基于微喷射流的高功率LED散热方案的数值和实验研究[2]

　　4 实验结果及分析讨论

　　图 7 反映了散热方案的实验对比结果, 实验过程中微泵的流量为 10 mL/s, 由于入口直径为 4 mm, 因此相应的入口流速大约为 0.8 m/s, 微喷的平均速度为 3.18 m/s。图 7 中纵坐标为红外温度测试仪获得的 LED 的表面平均温度, 横坐标为 LED 通电流时间。我们开了多组实验,实验中 LED 的输入电流分别为 0.3 A, 0.6 A, 1 A, 1.5 A, 2 A, 相应的电压分别为 6.3 V, 7.1 V, 7.4V, 7.9 V, 8.2 V. 为了对比冷却系统的散热效果, 当输入电流为 0.3 A 的时候, 冷却系统不工作。从图 7 可以清楚地看出, 当散热系统不工作的时候, LED 芯片仅仅依靠芯片下面的金属块自然对流散热, LED 的表面温度升高很快, 在 0.3 A 和 1.89 W 的输入功率下, 其表面温度在 10 min内从 27℃ 增加到 112.2℃。然而, 当冷却系统工作时, 在 0.6 A 和 4.26 W 的输入功率下, LED表面温度仅仅从 27℃ 变化到 32.4℃. 这一比较表明了散热方案能够有效地降低芯片温度。图7 还表明: 采用微喷散热方案, 即使电流增加到 2 A, 电压为 8.2 V, LED 的表面温度在 10 min内仅仅从 27℃增加到 44.2℃。上述实验结果说明, 采用微喷散热方案, LED 芯片可以工作在较大的输入电流和功率下, 同时其工作温度较低, 这表明采用该散热方案下的芯片有潜力获取高亮度。同时, 由于 LED 芯片工作在较低的温度下, 可以预计它的光输出效率和光的质量将得到提高, 寿命得以增加。

　　图 7 散热效果对比结果

　　图 8 显示了不同输入功率和微泵流量下 LED 表面温度随着通电时间的变化, 图 8 中纵坐标ΔT 为 LED 表面测量温度与测量当时环境温度之差, 实验中每一种测量工况下, 环境温度稍有差异, 为了更有效地反映微泵流量的变化导致的冷却效果变化, 这里采用了相对温度。从图8 可以看出, 在相同 LED 输入电流和功率情形下, 微泵流量较小的时候, LED 表面相对温度要高。比如在 2 A 电流输入, 8.2 V 电压作用下, 当微泵流量为 2.5 mL/s 时, LED 的表面温度相对当时环境温度升高了 28℃, 而同样的输入电流和电压情形下, 当微泵流量为 10 mL/s 时, LED组的表面温度只相对环境温度升高了 17.2℃。这就是说, 系统运行流量小的时候冷却效果较差。上述现象可以解释如下: 由于系统运行流量大, 流体能够快速带走 LED 热量。另外, 在同样的喷口直径下, 流量大的情形下冲击射流的平均速度要大, 冲击换热的效果更好。基于上述实验,在实际应用中, 在微泵的流量和微泵功耗两者之间, 必须有所权衡。大的微泵流量意味着好的散热效果与更好的 LED 发光效率和寿命, 但同时也相应地提高了系统的运行成本。

　　图 8 不同输入功率和微泵流量下的 LED 表面相对温度随着时间的变化

　　图 9 显示了系统中风扇在不同工作状况下 LED 表面温度随着时间的变化, 实验中风扇的输入功率为 1.6 W。由图 9 可见, 在 LED 输入电流为 1A, 施加电压为 7.4 V 的情形下, LED 工作 10 min 后, 风扇工作时 LED 表面温度要比风扇不工作时候低 4.8℃。显然, 翅片上风扇工作的时候, 系统散热效果要好很多。上述现象比较容易理解, 系统循环水在获取 LED 的热量后,温度升高, 水中热量如果不及时散发到环境中, 那么系统循环水温将持续升高, 散热效果将急剧下降, 最终无法为 LED 降温。在设计系统中, 循环水与环境交换热量的主要途径为翅片和风扇, 当风扇不工作的时候, 冷却系统与环境热交换将主要通过翅片的自然对流和沿层连接管的散热。反之, 当风扇工作的时候, 系统与环境的主要热交换为强制对流, 换热效果将有效地改善。

　　图 9 翅片上的风扇在不同工作状况下 LED 表面温度随着时间的变化

　　上述实验表明, 所提出的封闭微喷冷却系统作为 LED 散热的一种方式, 具有较好的散热效果, 与 LED 的接触热阻大幅度下降。其另外一个优势为将大量的集中在有限空间中的热量高效转移到更开阔的空间, 因此方便了设计和应用。

　　但对该散热方案, 由于采用主动散热设计, 系统中具有微泵等器件, 这在一定程度上增加了成本, 因此, 实际应用选择的时候必须在成本和性能之间权衡。 对许多大规模高功率密度LED 器件, 被动散热措施无法满足需要, 采用本系统将有效解决问题。

