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        哈雷釬焊板式換熱器
        專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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        熱管換熱器應用于大功率LED路燈冷卻系統研究

        點擊:1951 日期:[ 2014-04-26 21:13:59 ]
                     熱管換熱器應用于大功率LED路燈冷卻系統的實驗研究                           勾昱君1,2劉中良1     (1.北京工業大學環境與能源工程學院教育部傳熱強化與過程節能重點實驗室,北京100022;2.唐山學院,河北唐山063009)     摘要:研發了一系列將大功率發光二極管(LED)散熱和熱管傳熱相結合的用于大功率LED路燈冷卻的熱管散熱器,并對設計出的熱管散熱器的傳熱性能進行了實驗研究。實驗結果表明,該系列熱管散熱器具有良好的散熱能力,能控制節點溫度在70℃以下,滿足了LED路燈對結點溫度的控制要求;同時實驗結果表明,改變翅片結構,換熱器散熱能力明顯不同,所研發的具有菱形、開孔形及外翻形翅片的熱管換熱器散熱能力比普通矩形翅片熱管換熱器的散熱能力明顯提高,其中以外翻形翅片的熱管換熱器散熱能力最好;另外研究了改變環境溫度、熱管排布數量、翅片材質及結構對換熱器散熱性能、換熱裝置體積、成本及質量的影響,找到更具應用價值的熱管換熱器形式;最后研究了熱管換熱器工作傾角對LED路燈散熱能力的影響,傾角越小,散熱能力越好,垂直使用時散熱能力最差,最后從理論上加以分析。     關鍵詞:熱管;大功率LED;工作傾角;傳熱系數     1·引言     大功率LED路燈與常規高壓鈉燈路燈不同的是,大功率LED路燈的光源采用低壓直流供電、GaN基功率型藍光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管,是基于半導體PN結形成的用微弱的電能就能發光的高效固態光源。與采用高壓鈉燈的傳統路燈相比,具有光效高、光電轉化效率高、光衰小、光顯色性好及對環境污染性小等優點,因此LED路燈替代傳統的高壓鈉燈,是今后發展的一個主要趨勢。但隨著LED路燈功率的增大,散熱能力差是限制其發展的一個主要技術瓶頸。眾所周知,LED作為光電器件,其工作過程中只有15%~25%的電能轉換成光能,其余的電能幾乎都轉換成熱能,使LED的結點溫度升高,其生命周期、亮度、產品穩定性等都會隨之發生衰竭,大功率LED路燈也因此發生損壞。因此在大功率LED路燈設計中,最主要的設計工作就是散熱環節。同時LED路燈亮度要求高,使用環境比較苛刻,如果散熱解決不好,會迅速導致LED老化,穩定性降低。     目前LED路燈的散熱方式主要有:自然對流散熱、加裝風扇強制散熱、均溫板散熱、熱管及回路熱管散熱等。自然對流的散熱方式效果差,不能及時把產生的熱量釋放出去,加裝風扇強制散熱方式系統復雜、可靠性降低,考慮大功率LED路燈的實際應用情況,其冷卻部分的尺寸不允許過大,要能夠滿足容納于燈罩中的尺寸要求,還要兼顧美觀,近幾年很多學者研發了新型的散熱方式來取代傳統的直接固體外部熱沉的方法實現對LED的散熱。如羅小兵、劉勝等人開展了采用微噴射流[1],[2]的方法來冷卻LED芯片系統的研究,該系統依靠一個微型泵來提供循環的動力,雖然取得了良好的散熱效果,但是微泵工作的可靠性和穩定性制約了這種系統實際應用于LED器件散熱的可能性。     熱管技術近年來成為大功率LED路燈散熱的另一項熱門技術[3~4]。如莫冬傳[5]等人開展了環路熱管對于LED啟動特性的研究,魯祥友[6]等人進行了回路熱管熱阻和蒸發部分表面溫度的測定,以及不同功率下熱管散熱性能的研究。這些實驗結果表明把熱管技術應用于LED器件散熱是可行的。因為熱管是一種傳熱效率極高的換熱元件,冷、熱流體間的熱量傳遞是靠熱管內工作介質蒸發和冷凝的相變過程耦合在一起的,它的當量熱導率可達金屬的103~104倍。但就目前來說,熱管應用于LED路燈散熱方面的研究還處于剛剛起步的階段,技術并不成熟。     本文作者在研究熱管換熱機理及LED路燈熱源發熱特點的基礎上研發了一組新型熱管換熱器,把該系列熱管換熱裝置應用于LED路燈模擬實驗臺上取得了良好的換熱效果,而且實驗結果表明熱管換熱器翅片結構的不同會極大影響其散熱性能,所研發的外布開孔形翅片和外翻形翅片結構的熱管換熱器散熱能力比普通外布矩形翅片結構的熱管換熱器散熱能力有明顯提高。