CN102455081A

CN102455081A - 基于电子隧穿的制冷器及使用该制冷器的led照明装置

Info

Publication number: CN102455081A
Application number: CN2010105150242A
Authority: CN
Inventors: 周明杰; 马文波; 陈贵堂
Original assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Current assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: CN102455081B

Abstract

本发明属于光电制冷领域，其公开了一种基于电子隧穿的制冷器及使用该制冷器的LED照明装置；制冷器包括冷端、热端、电子发射体以及保护层；冷端与热端相对间隔平行设置，且与四块保护层一起形成一腔体；电子发射体设置在冷端的、且与热端相向的一个表面上；冷端与一阴极电极连接，热端与一阳极电极连接；阳极电极和阴极电极分别穿透保护层外露；真空封装所述腔体外围，使腔体成为一个密封的真空态。本发明利用冷端中带有高热量的电子在真空层内发生不可逆隧穿，这样就不会产生热量回流的效应，主动迅速吸收LED工作时产生的大量热量。

Description

基于电子隧穿的制冷器及使用该制冷器的LED照明装置

技术领域

本发明涉及一种光电散热领域，尤其涉及一种基于电子隧穿的制冷器及使用该制冷器的LED照明装置。

背景技术

LED(发光二极管)作为一个发光器件，由于具有工作寿命长、耗电低、响应时间快、体积小、重量轻、耐抗击、环保等的优点而备受关注，随着LED光效的不断提高，从一开始在特种照明的应用，到现在向普通照明迈进。

由于LED芯片的功率不断提高，导致LED的发热量越来越大，如LED光源的热量不能很快的散发出去，将加快光源的光衰，影响其使用寿命。现有技术中的散热方式是将LED大功率光源直径与散热器连接，通过温度差让热量自然散出，这种散热方式属于被动散热，其缺点是散热速度慢，受周围环境温度影响大，效果不理想。而添加风扇主动散热的方式，由于增加了不可靠的因素又是不可取的。另外一种现有散热系统是利用水或其他液体冷却系统即热管散热技术，与普通散热片相比，热阻得到了减少，但由于热管的体积大，散热载片的设计要受到热管形状的限制，而且发热电子元器件的热量是通过热管对流方式被动传导，散热效率并没有得到彻底提高；此外，由于热管内毛细管的加工工艺要求较高，导致热管的成本也较高，影响了实际的应用。所以，为了主动对发热电子元器件进行冷却散热，人们想到了半导体制冷技术。半导体制冷技术主要利用电子的迁移来传热，通过使用特殊材料以及结构把温度高的电子移到一端，而把冷端的电子保持在另外一端。然而，该技术存在的问题就是当电子在一个方向上移动把热量带走的同时，材料自身会通过热传导反馈回大部分热量。

因此，如何解决LED的散热问题，特别是针对大功率LED光源的散热问题是业内亟待解决的一个技术难题。

发明内容

为了解决上述LED照明散热问题，本发明提供一种结构简单、散热效果良好，且基于电子隧穿的制冷器。

基于电子隧穿的制冷器的实现技术方案如下：

基于电子隧穿的制冷器包括冷端、热端、电子发射体以及保护层；所述冷端与热端相对间隔平行设置，且与四块所述保护层一起形成一空腔；所述电子发射体设置在所述冷端的、与所述热端相向的一个表面上；所述冷端与一阴极电极连接，所述热端与一阳极电极连接；所述阳极电极和阴极电极分别穿透所述保护层外露；真空封装所述空腔外围，使所述空腔成为一个密封的真空腔体。

在所述电子隧穿制冷器中，其冷端和热端所用材质可以是金、银、铜、铝等金属，也可以是石墨，还可以是其他的导热导电材料；在设计过程中，冷端和热端的外形构造分别可以设计成为平面，也可以为相互契合的球面，或是其他相互契合的形状。

上述电子发射体是通过晶核生长、或丝网印刷等方法附着在冷端的且与热端相向的一个表面上；所述电子发射体可以是碳纳米管，也可以是CuO，也可以是ZnO，或是其他的电子发射体。

当冷端和热端采用铜、铝或金等金属时，可以分别在所述的冷端和热端的相互契合的面上，通过磁控溅射等方法镀一层银薄膜，厚度为0.5～50μm，这样更有利于电子的传输和具有更高的稳定性。

