CN102109128A - 半导体光源工矿灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体光源工矿灯，包括散热装置和铝基板，铝基板的表面装设有发光二极管芯片，其中散热装置包括：相变传热筒，相变传热筒形成一密封腔体，内部灌注有遇热发生相变的液体工质，相变传热筒的外壁上设置散热鳍片，相变传热筒装设连接在铝基板的表面上，与发光二极管芯片相背离。本发明采用相变传热的技术手段，利用液体工质相变过程迅速且不间断地循环进行传热，将发光二极管芯片产生的热量迅速传递到相变传热筒的外壳和散热鳍片上，能够有效地降低发光二极管芯片的结点温度。

Description

半导体光源工矿灯

技术领域

本发明实施例涉及光电技术，尤其涉及一种半导体光源工矿灯。

背景技术

工矿灯是一种广泛应用于工厂的车间、矿井作业面以及仓库的照明设备。由于这些场所的空间高度通常较高，而且对亮度和光线照射方向具有一定的特殊要求，所以工矿灯的功率通常较高，光线照射角度较小。传统工矿灯的光源通常采用白炽灯、卤钨灯或高压气体放电灯。这些灯具普遍存在能耗较高，使用寿命较短的缺陷。

随着第四代光源--半导体光源的问世，使节能照明产品的发展获得了新的飞跃。这种半导体固体光源也称为发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)，以其节能、环保和长效等特性，正在逐步替代以白炽灯为代表的传统照明光源，而工矿灯采用这种LED作为发光源已经成为其今后发展的趋势。

然而，由于受到材料特性和制造工艺技术的制约，目前广泛使用的LED光源仍然存在一些不尽如人意的缺陷，主要表现为电光转换效率仍然较低。按照理论计算，一个LED器件在正常使用环境中，其有效寿命应该在五万小时以上，但是由于电光转换效率通常仅有30％左右，因此，大部分电能都转换为热量。LED的功率越大，其产生的热量也越大，通常表现为热流密度参数较高。如果不能及时将热量散出，这些热量将使LED器件的P-N结温度升高，而当P-N结温度超过一定数值后，将使LED器件发出的光通量大幅降低。也就出现了业界所称的光衰现象，当光衰下降到70％后，则宣告该LED器件的寿命终结。因此，解决LED的散热问题，是保证LED器件正常、长效使用的关键问题。

图1为现有一种工矿灯的局部剖视结构示意图，其中采用LED芯片1作为光源，并安装有散热器。图1中，LED芯片1焊接在铝制散热基板，又称铝基板11敷设的电路上。铝基板11安装在传热铝板12表面，传热铝板12贴设在散热器13的端部。散热器13是一段金属管，通常采用铝合金材料，在金属管的外壁上放射式安装有若干金属散热鳍片。散热器13的另一端上设置有电源盒14，用于放置LED驱动电源。

现有这种LED工矿灯的散热过程如下：LED芯片1在工作时产生的热量通过铝基板11和传热铝板12传到散热器13的金属管的端面，再通过金属管将热量传递到金属散热鳍片，金属散热鳍片通过与环境中的空气进行热交换，将热量散出。

上述的现有技术方案对于功率较小的LED芯片来说可以起到一定的散热作用，但是对于大功率LED灯，例如100瓦以上的LED灯，或采用集成LED芯片的功率大于10瓦的灯来说，这种散热结构无法满足散热要求，其原因在于：

大功率LED芯片1或者集成LED芯片1在工作时，热流密度较高，通常会超过2W/cm²。虽然采用导热率较高的铜、铝等金属材料制造散热器，但是由于受到材料自身热阻和传热铝板12与散热器13的金属管端面之间较小的接触面积的影响，这种散热结构技术方案的传热能力不能满足2W/cm²以上的热流密度，因此，即使散热器13上设置有足够表面积的金属散热鳍片，仍然不能起到有效的散热效果。当较大的热流不能迅速地被传导至散热器13上的金属散热鳍片时，“堆积”在LED芯片1P-N结点上的温度就会快速升高，使LED芯片1在高温下工作。

