一种用于LED器件的复合相变热柱的制作方法

本实用新型涉及热传导及储热领域，特别涉及应用于LED封装的传热储热的热柱。

背景技术：

LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，他可以直接把电转化为光。LED具有节能、环保和长寿三大优势，与传统白炽灯比较，可节省60%~90%的电能，被公认为下一代绿色光源，目前正在逐步取代传统光源，渗透到人们的日常生活当中。LED光源已成功应用在投影仪、汽车前大灯、矿灯、平面显示背光源等新领域。

LED的散热问题现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温（结温是电子设备中实际半导体芯片中的PN结的工作温度，通常高于外壳温度和器件表面温度）有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃，寿命就会延长2倍。而且结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率。例如以结温为25℃时的发光为100%，那么结温上升至60℃时，其发光量就只有90%，结温为100℃时就下降到80%。同时，随着半导体光电器件的发展，半导体器件体积越来越小，然而集成度和功率越来越高，导致散热空间狭小，高热流密度等一系列致命问题。因此，LED器件的散热问题的解决至关重要。

当前LED散热主要采用铸造或是机械加工方法制得的铝热沉，以自然对流或是强制对流为辅助，主要应用在LED器件功率不高可以满足正常的散热需求的情况。对于较高散热需求的器件，常以热柱或是均热板为散热手段。其中，热柱散热也是一种较佳的散热技术。热柱是一种内含液体工质的封闭腔体，借助工质的气液相变实现快速导入的效果。热柱是一种高效导热的装置，一个设计优良的热柱温度均匀性好，热阻较小。热柱的导热能力远远超过了铜、铝等金属，能达到铜的几百倍甚至上千倍，目前热柱已经在LED灯具，电子散热领域得到了广泛的应用。热柱的蒸发段在热柱底部（即LED器件一端），工质在此处蒸发带走大量热量，蒸汽在冷凝管壁处冷凝释放大量的气化潜热。但在热柱的实际使用中，由于外形体积等因素的限制，热柱的最大传热性能（即传热功率）是确定的，在面对较大发热功率的LED器件的情况，或是由于工作过程的电流不稳定造成的LED器件瞬时的温度波动甚至飙升的情况，热柱底部位于LED器件一端的液态工质瞬时汽化蒸干，并随着底部温度上升，液态工质无法回流至底部，造成散热情况的恶化，LED器件会直接由于热柱的瞬时失效而损坏，对寿命和工作性能造成直接影响，甚至直接报废。同时在常规热柱的加工制造上，对于内部吸液芯的制备，常采用中间布置芯棒来填充金属粉末或者金属纤维，这样很容易填充不均匀，造成轴向方向的吸液芯孔隙率不一致，影响毛细力的大小进而影响液体工质的回流。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型主要提出了一种用于LED器件的复合相变热柱。

本实用新型通过以下技术方案实现。

一种应用于LED器件的复合相变热柱，包括外管壳、内管壳、LED器件底座、外端盖、内端盖、注液管、固固相变模块和毛细吸液芯；

所述LED器件底座的上端面为凹圆环形，分别与外管壳和内管壳配合，下端面为LED器件的布置面；所述外管壳和内管壳的底端均紧密固定在LED器件底座的上端面；所述内管壳的上端紧密配合着内端盖；所述内端盖的中间设置有注液管；所述外管壳和内管壳的上端之间紧密配合着外端盖；

所述内管壳、内端盖及LED器件底座共同构成第一密闭空间；所述第一密闭空间内，内管壳的内壁面及LED器件底座的对应区域上布置有毛细吸液芯，并通过注液管在第一密闭空间内充装有液态工质；其中，内管壳的壁面的毛细吸液芯起到液体回流的作用，LED器件底座上端面的毛细吸液芯起增大热接触的面积的作用；

所述外管壳、内管壳、LED器件底座和外端盖共同构成第二密闭空间；所述第二密闭空间内，填充布置有固固相变模块；所述固固相变模块包括固固相变材料（SSPCM）和烧结纤维毡。

