CN102141235B

CN102141235B - 一种大功率led光源

Info

Publication number: CN102141235B
Application number: CN2010101045251A
Authority: CN
Inventors: 刘静; 马璐
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: CN102141235A

Abstract

本发明提供一种前端气冷式大功率LED光源，包括LED芯片，用于安装LED芯片的基座和位于LED芯片前端的透镜，其特征在于，所述大功率LED光源还包括前端射流冷却装置，所述前端射流冷却装置用于在所述LED芯片的前端形成持续射流。本发明的LED光源的前端散热装置能够直接作用于LED芯片前端表面，从而提高散热性能，有利于提高LED光源的功率。本发明的LED光源的封装难度小，且其前端散热装置不会影响出光质量和LED运行寿命。本发明的结构简单、紧凑。本发明中前端散热装置易于与传统的后端散热装置配合使用，从而进一步提高散热性能。

Description

一种大功率LED光源

技术领域

本发明涉及照明技术和热管理技术领域，具体地说，本发明涉及一种大功率LED光源。

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、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。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光源虽被称为冷光源，但在电流经过其半导体的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光源逐渐用于手电筒、交通信号灯、小功率照明灯等装置，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比较集中的难以排解的热量。

当前，国内外在LED组件及其系统主要是通过在LED芯片的基座后部设计散热热沉来实现散热功能。这些散热热沉可采用受迫气体对流、水冷、油冷、热管散热、混合工质散热等各种散热方式。它们普遍的缺陷是芯片的热量需要通过LED芯片背部的基片才能散发出去，而基片上的焊料层、界面材料层等都有很大的热阻，该热阻会阻碍热量的传递，严重时会导致整个光源的失效。另外，上述现有技术中的各种散热方式还存在其它缺陷。比如：气冷(即采用受迫气体对流)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，气体冷却将很难胜任；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，进而导致热量无法输运出去，对LED构成严重的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够安全有效地对芯片进行散热，并且结构简单、紧凑的大功率LED光源。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种大功率LED光源，包括LED芯片和用于安装LED芯片的基座，其特征在于，所述大功率LED光源还包括前端射流冷却装置，所述前端射流冷却装置用于在所述LED芯片的前端形成持续射流。

其中，所述LED光源还包括位于LED芯片前端的透镜，所述前端射流冷却装置安装在所述基座上，所述透镜安装在所述前端射流冷却装置上，所述前端射流冷却装置与基座、透镜构成LED光源内腔，所述前端射流冷却装置用于在所述LED光源内腔形成持续射流。

其中，所述前端射流冷却装置包括风机、送风管、集气腔和透镜安装座，所述送风管与集气腔连通，所述风机通过送风管向集气腔输送周围环境的气体，所述集气腔的腔壁上设有微喷送风孔，使集气腔与LED光源内腔连通，所述透镜安装座和/或透镜上设有出风口。

其中，所述透镜安装座为环形，所述集气腔为环形腔体。

其中，所述微喷送风孔均匀分布。

其中，所述基座设有送风管安装槽，用于容纳所述送风管。

其中，所述LED光源还包括后端散热热沉，所述基座与后端散热热沉形成一体。

其中，所述送风管内设有过滤网。

其中，所述LED芯片为集成化LED芯片。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、本发明的LED光源的前端散热装置能够直接作用于LED芯片前端表面，从而提高散热性能，有利于提高LED光源的功率。

2、本发明的LED光源的封装难度小，且其前端散热装置不会影响出光质量和LED运行寿命。

3、本发明的结构简单、紧凑。

4、本发明中前端散热装置易于与传统的后端散热装置配合使用，从而进一步提高散热性能。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明一个实施例中大功率LED光源的结构轴向剖面示意图；

图2为本发明一个实施例中的前端冷却装置的结构示意图；

图3为本发明一个实施例中的前端冷却装置的装配示意图。

图面说明

1-LED芯片 2-透镜 3-基座

4-前端射流冷却装置 5-LED光源内腔 6-后端散热热沉

31-凸台 32-送风管安装槽 41-风机

42-过滤网 43-送风管 44-集气腔

45-微喷送风孔 46-出风口 47-透镜安装座

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。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，提供了一种前端气冷式大功率LED光源，该光源主要用于照明灯，但容易理解，该光源也可用于大型广告显示屏等其它装置中。

参考图1，本实施例的大功率LED光源包括：LED芯片1、用于安装LED芯片1的基座3、安装在基座3上的前端射流冷却装置4和安装在前端射流冷却装置4上的透镜2。

其中，LED芯片1可以使用只有一个LED发光单元的芯片，也可以使用高度集成化的LED芯片。比如该LED芯片可由2-5000个LED发光单元集成得到，LED芯片的制作工艺已比较成熟，这里不再赘述。本实施例中，不仅可以采用单个LED芯片，也可以采用多个LED芯片，如图1所示，可以在中心的LED芯片周围再设置一些较小的LED芯片，这样有利于对LED光源的亮度进行调节。

透镜2可以采用硅胶、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、玻璃、PC(聚碳酸酯)等透明材质制作。

前端射流冷却装置4与基座3、透镜2共同构成LED光源内腔5，LED芯片1即位于该LED光源内腔5内部。结合图2和图3，可以看出，所述前端射流冷却装置4包括风机42、送风管43、集气腔44和透镜安装座47。其中，送风管43可以通过在市面上购买所需直径的软管或者塑料管进行拼接而成。

