一种大功率led多孔相变热沉结构的制作方法
【专利摘要】一种大功率LED多孔相变热沉结构，包括顶面设有若干个散热器翅片的散热器内腔，散热器内腔内烧结有金属多孔结构，金属多孔结构的孔隙中填充有相变材料；散热器内腔的底面上设有LED电子芯片，且相变材料的熔点低于LED电子芯片的正常工作温度。本发明能够提高相变潜热存储的响应速率，并降低LED散热结构的重量和成本，且LED工作时芯片发出热量一部分以自然对流的形式散出，大部分被相变材料熔化过程中吸收的潜热储存，同时LED芯片的温度通过相变材料的熔点进行控制，并改善了散热性能。本发明构具有结构简单、重量轻、体积小、调节性好，散热效果好、寿命长、无外在能耗和无环境污染等优点。
【专利说明】一种大功率LED多孔相变热沉结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及照明领域，特别涉及一种大功率LED多孔相变热沉结构。
技术背景
[0002]近年来,随着能源供应的紧张,半导体发光二极管LED (Light Emitting D1de)照明受到了世界各国的广泛重视，由于其具有发光效率高、寿命长和安全环保等优点，而被称为第四代照明光源或者绿色光源，LED照明已经广泛地应用于手机闪光灯、显示器背光、标志牌和信号灯以及矿灯等特殊用途照明系统，鉴于LED的优点，其将在家用照明、汽车前照灯、舞台照明和建筑工地照明等大功率照明领域表现出巨大的潜力和前景。然而，虽然大功率LED灯亮度更高，但是其内部产生的热量也会大幅度增加，使半导体PN结的温度增加，降低了发光效率，改变了 LED的峰值波长，从而引起光衰现象，同时严重降低LED的使用寿命。因此，LED的PN节的温度需要控制在给定的安全温度(如125°C )以下。传统的白炽光是以红外辐射的方式对外散热，而LED是通过激发电子，使电子发生能量级的跳跃而实现发光，光谱中不含红外部分，产生的热量不能通过辐射散出，且LED灯有80%的电能转换为热能散失到外界环境中。因此，大功率LED照明的散热和有效温控成为大功率LED应用的瓶颈问题之一。
[0003]大功率LED照明的现有的冷却技术是主要是采用热沉封装结构，通过导热将LED芯片产生的热量传递至灯壳再由自然对流带走进行冷却。专利CN2735548公开了一种封装有矽油的散热箱并在箱内设计一套扰动系统来降低LED芯片的温度，不足之处是扰动系统需要额外的能耗及可靠性差。专利CN1828956A公开了一种大功率的LED散热封装，其原理是采用相变沸腾传热方式的热管将热量散到环境中，不足之处是其LED和热管一体化封装的结构换热效率受热管终端环境温度的影响大且不适合灯阵结构的LED装置。专利CN101315927A公开了一种大功率LED相变热沉结构，其原理是利用工质液气相变来实现热沉本体的热等温效应以降低LED芯片的温度，不足之处是换热能力依赖于相变材料的封装量。专利W02009110987A1公开了一种用于LED灯的采用相变材料的热存储系统，其结构是将传统的金属散热器换成加工有容腔的热沉，在空腔内装有相变材料，利用相变材料融化时吸热进行储能来降低LED芯片的温度，不足之处是相变材料的导热系数低，换热能力有限。专利US20090322229A1公开了一种新型的LED照明装置，其原理是通过热管将LED芯片的热量传递到埋在地里的相变材料来降低LED芯片的温度，不足之处是这种结构成本高，使用场合有限，不利于推广。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供了一种大功率LED多孔相变热沉结构，该结构散热效果好，且减少了 LED封装温度对散热方式的依赖，延长了散热时间。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:包括顶面设有若干个散热器翅片的散热器内腔，散热器内腔内烧结有金属多孔结构，金属多孔结构的孔隙中填充有相变材料；散热器内腔的底面设有LED电子芯片，且相变材料的熔点低于LED电子芯片的正常工作温度。
[0006]每个散热器翅片上加工有若干扰流槽，且每个散热器翅片上的若干扰溜槽的总宽度小于等于每个散热器翅片的总宽度的20?30%。
[0007]沿散热器翅片的高度方向，每个散热器翅片的厚度逐渐增大，且散热器翅片与散热器内腔顶面接触的部分最厚。
[0008]所述的金属多孔结构为金属泡沫多孔结构或金属纤维毡多孔结构。
[0009]所述的金属多孔结构的孔隙率范围为30%?99%。
[0010]所述的相变材料在金属多孔结构中的体积填充率小于95%。