进一步地，所述外管壳、内管壳、外端盖、内端盖和LED器件底座的厚度均为1~1.5mm，材料均为金属，包括铜或铝。

进一步地，所述注液管7的内径为3~4mm。

进一步地，所述液态工质包括纯净水、丙酮和甲氧基-九氟代丁烷中的一种。

进一步地，所述固固相变材料为一元体系多元醇或二元体系多元醇；所述一元体系多元醇包括季戊四醇PE、新戊二醇NPG、二羟甲基乙烷PG或三羟甲基氨基甲烷TAM；所述二元体系多元醇为一元体系多元醇的混合组成，包括季戊四醇-新戊二醇（PE-NPG）、新戊二醇-三羟甲基氨基甲烷（NPG-TAM）。

进一步地，所述烧结纤维毡的材料为铜或铝的纤维烧结体，孔隙率为70~90%。

进一步地，所述固固相变模块充满整个第二密闭空间。

进一步地，所述毛细吸液芯的材料采用铜的金属纤维吸液芯或铝的金属纤维吸液芯。

进一步地，所述毛细吸液芯的孔隙率为60~85%，毛细吸液芯的厚度为0.5~1.5mm。

进一步地，所述外管壳、内管壳、外端盖、内端盖和LED器件底座、毛细吸液芯以及固固相变模块的烧结纤维毡的材料同时为铜或同时为铝。

更进一步地，所述毛细吸液芯的材料与第一密闭空间内的液态工质的匹配情况为：当所述毛细吸液芯的材料为铜的金属纤维吸液芯时，液态工质为纯净水；当所述毛细吸液芯的材料为铝的金属纤维吸液芯时，液态工质为丙酮或甲氧基-九氟代丁烷。

制备所述的一种应用于LED器件的复合相变热柱的方法，包括如下步骤：

（1）内管壳、外管壳、LED器件底座、内端盖和外端盖的加工：根据LED器件的需要设计相应尺寸的图纸，机加工出内管壳、外管壳、LED器件底座、内端盖和外端盖；内管壳和外管壳先后焊接在LED器件底座的上端面，注液管焊接在内端盖的中间位置；

（2）毛细吸液芯和纤维毡的制备：

（2-1）通过模具压制具有目标尺寸的方形片状毛细吸液芯和圆形片状毛细吸液芯，将圆形毛细吸液芯铺至第一密闭空间对应的LED器件底座的上端面，将方形片状毛细吸液芯卷成圆环状，包裹在特制芯棒表面，一起放入内管壳中；

（2-2）外管壳和内管壳之间的纤维毡通过模具压制成片，卷曲的圆环状，直接放入外管壳和内管壳之间的第二密闭空间；

（2-3）将制备好的热柱整体放入烧结炉中进行烧结，烧结完毕后，待冷却至室温，抽出内管壳内的特制芯棒；

（3）灌注与封装：

（3-1）将固固相变材料加热至其熔点，在熔融状态下灌注入内管壳和外管壳之间的第二密闭空间，与其间的金属纤维结构结合于一起；

（3-2）待整体冷却至室温，将外端盖置于内管壳和外管壳之间，由内管壳和外管壳上部的阶梯口定位，通过焊接进行密封；

（3-3）将内端盖与注液管的焊接体置于内管壳上部的阶梯口，先通过焊接进行稳固紧密连接，然后通过注液管先对第一密闭空间进行抽真空，在通过注液管将液体工质灌注入其间，最后对注液管的上端进行密封，得到所述应用于LED器件的复合相变热柱。

进一步地，步骤（1）中，外管壳、内管壳、LED器件底座、内端盖和外端盖压制成型后，进行清洗：将各零部件放入体积浓度为5%-10%的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后的残留碎屑，然后放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留的溶液并风干。

