CN101619813A - 一种基于热声制冷技术大功率led光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热声制冷技术大功率LED光源。声波发生器设置在壳体的一端，相隔一定距离设置有热端换热器，热端换热器与壳体以及壳体外的散热器相连，在热端换热器之后设置有板叠，板叠之后设有多孔封装基板，多孔封装基板上安装有LED芯片组件，与壳体相连的是喇叭形反射杯，喇叭形反射杯上安装有透明壳层，喇叭形反射杯与透明壳层围成的空腔构成声波谐振腔。LED芯片组件产生的光经过透明壳层发出，LED芯片组件产生的热量传导至多孔封装基板，然后经热声效应被传送至热端换热器，然后被散热器散出，这样可以有效解决大功率LED光源的散热问题。

Description

一种基于热声制冷技术大功率LED光源

技术领域

本发明涉及照明光源，尤其涉及一种基于热声制冷技术大功率LED光源。

背景技术

LED光源是新一代绿色照明光源，其耗电量只有普通白炽灯的十分之一，而寿命却长十倍以上。除此之外，LED光源还具有体积小、坚固耐用、色彩丰富等优点。为了满足更高光强的要求，LED光源通过提高单个芯片的输出功率或者采用LED阵列的方式来实现。在理想的情况下，匹配的光学材料和适当的封装结构能够充分发挥LED高效的发光性能，将大部分的电能转化为光。但是由于LED芯片面积非常小，因此大量的热量无法及时散去，因此导致LED工作时温度过高。温度过高对大功率LED光源的输出光强和色温性能有着非常大的影响，特别是LED芯片的PN结长期工作在高温状态，其光学性能会很快衰减，严重影响LED的使用寿命。这是LED封装中需要解决的关键问题。

从LED光源发热特性分析可知，LED芯片散热的瓶颈在芯片和基板之间，由于LED芯片体积非常小，芯片与基板之间的接触面积非常有限，特别是倒装(flip-chip)结构，发热的有源区与基板之间存在多个介质层，热阻迅速增加，详细分析参见文献《倒装大功率白光LED热场分析与测试》(光电子·激光，vol.16，num.5，pp.511-514，2005)。这样LED芯片的热量不能尽快地将散去，导致PN结温较高，而且其他光学材料如环氧树脂、硅胶和荧光剂等长期处于高温下工作，整个光源装置的性能衰减老化得很快、可靠性差，这种封装结构难以适用高功率密度的大功率LED光源。如何在低成本的前提下，采用更好的冷却方式，使LED光源工作在更低的温度上工作，获得更高的发光效率，更长的寿命，更高的可靠性，是本发明要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于热声制冷技术的大功率LED光源。

基于热声制冷技术大功率LED光源包括LED芯片组件、多孔封装基板、透明壳层、喇叭形反射杯、板叠、热端换热器、散热器、声波发生器、壳体、声波谐振腔；声波发生器设置在壳体的下端，壳体的上部依次设置有热端换热器、板叠、多孔封装基板，热端换热器与壳体外的散热器相连，壳体的上端设置有喇叭形反射杯与透明壳层围成的空腔构成声波谐振腔，在空腔构成声波谐振腔内，多孔封装基板上设有LED芯片组件。

所述的LED芯片组件包括LED芯片、芯片基座、光胶层，芯片基座上设置LED芯片，在芯片基座和LED芯片上设置光胶层。多孔封装基板是一种具有网状或条状空隙结构的金属或陶瓷平板。透明壳层是一个由玻璃或树脂透明材料制成的曲面壳层或者透镜。喇叭形反射杯内壁设有光学反射镜。板叠是一种由金属或塑料薄片构成的卷层结构或者阵列圆筒结构。热端换热器是一种网状或条状空隙结构的金属板。散热器是一种肋片式散热器或热管式散热器。声波发生器是一种压电陶瓷式或者电磁式喇叭。

本发明的LED产生的光从透明壳体发出，LED产生的热量传导至多孔封装基板，然后经热声效应被传送至热端换热器，然后被与之相连的散热器散出，这样可以有效解决大功率LED光源的散热问题。本发明的优点在于没有风扇、压缩泵等机械运动部件，声波发生装置可靠性高能够长时间工作。利用热声效应能够将LED芯片产生的大量热量传输出来，保障LED芯片的结温保持在较低水平，从而提高了大功率LED的运行可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是一种基于热声制冷技术大功率LED光源的结构示意图；

