劉東 蔣斌 鄒國榮

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010)

0 引言

隨著社會科技的進步，人們對能源的需求越來越大。這其中照明逐步成為能源消耗的一個很重要的方面。據(jù)統(tǒng)計:現(xiàn)有電能產(chǎn)量的15%用于照明［1］。為了減少照明用電，人類開始嘗試使用大功率LED作為照明光源，其具有照度大、節(jié)能、環(huán)保和長壽命等優(yōu)勢，與白熾燈相比，可節(jié)省60%～90%的電能，壽命提高數(shù)倍，因此LED照明得到了世界各國的普遍認同和推廣。2007年歐盟春季首腦會議已經(jīng)達成協(xié)議，從2009年開始，禁止生產(chǎn)白熾燈泡，以減少溫室氣體排放。我國在2003年啟動了“國家半導體照明工程”，并確定了廈門、上海、大連和南昌為首批四個國家半導體照明產(chǎn)業(yè)基地。

1 LED散熱問題

在LED照明中，輸入功率中約60%～70%的能量轉(zhuǎn)化為熱量，如果這些熱量不及時帶走會導致芯片溫度上升，而過高的溫度會引起LED芯片效率降低，甚至燒毀。通過對現(xiàn)有半導體器件LED失效的原因分析發(fā)現(xiàn)，其中55%是由于溫度過高而導致的，因此LED的散熱問題，已經(jīng)成為LED照明的技術瓶頸，嚴重阻礙了大功率LED的推廣與應用?，F(xiàn)有的LED冷卻一般都是直接采用自然冷卻，對于小型LED燈而言，其單位面積熱流密度約為5 W/cm2～30 W/cm2。此時自然對流冷卻由于其低成本、小體積和重量輕的特點成為小型LED首選的有效的散熱方式。如:現(xiàn)在市場上家用的3 W～5 W的LED燈都是采用肋片自然對流冷卻(如圖1所示)。而隨著LED功率的不斷增加，這種冷卻方式越來越不能適應LED的散熱需求。因此大量新型的冷卻方式被提出并應用。本文介紹幾種新型的冷卻方式，給LED熱設計者提供一定參考。

圖1 某品牌照明用3 W LED燈

圖2 熱管工作原理示意圖

2 熱管冷卻技術

最早的熱管是1944年美國俄亥俄州通用發(fā)動機公司的R.S.Gaugler在其專利［2］中提出的。熱管散熱技術是最近幾年被廣泛應用的一種高效傳熱方式，其通過重力或者毛細力的作用，可以在很小的截面上遠距離傳輸大量的熱量。和常規(guī)的傳熱方式相比，其最大的優(yōu)點是無需外加動力。其主要工作原理如圖2所示。其由工作介質(zhì)，管殼等組成(毛細熱管還必須有吸液芯)。熱管是將管內(nèi)抽成10－1Pa～10－4Pa的負壓后充以適量的工作介質(zhì)并密封。根據(jù)位置的不同，熱管吸收熱量的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，兩段中間為絕熱段。熱管工作時，其蒸發(fā)段受熱，熱量傳遞到內(nèi)部從而使此處液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段;工質(zhì)在冷凝段放出熱量后凝結成液體，液體依靠毛細力或者重力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量就由熱管的一端傳至另一端。現(xiàn)有的熱管按照其工作原理不同可以分為:重力熱管、毛細熱管、脈動熱管和平板熱管等。

從熱管的原理分析可以發(fā)現(xiàn):熱管由于其沒有運動部件，熱流流動完全依靠其自身的能量，并且導熱過程伴隨著相變的進行，因此，其具有較好的導熱能力，傳熱量大，傳熱溫差小的優(yōu)點。同時熱管的蒸發(fā)段及凝結段可以互換，因此熱傳輸方向可以任意改變。但由于低溫蒸汽粘性力、氣流速度達到音速導致的塞流現(xiàn)象、液滴超過液體表面張力飛散的剪斷力等制約，散熱能力只能在100 W/cm2～200 W/cm2之間，用于目前LED的散熱，可以完全滿足要求。

3 微結構冷卻方式

對于傳統(tǒng)的散熱器而言，在換熱系數(shù)一定的情況下，比表面積增加，換熱量就會增強。而微結構冷卻方式就是在一些薄片上加工出不同的微結構形狀(槽道、肋片、多孔結構)，并將這些薄片按照一定的方式堆疊和焊接起來形成小尺度換熱器。采用大比熱容的流體工質(zhì)流過該散熱器從而構成微結構系統(tǒng)。其主要由驅(qū)動泵、微結構散熱器、外部散熱器等組成。冷卻液體被驅(qū)動泵增壓后，流過微結構散熱系統(tǒng)進行吸熱，從而帶走微結構內(nèi)的熱量，換熱后高溫的冷卻液體進入外部散熱器冷卻后繼續(xù)循環(huán)(見圖3)。

圖3 典型的微結構散熱系統(tǒng)

最早的微結構冷卻系統(tǒng)是在1981年由Tuckerman［3］提出的。其設計加工的硅基微槽道散熱器在進出口溫差為71℃時可帶走790 W/cm2的熱量。此后，研究者對其進行了大量的研究，Qu［4，5］等的文章對其進行了較好的闡述。微結構冷卻方式的最高散熱能力可達1 000 W/cm2，加之其結構緊湊、散熱量大、低熱阻、薄片型設計、能夠成批生產(chǎn)等特點，如果用作LED的散熱，其具有很好的發(fā)展前景。

