單 龍，胡學(xué)功，王際輝，田 紅

(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

1 引 言

節(jié)能環(huán)保已成為本世紀(jì)的主旋律，LED以高效、節(jié)能、長(zhǎng)壽命、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。目前LED尚未達(dá)到理想的電光轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)為了追求更高的光照強(qiáng)度，LED芯片的集成度越來越高，大功率LED芯片的熱流密度甚至超過300 W/cm2［1］，但 LED 作為半導(dǎo)體器件，對(duì)溫度十分敏感，如此高的熱流密度若不采取有效、可靠的散熱措施將導(dǎo)致芯片結(jié)溫急劇升高，引起光譜紅移、芯片熱應(yīng)力累積、光強(qiáng)和效能下降［2］等，結(jié)溫的升高還會(huì)導(dǎo)致燈具使用壽命和可靠性呈指數(shù)級(jí)衰減［1］。因此，隨著LED向高功率、高集成度方向發(fā)展，高效、優(yōu)化的散熱技術(shù)成為大功率LED可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

微槽群復(fù)合相變換熱技術(shù)是一種利用微槽群結(jié)構(gòu)形成的毛細(xì)壓力梯度驅(qū)動(dòng)液體在微槽群內(nèi)流動(dòng)，在擴(kuò)展彎月面薄液膜區(qū)域高強(qiáng)度蒸發(fā)、厚液膜區(qū)域核態(tài)沸騰的微細(xì)尺度高強(qiáng)度取熱換熱技術(shù)。LED燈具作為一種照明設(shè)備，需滿足多樣化的使用需求和使用環(huán)境，像投光燈、外墻燈、探照燈、投射燈等特別需要變換照射角度，即調(diào)節(jié)燈具的出光傾角(安裝角度)以實(shí)現(xiàn)理想的照明效果。對(duì)于采用微槽群復(fù)合相變換熱技術(shù)的太陽花散熱器，調(diào)節(jié)燈具的出光傾角會(huì)導(dǎo)致:(1)散熱器的自然對(duì)流散熱能力與換熱表面形狀、大小、換熱表面與流體運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位置以及換熱表面特性有密不可分的關(guān)系，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的方向效應(yīng)［3-5］，改變出光傾角必然影響散熱器外部自然對(duì)流散熱能力;(2)散熱器內(nèi)部液體分布受重力和毛細(xì)力的共同作用，改變出光傾角必然影響微槽群內(nèi)的液體分布，影響微槽群的取熱能力。因此，研究出光傾角對(duì)采用微槽群復(fù)合相變換熱技術(shù)的太陽花散熱器取熱散熱能力的影響非常有必要。

針對(duì)自然對(duì)流條件下散熱器的方向效應(yīng)，研究人員采用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬等方法分析了方向效應(yīng)、散熱面積的匹配性及散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)散熱性能的影響［6-8］，對(duì)空心或?qū)嵭牡膹较蛏崞鳎?］、太陽花散熱器［10］、射孔徑向散熱器［11-12］等進(jìn)行了出光傾角、自然對(duì)流傳熱特性的研究。還針對(duì)LED燈具散熱研究了導(dǎo)熱塑料［13］、熱電制冷［14］、疊片散熱器［15］等的自然對(duì)流散熱能力。對(duì)于微槽群復(fù)合相變換熱技術(shù)已開展了如微槽群換熱特性及氣泡動(dòng)力學(xué)［16］、機(jī)械振動(dòng)作用下微槽群熱沉內(nèi)換熱特性［17］、微槽群熱沉液體潤(rùn)濕長(zhǎng)度［18］等研究工作。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于傾斜角度對(duì)熱管類散熱器散熱性能的研究較少，對(duì)于采用微槽群復(fù)合相變換熱技術(shù)的太陽花散熱器(以下簡(jiǎn)稱微槽群散熱器)出光傾角對(duì)散熱器散熱性能影響的研究鮮有報(bào)道。本文通過實(shí)驗(yàn)方法研究太陽花型材散熱器與微槽群散熱器在不同散熱器高度、功率的散熱性能隨出光傾角的變化規(guī)律，獲得散熱器的綜合換熱性能，用于指導(dǎo)太陽花散熱器及熱管類散熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2 實(shí) 驗(yàn)

