王 勻，俞 樂(lè)，涂文斌，許楨英

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

引言

UV-LED即紫外發(fā)光二極管(UV light emitting diode)，是一種能夠直接將電能轉(zhuǎn)化為紫外光線(xiàn)的固態(tài)半導(dǎo)體器件，因其具有壽命長(zhǎng)、可靠性好、光效高、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)在UV固化領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)的高壓汞燈[1]，但由于其使用過(guò)程中大部分能量轉(zhuǎn)化為熱量，如果這些熱量不能及時(shí)地散出，將對(duì)高功率UV-LED燈的使用壽命和效率產(chǎn)生極大的影響[1,2]。

目前國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)大功率UV-LED散熱系統(tǒng)的研究多在水冷方面。楊傳超等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出對(duì)于大功率的LED照明水冷散熱器，采用并聯(lián)水道方式和偽并聯(lián)水道方式結(jié)果優(yōu)于串聯(lián)水道方式和偽串聯(lián)水道方式，且鰭片厚度越薄，散熱效果越好。張健等[4]基于光電理論，提出了一種大功率LED陣列螺旋扁管換熱過(guò)程系統(tǒng)模型，采用有限體積法對(duì)大功率陣列LED螺旋扁管水冷散熱器模型進(jìn)行了傳熱過(guò)程分析，表明通過(guò)優(yōu)化LED陣列和散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可提高系統(tǒng)散熱效率，Chen等[5]基于CFD模型分析流體微通道的長(zhǎng)寬比和流體流速對(duì)LED散熱性能的影響，結(jié)果表明，微通道的長(zhǎng)寬比越高，流體速度越均勻散熱性能越好。但由于水冷系統(tǒng)需要專(zhuān)門(mén)的冷水機(jī)和相關(guān)設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法小型化，且水冷存在漏水風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于LED芯片安全使用存在巨大隱患。而后國(guó)內(nèi)外學(xué)者將研究目光轉(zhuǎn)向風(fēng)冷領(lǐng)域，Yung等[6]利用數(shù)值分析方法分析自然對(duì)流情況下傾斜角度對(duì)LED模組的傳熱影響，研究表明傾斜角在0～180°范圍內(nèi)變化時(shí)，測(cè)試點(diǎn)的溫度先減少后增大，在90°時(shí)溫度最低。Jeong等[7]基于響應(yīng)面分析法(RSM)對(duì)水平翅片散熱器形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，證明在翅片上引入開(kāi)口能改善散熱器空氣循環(huán)，在10 W的熱輸入下，總熱阻減小30.5%，散熱效率提高23.7%。何晶晶等[8]提出了一種基于強(qiáng)制風(fēng)冷的TEC致冷UV-LED散熱模塊，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模擬、分析，得出最佳散熱方案，當(dāng)芯片功率為292.8 W時(shí)，芯片溫度小于80 ℃，滿(mǎn)足芯片使用要求。

基于UV-LED工作的特殊性，功率越大，油墨固化速度越快，效果越好，過(guò)高的功率導(dǎo)致散熱不足，影響UV-LED的使用效果和壽命[9]。目前市場(chǎng)上的大功率UV-LED固化燈多采用水冷方式，但由于水箱體積大，存在漏水風(fēng)險(xiǎn)，成本過(guò)高，不符合市場(chǎng)對(duì)UV-LED固化燈小型化和便捷化的需求，基于以上需求，本文提出了一種基于熱管強(qiáng)制風(fēng)冷的大功率UV-LED散熱模型，并通過(guò)熱力學(xué)模擬軟件以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析得出最佳散熱結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足使用要求，對(duì)大功率UV-LED固化燈散熱設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 UV-LED強(qiáng)制散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)置

UV-LED固化燈主要用于印刷領(lǐng)域?qū)τ湍M(jìn)行光固化處理，其紫外芯片功率密度越大，固化干燥效果越好，但是相應(yīng)產(chǎn)生的熱量也會(huì)提高[10,11]。為了滿(mǎn)足油墨固化的要求，該大功率UV-LED固化燈芯片采用陣列式密集分布，共400顆芯片，每顆芯片最大功率為3.75 W，芯片采用LG公司生產(chǎn)的垂直結(jié)構(gòu)芯片，具有良好的導(dǎo)熱性。

在狹長(zhǎng)的基板上封裝400顆芯片，會(huì)導(dǎo)致單位面積上的熱流密度大幅增加，若不及時(shí)采取有效的散熱措施，芯片結(jié)溫會(huì)急劇升高，導(dǎo)致芯片受損，嚴(yán)重影響UV固化燈的性能和使用壽命?；诠袒療粜⌒突捅憬莼囊螅疚牟捎脽峁軓?qiáng)制風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱處理，將400顆芯片分為十組模塊，單個(gè)模塊模型與尺寸如圖1所示，每組模塊貼有40顆芯片，芯片封裝在ALN陶瓷基板，后粘貼在銅基板上，銅基板與鋁塊固定兩根U型熱管，熱管上方布置有鋁制散熱片，結(jié)構(gòu)如圖2所示。整體散熱器參數(shù)如表1所示。