特别的，当所述电子发射体与冷端为一体的并采用铜材质时，可以将所述的电子发射体部分氧化成氧化铜作为电子发射体。

所述带有电子隧穿制冷器中，所述冷端、热端及四块保护层所形成的腔体中，通过真空封装后成一真空态腔体，且所述冷端和热端相距5nm～500μm，这样使得热量从所述的冷端传导到所述的热端后将无法回流。实际设计过程中，由于真空层的存在，冷端和热端间隔间需要支撑部件支撑，该支撑部件可以采用绝缘绝热、且具有一定强度的垫片。

本发明的电子隧穿制冷器是通过施加偏置电压，使冷端中带有高热量的电子发生不可逆隧穿而实现散热的，所以，为了更有利于电子的传输而在电子发射体与冷端之间，以及在热端的且与电子发射体相对的一个表面上分别镀有一层厚度为0.5～50μm的银薄膜导电层；或者只在所述热端的且与电子发射体相对的一个表面上分别镀有一层厚度为0.5～50μm的银薄膜导电层。

本发明还提供一种使用上述制冷器的LED照明装置，其包括LED，用于承载LED的散热基体，以及上述所述制冷器；其中，该制冷器包括冷端、热端、电子发射体以及保护层；所述冷端与热端相对间隔平行设置，且与四块所述保护层一起形成一腔体；所述电子发射体设置在所述冷端的、与所述热端相向的一个表面上；所述冷端与一阴极电极连接，所述热端与一阳极电极连接；所述阳极电极和阴极电极分别穿透所述保护层外露；真空封装所述腔体外围，使所述腔体成为一个密封的真空态；所述散热基体通过导热绝缘层固接在所述冷端的另一个表面，且该散热基体与所述电子发射体相背设置。

由于所述的冷端和热端是导电体，在工作过程中需要通电，为了使用安全，需要分别在所述的冷端和热端相背的一面通过丝网印刷、化学法、磁控溅射等方法制备一高导热绝缘层，其材质可以是AlN、B₄C、BN、Al₂O₃，或者是其他具有高导热性质的绝缘材料，其厚度在0.5～500μm。

本发明具有以下优点：

本发明制冷器与传统的风扇、散热片、热管、半导体等散热装置相比，其在工作过程中，通过在冷端和热端施加稳定直流偏置电压，当该制冷器在给大功率LED制冷散热时，冷端中带有高热量的电子在真空层内发生不可逆隧穿，这样就不会产生热量回流的效应，主动迅速吸收LED工作时产生的大量热量，而且无噪音、无机械部件、体积更小，使用更方便，散热效果更好，从而使得电子元器件的工作效率更高，使用寿命更长。

附图说明

图1为实施例1中带电子隧穿制冷器的LED照明装置剖面图；

图2为实施例2中带电子隧穿制冷器的LED照明装置剖面图；

图3为实施例3中带电子隧穿制冷器的LED照明装置剖面图；

图4为图3中A部分的放大图；

图5为本发明带电子隧穿的制冷器的结构示意图。

具体实施方式

本发明采用的技术方案如下：

基于电子隧穿的制冷器，如图5所示，包括一冷端12、一热端13、一电子发射体17以及保护层110；所述冷端12与热端13相对间隔平行设置，且与四块所述保护层110一起形成一空腔19；所述电子发射体17设置在所述冷端12的、与所述热端13相向的一个表面上；所述冷端12与一阴极电极1611连接，所述热端与一阳极电极16连接；所述阳极电极16和阴极电极1611分别穿透所述保护层110外露；真空封装所述空腔19外围，使所述空腔成为一个密封的真空腔体。

在所述电子隧穿制冷器中，其冷端12和热端13所用材质可以是金、银、铜、铝等金属，也可以是石墨，还可以是其他的导热导电材料；在设计过程中，冷端和热端的外形构造分别可以设计成为平面，也可以为相互契合的球面，或是其他相互契合的形状。

上述电子发射体17是通过晶核生长、或丝网印刷等方法附着在冷端12的且与热端13相向的一个表面上；所述电子发射体17可以是碳纳米管，也可以是CuO，也可以是ZnO，或是其他的电子发射体。

当冷端12和热端13采用铜、铝或金等金属时，可以分别在所述的冷端12和热端13的相向面上，或仅在热端13的且与冷端12相对的表面上通过磁控溅射等方法镀一层银薄膜导电层15，厚度为0.5～50μm，这样更有利于电子的传输和具有更高的稳定性。

更进一步的，所述电子发射体17与所述冷端12可以是一体设计，在这种情况下，可以通过刻蚀等方法在冷端表面的一定区域内制备出具有针尖的微小凸起，这些微小凸起即为所述的电子发射体17。这些微小凸起是利用针尖放电的性质，使得具有这种微小凸起的电子发射体更利于放电。

