基本信息
- 項目名稱：
- 高功率LED燈相變脈動熱翅板散熱器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- LED（Light Emitting Diode）是一種半導體發(fā)光綠色照明光源，以其節(jié)能和環(huán)保的特性在未來的10～20年內(nèi)成為新一代理想的固態(tài)照明光源。但是LED在工作過程中，輸入功率僅有15至20%轉(zhuǎn)換成光，其余80至85%則轉(zhuǎn)換成熱。隨著LED功率的增大，發(fā)熱量增多，如果散熱問題解決不好，將對LED的壽命、可靠性造成嚴重的影響。 針對高功率LED燈的散熱問題，作者基于脈動自激振蕩界面相變傳熱基本原理，設(shè)計開發(fā)了一種新型高效的脈動熱翅板相變散熱裝置。該散熱器以3A21和5A02鋁合金為材料，采用蝕刻精密加工技術(shù)加工脈動“U”微通道熱板，同時采用真空熔焊技術(shù)將脈動熱板與板翅通道疊置整體加工而成。經(jīng)試驗證明，該散熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，具有傳熱面積大，換熱效率高，使用壽命長，制造成本低等優(yōu)點。在LED燈功率為100W，所需散去熱量5×105W/m2的情況下，芯片表面溫度在70～75℃之間，完全能夠滿足高功率LED燈的散熱要求。
- 詳細介紹：
- LED（Light Emitting Diode）是一種半導體發(fā)光綠色照明光源，以其節(jié)能和環(huán)保的特性在未來的10～20年內(nèi)成為新一代理想的固態(tài)照明光源。但是LED在工作過程中，輸入功率僅有15至20%轉(zhuǎn)換成光，其余80至85%則轉(zhuǎn)換成熱。隨著LED功率的增大，發(fā)熱量增多，如果散熱問題解決不好，將對LED的壽命、可靠性造成嚴重的影響。 針對高功率LED燈的散熱問題，作者基于脈動自激振蕩界面相變傳熱基本原理，設(shè)計開發(fā)了一種新型高效的脈動熱翅板相變散熱裝置。 脈動熱翅板散熱器（鋁制）是由板翅通道和真空充液“U”型微通道脈動熱板間隔疊置熔焊而成，具有傳熱面積大，換熱效率高，制造成本低，存在體積小，重量輕，空間布置方便等優(yōu)點。其整體采用鋁合金3A21和5A02為材料，與工質(zhì)—水相容、耐腐蝕。比一般的散熱器散熱性能、成本都有很大的改進與提高。 此脈動熱翅板散熱器由真空充液芯體和封頭兩部分組成，真空充液封頭設(shè)在芯體下部，其中封頭上設(shè)有接管，用以將微通道脈動熱板抽成真空并充裝工作液體。芯體由若干個板翅通道和脈動熱板微通道構(gòu)成。芯體組裝時微通道脈動熱板和板翅通道間隔疊置。實現(xiàn)冷，熱流體間的錯流型流動。冷介質(zhì)通道具有翅片，翅片上、下設(shè)有隔板密封隔板），通道側(cè)邊設(shè)有封條。脈動熱板的微通道采用化學蝕刻技術(shù)在薄鋁板上加工而成。 芯體是熱翅板散熱器核心零件，它由微通道脈動熱板和板翅通道間隔疊置熔焊而成，實現(xiàn)冷，熱流體間的錯流型流動以達到傳熱的目的。它結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強度高。 冷介質(zhì)通道具有翅片，翅片上、下設(shè)有隔板（密封隔板），通道側(cè)邊設(shè)有封條。脈動熱板通道為微通道結(jié)構(gòu)。脈動熱板內(nèi)有若干個U形微通道，工質(zhì)在液池蒸發(fā)，上升進入各通道，在微通道內(nèi)形成氣液柱塞。氣塞上升大蒸發(fā)段，破裂回流，產(chǎn)生相變傳熱，微通道在脈動方向傳熱效率高，可認為是熱的超導體。微通道脈動熱板在強化傳熱同時，增強了散熱器的靜壓強度，防止散熱器內(nèi)壓力過大而產(chǎn)生的失效。 封頭用于形成液體沸騰相變所需的液池，同時對真空通道起密封作用，并提供抽真空和充裝介質(zhì)的通道。 脈動熱翅板散熱器的工作原理：真空充液通道內(nèi)充裝對環(huán)境無害的工質(zhì)，散熱器底部熱源（大功率LED燈）散發(fā)出的熱量傳到工質(zhì)液槽，使工質(zhì)沸騰，蒸發(fā)的蒸汽順著脈動熱板微通道上升，依靠熱誘發(fā)的自激振蕩產(chǎn)生動態(tài)過程的界面相變現(xiàn)象，將熱量傳給板翅通道內(nèi)的冷風，后冷凝成液體自然回流到下面的液槽。如此循環(huán)，熱量被脈動熱板微通道中的工質(zhì)轉(zhuǎn)移給冷風，從而實現(xiàn)了熱量的傳遞，達到散熱的目的。
