CN101852416B - 一种大功率led灯散热的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种大功率LED灯散热的方法与装置，包括；聚热器、热管、冷凝段面积扩展器和散热器；LED以及直流恒流电源的驱动器件紧贴于聚热器，热管的蒸发段嵌入在聚热器中，冷凝段嵌入在冷凝段面积扩展器中；为了降低热能在LED灯内部辐射，聚热器的表面和外壳的内表面被处理成具有较低的红外发射率。并且，散热器的外表面通过物理或化学的方法采用在可见光波段与红外波段具有不同发射率的材料来进行处理，使得散热器既在红外波段具有较高的热辐射能力，又在可见光波段具有很强的观赏性。

Description

一种大功率LED灯散热的方法与装置

技术领域：

本发明涉及热管散热技术，又涉及红外技术，特别是一种大功率LED灯散热的方法与装置。

背景技术：

在当今环境污染日益严重、能源渐趋短缺的态势下，节能减排已经成为当前急需解决的首要课题。由于LED灯具有节能、环保、高效、长寿命等优点，其应用领域得以不断拓展。

LED是通过电能-光能转换来发光的。在LED发光的过程中，有约占总电能80％左右的电能被转化成为热能。如果这部分的热量不能及时地得以疏导，就会使得LED的结温上升。长此以往，重则会造成LED的永久性损坏，轻则使得LED的发光效率降低、衰减速度加快、使用寿命缩短。

目前LED光源的散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。其中，自然对流散热的方式由于散热器的重量太大，以及灯具体积上的限制，使得散热效果不太理想；加装风扇强制散热方式增加了系统的复杂性、降低了可靠性。而热管由于其具有热阻相对小(热管的热导系数是普通金属的100倍以上)，使用寿命长，传热快，结构简单紧凑，重量轻，体积小，无功耗，无噪音，维护方便等优点，已逐渐在LED灯的散热方面得以推广应用。然而，热管仅仅是一种热传导元件，从其蒸发段吸收的LED发出的热量，必须从其凝结段迅速散发出去，否则无法达到降低LED结温的目的。目前的基于热管的LED灯散热方案中，热管的凝结段普遍采用若干片金属薄板制成的翅片组成的散热器来散热。由于薄板状的翅片与热管的凝结段的接触面积有限，而薄板状的翅片本身的热阻又比较大，并且考虑到散热的需要，翅片之间的距离又不可太小，因此，热管的凝结段上只有小部分面积被用于通过与翅片的接触来传递热量，而凝结段的大部分面积只能通过其自身与空气的接触来散热，故而，这种结构的热管散热器并不能充分发挥其散热效果。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种大功率LED灯散热的方法与装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种大功率LED灯散热的装置，包括；聚热器、一根或多根热管、一个或多个冷凝段面积扩展器和散热器；LED以及直流恒流电源的驱动器件紧贴于聚热器，热管的蒸发段嵌入在聚热器中，冷凝段嵌入在冷凝段面积扩展器中；聚热器聚集从与其紧贴的LED以及直流恒流电源的驱动器件发出的热能，传递到热管的蒸发段，热管内的工质液体自热源吸热汽化，蒸汽在压差的作用下高速流过热管中间的绝热段后流向冷凝段；在冷凝段，通过冷凝段面积扩展器和散热器，向大气放出汽化潜热而凝结为液体。凝结液在毛细吸液芯抽吸作用下，从冷凝段返回蒸发段，如此完成一个又一个的循环，使LED上的热量不断地释放出去。

所说的聚热器由导热率高的金属材料制成，其表面以及外壳的内表面采用物理或化学的方法处理成较低的红外发射率，以降低这些部件获得的热能在LED灯内部的辐射，减缓LED灯内部元器件因高温引起的老化。

所说的散热器的外表面采用物理或化学的方法处理成较高的红外发射率同时在可见光波段具有艳丽的色彩，既提高了散热器的热辐射能力，又具有可观赏性。

一种利用上述大功率LED灯散热装置的大功率LED灯散热的方法，包括，用聚热器来集中布放LED，然后由热管经过冷凝段面积扩展器将热量迅速地传送到散热器，再由散热器扩散到大气中去，其特征在于：

