CN100575781C - 一种可实现热量回收的led照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现热量回收的LED照明装置，包括LED平面光源、散热装置、以及热电转化装置；散热装置包括一个封闭的盒形内基板、热管散热器和设置在热管散热器上方的散热风扇；LED平面光源背部紧贴于内基板的下表面，热管散热器紧贴于内基板的上表面；热电转化装置包括在内基板外侧周围设置的若干外基板，每个外基板外侧面设置有散热翅片；每个外基板内侧面与内基板外侧面之间设置有片式热电转换器，其与内基板外侧紧贴的一面为热端；与外基板内侧紧贴的一面为冷端，各热电转换器的冷、热端通过串、并或串并联后由输出导线连接一个设置在散热器一侧的储能转换单元，该储能转换单元将电能分配给LED平面光源辅助发光和驱动散热风扇运转。

Description

一种可实现热量回收的LED照明装置

技术领域

本发明涉及一种可实现热量回收的LED照明装置。

背景技术

LED[发光二极管]照明灯与其它光源相比较，具有发光强度高，省电节能的优点，在近年来得到了迅猛发展，产业规模不断扩大，而且被誉为“未来光源”。但是随着市场对大功率LED照明装置的需求，LED散热问题成了制约行业发展的瓶颈。

目前市场上LED灯主要靠自然散热的方法，从传热学角度看，自然散热利用自然对流和热辐射作为基本的散热原理。在自然散热中，基本思想是借助灯具外壁面、尤其是翅片对周围空气的对流散热和对周围物体的辐射散热。这种散热形式依靠灯具自身的结构形式(如加装散热片)实现散热。提高散热效果的途径主要是通过优化设计增加散热面积和通风对流效果以及改善表面辐射系数，由此带来的问题是要增加尺寸和成本。据调查，一只100W的LED灯至少需要350元的散热费用。而且这种方式对灯具的结构形式要求很高，且外观笨重，影响美观和品位。发热功率增大时散热成本陡增而且散热量有限。

除此之外，LED电光转化效率不高，至少有60％的电能被以热能的形式白白散失掉，对资源是一种很大的浪费。

发明内容

本发明针对现在LED灯两种散热方式成本高，外观笨重，散热效率低等缺点，提供了一种可回收散热能量的LED照明装置，不仅可实现高效散热，而且可将部分余热转换，使其变为电能再利用，实现节能的目的。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种可实现热量回收的LED照明装置，包括LED平面光源、散热装置，其特征在于，还包括有热电转化装置；所述的散热装置包括一个封闭的盒形内基板、散热器和设置在散热器上方的散热风扇；所述LED平面光源背部紧贴于内基板的下表面，所述散热器紧贴于内基板的上表面；所述的热电转化装置包括在内基板外侧周围设置的若干外基板，每个外基板外侧面设置有散热翅片；每个外基板内侧面与内基板外侧面之间设置有片式热电转换器，热电转换器与内基板外侧紧贴的一面为热端；热电转换器与外基板内侧紧贴的一面为冷端，各热电转换器的冷、热端通过串、并或串并联后由输出导线连接一个设置在散热器一侧的储能转换单元，该储能转换单元将电能分配给LED平面光源辅助发光和驱动散热风扇运转。

上述方案中，所述的片式热电转换器为半导体温差发电组件。所述的散热器为热管散热器，其包括设置在散热风扇下方的散热翅片组和若干个热管，热管的一端为冷端连接散热翅片组；热管的另一端为热端连接一个紧贴在内基板上表面的铝座板，该铝座板上设置有双金属片温度开关，其输入端电连接储能转换单元；该双金属片温度开关的输出端电连接散热风扇，也可通过一个接线器电连接散热风扇。所述的热管内设有吸液芯，吸液芯充满液态相变介质，管内抽成负压密封。所述的内、外基板为可为金属铜板；散热翅片可为铝制散热翅片。所述的散热翅片组由多个薄铝片按倒U形串联而成。

本发明的有益效果是：第一步利用内基板将LED平面光源的热量传导出来并分布于其上，第二步从节能方面考虑循环再利用发光产生的余热，即利用半导体热电转换器将热量转换成电能并经过储能转化单元暂存和转化后输出，为部分LED照明用电及根据具体环境给散热风扇供电，在半导体热电转换器冷端的外基板外侧加散热翅片作为辅助，以增大半导体热电转换器热，冷两端温差，提高热电转换效率。第三步，考虑到半导体热电效率和四季外界温度的不同，加装热管散热器和带有双金属片温度开关控制的散热风扇，使不能马上转化的余热快速散出以保证LED灯工作在安全温度范围内。本发明将外界条件细化并具体处理，提高了能量利用效率，在保证LED平面光源热量的快速转移基础上实现了余热的高效回收利用。