同時工作角度的改變也會影響熱管換熱器的換熱性能,本文通過實驗測定了熱管換熱器應用的最為理想的工作條件,并從理論上加以分析。     2·實驗系統與裝置     實驗系統由LED路燈模擬熱源、均熱銅板和熱管換熱器三部分構成。均熱銅板置于熱源和熱管換熱器中間,厚度為4mm。其中熱管換熱器又分為蒸發段、傳熱段和冷凝段三部分,材質均為紫銅,其中蒸發段熱管內嵌于均熱板當中,強化蒸發換熱,熱管采用燒結芯,冷凝段熱管外加特殊結構的翅片,破壞傳熱的層流邊界層,也起到強化換熱的作用。LED模擬熱源由一根下部為圓柱形上部切削為矩形的銅柱體構成,下部內嵌4根電阻加熱棒,總功率可達300W,上部切成的矩形銅柱體端面面積為26mm×14mm,在柱體頂端構建6個小圓柱端面,每個直徑為5mm,模擬LED的發熱源。在上部矩形銅柱的四個側面各設置4排測溫孔,孔深5mm,孔徑1mm,孔間距為15mm,采用T型熱電偶測溫,以獲取不同實驗條件下的熱流密度。T型熱電偶連接于數據采集系統,并通過計算機輸出溫度數值。置于熱源和換熱器之間的均熱板的四個側面各設置四個測溫孔,孔深為5mm,孔徑為1mm,測定不同實驗條件下熱管換熱器的冷卻效果。整個實驗過程設計在自然對流條件下進行。實驗系統如圖1所示。                   3·實驗結果及分析     3.1均熱板、普通熱管換熱器及新研制熱管換熱器散熱能力的比較     傳統的LED路燈散熱技術中使用的均熱板一般為一片5mm厚的銅板,實際上算是均溫板,把熱源產生的熱量傳遞到銅板上再均勻散掉,實驗過程中我們也使用了這樣一塊銅板,用于比較其與熱管換熱器的散熱能力的不同。傳統的熱管換熱器中翅片的形狀為矩形,有些情況為了增強換熱的效果也有采用銅翅片的結構,這樣就增加了散熱的成本,且使得質量增加,不利于實際的使用,在我們研發的新型熱管換熱器中,采用鋁質翅片,但翅片形狀和結構與以往不同,以更小的菱形翅片取代原來的矩形翅片,研發的過程中反復調整翅片的間距,達到最好的換熱效果,這樣的設計使得散熱裝置的成本降低、質量減輕,同時換熱效果也有一定改善。實驗過程中,控制環境的平均溫度均保持在25~26℃之間,環境的濕度在45~50%,保證各個實驗條件相似。實驗均在自然對流條件下進行,實驗結果如圖2所示,熱源上部的溫度隨著實驗的進行在開始階段都會迅速增加,經過一段時間之后,趨于穩定,但三次實驗結束時熱源表面的溫度相差非常大。從圖中可以明顯看出,只設均熱板的情況,如黑線所示,實驗經過6小時后,均熱板表面的溫度已達到了143.6℃,遠遠超過了LED燈正常使用的結點溫度110℃。設置傳統的熱管換熱器,熱源表面溫度在6小時后為80.1℃,而改用我們研制的熱管換熱器,6小時后熱源表面的溫度可控制在71.2℃,比以往的熱管換熱器降低熱源表面溫度近10℃左右,實驗結果說明我們所研發的熱管換熱器具有良好的散熱性能,且能夠穩定工作。                   3.2熱管換熱器不同翅片結構對散熱性能影響的實驗     熱管換熱器翅片形狀及結構的不同會影響其換熱的性能。通過改變翅片結構,我們研發了三種不同的熱管換熱器A、B、C,翅片形狀分別為菱形、開孔形和切割外翻形,對所研發的三種新型翅片形狀的熱管換熱器的散熱性能進行了實驗測定,結果表明,具有外翻形翅片的換熱器C散熱性能最好,具有開孔形翅片的換熱器B的散熱能力優于在實驗一中采用的菱形翅片的換熱器A。     實驗結果如圖3所示,三個實驗的環境溫度分別為18.1℃、18.4℃和18.5℃,環境溫度近似,可以忽略環境溫度對不同熱管換熱器散熱性能的影響。實驗過程進行5個小時,測定熱源表面最終的溫度,在安裝換熱器A和B時,終溫分別為58.3℃和55.7℃,而設置換熱器C時,熱源表面的溫度可以控制在52.3℃,比換熱器A降低板表面的溫度接近6℃,比散熱器B降低近3.5℃,散熱能力最好。分析其原因,可能與換熱器C的翅片結構能夠明顯破壞換熱層流邊界層,提高了翅片與外部空間的換熱能力有關。                   