出光傾角θ的定義如圖1所示，熱源朝下時(shí)θ定義為0°，熱源朝上時(shí)θ定義為180°。對(duì)于翅片向外輻射狀的太陽花散熱器，該定義方式可涵蓋LED燈具的全部出光傾角。實(shí)驗(yàn)使用的太陽花散熱器由內(nèi)腔、上下蓋板構(gòu)成封閉空腔，由若干沿徑向延伸的翅片構(gòu)成擴(kuò)展表面。實(shí)驗(yàn)時(shí)將旋轉(zhuǎn)軸左側(cè)中間及右側(cè)中間的翅片分別定義為A翅片和B翅片，翅片上布置12根熱電偶測(cè)量徑向和軸向各測(cè)點(diǎn)的溫度，測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖1 出光傾角θ的定義Fig．1 Definition of the installation angle θ

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig．2 Location ofmeasuring points

圖3 出光傾角測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig．3 Test bench of installation angle

圖3 為出光傾角測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要由固定支架、旋轉(zhuǎn)軸、指針和角度盤組成。工作原理是:散熱器與指針固定在旋轉(zhuǎn)軸上，實(shí)現(xiàn)散熱器與指針的旋轉(zhuǎn)角度一致，通過固定在支架上的角度盤讀取指針轉(zhuǎn)過的角度即可獲得對(duì)應(yīng)圖1中的出光傾角。

散熱器光源面貼附陶瓷加熱片作為L(zhǎng)ED的模擬熱源，陶瓷加熱片與散熱器光源面之間涂抹導(dǎo)熱硅脂減小接觸熱阻，聚四氟乙烯(PTFE)板作為隔熱材料減少陶瓷加熱片向其他方向的熱量傳遞。陶瓷加熱片由精密直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源供電，熱源溫度通過在陶瓷加熱片正下方的散熱器光源面布置0．1 mm的極細(xì)熱電偶測(cè)量得出。在PTFE表面布置熱電偶計(jì)算熱損失。

使用陶瓷加熱片作為模擬熱源具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)直接使用LED作為散熱器的實(shí)驗(yàn)熱源既發(fā)光又對(duì)外輻射散熱，因此無法獲得散熱器的凈輸入功率，而陶瓷加熱片的輸入功率減去PTFE熱損失即為散熱器的凈輸入功率;(2)無光污染，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員友好;(3)排除了LED內(nèi)部熱阻隨溫度變化導(dǎo)致的散熱器凈輸入功率的變化。在實(shí)驗(yàn)開始前進(jìn)行了熱源溫度相等的情況下陶瓷加熱片(輸入功率100 W)與LED光源(輸入功率約為162 W)的對(duì)比測(cè)試，各測(cè)點(diǎn)溫度最大偏差約0．8℃，陶瓷加熱片可替代LED進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了計(jì)算散熱器的凈輸入功率，對(duì)PTFE板的熱損失進(jìn)行了計(jì)算:

公式(1) ～(3)中，Qtotal、Qloss和 Qnet分別為散熱器總輸入功率、熱損失和凈輸入功率，U和I分別對(duì)應(yīng)輸入電壓和電流，λPTEF、APTEF、δPTEF分別為 PTFE的導(dǎo)熱系數(shù)、截面面積及厚度，T!為環(huán)境溫度。在本實(shí)驗(yàn)研究中，估計(jì)最大熱損失小于總輸入熱量的0．1%。

過余溫度定義為:

其中，T為被測(cè)點(diǎn)溫度。

根據(jù)牛頓冷卻公式，翅片的平均表面對(duì)流換熱系數(shù)havg定義為:

其中，A為散熱器總散熱面積，Tavg為散熱器各測(cè)點(diǎn)的平均溫度。

Nu(Nusselt number)定義為:

其中，H 為翅片(散熱器)高度［10］，λair為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

引入與自然對(duì)流相關(guān)的無量綱數(shù)Ra數(shù):

其中，g、β、ν、α分別為重力加速度、流體的體膨脹系數(shù)、運(yùn)動(dòng)粘度和熱擴(kuò)散系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了型材散熱器和微槽群散熱器各測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量，型材散熱器作為微槽群散熱器的對(duì)照組，兩者主要區(qū)別是微槽群散熱器經(jīng)過注液和抽真空封裝，兩者在其他方面如外形尺寸、結(jié)構(gòu)、測(cè)點(diǎn)位置則完全一致。

