大功率LED液冷散熱器王程

1、河 南 理 工 大 學(xué)2011年工程訓(xùn)練創(chuàng)新大賽設(shè)計(jì)方案申報(bào)書項(xiàng) 目 名 稱： 大功率LED液冷散熱器 負(fù) 責(zé) 人（簽字）： 王 程 成 員 （簽字） ： 王程、韓相元、魏德超、徐慶慶 申報(bào)日期： 2011 年 5 月 15 日 工程訓(xùn)練中心制2011年4月項(xiàng)目名稱大功率LED液冷散熱器研究團(tuán)隊(duì)姓 名性別專業(yè)班級分 工手機(jī)號碼/郵箱王程男熱能08-4設(shè)計(jì)、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)徐慶慶女熱能08-2計(jì)算、實(shí)驗(yàn)魏德超男機(jī)制09-9實(shí)驗(yàn)韓相元男熱能08-2計(jì)算指導(dǎo)教師王 華目的意義現(xiàn)狀：LED是一種高效能的固態(tài)光源，它具有可靠性高、壽命長、發(fā)光效率高、啟動時(shí)間短、無紫外線等優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)有大功率LED的散熱問題一

2、直是困擾其發(fā)展的一個(gè)重要因素，溫度過高會使其發(fā)光強(qiáng)度降低，影響其出光效率及照明質(zhì)量，而且嚴(yán)重影響它的壽命。功能說明：現(xiàn)在液冷技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，而且很多液冷介質(zhì)具有比熱大、換熱良好等特性，但是在LED方面卻沒得到應(yīng)用。本成果通過嘗試新的散熱方式液冷散熱，來實(shí)現(xiàn)高效地解決現(xiàn)在大功率LED的散熱問題。項(xiàng)目來源LED是未來的新一代固體光源，由于它壽命長、發(fā)光效率高、能耗低、單色性好、色彩豐富、響應(yīng)速度快使得它在照明領(lǐng)域普及與廣泛應(yīng)用，并被公認(rèn)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一，這一新型節(jié)能發(fā)光元件符合國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃，有著巨大的發(fā)展空間。設(shè)計(jì)方案（一）方案原理1、LED發(fā)光原理LED是

3、利用半導(dǎo)體PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，在元素原子核周圍有使電子能夠存在的兩個(gè)能量帶，即電子不能夠自由移動的“價(jià)電子帶”與電子可動的“傳導(dǎo)帶”。從電子的角度看，低的能量帶為價(jià)電子帶，高的為傳導(dǎo)帶。圖1 LED的結(jié)構(gòu)圖N型半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶中電子是可動的，P型半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶中沒有電子，取而代之的是在價(jià)電子帶上無電子的空穴。因此在P區(qū)和N區(qū)之間，N型半導(dǎo)體中的電子與P型半導(dǎo)體中的空穴會發(fā)生相互擴(kuò)散。因?yàn)橄嗷U(kuò)散的原因，在PN結(jié)處會形成一個(gè)一定大小的勢壘（勢能比附近的勢能都高的空間區(qū)域），進(jìn)而阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，使PN結(jié)內(nèi)部處于平衡狀態(tài)。在PN結(jié)工作時(shí)，要給它施加一個(gè)正向電壓（P型半導(dǎo)體材料接正極

4、），此時(shí)PN結(jié)的勢壘將降低，N區(qū)的電子注入到P區(qū)，P區(qū)的空穴注入到N區(qū)，導(dǎo)致非平衡狀態(tài)的產(chǎn)生。這些注入的電子和空穴在PN結(jié)處相遇復(fù)合并湮滅，將能量以光的方式向外釋放。從而實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體的發(fā)光，這也就是LED的發(fā)光原理。在電子的移動過程中，一些電子會被無輻射中心俘獲，能量以熱能的形式散發(fā)，因?yàn)槟壳癓ED器件的密集化和小型化程度越來越高，單位容積器件的發(fā)熱量迅速增大，所以其散熱問題成為了阻礙其發(fā)展的重要原因。2、大功率LED散熱器工作原理圖2.1 液冷LED散熱結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)散熱系統(tǒng)設(shè)備連接完畢，電路導(dǎo)通，水泵、芯片及風(fēng)扇開始工作，芯片的溫度漸漸升高，熱量穿過導(dǎo)熱硅脂傳遞給水冷塊，進(jìn)而將熱量傳向?qū)嵋?/p>

5、，導(dǎo)熱液溫度升高。它在水泵的推動作用下流向換熱器，并在風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻下，將熱量排向外界，然后低溫的導(dǎo)熱液被泵推到水冷塊中進(jìn)入下一輪循環(huán)，系統(tǒng)就在不斷的循環(huán)中達(dá)到散熱的目的。（二）大功率LED散熱器的結(jié)構(gòu)組成試驗(yàn)階段的LED散熱系統(tǒng)，包括了測溫裝置和兩個(gè)循環(huán)（圖4.1）。測溫裝置置圖2.2 實(shí)驗(yàn)散熱系統(tǒng)測溫裝置通過熱電偶來采集測溫點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將其反映在顯示屏上，我們可以通過觀察測溫裝置的顯示屏，來監(jiān)控芯片、水冷塊以及導(dǎo)熱液的溫度。試驗(yàn)階段的電路循環(huán)部分包含了電源、LED芯片、水泵、風(fēng)扇及電流表、電壓表。芯片水冷塊圖2.3 水冷塊及芯片LED芯片它是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件，它作為光源為我們提供了高品質(zhì)的白

