大功率led發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置制造方法
【專利摘要】一種大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，它包括LED和散熱體，其特征是所述散熱體是中空且?guī)в羞M(jìn)出口的散熱體，還設(shè)置有中空且?guī)в羞M(jìn)出口的吸熱體，LED通過(guò)導(dǎo)熱膠固定在吸熱體表面；吸熱體的進(jìn)口和散熱體的出口通過(guò)連接管路連通，吸熱體的出口和散熱體的進(jìn)口通過(guò)連接管路連通，在吸熱體和散熱體中加注工質(zhì)并在由吸熱體和散熱體組成的循環(huán)通道中循環(huán)。
【專利說(shuō)明】大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型是針對(duì)大功率LED發(fā)光系統(tǒng)的集成散熱裝置，屬于被動(dòng)式散熱領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]LED (Light Emitting Diode),發(fā)光二極管,是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。發(fā)光二極管(LED)由于具有工作電壓低、低功耗、色彩豐富、價(jià)格低以及對(duì)環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的歡迎，并將在21世紀(jì)的顯示、照明領(lǐng)域扮演重要角色。LED的應(yīng)用主要可分為三大類:IXD屏背光、LED照明、LED顯示，例如手機(jī)、PDA、MP3/4、數(shù)碼相框、筆記本電腦等。小功率LED的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟和廣泛，近來(lái)大功率LED的應(yīng)用逐漸升溫，單個(gè)大功率的LED的功率約I W至50 W，光通量為3(T4500 Im,隨著實(shí)際應(yīng)用的需要，單個(gè)LED器件的輸出功率還在進(jìn)一步提高。
[0003]然而在提高輸出功率的同時(shí)，由于電-光轉(zhuǎn)換效率的限制(通常在10%_20%左右)，約80%-90%的能量轉(zhuǎn)化為器件的發(fā)熱，由此導(dǎo)致器件嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題。這將極大地降低照明效率。除了降低照明效率，高溫還將導(dǎo)致LED發(fā)光顏色的改變。目前，很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流都能達(dá)到1500mA級(jí)。隨著工作電流的加大，解決散熱問(wèn)題已成為大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件。因此，開發(fā)良好的大功率LED散熱技術(shù)對(duì)于大功率LED的發(fā)展是至關(guān)重要的。
[0004]LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。
[0005]對(duì)于單個(gè)LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，則會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，元件溫度每上升2°C，可靠性將下降10%。為了保證器件的壽命，一般要求P-N結(jié)的結(jié)溫在110°C以下。隨著P-N結(jié)的溫升，白光LED器件的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，在100°C的溫度下，波長(zhǎng)可以紅移4?9 nm，從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1°C，LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減少1%左右，當(dāng)器件從環(huán)境溫度上升到120°C時(shí)，亮度下降多達(dá)35%。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問(wèn)題更嚴(yán)重因此解決散熱問(wèn)題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。
[0006]我們知道，常見的散熱方式一般有兩種，即被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱。被動(dòng)散熱一般為熱管、固體金屬翅片等被動(dòng)散熱手段，通常用于功率相對(duì)較低的LED發(fā)光系統(tǒng)，大功率LED發(fā)光系統(tǒng)采用該散熱方式時(shí)要求較高。主動(dòng)散熱方式一般又分為兩種，有液體(如水、壓縮氟利昂等)循環(huán)致冷方式和固體(半導(dǎo)體)致冷方式。其中，液體循環(huán)致冷方式有很多不便之處，因?yàn)槭侵鲃?dòng)散熱，該處液冷為強(qiáng)制液冷，系統(tǒng)需要添加驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力裝置。目前國(guó)內(nèi)多采用固體散熱技術(shù)，如圖1所示，燈泡2發(fā)光時(shí)產(chǎn)生熱量，熱量通過(guò)導(dǎo)熱膠3傳遞給金屬散熱基體4，最終由布置在金屬散熱基體4上的散熱翅片5將熱量散到大氣中。然而固體散熱技術(shù)如半導(dǎo)體制冷往往造價(jià)較高，而且其散熱能力有限，其壽命也很難保證。