4 微槽群復合相變集成冷卻技術

微槽群復合相變集成冷卻技術是在微結構冷卻方式上的改進，其利用微細結構復合相變強化換熱機理，利用流動工質(zhì)自身的毛細現(xiàn)象和重力實現(xiàn)循環(huán)。其利用毛細微槽群復合相變?nèi)崞魅〕鰺崃亢?，工質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽通過管道進入高效微結構凝結器中，微結構冷凝器利用微細尺度凝結槽群上的微結構換熱效應將蒸汽凝結并放熱，放出的熱量經(jīng)壁面向外傳導到微結構冷凝器的外壁的肋表面上，并利用自然對流效應釋放到環(huán)境中去。凝結液在壓力梯度作用下通過管道流回到微槽群復合相變?nèi)崞骼^續(xù)取熱，從而實現(xiàn)循環(huán)冷卻的目的。冷卻系統(tǒng)示意圖［6］見圖4。

圖4 微槽群負荷相變冷卻系統(tǒng)結構示意圖

微槽群復合相變集成冷卻技術具有超導熱能力、冷卻能力超強、無功耗冷卻、重量輕、體積小、可靠性高、成本低、環(huán)保、余熱利用等特點，并被成功應用在LED燈上，LED芯片的熱量能瞬間分布在整個散熱空間中，延長了LED燈的壽命，提高了發(fā)光效率。

5 噴霧冷卻

噴霧冷卻是將連續(xù)的液體工質(zhì)加壓后通過小孔噴出，由于速度梯度和剪切力的作用，連續(xù)的液體被破碎成不同大小的微細霧狀液滴，并以一定的速度沖擊到被冷表面，通過單相對流和兩相沸騰帶走被冷表面熱量的一種冷卻方式(見圖5)［7］，近幾十年來，隨著電子器件散熱需求的不斷增加，噴霧冷卻也受到了研究者的廣泛關注。但是將其用于LED散熱，必須要解決噴霧液滴的收集等問題。

6 射流沖擊冷卻

在局部需要產(chǎn)生強烈的換熱效果時可以采用射流沖擊的方法。氣體或液體在一定的壓差作用下通過不同形狀的噴嘴成一定角度(可能垂直)的噴射到被冷卻的表面上［8］。單個噴嘴射流沖擊的示意圖如圖6所示。

影響射流沖擊的設計關鍵是:噴嘴陣列形式(噴嘴數(shù)量、噴嘴形狀、噴嘴的傾斜度等)、流體流態(tài)和換熱特性、噴嘴到冷卻表面的距離D。使用液體射流沖擊時還需要考慮排水問題，有一種做法是出流管在板長度方向，和噴嘴平行。沖擊形式如自由射流、浸沒射流、圓形孔射流、平板射流、單噴嘴射流陣列。要考慮被沖擊表面的邊界即液膜厚度的影響。

圖5 典型噴霧圖

圖6 單個噴嘴垂直射流示意圖

按照射流沖擊的工質(zhì)可分為氣體射流沖擊和液體射流沖擊，氣體射流沖擊，導熱系數(shù)可以達到900 W/(m·K)。Lanchao［9］使用碳氟化合物作為冷卻液，可以冷卻的最大熱流密度為90 W/cm2;用甲醇作為冷卻液，可以冷卻的最大熱流密度為490 W/cm2，用水作為冷卻介質(zhì)時，可以達到的最大熱流密度為1 000 W/cm2。

7 結語

本文針對幾種不同類型的新型LED冷卻方式的原理進行了綜述，并對各種冷卻方式進行了對比。并且隨著技術的不斷發(fā)展，加工和制造技術的不斷成熟，冷卻技術的不斷革新，這幾種冷卻技術在LED照明上必然會得到廣泛的推廣。

［1］張健忠.降低照明能耗的措施［J］.機械工廠設計，1981(2):25-26.

［2］Gaurler R S.Heat transfer device.USA US2350384［P］.1944.

［3］D B.Tuckerman，R F W Pease.High Performance Heat Sinking for VLSI［J］.IEEE Electron Device Letters，1981(5):126-129.

［4］劉 東.高熱流密度微結構散熱器換熱特性的研究［D］.北京:中國科學技術大學，2011.

［5］Weilin Qu，Issam Mudawar.Flow boiling heat transfer in twophase micro-channel heat sinks—Ⅱ.Annular two-phase flow model［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46(15):2773-2784.

［6］http://baike.baidu.com/view/6420355.htm.2013-3-18.

［7］王亞青，劉明侯，劉 東，等.噴霧冷卻換熱機理和影響換熱性能的因素［J］.強激光與粒子束，2011(9):2277-2281.

［8］平麗浩，錢吉裕，徐德好.電子裝備熱控新技術綜述(下)［J］.電子機械工程，2008，24(2):1-9.

［9］Lanchao Liu，Reng asam y ponnappan.Heat transfer characteristics of spray cooling in a closed loop［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003(46):3737-3746.