6、光，這個(gè)是恒壓直流電源，它保證了LED芯片的工作穩(wěn)定性；和水泵及風(fēng)扇相連的是直流電源，水泵可推動導(dǎo)熱液的流動，風(fēng)扇將高溫導(dǎo)熱液的熱量帶到燈罩外，從而實(shí)現(xiàn)了對導(dǎo)熱液的降溫；兩塊電表分別是電流表和電壓表用以監(jiān)控LED芯片的工作狀況。圖2.4 水循環(huán)部分試驗(yàn)階段的液冷循環(huán)部分它是由水冷塊、換熱器、流量計(jì)、水泵和管路組成的。圖2.5 水冷塊內(nèi)部通道設(shè)計(jì)自行設(shè)計(jì)的水冷塊是一個(gè)中空的腔體，它是由兩塊銅板焊接而成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.5所示。關(guān)于水冷腔的設(shè)計(jì)我們做了大量工作，首先，因?yàn)闊嵩词敲鏌嵩?，為了能夠均勻冷卻整個(gè)接觸面，未將水冷腔內(nèi)通道設(shè)計(jì)成為蛇形，這樣設(shè)計(jì)同時(shí)減小了水冷腔內(nèi)液體的流動阻力利于小流量散熱；其

7、次，在水冷板的成形方式上，考慮全部用銅片焊接時(shí)焊接工作量大，而且焊接溫度高，不容易保證水冷板的尺寸、平面度等要求，選用厚銅板成形，以減小焊接工作量。水冷板選擇導(dǎo)熱率較高的紅銅，以使工作面的熱量盡快傳遞到墻體內(nèi)部，將熱量交換給溫度較低的水，完成散熱過程。為了加工方便，水冷腔的槽設(shè)計(jì)得較寬，槽的兩端都采用圓角設(shè)計(jì)，考慮出、入水口的直徑不能太?。庸ぁ⒘鲃幼枇?、配套設(shè)備的限制），為盡可能增加工作面與流體的換熱面積，只在水冷板下板內(nèi)部加銑供水槽與排水槽（圖2.5左）。水冷板上板槽的槽深設(shè)計(jì)得較大，既能減小上板工作面內(nèi)外壁溫間的熱阻，又增加了上板內(nèi)壁與冷卻水之間的換熱面積。同時(shí)留有供工作面銑磨的加工余量

8、。水冷板的下板則相對較厚，以便于出口入口處螺帽的焊接。水冷板加工好后，通過焊接工藝將上下板焊接到一塊，保證密封。焊接好后的工作面要再經(jīng)過銑磨加工，以保證足夠平整。并且將兩個(gè)接口螺帽分別焊接在水冷板下板供水槽與排水槽中央的小孔上，同樣要保證密封。水泵為液冷循環(huán)提供動力，保證導(dǎo)熱液的正常循環(huán)。換熱器通過將水箱的表面做成褶皺形的，增大它的換熱面，從而加快對導(dǎo)熱液的冷卻；流量計(jì)主要用于控制和監(jiān)控導(dǎo)熱液的流動。2（包括材料、調(diào)研、加工制作、論文發(fā)表等費(fèi)用）本項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算430.00元整，具體預(yù)算如下：1、材料：1）硬質(zhì)的板材若干（做燈罩用）需要YG8型板材 150.00元左右2）材料需紅銅塊大概80元左

9、右 80.00元左右2、調(diào)研：相關(guān)材料的檢索、打印復(fù)印費(fèi)用需 100.00元左右3、加工制作：燈罩加工制作、散熱器優(yōu)化費(fèi)用 100.00元左右預(yù)期成果（如作品實(shí)物、模型、論文、專利等）1、需要對散熱器的循環(huán)回路進(jìn)行優(yōu)化；2、做出散熱器的燈罩，并實(shí)現(xiàn)完整裝配該燈具；3、如果允許，還可以將現(xiàn)在的LED芯片功率增大，向更大功率的LED芯片發(fā)展。特色創(chuàng)新創(chuàng)新點(diǎn)：本成果獨(dú)特地將液冷方式應(yīng)用于LED的散熱，還具有獨(dú)特設(shè)計(jì)的吸熱端水冷塊，該冷塊中的液冷通道能夠使流經(jīng)該通道的導(dǎo)熱液高效吸收芯片所發(fā)出的熱量，將熱量及時(shí)帶走。作品的先進(jìn)性：現(xiàn)有針對LED的散熱的實(shí)現(xiàn)形式主要是風(fēng)冷散熱及熱管散熱。1、對于風(fēng)冷散熱：

10、在強(qiáng)制對流過程中，增大空氣流速度可以增大熱交熱功率，但是二者并不是簡單的線性關(guān)系，隨著空氣流速的進(jìn)一步增大，熱交換率的改變量會變小，這樣對于散熱器的應(yīng)用范圍就相對減少。而液冷散熱方式，它的熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷的二十倍以上，相對于風(fēng)冷散熱，它的散熱效果更優(yōu)越。2、對于熱管散熱：雖然它的散熱效率也很高，但是它熱交換所排出的熱量很大，仍需要風(fēng)扇將這部分熱量排出LED工作器件，這又額外帶來了噪音。而液冷模式，主要利用導(dǎo)熱液比熱容大的特點(diǎn)，只需在LED基座中合理布置液冷回路，并嚴(yán)格控制導(dǎo)熱液流量，可以將LED芯片散發(fā)的熱量直接傳導(dǎo)入空氣中。所以，LED液冷系統(tǒng)，可以節(jié)約空間、降低成本、降低噪音。經(jīng)對比不難發(fā)現(xiàn)：液冷散熱方式是一種既能實(shí)現(xiàn)高效率散熱、噪音又小的散熱形式，將它與LED的結(jié)合，將會給國內(nèi)照明行業(yè)帶來一次質(zhì)的飛躍。進(jìn)度安排初步將工作進(jìn)程分五個(gè)階段：第一階段