LED液冷設(shè)計及其小型化控制系統(tǒng)研究*

韋士騰，徐尚龍，趙新年

（電子科技大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731）

引 言

目前，大功率發(fā)光二級管（Light-emitting Diode,LED）的集成度越來越高，在LED工作過程中，僅有30%～40%的電能轉(zhuǎn)化為光能，剩下的全部以熱能形式耗散[1]。LED一旦長時間工作，其結(jié)溫就會不斷升高，進而影響其使用壽命，因此高效的液冷散熱對大功率LED至關(guān)重要。此外，隨著智慧城市的建設(shè)，對LED的智能化、無人化散熱監(jiān)控也是目前研究的一個重點。

文獻[2]針對大功率LED，采用了具有多個噴嘴的微通道冷板，通過液冷噴射陣列的冷卻作用，可以降低熱源的局部高溫，使熱源的均溫性更好。在增加熱源功率后，多噴嘴的微通道散熱系統(tǒng)可以有效發(fā)揮作用。文獻[3]提出了一種熱管和風(fēng)扇的組合冷卻裝置，LED溫度僅為25°C。實驗表明，在冷卻系統(tǒng)總功率僅為1.58 W的情況下，系統(tǒng)冷卻的LED功率可達120 W。文獻[4]提出了一種針對LED散熱的壓電風(fēng)扇制冷方法。對壓電風(fēng)扇與LED基板背面貼合后的模型進行實驗，可以使LED周圍的空氣快速流動，達到很好的制冷效果，實驗結(jié)果顯示雙壓電風(fēng)扇的對流換熱系數(shù)是自然對流換熱系數(shù)的2倍以上。文獻[5]提出了一種針對高功率中央處理器（Central Processing Unit,CPU）冷卻應(yīng)用的閉環(huán)微通道液冷系統(tǒng)。它主要是通過單相強制對流以利用流體散熱。文獻[6]設(shè)計了一種尺寸超小的液冷控制系統(tǒng)，在密閉空間內(nèi)集成了微型泵與冷板組件，并在流量計與管道之間放置各種過濾器來保證小型液冷系統(tǒng)的正常運行，冷板還嵌入了可以測溫的熱電偶及可調(diào)溫的加熱棒。文獻[7]和[8]提出，當(dāng)前CPU的功率基本都在150 W以上，只有通過液冷控制系統(tǒng)才能更高效地解決高熱流密度的問題，對于大型服務(wù)器等更大發(fā)熱量的電子設(shè)備更是如此。液冷系統(tǒng)可以安裝在這些電子設(shè)備內(nèi)部的發(fā)熱源上，而且液冷控制裝置一般都符合小型化及輕型化要求。文獻[9]就飛行器等電子飛行設(shè)備的散熱問題，在完成熱源強發(fā)熱模擬試驗、使用限流閥對流量進行分配試驗、冷板流阻曲線模擬及系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等基礎(chǔ)上，提出了一種新型制冷環(huán)控系統(tǒng)，即通過PID算法進行測量與控制風(fēng)門的閉合程度來為熱源散熱。文獻[10]針對高熱流密度的電子設(shè)備，提出了使用多種液冷模式進行控制調(diào)節(jié)的液冷系統(tǒng)。提前設(shè)置目標(biāo)溫度，使用常規(guī)液冷與壓縮機制冷模式進行切換，通過加熱棒將系統(tǒng)的溫度維持在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)，還通過遠程監(jiān)控的方式對系統(tǒng)的運行情況進行實時監(jiān)控。文獻[11]提出了4種不同的微通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過比較它們在芯片散熱效果上的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)樹形散熱結(jié)構(gòu)的均溫性最好，網(wǎng)格散熱結(jié)構(gòu)的均溫性最差。

目前，液冷散熱研究基本都集中于散熱方式，對冷板均溫性的應(yīng)用研究較少。此外，關(guān)于液冷散熱控制系統(tǒng)研究的報道較多，針對某種熱源的小型化液冷散熱系統(tǒng)的應(yīng)用研究卻較少。本文針對大功率LED熱源的散熱不均問題，設(shè)計了一種散熱能力較強的仿劍麻形流道冷板。同時，為了更好地監(jiān)控LED等大功率電子設(shè)備的散熱，以確保其能夠長時間工作，設(shè)計了一種智能化兼小型化的液冷散熱監(jiān)控系統(tǒng)。

