CN101725858A - 光耦合冷却液散热的led灯具 - Google Patents

Abstract

光耦合冷却液散热的LED灯具，用良导热光耦合冷却液填充在LED灯具的出光端的发光体和封闭壳体之间，并使之完成无渗漏封装。利用光耦合冷却液的良导热特性和优良的光学特性实现LED灯具发光体与壳体之间的良导热和光学性能的改善，当散热效果需要进一步提高时采取泵入冷态光耦合冷却液和溢出热态光耦合冷却液的方式，强制使光耦合冷却液在冷池中完成充分的热交换，使发光体的结温始中保持在125℃以下，从而全面改善LED灯具内发光体的散热条件，延长功率型LED集成光源光耦合冷却液散热的LED灯具的使用寿命和出光端的出光效果。

Description

光耦合冷却液散热的LED灯具

技术领域：

本发明涉及一种在单灯功率型LED高密度集成后的LED照明灯具，尤其是一种在LED光源前端的光投射方向，填充相对于其他高分子材料具有较高综合导热功能，能够实现通过介质的对流热交换，且具有高透明和较高折射率特性并能够在外界动力作用下实现强制对流热交换的填充光耦合冷却液(俗称冷媒)散热的LED灯具。

背景技术：

目前使用的LED灯具，随着高密度集成功率型LED光源亮度不断提高，电流密度不断增大(目前已达到135Lm/w)，因此散热问题已成为高密度集成功率型LED光源集成运用中一个十分突出的问题，为了使单灯功率型LED光源表面热平衡温度保持在80℃左右，从而使芯片的结温控制在125℃以下，这就要求高密度集成功率型LED灯具表面的热平衡温度控制在小于60℃以下(对于光源板与出光外壳间的距离小于20mm的灯具，其灯具表面的热平衡温度控制在70℃时，实验测得其节温小于125℃)，因此必须对功率型LED集成使用的灯具系统进行整个系统的低热阻设计。对于以前的传统光源而言，发光材料大多采用钨类材料作发光体，因此发光体耐温的温度达到2700℃左右，因此在传统光源工作状态下，热平衡温度在100℃-200℃都不会影响光源本身的寿命，而LED光由于其结温如果长期工作在125℃以上时，首先是周围的环氧固化体将迅速老化，从而大幅度降低LED使用寿命，并且芯片本身的发光效率也会迅速衰减，因此必须保证LED光源外表壳体的热平衡温度在60℃左右(对于光源板与出光外壳间的距离小于20mm的灯具，其灯具表面的热平衡温度控制在70℃)，才不会影响功率型LED的光源使用寿命，据相关资料介绍，当灯具外壳热平衡温度超过60℃时，热平衡温度每上升1℃灯具出现故障的概率上升1％。一般而言目前通常采用以下三种散热方式来解决功率型LED高密度集成使用的散热问题：

①、加大功率型LED光源贴合面的铝质散热片的面积，使电极传出的热量通过散热片迅速散出。

②、在与光源射出端相背的一端设置排风扇，以增加散热通道的强制对流散热效果。

③、芯片倒置式，这种方式使发光体的热量直接与散热基材贴合传递，大大改善了发光体的散热效果。

对于第一种散热方式，由于单灯功率型LED被相对静止的空气阻隔，而空气的导热系数，仅为光耦合冷却液的1/26因此虽然传到散热片上的热能在铝散热器上被传递到空气中，但整个散热通道的散热效果并不理想。第二种散热方式，虽然大量的热被对流的空气带走，比第一方式好很多，但伴随光射出方产生的大量热能必须通过空气传递到与光射出方向相背的一面才能传出仍然不能满足目前的LED功率型LED集成光源的散热需要。而第三种结构由于其制造技术非常复杂，在目前工艺条件下不良品率较低，生产成本较高，因此难以推广。对于上述三种散热方式，由于对发热的发光体的射出端未作直接的散热处理，据有关资料介绍如果要达到LED光源表面的温度控制在常温状况(一般指30℃)，需要在外引电极处增设相当于十二级台风的强制对流风速才能实现。而光射端所聚集的热量，相当大一部份仍然通过静态的空气对流将热量传递到非射出端的散热通道散出，因此整个光源系统的热阻较大，需要进一步改善热功率型LED集成光源散热效果，降低整个光源系统的热阻，使高密度集成功率型LED灯具的整体散热效果得到提高，实现与外界平衡温度在60℃左右的理想热平衡温度控制目标，因此不仅在LED光源的非出光端进行散热处理外还必须对发光体(芯片)射出端的散热条件进行充分改善。