进一步地，步骤（2-1）中，所述圆形片状毛细吸液芯的直径与内管壳的内直径相等。

进一步地，步骤（2-1）中，所述方形片状毛细吸液芯的长等于置入内管壳后的高度，宽为内管壳的底面周长。

进一步地，步骤（2-1）中，所述的特制芯棒为三条内外为同心圆的扇形截面的钢条，在与毛细吸液芯一同放入内管壳后，中心再插入内同心的钢棒，将毛细吸液芯紧密贴合在内管壳内壁上；所述特制芯棒与内管壳同心。

进一步地，步骤（2-3）中，所述烧结过程具体为：当相变热柱材料整体采用铜时，烧结温度为850℃~950℃，烧结过程采用分段升温，烧结炉为真空烧结炉中，真空烧结炉在真空情况下充入氢气，以5℃/min的升温速率升温至500℃后，保温30min，再以5℃/min的升温速率升温至750℃~800℃后，保温30min；再以5℃/min的升温速率升温至850℃~950℃后，保温60~70min，烧结完毕后，冷却至室温；当相变热柱材料整体采用铝时，烧结温度为570~630℃，烧结过程采用分段升温，烧结炉为真空烧结炉中，真空烧结炉在真空情况下，以8℃/min的升温速率升温至300℃后，保温20min；再以8℃/min的升温速率升温至500℃后，保温20min；再以8℃/min的升温速率升温至570~630℃后，保温20~30min，烧结完毕后，冷却至室温。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

（1）本实用新型结构设计巧妙，操作简单，成本低。

（2）与固液相变材料相比，固固相变材料虽然有相变潜热较小和相变温度较高等缺点，但它具有相变体积小甚至无变化、无相分离、使用寿命长、没有泄露、腐蚀性小和相变焓高等固液相变材料无法比拟的优点，而且通过多种多元醇的融合体系，可以改变相应的固固相变温度；本实用新型结构将固固相变材料封装于热柱的外围，使热柱整体具有储热能力，当热柱传热过程开始时，在温度达到固固相变点时发生潜热吸热，维持温度的平衡稳定，并且可对温度的急速变化起到缓冲作用；

（3）在固固相变材料中加入金属纤维结构，并且通过烧结将金属纤维与内外管壳壁连接一起，有利于与热柱热量在固固相变材料中的传导，提高固固相变模块的导热率，提高固固相变材料的储热特性；由内管壳和外管壳、外封盖和固固相变模块组成的储热系统，利用定体积相变实现储热和热流缓冲，可总体降低LED器件的工作温度，可应对大的热流变化，并且，若是外管壳连通散热翅片的，亦可有利益于热量往外部的导通，整体维持LED器件的在较低温度的平衡，提高LED器件的工作性能和工作寿命；

（4）采用平板模具事先压制毛细吸液芯和纤维毡，可以调整金属粉末和金属纤维的布置，使孔隙率更为均匀，有利于性能的提升。

附图说明

图1为本实用新型应用于LED器件的复合相变热柱的结构示意图；

图2a为实施例1中外管壳1的尺寸示意图；

图2b为实施例1中内管壳2尺寸示意图；

图2c为实施例1中LED器件底座3尺寸示意图；

图2d为实施例1中外端盖5尺寸示意图；

图2e为实施例1中内端盖6尺寸示意图；

图3a 为实施例1中毛细吸液芯及纤维毡的成型模具示意图；

图3b 为实施例1中方形吸液芯的成型模具示意图；

图3c 为实施例1中圆形吸液芯的成型模具示意图；

图4a 为实施例1中特制芯棒的结构示意图；

图4b和图4c 为实施例1中布置毛细吸液芯的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，在以下的描述中阐述了更多细节以便于充分理解本实用新型，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，为本实用新型LED器件的复合相变热柱的结构示意图，包括外管壳1、内管壳2、LED器件底座3、外端盖5、内端盖6、注液管7、固固相变模块8和毛细吸液芯9；

LED器件底座3的上端面为凹圆环形，分别与外管壳1和内管壳2配合，下端面为LED器件的布置面；外管壳1和内管壳2的底端均紧密固定在LED器件底座3的上端面；内管壳2的上端紧密配合着内端盖6；内端盖6的中间设置有注液管7；外管壳1和内管壳2的上端之间紧密配合着外端盖5；

