基本信息
- 项目名称：
- 高功率LED灯相变脉动热翅板散热器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- LED（Light Emitting Diode）是一种半导体发光绿色照明光源，以其节能和环保的特性在未来的10～20年内成为新一代理想的固态照明光源。但是LED在工作过程中，输入功率仅有15至20%转换成光，其余80至85%则转换成热。随着LED功率的增大，发热量增多，如果散热问题解决不好，将对LED的寿命、可靠性造成严重的影响。 针对高功率LED灯的散热问题，作者基于脉动自激振荡界面相变传热基本原理，设计开发了一种新型高效的脉动热翅板相变散热装置。该散热器以3A21和5A02铝合金为材料，采用蚀刻精密加工技术加工脉动“U”微通道热板，同时采用真空熔焊技术将脉动热板与板翅通道叠置整体加工而成。经试验证明，该散热装置结构紧凑，具有传热面积大，换热效率高，使用寿命长，制造成本低等优点。在LED灯功率为100W，所需散去热量5×105W/m2的情况下，芯片表面温度在70～75℃之间，完全能够满足高功率LED灯的散热要求。
- 详细介绍：
- LED（Light Emitting Diode）是一种半导体发光绿色照明光源，以其节能和环保的特性在未来的10～20年内成为新一代理想的固态照明光源。但是LED在工作过程中，输入功率仅有15至20%转换成光，其余80至85%则转换成热。随着LED功率的增大，发热量增多，如果散热问题解决不好，将对LED的寿命、可靠性造成严重的影响。 针对高功率LED灯的散热问题，作者基于脉动自激振荡界面相变传热基本原理，设计开发了一种新型高效的脉动热翅板相变散热装置。 脉动热翅板散热器（铝制）是由板翅通道和真空充液“U”型微通道脉动热板间隔叠置熔焊而成，具有传热面积大，换热效率高，制造成本低，存在体积小，重量轻，空间布置方便等优点。其整体采用铝合金3A21和5A02为材料，与工质—水相容、耐腐蚀。比一般的散热器散热性能、成本都有很大的改进与提高。 此脉动热翅板散热器由真空充液芯体和封头两部分组成，真空充液封头设在芯体下部，其中封头上设有接管，用以将微通道脉动热板抽成真空并充装工作液体。芯体由若干个板翅通道和脉动热板微通道构成。芯体组装时微通道脉动热板和板翅通道间隔叠置。实现冷，热流体间的错流型流动。冷介质通道具有翅片，翅片上、下设有隔板密封隔板），通道侧边设有封条。脉动热板的微通道采用化学蚀刻技术在薄铝板上加工而成。 芯体是热翅板散热器核心零件，它由微通道脉动热板和板翅通道间隔叠置熔焊而成，实现冷，热流体间的错流型流动以达到传热的目的。它结构紧凑、轻巧、传热强度高。 冷介质通道具有翅片，翅片上、下设有隔板（密封隔板），通道侧边设有封条。脉动热板通道为微通道结构。脉动热板内有若干个U形微通道，工质在液池蒸发，上升进入各通道，在微通道内形成气液柱塞。气塞上升大蒸发段，破裂回流，产生相变传热，微通道在脉动方向传热效率高，可认为是热的超导体。微通道脉动热板在强化传热同时，增强了散热器的静压强度，防止散热器内压力过大而产生的失效。 封头用于形成液体沸腾相变所需的液池，同时对真空通道起密封作用，并提供抽真空和充装介质的通道。 脉动热翅板散热器的工作原理：真空充液通道内充装对环境无害的工质，散热器底部热源（大功率LED灯）散发出的热量传到工质液槽，使工质沸腾，蒸发的蒸汽顺着脉动热板微通道上升，依靠热诱发的自激振荡产生动态过程的界面相变现象，将热量传给板翅通道内的冷风，后冷凝成液体自然回流到下面的液槽。如此循环，热量被脉动热板微通道中的工质转移给冷风，从而实现了热量的传递，达到散热的目的。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：LED是一种半导体发光绿色照明光源，以其节能和环保的特性在未来的10～20年内成为新一代理想的固态照明光源。但LED在工作过程中，输入功率仅有15至20%转换成光，其余转换成热。随着LED功率的增大，若散热问题解决不好，将对LED的寿命、可靠性造成严重影响。针对高功率LED灯的散热问题，作者设计开发了一种新型高效的脉动热翅板相变散热装置。发明基本思路：将相变冷却技术与微通道脉动热板结构结合起来提出的一种散热结构。主体结构由真空充液封头和芯体两部分组成，有利于装配和制造。芯体基本结构为隔板与翅片组成的冷风通道与微通道脉动热板间隔叠置，真空熔焊的高效紧凑的板翅结构。微通道脉动热板采用U型的微通道结构，强化传热。创新点及技术关键：散热器由翅片通道与微通道脉动热板叠置、真空熔焊而成。单位体积传热面积大于1200m2/m3。主体结构由真空充液封头和板翅式芯体两部分组成，有利于装配和制造，结构紧凑。整体采用铝材，进行阳极化处理，减少腐蚀，减轻重量，降低成本。微通道脉动热板采用脉动微通道结构，以化学蚀刻方式加工微通道，加工成本低，便于批量生产，同时增强了散热器的静压强度，延长了寿命。主要技术指标：环境温度为30℃，空气相对湿度100%，风扇风速为2m/s时，散热热流密度达5×105W/m2；散热器微通道内部真空度为4×10-3Pa；冷介质通道压力降小于60Pa；体积约为传统液体散热器的1/5，重量约为传统热板的1/8；性能价格比是传统散热器的3倍；采用去离子水作为工质。