图2是热声制冷原理示意图；

图3是空腔内声波传播的波面变化示意图；

图4是LED芯片组件结构示意图；

图5是两种多孔封装基板结构示意图；

图6是LED芯片组件与多孔封装基板组合示意图；

图7是三种板叠结构示意图；

图8是一种热端换热器结构示意图；

图9是两种热端换热器与散热器组合示意图；

图10是一种声波发生器的结构示意图。

图中：LED芯片组件1、多孔封装基板2、透明壳层3、喇叭形反射杯4、板叠5、热端换热器6、散热器7、声波发生器8、壳体9、声波谐振腔10、LED芯片11、芯片基座12、透明荧光胶层13、平板14、圆孔15、金属或者塑料薄片16、空隙17、塑料或金属空心圆管18、条形孔19、热管散热器20、散热翅片21、散热翅片22、翅片式散热器23、翅片式散热器24、翅片式散热器25翅片式散热器26、压电陶瓷驱动器27、变幅杆28、号筒29。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，基于热声制冷技术大功率LED光源包括LED芯片组件1、多孔封装基板2、透明壳层3、喇叭形反射杯4、板叠5、热端换热器6、散热器7、声波发生器8、壳体9、声波谐振腔10；声波发生器8设置在壳体9的下端，壳体9的上部依次设置有热端换热器6、板叠5、多孔封装基板2，热端换热器6与壳体9外的散热器7相连，壳体9的上端设置有喇叭形反射杯4与透明壳层3围成的空腔构成声波谐振腔10，在空腔构成声波谐振腔10内，多孔封装基板2上设有LED芯片组件1。

热声制冷近年来发展非常迅速的一种新型制冷技术。热声制冷是根据热声相互作用，利用压力波动引起温度波动，并通过一定板叠结构将其增强，从而产生制冷作用。一般情况下，在声场中气体的振动可近似看作绝热过程，气体的温度变化值可根据压力变化大小和绝热过程方程得出。在气体变化的一个循环周期后，气体的温度不会发生变化。

如图2所示，假设在声场中放入一块沿声场方向放置的平板14，取平板附近的一气体微团定性分析其运动和换热过程。设微气团在位置1时的温度为T-xdT/dx，压力为P-P₁。在声波形成的驻波作用下，微气团从状态1到状态2经过绝热压缩过程，其温度从T-xdT/dx升高到T-xdT/dx+2T₁，压力从P-P₁升高到P+P₁。其中T₁和P₁分别为微气团在绝热压缩过程中的温升与压力变化。此时，如果微团温度高于平板温度T+xdT/dx，则微气团放出热量Q_c给平板，其过程为状态2变化到状态3，温度变为T+xdT/dx。随后驻波场的变化，使得微气团从状态3绝热膨胀到状态4。当到达状态4时，温度变为T+xdT/dx-2T₁。如果此时微气团温度低于平板温度T-xdT/dx，则微团从平板吸收热量Qc，其过程为状态4变化到状态1，温度变为T-xdT/dx，从而完成了一个热力循环。在这个循环中，微气团在高压时放热后膨胀，在低压时吸热后压缩，从而吸收声波能量，将热量从低温端搬至高温端，实现了制冷的目的。在本发明中，图1所示的板叠5结构就是由很多这样的平板14构成，在板叠5中有无数这样的微气团，而且热循环运动情况完全相同。这样这些微气团就像是接力赛一样，从下端吸热输送到上端。在声波共振的条件下，微气团快捷有效地循环运动，产生非常明显的宏观效果，从而完成声学制冷的作用，这就是热声制冷的基本原理。

本发明利用热声制冷的原理结合大功率LED，创造性的提出了一种新的大功率LED封装结构，与一般的热声制冷装置不同的特点在于：在热声制冷器的冷端设置有多孔封装基板2，多孔封装基板2上安装有LED芯片组件1，而喇叭形反射杯4与透明壳层3围成的空腔构成声波谐振腔8。这样，LED芯片所发出的光可以从透明壳层3出射出来，而喇叭形反射杯4可以进一步增强出射亮度和改善光束形状；而LED芯片产生的热量通过多孔封装基板2被热声制冷效应传送到热端换热器6上，热端换热器6与壳体9以及壳体9外的散热器7相连，热量通过壳体9和散热器7散出。当声波发生器8发出声波时，壳体9、喇叭形反射杯4围成一段圆柱型空腔，而透明壳层3构成声波反射面，这样在空腔内形成一个稳定的驻波场。

如图3所示，给出了声波传播的波面变化示意图，虚线所示为声波波面。声波在喇叭形反射杯4段会形成一个声波的扩散面，为了使声波得到良好的反射，需要将透明壳层3的内侧设计成适当凹陷的曲面形状。而驻波腔体的长度至少应该大于声波波长的1/4，可以通过适当调整声波发生器8的位置获得最佳的驻波场效果。