1 LED冷板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 LED光源選擇及熱傳遞過程分析

隨著LED的集成度越來越高，其功率也越來越大，因此散熱問題成為它持續(xù)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。文中所選大功率LED光源的功率高達150 W，其最大結(jié)溫不能超過65°C。LED產(chǎn)生的熱量傳到基板，再由基板通過導(dǎo)熱硅膠傳到冷板，冷板通過冷卻劑的流動帶走熱量，完成LED液冷散熱過程。

LED熱流密度可通過公式（1）計算：

式中：q為LED的熱流密度；Φ為LED光源的總功率；A為LED光源表面的散熱面積。LED的發(fā)光面積是60 mm×33.5 mm，根據(jù)式（1）計算得到LED光源的熱流密度為7.5 W/cm2。

雷諾數(shù)Re的計算公式如下：

式中：ρ為流體密度；v為流體速度；d表示冷板流道內(nèi)的特征長度；μ為流體的動力粘度。

1.2 仿劍麻形流道結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿劍麻形流道結(jié)構(gòu)是根據(jù)仿生學(xué)原理提出的一種新型結(jié)構(gòu)流道。圖1（a）和圖1（b）分別為仿劍麻形冷板的CAD結(jié)構(gòu)和機加工模型。蓋板出入口的外徑均為10 mm，內(nèi)徑均為8 mm。數(shù)值模型與加工模型的尺寸完全一致。圖1（c）為冷板的局部結(jié)構(gòu)，冷板外圍尺寸為160 mm×160 mm×3 mm。外圍流道最大半徑R5= 66 mm，R4= 60 mm；流道之間的間隔L5= 2 mm，流道壁厚為2 mm，保證壁面絕對光滑。流道肋片的半徑R1=R2= 2 mm，R3= 1 mm，螺釘孔半徑R6= 2 mm，肋片長度L1= 14.39 mm，L2=22 mm，L3=8.51 mm，L4=6.53 mm。

圖1 仿劍麻型結(jié)構(gòu)冷板

1.3 仿蛛網(wǎng)形流道與普通方形直流道結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于自然界中的蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了十邊形的蛛網(wǎng)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)冷板，并對其進行了散熱仿真分析。冷板外圍尺寸為160 mm× 160 mm× 3 mm。蛛網(wǎng)中流道的最大長度為外圍流道最大半徑R7的2 倍，即2R7= 128 mm；最外層流道之間的間隔L7= 10 mm，主干分支流道寬L8= 2 mm，其余每個分支流道的間隔L9= 2 mm；肋片寬度由內(nèi)而外依次為L10= 3 mm，L11= 2 mm，L12= 4 mm；螺釘孔半徑R8=2 mm。

在微通道散熱冷板上，方形流道冷板是最常見的，而且這種結(jié)構(gòu)的冷板已經(jīng)在各類散熱領(lǐng)域中使用過。下面設(shè)計一種常規(guī)的方形直通道冷板，并對3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)冷板的散熱效果進行比較。方形冷板的外圍尺寸為160 mm×160 mm×3 mm。每個方形流道分支長L13= 49 mm，壁厚2 mm；每個流道的間隔L14=2 mm，流道的寬度L15=2 mm，L16=12 mm，其蓋板與上述2種冷板的蓋板相同，出入口外徑均為10 mm，內(nèi)徑均為8 mm。利用SolidWorks建模，圖2（a）和圖2（b）分別為蛛網(wǎng)形結(jié)構(gòu)冷板和方形結(jié)構(gòu)冷板，圖2（c）和圖2（d）分別為蛛網(wǎng)形結(jié)構(gòu)尺寸局部示意圖和方形結(jié)構(gòu)尺寸局部示意圖。

圖2 蛛網(wǎng)形與方形CAD結(jié)構(gòu)及局部尺寸示意圖

2 三種不同流道結(jié)構(gòu)冷板的數(shù)值分析

2.1 數(shù)值仿真

采用ANSYS Fluent進行熱仿真分析，冷卻液為去離子水。流體不可壓縮，不發(fā)生相變，其物性參數(shù)均不變，保證壁面絕對光滑。不計重力，不考慮輻射散熱和黏性耗散。

