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《基于微喷射流的高功率LED 散热方案的数值和实验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、中国科学E辑:技术科学2007年第37卷第9期:1194~1204《中国科学》杂志社http://www.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS基于微喷射流的高功率LED散热方案的数值和实验研究①②②③*②③①罗小兵刘胜江小平程婷(①华中科技大学能源与动力工程学院,武汉430074;②武汉光电国家实验室(筹)MOEMS研究部,华中科技大学,武汉430074;③华中科技大学微系统中心,武汉430074)摘要提出了一种基于封闭微喷射流的高功率LED主动散热方案,系统采用一个微泵来驱动,依靠封闭微喷系
2、统实现大功率发光二极管(LED)芯片组的高效散热.对没有采取数值优化情形下设计的上述散热系统开展了实验研究,对比实验表明:在不采用上述系统和完全依靠自然对流散热情形下,对2×2LED芯片组输入16.4W的电功率,运行10min后,芯片表面平均温度为112.2℃,但采用上述冷却方案后芯片表面测量温度仅仅为44.2℃.实验中改变微泵的流量,结果表明:微泵的流量增加将提高散热效率,但将相应增大消耗功率.对微喷散热实验系统同时开展了数值研究,计算结果发现:对2×2芯片组输入4W电功率的情形,稳态数值计算下芯片表面平均温度为34
3、℃,与实验测得的接近稳态下的温度32.8℃相当,这表明该模型可以用于数值优化.数值计算结果还表明:实验用微喷射流器件需要开展参数优化.关键词高功率LED封闭系统微喷射流散热大功率发光二极管(LED:lightemittingdiode)器件为核心的半导体照明技术由于相比普通照明技术具有较多的优点,近年来已经成为研究和开发热点.目前,普通光源主要为白炽灯、[1]卤钨灯和荧光灯等,理论上,LED相比这些光源主要有如下几点优势.1)发光效率高、光的单色性好、光谱窄、无需过滤就可直接发出有色可见光.2)节能、耗电量少.在同样的
4、照明效果下,LED的耗电量是白炽灯泡的八分之一,是荧光灯管的二分之一.3)使用寿命长.LED灯体积小、重量轻、用环氧树脂或者硅胶封装,机械强度大,耐振动和冲击.理论上LED的平均寿命达10万小时,是普通灯管的数十倍.4)安全环保.LED为全固态发光体,发热量低,无热辐射,是冷光源,不含汞、钠等可能危害健康的物质,废弃物可回收,没有污染.由于具有上述[2]优点,LED开始在许多应用中发挥着作用,典型的应用有:手机及其他LED显示的背光源,收稿日期:2006-05-18;接受日期:2006-12-04湖北省科技攻关计划招标
5、资助项目(批准号:2006AA103A04)*联系人,E-mail:shengliu63@yahoo.com第9期罗小兵等:基于微喷射流的高功率LED散热方案的数值和实验研究1195显示和标志牌,信号灯等.对高功率LED,光学设计和热管理是其获得高性能的两个关键因素.虽然理论上LED的发光效率很高,但由于没有有效的散热方式,目前,LEDs的实际发光效率仍然比较低,大部分LED芯片的最终发光效率只有10%~20%,这意味着80%~90%的电能转化成了热量.一般说来,这些热量将极大地降低照明效率.除了降低照明效率,高温还将
6、导致LED发光颜色的改变.另[3]外,较高的LED运行温度还将使得LED的寿命快速下降,关于这一点,Narendran等人已经通过实验证实:LEDs的寿命与LED芯片节点温度的增加成指数形式下降.上述几点表明:LED的工作温度越低越好.但是,在实际应用中经常需要LED具有高功率和高封装密度以获取高亮度,这必定导致功率密度和运行温度间形成矛盾,特别是当应用条件需要LED满负荷运行以获得理想的亮度的时候,这个矛盾更加突出.上述矛盾给高亮度LED的热管理提出了挑战,它迫切需要良好的散热措施来解决LED的热问题.为了有效解决L
7、ED的散热问题,国内外不少研究者开展了相关热问题研究.在国外,Arik[4]等人采用有限元方法开展数值模拟,求解了LED芯片温度分布并评估了局部高温对芯片有[5]源层的影响.Sano等人报道了一个具有优秀散热能力的超亮度LED模块,该模块采用具有出[6]色热导能力的铝基板来散热.Petroski开发了一种新型热沉来实现高功率LED的冷却,该热沉基于自然对流来实现换热.它采用圆柱结构,周围布满了纵向分布的翅片,该设计可实现散热[7]效果各向同性.Chen等人采用硅加工的热电制冷器(TEcooler)来冷却高功率LED.他
8、们的测[8]试结果表明该冷却方法能有效地降低高功率LED的热阻.Hsu等人报道了一种用于LED封装[9]的金属粘结方法,该方法可以实现较好的散热效果,有效地降低热阻.Zhang等人采用多壁面的碳纳米管和碳黑作为热界面材料来封装高亮度LED,测试结果表明该措施能有效地降低[10]LED的热阻.Acikalin等人采用主动冷却方法降低
