CN101771127B - 带有液体金属散热热沉的led发光模块 - Google Patents
带有液体金属散热热沉的led发光模块 Download PDFInfo
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Abstract
一种带有液体金属散热热沉的LED发光模块包括：热沉平片内设有至少一个空心流道；空心流道内流通有液体金属流体；放置于热沉平片上表面上的LED发光模块；LED发光模块由1-5000个LED发光芯片集成；至少一个驱动泵；驱动泵由分别安装在每一空心流道相对的壁面上的一对电极片；和分别平放在与每一空心流道相对应的所述热沉平片上、下表面上的一对永磁片组成；该对电极片的大平面与该对永磁片的大平面垂直；该对电极片的电极引线由设置于空心流道壁面上的小孔中引出，并与外置延迟开关模块电连接。电磁泵驱动空心流道内的液体金属流动，而将LED的热量传输到热沉四周再排散出去；具有可靠性高，无需维护，噪音低，节能环保等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光模块，特别涉及一种带有液体金属散热热沉的LED发光模块，该LED发光模块借助微型泵驱动液体金属的流动，而将LED基底中心热量迅速传输到热沉四周。
背景技术
近年来，随着能源危机的加剧，以及城市建设和电子信息产业的高速发展，LED光源因其显色性好、节能、响应速度快、允许频繁开关、低压直流供电、使用寿命长、结构坚固耐冲击振动、重量轻、使用原材料不含有毒物质、安全环保等优异特性，成为具有大规模推广价值、节能意义重大的照明器，它们不仅可广泛用于影视灯光、大型广告显示屏、交通信号指示灯、城市高速公路/隧道及重点建筑夜景照明等领域，而且正迅速成为汽车信号指示灯的标准配置，在汽车使用周期内无需更换。相应产品的研制和生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。
然而，LED虽被称为冷光源，但在电流经过半导体的pn结时，只有小部分电能转换为光能，其余大部分电能仍然转化为热量。早期使用的LED，其输入功率大多在100毫瓦以下，因而单个使用时散热不成问题。近年来，功率0.5～3W的照明级LED逐渐用于手电筒、交通信号灯、小功率照明灯等，随着功率的上升及集成度的提高，已经需要对散热加以仔细设计。而LED功率一旦增加到上百瓦甚至数百瓦，则会遭遇严重的散热困难，这是因为大功率高密度LED在工作时会产生巨大而且集中的难以排解的热量。当前国内外在LED组件及其系统的散热方面主要采取了受迫空气对流、水冷、油冷、热管散热、混合工质散热等方式。在这些方式中，气冷方式已趋于极限，难以继续适应LED因集成度及功耗不断增加而造成的热量过高需要，特别是在受限狭小空间中更是如此，当高密度大功率LED发热量过大时，空气冷却将很难胜任；水冷、油冷则会存在体积庞大、运行复杂、需要定期检修及更换，以及驱动件会因长期运行发生变形而降低部件性能等问题；热管在一定功率下可以发挥较好的热量输运能力，但当LED集成度及发热量较大时，则整个热管内的液体会因过量受热而蒸干，从而导致工质无法循环，于是出现热输运危机，严重者甚至引起危险。
所以，针对制约大功率LED安全运行的散热瓶颈，世界各国一直在寻找新的解决方案，但进展缓慢。正因如此，国内外市场上很少有成型的大功率LED产品问世。