2.2 結(jié)果分析

進一步比較這3種不同結(jié)構(gòu)的散熱效果。3種冷板的熱源最高溫度及壓降與入口流量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 3種不同結(jié)構(gòu)冷板的模擬仿真

從圖3（a）可以看出，隨著入口流量的增加，LED的最高溫度都在不斷下降，但蛛網(wǎng)形冷板的熱源溫度最高，其次是仿劍麻形，方形結(jié)構(gòu)的熱源溫度最低。從圖3（b）可以看出，隨著進口流量的不斷加大，3種冷板的壓降都在上升，但蛛網(wǎng)形冷板的壓降變化最大，其次是方形，壓降最小的是仿劍麻形。

由綜合分析可知：雖然這3種結(jié)構(gòu)都是從中間管道接口進水，在兩側(cè)的管道接口處出水，但由于方形結(jié)構(gòu)較簡單，流體在方形流道中通過的時間最短，因此其熱源溫度下降最快，但其壓降較高；而蛛網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的壓降最大，冷卻效果也不好。綜上所述，仿劍麻形冷板具有更好的冷卻效果，且壓降最小。

3 仿劍麻形冷板實驗驗證

3.1 液冷散熱實驗的系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究

為了驗證仿劍麻形結(jié)構(gòu)冷板具備較強的散熱能力，對實驗結(jié)果與模擬仿真結(jié)果進行對比。設(shè)計液冷散熱實驗系統(tǒng)，并搭建相應(yīng)的實驗平臺。實驗平臺主要由流量計、儲液箱、壓力傳感器、LED、小型水泵、仿劍麻形結(jié)構(gòu)散熱冷板、穩(wěn)壓直流電源、恒溫水浴鍋等組成，如圖4所示。實驗采用紅外熱像儀進行拍照。

圖4 實驗平臺

3.2 實驗與模擬仿真的數(shù)據(jù)對比

將中間的管道接口作為入水口，冷板兩端的管道接口作為出水口，這種方式記為“仿真1”，對應(yīng)的實驗記為“實驗1”。將冷板兩端的管道接口作為入水口，中間的管道接口作為出水口，這種方式記為“仿真2”，對應(yīng)的實驗記為“實驗2”。圖5是2種進出水方式的模擬仿真與實驗的對比結(jié)果。

圖5 仿真與實驗的熱源最高溫度與流量關(guān)系

由圖5可知，不管是從仿真來看還是從實驗來看，在“一進兩出”的進出水方式下，LED的最高溫度都比在“兩進一出”的進出水方式下高，但前者的均溫性好于后者。受環(huán)境變量及LED熱源上高溫電阻的影響，第一種進出水方式的實驗與仿真溫差較大，但基本都在誤差允許的范圍內(nèi)。

為了更好地看出仿真與實驗的差別，分別通過圖6（a）和圖6（b）表示入口流量為2 000 mL/min時，仿劍麻形冷板的“仿真1”與“實驗1”的LED溫度分布云圖。

由圖6可以看出，LED光源的最高溫度都不超過50°C，遠低于LED的最高結(jié)溫65°C，證明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)散熱性能很好。

圖6 模擬仿真與實驗的LED溫度分布云圖

4 小型化控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 小型化控制系統(tǒng)組成

本文對控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求如下：

1）LED散熱功率為150 W；

2）體積為220 mm（長）×220 mm（寬）×110 mm（高）；

3）工作溫度為0°C～70°C；

4）冷卻液入口溫度為8°C～15°C；

5）環(huán)境溫度為10°C～40°C。

LED液冷散熱溫控系統(tǒng)包括小型水泵、出入口溫度傳感器、熱源溫度傳感器、出入口壓力傳感器、液位監(jiān)測傳感器、風(fēng)扇、儲液箱、冷板、LED、硬件控制電路板和水管。所搭建的小型化控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 LED小型化液冷散熱溫控系統(tǒng)