另外，电源盒14设置的位置也是该技术方案的一项技术缺陷。电源在工作时，自身也会产生大量的热，使整个电源盒14的温度升高，从而导致散热器13上端的温度升高。根据传热基本原理可知，散热器13的温升将直接影响LED芯片1热量的传导和散出，所以，电源盒14在一定程度对散热器13的散热起到了负面的影响。

随着大功率LED工矿灯的需求量日益增加，解决其高效散热的问题已经成为LED灯具行业亟待需要解决的重要问题之一。

发明内容

本发明实施例提供一种半导体光源工矿灯，以提高工矿灯的散热能力。

本发明实施例提供了一种半导体光源工矿灯，包括散热装置和铝基板，所述铝基板的表面装设有发光二极管芯片，其中，所述散热装置包括：

相变传热筒，所述相变传热筒形成一密封腔体，内部灌注有遇热发生相变的液体工质，所述相变传热筒的外壁上设置散热鳍片；所述相变传热筒装设连接在所述铝基板的表面上，与所述发光二极管芯片相背离。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是所述相变传热筒中还设置有吸液芯，贴附在所述相变传热筒邻近所述铝基板的内壁上。

所述吸液芯可以为金属粉末烧结吸液芯或金属薄片吸液芯或金属纤维烧结吸液芯或微槽道吸液芯；所述吸液芯通过焊接或铆接或压制方式紧贴在所述相变传热筒的内壁上。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是所述散热鳍片以所述相变传热筒为轴线呈放射状设置。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是还包括挂具，设置在所述相变传热筒背离所述铝基板的一端。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是还包括驱动线路，与所述发光二极管芯片相连，且用于连接独立于所述半导体光源工矿灯的外置电源。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是还包括：驱动线路和驱动电源；所述驱动线路连接所述驱动电源和发光二极管芯片；所述驱动电源挂设在所述散热鳍片的外侧或嵌设在所述散热鳍片上开设的凹陷部之中。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是所述散热装置还包括：

内置仓，嵌套设置在所述相变传热筒之中，该内置仓背离所述铝基板的一端为敞口；所述相变传热筒的内壁与所述内置仓的外壁以及顶盖板共同围设形成所述密封腔体，所述内置仓内设置有驱动电源，该驱动电源的输入线路穿出所述敞口与市电连接，该驱动电源的输出驱动线路穿过所述内置仓与所述相变传热筒之间设置的导线管与所述发光二极管芯片电气连接。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是所述敞口还覆盖有密封盖，所述密封盖与所述内置仓内壁之间围设的密闭空间中灌注有绝缘冷却液；所述驱动电源的输入线路穿出所述密封盖上开设的通孔与市电连接。

如上所述的半导体光源工矿灯，优选的是所述相变传热筒背离所述铝基板的一端还扣设有顶盖，该顶盖上开设有用于设置市电线路的过孔；所述驱动电源的输入线路通过增设在所述顶盖板或所述密封盖上的多个接线端子与穿过所述过孔的市电线路连接。

本发明采用相变传热的技术手段，利用液体工质相变过程迅速且不间断地循环进行传热，将发光二极管芯片产生的热量迅速传递到相变传热筒的外壳和散热鳍片上。与现有技术依靠金属材料进行热传导的方式相比较，这种相变传热方式的传热效率高出几十甚至几百倍，能够有效地降低发光二极管芯片的结点温度。

附图说明

图1为现有一种工矿灯的局部剖视结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的半导体光源工矿灯的结构示意图；

图3为图2所示半导体光源工矿灯的侧面剖视结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的半导体光源工矿灯的结构示意图；

图5为本发明实施例三提供的半导体光源工矿灯的结构示意图；

图6为本发明实施例四提供的半导体光源工矿灯的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图2为本发明实施例一提供的半导体光源工矿灯的结构示意图，图3为图2所示半导体光源工矿灯的侧面剖视结构示意图。本实施例的半导体光源工矿灯包括散热装置和铝基板11，铝基板11的表面装设有一个或多个LED芯片1，通常大功率的工矿灯上均会包括多个LED芯片1，分布设置在铝基板11上。为了起到聚光作用，一般还在铝基板11上连接灯罩2，灯罩2的中部具有通孔，并设置在相变传热筒3的下方，用于反射LED芯片1工作时发出的光线。