发明内容：

本发明的目的是，针对上述目前使用高密度集成功率型LED集成光源的散热系统设计技术方案作进一步的改进，提供一种使整个高密度集成的LED光源的灯具散热系统的热阻更低，且制造工艺简单，成本较低的光耦合冷却液散热方法，其有益效果是：光耦合冷却液既实现通过介质的对流热交换起冷却作用，同时它又是一个要求非常高的精密光学耦合器，具有长时间非常稳定的物理化学特性，极强的透光性，较高的折射率，较好的导热性，以及低的化学腐蚀性等优良性能，以保证长时间工作在高温高亮的环境下清澈、透明，没有沉淀，无悬浮异物，无杂质，不发生任何变化，由于采用填充液态光耦合冷却液，使原来通过空气射出的光线在光耦合冷却液中传播，不仅使出光端方向发光时所产生的热量通过光耦合冷却液传导形成光源传热的又一通道，使光射出时的附带热量在通过液态光耦合冷却液时被光耦合冷却液吸收后传导到四周的壳体上，从而使得功率型LED集成光源的灯具系统的总热阻大大降低，同时功率型LED集成光源射出的光通过光耦合冷却液其较大的光折射率使得光学特性的改变，改善了光的传播质量。并且光耦合冷却液的制造成本不高，易于实施和推广。当需要进一步降低高密度集成的功率型LED光源系统的总热阻时还可以通过强制对流的办法，使被加热后的热态光耦合冷却液通过溢流口被循环流到冷却池中，进行强制热交换后循环泵入到功率型LED集成光源发光体的表面实观强制对流，由于光耦合冷却液具有很好的绝缘性能，并且就一般使用状况而言，功率型LED集成光源是在低电压(一般模组工作电压小于36V)工作下的，因此LED发光体(芯片)工作可靠，利用其绝缘(5000V漏电电流1mA)和高透明(折光率可以达到1.42-1.45)的特性，使功率型LED集成光源的光学特性在功能实现的前提下，用电安全也有了进一步的保证。

本发明内容结合以下实施例作进一步的说明，但发明的内容不仅限于实施例中涉及内容。

光耦合冷却液是无色、透明、无气味液体，它是光耦合冷却液(俗称冷媒)散热的LED灯具的光源核心元件的光学系统的重要组成部分，密闭在光传媒冷却装置(光源与射出透镜的密封冷却腔)中，介于光源与射出透镜之间，起着对LED光源的热量迅速传导的作用，由于其良好的光特性和热传导特性，使得其在高密度集成功率型LED光源的散热处理方式中具有独特的技术优势。

附图说明：

图1、是功率型单灯光耦合冷却液散热的LED灯具结构图。

图2、是功率型LED集成光源光耦合冷却液散热的LED球形灯具结构图。

图3、是功率型LED集成光源光耦合冷却液散热的LED日光灯管灯具结构图。

图4、是具有强制循环功能，液态光耦合冷却液散热的导热的高密度集成LED的路灯灯具结构图。

如图1所示：1、单灯LED外引电极正极柱：完成外接电源的导电输入；2、单灯LED外引电极负极：完成外接电源的输入；3、单灯LED包覆外壳：完成光耦合冷却液及LED发光体及电极支架的无渗漏包覆；4、绝缘分隔珠：完成LED正负电极的绝缘分离固定；5、光耦合冷却液：完成LED发光体发出的热量与包覆外壳的导热传递热交换；6、发光体及电极连线固定体：完成LED芯片和两极相连的导线的位置固定；7、电极连接线：完成芯片电极与支架电极的导电连接；8、散热环槽：完成内极柱大截面铜极柱与光耦合冷却液的大面积热交换；9、芯片：光源的发光体；10、负极内极柱：完成LED芯片和导线的承载。

如图2所示：11、灯头：完成市电与光源的电源的可靠导入。12、铝散热座：完成由光耦合冷却液传出的发光体的热量迅速热交换。13、恒流电源：完成外输入电源的恒流处理。14、光源板与恒流电源连接柱：完成恒流电源与光源板间的导电连接。15、光源包覆外壳：完成光耦合冷却液及光源板，恒流源的无渗漏包覆。16、光源板：完成单灯功率型LED的集成载体。17、光耦合冷却液：完成加速光源板，恒流源等发热体所发出热量与壳体的热交换。

如图3所示：18、灯头：完成市电与光源电源的可靠输入导入，并密封灯管内腔；19、电极柱：完成整个灯具的市电输入；20、灯管外壳：完成光耦合冷却液及光源板，恒流源的无渗漏包覆；21、光源板：单灯功率LED的集成载体；22、功率型LED单灯：整个灯具的发光光源；23、光耦合冷却液：完成加速光源板发热体所发出的热量与壳体的热交换；24、铝散热片：完成大部份光源所发生热量与空气的热交换。

