屈 健，楊學(xué)貴，彭友權(quán)，王 海，孫 芹

(1.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

作為新一代綠色照明光源，LED具有發(fā)光效率高、能耗低、壽命長和安全環(huán)保等特點(diǎn)，有望進(jìn)入普通照明市場并逐步取代傳統(tǒng)照明光源，近年來在世界范圍內(nèi)受到極力推崇，市場前景廣闊[1].然而，在大功率照明領(lǐng)域，LED的廣泛應(yīng)用仍面臨著諸多困難，散熱就是其中亟需解決的關(guān)鍵問題之一[2].脈動(dòng)熱管與常規(guī)熱管相比具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低廉和傳熱性能突出等優(yōu)點(diǎn)，除了電子器件冷卻[3]、動(dòng)力電池冷卻[4]、余熱回收[5]和太陽能熱利用[6]等領(lǐng)域外，在大功率LED冷卻方面同樣具有很高的潛在應(yīng)用價(jià)值.

脈動(dòng)熱管主要可分為管式和板式2種結(jié)構(gòu)形式[7].傳統(tǒng)管式脈動(dòng)熱管通常由金屬毛細(xì)管彎折而成，具有結(jié)構(gòu)形式靈活、制作和使用方便等特點(diǎn)；而板式脈動(dòng)熱管則通常在金屬平板上加工出矩形或三角形溝槽結(jié)構(gòu)，然后在上部覆蓋透明或非透明平板而形成，便于直接作為器件冷卻用熱沉.借助管式脈動(dòng)熱管易于變形彎折的特點(diǎn)，LYU L.C.等[8]設(shè)計(jì)制作了蒸發(fā)段面積緊湊、冷凝段面積伸展的管型脈動(dòng)熱管(內(nèi)徑為2 mm，外徑為4 mm)，并用于100 W大功率LED冷卻的研究.測試發(fā)現(xiàn)在熱管冷凝段(帶鋁翅片)自然對流冷卻條件下，以水為工質(zhì)時(shí)，LED的溫度能夠控制在74 ℃，借助LI J.等[9]提出的電-熱類比模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)LED芯片結(jié)溫約為98 ℃，能夠滿足LED冷卻的需要.而對于平板脈動(dòng)熱管，LIN Z.R.等[10]研究發(fā)現(xiàn)連接鋁板脈動(dòng)熱管的64 W LED在熱管傾角60°時(shí)其溫度能夠降低7 ℃，同樣具有很好的冷卻效果.目前，針對上述2種結(jié)構(gòu)形式脈動(dòng)熱管的有關(guān)報(bào)道大多集中在二維結(jié)構(gòu)熱管方面，而將其應(yīng)用于大功率LED研究同樣如此.近年來，構(gòu)建三維脈動(dòng)熱管[5, 11]也引起不少學(xué)者的關(guān)注，與傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管相比，三維脈動(dòng)熱管空間結(jié)構(gòu)更為緊湊，重力依賴性小，但已有研究報(bào)道大多仍以單一毛細(xì)管或平板構(gòu)成，難以將兩者的優(yōu)點(diǎn)充分結(jié)合并形成更加合理的結(jié)構(gòu)，特別是對于散熱空間緊湊度要求更高的微電子/光電器件冷卻領(lǐng)域，如何通過合理的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)將熱管蒸發(fā)段與熱源直接連接甚至集成，將是進(jìn)一步減小傳熱熱阻和增強(qiáng)冷卻器件均溫性的有效手段.屈健等[12]提出了一種新型的緊湊結(jié)構(gòu)三維脈動(dòng)熱管，該熱管的蒸發(fā)器由帶平行小通道的平板構(gòu)成，而冷凝段則由銅毛細(xì)管構(gòu)成，兩者結(jié)合了管式和板式脈動(dòng)熱管各自的優(yōu)點(diǎn)，具有空間適用性強(qiáng)和傳熱性能突出的優(yōu)點(diǎn).

筆者以屈健等[12]提出的三維緊湊結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管為基礎(chǔ)，首先對其蒸發(fā)段平板小通道內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)銅粉處理，然后在充注乙醇工質(zhì)(充液率為30%～50%)情況下，將其應(yīng)用于80 W大功率LED的散熱冷卻研究.

1 試驗(yàn)裝置和系統(tǒng)

1.1 脈動(dòng)熱管設(shè)計(jì)制作

針對大功率LED溫控冷卻，制作的緊湊型脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 緊湊型脈動(dòng)熱管裝置

熱管的蒸發(fā)器部分由內(nèi)含平行圓通道(內(nèi)孔直徑為2 mm)的平板構(gòu)成(見圖1a)，平板尺寸40 mm×20 mm×3.5 mm；冷凝段則由內(nèi)外徑分別為2和3 mm的銅毛細(xì)管構(gòu)成.平板與毛細(xì)管的具體連接形式如圖1c所示，平板內(nèi)通道兩端的擴(kuò)孔(直徑為3 mm，孔深為4 mm)可與毛細(xì)管的外徑相匹配，將若干等長的銅毛細(xì)管(內(nèi)、外徑分別為2和3 mm)彎曲成U形，兩端分別插入平板兩側(cè)擴(kuò)孔中后采用焊接進(jìn)行密封，即可得到所需的緊湊型脈動(dòng)熱管.熱管的冷凝段彎頭數(shù)為9個(gè)，上述脈動(dòng)熱管最外側(cè)毛細(xì)管上預(yù)留有抽真空/工質(zhì)充注接口.