特别的，当所述电子发射体17与冷端12为一体的并采用铜材质时，可以将所述的电子发射体部分氧化成氧化铜作为电子发射体17。

在搭建所述的电子隧穿制冷器的过程中，需要在外围设计一保护层110，以维持所述散热装置的真空度和防止在工作过程中漏电，所以，所述的保护层应该具有一定的强度，并具有绝缘绝热的性质。

所述带有电子隧穿制冷器中，所述冷端12、热端13及四块保护层110所形成的腔体19中，所述冷端12和热端113相距5nm～500μm，这样使得热量从所述的冷端传导到所述的热端后将无法回流。实际设计过程中，由于真空层的存在，冷端和热端间隔间需要支撑部件支撑，该支撑部件可以采用绝缘绝热、且具有一定强度的垫片18。

为了保证制冷器良好的导热效果，分别在冷端12和热端13外表设置一层导热绝缘层14

由于所述的冷端和热端是导电体，在工作过程中需要通电，为了使用安全，需要分别在所述的冷端和热端相背的一面通过丝网印刷、化学法、磁控溅射等方法制备一高导热绝缘层，其材质可以是AlN、Si、SiC、B₄C、BN、Al₂O₃，或者是其他具有高导热性质的绝缘材料，其厚度在0.5～500μm。

在实际使用过程中，可以在电子隧穿制冷器的热端接一外部散热片，使得所述热端的热量能够尽快散发出去，给在冷端处的LED光源提供一个持续的散热效果。

下面结合附图，对本发明使用该制冷器的LED照明装置的较佳实施例作进一步详细说明。

实施例1

图1为一种基于电子隧穿制冷的大功率LED照明装置的剖面图。LED照明装置包括至少含有一颗大功率LED芯片的LED光源11，LED光源11设置在铝材散热基板112上，散热基板112通过焊接层111与设置在制冷器的冷端22表面的导热绝缘层14固定连接。

电子隧穿制冷器中的冷端12和热端13，以及为了与外界绝缘而分别在冷端12和热端13上通过磁控溅射镀的绝缘层14，绝缘层14采用具有高热导率的陶瓷材料SiC；由于铜具有良好的导电和导热的性能，在本实施例中，冷端12和热端13均采用金属铜。电子隧穿制冷器是通过施加偏置电压，使冷端12中带有高热量的电子发生不可逆隧穿而实现散热的，所以，需要在冷端12的一面付上电子发射体17，以及为了更有利于电子的传输而在电子发射体17与冷端12之间以及在热端13中接受电子的一面分别镀一导电层15，在本实施例中，导电层15是通过磁控溅射镀的厚度约为5μm的Ag薄膜导电层，电子发射体17是通过丝网印刷在冷端12中镀有Ag薄膜导电层15上制备的厚度约为1μm的碳纳米管层。

为了使散热过程中不至于有热量的回流，在冷端12与热端13之间设计一间距约为50nm的真空态的腔体19，以及为了支撑腔体19而设计的具有绝缘绝热性质的垫片18，同时，为了维持真空度和保护电子发射体17等部件，以及使散热装置与外部绝缘，需要在冷端12和热端13周边设计一具有一定强度，并具有绝缘绝热性能的保护层110。此外，为了接入外部电源，需要分别在冷端12引出阴极电极161和热端13中引出阳极电极16，所述阴极电极161和阳极电极16分别穿过保护层110外露。在本实施例中，LED光源11是通过采用焊锡膏的焊接层111与电子隧穿制冷器实现连接的。

在实际使用过程中，LED光源11工作产生大量的热量，并传递到电子隧穿制冷器的冷端12，由于冷端12和热端13之间施加有偏置电压，冷端12中带有高热量的电子在电场的作用下从电子发射体17被抽离并飘向热端13的导电层15，与此同时，通过外部电源，具有平均能量的电子流到冷端12，这样，就使得冷端12被冷却，而真空腔体19的存在以及其他连接部件如垫片18和保护层110的绝热性能，使得热端13的热量无法回流到冷端12，从而实现对LED光源的冷却散热作用。另外，为了在使用过程中防止热端13漏电，在热端13的且与导电层15相背的表面上也设有一层厚度为0.5μm的导热绝缘层14，该导热绝缘层14的材质为AlN或Si。