如图4所示：25、光源出光端外壳：完成光源板发出的光对外传递与散热壳形组成填充光耦合冷却液密封腔，实现光耦合冷却液和无渗漏透明包覆；26、光耦合冷却液：完成加速光源板发热体所发出热量与壳体的热交换；27、功率型LED单灯：整个灯具的发光光源。28、光源板：单灯功率型LED的集成载体。29、溢流孔：当充满封闭腔的液体在加热状态下，体积膨胀时被加热的热态光耦合冷却液从该孔外溢，当外部泵入冷却后的光耦合冷却液填充进入封闭腔时，已加热的光耦合冷却液从溢流孔外溢，从而形成光源发光体所发出热量，不仅依靠光耦合冷却液传导迅速将热传到壳体，同时用光耦合冷却液作载体，将热量以强制循环对流方式将热量带到外置冷却容器内，从而使需要强制散热的灯具有更好的散热效果。30、硅胶密封条：完成透明壳体和散热壳体间的无渗漏间隙的密封。31、散热壳体：用于完成加速光源发热体与空气的热交换，并和光源出光端外壳一起组成光源密封腔。32、光耦合冷却液泵入口：将冷却后的光耦合冷却液用泵强力泵入密封腔底部，使密封腔内的光耦合冷却液不断地被低温光耦合冷却液置换，从而实现更良好的散热效果。33、灯具体支撑管：用于完成整个灯的支撑和和光耦合冷却液自身散热系统的承载，34，态光耦合冷却液泵：将冷却后的光耦合冷却液用泵强力密封腔底部。35、光耦合冷却液冷却池：用于完成热态光耦合冷却液在通过较大面积的热交换，让光耦合冷却液在池内迅速冷却。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例中的光耦合冷却液散热的功率型LED灯具，首先制得带有绝缘分隔珠的LED电机支架，又通过固晶打线和发光体及电极连线固定体(由环氧或者硅胶有机体充当)制得LED半成品。再在单灯LED包覆壳内，填充光耦合冷却液后实施LED半成品与单灯LED包覆外壳的无渗漏密封，经过分光分色检测后，即得单灯光耦合冷却液导热的功率型LED灯具。

如图2所示，本实施例中，将实施例中的LED半成品，经过分光分色检测后，用串联或并联的方式集成到光源板上，再将光源板与恒流电源通过光源板与恒流电源连接柱连接完成集成半成品，再将光耦合冷却液注入到光源包覆外壳内，并将光源包覆外壳集成LED半成品铝散热座和灯实施无渗漏密封连接，制得功率型LED高密度集成光源导热的LED球形灯具。

实施例3，本实施例中，将实施例1中制得的LED半成品进行分光分色检测后的制成品，用串(并)联方式集成到光源板上，将带有电极柱的灯头的一端与光源板的一端导电连接后，与灯管实施无渗漏的密封连接，再将光耦合冷却液注入到灯管内，然后将有电极柱的灯头的另一端与光源板导电连接后，与灯管实施无渗漏的密封连接，从而制得功率型LED集成光源光耦合冷却液导热的LED日光灯管灯具。

实施例4，本实施例中，将实施例1中制得LED半成品进行分光分色检测后的制成品，或其他大功率LED单灯成品，用串(并)联方式集成到光源板上完成集成LED半成品。将光源出光端外壳集成LED半成品、硅胶密封条、散热壳体和光耦合冷却液泵入口进行无渗漏组合装配成一整体，并用管材通过灯具支撑管内壁与泵的输出端相连，而泵的输入端的管材与冷却池内的光耦合冷却液相连。启动泵将光耦合冷却液泵入组合后的密封腔中，直到有光耦合冷却液从溢出口另一端的溢出口，相连的回流管道溢回到光耦合冷却液冷却池时，停止加注光耦合冷却液，再封闭冷却池盖板后，制得具有强制循环功能的液态光耦合冷却液散热的LED灯具。

Claims (3)

1.一种光耦合冷却液散热的LED灯具，具有：光源包覆外壳、灯头、光耦合冷却液、LED作发光体的光源板、电极柱、光耦合冷却液泵、其特征是：在光源包覆外壳和LED作发光体的光源板之间填充光耦合冷却液。

2.如权利要求1所述的液态光耦合冷却液散热的LED灯具，其特征是：在透明外壳光耦合冷却液液面下部有光耦合冷却液泵入的入液口，透明外壳光耦合冷却液液面上部有光耦合冷却液泵入的溢液口。

3.如权利要求1所述的液态光耦合冷却液散热的LED灯具，其制作方法如下：

a、首先制得带有绝缘分隔珠的LED支架，又通过固晶打线和发光体及连接线固定体制得LED半成品；

b、将分光分色检测的LED半成品，用串(并)联方式集成到光光源板上；

C、将光源出光端外壳，集成LED半成品、硅胶密封条、散热壳体及光耦合冷却液泵入口，进行无渗漏组合成一体；

D、将溢流口泵入口，泵用管材通过灯具支撑管内壁，连接到冷却池形成一循环封闭系统；

E、打开冷却池口，注入光耦合冷却液由泵将光耦合冷却液泵入并填充密闭腔体内，直到溢流口光耦合冷却液溢出；

F、关闭冷却池口，盖板并与灯具系统形成无渗漏封闭系统，完成整套灯具的制造。

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