外管壳1、内管壳2、外端盖5、内端盖6和LED器件底座3的厚度均为1~1.5mm，材料均为金属，包括铜或铝；

内管壳2、内端盖6及LED器件底座3共同构成第一密闭空间；第一密闭空间内，内管壳2的内壁面及LED器件底座3的对应区域上布置有毛细吸液芯9，并通过注液管7在第一密闭空间内充装有液态工质；其中，内管壳2的壁面的毛细吸液芯起到液体回流的作用，LED器件底座3上端面的毛细吸液芯起增大热接触的面积的作用；

注液管7的内径为3~4mm；液态工质为冷媒，包括纯净水、丙酮和氢氟代乙烷中的一种；

毛细吸液芯9的材料采用采用铜的金属纤维吸液芯或铝的金属纤维吸液芯；毛细吸液芯9的孔隙率为60~85%，毛细吸液芯9的厚度为0.5~1.5mm；

外管壳1、内管壳2、LED器件底座3和外端盖5共同构成第二密闭空间；第二密闭空间内，填充布置有固固相变模块8；固固相变模块8包括固固相变材料和烧结纤维毡；固固相变材料为一元体系多元醇或二元体系多元醇；所述一元体系多元醇包括季戊四醇、新戊二醇、二羟甲基乙烷或三羟甲基氨基甲烷；所述二元体系多元醇为一元体系多元醇的混合组成，包括季戊四醇-新戊二醇、新戊二醇-三羟甲基氨基甲烷；烧结纤维毡的材料为铜或铝的纤维烧结体，孔隙率为70~90%；固固相变模块8充满整个第二密闭空间；

外管壳1、内管壳2、外端盖5、内端盖6和LED器件底座3、毛细吸液芯9以及固固相变模块8的烧结纤维毡的材料同时为铜或同时为铝；

毛细吸液芯9的材料与第一密闭空间内的液态工质的匹配情况为：当毛细吸液芯9的材料为铜的金属纤维吸液芯时，液态工质为纯净水；当毛细吸液芯9的材料为铝的金属纤维吸液芯时，液态工质为丙酮或甲氧基-九氟代丁烷。

实施例1

制备所述应用于LED器件的铜制相变复合热柱，包括如下步骤：

（1）各部件选用铜材；内管壳2、外管壳1、LED器件底座3、内端盖6和外端盖5的加工：根据LED器件的需要设计相应尺寸的图纸（如图2a~2e为内管壳2、外管壳1、LED器件底座3、内端盖6和外端盖5各部件的尺寸示意图），机加工出内管壳2、外管壳1、LED器件底座3、内端盖6和外端盖5；

制备得到的内管壳2、外管壳1、LED器件底座3、内端盖6和外端盖5进行清洗：将各零部件放入体积浓度为10%的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后的残留碎屑，然后将其放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留的溶液并风干；

内管壳2和外管壳1先后焊接在LED器件底座3的上端面，注液管7焊接在内端盖6的中间位置；

（2）毛细吸液芯9和纤维毡的制备：毛细吸液芯和纤维毡的成型模具示意图如图3a所示，分别由上模、下模、中间压制模块以及螺丝螺栓组成；上模和下模为钢材；中间压制模块包括毛细纤维吸液芯9的铜纤维烧结结构吸液芯，和固固相变模块8的铜纤维毡结构；