本实施例半导体光源工矿灯中的散热装置具体包括相变传热筒3。相变传热筒3为一密封腔体，内部灌注有低沸点、遇热能够发生相变的液体工质5，典型的是可以为内部真空的铝合金外壳。相变传热筒3的外壁上设置有散热鳍片31。相变传热筒3装设连接在铝基板11的表面上，与LED芯片1相背离。散热鳍片31设置在相变传热筒3的外壁上，其设置形式可以有多种，如水平设置的多层环状散热鳍片31，优选是如图2中所示的以相变传热筒3为轴线呈放射状设置，各散热鳍片31的设置方向与重力方向一致。

在本实施例中，还进一步以设置驱动线路61的形式来为LED芯片1供电。驱动线路61与LED芯片1相连，且用于连接独立于半导体光源工矿灯的外置电源。即本实施例中的半导体工矿灯不自带电源盒。

该工矿灯可设置一挂具6，设置在相变传热筒3背离铝基板11的一端，用于悬挂该工矿灯。挂具6可以采用多种形式设置，典型地如图2中所示的吊环。由于该工矿灯通常是悬挂设置的，所以LED芯片1相当于安装在铝基板11的底端面，相变传热筒3安装在铝基板11的上端面。

采用上述散热装置的半导体光源工矿灯在工作时，驱动线路61将外置电源输出的电流传导至LED芯片1的输入端，驱动LED芯片1发光。LED芯片1产生的热量经过铝基板11被传导至相变传热筒3的底端面，并经过相变传热筒3的底端面传输给内部的液体工质5。液体工质5受热后开始产生相变，生成相变气体，这些相变气体在相变传热筒3内携带着热量向上升腾，如图2中箭头图形所示，在遇到温度较低的相变传热筒3外壳后放出热量，并重新产生相变，成为液态，顺相变传热筒3的内壁向下流动。由于工矿灯是悬挂设置，所以液体可在重力作用下沿相变传热筒3的壁面流至底端，优选地还可以在相变传热筒3中设置吸液芯4，将吸液芯4贴附在相变传热筒3邻近铝基板11的内壁上，即可以设置在相变传热筒3的底端。该吸液芯4可以采用铜或铝或不锈钢纤维经过烧结、整平等工艺制成。液体工质5在吸液芯4的毛细力吸附下，被迅速输送到相变传热筒3的底端，补充蒸发相变的液体工质5。相变传热筒3的外壳在接收到热量后，通过分布设置的多个金属散热鳍片31与外界空气进行热交换，实现散热的目的。

本实施例中，吸液芯4优选为金属粉末烧结吸液芯或金属薄片吸液芯或金属纤维烧结吸液芯或微槽道吸液芯；吸液芯4可以通过焊接或铆接或压制方式紧贴在相变传热筒3的内壁上。采用吸液芯4不仅能够起到良好的导流作用，紧贴在相变传热筒3内壁上的金属制吸液芯4还能迅速传导热量，而后传导给液体工质5，起到了增加传热表面积的作用，成为高效的液体汽化核心部件。

上述液体工质5的相变过程迅速且不间断地循环发生，在相变过程中，将LED芯片1产生的热量迅速传递到相变传热筒3的外壳和金属散热鳍片31上。与现有技术依靠金属材料进行热传导的方式相比较，这种相变传热方式的传热效率高出几十甚至几百倍，能够有效地降低LED芯片1的结点温度。

本实施例采用了驱动电源外置的方式，还可以使其工作中产生的热量不会影响相变传热筒3的传热和散热，解决了现有技术中电源盒在散热装置上端，导致散热装置的上下端之间温差较小，抑止散热效率的问题。

本发明实施例中的LED芯片不限于为图中所示分立式LED芯片，还可以为集成式的LED芯片。集成式LED芯片的集成度高，其工作中产生的热流密度将远远超过分立式LED芯片所产生的热流密度，采用本发明的技术方案能够充分起到快速散热的作用，为解决集成式LED芯片的散热问题提供了较佳的技术途径。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的半导体光源工矿灯的结构示意图，本实施例是在实施例一的基础上作的进一步改进。为清楚描述其结构，图中省略了灯罩。

