面向LED水冷散热的切削铜纤维定向烧结热沉及其性能研究

LED光源逐步应用于植物工厂,但LED光源的散热问题造成其具有能耗高的缺点,结合LED植物工厂自身的水灌溉系统,设计一种具有高比表面积和高孔隙率的水冷散热热沉是解决该问题的合适方法。因此,本文提出了面向LED水冷散热的切削铜纤维定向烧结热沉,通过实验和数值模拟研究其传热性能和流动特性。主要研究内容如下:(1)设计并制备了面向LED水冷散热的切削铜纤维定向烧结热沉,分析了热沉内热量的传递过程以及相应过程的热阻,确定了热沉传热性能和流动特性的评价指标。(2)搭建了LED水冷散热热沉样机的性能测试平台,通过实验研究了切削铜纤维定向烧结热沉的传热性能和流动特性,实验结果表明:切削铜纤维定向烧结热沉的传热性能随着入口流量的增大而增强,但增强幅度逐渐减弱;热沉进出口压降随着入口流量的增大而增大,且其增幅逐渐增大;热沉均温性能随着入口流量的增大而增强。相比于切削铜纤维随机烧结热沉,切削铜纤维定向烧结热沉虽然传热性能略微较差,但进出口压降远小于前者,综合传热性能优于前者。随着孔隙率的减小,热沉的传热性能略微增强,但热沉的进出口压降却明显增大;孔隙率为80%的切削铜纤维定向烧结热沉的均温性能较优。纤维当量直径对热沉传热性能的影响不大;但纤维当量直径越小,热沉的进出口压降越大,纤维当量直径为195.12μm时,热沉均温性能较优。(3)建立了面向LED的切削铜纤维定向烧结热沉水冷散热数值模型,通过实验获取LED发热功率、切削铜纤维定向烧结芯的惯性损失系数和粘性阻力系数等参数,利用Fluent模拟了冷却水在切削铜纤维定向烧结热沉内的流动和传热。仿真结果与实验结果良好吻合,验证了数值模型的准确性和可靠性。(4)利用数值模型预测了热沉在不同结构参数下的性能,仿真结果表明:切削铜纤维定向烧结热沉满足LED在允许最大功率下的使用要求。在相同入口流量下,烧结芯的厚度越大,热沉进出口压降越小,但热沉的传热性能先增强后减弱,且烧结芯厚度为2mm时,热沉传热性能最优。在相同入口流量下,切线铜纤维定向烧结芯越长,热沉的进出口压降越大,切削铜纤维定向烧结热沉的传热性能越强,但增强趋势逐渐减缓。