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 發(fā)明目的：LED是一種半導體發(fā)光綠色照明光源，以其節(jié)能和環(huán)保的特性在未來的10～20年內(nèi)成為新一代理想的固態(tài)照明光源。但LED在工作過程中，輸入功率僅有15至20%轉(zhuǎn)換成光，其余轉(zhuǎn)換成熱。隨著LED功率的增大，若散熱問題解決不好，將對LED的壽命、可靠性造成嚴重影響。針對高功率LED燈的散熱問題，作者設(shè)計開發(fā)了一種新型高效的脈動熱翅板相變散熱裝置。發(fā)明基本思路：將相變冷卻技術(shù)與微通道脈動熱板結(jié)構(gòu)結(jié)合起來提出的一種散熱結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)由真空充液封頭和芯體兩部分組成，有利于裝配和制造。芯體基本結(jié)構(gòu)為隔板與翅片組成的冷風通道與微通道脈動熱板間隔疊置，真空熔焊的高效緊湊的板翅結(jié)構(gòu)。微通道脈動熱板采用U型的微通道結(jié)構(gòu)，強化傳熱。創(chuàng)新點及技術(shù)關(guān)鍵：散熱器由翅片通道與微通道脈動熱板疊置、真空熔焊而成。單位體積傳熱面積大于1200m2/m3。主體結(jié)構(gòu)由真空充液封頭和板翅式芯體兩部分組成，有利于裝配和制造，結(jié)構(gòu)緊湊。整體采用鋁材，進行陽極化處理，減少腐蝕，減輕重量，降低成本。微通道脈動熱板采用脈動微通道結(jié)構(gòu)，以化學蝕刻方式加工微通道，加工成本低，便于批量生產(chǎn)，同時增強了散熱器的靜壓強度，延長了壽命。主要技術(shù)指標：環(huán)境溫度為30℃，空氣相對濕度100%，風扇風速為2m/s時，散熱熱流密度達5×105W/m2；散熱器微通道內(nèi)部真空度為4×10-3Pa；冷介質(zhì)通道壓力降小于60Pa；體積約為傳統(tǒng)液體散熱器的1/5，重量約為傳統(tǒng)熱板的1/8；性能價格比是傳統(tǒng)散熱器的3倍；采用去離子水作為工質(zhì)。
科學性、先進性
- 脈動相變熱板具有普通熱板所具有的一切優(yōu)點，但其工作原理與普通熱板存在本質(zhì)區(qū)別。普通熱板中發(fā)生靜態(tài)的界面蒸發(fā)或冷凝過程，而脈動熱板中依靠熱誘發(fā)的自激振蕩產(chǎn)生動態(tài)過程的界面相變現(xiàn)象，大大強化了換熱過程，有部分不凝性氣體也不會影響其性能。脈動熱翅板散熱器采用鋁制薄板化學蝕刻脈動微通道，翅片隔板疊置、真空熔焊而成。隨著鋁合金化學蝕刻精密加工技術(shù)和熔焊工藝技術(shù)的提高，使成本大為降低，約為同性能散熱器成本的70％ 。同時采用板翅結(jié)構(gòu)使得散熱器傳熱面積大，換熱效率高，體積小，重量輕，空間布置方便，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊性和性能的高效，在芯片熱流密度達到5×105W/m2的情況下，芯片表面溫度在70～75℃之間，完全滿足大功率LED燈的散熱要求。脈動微通道結(jié)構(gòu)使薄板單元體結(jié)構(gòu)有較高的強度和承壓能力，相比熱管，大大提高了散熱器的壽命。與傳統(tǒng)散熱器相比較，脈動熱翅板散熱器具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)、功能緊湊；體積小，重量輕；壽命長，散熱效率高；制造成本低。比同類散熱器有很大的改進和提高。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)入股