圖1 單個(gè)散熱器模塊模型及尺寸

圖2 單個(gè)散熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 散熱器組成材料及尺寸

1.2 系統(tǒng)熱阻模型及理論計(jì)算

根據(jù)對(duì)流傳熱的牛頓冷卻公式，UV-LED固化燈單個(gè)熱管散熱器模塊中的傳熱能力可以寫(xiě)成：

Q=αAΔt

(1)

其中，Q為熱管散熱器的總傳熱量，單位：W；α為熱管散熱器的總傳熱系數(shù)，單位：W/(m2·K)；A為散熱器的基準(zhǔn)散熱面積，單位：m2；Δt為芯片表面溫tLED度與散熱片周?chē)鋮s氣流溫度tf的溫差(Δt=tLED-tf)，單位：℃。從式(1)可以推導(dǎo)出：

(2)

式(2)中，R為當(dāng)基準(zhǔn)面積A為單位面積時(shí)，熱管散熱器的總熱阻，按傳熱學(xué)理論，它也是各串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)中的熱阻之和[12],

R=RLED+Rlr+Rrg+Rbh+Rfn+Rsr+Rf

(3)

(4)

圖3 散熱器熱阻關(guān)系圖

代入數(shù)據(jù)，得到α=19.55 W/(m2·K)，則單組熱管散熱器得最大理論傳熱量為383 W。

單個(gè)LED芯片模組的最大功率為150 W,假設(shè)發(fā)光率為20%[13]，則單個(gè)模組的發(fā)熱量為120 W。由此可見(jiàn)，單個(gè)熱管散熱器的最大理論傳熱量遠(yuǎn)高于單個(gè)芯片模組的最大發(fā)熱量，所以該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足使用要求。

2 仿真模擬與結(jié)果分析

2.1 仿真模擬

利用目前市場(chǎng)占有率較高的專(zhuān)業(yè)熱分析軟件Floefd進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置求解器、計(jì)算模型、材料屬性、邊界條件等參數(shù)，對(duì)熱管風(fēng)冷散熱器進(jìn)行仿真分析，為檢測(cè)整塊熱源基板上溫度分布情況，在各芯片模組中心各設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

2.2 結(jié)果分析

在室溫20 ℃情況下，LED芯片功率為1 500 W，抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量為7 m3/min時(shí)，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，得到整體熱源面溫度情況如下，從圖5可以看出，熱源面及散熱器溫度整體呈現(xiàn)“入低出高”的趨勢(shì)，溫度過(guò)渡較為平緩，高溫區(qū)域主要集中于出風(fēng)口一側(cè)，其主要原因可以從圖6和圖7看出，冷風(fēng)從散熱器左側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過(guò)10組熱管散熱器后，冷空氣吸收各散熱片上的熱量，溫度逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)右側(cè)出風(fēng)口時(shí)，溫度已到達(dá)38 ℃左右，使得右側(cè)靠近出風(fēng)口位置的熱源面溫度升高。LED芯片最高溫度低于60 ℃，達(dá)到使用要求。

圖4 散熱器基板溫度檢測(cè)點(diǎn)分布圖

圖5 散熱器熱源面溫度云圖

圖6 散熱器整體溫度云圖

由于UV固化生產(chǎn)不同的使用要求，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃，風(fēng)機(jī)流量為7 m3/min時(shí)，將芯片在不同熱功率下溫度變化情況進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，如圖8所示。隨著散熱功率的增加，芯片基板溫度也會(huì)急劇增加，且熱功率越大，溫度增加幅度越大。當(dāng)熱功率為300 W時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)T1與T10的溫差只有5 ℃左右，當(dāng)熱功率達(dá)到1 500 W時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)T1與T10的溫差已經(jīng)達(dá)到25 ℃左右，隨著熱功率的增加，溫差ΔT增幅達(dá)到60%。而基板芯片溫差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致芯片壽命降低，對(duì)UV-LED固化設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)要求更高，側(cè)面反映了使用熱管技術(shù)的必要性。

為了探尋抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)散熱效果的影響，在環(huán)境溫度為20 ℃，熱功率為1 200 W時(shí)，針對(duì)7種不同抽風(fēng)量進(jìn)行了對(duì)比仿真分析，結(jié)果如圖9所示，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加，熱源基板溫度也在降低，溫差減小。但隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的進(jìn)一步提高到7 m3/min時(shí)，熱源溫度下降緩慢，無(wú)較大差異，說(shuō)明盲目的加大抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量并不能使得散熱效果有顯著的提高。因此，在盡量滿(mǎn)足最佳散熱要求的同時(shí)，減少抽風(fēng)機(jī)功率消耗，選擇7 m3/min的抽風(fēng)風(fēng)量最佳。