①提高散热器在红外波段的发射率，尤其在远红外波段的发射率，以及在可见光波段的可观赏性：散热器的外表面通过物理或化学的方法，采用在可见光波段与红外波段具有不同发射率的材料来进行处理，使得散热器既在红外波段具有较高的热辐射能力，又在可见光波段具有很强的可观赏性；

②降低聚热器和LED灯内表面在红外波段的发射率：聚热器的表面采用物理或化学的方法处理成较低的红外发射率，以降低聚热器获得的热能在LED灯内部的辐射；当外壳成为散热器的一部分时，其面向LED灯内侧的表面，采用物理或化学的方法处理成较低的红外发射率，以降低其向LED灯内部的热辐射。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可灵活地利用LED灯的外壳、装饰部件、灯杆、灯柱来作为散热器，既简化了结构，又可降低设备的制造成本，有利于本发明产品的推广应用。

2、用热管和冷凝段面积扩展器将LED发出的热量迅速传导到LED灯的外部空间中去，使LED运行条件得到改善，有利于降低LED的结温、减缓LED的光衰进程、延长灯具的使用寿命。

3、聚热器的表面以及外壳的内表面被处理成具有较低的红外发射率，降低了热源的热量向LED灯内部的辐射，有利于改善LED灯内电子元器件的运行环境，降低故障率，减少运行维护费用。

附图说明：

图1是本发明的一种大功率LED灯散热的装置的示意图。

图2是本发明的一种大功率LED灯散热的装置的结构示意图。

图3是热管的示意图。

图4是本发明的装置用于具有装饰侧翼的路灯的示意图(顶视图)。

图5是美国Cree公司的LED的光衰曲线图。

图6是在各种温度下黑体的光谱辐射通量密度。

图7是电磁频谱示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。但是，本领域的技术人员应该认识到，下述的实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域的技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括的范围的限制；只要是根据本专利所揭示的精神所作的任何等同变更或修饰而形成的相似结构、方法及其相似变化，均落入本专利包括的范围。

请参阅图1、图2和图3，所说的一种大功率LED灯散热的装置由聚热器1、一根或多根热管2、一个或多个冷凝段面积扩展器3和散热器4组成，其中，冷凝段面积扩展器3和散热器4可以设计成一个整体，如图2中的外壳5，以简化结构、利于散热；同时外壳5紧固在灯杆6上，使灯杆6也成为散热器的一部分；LED以及直流恒流电源的驱动器件紧贴于聚热器1，热管2的蒸发段201嵌入在聚热器1中，冷凝段203嵌入在冷凝段面积扩展器3中；图2中A为直流恒流电源，B为LED，C为灯罩。

聚热器1聚集从与其紧贴的LED以及直流恒流电源的驱动器件发出的热能，传递到热管2的蒸发段201，热管2内的工质液体自热源吸热汽化，蒸汽在压差的作用下高速流过热管中间的绝热段202后流向冷凝段203，在冷凝段203，通过冷凝段面积扩展器3和散热器4，向大气放出汽化潜热而凝结为液体。凝结液在毛细吸液芯抽吸作用下，从冷凝段返回蒸发段，如此完成一个又一个的循环，使LED上的热量不断地释放出去。

图3为两种不同形式的热管2，图中上部为软体热管，下部为硬体热管；两种热管均具有蒸发段201、绝热段202和冷凝段203，其区别仅在于软体热管的绝热段202为软体段，而硬体热管的绝热段202为硬体段。所说的热管2，根据工程的需要，可以是硬体热管，也可以是软体热管；其数量可以是一根或多根；热管2的蒸发段201被嵌入聚热器1中，以尽可能地增加二者之间的接触面积、降低热阻；同样热管2的冷凝段203被嵌入冷凝段面积扩展器3中，以尽可能地增加二者之间的接触面积、降低热阻；在安装过程中需要调整冷凝段面积扩展器3的安装位置的场合，可以采用绝热段202为软体结构的热管。

