照明用LED新型冷却方式的现状及发展趋势★

刘东 蒋斌 邹国荣

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

0 引言

随着社会科技的进步，人们对能源的需求越来越大。这其中照明逐步成为能源消耗的一个很重要的方面。据统计:现有电能产量的15%用于照明［1］。为了减少照明用电，人类开始尝试使用大功率LED作为照明光源，其具有照度大、节能、环保和长寿命等优势，与白炽灯相比，可节省60%～90%的电能，寿命提高数倍，因此LED照明得到了世界各国的普遍认同和推广。2007年欧盟春季首脑会议已经达成协议，从2009年开始，禁止生产白炽灯泡，以减少温室气体排放。我国在2003年启动了“国家半导体照明工程”，并确定了厦门、上海、大连和南昌为首批四个国家半导体照明产业基地。

1 LED散热问题

在LED照明中，输入功率中约60%～70%的能量转化为热量，如果这些热量不及时带走会导致芯片温度上升，而过高的温度会引起LED芯片效率降低，甚至烧毁。通过对现有半导体器件LED失效的原因分析发现，其中55%是由于温度过高而导致的，因此LED的散热问题，已经成为LED照明的技术瓶颈，严重阻碍了大功率LED的推广与应用。现有的LED冷却一般都是直接采用自然冷却，对于小型LED灯而言，其单位面积热流密度约为5 W/cm2～30 W/cm2。此时自然对流冷却由于其低成本、小体积和重量轻的特点成为小型LED首选的有效的散热方式。如:现在市场上家用的3 W～5 W的LED灯都是采用肋片自然对流冷却(如图1所示)。而随着LED功率的不断增加，这种冷却方式越来越不能适应LED的散热需求。因此大量新型的冷却方式被提出并应用。本文介绍几种新型的冷却方式，给LED热设计者提供一定参考。

图1 某品牌照明用3 W LED灯

图2 热管工作原理示意图

2 热管冷却技术

最早的热管是1944年美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler在其专利［2］中提出的。热管散热技术是最近几年被广泛应用的一种高效传热方式，其通过重力或者毛细力的作用，可以在很小的截面上远距离传输大量的热量。和常规的传热方式相比，其最大的优点是无需外加动力。其主要工作原理如图2所示。其由工作介质，管壳等组成(毛细热管还必须有吸液芯)。热管是将管内抽成10－1Pa～10－4Pa的负压后充以适量的工作介质并密封。根据位置的不同，热管吸收热量的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，两段中间为绝热段。热管工作时，其蒸发段受热，热量传递到内部从而使此处液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段;工质在冷凝段放出热量后凝结成液体，液体依靠毛细力或者重力的作用流回蒸发段。如此循环，热量就由热管的一端传至另一端。现有的热管按照其工作原理不同可以分为:重力热管、毛细热管、脉动热管和平板热管等。

从热管的原理分析可以发现:热管由于其没有运动部件，热流流动完全依靠其自身的能量，并且导热过程伴随着相变的进行，因此，其具有较好的导热能力，传热量大，传热温差小的优点。同时热管的蒸发段及凝结段可以互换，因此热传输方向可以任意改变。但由于低温蒸汽粘性力、气流速度达到音速导致的塞流现象、液滴超过液体表面张力飞散的剪断力等制约，散热能力只能在100 W/cm2～200 W/cm2之间，用于目前LED的散热，可以完全满足要求。

3 微结构冷却方式

对于传统的散热器而言，在换热系数一定的情况下，比表面积增加，换热量就会增强。而微结构冷却方式就是在一些薄片上加工出不同的微结构形状(槽道、肋片、多孔结构)，并将这些薄片按照一定的方式堆叠和焊接起来形成小尺度换热器。采用大比热容的流体工质流过该散热器从而构成微结构系统。其主要由驱动泵、微结构散热器、外部散热器等组成。冷却液体被驱动泵增压后，流过微结构散热系统进行吸热，从而带走微结构内的热量，换热后高温的冷却液体进入外部散热器冷却后继续循环(见图3)。

图3 典型的微结构散热系统

最早的微结构冷却系统是在1981年由Tuckerman［3］提出的。其设计加工的硅基微槽道散热器在进出口温差为71℃时可带走790 W/cm2的热量。此后，研究者对其进行了大量的研究，Qu［4，5］等的文章对其进行了较好的阐述。微结构冷却方式的最高散热能力可达1 000 W/cm2，加之其结构紧凑、散热量大、低热阻、薄片型设计、能够成批生产等特点，如果用作LED的散热，其具有很好的发展前景。