3．1 各測(cè)點(diǎn)"T隨θ的變化規(guī)律

圖4為型材散熱器，H=90 mm，Q=100W時(shí)翅片各測(cè)點(diǎn)"T隨θ的變化規(guī)律。從圖4翅片A、B冷端肋根到肋尖的"T可以看出，沿翅片徑向向外溫度梯度逐漸變小。隨著θ的增大，"T先增大后減小，θ=90°時(shí)"T最大，散熱性能最差。對(duì)比A翅片和B翅片各測(cè)點(diǎn)"T，θ＜90°時(shí)，B翅片"T普遍大于A翅片"T，θ＞90°時(shí)規(guī)律相反。原因是θ＜90°時(shí)隨著散熱器的旋轉(zhuǎn)及熱空氣向上半球空間運(yùn)動(dòng)，A翅片旋轉(zhuǎn)至下半球空間成為冷空氣進(jìn)口，B翅片旋轉(zhuǎn)至上半球空間成為熱空氣出口，B翅片所處位置周圍的空氣溫度高于A翅片，因而導(dǎo)致B翅片"T偏大。

圖4 型材，H=90 mm，Q=100 W時(shí)翅片各測(cè)點(diǎn)"T隨θ的變化規(guī)律。Fig．4 Section heatsink，the variation of"T ateachmeasuring pointwithθwhen H=90 mm，Q=100W．

圖5 型材和微槽群，Q=100W時(shí)不同H的熱源"T隨θ的變化規(guī)律。Fig．5 Microgrooves and section heat sink，the variation of heat source"T withθunder different H conditions when Q=100W．

圖6 型材和微槽群，H=60 mm(a)和H=90 mm(b)時(shí)不同Q的熱源"T隨θ的變化規(guī)律;型材、微槽群和型材-真空，H=90 mm，Q=120W(c)和Q=200 W(d)時(shí)熱源"T隨θ的變化規(guī)律。Fig．6 Microgrooves and section heat sink，the variation of heat source"T with θunder different Q conditionswhen H=60 mm(a)and H=90 mm(b)．Section，microgrooves and section-vacuum heat sink，the variation of heat source"T with θ when H=900 mm，Q=120W(c)and Q=200W(d)．

圖5 為型材和微槽群散熱器，Q=100W時(shí)不同H的熱源"T隨θ的變化規(guī)律。圖6(a)、(b)為型材和微槽群散熱器，H=60 mm、90 mm時(shí)不同Q的熱源"T隨θ的變化規(guī)律。從圖5和圖6可以看出，θ＞90°時(shí)，微槽群散熱器熱源"T略高于型材散熱器，為了分析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，進(jìn)行了H=90 mm、Q=120 W時(shí)的散熱器內(nèi)腔抽真空(型材-真空)實(shí)驗(yàn)以及H=90 mm、Q=200 W 時(shí)的型材、微槽群、型材-真空實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論如圖6(c)、(d)所示。可以看出，散熱器抽真空后，在任意θ其熱源"T最高，散熱器取熱散熱性能最差，隨著輸入功率的增加，微槽群散熱器熱源"T逐漸低于型材及型材-真空散熱器，說明增大功率后，微槽群散熱器內(nèi)的蒸汽具備一定的換熱能力。因此θ＞90°時(shí)，微槽群散熱器熱源"T略微高于型材散熱器可做如下解釋:對(duì)于同一款散熱器，熱源"T不只受θ的影響，還與散熱器內(nèi)的真空環(huán)境、液體分布(受重力及毛細(xì)力的綜合影響)有關(guān)。當(dāng)θ＞90°時(shí)，微槽群散熱器內(nèi)的液體受重力作用全部匯集到冷端，功率較低時(shí)，液體所在區(qū)域的溫度低于液體的沸點(diǎn)(飽和溫度)而未沸騰，此時(shí)內(nèi)腔處在真空或蒸汽稀薄狀態(tài)，內(nèi)腔壁面基本處于絕熱狀態(tài);而型材散熱器內(nèi)腔充滿空氣，因存在溫差形成腔內(nèi)空氣自然對(duì)流，增強(qiáng)了腔內(nèi)的換熱能力，散熱器均溫性相對(duì)更好一些。散熱器均溫性越好其外部自然對(duì)流換熱效率越高，因而出現(xiàn)θ＞90°時(shí)型材散熱器熱源"T低于微槽群散熱器熱源"T的現(xiàn)象。

從圖5和圖6還可以看出，θ≤90°時(shí)，隨θ的增加微槽群散熱器熱源"T大幅低于型材散熱器，如在 H=90 mm、θ=30°時(shí)，Q=80，100，120，200 W 時(shí)分別降低了 11．6，13．3，18．9，26．7 K，呈現(xiàn)出功率越大降低程度越大的趨勢(shì)，微槽群散熱器表現(xiàn)出優(yōu)異的取熱散熱性能。

