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1、相变散热技术的原理及在灯具中的应用引言随着现代武器电子学的发展，出现了一系列具有超高热流密度、短时和间歇性工作的大功率组件，如战略武器的控制系统、弓I信等，这类系统工作时间短、体积小、重量轻、工作 环境恶劣，而热流密度却很高， 周围环境又接近真空，无法进行空气对流散热，如果不能有 效解决散热问题，则会大大降低系统可靠性。固-液相变散热器具有良好的恒温性以及较大的相变潜热，能有效解决短时、周期性工作的大功率电子器件的散热问题，在国内外航空航天领域得到越来越广泛应用二相变散热原理：相变散热是利用材料从固态转换为液态时需要吸收大量热量的原理，使在常温下为固态的材料，例如石蜡，经过吸收发热的电子设备的
2、热量而发生相变，并且在此过程中相变材料的温度基本保持不变，从而起到给电子设备散热的目的，并且具有较好的恒温性。三 传统型材散热器的问题：传统型材散热器，无论铜还是铝，都是属于传热形式。导热系数不高是症结所在，突出表象为翅片利用率不高：首先针对点热源（集中热源，比如COB :图中假设热源与散热器底板的接触面积远小于散热器底板面积；这是可以认为热源是集中热源/电热源。此时翅片在XY方向的温度分布大致如下图所示：即：随着测试点距离热源位置越来越远，测试点温度将急剧下降；换言之，远端 翅片，或者同一个翅片偏离热源越远，温度将会越低，而且表现出极大的非线性。 从工程经验我们知道：对于这类点热源，采用平板
3、散热器，单纯加大底板面积收 效甚微，还不如长高翅片，或者强制风冷。注：如果图中曲线为实际测量的温差数据， 那么积分图中的曲线面积就能算出散 热器散掉的热量了。造成这一现象的根本原因在于，热在平面方向的传递，铜和铝来说，热阻都太大 了。使得热量传递到远端非常费力。解决这个问题的一个方法就是将点热源打散 成面热源，极端情况就是用发热薄膜替代上图的点热源， 极端一点，如果发热薄 膜均匀发热，面积与散热器底板一致。那么散热器整体温度分布将如下图：敵热眸底扳即底板上任意一点温度将趋于一致；同高度点翅片温度也是一致的。注：经过简单计算能得到发热膜时散热器散出的热量与集中热源是相同的。但是非常明显的就是，没
4、有了温度高点。工程经验：IGBT mos led的封装都有一个铜质的大底板-热沉；它的作用之 一就是把半导体结的集中热打散到底板上；用铜底板打散点热源不能无限扩大， 因为铜的导热能力也是有限的。这个问题的模拟测试可采用仿真软件计算得到，也相信大家都有类似的工程经 验。四相变散热器1、相变的基本思路，就是打散点热源，将点热源打散变成发热薄膜.昨如图所示：点热源在底部，散热器底板变成空腔。当点热源启动，腔内工质受热 蒸发变成气体携带热量，跑向冷端；遇冷凝结释放热量再回流；从传导路径看： 热源到工质只需要穿透毫米级的底板即可，用热流密度计算，对于通常的led灯具，从热源底板到，腔体内部，底板上产生的
5、温差小于5度（与铝材型号，cob功率相关）；这样， led 底板相对来说就是一个“冷”的底板。这个过程我们从 生活中可以得到经验， 燃气灶烧开水。 火焰对于过低近似为点热源。 水开了以后 热气蒸腾，遇到锅盖变冷冷凝。生活经验，水烧开了以后就是 100 度，再大的火 也是 100 度（因为不是高压锅） ；生活经验告诉我们， 锅盖的各店温度基本一致； 这些经验，通过 ft 软件或 solidworks 可以简单模拟出来， 你需要在空腔内塞入一 个导热系数大于 5000 的（差不多超过铜 10倍就可以）零件即可模拟。实际相变腔内工作过程是这样的： 腔体首先是抽成高度真空，然后注入工质（水，乙醇皆可，
6、理论上工质没差 异实际有差异）；密封。这时在当前温度下，工质形成气液二相态共存，腔内的 压力就是当前温度下的工质气体分压， 通常远小于大气压。 即室温时， 如果用水 做工质，加入你的壳体太薄，会变成一个凹面；假设在底部加热（烙铁头），液 体迅速升温，相变，输入热量与散掉热量保持平衡后（功率输入适当调节，使温 度不再上升） ；此时腔内压力升高到， 当前所测量的温度所在的工质气体分压压 力。由于存在翅片 存在对流传到，散热器底板长翅片的一侧温度要略低于底板 下侧无翅片，更低于热源正上方的温度 （温差不是很大，通常在 1度5度这个水 平）。这个微小的温差 就足以支撑相变循环往复进行。热源处水受热蒸发