如图4所示，LED芯片组件1包括LED芯片11、芯片基座12、光胶层13，芯片基座12上设置LED芯片11，在芯片基座12和LED芯片11上设置光胶层13。LED芯片11被固定在芯片底座12上，LED芯片11上覆盖有一层透明荧光胶层13。透明荧光胶层13一方面可以保护LED芯片11，另一方面可以将LED芯片发出的蓝光或者紫外光转化成白光。为了减小传导热阻和简化封装结构，LED芯片11往往直接安装在多孔封装基板2上，而多孔封装基板2就作为芯片底座12。

如图5所示，给出了两种多孔封装基板2的示意图，图5a是一种由金属框架构成的多孔封装基板2，图5b是一种由多孔金属圆盘构成的多孔封装基板2，圆孔15均匀分布在整个圆盘上。

如图6所示，给出了图5中两种多孔封装基板2与LED芯片组件1的组合示意图。图6a所示，LED芯片组件1被安装在金属框架型基板的交叉结构上；图6b所示，在多孔金属圆盘型基板上，LED芯片组件1被安装在圆孔15之间的空隙处。

如图7所示，给出了几种板叠5结构示意图。从前面原理分析中，我们知道板叠5对于热声制冷具有非常重要的意义。为了达到良好的制冷效果，板叠5被设计为金属或者塑料薄片16卷叠而成的圆筒状结构，薄片之间留有适当的空隙17，图7a和图7b给出了两种不同卷叠结构。这样的结构是为了保证板叠结构中的平板沿着声波传播方向的传热尽量慢，而垂直于传播方向的传热尽量快。只有这样，板叠结构中的微气团在每个热循环中才能产生尽可能大的温差，传递尽可能多的热量。根据热声理论，板叠之间空隙17的间距最好为4δ_κ(热渗透深度 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\κ}}=\sqrt{2\mathrm{\κ}/\mathrm{\ω}},$ 其中κ，ω分别为热导率和声波角频率)。另外一种为塑料或金属空心圆管18构成的板叠结构，如图7c所示。

如图8所示，给出了一种热端换热器6的结构示意图。图8a给出了一种具有条形孔19的热端散热器6，这些条形孔19的作用一方面是为了声波的传播，另一方面增大了传热面积。除此之外，还可以将热端散热器6设计成相似于多孔封装基板2如图5所示的结构。

如图9所示，给出了热端换热器6与散热器7组合示意图。图9a给出了一种热端换热器6与热管散热器20的组合，热管散热器20直接从热端换热器内部穿过，可以获得更小传导热阻，然后热管散热器20另一端连接上散热翅片21、22。图9a给出了热端换热器6与散热器7的另一种组合方式，直接从热端换热器6延伸出多个翅片式散热器23、24、25、26。

如图10所示，给出了一种声波发生器8的结构示意图。图中是一种压电陶瓷驱动器27驱动的声波发生器8，与压电陶瓷驱动器27相联的是变幅杆28，然后连接着喇叭形的号筒29，这种结构可以有效的放大声波，获得更强的驻波场。

Claims (9)

1.一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于包括LED芯片组件(1)、多孔封装基板(2)、透明壳层(3)、喇叭形反射杯(4)、板叠(5)、热端换热器(6)、散热器(7)、声波发生器(8)、壳体(9)、声波谐振腔(10)；声波发生器(8)设置在壳体(9)的下端，壳体(9)的上部依次设置有热端换热器(6)、板叠(5)、多孔封装基板(2)，热端换热器(6)与壳体(9)外的散热器(7)相连，壳体(9)的上端设置有喇叭形反射杯(4)与透明壳层(3)围成的空腔构成声波谐振腔(10)，在空腔构成声波谐振腔(10)内，多孔封装基板(2)上设有LED芯片组件(1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的LED芯片组件(1)包括LED芯片(11)、芯片基座(12)、光胶层(13)，芯片基座(12)上设置LED芯片(11)，在芯片基座(12)和LED芯片(11)上设置光胶层(13)。

3.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的多孔封装基板(2)是一种具有网状或条状空隙结构的金属或陶瓷平板。

4.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的透明壳层(3)是一个由玻璃或树脂透明材料制成的曲面壳层或者透镜。

5.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的喇叭形反射杯(4)内壁设有光学反射镜。

6.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的板叠(5)是一种由金属或塑料薄片构成的卷层结构或者阵列圆筒结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的热端换热器(6)是一种网状或条状空隙结构的金属板。

8.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的散热器(7)是一种肋片式散热器或热管式散热器。

9.根据权利要求1所述的一种基于热声制冷技术大功率LED光源，其特征在于所述的声波发生器(8)是一种压电陶瓷式或者电磁式喇叭。

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