在前期針對緊湊型脈動(dòng)熱管傳熱特性研究[12]基礎(chǔ)上，為了將其應(yīng)用于對大功率LED的冷卻并更好地增強(qiáng)溫控效果和空間(重力作用)變化適應(yīng)性，對熱管裝置中平板蒸發(fā)器內(nèi)的圓通道內(nèi)壁面進(jìn)行了燒結(jié)銅粉處理，如圖2所示.

圖2 通道內(nèi)壁燒結(jié)銅粉顆粒的蒸發(fā)器部分剖面示意圖

圓通道內(nèi)壁所形成的燒結(jié)銅粉顆粒厚度約為0.1 mm，該多孔層除了利于蒸發(fā)段內(nèi)液相核化氣泡生成和促進(jìn)熱管啟動(dòng)外，還能部分扮演吸液芯的功能，由此避免蒸發(fā)段過早出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，提升熱管的整體傳熱性能.燒結(jié)銅粉掃描電鏡(SEM)照片及通過ImageJ分析得出的粒徑分布如圖3所示，銅粉粒徑尺寸大部分為0～10 μm(約占84.06%).

圖3 燒結(jié)銅粉的SEM照片和銅粉顆粒粒徑分布圖

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，主要由緊湊型脈動(dòng)熱管、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大功率LED和冷卻風(fēng)扇4部分組成.熱管的平板蒸發(fā)器由緊貼在其平板上的LED直接進(jìn)行加熱，兩者之間涂有導(dǎo)熱硅脂以減少接觸熱阻.

試驗(yàn)用大功率LED如圖5所示，由80個(gè)LED燈珠陣列組成(單個(gè)功率1 W)，總功率為80 W，陣列整體尺寸為56 mm×40 mm.在LED背面鋁板上布置有3個(gè)Ω公司生產(chǎn)的精度± 0.2 ℃的K型熱電偶(T9,T10和T11)，用來測量其背溫變化.外部交流電源經(jīng)穩(wěn)壓器和調(diào)壓器后連接LED驅(qū)動(dòng)電源加熱端，將其轉(zhuǎn)換為直流電后再連接功率計(jì)測量獲得其工作狀態(tài)下的電壓、電流、負(fù)載功率和功率因數(shù)(試驗(yàn)中的功率因數(shù)均大于0.95).熱管的冷凝段通過風(fēng)冷進(jìn)行冷卻，冷卻風(fēng)速約為4.8 m·s-1(手持風(fēng)速計(jì)，精度為±3%)，試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在(25±1)℃.在熱管冷凝段毛細(xì)管表面布置有8個(gè)K型熱電偶(見圖1中T1-T8)，與前述3個(gè)熱電偶(T9,T10和T11)一起接入數(shù)據(jù)采集器(Agilent 34970A)后對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和儲(chǔ)存.為了測量不同冷卻狀態(tài)下LED的照度，在LED燈珠陣列的正對位置放置有照度計(jì)(見圖4).

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖5 LED照片

試驗(yàn)以乙醇為工質(zhì)，熱管內(nèi)體積充液率范圍在30%～50%，通過改變熱管傾角α分別測量獲得了0°(水平放置)、30°、60°和90°(豎直放置)下冷凝段溫度和LED背板溫度及其對應(yīng)情況下的照度.試驗(yàn)過程中，隨著加熱功率的增大，冷凝段的溫度不斷上升直到基本保持不變，然后進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集.

2 結(jié)果與分析

2.1 加熱功率、傾角和充液率對LED背溫的影響

傾角為90°(豎直放置)，在不同充液率FR及加熱功率P下，LED背板平均溫度的變化如圖6所示.

圖6 不同充液率及加熱功率下LED背溫的變化

圖6中：t為時(shí)間；θe為LED背板平均溫度.

θe=(θ9+θ10+θ11)/3，

式中：θ9，θ10，θ11分別為T9, T10, T11測量的溫度.