[0007]從以上分析可以看出，針對(duì)大功率LED，尤其是大功率LED路燈的散熱可以采用上述主動(dòng)和被動(dòng)散熱方式，但是上述方式應(yīng)用于大功率LED路燈時(shí)存在如下問(wèn)題:熱管和半導(dǎo)體制冷造價(jià)高、壽命短；固體金屬翅片金屬用量大、重量重；強(qiáng)制液冷循環(huán)不穩(wěn)定、可靠性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足提出了一種新的集成散熱裝置，如圖所示，用以大功率LED發(fā)光系統(tǒng)的冷卻問(wèn)題。
[0009]本方案是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，LED和散熱體，其特征是所述散熱體是中空結(jié)構(gòu)且?guī)в羞M(jìn)出口的散熱體，還設(shè)置有中空且?guī)в羞M(jìn)出口的吸熱體，LED通過(guò)導(dǎo)熱膠固定在吸熱體表面；吸熱體的進(jìn)口和散熱體的出口通過(guò)連接管路連通，吸熱體的出口和散熱體的進(jìn)口通過(guò)連接管路連通，在吸熱體和散熱體中加注工質(zhì)并在由吸熱體和散熱體組成的循環(huán)通道中循環(huán)。
[0010]本方案的具體特點(diǎn)還有，所述吸熱體中設(shè)置有平行于吸熱體表面的通道，通道兩側(cè)設(shè)有進(jìn)出口，工質(zhì)流過(guò)通道將吸熱體表面吸收的LED熱量帶走。
[0011]所述吸熱體為模塊化單元結(jié)構(gòu)體，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)體由一整塊金屬加工而成，單元結(jié)構(gòu)體的表面設(shè)置凸臺(tái)與LED連接，單元結(jié)構(gòu)體內(nèi)設(shè)有工質(zhì)流過(guò)的通道。
[0012]所述散熱體表面為散熱翅片，內(nèi)部為帶有通道的中空結(jié)構(gòu)，通道兩端與連接管路通過(guò)螺紋連接，來(lái)自吸熱體的熱工質(zhì)在通道內(nèi)流動(dòng)并將熱量傳遞給翅片結(jié)構(gòu)，最終由翅片結(jié)構(gòu)將熱量散到空氣中。
[0013]所述連接管路為金屬軟管。
[0014]所述散熱體是由一整塊金屬加工而成，表面上設(shè)置有散熱翅片，散熱翅片表面涂覆能提高翅片輻射率的涂層，散熱翅片可根據(jù)散熱工況的不同選擇多種結(jié)構(gòu)。
[0015]所述散熱體和吸熱體采用鋁合金或者紫銅。本系統(tǒng)各模塊在其材料選擇上主要考慮的是高導(dǎo)熱系數(shù)和低密度的金屬，
[0016]本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知，它是一種適用于大功率LED發(fā)光系統(tǒng)的散熱裝置，該裝置與現(xiàn)有的大功率LED發(fā)光系統(tǒng)的散熱裝置相比具有方便、可靠、金屬使用量小、重量輕、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)通，這些特性主要依靠液體工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)及系統(tǒng)各個(gè)模塊的特殊設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，有如下優(yōu)點(diǎn):(1)由熱虹吸原理驅(qū)動(dòng)的工質(zhì)循環(huán)無(wú)需動(dòng)力裝置，系統(tǒng)更加安全可靠；(2)由液體對(duì)流換熱進(jìn)而通過(guò)循環(huán)實(shí)現(xiàn)的熱量傳遞具有比固體介質(zhì)更高的效率和更均勻的溫度場(chǎng)；(3)使用液體循環(huán)散熱的系統(tǒng)比固體介質(zhì)散熱系統(tǒng)節(jié)省大量的金屬，其重量大大降低；(4)吸熱體的模塊化設(shè)計(jì)可以根據(jù)LED功率的不同選擇相應(yīng)的散熱模塊數(shù)量進(jìn)行組合使用；(5)散熱體翅片表面的提高輻射率的處理能夠大大增加散熱翅片的輻射散熱能力，進(jìn)而減少翅片金屬使用量。因此本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)目的。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0018]圖1傳統(tǒng)LED發(fā)光系統(tǒng)固體散熱裝置示意圖；圖2大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置原理圖；圖3大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4吸熱體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4的右視圖；圖6是圖4的A-A視圖。
[0019]圖中:1_燈罩；2_LED ;3_導(dǎo)熱膠；4_金屬散熱基體；5_散熱翅片；6_電源；7-吸熱體；8-工質(zhì)；9_連接管路；10-散熱體；11-對(duì)流換熱；12-空氣自然對(duì)流；13-熱輻射；14-通道；15-凸臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]液體工質(zhì)在受熱情況下會(huì)產(chǎn)生熱虹吸效應(yīng)，其原理如圖2所示，燈泡2發(fā)光時(shí)產(chǎn)生熱量，熱量經(jīng)由導(dǎo)熱膠3傳遞給吸熱體7，吸熱體7內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)8受熱溫度升高且密度降低，因此循環(huán)工質(zhì)沿連接管路9上升進(jìn)入散熱體10，在散熱體10中循環(huán)工質(zhì)8與散熱體10外壁面通過(guò)對(duì)流換熱11放熱，循環(huán)工質(zhì)8放熱降溫且密度增大進(jìn)而沿連接管路9下降進(jìn)入吸熱體完成循環(huán)。而散熱體壁面通過(guò)金屬散熱基體4和散熱翅片5將熱量釋放到環(huán)境中，此處的放熱包括空氣自然對(duì)流12和熱輻射13。