3.3不同熱管根數及翅片材質和形狀對換熱性能的綜合影響     為了研究熱管根數和翅片材質對熱管換熱器的影響,我們設計了具有不同翅片材質和內嵌不同根熱管的熱管換熱器E、F和G,其中熱管換熱器E內嵌三根熱管,采用銅質翅片,而F熱管換熱器采用四根熱管,鋁質翅片結構,兩種熱管換熱器的成本相近,外觀尺寸相同(為了使F的尺寸和E相同,我們減小了熱管的尺寸,采用5的燒結芯熱管取代E中使用的6熱管來制作換熱器F),從圖4中可以明顯看到換熱器F的散熱性能明顯優于換熱器E,實驗測定最終熱源表面的溫度,在使用換熱器E時最終溫度達到70℃,而使用換熱器F時的溫度只有56.4℃,兩者相差近14℃,說明熱管換熱器中起到轉移熱量的關鍵部件是熱管,雖然翅片的材質也會影響熱管換熱器的散熱性能,但與熱管對散熱能力的影響相比,銅質翅片和鋁質翅片對散熱的影響差別并不大。                   圖4中,熱管換熱器G采用的是兩根熱管,鋁質翅片的結構,散熱能力最差,熱源表面的最終溫度達到了73.6℃。但是換熱器G的成本要比E和F的成本降低50%左右,而且尺寸減小,質量只是換熱器E的1/3,換熱器F的1/2左右,具體比較數據見表1,結合2.3的實驗結果我們對G的翅片結構進行優化,采用散熱效果最好的切割外翻形翅片,其散熱性能與普通的帶有矩形銅質翅片結構的換熱器E的散熱性能比較如圖5所示,環境溫度分別為26.5℃和17.6℃,從圖中可以明顯看出,工作的環境溫度更高的情況下優化后的散熱器G的散熱能力與普通矩形翅片結構換熱器E的散熱能力相近,而新型熱管換熱器G的尺寸減小了近1/3,質量減少了1/3以上,這樣的尺寸和質量更適用于大功率LED散熱裝置的實際應用。                   3.4不同環境溫度對熱管換熱器散熱性能影響實驗     環境溫度是影響熱管換熱器散熱性能的另一個主要因素,為了找到環境溫度對熱管換熱器散熱性能的具體影響,我們設計了另一個實驗,讓同一熱管換熱器在不同的環境溫度下工作,比較發熱源的最終溫度,分析散熱能力的不同,實驗結果如圖6所示,熱管換熱器(采用的是普通的矩形翅片)在環境溫度為17.7℃的條件下工作,最終熱源表面溫度可控制在73.6℃,當環境溫度升高到26.8℃時,熱源表面的最終溫度達到了80.6℃,環境溫度相差9.1℃時,熱源表面的終溫最終相差7℃,可見隨著環境溫度的升高,發熱源表面的溫度也隨之大幅度的上升,在大功率LED散熱裝置的優化設計過程中應注意環境溫度的影響。                    3.5不同輸入電壓對熱管啟動性能的影響     熱管換熱器性能測試實驗臺當輸入不同的電壓時,LED模擬熱源內部的加熱管輸入功率不同,均溫板輸出的熱流密度也會發生變化,進而影響熱管的啟動時間、影響換熱器的散熱性能。圖7反映了三者之間的關系,隨著輸入電壓的加大,熱流密度逐漸增大,而熱管的啟動時間逐漸縮短,當輸入電壓為75V時,熱管換熱器在49min時才開始啟動,之后隨著輸入電壓增加為100V、150V和200V,啟動時間逐漸縮短為30min、18min和14min,可見,輸入功率越大,熱管啟動越迅速,越容易進入到穩定工作的狀態。                    4·結論     (1)建立了熱管散熱器性能測試臺,可對不同結構尺寸及不同輸入功率的熱管散熱器,分析其散熱能力、熱穩定性等;     (2)對翅片結構進行優化,我們設計了三種不同翅片形狀的熱管換熱器,分別為菱形、開孔形和切割外翻形,根據實驗結果,菱形翅片結構的換熱器A比以往傳統的矩形翅片結構具有更好地散熱能力,實驗條件相似的情況下,熱源表面溫度可比傳統翅片形式的換熱器多降低10℃左右,但A的換熱效果不及開孔形翅片的換熱器B,兩者最終溫度相差為2.6℃左右,而帶有切割外翻形翅片結構的熱管換熱器C換熱效果最好,可比菱形翅片換熱器A減低熱源表面溫度達6℃左右;     (3)研究熱管根數及翅片材質對散熱性能的影響發現,帶有4根熱管的換熱器F散熱能力明顯優于帶有兩根熱管的G和三根熱管的E,在成本相近的情況下F可比E多降低均熱板溫度達14℃左右;換熱器G的散熱能力雖不及F,但要優于E,而且尺寸比E和F小近1/3,成本只是前面兩種換熱器的1/2,質量也極大的減輕,僅為E的1/3,F的1/2,這樣的體積、質量和成本更有利于熱管換熱器在LED路燈中的實際應用;     (4)研究了環境溫度對熱管換熱器散熱性能的影響,發現隨著環境溫度的升高,熱管換熱器的散熱能力隨之降低,因此熱管換熱器實際應用于LED路燈中要考慮惡劣環境(高溫地區)的影響。     (5)研究了熱管換熱器的啟動時間與輸入電壓之間的關系,輸入電壓加大,熱流密度增加,熱管啟動時間隨之減小,這也會影響熱管換熱器的工作情況。     參考文獻:略
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