一种大功率led蓄热型固液相变散热装置制造方法
【专利摘要】一种大功率LED蓄热型固液相变散热装置，包括底部用于与LED封装件相连的热沉空腔，热沉空腔的外侧壁上设有若干散热翅片，热沉空腔的内表面垂直于热流方向上连接有若干金属针翅结构，且相邻金属针翅结构之间填充有熔点低于LED封装件的正常工作温度的相变材料。本发明利用相变材料熔化时吸热，相变过程中温度保持不变的特性进行被动冷却，而且还能提高相变材料的有效导热系数和强化相变材料的自然对流，从而提高相变潜热存储的响应速率，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，保证LED正常工作。
【专利说明】一种大功率LED蓄热型固液相变散热装置
【技术领域】
[0001]本发明属于照明领域，特别涉及一种大功率LED蓄热型固液相变散热装置。
技术背景
[0002]半导体发光二极管LED (Light Emitting D1de)由于具有发光效率高、寿命长和安全环保等优点，被称为第四代照明光源或者绿色光源。近年来，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，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，又大部分LED灯的实际效率只能达到20%，即80%的电能转换为热能只能通壳体的自然对流散出，恶劣的散热条件降低了发光效率，而且导致半导体PN结的温度的升高产生光衰现象使发光的颜色发生改变并缩短了 LED的寿命。研究表明，当温度超过一定值时，电子器件的失效率将呈指数规律攀升，温度每上升2°C，可靠性将下降10%。为了保证器件的寿命，LED的PN节温度需要控制在110°C以下。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照明现有的冷却技术主要是通过导热将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。S.L.Lee等人[S.L.Lee, Z.H.Yang, Y.Hsyua, Cooling ofa heated surface by mist flow, Journal of Heat Transfer, 1994，116 (I): 167.]和专利CN2735548分别通过空气和矽油的强制对流冷却来降低LED芯片的温度，不足之处是所采用的主动冷却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，其原理是采用低沸点液滴冲击散热装置降低LED封装体的温度，不足之处是温控面温度不均匀，压差较大并且冷却面容易产生腐蚀。专利CN101315927A公开了一种大功率LED相变散热装置，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，不足之处是液气相变体积变化大造成散热装置体积大且采用泡沫金属作为沸腾结构抑制了相变材料的自然对流。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使用场合有限，不利于推广。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，利用相变材料熔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。
【发明内容】
[0004]本发明的目的提供一种大功率LED蓄热型固液相变散热装置，该装置能够对LED封装件进行有效的控制，使用寿命长，且无污染。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:包括底部用于与LED封装件相连的热沉空腔，热沉空腔的外侧壁上设有若干散热翅片，热沉空腔的内表面垂直于热流方向上连接有若干金属针翅结构，且相邻金属针翅结构之间填充有熔点低于LED封装件的正常工作温度的相变材料。
[0006]所述的金属针翅结构的针翅单元为叉排或顺排布置的圆柱体或多边形柱体。
[0007]所述的若干金属针翅结构的总体积小于等于热沉空腔体积的20%。
[0008]所述的金属针翅结构采用铜或铝制成。
[0009]所述的金属针翅结构通过铸造或焊接的方式与热沉空腔的内表面连接。
[0010]所述的相变材料为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡。
[0011]所述的若干散热翅片以焊接或机械加工的方式固定在热沉空腔的外侧壁上。
[0012]每个散热翅片在热沉内腔外侧壁上的高度沿着重力方向逐渐变大。
[0013]所述的热沉空腔的底部采用焊接或硅脂连接有用于固定LED封装件的扩展板。
[0014]所述的热沉空腔的顶部以焊接、螺栓或胶结的方式与密封端盖相连，且密封端盖的横截面大于热沉空腔的横截面。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0016]1、本发明相邻金属针翅结构之间填充有熔点低于LED封装件的正常工作温度的相变材料，因此，当LED封装件正常工作时，本发明能够利用相变潜热储存LED封装件产生的热量，而当LED封装件停止工作时将相变材料将蓄热释放，减小了温度对散热方式的依赖性，延长了散热时间。另外，本发明还能通过相变材料的熔点对LED封装温度进行有效的控制，为大功率LED的应用提供了条件。同时，本发明利用相变材料受LED封装件自身产生的热量控制吸热放热，因此，无外在能耗和无环境污染等优点。
[0017]2、本发明在热沉空腔内表面垂直于热流方向上布置金属针翅结构,一方面能够显著提高相变材料的当量导热系数，提高相变储能响应速率，防止相变材料局部过热；另一方面，这相当于在竖壁上延伸了直肋结构，增强了热沉空腔内相变材料自然对流换热能力。
[0018]3、本发明具有结构简单、重量轻、体积小、调节性好，散热效果好、寿命长、易于工业应用。
[0019]进一步，本发明根据热边界层厚度沿着流动方向逐渐增大的特征，在热沉侧面采用变高度的翅片结构，一方面可以减少金属材料的用量，进而减小成本和重量；另一方面可以破坏边界层，使得换热能力增强。另外，相变材料在若干金属针翅结构的填充量是取决于所选相变材料的热膨胀率和相变潜热、LED封装件的功率及金属针翅结构的体积。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明大功率LED蓄热型固液相变散热装置的结构示意图；
[0021 ] 图2为图1中的A-A剖视图；