2002年，专利ZL02131419.5(刘静、周一欣，以低熔点金属或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置)中首次提出将熔点在室温附近的液体金属用于芯片散热，这是国内外在芯片散热技术上的突破性尝试。由于液体金属具有远高于非金属流体如水、空气乃至其他混合液体的热导率，且其热物性比较适合用于热量传输，因而将其作为冷却流体时，可以产生极为优异的散热性能。本发明专利则是在LED热管理领域内首次引入以液体金属或其合金为流动冷却工质的散热热沉，由此构造和实现一种崭新的高集成度大功率LED模块。由于液体金属具有远高于常规流体的热导率，可以确保大功率LED热量传输至基底四周，进而再排散出去。本LED系统内，由于工作流体是金属，因而易于采用电磁或其他效应驱动，因此具有结构相当紧凑，功耗低，可针对不同LED的散热需求制做成各种微型或稍大一些尺寸的散热热沉；由此制成的高集成度大功率LED模块结构十分紧凑。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种带有液体金属散热热沉的LED发光模块，该LED发光模块借助微型泵驱动液体金属的流动，而将LED基底中心热量迅速传输到热沉四周。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，其包括：
一热沉平片；所述热沉平片内设有至少一个空心流道；所述空心流道通过连通管道相连通，所述空心流道内流通有液体金属流体；
一放置于所述热沉平片上表面上的LED发光模块；所述LED发光模块由1-5000个LED发光芯片集成；
至少一个驱动泵，所述驱动泵与外置延迟开关模块电连接。
所述热沉平片表面设有散热肋片。
所述的液体金属流体为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金的金属流体。
所述驱动泵为电磁泵，由分别安装在每一空心流道相对的壁面上的一对电极片；和分别平放在与每一空心流道相对应的所述热沉平片上、下表面上的一对永磁片组成；该对电极片的大平面与所述该对永磁片的大平面垂直；该对电极片的电极引线由设置于所述空心流道壁面上的小孔中引出，并与外置延迟开关模块电连接。
所述的电极片为铜、金刚石、石墨或不锈钢材质电极片；
所述永磁片为0.01～3特斯拉磁强的永磁片。
所述驱动泵也可为机械泵、基于电润湿效应的电润湿泵或基于磁热效应的自循环泵。
所述热沉平片为铜、阳极氧化铝、半导体硅、金刚石、不锈钢、镁铝合金、塑料、有机玻璃或聚合物材质的热沉平片。
所述热沉平片内的空心流道的横截面形状为矩形、圆形、正方形或三角形，其横截面面积在0.0001mm2到1cm2范围，所述空心流道长度在1毫米至100厘米之间。
所述空心流道的内表面镀有防止液体金属腐蚀的氧化膜层或聚四氟乙烯膜层。
所述相邻的空心流道内设置的电极片的正负极布置方向相反。
本发明引入的液体金属散热热沉可以确保LED发光模块安全运行，且结构相当紧凑，易于与常规散热器配合使用。本发明所提供的带有液体金属散热热沉的LED发光模块的工作原理是这样实现的，接通电源后，延迟开关模块接通驱动泵，从而驱动液体金属在流道内流动；待其运行特定延迟时间(如1-20分钟不等)后，延迟开关模块接通LED电路，逐步加载电流，从而点亮LED照明模块。通过驱动泵驱动流道内的液体金属流动，可以持续不断地将LED发光模块中心产生的热量迅速传输到热沉四周，从而确保LED芯片安全运行。本发明中由于工作流体是液体金属，因而易于采用电磁泵等微型泵驱动。若在液体金属内添加磁性材料颗粒形成磁流体，还可借助磁流体易于通过温差驱动的特性来实现自维持运行，此时只需设计好液体金属流道的受热面即可；而且，也可基于金属流体的电润湿效应灵活地驱动其流动。由于电磁泵等驱动泵的体积可作得很小，因此冷却装置的结构相当紧凑，不会占据整套LED发光装置较多的空间，可根据不同功率照明要求制作出不同型号的集成化LED照明装置。
本发明具有很多优点，首先，在LED装置中集成了优良的液体金属散热热沉，从而确保了大功率LED的安全运行。这种集成方式，使得高集成度大功率LED发光器成为比较现实的技术。整个液体金属散热热沉内液体金属流体的循环过程是封闭的，不会对环境造成影响，因而具有明显的环保性。LED发光模在节能、安全环保等方面有重要意义。且效率超越当前大多数发光方式。
本发明运行中除液体金属流体外，无任何其他运动部件，因而结构简单，可靠性高，维护方便，且噪音较低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图1-1为图1的A-A截面示意图；