实施例2

图2为实施例2中带电子隧穿制冷器的LED照明装置剖面图。本实施例中带有电子隧穿制冷器的LED照明装置，与实施例1相比，不同之处在于，LED光源11为多颗规则排列在散热基板112的LED芯片；在冷端12的一面通过光刻技术制备的微小锥体状微小凸起，电子发射体17是镀在锥体表面上的CuO薄层，锥体底面直径和高均分别约为50nm，CuO薄层厚度约为20nm；因此，取消了冷端12与电子发射体17之间的导电层15；导电层15的厚度为50μm；导热绝缘层的厚度为10μm，该导热绝缘层14的材质为B₄C或SiC；所述冷端与热端的间隔距离为500μm。本实施例中电子发射体17做成锥体是利用针尖放电的原理，使得冷端的热电子更容易从锥体的针尖处被抽离，从而更利于散热。

实施例3

图3为实施例3中带电子隧穿制冷器的LED照明装置剖面图。本实施例中一种带有电子隧穿制冷器的LED照明装置，与实施例1相比，不同之处在于：

LED光源11为多颗规则排列的LED芯片，LED光源11直接固接在制冷器的冷端12表面上的导热绝缘层14上，冷端12和热端13相对的面上分别制备出相互契合的半椭球体状微小凸起，半椭球体的尺寸为长轴5mm，短轴2mm，如图4所示；同时，电子发射体17是通过蒸镀技术蒸镀冷端12的半椭球体凸表面的一碳纳米管薄层，在热端13中半椭球体凹面上蒸镀一Ag薄层导电层15，在本实施例中垫片18厚度为100nm；导电层15的厚度为20μm；导热绝缘层的厚度为50μm，该导热绝缘层14的材质为BN或Al₂O₃；所述冷端与热端的间隔距离为5nm。本实施例中采用这样的结构，使得在一定的体积散热装置内电子的有效发射面积增大，有利于冷端12中的热电子更多地传输到热端，从而更利于实现散热。此外，LED芯片排列组及其相应电极是直接焊接在电子隧穿制冷器中冷端12的导热绝缘层14上的，这样减少了散热基板及其相应的焊接层的使用，也就是减少了散热通道的热阻，从而更有利于散热。

应当指出，在本实施例中只给出了半椭球体形电子发射体，其他形状如球形等的电子发生体都应属于本实施例的范畴。

应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于电子隧穿的制冷器，其特征在于，包括冷端、热端、电子发射体以及保护层；所述冷端与热端相对间隔平行设置，且与四块所述保护层一起形成一腔体；所述电子发射体设置在所述冷端的、且与所述热端相向的一个表面上；所述冷端与一阴极电极连接，所述热端与一阳极电极连接；所述阳极电极和阴极电极分别穿透所述保护层外露；真空封装所述腔体外围，使所述腔体成为一个密封的真空态。

2.根据权利要求1所述的制冷器，其特征在于，所述冷端和热端的材质分别为金、银、铜、铝或石墨中的任一种。

3.根据权利要求1所述的制冷器，其特征在于，所述电子发射体为碳纳米管、纳米氧化铜或纳米氧化锌中的任一种。

4.根据权利要求1或3所述的制冷器，其特征在于，所述电子发射体通过晶核生长或丝网印刷技术设置在所述冷端表面上。

5.根据权利要求1或3所述的制冷器，其特征在于，所述电子发射体表面设有微小凸起。

6.根据权利要求1或3所述的制冷器，其特征在于，在所述电子发射体的表面设置一层厚度为0.5～50μm的银薄膜。

7.根据权利要求1所述的制冷器，其特征在于，所述冷端与热端的间隔距离为5nm～500μm。

8.根据权利要求1所述的制冷器，其特征在于，在所述电子发射体与冷端之间，以及所述热端的且与所述电子发射体相对的一个表面上分别设有一层厚度为0.5～50μm的银薄膜导电层；或在所述热端的且与电子发射体相对的一个表面上分别镀有一层厚度为0.5～50μm的银薄膜导电层。

9.一种LED照明装置，包括LED，用于承载LED的散热基体，其特征在于，所述LED照明装置还一制冷器，该制冷器包括冷端、热端、电子发射体以及保护层；所述冷端与热端相对间隔平行设置，且与四块所述保护层一起形成一腔体；所述电子发射体设置在所述冷端的、与所述热端相向的一个表面上；所述冷端与一阴极电极连接，所述热端与一阳极电极连接；所述阳极电极和阴极电极分别穿透所述保护层外露；真空封装所述腔体外围，使所述腔体成为一个密封的真空态；所述散热基体通过导热绝缘层固接在所述冷端的另一个表面，且该散热基体与所述电子发射体相背设置。

10.根据权利要求9所述的LED照明装置，其特征在于，所述导热绝缘层的材质为AlN、Si、SiC、B₄C、BN或Al₂O₃中的至少一种；所述导热绝缘层的厚度为0.5μm～50μm。