4.2 小型化控制系統(tǒng)可視化界面設(shè)計

基于C++語言，利用qt作為圖形界面庫，將Visual Studio 2017作為開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建了上位機顯示界面，如圖8（a）所示。操作者可以直接通過界面觀察到溫度數(shù)值、壓力數(shù)值、流量數(shù)值、液位數(shù)值以及流量計與液位的動態(tài)顯示曲線圖的實時顯示情況，通過這些數(shù)據(jù)可以實時監(jiān)控LED光源的工況。

底層硬件控制系統(tǒng)以STM32F407ZGT為主控芯片，可以通過薄膜晶體管液晶顯示屏（Thin-film Transistor Liquid Crystal Display, TFTLCD）進行顯示及手動控制（TFTLCD具有顯示及觸摸功能）。圖8（b）為觸摸屏的界面設(shè)計。上位機顯示界面與觸摸屏顯示界面構(gòu)成了可視化的人機交互平臺。

圖8 可視化界面顯示

4.3 小型化控制系統(tǒng)設(shè)計

小型化控制系統(tǒng)的控制算法主要分為手動模式和分段控制模式。手動控制主要通過觸摸屏來進行。觸摸屏上有3個不同轉(zhuǎn)速的按鍵及模式切換按鍵可供選擇，它們分別是“高速按鍵”、“中速按鍵”和“低速按鍵”，對應(yīng)不同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與水泵轉(zhuǎn)速。

分段控制分3個階段進行。系統(tǒng)初始化后，風(fēng)扇和水泵低速運轉(zhuǎn)。第一階段是熱源溫度超過30°C時，進行一次自動調(diào)節(jié)，加快風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速；第二階段是熱源溫度超過40°C時，再進行加速調(diào)節(jié)；第三階段是熱源溫度超過50°C時，再進行最大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在每一階段完成降溫后，程序會再次進入液位高度及熱源溫度的判定階段。限定的正常范圍是液位高度變化不能超過10 mm，熱源最高溫度不能超過溫度閾值50°C。一旦采集到的數(shù)據(jù)反常，系統(tǒng)就會采取以上方法，按照逐級加速進行調(diào)節(jié)，目的是為了保證系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。一旦液位及熱源溫度出現(xiàn)超過閾值的情況，系統(tǒng)就進行聲光報警和降溫控制，如此循環(huán)往復(fù)進行控制調(diào)節(jié)。

5 結(jié)束語

針對大功率LED的高熱流密度及散熱不均的問題，本文設(shè)計了3種結(jié)構(gòu)不同的冷板，其中仿劍麻形結(jié)構(gòu)是本文首次提出的。對這3種結(jié)構(gòu)冷板的散熱性能進行了熱仿真分析，并對加工好的仿劍麻形冷板進行了實驗驗證。此外，還設(shè)計了一種小型化監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位機實時監(jiān)測LED的散熱工況，形成一個完整的熱管理系統(tǒng)裝置，實現(xiàn)大功率LED散熱系統(tǒng)的小型化及智能化。

總的來說，本文的主要貢獻如下：

1）提出了一種仿劍麻形結(jié)構(gòu)冷板，并通過與常規(guī)流道冷板進行熱仿真分析對比，驗證該冷板的均溫性最好。在研究冷板的進出水方式后，發(fā)現(xiàn)采取中間接口進水、冷板兩側(cè)接口出水的方式，不僅可以提高冷板的散熱性能，還能使壓降變化最小。

2）設(shè)計了一種小型化控制系統(tǒng)，可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來給儲液箱中的冷卻液降溫，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻液的流速，起到加快散熱的作用。通過可視化界面顯示平臺，該系統(tǒng)可以起到智能化的監(jiān)控作用。

3）小型化控制系統(tǒng)使用模塊化封閉式設(shè)計，采用液冷散熱方式。對于功率為150 W，熱流密度為7.5 W/cm2的大功率LED，采用ANSYS Fluent對設(shè)計的冷板進行仿真并進行實驗測試，發(fā)現(xiàn)LED的最高溫度均未超過其最高結(jié)溫，滿足研制要求。

本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其小型化控制系統(tǒng)也適用于其他高熱流密度電子設(shè)備，可為其他大功率電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計提供參考，具有較高的應(yīng)用價值。