图1-2为图1中发光模块1与热沉平片2单独制作时的B-B截面示意图；
图1-3为图1的C-C截面示意图；
图1-4为图1中发光模块1与热沉平片2制成一体结构时的B-B截面示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图2-1为图2的A-A截面示意图；
图2-2为图2的B-B截面示意图；
图3为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明专利：
实施例1：
图1为本发明的有液体金属散热热沉的LED发光模块的结构示意图，也是本发明的一个实施例；图1-1为图1的A-A截面示意图；图1-2为图1中发光模块1与热沉平片2单独制作时的B-B截面示意图；图1-3为图1的C-C截面示意图；图1-4为图1中发光模块1与热沉平片2制成一体结构时的B-B截面示意图；由图可知，本发明的有液体金属散热热沉的LED发光模块，包括：
一LED发光模块1；该LED发光模块1可直接从市场购买基本发光元件12(LED发光芯片)后，按程序排步加工出；比如该LED发光模块1可由多个LED发光芯片12集成得到，工艺比较成熟；
一热沉平片2；该热沉平片2内部设有至少一个空心流道4；所述空心流道4通过连接管道相连通，空心流道4内流通有液体金属流体5；
所述LED发光模块1放置于所述热沉平片2的上表面上；
至少一个驱动泵；所述驱动泵由分别安装在每一空心流道4相对的壁面上的一对电极片6；和分别平放在与每一空心流道4相对应的所述热沉平片2上、下表面上的一对永磁片3组成；该对电极片6的大平面与所述该对永磁片3的大平面垂直；该对电极片6的电极引线(电流输出导线11)由设置于所述空心流道4壁面上的小孔中引出，并与外置延迟开关模块10电连接。
所述热沉平片2表面设有散热肋片。
所述的电极片6为铜、金刚石、石墨或不锈钢材质电极片；
所述永磁片3为0.01～3特斯拉磁强的永磁片。
所述的液体金属流体为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金的金属流体。
所述热沉平片2为铜、阳极氧化铝、半导体硅、金刚石、不锈钢、镁铝合金、塑料、有机玻璃或聚合物材质的热沉平片。
所述热沉平片2内的空心流道4的横截面形状为矩形、圆形、正方形或三角形，其横截面面积在0.0001mm2到1cm2范围，所述空心流道4长度在1毫米至100厘米之间。
所述空心流道4的内表面镀有防止液体金属腐蚀的氧化膜层或聚四氟乙烯膜层。
LED发光模块1对应的热沉平片2的空心流道4内的液体金属流体5将LED发光模块1产生的热量带到热沉四周，之后再通过其表面的散热肋片带走散热。本发明的独特性在于，用于促使液体金属流体5流动的驱动泵采用电磁泵驱动；液体金属流体5被封装在热沉平片2的空心流道4内，由此可实现稳定而可靠的运行。
制作电磁泵时，可在热沉平片2上预先制作出槽道(其横截面形状为矩形、圆形、正方形或三角形或更多形状)，其横截面面积可为在0.0001mm2到1cm2；长度可在1毫米到100厘米，并在其相对的两壁上固定一对电极片6，之后在空心流道4的壁面上钻出半径在0.01mm～1mm的小孔，将一对电极片6的引线沿此孔分别穿入电极片，之后密封该两侧小孔；再从市场上购置一对磁场强度在0.01～2特斯拉范围的永磁片3，其厚度约0.1～5mm，半径在0.1～5cm之间，将其沿垂直于电极片6的方向布置在热沉平片2的上下表面(见图1-2视图B-B)；于是，当电极片6接通延迟开关模块10时，其与永磁体3的联合作用就会推动空心流道4内的液体金属流体5流动，从而实现热量的高效输运；对于多个空心流道如图1所示的两股往返流道情况，各流道内电极的正负极布置方向应相反，以便在通电时电磁驱动的力量是加和关系，而不是相互抵消；这样的设置相当于在整个流道上的多对电极增加了多个分布式驱动泵，因而流体驱动力更强。当然，驱动泵除电磁泵外，还可有其他选择，如机械泵、基于电润湿效应的电润湿泵、基于磁热效应的自循环泵等。本发明中的空心流道可通过机加工或其他成熟技术作出，之后通过连通管道连通，并在一端留有开口，以便将熔化后的低熔点金属或其合金(呈液体状态)沿此开口注入空心流道的循环通路中，待整个空心流道内充好液体金属流体5后，将上述开口予以封装，即形成内部循环通道为密闭的高效散热热沉。LED发光模块1与热沉平片可分别制作后固定到一起使用。
