XX年工程训练创新大赛设计方案申报书_大功率LED液冷散热器.docVIP

河 南 理 工 大 学 2011年工程训练创新大赛设计方案申报书 项 目 名 称： 大功率LED液冷散热器 负 责 人（签字）： 成 员 （签字） ： 申报日期： 2011 年 5 月 15 日 工程训练中心制 2011年4月 项目名称 大功率LED液冷散热器 研究团队 姓 名 性别 专业班级 分 工 手机号码/邮箱 男 热能08-4 设计、计算、 实验 女 热能08-2 计算、实验 男 机制09-9 实验 男 热能08-2 计算 指导教师 王 华 目的意义 现状：LED是一种高效能的固态光源，它具有可靠性高、寿命长、发光效率高、启动时间短、无紫外线等优点，但是现有大功率LED的散热问题一直是困扰其发展的一个重要因素，温度过高会使其发光强度降低，影响其出光效率及照明质量，而且严重影响它的寿命。 功能说明：现在液冷技术已经发展的相当成熟，而且很多液冷介质具有比热大、换热良好等特性，但是在LED方面却没得到应用。本成果通过尝试新的散热方式—液冷散热，来实现高效地解决现在大功率LED的散热问题。 项目来源 LED是未来的新一代固体光源，由于它寿命长、发光效率高、能耗低、单色性好、色彩丰富、响应速度快使得它在照明领域普及与广泛应用，并被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一，这一新型节能发光元件符合国家“十二五”发展规划，有着巨大的发展空间。 设计方案 （一）方案原理 1、LED发光原理 LED是利用半导体PN结把电能转换成光能的器件，在元素原子核周围有使电子能够存在的两个能量带，即电子不能够自由移动的“价电子带”与电子可动的“传导带”。从电子的角度看，低的能量带为价电子带，高的为传导带。 图1 LED的结构图 N型半导体的传导带中电子是可动的，P型半导体的传导带中没有电子，取而代之的是在价电子带上无电子的空穴。因此在P区和N区之间，N型半导体中的电子与P型半导体中的空穴会发生相互扩散。因为相互扩散的原因，在PN结处会形成一个一定大小的势垒（势能比附近的势能都高的空间区域），进而阻止电子和空穴进一步扩散，使PN结内部处于平衡状态。 在PN结工作时，要给它施加一个正向电压（P型半导体材料接正极），此时PN结的势垒将降低，N区的电子注入到P区，P区的空穴注入到N区，导致非平衡状态的产生。这些注入的电子和空穴在PN结处相遇复合并湮灭，将能量以光的方式向外释放。从而实现了半导体的发光，这也就是LED的发光原理。在电子的移动过程中，一些电子会被无辐射中心俘获，能量以热能的形式散发，因为目前LED器件的密集化和小型化程度越来越高，单位容积器件的发热量迅速增大，所以其散热问题成为了阻碍其发展的重要原因。 2、大功率LED散热器工作原理 图2.1 液冷LED散热结构示意图 当散热系统设备连接完毕，电路导通，水泵、芯片及风扇开始工作，芯片的温度渐渐升高，热量穿过导热硅脂传递给水冷块，进而将热量传向导热液，导热液温度升高。它在水泵的推动作用下流向换热器，并在风扇强制冷却下，将热量排向外界，然后低温的导热液被泵推到水冷块中进入下一轮循环，系统就在不断的循环中达到散热的目的。 （二）大功率LED散热器的结构组成 试验阶段的LED散热系统，包括了测温装置和两个循环（图4.1）。 图2.2 实验散热系统 测温装置通过热电偶来采集测温点数据，并将其反映在显示屏上，我们可以通过观察测温装置的显示屏，来监控芯片、水冷块以及导热液的温度。 试验阶段的电路循环部分包含了电源、LED芯片、水泵、风扇及电流表、电压表。 图2.3 水冷块及芯片 LED芯片它是整个系统的核心元件，它作为光源为我们提供了高品质的白光，这个是恒压直流电源，它保证了LED芯片的工作稳定性；和水泵及风扇相连的是直流电源，水泵可推动导热液的流动，风扇将高温导热液的热量带到灯罩外，从而实现了对导热液的降温； 两块电表分别是电流表和电压表用以监控LED芯片的工作状况。 图2.4 水循环部分 试验阶段的液冷循环部分它是由水冷块、换热器、流量计、水泵和管路组成的。 图2.5 水冷块内部通道设计 自行设计的水冷块是一个中空的腔体，它是由两块铜板焊接而成，内部结构图2.5所示。 关于水冷腔的设计我们做了大量工作，首先，因为热源是面热源，为了能够均匀冷却整个接触面，未将水冷腔内通道设计成为蛇形，这样设计同时减小了水冷腔内液体的流动阻力利于小流量散热；其次，在水冷板的成形方式上，考虑全部用铜片焊接时焊接工作量大，而且焊接温度高，不容易保证水冷板的尺寸、平面度等要求，选用厚铜板成形，以减小焊接工作量。 水冷板选择导热率较高的红铜，以