7、，跑到上部遇冷，放出热量，冷凝，回流，在吸收热量，往复循环。这个道理就是所有热管的基本工作原理：传热 +传质。相变的好处就是： 极大的提升了翅片的利用率， 同扥功率下， 表现为需要更少一 点的材料。比如 100 瓦工矿灯采用实心铝型材太阳花，有多重各位都清楚。 但是相变散热器通常需要 1/3 到 1/2 的重量就能解决。另一个，大功率时实心铝 型材基本就会失效，原因就是 纯铝的热阻太大，对于 cob 来说，热量无法传导 出去，增加型材长度能提升的作用已经微乎其微了。 这时， 相变散热器还有很大 的发挥空间。2、相变散热器关键点： 真空度问题：做热管的都懂，杂质气体混入会造成均温性变差。 泄露问
8、题：漏了基本就完蛋了，甚至还不如纯铝型材 铝的焊接问题：这是一个老大难问题 方向性问题：现有的相变散热器都受方向影响，或轻或重罢了。高度问题：超过400mm高度的led相变散热器效果就不是那么好了。 寿命：原则上只要不漏就不会坏（腐蚀，外力破坏不算），工质与材料相容 性很好，不会变质3、主流相变：纯铝，铜铝复合；纯铝的加工非常费劲，焊接是一大关键点，氩弧焊的失效率是 10-20%需要反复检漏补焊。铜铝复合：就是一个铜的热管，用小过盈塞进去，这是抄袭国外的做法，老美多了一层钎焊剂和钎焊，国内不良厂商由于采购成品铜热管，没办法图钎焊剂二次钎焊，所以塞进去完事。铜铝的膨胀系数差 很多（数量级区别），
9、而且铜退火后更软比铝还软，那么经过若 干次温度循环，铜铝会慢慢分离（也许三五个月，也许三五年）， 如果做温度冲击实验，将会发现性能逐渐下降，最终铜管可以从 散热器中拔出来五相变散热器测试数据以太阳花散热器为例：测试功率：250W测试环境：密闭环境室内测试模组尺寸：240*200mm加热方式：模拟正常使用散热器模组测试表测温仪：HIOKI （日置）LR8431-30 （精度:10mi n士 1.0 C ）Fluke F50240mi n（精度士 0.05% + 0.3 C）70min20mi n30mi n50mi n60mi nT2基板温度153.4361.3663.6264.465.2865
10、.6665.83T3基板温度253.4461.363.9265.0865.7665.9666.17T4底板温度51.9759.9862.6863.9164.4964.7664.96T5叶片下部温度147.1453.9256.4257.3657.7957.9157.94T6叶片下部温度241.3154.2256.7957.8958.3158.5858.69T7模组顶部温度49.4257.5660.6161.8562.4462.7362.97T8叶片上部温度148.155.8458.7259.960.4160.6860.89T9叶片上部温度248.195658.9260.1260.6460.936
11、1.14T10室温32.6132.7133.5733.4833.833.633.93基板温升20.8328.6530.3531.6031.9632.3632.24基板温升19.1626.3627.9229.0729.4029.7729.66从测试数据来看呢，如果相变散热器上下底板（中心热柱上下盖）温差小于 5 度基本就可以认定合格。而如果led基板温度与散热器下底板温度差过大（大于5度），可能是螺钉拧紧，或导热脂问题。如果散热器整体温升超标，可能需要 更大一些的散热器。相变只是传递了热，散热还需要翅片面积 +空气动力学来保 证。上图显示是相变非相变散热器的红外实拍图像 （隐去了公司名称避免广告嫌疑）； 左图从上到下温度梯度异常明显，而相变散热器几乎不存在高度上的温度梯度。这是相变散热器稳定后（大约2-3小时）红外图像，整体温度几乎一致（实际也 有差异）。这是相变启动时（点灯开始后，热量经过底板将热量传递给工质， 工质变开始相 变）。能看到，工质+热迅速上升到顶端。六相变散热在灯具中的应用大量用于LED路灯、LED隧道灯、LED工矿。