此外，LED发光模块1也可直接制作在热沉平片2上，即二者是一个统一的整体，这样彼此之间不存在界面，由此即可避免如图1-2结构那样因1、2平片之间非完全接触导致的接触热阻。此时，这种结构的整体外观仍如图1所示，只是在发光模块1与热沉平片2之间不再存在界面，如图1-4所示。
总体上，整个热沉平片尺寸及结构可根据需要制作。本发明的热沉平片中采用的流动工质即液体金属流体5所述的液体金属流体为镓、钠、钾、水银、镓铟合金或钠钾合金的金属流体，甚至是水银。
本发明中，在空心流道4内设置的驱动泵，其能量来源于外置延迟开关模块10所外接的电源，当驱动泵3工作时，可在空心流道4内造成一定驱动力，于是，在其作用下，循环的空心流道4内的液体金属流体5即由LED发光模块1对应的热沉平片中心部位流动到金属散热热沉平片四周，并在那里将热量排放出去。液体金属流体5放出热量后，再通过驱动泵的驱动回流到正对LED发光模块1的中心，继续完成新的热量输运。
实施例2：
附图2、图2-1及图2-2为本发明另一个实施例的结构示意图，由图可知，本实施例除了采用多股平行的空心流道4这一差别外，所有结构均与实施例1相同，因此外观上图2与前述的图1一致。此时，空心流道4截面为圆形，半径可在10nm-1cm，此时热沉平片对应LED发光模块处的多股空心流道4数目可在1到1000之间；这种结构带来的好处是，一方面可减少液体金属流体的用量，降低热沉成本；另一方面则通过这种空心流道内流体的流动达到了最大限度的热量输运能力。
本发明中对于毫、微米级的空心流道可通过现有技术加工，目前的技术已使得加工由多个水力学直径在10nm到10μm3之间的空心流道成为可能。这些空心流道可制作在硅、金属或其它合适材料的薄片上。制作空心流道时，若所要求的管道尺寸较小(如在数十微米量级)，则需采用一些微/纳米加工技术如LIGA技术、激光打孔技术等在金属散热热沉平片2上加工出空心流道。若空心流道尺寸很大(如毫米到厘米量级)，则采用常规方法如机加工或电加工即可作出。整个制造工艺并不复杂。
实施例3：
附图3为本发明再一实施例的结构示意图，由图可知，本实施例除了改变驱动泵(电磁泵)驱动方向这一差别外，所有结构均与实施例1相同。所述驱动可用于驱动液体金属流体在不同方向和结构内的流动，从而完成将LED热量向不同方向或部位输送。比如，本实施例中，液体金属流体主要沿垂直于LED发光模块的方向流动；而实施例1或2中，液体金属流体则主要沿平行于LED发光模块的方向流动。本实施例中之所以采用这样的结构，主要考虑到一些使用场合下，LED发光模块在横向上尺寸受到限制时，可将热量输送到垂直于LED热沉的方向，也能达到将热量由近及远的输送目的。
为达到较好的散热效果，液体金属流体5应满足如下要求：无毒，对所接触材料不起腐蚀及化学作用，在高温下不发生化学反应；便于获取；具有一定的热稳定性；比热、热导率和热扩散率要高，因而在传递一定的热量时，可使流量小，传热迅速，液体金属流体应与结构材料相容，所选液体金属流体应不能造成对散热器系统部件产生腐蚀和锈化等影响使用寿命的不利因素，此外，液体金属流体还应具有较大的熔化潜热和较小的粘性系数。
本发明具有很多优点，首先，在LED装置中集成了优良的液体金属散热热沉，从而确保了大功率LED的安全运行。这种集成方式，使得高集成度大功率LED发光器成为比较现实的技术。整个液体金属散热热沉内液体金属流体的循环过程是封闭的，不会对环境造成影响，因而具有明显的环保性。LED发光模块在节能、安全环保等方面有重要意义。且效率超越当前大多数发光方式。
