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照明用大功率LED热管散热器的研究

【摘要】:发光二极管(LED)是一种直接把电能转换成光能的固体半导体器件。相对于传统的白炽灯和荧光灯,发光二极管已显示出了许多优势,正在对固体照明产业产生重大影响,被认为是下一代的通用照明的强有力的替代者,从而正在吸引越来越多的人们的注意。然而,目前制作的大功率LED的芯片的热流密度已经超过了100W/cm2,如何控制大功率LED的热能量,是LED器件封装和应用必须解决的核心问题。目前,国内外普遍采用的方法是通过改变LED基板材料、封装结构和其它辅助工具(如:风扇)带走热量的方法来试图解决LED的散热问题。 本文的研究内容为照明用大功率LED的散热特性及其热管散热器。针对现有照明用大功率LED散热系统中的不足之处及照明用大功率LED的散热的实际参数要求,对几种热管技术应用在照明用大功率LED的散热领域中的可能性进行了探讨。主要研究了在不同的大功率LED封装结构条件下,系统的热负荷、蒸发器倾斜角及蒸发器的加热方式等对热管的起动性、均温性、热阻等的影响。此外,本文从探讨大功率LED封装材料材质和材料的热导率匹配的角度出发,用ANSYS软件对LED进行了热场的有限元模拟以评估其散热性能。 本文的主要研究成果及发现: (1)本文首次对扁平热管技术应用在照明用大功率LED散热系统中的可能性进行了试验研究,并比较了扁平热管和铜板两种散热方式下LED的结点温度和热阻的热特性。研究结果表明:在大功率条件下,热管的散热能力明显优于传统的铜板散热;在保证LED器件结温在允许的范围内,为了改善LED的光学性能,可以进一步提高LED的工作电流。然而,传统的热管散热器由于是汽液同道,因此,热管一弯曲效能便剧降,但是,应用在大功率LED领域,为了满足造型需要,热管必须弯曲,所以传统的热管不能有效地解决大功率LED的散热问题。 (2)本文首次对现有的平板式回路热管散热器技术应用在照明用大功率LED散热系统中的可能性进行了探讨。研究表明,在输入功率为20W时,模拟LED芯片结点温度可以稳定地控制在60℃左右。在输入功率为30W时,热管热阻为0.48K/W。相对于以往LEDs金属散热体,此种平板式回路热管散热器的热阻下降。本论文对此种结构的热管在蒸发器倾斜角度变化时,蒸发器的均温性进行了研究,认为将此种结构的热管应用在大功率LED散热系统时,建议要注意对蒸发器倾斜角度对系统散热性能的影响进行评估。 (3)本文提出了一种用于大功率LED散热的新型结构回路热管;研究了热负荷、蒸发器倾斜角、加热方式等对热管的起动性、均温性、热阻等影响。研究结果表明:热管的热阻在0.19K/W~3.1K/W之间;蒸发器的均温性被控制在1.5℃以内;在热负荷为100W时,此回路热管蒸发器的温度可被控制在100℃以下,满足大功率LED结点温度的控制要求。

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