冷卻系統——LED投影的關鍵導熱管為你解決難題

類別：技術與產品發表于：2012-05-10 10:45

    LED背投拼接墻自推出兩年多的時間以來，不斷采用創新技術，備受觀眾青睞，現在幾乎已取代了傳統的投影顯示墻。LED的主要優勢在于預期壽命長，一般為60,000小時左右，大約是UHP燈泡的7倍。和大多數電子元器件一樣，LED的工作溫度決定了它的實際使用壽命。也就是說，顯示技術所提出的預期壽命指的是亮度比最初下降50%的持續時間。換而言之，在標準條件下一個LED到達預期壽命并不是說它不發光，而是與最初相比亮度下降一半。
    冷卻系統是關鍵
    如前所述，要達到廠商所給出的預期壽命，LED的工作溫度必須在特定的范圍內。各家燈泡廠商所使用的冷卻技術幾乎沒有什么差別。風冷是首選方案：用風扇對著LED吹，以避免超出工作溫度。在投影機中引入LED，這一舉動對冷卻系統的通風提出了更具挑戰性的要求。LED系統中沒有足夠的空間，因此簡單的風冷裝置無法使用。對于LED設備，熱能來自一個非常小的表面，這就導致了不能直接安裝相對比較大型的冷卻設備，因為這樣不能提供充足的冷卻效率。因此廠商希望找到一種替代的系統，以確保在規范的條件下使用LED，并提供更高的可靠性。早在LED投影機剛剛推出的時候，就有公司選擇了導熱管系統。
    另一種可能的方案是液冷系統，但經過試驗發現它的效率也很低，更不用說在電子設備中使用液體這一隱患了。此時，讀者可能會問：“導熱管？這是什么東西？”導熱管是一個熱交換器，它通過一個簡單的物理現象來降低熱量。導熱管是一根密封包裹的毛細結構的銅管。內部的冷卻液在熱端蒸發，在冷端凝結，從而高效地傳輸熱量。毛細作用(在自然界中樹木通過它來把水分從根部運送到葉片)確保了冷卻液的連續循環。因此導熱管熱端和冷端的溫度差異使這一過程持續運作。導熱管不僅高效，而且自由，因為它既沒有機械結構，也沒有液體泄露的危險。今天，它在工業生產中得到廣泛應用。幾乎所有便攜式電腦都用導熱管來冷卻處理器，即便在西伯利亞這樣的永久凍土地帶也用它來維護石油管道的安全，它能在太空中調解衛星的工作溫度這一事實也證明了它甚至不需要重力的作用。
    假如發生故障
    采用了導熱技術的熱導管幾乎不會發生技術故障。故障只可能發生在導熱管末端用于熱交換的換熱風扇上。盡管我們的投影產品是非常牢固可靠的，但也不能完全排除發生故障的可能性。并且無論是在風冷、液冷還是導熱管系統中，采用風扇時都會存在這個問題。這些系統都需要通過一個冷卻設備或像風扇這樣的熱交換設備向外界散發熱量。
    然而，對于導熱管系統，就算風扇出現了故障，導熱管自身的熱傳導效應也完全能夠發揮作用。因為導熱管是無源設備，停電對它也沒有影響。在沒有風扇所帶動的氣流時，導熱管將直接通過對流向外界空氣釋放熱量，以保持導熱管的一端“涼爽”。相對來說，在我們試驗的時候，水冷系統就有許多的缺陷。它需要額外增加水泵、液體導管以及調壓水箱，在我們看來這些都是潛在的故障源，以及我們前面提到的在某些電子設備中使用液體會產生毒副作用。如果液冷系統中的風扇發生故障，熱量還是會通過循環的液體進行傳導，但風扇就不能幫助熱交換器把熱量釋放到外界空氣中。
    另一方面，如果水泵不能維持液體的循環，LED的熱量就不能釋放出來。LED馬上就會過熱，導致系統不得不被關閉。只有使用一套冗余的循環系統才能解決這一問題，但如果這樣做，設備的成本和空間又不允許。
    導熱管——*好的選擇
    當然，我們廣泛測試了導熱管系統的設計和質量，并試圖獲取它的極限值。就算把氣溫升高到40oC以上(這在一般的控制室環境中是非常罕見的)我們的導熱管系統仍然能夠把LED保持在它的工作溫度范圍內。出乎意料的是，如果把風扇全關掉，LED亮度會自動下降到70%以確保安全。不過這樣的下降范圍對圖像造成的影響并不大，因為我們認為LED無論如何都不會在滿負荷狀態下工作。如果環境溫度為25oC，亮度降到80%，單單導熱管系統自身就能維持LED的工作溫度，而不需要風扇。導熱管極高的性能和失效保護機制正是我們在LED冷卻系統中所需要的。
    正如前文所提到的，導熱管系統中的故障源幾乎只有風扇，但這并不能阻止導熱管自身的熱傳導。在試驗中，我們模擬了一個風扇全部壞掉的故障情況，并測試了不同亮度下單色LED的溫度。圖1的左邊顯示了風扇打開，單色LED在100%亮度下的溫度。它們都遠遠低于允許值(虛線)。其它三塊顯示了在把風扇關閉后，LED亮度分別為40%、60%、80%情況下的溫度，我們可以看到，當亮度在40%和60%之間時，單單導熱管自身的冷卻效果就足以把LED的溫度維持在規定范圍內，而在80%亮度時，也只有綠色的LED溫度達到了極限，這時LED的預期壽命就會下降。在我們的投影機上，通過把亮度自動衰減到70%，可以使LED的溫度在風扇發生故障的情況下仍然保持在規定范圍內。

圖1：導熱管系統中，風扇開啟和關閉的情況下，LED不同亮度和溫度的關系

我們還在不斷升高的環境溫度下測試了導熱管的可靠性，以模擬某些突發狀況，比如房間里的空調突然壞了。從圖2可以看出，即使環境溫度超過40oC，LED仍然可以正常工作。

圖2：100%亮度下，不同環境溫度下在導熱管冷卻系統中的LED的溫度

圖3-5顯示了LED的預期壽命與工作溫度之間的關系。正如你所見的那樣，一旦超出圖2中為單色LED所限定的*高溫度，預期壽命就會迅速跌到60,000小時以下。不過，如果與其它數據進行比較，我們就會發現，即使發生了風扇故障，eyevis公司的LED箱體內的導熱管冷卻系統能夠將溫度保持在必須的范圍內，使LED的預期壽命能夠達到60,000小時。