[0011]所述的相变材料为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡。
[0012]所述的散热器内腔的底面与LED电子芯片之间设有扩展板，散热器内腔侧面上设有用于密闭散热器内腔的密封端盖。
[0013]所述的若干个散热器翅片与散热器内腔的顶面之间以焊接或机加工的方式连接，扩展板与LED电子芯片之间、散热器内腔的底面与扩展板之间均以焊接或导热硅脂粘结的方式连接。
[0014]所述的LED电子芯片停止工作时，相变材料放热凝固；LED正常工作时，相变材料吸热熔化。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0016]1、本发明在散热器内腔的顶面上设有若个散热器翅片，因此，LED电子芯片工作时产生的热量中的一部分能够传递到散热器腔体表面，并借助散热器翅片以自然对流的方式带走，；同时，散热器内腔内烧结有金属多孔结构，金属多孔结构的孔隙中封装有相变材料，因此，LED电子芯片工作时产生的大部分热量被相变材料熔化过程中吸收的潜热储存。同时LED芯片的温度通过相变材料的熔点进行控制，LED停止工作后，相变材料释放热量并重新凝固，并可以根据功率大小、工作时间长短调节相变材料的填充量，改善了散热性能。本发明还能利用相变材料的熔点对LED的温度进行有效的控制，使LED温度对散热方式的依赖性减小，且延长了散热时间，因此，本发明散热效果良好且能够适用于大功率LED。
[0017]2、本发明利用相变材料的固液相变潜热大、体积膨胀小和易于控制的优点，在散热内腔内烧结有金属多孔结构以提高相变材料的有效导热系数，从而提高相变潜热存储的响应速率，使相变材料熔化过程更为均匀，更加有利于相变温控，并降低了 LED散热结构的重量和成本，因此，本发明具有结构简单、重量轻、体积小、调节性好，寿命长，且无外在能耗和无环境污染等优点。
[0018]进一步，本发明所用的相变材料价格低廉,相变体积变化小,易于工业应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的大功率LED多孔相变热沉结构的示意图；
[0020]图2为图1中的A-A剖视图；
[0021]图3为图1的局部俯视示意图；
[0022]图4为本发明结构的一种实施例在三种实验工况温控效果对比图；其中，hi为熔化区1，h2为熔化区2。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0024]如图1所示，本发明包括顶面设有若干散热器翅片I的散热器内腔2，散热器内腔2内烧结有孔隙率范围为30%?99%的金属多孔结构3，金属多孔结构3为铝或铜等高导热金属材料制备成的金属泡沫多孔结构或金属纤维毡多孔结构；金属多孔结构3的孔隙中填充有相变材料4,而金属多孔结构3能够提闻相变材料4的有效导热系数，从而提闻相变潜热存储的响应速率；相变材料4在金属多孔结构3中的体积填充率小于95%，以考虑相变材料熔化后的体积膨胀；散热器内腔2的底面上设有材料为铝或铜的扩展板5，扩展板5底部用于与LED电子芯片6结合，且相变材料4的熔点低于LED电子芯片6的正常工作温度。这些相变材料4可选择柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡，但不仅限于此。
[0025]散热器内腔2侧面上设有用于密闭散热器内腔2的密封端盖7 ;密封端盖7通过焊接、螺栓连接或者胶结的方法将相变材料4封装在散热器内腔2内，填充相变材料时，直接将密封端盖7打开，将熔融状态的相变材料4填充在金属多孔结构的孔隙中；其中扩展板5与LED电子芯片6之间、散热器内腔2的底面与扩展板5之间均以焊接或导热硅脂粘结的方式连接，LED电子芯片6采用单颗LED封装件、多颗LED封装件或者LED灯阵(圆形阵或者矩形阵)。
[0026]如附图2和图3所示，本发明在散热器内腔2顶部的若干散热器翅片I能够增加换热面积，这些散热器翅片I与散热器内腔2顶部是以焊接或机加工的方式连接的；每个散热器翅片I上加工有若干扰流槽，且每个散热器翅片I上的若干绕溜槽的总宽度小于等于每个散热器翅片I的总宽度的20?30%。沿散热器翅片I的高度方向，每个散热器翅片I的厚度逐渐增大，且散热器翅片I与散热器内腔2顶面接触的部分最厚(即所述的散热器翅片根部较厚，沿着高度方向逐渐变薄)，散热器翅片I的倾斜角度和扰流槽的宽度由LED的功率决定，但是扰流槽的总宽度不超过翅片总宽度的20?30%，这样能够提高自然对流的效率。。