其中，方形吸液芯的成型模具示意图如图3b所示，下模加工出目标尺寸的方形凹槽，其长度为内管壳的高度，宽度为内管壳的底面周长；

圆形吸液芯的成型模具示意图如图3c所示，下模加工出目标尺寸的圆形凹槽，直径为内管壳底面直径；

（2-1）通过模具压制具有目标尺寸的方形片状毛细吸液芯和圆形片状毛细吸液芯，其中，第一密闭空间方形毛细吸液芯的长度为80mm，厚度为1mm，孔隙率为60%；圆形状毛细吸液芯的直径为30mm，厚度为1mm，孔隙率为60%；第二密闭空间方形铜纤维毡的尺寸由内外管壳的组合尺寸所确定，孔隙率为90%；将圆形毛细吸液芯铺至第一密闭空间对应的LED器件底座3的上端面，将方形片状毛细吸液芯卷成圆环状，包裹在特制芯棒表面，一起放入内管壳2中；特制芯棒的结构示意图如图4a所示，特制芯棒由钢材制成，由中间的圆柱棒15和外围三个扇形柱14组成，扇形柱14内圆弧半径与圆柱棒15的半径相等；铜纤维毡通过模具压制成片，卷曲的圆环状，直接放入外管壳1和内管壳2之间的第二密闭空间；

毛细吸液芯的布置步骤示意图如图4b和图4c所示，先将方形片状毛细吸液芯按长宽方形卷成圆环状，裹与三个扇形柱外围，如图3b所示一同放入内管壳中；将中间圆柱棒15插入三个扇形柱中间，将外围的吸液芯撑开，使毛细吸液芯紧密贴附在内管壳内壁面上；

（2-2）外管壳1和内管壳2之间的纤维毡通过模具压制成片，卷曲的圆环状，直接放入外管壳1和内管壳2之间的第二密闭空间；

（2-3）将制备好的热柱整体放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为950℃；烧结过程采用分段升温，烧结炉为真空烧结炉中，真空烧结炉在真空情况下充入氢气，以5℃/min的升温速率升温至500℃后，保温30min；再以5℃/min的升温速率升温至750℃后，保温30min；再以5℃/min的升温速率升温至850℃后，保温70min；烧结完毕后，待冷却至室温，抽出内管壳2内的特制芯棒；

（3）灌注与封装：

（3-1）将固固相变材料-多元醇类：新戊二醇NPG加热至其熔点，在熔融状态下灌注入内管壳2和外管壳1之间的第二密闭空间，与其间的金属纤维结构结合于一起；

（3-2）待整体冷却至室温，将外端盖5置于内管壳2和外管壳1之间，由内管壳2和外管壳1上部的阶梯口定位，通过焊接进行密封；

（3-3）将内端盖6与注液管7的焊接体置于内管壳2上部的阶梯口，先通过焊接进行稳固紧密连接，然后通过注液管7先对第一密闭空间进行抽真空，在通过注液管将8.5mL纯净水灌注入其间，最后对注液管的上端进行密封，得到所述应用于LED器件的复合相变热柱。

实施例2

制备步骤与实施例1相同，与实施例1不同的是：

其中，第一密闭空间方形毛细吸液芯的孔隙率为68%；圆形状毛细吸液芯孔隙率为75%，第二密闭空间方形铜纤维毡孔隙率为70%。

其中，步骤（2-3）烧结步骤中的烧结温度为950℃；分段升温过程为：以5℃/min的升温速率升温至500℃后，保温30min；再以5℃/min的升温速率升温至800℃后，保温30min；再以5℃/min的升温速率升温至950℃后，保温60min；

其中，步骤（3-1）灌注步骤中固固相变材料为二元体系多元醇：季戊四醇-新戊二醇。

实施例3

制备步骤与实施例1相同，与实施例1不同的是，应用于LED器件的相变复合热柱整体采用铝材。

其中，第一密闭空间方形毛细吸液芯的孔隙率为85%；圆形状毛细吸液芯孔隙率为85%，第二密闭空间方形铝纤维毡孔隙率为80%。

其中，步骤（2-3）烧结步骤中的烧结温度为590℃；烧结过程采用分段升温，烧结炉为真空烧结炉中，真空烧结炉在真空情况下，以8℃/min的升温速率升温至300℃后，保温20min；再以8℃/min的升温速率升温至500℃后，保温20min；再以8℃/min的升温速率升温至590℃后，保温20min；

其中，步骤（3-1）灌注步骤中固固相变材料为二元体系多元醇：新戊二醇-三羟甲基氨基甲烷。