3．2 h avg隨 θ 的變化規(guī)律

圖7和圖8為型材、微槽群散熱器，不同H、Q條件下，havg隨θ的變化規(guī)律。從圖7可看出，對(duì)于不同的H、Q，havg在 θ=90°時(shí)最差且差距很小。H=90 mm 的 θ=90°與 θ=0°相比，Q=80，100，120W 的havg降低了 25．1%、29．0%、31．6%，說明對(duì)于特定的散熱器，功率越高h(yuǎn)avg隨θ的變化程度越大，其方向效應(yīng)越明顯。havg隨高度的增加而降低，θ=0°時(shí)的H=60 mm 與 H=90 mm 相比，Q=80，100，120 W的 havg分別提高了 1．42 W/(m2·K)、1．31 W/(m2·K)和1．39 W/(m2·K)，百分比為 27．5%、23．8%和24．2%，原因是熱邊界層沿翅片高度方向不斷發(fā)展，因自然對(duì)流流速低，熱邊界層不容易破壞，導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)降低，因此在進(jìn)行大功率LED散熱器設(shè)計(jì)時(shí)，不能為了增大換熱面積而無限制地增加散熱器高度。

從圖8可以看出，在θ≤90°時(shí)微槽群散熱器的havg好于型材散熱器的havg，這是因?yàn)檫@兩種散熱器的外形尺寸完全一致，微槽群散熱器的均溫性好于型材散熱器，平均對(duì)流換熱系數(shù)較高，因此散熱器的散熱效率高。

圖7 型材，不同H、Q條件下，h avg隨θ的變化規(guī)律。Fig．7 Section heat sink，the variation of h avg with θunder different H and Q conditions．

圖8 型材、微槽群，Q=100W，不同H條件下，h avg隨θ的變化規(guī)律。Fig．8 Microgrooves and section heat sink，the variation of h avg withθunder different H conditionswhen Q=100W．

3．3 Ra與Nu的變化關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)太陽花型材散熱器與微槽群散熱器在不同功率、散熱器高度的散熱性能隨出光傾角的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，獲得了表征散熱器自然對(duì)流換熱特性的特征數(shù)Ra與Nu的關(guān)聯(lián)式［4］:

表1給出了公式(8)中出光角度θ對(duì)應(yīng)的C和m，擬合可信度為95%。圖9給出了θ為0°、60°、90°時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合值。

表1 公式(8)中的系數(shù)Tab．1 Coefficients in equation(8)

圖9 型材、微槽群，Nu數(shù)隨Ra數(shù)的變化關(guān)系。Fig．9 Section and microgroove heat sink，the relationship between Nu number and Ra number．

4 結(jié) 論

本文以太陽花散熱器為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了太陽花型材散熱器與微槽群散熱器不同功率、不同高度的過余溫度、平均對(duì)流換熱系數(shù)隨出光傾角的變化規(guī)律，分析了散熱器的綜合換熱性能，并獲得了各出光傾角Ra與Nu關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果表明:沿翅片徑向向外溫度梯度逐漸變小;出光傾角θ≤90°時(shí)，微槽群散熱器熱源過余溫度"T大幅低于型材散熱器，如在高度H=90 mm、出光傾角θ=30°時(shí)，功率 Q=80，100，120，200 W 熱源過余溫度分別降低了 11．6，13．3，18．9，26．7 K，呈現(xiàn)出功率越大降低程度越大的趨勢(shì)，微槽群散熱器表現(xiàn)出優(yōu)異取熱散熱性能;出光傾角θ＞90°時(shí)，微槽群散熱器熱源過余溫度"T略高于型材散熱器，其原因是散熱器內(nèi)部的真空環(huán)境影響散熱器的均溫性;對(duì)于不同高度H、功率Q，平均對(duì)流換熱系數(shù)havg在出光傾角θ=90°時(shí)最差且差距較小;對(duì)于特定的散熱器，功率越高平均對(duì)流換熱系數(shù)havg隨出光傾角θ的變化程度越大，其方向效應(yīng)越明顯，如高度H=90 mm，出光傾角θ=90°與出光傾角 θ=0°相比，功率 Q=80，100，120 W 的平均對(duì)流換熱系數(shù) havg分別降低了 25．1%、29．0%和31．6%;散熱器高度越高，其平均對(duì)流換熱系數(shù)越小，θ=0°時(shí)的 H=60 mm與 H=90 mm 相比，Q=80，100，120 W 的 havg分別提高了1．42，1．31，1．39W/(m2·K)，百分比為 27．5%、23．8%和24．2%。因此，在設(shè)計(jì)大功率LED燈具散熱器時(shí)要充分考慮散熱器散熱效率(對(duì)流換熱系數(shù))、輸入功率、方向效應(yīng)等之間的關(guān)系。