在很多場合需要把LED所產生的熱量以最快的速度傳送到散熱器,這在采用集成式的單片大功率LED中尤其重要,因為它的熱量很大(功率可達50W- 100W)又很集中(有時只有30mm),這時候就必須采用熱管散熱。
熱管也稱為相變導熱器,因為在其中的液體從液相變為氣相而導熱。它的熱阻非常小,大約只有0.065°C/W。其特性如下所示:
1、很高的導熱性
熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱,熱阻很小,因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比,單位重量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量。當然,高導熱性也是相對而言的,溫差總是存在的,可能違反熱力學第二定律,并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制,存在著一些傳熱極限;熱管的軸向導熱性很強,徑向并無太大的改善(徑向熱管除外)。
2、優良的等溫性
熱管內腔的蒸汽是處于飽和狀態,飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度,飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小,根據熱力學中的方程式可知,溫降亦很小,因而熱管具有優良的等溫性。
3、熱流密度可變性
熱管可以獨立改變蒸發段或冷卻段的加熱面積,即以較小的加熱面積輸入熱量,而以較大的冷卻面積輸出熱量,或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量,而以較小的冷卻面積輸出熱量,這樣即可以改變熱流密度,解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。
4、熱管熱流方向酌可逆性
一根水平放置的有芯熱管,由于其內部循環動力是毛細力,因此任意一端受熱就可作為蒸發段,而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用于宇宙飛船和人造衛星在空間的溫度展平,也可用于先放熱后吸熱的化學反應器及其他裝置。
5、熱二極管與熱開關性能
熱管可做成熱二極管或熱開關,所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動,而不允許向相反的方向流動;熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時,熱管開始工作,熱管當熱源溫度低于這一溫度時,熱管就不傳熱。
6、恒溫特性(可控熱管)
普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變,因此當加熱量變化時,熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發展了另一種熱管——可變導熱管,使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加,這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下,蒸汽溫度變化極小,實現溫度的控制,這就是熱管的恒溫特性。
熱管工作原理
圖1. 熱管導熱原理
其內壁采用銅粉燒結,以利于變回液相的載熱體吸附其上而回流。然而,熱管只能把熱傳送到遠端,而并沒有把熱量散發到空氣中去。所以即使采用熱管,還是需要有普通的鋁散熱器把熱量散發出去。再次要提醒注意的是,采用銅熱管以后,要特別注意它和前端的鋁基板以及后端的鋁散熱器的結合部一定要互相緊密地接觸并防止由于熱膨脹系數的不同而脫開。在其結合部要采用高質量的導熱硅膠涂敷。
圖2. 回路熱管
回路熱管的最大優點就是它的不需要外加動力裝置就可以循環導熱、導熱距離長,傳送功率大(幾百瓦),形狀多樣性和不受重力要求的限制,也就是說它可以任意放置。臺灣的陽杰科技公司采用了回路熱管技術以后,150W的LED路燈重量只有8.5公斤,100W的LED路燈,重量只有5.5公斤。