔外接LED芯片，空腔安装毛细芯或微槽道结构；这种热管具有工作稳定，传热效率高，传热极限高，蒸发段温度波动小等特点。

Description

一种用于大功率LED散热的板式脉动热管
技术领域
本发明涉及一种用于大功率LED以及相关电子器件散热的板式脉动热管，属于电子器件冷却与高效传热领域。
背景技术
大功率LED(Light Emitting Diode)一般是指芯片热流密度大于1W/mm2的固态照明光源(Solid State Lighting，SSL)，普遍认为是继白炽灯、荧光灯和高压放电灯之后的第四代照明光源。相较于之前人类广泛使用的前三代照明器材相比具有节能、环保和长寿命的优势。以白炽灯为基准，LED光源在同等照明亮度时仅仅需要其10%-30%的电能，并且寿命长数十倍。此外LED光源还具有的优势还包括：开关响应快，耐冲击性高，方便通过智能控制应用于调光环境复杂和频繁开启关闭的场合;抗震性能好,可以用于车载照明;不含汞、铅等重金属污染物，有利于环境保护等。LED照明正在引发世界范围内照明光源的一场革命，成为人类照明史上的又一次飞跃。
与电子产业迅速发展，芯片密度不断提高相伴随的是芯片的散热需求越来越苛刻。相对而言大功率LED的总发热量不高，但是热流密度却非常大，目前研发的一些LED 芯片热流密度达到了100W/cm2。加之其发光效率要受到材料、电路制造技术方面限制，芯片总功率中的85%是要作为热量散失掉的。如果芯片散热设计不合理，工作中的芯片结温升高，这会造成LED芯片的工作可靠性产生严重的影响。例如芯片的失效可能性会随着芯片的温升高增高而呈指数形式递增。有研究显示每当环境温度上升10℃，LED器件的失效率要高一倍，简称为10℃法则，因此散热设计不合理而导致LED器件损毁占其失效总因素的55%。结温过高不但容易造成LED芯片的损坏失效，还会降低光通量，影响光源的工作质量。为此提出了大功率LED的热管理问题，而散热器件的设计制造是热管理的关键部分。
在目前LED各种散热装置中，以热管为代表的相变冷却装置因其换热系数大，可以实现被动式散热，工作稳定性好而具有十分可观的开发价值。目前已经有应用在LED芯片散热的热管包括环路热管，平板热管，脉动热管(PHP，也称振荡热管)等。闭合回路脉动热管结构可以认为是一段封闭蛇形弯曲且真空的毛细管回路，当中充有一定百分比的工质，毛细管小于一定直径时表面张力占主导作用，液相会成液塞状间断分布于毛细管中。当冷凝段和蒸发段有一定的温差时，管内的液塞发生相变，在两端不平衡压差作用下，液塞发生位移。相邻的两管压力不平衡时，管内会形成不稳定的单向环流。小管径和冷热端反复弯曲是OHP构造上的的两个基本条件。管内流型复杂多变和不稳定是OHP工作的典型特征，其热传递方式有显热传递、潜热传热、膨胀压缩功多种形式，因此它的构造简单单运行过程却是一种非常复杂的多相不稳定流动。具有传热效率高；临界热流密度大；不需要毛细芯，制造简单；结构多变适应性强等特点，在大功率LED散热以及电子器件高效冷却方面有很好的开发前景。
由于其工作特性，传统的脉动热管工作中工作循环不容易稳定，蒸发段容易出现烧干、循环间歇而造成局部温度升高，热管工作中蒸发段温度有不稳定波动等现象。
发明内容
本发明的目的是以脉动热管的结构和工作原理为基础，提供一种可用于LED散热等电子器件冷却的板式脉动热管。
本发明的结构包括：盖板，基板，毛细管束，液塞，空腔，毛细管束下弯头组，毛细管束上弯头组，充液口，LED芯片安装螺孔；
基板上铣出毛细管束、与毛细管束下部相通的空腔以及位于毛细管束上部与毛细管束相通的充液口，毛细管的截面是矩形截面或三角形截面，每个毛细管束的两个端口分别独立与空腔相连接，且连接位置不对称，基板与盖板通过真空钎焊链接，充液口安装阀门后构成密封可形成真空环境的空间，安装螺孔外接LED芯片，空腔安装毛细芯或微槽道结构；
所述热管采用的毛细管的当量直径满足：
式中g为重力，d为当量直径，ρ为工质密度，σ为表面张力， v分别表示液相和气相，如毛细管的当量直径为3mm。
所述热管工作前，从充液口向毛细管和空腔构成的真空环境内充入一定质量的工质后，由于空腔不具备毛细特性，工质在重力作用下会在空腔内形成聚集形成液池，而毛细管内工质在表面张力的所用下形成间断的液塞。
所述热管可根据需要选用乙醇、丙酮、蒸馏水作为工作介质。
本发明与传统板式脉动热管相比其有益效果是：
(1)由于加热段有一个液池的存在，使其与LED芯片热量传递特性更符合。在热管工作过程中，空腔内能够始终保持一定量的液态工质。如果热管工作时位置合理，LED芯片贴合的热管部分可以保证始终有液相存在。这样就防止了普通OHP工作时可能出现的局部管内压力不平衡、管内流向不稳定等造成某些弯头处被液膜蒸干，传热环境恶化，引起LED基板温度过高等现象。