本实施例与实施例一的不同点在于：除驱动线路61之外，还包括驱动电源8。驱动线路61连接驱动电源8和LED芯片1；散热鳍片31构成的散热区域开设用于容纳驱动电源8的凹陷部81(图4中虚线所示区域)，驱动电源8嵌设在散热鳍片31上开设的凹陷部81之中。

本实施例是将驱动电源8设置在相变传热筒3的外部，将LED芯片1的驱动线路61与驱动电源8的输出端连接，而驱动电源8的输入线路82则直接与市电照明线路连接。

由于在工矿灯中，LED芯片1的数量通常较多，因此，在线路设计中可以将这些LED芯片1分成多路，分别驱动发光，所以，凹陷部81可以根据LED芯片1的线路设计设置为多个，用于对应安装多个驱动电源8，为多路LED芯片1供电。

本实施例还可以采用将一个或多个驱动电源8直接挂设在金属散热鳍片31外侧的方式，而免去开设凹陷部81的工序。相比这两种设置驱动电源8的方式，设置凹陷部81的形式还可以具有减小工矿灯整体尺寸的优势。

本实施例与现有技术比较，其优点在于：取消了驱动电源8设置在散热装置顶部的方式，从而增加了相变传热筒3在轴向方向的温差，驱动电源8工作中产生的热量不会影响相变传热筒3的传热和散热。另外，取消了现有技术中的电源盒后，可以在总长度尺寸不变的情况下，增加整体散热装置的长度，即增加相变传热筒3和散热鳍片31的长度，这样可以更加充分地发挥相变传热的优势，将热量迅速传送到远端。从理论上来说，传送的距离越远，散热的效果越好。增加相变传热筒3的长度，还间接增加了金属散热鳍片31的面积，对散热起到了积极的作用。

实施例三

图5为本发明实施例三提供的半导体光源工矿灯的结构示意图，如图5所示，本实施例与实施例一的不同点在于，散装装置中还包括：内置仓9，内置仓9也可以设计为筒状，嵌套设置在相变传热筒3之中，内置仓9背离铝基板11的一端为敞口。相变传热筒3的内壁与内置仓9的外壁以及环状的顶盖板34共同围设形成密封腔体，用于灌注液体工质。内置仓9内设置有驱动电源8和驱动线路61，驱动线路61连接驱动电源8与LED芯片1。

驱动线路61可以从散热鳍片31的外侧绕过来连接LED芯片1，但优选的是可以使驱动线路61穿过内置仓9底端壁面上开设的导线管32与LED芯片1连接。驱动电源8的输入线路82穿出敞口与市电连接，该驱动电源8的输出驱动线路61穿过内置仓9与相变传热筒3之间设置的导线管32与LED芯片1电气连接。

本实施例是在相变传热筒3内增设了一个内置仓9，该内置仓9在背离铝基板11的一端为敞口，另一端为密封的形式。该内置仓9敞口边与相变传热筒3外壳边缘之间盖设有环状的顶盖板34，将由内置仓9、相变传热筒3的外壳和顶盖板34所构成的空间形成用于灌注液体工质的密封腔体。

另外，在顶盖板34上还可以设有多个接线端子71，与驱动电源8的输入线路82相连。在相变传热筒3背离铝基板11的一端还可以扣设顶盖7，顶盖7上设置挂具6，且顶盖7上开设有用于设置市电线路的过孔。驱动电源8的输入线路82可以通过增设在顶盖板34上的多个接线端子71与穿过过孔的市电线路连接。

本实施例将一个或多个驱动电源8设置在内置仓9中，将现有技术中外置的驱动电源改为内置，可以利用相变传热筒3的优良传热性能，将驱动电源8工作时产生的热量借助相变传热过程和金属散热鳍片31散出。将驱动电源8设置在相变传热筒3的内部，进一步增加了相变传热筒3径向上的温差，有利于提高散热效率。