4 微槽群复合相变集成冷却技术

微槽群复合相变集成冷却技术是在微结构冷却方式上的改进，其利用微细结构复合相变强化换热机理，利用流动工质自身的毛细现象和重力实现循环。其利用毛细微槽群复合相变取热器取出热量后，工质蒸发，蒸汽通过管道进入高效微结构凝结器中，微结构冷凝器利用微细尺度凝结槽群上的微结构换热效应将蒸汽凝结并放热，放出的热量经壁面向外传导到微结构冷凝器的外壁的肋表面上，并利用自然对流效应释放到环境中去。凝结液在压力梯度作用下通过管道流回到微槽群复合相变取热器继续取热，从而实现循环冷却的目的。冷却系统示意图［6］见图4。

图4 微槽群负荷相变冷却系统结构示意图

微槽群复合相变集成冷却技术具有超导热能力、冷却能力超强、无功耗冷却、重量轻、体积小、可靠性高、成本低、环保、余热利用等特点，并被成功应用在LED灯上，LED芯片的热量能瞬间分布在整个散热空间中，延长了LED灯的寿命，提高了发光效率。

5 喷雾冷却

喷雾冷却是将连续的液体工质加压后通过小孔喷出，由于速度梯度和剪切力的作用，连续的液体被破碎成不同大小的微细雾状液滴，并以一定的速度冲击到被冷表面，通过单相对流和两相沸腾带走被冷表面热量的一种冷却方式(见图5)［7］，近几十年来，随着电子器件散热需求的不断增加，喷雾冷却也受到了研究者的广泛关注。但是将其用于LED散热，必须要解决喷雾液滴的收集等问题。

6 射流冲击冷却

在局部需要产生强烈的换热效果时可以采用射流冲击的方法。气体或液体在一定的压差作用下通过不同形状的喷嘴成一定角度(可能垂直)的喷射到被冷却的表面上［8］。单个喷嘴射流冲击的示意图如图6所示。

影响射流冲击的设计关键是:喷嘴阵列形式(喷嘴数量、喷嘴形状、喷嘴的倾斜度等)、流体流态和换热特性、喷嘴到冷却表面的距离D。使用液体射流冲击时还需要考虑排水问题，有一种做法是出流管在板长度方向，和喷嘴平行。冲击形式如自由射流、浸没射流、圆形孔射流、平板射流、单喷嘴射流阵列。要考虑被冲击表面的边界即液膜厚度的影响。

图5 典型喷雾图

图6 单个喷嘴垂直射流示意图

按照射流冲击的工质可分为气体射流冲击和液体射流冲击，气体射流冲击，导热系数可以达到900 W/(m·K)。Lanchao［9］使用碳氟化合物作为冷却液，可以冷却的最大热流密度为90 W/cm2;用甲醇作为冷却液，可以冷却的最大热流密度为490 W/cm2，用水作为冷却介质时，可以达到的最大热流密度为1 000 W/cm2。

7 结语

本文针对几种不同类型的新型LED冷却方式的原理进行了综述，并对各种冷却方式进行了对比。并且随着技术的不断发展，加工和制造技术的不断成熟，冷却技术的不断革新，这几种冷却技术在LED照明上必然会得到广泛的推广。

［1］张健忠.降低照明能耗的措施［J］.机械工厂设计，1981(2):25-26.

［2］Gaurler R S.Heat transfer device.USA US2350384［P］.1944.

［3］D B.Tuckerman，R F W Pease.High Performance Heat Sinking for VLSI［J］.IEEE Electron Device Letters，1981(5):126-129.

［4］刘 东.高热流密度微结构散热器换热特性的研究［D］.北京:中国科学技术大学，2011.

［5］Weilin Qu，Issam Mudawar.Flow boiling heat transfer in twophase micro-channel heat sinks—Ⅱ.Annular two-phase flow model［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46(15):2773-2784.

［6］http://baike.baidu.com/view/6420355.htm.2013-3-18.

［7］王亚青，刘明侯，刘 东，等.喷雾冷却换热机理和影响换热性能的因素［J］.强激光与粒子束，2011(9):2277-2281.

［8］平丽浩，钱吉裕，徐德好.电子装备热控新技术综述(下)［J］.电子机械工程，2008，24(2):1-9.

［9］Lanchao Liu，Reng asam y ponnappan.Heat transfer characteristics of spray cooling in a closed loop［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003(46):3737-3746.