请参阅图4，图中的LED灯箱D配备有硕大的起装饰作用的金属侧翼7；可以利用金属侧翼7作为散热器，将冷凝段面积扩展器3以尽可能大的接触面积和尽可能小的热阻紧固在金属侧翼7上，这样既达到了散热的效果，又简化了灯具的结构，降低了制造成本。

请参阅图5，LED的光衰是和其结温有关的，结温越高就越早出现光衰，LED的寿命也就越短。从图上还可以看到，假如结温为105℃，亮度降至70％的寿命只有一万多小时，95℃就有2万小时，85℃时有3万小时，而结温降低到75℃，寿命就有5万小时，所以延长LED的寿命的关键就是要使其运行时的结温尽可能低。如果LED灯每天工作12小时，亮度降至70％的设计使用寿命为5年，亦即设计使用寿命约为2万2千小时，那么，通过散热的方式必须使LED的结温保持在95℃以下。

热量的传递方式中除了传导、对流外，辐射也是一个重要的途径，因此提高散热器4的热辐射能力必须加以关注。

请参阅图6、图7，黑体是最有效的辐射体，其发射率为1，其他物体的发射率介于0～1之间，并且对于不同的波长，大部分物体的发射率会发生变化。根据普朗克定律可以计算出在各种温度下黑体的光谱辐射通量密度；由图7可见，在LED的结温变化范围内，红外辐射主要集中在6～15微米的远红外波段，因此，提高散热器4在6～15微米光谱范围内的发射率是极其必要的。同时，为了降低LED灯内部的温度，必须降低聚热器1的表面、以及灯具外壳面向LED灯内侧表面在6～15微米光谱范围内的发射率；由下面的表1可见，对于金属材料(如铝、钢、、铜、黄铜等)制作的部件来说，用物理或或化学的方法(抛光、轻微氧化、涂覆低红红外发射率和/或绝热的涂层)对其表面进行加工，可以获得较低的发射率。

请参阅下面的表2，某些颜料，如酞菁蓝、酞菁绿、五氧化二钒、氢氧化铁、氧化铁等，以及表1中的碳、碳黑、石墨，在8～14微米的远红外波段内具有较高的发射率，并且如酞菁蓝、酞菁绿等颜料在可见光波段具有鲜艳的色彩，当采用物理或化学的方法(如涂覆、阳极氧化后着色封闭等)对散热器进行加工后，不仅可以提高散热器的红外发射率，而且还具有很好的装饰效果。

表1

表2

Claims (1)

1.一种大功率LED灯散热的方法，该方法利用的大功率LED灯散热装置包括：聚热器、一根或多根热管、一个或多个冷凝段面积扩展器和散热器；将LED以及直流恒流电源的驱动器件紧贴于聚热器，热管的蒸发段嵌入在聚热器中，冷凝段嵌入在冷凝段面积扩展器中；聚热器聚集从与其紧贴的LED以及直流恒流电源的驱动器件发出的热能，传递到热管的蒸发段，热管内的工质液体自热源吸热汽化，蒸汽在压差的作用下高速流过热管中间的绝热段后流向冷凝段；在冷凝段，通过冷凝段面积扩展器和散热器，向大气放出汽化潜热而凝结为液体；凝结液在毛细吸液芯抽吸作用下，从冷凝段返回蒸发段，如此完成一个又一个的循环，使LED上的热量不断地释放出去；

该方法包括，用聚热器来集中布放LED，然后由热管经过冷凝段面积扩展器将热量迅速地传送到散热器，再由散热器扩散到大气中去，其特征在于：

①提高散热器在红外波段的发射率，以及在可见光波段的可观赏性：散热器的外表面通过物理或化学的方法，采用在可见光波段与红外波段具有不同发射率的材料来进行处理，使得散热器既在红外波段具有较高的热辐射能力，又在可见光波段具有很强的可观赏性；

②降低聚热器和LED灯内表面在红外波段的发射率：聚热器的表面采用物理或化学的方法处理成较低的红外发射率，以降低聚热器获得的热能在LED灯内部的辐射；当外壳成为散热器的一部分时，面向LED灯内侧的表面，采用物理或化学的方法处理成较低的红外发射率，以降低其向LED灯内部的热辐射。

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