实施例四

图6为本发明实施例四提供的半导体光源工矿灯的结构示意图，本实施例是在上述实施例三的基础上做出的进一步改进。如图6所示，内置仓9的敞口还覆盖了一个密封盖91，使内置仓9的内部也形成了密闭空间。在密封盖91与内置仓9内壁之间的密闭空间中灌注有绝缘冷却液92。驱动电源8被浸泡在绝缘冷却液92中。驱动电源8的输入线路82穿出密封盖91上开设的通孔与市电连接。或者具体可以通过密封盖91上的多个接线端子71的转接，与穿过顶盖7上过孔的市电线路连接。

本实施例的优点在于：驱动电源8在工作中产生的热量能够通过绝缘冷却液92的对流运动迅速传导至相变传热筒3内，借助相变传热实现散热。

通常情况下，驱动电源的使用寿命与LED芯片的寿命相比较短，这就造成现有各种类LED灯具往往会出现LED芯片工作状态良好，而驱动电源产生故障甚至彻底失效的现象。其原因主要在于温度升高对半导体器件的稳定性能造成影响。因此，本实施例的技术方案可以在降低LED芯片工作温度的同时，降低驱动电源的工作温度，使驱动电源不易产生故障，确保整个工矿灯的正常使用寿命。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种半导体光源工矿灯，包括散热装置和铝基板，所述铝基板的表面装设有发光二极管芯片，其特征在于，所述散热装置包括：

相变传热筒，所述相变传热筒形成一密封腔体，内部灌注有遇热发生相变的液体工质，所述相变传热筒的外壁上设置散热鳍片；所述相变传热筒装设连接在所述铝基板的表面上，与所述发光二极管芯片相背离。

2.根据权利要求1所述的半导体光源工矿灯，其特征在于：所述相变传热筒中还设置有吸液芯，贴附在所述相变传热筒邻近所述铝基板的内壁上。

3.根据权利要求2所述的半导体光源工矿灯，其特征在于：所述吸液芯为金属粉末烧结吸液芯或金属薄片吸液芯或金属纤维烧结吸液芯或微槽道吸液芯；所述吸液芯通过焊接或铆接或压制方式紧贴在所述相变传热筒的内壁上。

4.根据权利要求1所述的半导体光源工矿灯，其特征在于：所述散热鳍片以所述相变传热筒为轴线呈放射状设置。

5.根据权利要求1所述的半导体光源工矿灯，其特征在于，还包括：挂具，设置在所述相变传热筒背离所述铝基板的一端。

6.根据权利要求1～5任一所述的半导体光源工矿灯，其特征在于，还包括：驱动线路，与所述发光二极管芯片相连，且用于连接独立于所述半导体光源工矿灯的外置电源。

7.根据权利要求1～5任一所述的半导体光源工矿灯，其特征在于，还包括：驱动线路和驱动电源；所述驱动线路连接所述驱动电源和发光二极管芯片；所述驱动电源挂设在所述散热鳍片的外侧或嵌设在所述散热鳍片上开设的凹陷部之中。

8.根据权利要求1所述的半导体光源工矿灯，其特征在于，所述散热装置还包括：

内置仓，嵌套设置在所述相变传热筒之中，该内置仓背离所述铝基板的一端为敞口；所述相变传热筒的内壁与所述内置仓的外壁以及顶盖板共同围设形成所述密封腔体，所述内置仓内设置有驱动电源，该驱动电源的输入线路穿出所述敞口与市电连接，该驱动电源的输出驱动线路穿过所述内置仓与所述相变传热筒之间设置的导线管与所述发光二极管芯片电气连接。

9.根据权利要求8所述的半导体光源工矿灯，其特征在于：所述敞口还覆盖有密封盖，所述密封盖与所述内置仓内壁之间围设的密闭空间中灌注有绝缘冷却液；所述驱动电源的输入线路穿出所述密封盖上开设的通孔与市电连接。

10.根据权利要求8或9所述的半导体光源工矿灯，其特征在于：所述相变传热筒背离所述铝基板的一端还扣设有顶盖，该顶盖上开设有用于设置市电线路的过孔；所述驱动电源的输入线路通过增设在所述顶盖板上的多个接线端子与穿过所述过孔的市电线路连接。

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