本发明装置较之现有照明装置，有以下三点优势：第一，将LED平面光源与散热，余热利用器件一起封装成新型照明装置，减小了体积。第二，突破了大功率LED光源的散热瓶颈，应用范围进一步扩大。第三，散热风扇经双金属片温度开关实现自动控制，更加的精细高效。同时散热风扇不需要额外的电能供给，散热成本大幅降低。第四，本装置的最大特点：利用半导体热电转换回收余热，获得了高效节能的技术效果。市场上现有半导体热电转换器的热电转化效率一般为30％，如LED发光功率的60％余热被送给半导体热电转换器，经测算，按我国06年照明用电量约2100亿千瓦计算，利用此照明装置可转化产生378亿千瓦电量。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1中带双金属片温度开关的热管散热器的一种典型结构。

图1到图3中：1、LED平面光源；2、内基板；3、片式热电转换器；4、外基板；5、散热翅片；6、热管散热器；7、输出导线；8、风扇接线器；9、散热风扇；10、储能转换单元；11、网罩；12、铝座板；13、热管热端。14、热管；15、热管冷端；16、散热翅片组；17、双金属片温度开关。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1图2所示，一种可回收散热能量的LED照明装置，由LED平面光源、散热部分，热电转化部分组成。散热部分包括用于均热的盒形内基板2、热管散热器6及设置于其上的散热风扇9和风扇接线器8，散热风扇9是可控速的，其由图3设置于热管散热器6的铝座板12(板上温度与LED平面光源温度基本相同)上的两个双金属片温度开关17通过风扇接线器8控制。LED平面光源1背部紧贴于封闭的盒形内基板2下表面，热管散热器6紧贴于该盒形内基板2上表面。热电转化部分包括片式热电转换器3，外基板4，散热翅片5及储存转换单元10。盒形内基板2外侧周围设置有若干外基板4，每个外基板4内侧面与内基板2外侧面之间设置片式热电转换器3，每个外基板4外侧面设置有散热翅片5，热电转换器3与内基板2外侧紧贴的一面为热端；与外基板4内侧紧贴的一面为冷端，各热电转换器3的冷、热端通过串、并或者串并联后通过输出导线7引出电能至储能转换单元10，经储能转换单元10存储并转换后输出，提供LED平面光源作为辅助照明。储能转换单元10可根据四季环境温度的不同，将输出的部分电能通过两个双金属片温度开关17(图3)供给散热风扇8(冬季风扇不运转，春秋季半速运转，夏季全速运转)。

其中，储能转换单元10为一种电能收集储存器件，本实施例的储能转换单元10可由蓄电池和一个电平转换电路组成。

热电转换器3是基于塞贝克(Seeback)效应工作的。即在两种不同的金属所组成的闭合回路中，如果两个接头处的温度不同，其周围就会出现磁场。当两个接点的温度不同时，回路将产生电动势，且这个温差电动势的大小与结点间的温差成正比。

如图3所示，热管散热器6由热管14，倒U形散热翅片组16，双金属片温度开关17构成，热管14的一端为热端13，其通过一个铝座基板12连接内基板2上表面；热管14的另一端为冷端15，其连接倒U形散热翅片组16。翅片组16固定在连接内基板2的网罩11上。双金属片温度开关17设置于热管散热器6的铝座基板12上。考虑四季外界温度的不同，将储能转换单元10提供的部分电能经两个双金属片温度开关17根据具体变化有效分配给散热风扇9。

按照本发明上述LED装置实现热量回收的方法包括下述三个步骤：

第一步，由LED平面光源1，内基板2组成均匀布热系统。LED平面光源1由许多液晶颗粒组成，当被输入大功率让其发光时仅有20％至30％的能量转换成光，其余70％至80％则转换成热，这些余热如果聚集在光源处不仅会严重影响灯的寿命，而且存在安全隐患。本发明将内基板2做成一个封闭的长方体盒，可增大内基板2表面积，其下表面与LED平面光源1紧贴，通过高导热材料制成的内基板2的其余表面将热量散开于其它面上。

第二步，由多个片式热电转换器3，外基板4，散热翅片5，输出导线7，储能转换单元10组成热量转换及输出系统。片式热电转换器3置于内基板2与外基板4之间，内基板2上吸收的热量给紧贴于它的片式热电转换器3加热，温度升高，热电转换器3紧贴于内基板外侧一面形成热端。由能量能级梯度分布原理可知热电转换器3与外基板4内侧紧贴的另一面则温度较低，形成冷端。再加上外基板4外侧散热翅片5的作用，在热电转换器3冷、热两端形成大的温差，这时的热电转换器3相当于许多热电偶用连接导线串并联，立刻生成电能通过电流输出导线7输出，经储能转换单元10储存调整后以供后续使用。并根据四季外界温度的不同，将储能转换单元提供的部分电能经两个双金属片温度开关17根据具体变化有效分配给散热风扇9。