圖9 不同抽風(fēng)量下熱源測(cè)溫點(diǎn)溫度曲線(xiàn)圖

進(jìn)一步地，在滿(mǎn)足小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，探尋在有限空間內(nèi)散熱片數(shù)量對(duì)散熱效果的影響。在環(huán)境溫度為20 ℃，熱功率為1 200 W，抽風(fēng)風(fēng)量為7 m3/min時(shí)，對(duì)四種數(shù)量下散熱片進(jìn)行仿真對(duì)比分析。結(jié)果如圖10所示，隨著散熱片數(shù)量的增加，熱源基板溫度逐漸降低，散熱片數(shù)量為25時(shí)與數(shù)量為35時(shí)，溫差在10 ℃左右。當(dāng)散熱片數(shù)量進(jìn)一步增加到40片時(shí)，雖然靠近入風(fēng)口的幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度有所下降，但靠近出風(fēng)口處的測(cè)溫點(diǎn)溫度幾乎不變，這是由于散熱片數(shù)量的增加，雖然增加了散熱接觸面積，但由于空間減小，冷風(fēng)在熱交換過(guò)程中溫度上升更快，導(dǎo)致出風(fēng)口一側(cè)的熱量無(wú)法及時(shí)散出，所以，散熱片數(shù)量為35片時(shí)最佳。

圖10 不同散熱片數(shù)量下熱源測(cè)溫點(diǎn)溫度曲線(xiàn)圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

通過(guò)后期實(shí)驗(yàn)、收集相關(guān)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，兩者相互驗(yàn)證，使熱分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)搭建的測(cè)試平臺(tái)如圖11所示，實(shí)驗(yàn)熱源采用5×8系列，波長(zhǎng)為385 nm的芯片模組，單個(gè)模組最大熱功率為120 W，可通過(guò)電源控制其輸出功率大小。每塊模組安裝在對(duì)應(yīng)的熱管散熱器上，散熱器右側(cè)連接工業(yè)抽風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為7 m3/min，通過(guò)SH-X型多路溫度測(cè)試儀記錄測(cè)試點(diǎn)溫度，室溫保持在20 ℃左右。

1—LED驅(qū)動(dòng)電源；2—LED芯片模組；3—熱管散熱器；4—工業(yè)抽風(fēng)機(jī)；5—SH-X多路溫度測(cè)試儀

圖12 實(shí)驗(yàn)器材：(a)芯片模組；(b)熱管散熱器；(c)實(shí)驗(yàn)圖

3.2 數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始15 min后開(kāi)始測(cè)量，以確保試驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。為減少實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，進(jìn)行三次測(cè)量記錄，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示，可以看出實(shí)驗(yàn)測(cè)量各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，誤差僅為4 %左右。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略高于仿真數(shù)據(jù)，原因有以下幾點(diǎn)。

圖13 仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)溫點(diǎn)溫度對(duì)比

1)在Floefd仿真分析中，忽略了芯片的封裝熱阻、芯片與銅基板之間的接觸熱阻以及銅基板至散熱器之間的接觸熱阻。在設(shè)置初始條件時(shí)，默認(rèn)其為完全貼合，但實(shí)際上雖然各接觸層之間涂抹有導(dǎo)熱硅脂，但由于導(dǎo)熱硅脂的涂抹均勻性等問(wèn)題仍然導(dǎo)致存在一定的接觸熱阻[14]。

2)由于UV光線(xiàn)的高輻射性，為避免對(duì)人體造成傷害，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在光線(xiàn)前方用遮蓋物遮擋，輻射產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散出，導(dǎo)致熱量聚集在LED芯片前方，形成二次熱源，導(dǎo)致LED芯片的溫度提高。

3)由于實(shí)驗(yàn)空間有限，抽風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口相距較近，在長(zhǎng)時(shí)間工作后，導(dǎo)致空氣溫度逐漸提高，散熱效果減小，芯片溫度升高。

4 總結(jié)

1)在LED芯片滿(mǎn)功率1 500 W(熱功率1 200 W)的情況下，當(dāng)抽風(fēng)量為7 m3/min、散熱片數(shù)量為35片時(shí)，采用該設(shè)計(jì)的熱管風(fēng)冷型固化燈其熱源基板監(jiān)測(cè)點(diǎn)最低溫度為32.2 ℃，溫度最高為50.5 ℃，滿(mǎn)足正常使用要求。

2)隨著熱功率的增加，熱源基板的溫差增幅越大，而通過(guò)增加抽風(fēng)量和散熱片數(shù)量可以有效地降低熱源溫度，其中，當(dāng)抽風(fēng)量增加到7 m3/min，散熱片數(shù)量增加到35片后，繼續(xù)增加抽風(fēng)量和散熱片數(shù)量，熱源溫度無(wú)顯著降低，故當(dāng)抽風(fēng)量為7 m3/min、散熱片數(shù)量為35片時(shí)，散熱效果最佳。

3)通過(guò)對(duì)上述熱管結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，溫度分布趨勢(shì)基本一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果誤差僅為4%左右，驗(yàn)證了數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性。

綜上所述，采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱管風(fēng)冷散熱器后，LED熱源溫度滿(mǎn)足固化燈的使用要求，且對(duì)抽風(fēng)量和散熱片數(shù)量有了更進(jìn)一步的確定，對(duì)大功率UV-LED風(fēng)冷式散熱器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。