冷卻系統(tǒng)——LED投影的關鍵導熱管為你解決難題

類別：技術與產品發(fā)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(chuàng)新技術，備受觀眾青睞，現在幾乎已取代了傳統(tǒng)的投影顯示墻。LED的主要優(yōu)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(xù)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(fā)光，而是與最初相比亮度下降一半。
    冷卻系統(tǒng)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(tǒng)的通風提出了更具挑戰(zhàn)性的要求。LED系統(tǒng)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(tǒng)，以確保在規(guī)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(tǒng)。
    另一種可能的方案是液冷系統(tǒng)，但經過試驗發(fā)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(fā)，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(xù)循環(huán)。因此導熱管熱端和冷端的溫度差異使這一過程持續(xù)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(yè)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(wèi)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(fā)生故障
    采用了導熱技術的熱導管幾乎不會發(fā)生技術故障。故障只可能發(fā)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(fā)生故障的可能性。并且無論是在風冷、液冷還是導熱管系統(tǒng)中，采用風扇時都會存在這個問題。這些系統(tǒng)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(fā)熱量。
    然而，對于導熱管系統(tǒng)，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(fā)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(tǒng)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(tǒng)中的風扇發(fā)生故障，熱量還是會通過循環(huán)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(huán)，LED的熱量就不能釋放出來。LED馬上就會過熱，導致系統(tǒng)不得不被關閉。只有使用一套冗余的循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境中是非常罕見的)我們的導熱管系統(tǒng)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(tài)下工作。如果環(huán)境溫度為25oC，亮度降到80%，單單導熱管系統(tǒng)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(tǒng)中所需要的。
    正如前文所提到的，導熱管系統(tǒng)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(guī)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(fā)生故障的情況下仍然保持在規(guī)定范圍內。

圖1：導熱管系統(tǒng)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(huán)境溫度下測試了導熱管的可靠性，以模擬某些突發(fā)狀況，比如房間里的空調突然壞了。從圖2可以看出，即使環(huán)境溫度超過40oC，LED仍然可以正常工作。

圖2：100%亮度下，不同環(huán)境溫度下在導熱管冷卻系統(tǒng)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(fā)現，即使發(fā)生了風扇故障，eyevis公司的LED箱體內的導熱管冷卻系統(tǒng)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。