從圖6可以看出：在給定充液率下，熱管啟動(dòng)時(shí)間隨著加熱功率增加而減小，而啟動(dòng)溫度則隨之升高.從圖6c可以看出：當(dāng)充液率為50%、加熱功率為30 W時(shí)，啟動(dòng)溫度為51.7 ℃，啟動(dòng)時(shí)長約74 s；當(dāng)加熱功率增加到40 W時(shí)，啟動(dòng)溫度和啟動(dòng)時(shí)長分別為58.7 ℃和52 s.出現(xiàn)上述結(jié)果的原因如下：① 平板蒸發(fā)器熱積累隨著加熱功率增大而加快，熱管內(nèi)工質(zhì)快速升溫并發(fā)生核化而使其能夠迅速啟動(dòng)；② 脈動(dòng)熱管裝置的熱容未發(fā)生改變，加熱功率的增大導(dǎo)致熱管裝置整體溫度相應(yīng)升高，從而引起啟動(dòng)溫度升高.從圖6還可以看出：相同加熱功率下，熱管的啟動(dòng)溫度隨著充液率增加而增大.以60 W加熱功率為例，當(dāng)充液率為30%，40%和50%時(shí)，其啟動(dòng)溫度分別為61.3，62.4和65.1 ℃.因此，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，充液率為30%的熱管具有最佳的啟動(dòng)性能.熱管啟動(dòng)后，LED背溫隨著熱管充液率的提高也有所增加，主要原因可能是在保證熱管不發(fā)生燒干的前提下，較低的充液率對應(yīng)著較小的氣液塞振蕩運(yùn)動(dòng)阻力，有利于提高工質(zhì)振蕩運(yùn)動(dòng)幅度和頻率，加快熱量從熱端向冷端的傳遞，增強(qiáng)脈動(dòng)熱管的整體換熱效率.

加熱功率為60 W時(shí)，LED背溫在不同傾角α下的變化如圖7所示.

圖7 不同充液率下LED背溫隨熱管傾角的變化

從圖7可以看出：當(dāng)充液率為30%時(shí)，相比其他傾角，水平放置的脈動(dòng)熱管在啟動(dòng)過程中(約120～340 s)LED背溫最高，當(dāng)熱管進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后(約350 s后)，傾角對背溫的影響基本可以忽略，且溫度波動(dòng)幅度很小，表現(xiàn)出良好的均溫性；增大充液率至40%時(shí)，傾角對LED背溫的影響主要表現(xiàn)在前面50～400 s，特別是水平放置熱管的LED背溫在70～80 s時(shí)段出現(xiàn)突降，這是熱管啟動(dòng)的標(biāo)志；隨著熱量積累(400 s后)，各傾角熱管均過渡至穩(wěn)定運(yùn)行階段，LED背溫曲線相互交疊，與30%充液率下的規(guī)律相似；繼續(xù)增大充液率至50%，傾角對穩(wěn)定振蕩熱管的LED背溫影響較大.充液率增大表明重力增加，能夠促使熱管內(nèi)汽、液塞振蕩運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定，工質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度也更高.隨著傾角增大，LED背面溫度逐漸減小，表明隨熱管傾角增大重力作用對該熱管運(yùn)行和性能影響逐漸顯現(xiàn).

2.2 加熱功率、傾角和充液率對LED照度的影響

不同充液率下，LED背溫和照度E隨傾角和加熱功率的變化如圖8所示.在相同充液率及加熱功率下，LED背溫與照度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即背溫減小可提高LED照度，這主要是由于輸入LED的電能將以光能和熱量的形式釋放出來，當(dāng)發(fā)熱量下降(表現(xiàn)為LED背溫下降)，輸入電能將更多地轉(zhuǎn)換成光能，從而導(dǎo)致照明強(qiáng)度的增強(qiáng).同時(shí)，在給定的加熱功率下，LED背溫隨著傾角的增加而減小，因此LED背溫在傾角達(dá)到90°時(shí)獲得穩(wěn)定的最小值.比較圖8a-c可以發(fā)現(xiàn)：充液率的提高可以引起LED照明強(qiáng)度的下降，主要由于輸出功率恒定時(shí)，高充液率熱管需要吸收更多熱量來增大其溫升最終導(dǎo)致LED輸出光能的減小，即照度減?。划?dāng)加熱功率為60 W時(shí)，LED在30%，40%和50%充液率下的照度分別為14 900，14 100 和12 900 lx，表明低充液率的緊湊型脈動(dòng)熱管具有更好的傳熱性能，從而實(shí)現(xiàn)大功率LED在較低溫度下工作并提高其發(fā)光效率.

圖8 不同充液率下LED背溫和照度隨熱管傾角和加熱功率的變化

3 結(jié) 論

1)充液率不變時(shí)，熱管啟動(dòng)時(shí)間隨著加熱功率增加而減小，啟動(dòng)溫度隨之升高；加熱功率恒定時(shí)，熱管啟動(dòng)溫度隨著充液率增加而增大.試驗(yàn)范圍內(nèi)，30%充液率下的熱管具有最佳的啟動(dòng)性能.

2)低充液率(30%和40%)時(shí)，水平放置的脈動(dòng)熱管在啟動(dòng)過程中，LED背溫較其他傾角高；但隨著熱管過渡至穩(wěn)定運(yùn)行階段，傾角影響逐漸減弱，LED表現(xiàn)出良好的均溫性.隨著充液率增大至50%，傾角對LED背溫影響逐漸增大.

3)相同充液率和加熱功率下，LED背溫與照明強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即背溫減小可提高LED照度.加熱功率恒定時(shí)，LED背溫在傾角為90°能夠獲得穩(wěn)定的最小值，且當(dāng)充液率為30%時(shí)，LED照度較其他充液率大，因此為實(shí)現(xiàn)大功率LED在較低溫度下工作和高發(fā)光效率，將傾角90°和充液率30%作為該脈動(dòng)熱管用于大功率LED 散熱的最佳工況.