本实施例中，集气腔44为环形腔体，透镜安装座47为环形。集气腔44的腔壁上设有微喷送风孔45，使集气腔与LED光源内腔连通，以形成从集气腔至LED光源内腔的射流，从而达到对LED芯片前端表面的冷却作用，所述微喷送风孔45可以通过在集气腔壁上打孔而成。相应地，环形的透镜安装座47上设置出风口46，用于排出气体，达到与外界进行热交换的目的。本实施例中，出风口也可以直接设置在透镜上。作为冷却工质的气体使用周围环境的气体即可，如空气。当然，本领域技术人员易于理解，这并不是唯一的冷却工质，比如也可以使用导热性较高的氦等惰性气体。所述微喷送风孔45和出风口46均可以均匀分布，如图1和图2所示。前端射流冷却装置4的送风管43中还可以增加一个过滤网42，用于过滤环境气体中的灰尘等杂质，防止出气孔堵塞。该过滤网的具体位置可以设置在风机后端，如图2所示。

从上述描述中可以看出，前端射流冷却装置4的主要作用就是在所述LED光源内腔形成持续射流，由于该射流直接作用于LED芯片前端表面，因此避免了焊料层、界面材料层等带来的热阻效应，能够达到很高的散热效率。

进一步地，根据本发明的另一实施例，可以在所述基座3顶部可以制作成凸台31，LED芯片安装在凸台31上。合理设计凸台31的高度，使之与微喷送风孔的位置匹配，可以进一步提高LED光源的散热性能。

进一步地，根据本发明的又一实施例，其中，所述基座还设有送风管安装槽32，用于容纳送风管43。这种设计可以使LED光源更加紧凑。

上述实施例中，还可以在所述LED光源进一步增加后端散热热沉6，该后端散热热沉6与所述基座3形成一体。与传统的后端散热装置配合使用，可以进一步提高本发明LED光源的散热性能。在一个实施例中，后端散热热沉采用高导热材料如铜、铝等制作。所述散热热沉6还包括送风管安装槽32；送风管安装槽32可以直接在肋片热沉上通过打孔等机械加工的方式制作而成。

下面以该实施例为基础，示例性地介绍本发明的LED光源的散热机制。LED芯片处于工作状态时，首先，LED芯片1产生的热量一部分通过后端散热热沉6将热量导至气体中，这也是传统的自然对流散热模式。与此同时，风机41运转，驱动气体从周围气体通过送风管43进入集气腔44中，集气腔44中的气体在压力作用下通过微喷送风孔45流至LED芯片1表面，最后升温了的气体通过出风口46回到环境结构中。这样环境中的气体通过风机41源源不断地高速流经芯片表面，带走芯片产生的热量，从而保证LED芯片稳定可靠的运行。

本发明首次在LED热管理领域提出前端直接散热方案，即迫使微喷气流直接冲击芯片表面来冷却LED芯片，由此构成和实现一种崭新的高集成度大功率LED模块。在LED芯片前端，不存在后端那样由于引入焊料、界面材料等而带来的额外热阻，因而散热效果更佳。此外，用气体直接冷却芯片前端表面，并不影响后端的散热效果。因此在实际使用中，可以同时进行前端冷却和后端冷却(如常规的空气强迫对流，热管，微通道等)，来达到更好的散热效果。

本发明在传统LED自然对流换热的基础上，采用微喷这种更有效的对流换热方式对芯片出光面进行冷却，从而确保了大功率LED的安全运行。这种结构使得高集成度大功率LED发光器成为比较现实的技术。整个系统采用气体作为强化冷却介质，无额外的制冷剂，因而既有明显的环保性。这种发光装置在节能、环保等方面有重要的意义。且效率超越当前大多数发光方式。另外，本发明的前端散热技术也适用于无透镜的LED光源(在LED芯片前端实现持续射流即可)，同时还适合于解决其它发热芯片的散热问题。

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。

Claims

1.一种大功率LED光源，包括LED芯片和用于安装LED芯片的基座，其特征在于，所述大功率LED光源还包括位于LED芯片前端的透镜和前端射流冷却装置，所述前端射流冷却装置安装在所述基座上，所述透镜安装在所述前端射流冷却装置上，所述前端射流冷却装置与基座、透镜构成LED光源内腔，所述前端射流冷却装置包括风机、送风管、集气腔和透镜安装座，所述送风管与集气腔连通，所述风机通过送风管向集气腔输送周围环境的气体，所述集气腔的腔壁上设有微喷送风孔，使集气腔与LED光源内腔连通，所述透镜安装座和/或透镜上设有出风口。

2.根据权利要求1所述的LED光源，其特征在于，所述透镜安装座为环形，所述集气腔为环形腔体。

3.根据权利要求1所述的LED光源，其特征在于，所述微喷送风孔均匀分布。

4.根据权利要求1所述的LED光源，其特征在于，所述基座设有送风管安装槽，用于容纳所述送风管。

5.根据权利要求4所述的LED光源，其特征在于，所述LED光源还包括后端散热热沉，所述基座与后端散热热沉形成一体。

6.根据权利要求1所述的LED光源，其特征在于，所述送风管内设有过滤网。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的LED光源，其特征在于，所述LED芯片为集成化LED芯片。