微熱管技術(shù)解決LED散熱問題(2)

三、微熱管可實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化

微熱管，是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機(jī)制冷的效果。具有很高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向酌可逆性、可遠(yuǎn)距離傳熱、恒溫特性(可控?zé)峁?、熱二極管與熱開關(guān)性能等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。由于其特殊的傳熱特性，因而可控制管壁溫度，避免露點(diǎn)腐蝕。微細(xì)熱管與常規(guī)熱管最大區(qū)別在于微熱管內(nèi)單位蒸汽流量的壁面比表面積提高，因而可實(shí)現(xiàn)傳熱的強(qiáng)化。

出于為電子器件冷卻的目的，Cotter在1984年提出“微型熱管”的概念以來，微型熱管的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了重力型、具有毛細(xì)芯的單根熱管，到具有一簇平行獨(dú)立微槽道的平板熱管，進(jìn)而發(fā)展到內(nèi)部槽道簇之間通過蒸汽空間相互連通的形式。近十幾年來，用于冷卻電子元器件的微熱管技術(shù)得到了很大的發(fā)展，國內(nèi)外有許多學(xué)者進(jìn)行了研究。

從傳熱觀點(diǎn)看，微細(xì)熱管與常規(guī)熱管最大的區(qū)別在于微熱管內(nèi)單位蒸汽流量的壁面比表面積大大提高，因而可以實(shí)現(xiàn)傳熱的強(qiáng)化。平板微熱管陣列(micro- heatpipearray)，即將多個同時形成的、彼此完全獨(dú)立的微細(xì)熱管組合在一起(而不僅僅是微通道陣列熱管)，各個微細(xì)熱管間不連通，且每個微熱管內(nèi)表面可帶有微槽群等強(qiáng)化換熱的微結(jié)構(gòu)。這樣的平板微熱管陣列與現(xiàn)有的平板熱管和單根微熱管相比，特點(diǎn)在于：第一，多根微熱管并聯(lián)解決了微熱管由于微尺度造成的熱輸運(yùn)能力小的問題;第二，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使得相變換熱面積大大增加。因?yàn)槲峁苤g的鋁質(zhì)壁面具有很好的導(dǎo)熱性能，能夠?qū)⒓訜崦娴牟糠譄崃總鲗?dǎo)到與其相對的微槽面上，在整個微熱管的周面都有相變發(fā)生。無論蒸發(fā)段還是冷凝段，單位蒸汽流通量的散熱能力得到極大強(qiáng)化。第三，微細(xì)熱管之間的間壁在結(jié)構(gòu)上起到了“加強(qiáng)筋”的作用，大大增強(qiáng)了平板微熱管陣列的承壓能力。第四，平板微熱管陣列的外形扁平，能夠方便地與換熱面貼合，克服了常規(guī)圓形截面的重力熱管需要增加特殊結(jié)構(gòu)才能與換熱面緊密貼合的缺點(diǎn)，減小了界面接觸熱阻。

平板微熱管陣列材料為鋁合金，寬度、長度、厚度可任意調(diào)整，內(nèi)部有一定數(shù)量和尺寸相同的、并排排列彼此獨(dú)立的微細(xì)熱管，每個微熱管內(nèi)有微槽群結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得平板微熱管陣列具有很高的可靠性，即使出現(xiàn)其中某個微熱管損壞的情況，其他獨(dú)立的微熱管仍然可以正常工作，因此平板微熱管陣列的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于連通結(jié)構(gòu)熱管的可靠性。

平板微熱管陣列是種具有超導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱元件，其表觀熱傳導(dǎo)率是同樣金屬材質(zhì)熱傳導(dǎo)率的5000倍以上，是具有同樣斷面積的傳統(tǒng)圓形熱管的換熱能力的10 倍。平板內(nèi)的每根微熱管獨(dú)立工作，且承壓能力是傳統(tǒng)圓形熱管的10倍以上，很難發(fā)生機(jī)械性破壞每米溫差小于1攝氏度，幾乎可以被認(rèn)為是一個等溫體;微熱管陣列的放熱面積大，鋁翅片、基板及熱管的溫度基本一致。利用平板微熱管陣列技術(shù)，每平米為200～400根，獨(dú)立運(yùn)行的微熱管是高傳熱性、高可靠性微熱管陣列應(yīng)具有承壓能力強(qiáng)、能夠與換熱表面很好貼合、熱輸運(yùn)能力強(qiáng)、性價比高等特點(diǎn)。能夠解決目前電子芯片散熱、LED燈散熱等領(lǐng)域內(nèi)高熱流密度的散熱問題。

四、微熱管陣列具有高效吸熱性

微熱管陣列因?yàn)橥瑫r具有高效吸熱、傳輸及高效放熱特性，因此可以基本解決各種LED的散熱難題。熱管的性能表觀評價方法主要是測量熱管沿軸向的溫度均勻性。熱管的響應(yīng)時間則取決于其材料(包括金屬材料及工質(zhì))的熱容。為了評價制作的平板微熱管陣列，用50cm長的熱管進(jìn)行了均溫性及熱響應(yīng)時間的測試。實(shí)驗(yàn)時在熱管垂直方向布置4根T型熱電偶，分別位于熱管的蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，平板微熱管陣列具有很好的均溫性。從蒸發(fā)段到冷凝段的溫度差在1℃以內(nèi)，熱響應(yīng)時間在80s以內(nèi)。通過對基于平板微熱管陣列的功率型LED照明裝置的幾種不同組合形式進(jìn)行試驗(yàn)測試，分析了平板微熱管陣列與散熱器的接觸面積、微熱管陣列熱運(yùn)輸長度、接觸熱阻對基于平板微熱管陣列的功率型LED照明散熱裝置的影響，包括管板接觸面積對裝置的傳熱影響、接觸熱阻對平板微熱管陣列LED傳熱裝置的傳熱影響和U 形平板微熱管陣列的LED照明散熱裝置的性能。

微熱管可以隨意組合成一定寬度的平板微熱管陣列，且微熱管可以任意彎折，且傳熱效果在較低的熱流密度下無明顯變化。U形微熱管陣列是一種由實(shí)驗(yàn)證明傳熱性能良好的微熱管陣列的彎折形式。微熱管陣列因?yàn)橥瑫r具有高效吸熱、傳輸及高效放熱特性，且可柔性變形與翅片結(jié)合，因此可以基本解決各種LED的散熱難題。其特點(diǎn)如下：

一是微熱管陣列的蒸發(fā)換熱部的最大換熱能力可達(dá)到200W/cm;

二是高熱傳導(dǎo)率：是實(shí)心鋁材的5000倍以上;

三是高可靠性：由于平板內(nèi)的每根微熱管獨(dú)立工作，即使有一兩根微熱管破壞，其他微熱管照樣在發(fā)揮作用而不至于影響使用。況且，其承壓能力是傳統(tǒng)圓形熱管的10倍以上，根本就很難發(fā)生機(jī)械性破壞;

四是高等溫性：每米溫差小于1℃，幾乎可以被認(rèn)為是一個等溫體;

五是大面積接觸：由于微熱管陣列的放熱面積大，可實(shí)現(xiàn)鋁翅片、基板及熱管的溫度基本一致，幾乎完全消除了“翅片效應(yīng)”。

審核編輯黃昊宇