第三步，由内置双金属片温度开关17的热管散热器6和散热风扇9组成的余热疏散系统。双金属片温度开关17是以温度数作为控制ON/OFF的温度组件。其原理是利用金属受热温度不同产生弯曲的特性，即两种金属所结合成的双金属片，利用其受热后的弯曲特性使内部的开关产生动作。分手动复归及自动复归型，本发明所使用的是自动复归型。由于现有半导体热电转化器的热电效率并不是很高，如果在夏天室外温度较高时，势必会导致热量累积于基板周围无法散掉，所以我们考虑用双金属片温度开关17控制散热风扇9来实现，具体工作过程如下所述：一个双金属温度开关的闭合温度为50摄氏度，另一个为55摄氏度。根据LED功率大小具体设置散热翅片尺寸和风扇功率大小，当LED平面光源的温度达到50摄氏度时，即开关处感应到的温度达到50摄氏度时一个开关闭合，控制风扇半速运转。这个状态是春秋季灯周围环境温度达到30摄氏度左右出现情况。当LED平面光源的温度达到55摄氏度时两个开关都闭合，从而控制风扇全速运转，尽快散掉累积的余热，这是在夏季灯周围环境温度达到40摄氏度左右出现的情况。而在冬季或春秋季夜晚可能不会开启风扇，完全利用散热翅片组就可以使LED平面光源温度低于50摄氏度，所转化的电能全部用于辅助照明。因为所用开关17为自动复归型，所以风扇的开启或关闭完全由LED平面光源温度决定，实现了真正的自动控制。所用的热管14是一段密封细管，其管壁布有充满液态相变介质(例如水，液氮等)的吸液芯，管内抽成负压密封。这部分的工作过程为：热管热端13连接内基板2上表面，热管热端13受热后，其内部吸液芯充有的相变介质产生相变成为气态携带能量流动到热管冷端15，冷端15由于有倒U型散热翅片组16与散热风扇9的强制风冷作用温度较低，相变介质冷凝变成液态通过吸液芯的毛细力流回热端13，同时释放热量给翅片组16，由带温度开关控制的散热风扇9根据上述温度开关的控制工作过程使热管冷端保持较低的温度。保证热管14冷、热端15、13的蒸发与冷凝循环进行。

总体来说，本发明在保证最大可能的余热回收利用率的同时，根据实际情况将热电转化过程中的可能危害LED光源的多余热量及时散出，达到了安全，高效，节能的目的。

本发明装置中的片式热电转换器3由半导体温差发电组件构成，可选用市售的TEC1-03180T125型温差发电组件。因LED灯的功率的不同，内、外基板2、4尺寸的大小，半导体温差发电组件3的数量和组合形式，散热翅片5的尺寸，数量及形状，热管散热器6散热功率及储能转换单元10的输出根据实际情况会有所不同。考虑到成本、效率等综合因素，内、外基板2、4采用金属铜制成，散热翅片5采用常规的铝散热片制成。

Claims (6)

1.一种可实现热量回收的LED照明装置，包括LED平面光源、散热装置，其特征在于，还包括有热电转化装置；所述的散热装置包括一个封闭的盒形内基板、散热器和设置在散热器上方的散热风扇；所述LED平面光源背部紧贴于内基板的下表面，所述散热器紧贴于内基板的上表面；所述的热电转化装置包括在内基板外侧周围设置的若干外基板，每个外基板外侧面设置有散热翅片；每个外基板内侧面与内基板外侧面之间设置有片式热电转换器，热电转换器与内基板外侧紧贴的一面为热端；热电转换器与外基板内侧紧贴的一面为冷端，各热电转换器的冷、热端通过串、并或串并联后由输出导线连接一个设置在散热器一侧的储能转换单元，该储能转换单元将电能分配给LED平面光源辅助发光和驱动散热风扇运转；上述方案中，片式热电转换器为半导体温差发电组件；散热器为热管散热器；内、外基板为金属铜板。

2.按照权利要求1所述的可实现热量回收的LED照明装置，其特征在于，所述的热管散热器包括设置在散热风扇下方的散热翅片组和若干个热管，热管的一端为冷端连接散热翅片组；热管的另一端为热端连接一个紧贴在内基板上表面的铝座板，该铝座板上设置有双金属片温度开关，其电能输入端电连接储能转换单元；该双金属片温度开关的电能输出端电连接散热风扇。

3.按照权利要求2所述的可实现热量回收的LED照明装置，其特征在于，所述的热管内设有吸液芯，吸液芯充满液态相变介质，管内抽成负压密封。

4.按照权利要求2所述的可实现热量回收的LED照明装置，其特征在于，所述的双金属片温度开关的输出端通过一个接线器电连接散热风扇。

5.按照权利要求1所述的可实现热量回收的LED照明装置，其特征在于，所述的散热翅片为铝制散热翅片。

6.按照权利要求2所述的可实现热量回收的LED照明装置，其特征在于，所述的散热翅片组由多个薄铝片按倒U形串联而成。

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