[0027]在散热器内腔2烧结有金属多孔结构3以提高相变材料4的有效导热系数，从而提高相变潜热存储的响应速率。LED工作时芯片发出热量一部分通过翅片I的对流换热带走，大部分被相变材料4储存，LED停止工作后，相变材料4释放热量并重新凝固，并根据功率大小、工作时间长短调节相变材料4的填充量。热沉底部通过焊接或者导热硅脂粘有一铜或者铝的扩展板5，扩展板5的另一侧则通过焊接或者导热硅脂粘有单颗LED封装件6、多颗LED封装件或者LED灯阵(圆形阵或者矩形阵)。
[0028]图4是本发明结构的一种实施例在三种实验工况温控效果对比图，其中金属多孔结构3为铜泡沫(孔隙率为0.98，5PPI)，相变材料4为石蜡。图中共有3条曲线，一条是无石蜡情况下的LED封装件6结点热阻随时间变化曲线，另外两条是石蜡熔点分别是52?54°C (熔化区I)和60?62°C (熔化区2)时的热阻曲线。如图4所示，含石蜡的两种情况熔化区恰好对应LED电子芯片的正常工作区间，当LED电子芯片停止工作，则存储于金属多孔结构中的石蜡恰好全部熔化，正好对应于图4中的融化区结束，存储于石蜡中的热量开始逐渐释放，石蜡重新凝固，由此构成一个循环使用周期。如图4所示，有石蜡工况下的热阻比无石蜡工况下的热阻小25%?30%，其温控效果改善效果相当明显。
【权利要求】
1.一种大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:包括顶面设有若干个散热器翅片(I)的散热器内腔(2)，散热器内腔(2)内烧结有金属多孔结构(3)，金属多孔结构(3)的孔隙中填充有相变材料⑷；散热器内腔⑵的底面设有LED电子芯片(6)，且相变材料(4)的熔点低于LED电子芯片(6)的正常工作温度。
2.根据权利要求1所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:每个散热器翅片(I)上加工有若干扰流槽，且每个散热器翅片(I)上的若干扰溜槽的总宽度小于等于每个散热器翅片(I)的总宽度的20?30%。
3.根据权利要求1或2所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:沿散热器翅片(I)的高度方向，每个散热器翅片(I)的厚度逐渐增大，且散热器翅片(I)与散热器内腔(2)顶面接触的部分最厚。
4.根据权利要求1或2所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:所述的金属多孔结构(3)为金属泡沫多孔结构或金属纤维毡多孔结构。
5.根据权利要求1所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:所述的金属多孔结构(3)的孔隙率范围为30%?99%。
6.根据权利要求1或5所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:所述的相变材料(4)在金属多孔结构(3)中的体积填充率小于95%。
7.根据权利要求1所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:所述的相变材料(4)为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡。
8.根据权利要求1所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:所述的散热器内腔⑵的底面与LED电子芯片(6)之间设有扩展板(5)，散热器内腔⑵侧面上设有用于密闭散热器内腔⑵的密封端盖(7)。
9.根据权利要求8所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:所述的若干个散热器翅片(I)与散热器内腔(2)的顶面之间以焊接或机加工的方式连接，扩展板(5)与LED电子芯片(6)之间、散热器内腔(2)的底面与扩展板(5)之间均以焊接或导热硅脂粘结的方式连接。
10.根据权利要求1所述的大功率LED多孔相变热沉结构，其特征在于:所述的LED电子芯片(6)停止工作时，相变材料(4)放热凝固；LED正常工作时，相变材料(4)吸热熔化。
【文档编号】H01L23/427GK104241513SQ201410468304
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】屈治国, 李昂, 汪天送 申请人:西安交通大学