[0021]如圖3所示，一種大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，LED2和散熱體10，所述散熱體10是中空且?guī)в羞M(jìn)出口的散熱體，還設(shè)置有中空且?guī)в羞M(jìn)出口的吸熱體7，LED2通過(guò)導(dǎo)熱膠3固定在吸熱體7表面；吸熱體7的進(jìn)口和散熱體10的出口通過(guò)連接管路9連通，吸熱體7的出口和散熱體10的進(jìn)口通過(guò)連接管路9連通，在吸熱體7和散熱體10中加注工質(zhì)8并在由吸熱體7和散熱體10組成的循環(huán)通道中循環(huán)。所述吸熱體7中設(shè)置有平行于吸熱面的通道14，通道14兩側(cè)設(shè)有進(jìn)口和出口，工質(zhì)8流過(guò)通道14將吸熱面吸收的LED2的熱量帶走。
[0022]所述吸熱體7為模塊化單元結(jié)構(gòu)體，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)體由一整塊金屬加工而成，單元結(jié)構(gòu)體的一面加工光滑的凸臺(tái)15與LED2連接，單元結(jié)構(gòu)體上設(shè)有工質(zhì)8流過(guò)的通道。
[0023]所述散熱體10表面為散熱翅片5，內(nèi)部為帶有通道的中空結(jié)構(gòu)，通道兩端與連接管路9通過(guò)螺紋連接，來(lái)自吸熱體7的熱工質(zhì)在水槽內(nèi)流動(dòng)并將熱量傳遞給翅片結(jié)構(gòu)，最終由散熱翅片5將熱量散到空氣中。
[0024]所述連接管路9為金屬軟管。
[0025]所述散熱體10是由一整塊金屬加工而成,表面上設(shè)置有散熱翅片5,散熱翅片5表面涂覆能提高翅片輻射率的涂層，散熱翅片5可根據(jù)散熱工況的不同選擇多種結(jié)構(gòu)。
[0026]所述散熱體10和吸熱體7采用鋁合金或者紫銅。工質(zhì)8為防凍液，其工作溫度范圍為-40°C至 150°C。
[0027]如圖3?6所不,設(shè)置于吸熱體7的凸臺(tái)15上的LED2發(fā)光產(chǎn)生熱量,熱量通過(guò)導(dǎo)熱膠3傳遞給吸熱體7，吸熱體7中的工質(zhì)8受熱沿連接管路9上升進(jìn)入散熱體10中，熱的工質(zhì)8在散熱體10中放熱降溫沿連接管路9回到吸熱體7中，完成一個(gè)循環(huán)，然后得到熱量的散熱體10通過(guò)其金屬散熱基體4和散熱翅片5將熱量釋放到環(huán)境中。
[0028]經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)選用該散熱系統(tǒng)對(duì)200W功率LED路燈散熱時(shí)，系統(tǒng)可以有效對(duì)其進(jìn)行散熱，當(dāng)環(huán)境溫度為35°C時(shí)，LED與散熱體連接處的溫度為85°C，保證了 LED的正常工作，而且LED底部溫度均勻性較好，整個(gè)散熱系統(tǒng)啟動(dòng)迅速。另外，該系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)固體介質(zhì)散熱裝置的同功率LED發(fā)光系統(tǒng)相比總重量輕70%。
【權(quán)利要求】
1.一種大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，它包括LED和散熱體，其特征是所述散熱體是中空結(jié)構(gòu)且?guī)в羞M(jìn)出口的散熱體，還設(shè)置有中空且?guī)в羞M(jìn)出口的吸熱體，LED通過(guò)導(dǎo)熱膠固定在吸熱體表面；吸熱體的進(jìn)口和散熱體的出口通過(guò)連接管路連通，吸熱體的出口和散熱體的進(jìn)口通過(guò)連接管路連通，在吸熱體和散熱體中加注工質(zhì)并在由吸熱體和散熱體組成的循環(huán)通道中循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，其特征是所述吸熱體中設(shè)置有平行于吸熱體表面的通道，通道兩側(cè)設(shè)有進(jìn)出口，工質(zhì)流過(guò)通道將吸熱體表面吸收的LED熱量帶走。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，其特征是所述吸熱體為模塊化單元結(jié)構(gòu)體，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)體由一整塊金屬加工而成，單元結(jié)構(gòu)體的表面設(shè)置凸臺(tái)與LED連接,單元結(jié)構(gòu)體內(nèi)設(shè)有工質(zhì)流過(guò)的通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，其特征是所述散熱體表面為散熱翅片，內(nèi)部為帶有通道的中空結(jié)構(gòu)，通道兩端與連接管路通過(guò)螺紋連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，其特征是所述連接管路為金屬軟管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，其特征是所述散熱體是由一整塊金屬加工而成，表面設(shè)置有散熱翅片，散熱翅片表面涂覆能提高翅片輻射率的涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率LED發(fā)光系統(tǒng)被動(dòng)式液冷裝置，其特征是所述散熱體和吸熱體采用鋁合金或者紫銅。
【文檔編號(hào)】F21V29/00GK203549739SQ201320635336
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】劉志剛, 張承武, 姜桂林 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院能源研究所