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用于大功率LED冷却的微槽群相变换热技术的理论与实验研究

【摘要】: LED灯由于低工作电压,反应时间短,使用寿命长,无污染等优点,在显示和照明系统中得到广泛的应用。随着LED功率以及集成度的升高,其散热问题也越来越严重,过高的结温不但会使LED的寿命急剧衰减,还会影响LED的峰值波长,光功率,光通量等诸多性能参数。为将LED灯的结温控制在较低的水平,必须为大功率LED设计有效的散热装置。本文旨在通过对矩形毛细微槽群的相关理论研究,揭示液体在矩形毛细微槽中的流动和高强度相变换热机理,并在此基础上,为大功率LED设计一套高性能的微槽群相变散热系统。 本文对微槽横截面上的气液分界面形状进行了理论分析。微槽横截面上扩展弯月面的相变换热主要集中在蒸发薄液膜区域,在一定条件下对Wayner蒸发模型进行简化,根据等壁温边界条件推出蒸发薄液膜区域热流密度近似为定值,并通过Young-Laplace模型以及流体动力学理论,推导出了微槽横截面薄液膜区域液膜厚度变化的关系式,并与Wayner蒸发模型的计算结果进行了比较。并进一步提出了全新的交界线区域长度的判定方法,根据蒸发薄液膜区域总换热量计算得到蒸发薄液膜区域的长度,求得交界处接触角,并求得固有弯月面区域的曲率半径表达式,从而最终得出了微槽横截面整个气液分界面的形状曲线,理论分析表明:槽宽、热流密度、过热度等因素对蒸发薄液膜区域长度、接触角以及固有弯月面曲率半径等参数有较大的影响。 在毛细微槽群强化换热机理的研究基础上,本文为大功率LED设计了一套微槽群相变散热装置,实验研究了充液工质,充液率,倾斜角度等参数对该装置散热性能的影响,并得到了最佳的充液工质,充液率,倾斜角度等参数。与传统的散热装置相比,能够有效地降低LED的工作温度,而重量与体积都远小于传统肋片散热装置,且成本较低,适合产业化推广。

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