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 本作品以抗腐蝕性能較好的鋁合金作為原材料，采用高效緊湊的板翅式芯片真空熔焊的而成，同時實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能的緊湊性。提高了傳熱效率以及綜合效能。 本作品具有重量輕，體積小，便于安裝，散熱效率高，耐腐蝕，壽命長，制造成本低，作為工質(zhì)的蒸餾水對環(huán)境友好等突出的優(yōu)點。 使用范圍： 該作品可以廣泛應用作各種LED燈的散熱元件。對大功率LED照明燈的散熱優(yōu)勢特別明顯。 市場分析和經(jīng)濟效益預測： 該散熱器相比于傳統(tǒng)散熱器，在結(jié)構(gòu)和性能上都有了很大的改進和提高，其性能已經(jīng)在試驗中得到確定。如實現(xiàn)工業(yè)化，批量化生產(chǎn)后可以取得顯著的經(jīng)濟效益?？纱蟠蟾挠^現(xiàn)有的散熱條件，推動大功率LED的推廣與普及，有很廣闊的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 高功率LED散熱問題與傳熱學、流體力學等原理的應用密切相關(guān)。LED燈的散熱目的是對LED芯體的運行溫度進行控制，以保證其工作的穩(wěn)定性、可靠性、能量轉(zhuǎn)換效率及其使用壽命。這其中涉及了與傳熱有關(guān)的散熱或冷卻方式、材料等多方面內(nèi)容。國內(nèi)外LED燈常用的散熱方法主要有：風冷、液體冷卻、熱電冷卻、熱管技術(shù)等方法。 1、風冷散熱和冷卻技術(shù)：風冷散熱器的原理很簡單：芯片耗散的熱量通過粘結(jié)材料傳導到金屬底座上，再傳導到散熱片上，通過自然對流或強制對流把熱量散發(fā)到空氣中。利用風冷散熱器對電子芯片進行冷卻是最簡單、最直接、成本最低的散熱方式。但風冷技術(shù)散熱效率低，只能用于低功率LED的散熱。目前，采用先進風扇和優(yōu)化大面積熱沉，空氣冷卻技術(shù)的冷卻能力僅能達50W/cm2。 2、液體冷卻方法：對大功率LED等采用液體冷卻的方法進行散熱，其散熱效率較高，但是其結(jié)構(gòu)十分復雜，制造成本十分昂貴，安裝要求空間大，難以在LED燈領(lǐng)域得到推廣應用。一般多用于高速運算電子設(shè)備領(lǐng)域。液體冷卻包括間接冷卻、直接冷卻和噴射冷卻。 3、熱電冷卻（Peltier制冷）：半導體制冷又稱熱電制冷，是利用半導體材料的Peltier效應。小型的半導體制冷，制冷裝置體積小、質(zhì)量輕、安裝和拆卸要方便。當直流電通過兩種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現(xiàn)制冷的目的。電熱冷卻器具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、無噪聲、無移動部件、可以實現(xiàn)精確的溫度控制(±0.1oC)等優(yōu)點。缺點是：熱電冷卻器在變熱流密度散熱時受到限制；轉(zhuǎn)化效率低 (5％～10％)。只適用于體積緊湊、制冷要求不高等特殊場合。故不適用于高功率的LED燈的散熱。 4、熱管技術(shù)：熱管是一種傳熱效率很高的換熱元件，它的當量熱導率可達金屬的103～104倍。與傳統(tǒng)散熱設(shè)備相比，熱管無需消耗動力、空間尺寸小、冷卻能力高，單位面積的傳熱量高。熱管作為一種高效的導熱元件，適合高熱流密度情況下的散熱，目前已知的用于大功率電子元件散熱的熱管式散熱器最高散熱功率已達到200W/cm2。但是熱管使用一段時間后，金屬內(nèi)部不凝性氣體析出，占據(jù)冷凝端，使得熱管工作特性下降，以致最終失效，其壽命一般只有3~5年，與LED壽命嚴重不匹配。