科学性、先进性
- 脉动相变热板具有普通热板所具有的一切优点，但其工作原理与普通热板存在本质区别。普通热板中发生静态的界面蒸发或冷凝过程，而脉动热板中依靠热诱发的自激振荡产生动态过程的界面相变现象，大大强化了换热过程，有部分不凝性气体也不会影响其性能。脉动热翅板散热器采用铝制薄板化学蚀刻脉动微通道，翅片隔板叠置、真空熔焊而成。随着铝合金化学蚀刻精密加工技术和熔焊工艺技术的提高，使成本大为降低，约为同性能散热器成本的70％ 。同时采用板翅结构使得散热器传热面积大，换热效率高，体积小，重量轻，空间布置方便，实现了结构的紧凑性和性能的高效，在芯片热流密度达到5×105W/m2的情况下，芯片表面温度在70～75℃之间，完全满足大功率LED灯的散热要求。脉动微通道结构使薄板单元体结构有较高的强度和承压能力，相比热管，大大提高了散热器的寿命。与传统散热器相比较，脉动热翅板散热器具有以下优点：结构、功能紧凑；体积小，重量轻；寿命长，散热效率高；制造成本低。比同类散热器有很大的改进和提高。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术入股
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 本作品以抗腐蚀性能较好的铝合金作为原材料，采用高效紧凑的板翅式芯片真空熔焊的而成，同时实现了结构和功能的紧凑性。提高了传热效率以及综合效能。 本作品具有重量轻，体积小，便于安装，散热效率高，耐腐蚀，寿命长，制造成本低，作为工质的蒸馏水对环境友好等突出的优点。 使用范围： 该作品可以广泛应用作各种LED灯的散热元件。对大功率LED照明灯的散热优势特别明显。 市场分析和经济效益预测： 该散热器相比于传统散热器，在结构和性能上都有了很大的改进和提高，其性能已经在试验中得到确定。如实现工业化，批量化生产后可以取得显著的经济效益。可大大改观现有的散热条件，推动大功率LED的推广与普及，有很广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 高功率LED散热问题与传热学、流体力学等原理的应用密切相关。LED灯的散热目的是对LED芯体的运行温度进行控制，以保证其工作的稳定性、可靠性、能量转换效率及其使用寿命。这其中涉及了与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容。国内外LED灯常用的散热方法主要有：风冷、液体冷却、热电冷却、热管技术等方法。 1、风冷散热和冷却技术：风冷散热器的原理很简单：芯片耗散的热量通过粘结材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。利用风冷散热器对电子芯片进行冷却是最简单、最直接、成本最低的散热方式。但风冷技术散热效率低，只能用于低功率LED的散热。目前，采用先进风扇和优化大面积热沉，空气冷却技术的冷却能力仅能达50W/cm2。 2、液体冷却方法：对大功率LED等采用液体冷却的方法进行散热，其散热效率较高，但是其结构十分复杂，制造成本十分昂贵，安装要求空间大，难以在LED灯领域得到推广应用。一般多用于高速运算电子设备领域。液体冷却包括间接冷却、直接冷却和喷射冷却。 3、热电冷却（Peltier制冷）：半导体制冷又称热电制冷，是利用半导体材料的Peltier效应。小型的半导体制冷，制冷装置体积小、质量轻、安装和拆卸要方便。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。电热冷却器具有结构紧凑、可靠性高、无噪声、无移动部件、可以实现精确的温度控制(±0.1ºC)等优点。缺点是：热电冷却器在变热流密度散热时受到限制；转化效率低 (5％～10％)。只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合。故不适用于高功率的LED灯的散热。 4、热管技术：热管是一种传热效率很高的换热元件，它的当量热导率可达金属的103～104倍。与传统散热设备相比，热管无需消耗动力、空间尺寸小、冷却能力高，单位面积的传热量高。热管作为一种高效的导热元件，适合高热流密度情况下的散热，目前已知的用于大功率电子元件散热的热管式散热器最高散热功率已达到200W/cm2。但是热管使用一段时间后，金属内部不凝性气体析出，占据冷凝端，使得热管工作特性下降，以致最终失效，其寿命一般只有3~5年，与LED寿命严重不匹配。