[0022]图3是间歇性工作的LED灯工作周期示意图；
[0023]其中，1、热沉空腔，2、散热翅片，3、金属针翅结构，4、相变材料，5、扩展板，6、LED封装件，7、密封端盖，8、螺栓。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0025]如图1和图2所示，本发明包括底部用于与LED封装件6相连的热沉空腔1，热沉空腔I的底部设有用于固定LED封装件6的扩展板5，扩展板5的材料为材料为高导热系数的金属(如铝或铜)，扩展板5的一面与热沉空腔I的底部采用焊接或高导热系数的硅脂连接，扩展板5的另一面与LED封装件6通过高导热系数的硅脂或者焊接紧密相连，LED封装件6采用单颗LED封装件或者LED灯阵(圆形阵或者矩形阵)。热沉空腔I的外侧壁上以焊接或机械加工的方式固定有若干散热翅片2以增加换热面积，且若干散热翅片2沿热沉空腔I的外壁周向布置，并根据热边界层厚度沿着流动方向逐渐增大的特征在热沉侧面采用变高度的翅片结构，进而减小成本和破坏边界层，提高换热能力，因此，本发明的换热翅片2的外侧壁上的高度沿着重力方向逐渐变大，且每个换热翅片2与热沉空腔I的外壁垂直。
[0026]热沉空腔I的内表面垂直于热流方向上连接有若干金属针翅结构3,金属针翅结构3通过铸造或焊接的方式与热沉空腔I的内表面连接，且金属针翅结构3的材料为高导热金属材料，如铜或铝，金属针翅结构3的针翅单元为叉排或顺排布置的圆柱体或多边形柱体，且若干金属针翅结构的总体积小于等于热沉空腔I体积的20%。另外，相邻金属针翅结构3之间填充有熔点低于LED封装件6的正常工作温度的相变材料4，因此，当相变材料熔化时吸热，相变过程中温度保持不变的特性进行被动冷却，这样金属针翅结构3就能提高相变材料4的有效导热系数和增强热沉空腔I内相变材料4的自然对流换热能力，从而提高相变潜热存储的响应速率。相变材料4为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡，但不仅限于此。相变材料4的填充量取决于所选相变材料的热膨胀率和相变潜热、LED芯片的功率及金属针翅结构3的体积。热沉空腔I的顶部以焊接、螺栓8或胶结的方式与密封端盖7相连以将相变材料4封装在热沉空腔I中，密封端盖7较热沉空腔I的横截面积大，即存在帽檐，这可以防止灰尘、雨水等杂物进入封装腔内污染相变材料。
[0027]本发明大功率LED蓄热型固液相变散热装置是从LED灯间歇性工作的特点和相变材料导热系数低的特点出发，提出了利用相变材料熔化时吸热，相变过程中温度保持不变的特性进行被动冷却的温控技术来实现大功率LED灯的温控。本发明的工作原理为:LED封装件6内的LED灯正常工作时，相变材料4从固态熔化为液态时吸热，相变过程中温度保持不变，从而有效地控制LED芯片的温度，LED灯停止工作后，相变材料4释放热量重新凝固，而放出的热量通过热沉内腔散失到外界，同时散热翅片4增强了热量的散热且易于根据功率大小、工作时间长短选择相变材料4和调节其填充量。
[0028]图3是间歇性工作的LED灯工作周期示意图。当LED灯开的时候，对应的是相变材料4由固态熔化成液态，将LED灯散热转变为相变潜热，且在相变过程中温度始终保持不变；当LED灯关的时候，对应的是相变材料4由液态凝固成固态，将蓄存的热量通过散热装置散失到环境中。并且可以根据相变材料4的潜热和LED灯的工作功率利用热平衡的思想方便地计算出相变材料4的填充量，使相变材料4完全熔化时LED灯工作停止。
[0029]以上所述仅是本发明的一种实施方案而已，并非对本发明做任何形式的限制，故依据本发明的技术实质对以上实施方案所作的任何简单修改，等同变化或修改，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:包括底部用于与LED封装件(6)相连的热沉空腔(I)，热沉空腔⑴的外侧壁上设有若干散热翅片(2)，热沉空腔(I)的内表面垂直于热流方向上连接有若干金属针翅结构(3),且相邻金属针翅结构(3)之间填充有熔点低于LED封装件(6)的正常工作温度的相变材料(4)。
2.根据权利要求1所述的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:所述的金属针翅结构(3)的针翅单元为叉排或顺排布置的圆柱体或多边形柱体。
3.根据权利要求1所述的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:所述的若干金属针翅结构的总体积小于等于热沉空腔(I)体积的20%。
4.根据权利要求1所述的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:所述的金属针翅结构(3)采用铜或铝制成。
5.根据权利要求1所述的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:所述的金属针翅结构(3)通过铸造或焊接的方式与热沉空腔(I)的内表面连接。
6.根据权利要求1所述的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，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。
7.根据权利要求1所述的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:所述的若干散热翅片(2)以焊接或机械加工的方式固定在热沉空腔(I)的外侧壁上。
8.根据权利要求1或7所述的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:每个散热翅片(2)在热沉内腔外侧壁上的高度沿着重力方向逐渐变大。
9.根据权利要求1所述的的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:所述的热沉空腔(I)的底部采用焊接或硅脂连接有用于固定LED封装件￠)的扩展板(5)。
10.根据权利要求1或9所述的的大功率LED蓄热型固液相变散热装置，其特征在于:所述的热沉空腔(I)的顶部以焊接、螺栓(8)或胶结的方式与密封端盖(7)相连，且密封端盖(X)的横截面大于热沉空腔(I)的横截面。
【文档编号】F21Y101/02GK104344289SQ201410469922
【公开日】2015年2月11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, 伍志辉, 南建忠, 陶文铨 申请人:广东顺德西安交通大学研究院