　　在上述实验中, 有几点需要说明: 1) 实验过程中, 微泵本身有一定的发热量, 部分热量也将传递到系统循环水中, 这在一定程度上加重了系统的热负荷, 因此, 在系统实际应用中, 微泵本身的发热量将是系统优化、特别是微泵选择的重要考量指标; 2) 通过红外温度测量仪测量得到的 LED 芯片表面温度是近似平均值, 它在一定程度上反映了 LED 芯片节点温度大小, 该温度值作为评价本散热系统的能力能够满足精度需求, 事实上, 即使是 LED 表面也存在温度梯度, 精确的温度测量需要采用高精度热像仪或其他设备进行; 3) 实验过程中每个工况下测量的时间是基于 LED 温度趋向稳定来确定的, 测试时间较短, 从评价系统可靠性上考虑, 测试时间应该大幅度延长, 进一步的工作正在进行中。

　　5 微喷器件的数值模拟

　　微喷器件是图1 所示意散热系统的主要部分, 它的散热效果直接影响整个系统的冷却性能。前面所描述的实验系统, 特别是微喷器件没有开展有意识地优化设计, 但显然微喷和微喷腔体等尺寸对换热效果有很大的影响。由于实验用微喷器件非常小且系统封闭, 布置传感器几乎不可能, 开展相关的实验测量有很大的难度, 数值模拟能有效地解决这个问题。为了寻找合适的模拟模型以实现数值优化, 有必要开展一定的数值研究并与已有实验进行初步的比较。

　　从图2可以看出, 微喷器件内部有流体流动, 外部则有壳体与芯片和芯片基板的导热及与环境的对流换热, 因此它是耦合的传热问题。数值模拟采用商用软件 Fluent 6.2 来开展。

　　图 10 显示了微喷器件的模拟模型, 流体入口为恒定流量 10 mL/s, 也即为恒定流速 0.79m/s, 工质为水, 微喷金属壳体为不锈钢, 所有材料和参数包括微喷器件的尺寸参数与前述实验保持一致, 微喷入口水流温度保持在 27℃左右, 其他微喷参数如图 6 所示。由于入口雷诺数为 3876, 微喷器件内部为湍流状态, 湍流模型采用标准 k-ε 模型, 计算开始前研究了网格对计算结果的影响, 以确保网格对计算结果的影响误差在 1%以内。

　　图 10 模拟模型的某视角侧视图

　　图 11 比较了数值模拟的芯片稳态温度与实验测量的芯片温度的差异。30 min 实验测量的芯片表面温度趋向于稳定, 接近 32.8℃, 完全同样条件下的数值模拟的稳态结果为 34℃, 两者较为接近, 这表明数值模拟所用模型能反映真实的系统, 可以作为数值优化的工具, 为系统的下一步优化设计提供基础。

　　图 11 数值模拟的芯片表面温度与实验测量芯片表面温度比较

　　图 12(a)和图 12(b)分别显示了图 11 工况下微喷器件的模拟温度分布和速度分布。 图 12(a)中, 4 个芯片表面温度最高, 达到 34℃。图 12(b)显示了微喷器件内部速度分布情况, 计算结果表明: 微喷器件的流动阻力为 23551 Pa, 被水带走的热量为 3.18 W, 上腔体固体表面温度与内部流体温度差大约为 3 K 左右, 上腔体与水接触面积大约为(256e−6)m2, 由公式 Q= αFΔt 可以估计上述微腔体内的换热系数

　　值得说明的是, 实际 4 个芯片的电输入功率为 4 W, 该功率大约 20%左右转化为光能, 剩下80%转化为热, 这样输入 4 W 的电功将产生 3.2 W 的热量。通过上述模拟结果发现, 这 3.2 W热量有 3.18 W 被水带走, 剩下 0.02 W 将在腔体壳表面和芯片上部通过自然对流散走。从图12(b)和上述分析可以看出, 由于微喷上部腔体高度设计不合理, 射流在上腔内的水阻力较大,无法有效地直接冲击 LED 芯片的下基板, 这将大大降低冲击射流效率, 虽然如此, 但是微喷射流对微喷器件内上腔体的流动形成强烈扰动, 因此即使射流没有直接冲击 LED 芯片基板,它的换热效果仍然不错。但无论如何, 设计的实验系统中的微喷器件需要详细的参数优化以实现射流直接冲击芯片基板, 这样可以获取最大的换热效果。

　　图 12 微喷器件的模拟温度分布和速度分布(a) 微喷器件温度分布; (b) 微喷器件内速度分布

　　6 总结

　　本文提出了一种基于微喷射流冷却的封闭系统, 该系统可用于高亮度 LED 芯片组的散热和封装。对该系统开展了系统实验和初步数值研究, 主要结论和总结为:

　　1) 对比实验表明该系统具有良好的散热能力, 能有效地将 LED 芯片组的工作温度下降。在不采用微喷射流散热系统和依靠自然对流散热的情形下, 对 2×2 LED 芯片组输入 16.4 W 的输入功率, 运行 10 min 后, 芯片表面测量平均温度为 112.2℃, 但采用本方案后芯片表面温度仅仅为 44.2℃;

　　2) 系统运行的流量越大效果越好, 但同时也增加了运行成本, 微泵的可靠性和性能对本系统影响非常大;

　　3) 对设计的实验系统的初步数值模拟发现, 在 2×2 芯片组输入 4 W 功率的情形下, 稳态数值计算下芯片表面平均温度为 34℃, 与接近稳态实验测得的 32.8℃相近, 这一对比表明数值计算模型可以作为系统进一步参数优化和分析的工具;

　　4) 模拟结果表明, 实验用微喷器件在10 mL/s的流量下的流动阻力为23551 Pa, 对流换热系数为 4140.6 W/m2·K;

　　5) 系统特别是微喷器件的参数优化和模拟设计及长时间可靠性测试需要进一步开。

编辑：Cedar