(2)在热管设计时毛细管连接空腔的两端位于不对称的位置，利用空腔内可能存在的压力不平衡，引起毛细管两端压力不相等，从而促进管内单相流动循环的形成，提高传热效率，增强工作过程的稳定性。热管的一组弯头布置在靠近空腔的位置。在工作时下弯头组部位也同时被加热，和空腔一起构成蒸发段，这使得毛细管内有足够的动力推动工质运动。
(3)热管中的毛细管可以采取若干独立的弯折毛细管与空腔相连。每组热管通过空腔相互连通又可以相对独立的工作，这也保证了热管工作的稳定性。
(4)热管空腔内可以填充多孔介质，构成毛细芯结构，使得液相更好的回流并保持在蒸发段内，提高热管的工作可靠性。也可以对空腔内部的表面进行改进，采用多孔表面或微槽表面结构强化沸腾，增强热管的启动性能和传热效率。
附图说明
图1为板式脉动热管基本结构主视图。
图中1、4.毛细管束，2.液塞，3.空腔，5.毛细管束下弯头组，6.毛细管束上弯头组，7.充液口。
图2为板式脉动热管基本结构剖视图。
图中：8.盖板，9.LED芯片安装螺孔，10.基板。
图3为风冷条件下热管用于LED光源散热时的冷热端温差变化
图中横坐标为风速，单位：m/s;纵坐标为温度，单位：℃。
Figure BDA00001628786800023
充液率40%
Figure BDA00001628786800024
充液率0%
具体实施方式
本发明的结构包括：盖板，基板，毛细管束，液塞，空腔，毛细管束下弯头组，毛细管束上弯头组，充液口，LED芯片安装螺孔；
基板上铣出毛细管束、与毛细管束下部相通的空腔以及位于毛细管束上部与毛细管束相通的充液口，毛细管的截面是矩形截面或三角形截面，每个毛细管束的两个端口分别独立与空腔相连接，且连接位置不对称，基板与盖板通过真空钎焊链接，充液口安装阀门后构成密封可形成真空环境的空间，安装螺孔外接LED芯片，空腔安装毛细芯或微槽道结构；
所述热管采用的毛细管的当量直径满足：
式中g为重力，d为当量直径，ρ为工质密度，σ为表面张力，
Figure BDA00001628786800031
v分别表示液相和气相，如毛细管的当量直径为3mm。
通过对热管内部抽真空后充罐入30~70%比例的丙酮工质。当充液率大于空腔容积时，工质不但会在空腔内形成液池，还会以液塞2的形式间断的分布在毛细管内。热管经过24小时保压测试后可以用于实际散热工作。工作时LED 芯片在涂抹导热硅胶后通过螺丝固定在贴近热管空腔位置。热管另一端头通过安装冷却水槽或风机构成冷凝段。
LED工作时芯片温度升高，空腔3内工质受热蒸发沸腾，产生大量的蒸汽，与空腔相接毛细管口压力升高推动管内的工质管身上部运动。同时下弯头组5因为靠近LED芯片在热传导的作用下温度也同时升高，引起液相工质蒸发沸腾，气泡膨胀，推动相应管内的液塞向上弯头组6运动。此时管身上部位置通过因外部的强制冷却措施带走热量，工质在这里温度降低蒸汽凝结为液态，当相邻管路间出现不平衡压力时，工质在不平衡压力作用下推回下弯头组5或空腔3位置被重新加热。
当热管工作稳定时，热管的每组毛细管会出现局部的振荡或稳定的单向循环。在单相循环时空腔3内的工质被加热沸腾产生气泡并膨胀在压差的作用下被推入毛细管1或4内向冷凝段运动。在运动过程中被逐渐降温降压，并在上弯头组6位置沿相邻毛细管向下弯头组5位置回流，并在弯头组5区域被重新加热，在沿毛细管内经过反复运动和蒸发冷凝过程后最终回到空腔3内。
图3为风冷条件下充液率0%(空管)和充液率40%的本发明热管用于40W的LED光源散热时冷凝段和蒸发段平均温差随冷却风速变化，从图中可以看出在合适的充液率时，本发明热管的冷热端温差均小于空管情况，热管热阻降低，散热性能得到显著提高。

Claims (1)

1.一种用于大功率LED散热的板式脉动热管，其特征在于：所述热管结构包括盖板，基板，毛细管束，液塞，空腔，毛细管束下弯头组，毛细管束上弯头组，充液口，LED芯片安装螺孔；
基板上铣出毛细管束、与毛细管束下部相通的空腔以及位于毛细管束上部与毛细管束相通的充液口，毛细管的截面是矩形截面或三角形截面，每个毛细管束的两个端口分别独立与空腔相连接，且连接位置不对称，基板与盖板通过真空钎焊链接，充液口安装阀门后构成密封可形成真空环境的空间，安装螺孔外接LED芯片，空腔安装毛细芯或微槽道结构；
所述热管采用的毛细管的当量直径满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中g为重力，d为当量直径，ρ为工质密度，σ为表面张力，լ，v分别表示液相和气相。
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