本发明运行中除液体金属流体外，无任何其他运动部件，因而结构简单，可靠性高，维护方便，且噪音较低。
本发明的LED发光模可以很方便地运用到许多实际场合。使用时，根据用户使用特点，安装并调整好LED发光模位置，接通电源后，延迟开关模块10接通驱动泵，驱动液体金属流体在空心流道内流动；待其运行特定延迟时间(一般为1-20分钟不等)后，延迟开关模块10接通LED发光模块，逐步加载电源，从而点亮LED照明装置。通过驱动泵驱动空心流道内的液体金属流体流动，可以持续不断地将LED发光模块产生的热量迅速传输走，从而确保整个系统安全运行；于是整套装置即可持续稳定地输出光。本发明中由于工作流体是液体金属流体，因而易于采用电磁、电润湿效应驱动；由于电磁泵等的体积可作得很小，因此本发明结构相当紧凑，不会占据整套LED发光模块较多的空间，可根据不同功率要求制作出不同型号的LED发光模块(LED照明装置)。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。而且，发热元部件也不限于LED发光模块，也可为其他发热元件如计算机芯片等。
Claims (10)
1.一种带有液体金属散热热沉的LED发光模块，包括：
一热沉平片；所述热沉平片内设有至少一个形成循环通路的空心流道；所述空心流道内流通有液体金属流体；
一放置于所述热沉平片上表面上的LED发光模块；所述LED发光模块由1-5000个LED发光芯片集成；
至少一个驱动泵，所述驱动泵为电磁泵，由分别安装在每一空心流道相对的壁面上的一对电极片；和分别平放在与每一空心流道相对应的所述热沉平片上、下表面上的一对永磁片组成；该对电极片的大平面与所述该对永磁片的大平面垂直；该对电极片的电极引线由设置于所述空心流道壁面上的小孔中引出，并与外置延迟开关模块电连接。
2.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述热沉平片表面设有散热肋片。
3.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述的液体金属流体为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金的金属流体。
4.按权利要求3所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述的电极片为铜、金刚石、石墨或不锈钢材质电极片；
所述永磁片为0.01～3特斯拉磁强的永磁片。
5.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述热沉平片为铜、阳极氧化铝、半导体硅、金刚石、不锈钢、镁铝合金或聚合物材质的热沉平片。
6.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述热沉平片为有机玻璃热沉平片。
7.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述热沉平片为塑料热沉平片。
8.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述热沉平片内的空心流道的横截面形状为矩形、圆形、正方形或三角形，其横截面面积在0.0001mm2到1cm2范围，所述空心流道长度在1毫米至100厘米之间。
9.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，所述空心流道的内表面镀有防止液体金属腐蚀的氧化膜层或聚四氟乙烯膜层。
10.按权利要求1所述的带有液体金属散热热沉的LED发光模块，其特征在于，相邻的空心流道内设置的电极片的正负极布置方向相反。
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