冷却系统——LED投影的关键导热管为你解决难题

类别：技术与产品发表于：2012-05-10 10:45

    LED背投拼接墙自推出两年多的时间以来，不断采用创新技术，备受观众青睐，现在几乎已取代了传统的投影显示墙。LED的主要优势在于预期寿命长，一般为60,000小时左右，大约是UHP灯泡的7倍。和大多数电子元器件一样，LED的工作温度决定了它的实际使用寿命。也就是说，显示技术所提出的预期寿命指的是亮度比最初下降50%的持续时间。换而言之，在标准条件下一个LED到达预期寿命并不是说它不发光，而是与最初相比亮度下降一半。
    冷却系统是关键
    如前所述，要达到厂商所给出的预期寿命，LED的工作温度必须在特定的范围内。各家灯泡厂商所使用的冷却技术几乎没有什么差别。风冷是首选方案：用风扇对着LED吹，以避免超出工作温度。在投影机中引入LED，这一举动对冷却系统的通风提出了更具挑战性的要求。LED系统中没有足够的空间，因此简单的风冷装置无法使用。对于LED设备，热能来自一个非常小的表面，这就导致了不能直接安装相对比较大型的冷却设备，因为这样不能提供充足的冷却效率。因此厂商希望找到一种替代的系统，以确保在规范的条件下使用LED，并提供更高的可靠性。早在LED投影机刚刚推出的时候，就有公司选择了导热管系统。
    另一种可能的方案是液冷系统，但经过试验发现它的效率也很低，更不用说在电子设备中使用液体这一隐患了。此时，读者可能会问：“导热管？这是什么东西？”导热管是一个热交换器，它通过一个简单的物理现象来降低热量。导热管是一根密封包裹的毛细结构的铜管。内部的冷却液在热端蒸发，在冷端凝结，从而高效地传输热量。毛细作用(在自然界中树木通过它来把水分从根部运送到叶片)确保了冷却液的连续循环。因此导热管热端和冷端的温度差异使这一过程持续运作。导热管不仅高效，而且自由，因为它既没有机械结构，也没有液体泄露的危险。今天，它在工业生产中得到广泛应用。几乎所有便携式电脑都用导热管来冷却处理器，即便在西伯利亚这样的永久冻土地带也用它来维护石油管道的安全，它能在太空中调解卫星的工作温度这一事实也证明了它甚至不需要重力的作用。
    假如发生故障
    采用了导热技术的热导管几乎不会发生技术故障。故障只可能发生在导热管末端用于热交换的换热风扇上。尽管我们的投影产品是非常牢固可靠的，但也不能完全排除发生故障的可能性。并且无论是在风冷、液冷还是导热管系统中，采用风扇时都会存在这个问题。这些系统都需要通过一个冷却设备或像风扇这样的热交换设备向外界散发热量。
    然而，对于导热管系统，就算风扇出现了故障，导热管自身的热传导效应也完全能够发挥作用。因为导热管是无源设备，停电对它也没有影响。在没有风扇所带动的气流时，导热管将直接通过对流向外界空气释放热量，以保持导热管的一端“凉爽”。相对来说，在我们试验的时候，水冷系统就有许多的缺陷。它需要额外增加水泵、液体导管以及调压水箱，在我们看来这些都是潜在的故障源，以及我们前面提到的在某些电子设备中使用液体会产生毒副作用。如果液冷系统中的风扇发生故障，热量还是会通过循环的液体进行传导，但风扇就不能帮助热交换器把热量释放到外界空气中。
    另一方面，如果水泵不能维持液体的循环，LED的热量就不能释放出来。LED马上就会过热，导致系统不得不被关闭。只有使用一套冗余的循环系统才能解决这一问题，但如果这样做，设备的成本和空间又不允许。
    导热管——*好的选择
    当然，我们广泛测试了导热管系统的设计和质量，并试图获取它的极限值。就算把气温升高到40oC以上(这在一般的控制室环境中是非常罕见的)我们的导热管系统仍然能够把LED保持在它的工作温度范围内。出乎意料的是，如果把风扇全关掉，LED亮度会自动下降到70%以确保安全。不过这样的下降范围对图像造成的影响并不大，因为我们认为LED无论如何都不会在满负荷状态下工作。如果环境温度为25oC，亮度降到80%，单单导热管系统自身就能维持LED的工作温度，而不需要风扇。导热管极高的性能和失效保护机制正是我们在LED冷却系统中所需要的。
    正如前文所提到的，导热管系统中的故障源几乎只有风扇，但这并不能阻止导热管自身的热传导。在试验中，我们模拟了一个风扇全部坏掉的故障情况，并测试了不同亮度下单色LED的温度。图1的左边显示了风扇打开，单色LED在100%亮度下的温度。它们都远远低于允许值(虚线)。其它三块显示了在把风扇关闭后，LED亮度分别为40%、60%、80%情况下的温度，我们可以看到，当亮度在40%和60%之间时，单单导热管自身的冷却效果就足以把LED的温度维持在规定范围内，而在80%亮度时，也只有绿色的LED温度达到了极限，这时LED的预期寿命就会下降。在我们的投影机上，通过把亮度自动衰减到70%，可以使LED的温度在风扇发生故障的情况下仍然保持在规定范围内。

图1：导热管系统中，风扇开启和关闭的情况下，LED不同亮度和温度的关系

我们还在不断升高的环境温度下测试了导热管的可靠性，以模拟某些突发状况，比如房间里的空调突然坏了。从图2可以看出，即使环境温度超过40oC，LED仍然可以正常工作。

图2：100%亮度下，不同环境温度下在导热管冷却系统中的LED的温度

图3-5显示了LED的预期寿命与工作温度之间的关系。正如你所见的那样，一旦超出图2中为单色LED所限定的*高温度，预期寿命就会迅速跌到60,000小时以下。不过，如果与其它数据进行比较，我们就会发现，即使发生了风扇故障，eyevis公司的LED箱体内的导热管冷却系统能够将温度保持在必须的范围内，使LED的预期寿命能够达到60,000小时。