CN102732223A

CN102732223A - 一种相变材料以及用该相变材料制得的led灯具散热器

Info

Publication number: CN102732223A
Application number: CN2012101470132A
Authority: CN
Inventors: 李徐达
Original assignee: Ningbo Klite Electric Manufacture Co Ltd
Current assignee: Ningbo Klite Electric Manufacture Co Ltd
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: CN102732223B

Abstract

本发明属于无机化学领域，涉及一种相变材料以及用该相变材料制得的LED灯具散热器。该相变材料是由如下质量百分数的组份组成：MgCl₂•6H₂O与MgSO₄•4H₂O以任意比例的混合物 2-5%，AL₂O₃•3H₂O 1-3%，石墨烯4-6%，聚酰胺树脂0-0.5%，余量为Na₂S₂O₃•5H₂O。本发明通过使用相变储能材料，控制LED散热器温度，从而是LED芯片温度能够缓慢升温，大大增加LED芯片寿命和稳定性。在LED灯具启动时，相变材料为晶体状态，开始吸收大量温度，减缓LED温升速度，然后达到平衡态，晶体变为液态。当灯具关闭时，相变材料开始有液态释放热量有转换成晶体。用该相变材料制得的LED灯具散热器使得LED灯具具有寿命更长，亮度更好的特性。

Description

一种相变材料以及用该相变材料制得的LED灯具散热器

技术领域

本发明属于无机化学领域，涉及一种相变材料以及用该相变材料制得的LED灯具散热器。

背景技术

当今社会能源短缺及环境污染成为我们所面临的重要难题，LED照明的出现，进入了一个绿色节能的照明时代，但是目前LED放光源的散热问题成为了LED照明发展的瓶颈。如何提高LED散热效果是目前主流问题。相变材料（PCM）在其本身发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度的目的。物质相变过程是一个等温或近似等温过程，在这个过程中伴随有能量的吸收或释放。相变储热是利用相变材料在其相变过程中，从环境吸收或释放热量，达到储能或放能的目的。高温相变材料具有相变温度高，储热容量大，储热密度高等特点，它的使用能提高能源利用效率，有效保护环境，目前已在太阳能热利用、电力的“移峰填谷”、余热或废热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域得到了广泛的应用。现阶段 ,人们关心比较多的新能源是太阳能 ,但是太阳能利用和废热回收存在时间和空间上的不匹配的问题。相变储能材料可以从环境中吸收能量和向环境释放能量，较好地解决了能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾 ,有效地提高了能量的利用率。同时相变储能材料在相变过程中温度基本上保持恒定 ,能够用于调控周围环境的温度 ,并且能重复使用。相变储能材料的这些特性使得其在电力“ 移峰填谷 ”、工业与民用建筑和空调的节能、纺织品以及军事等领域有着广泛的应用前景。

在LED灯具里面，增加散热面积，对散热器表面进行处理提供辐射效率。在散热效果而言，强制对流效果是最好，但是限于噪音及寿命、成本问题，这个方式目前不可取。同时有受限于LED灯具外形尺寸限制要求，散热面积无法增大，散热形式无法最优。导致目前光通量跟功率无法做大，使得与传统灯具比较时，亮度方面的不足。由于相变材料的这些优异性能，将其用于LED灯具散热器的制备将使得LED灯具具有较好的性能。但是现有的相变材料应用于LED灯具散热器时，由于常规相变材料温度控制范围不在LED灯具使用范围，储能和导热效果不明显，并且高温下热阻大。如申请号为03137241.4的发明专利提供的一种相变材料,含有质量比为50～70%的三水合乙酸钠和30～50%尿素,将两种物质按所需配比分别称量并均匀混合,在65～80℃的恒温水浴中加热并不断搅拌，直到混合物变成透明的液体。将其用于LED灯具散热器制造时，潜热储能效率和导热性能不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种潜热储能效率较高、导热性能良好，且可避免相变材料中过冷现象的相变材料。

本发明还提供利用该相变材料制得的LED灯具散热器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种相变材料，其是由如下质量百分数的组份组成：

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O以任意比例的混合物 2-5%，AL₂O₃•3H₂O 1-3%，石墨烯4-6%，聚酰胺树脂0-0.5%，余量为Na₂S₂O₃• 5H₂O。

本发明通过使用相变储能材料，控制LED散热器温度，从而是LED芯片温度能够缓慢升温，大大增加LED芯片寿命和稳定性。在LED灯具启动时，相变材料为晶体状态，开始吸收大量温度，减缓LED温升速度，然后达到平衡态，晶体变为液态。当灯具关闭时，相变材料开始有液态释放热量有转换成晶体。

本发明采用Na₂S₂O₃• 5H₂O结晶水合盐作为相变材料的主要成分。同时考虑到LED灯具的长寿命，必须保证相变材料能反复使用，所以在组份中添加了聚酰胺树脂。

考虑到Na₂S₂O₃•5H₂O中硫的化合价的特性,即同时具有氧化性与还原性，添加 AL₂O₃•3H₂O做交联剂，增强了Na₂S₂O₃•5H₂O分子间键能使之联成网状结构，并提高了相变材料反复变化的可靠性和耐久性。

同时对于恒温下结晶，为了避免相变材料中过冷现象，加入MgCl ₂•6H₂O及Mg SO₄•4H₂O作为成核剂。成核剂使本发明的相变材料稳定的发生结晶过程。如果没有该成核剂，相变材料在温度下降过程中，会发生快速冷却，影响其结晶效果，最终影响相变材料性能。

作为优选，该相变材料是由如下质量百分数的组份组成：MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O以任意比例的混合物 3%，AL₂O₃•3H₂O 2%，石墨烯5%，余量为Na₂S₂O₃• 5H₂O。

作为优选，该相变材料是由如下质量百分数的组份组成：MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O以任意比例的混合物 3%，AL₂O₃•3H₂O 2%，石墨烯5%，聚酰胺树脂0.5%，余量为Na₂S₂O₃• 5H₂O。

作为优选，所述的MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O的质量比为1:1。

作为优选，所述的聚酰胺树脂为聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）。从红外吸收光谱可以看出，在聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）大分子链中含有大量酰胺与羰基等亲水基团，它易溶于水并具有溶胀作用，是线型聚合物，在150℃以下热稳定性很好。

一种采用所述的相变材料制得的LED灯具散热器，所述的散热器外壳为铝材，所述的相变材料作为填充材料加入到外壳内。

本发明的组份配比经试验测试，能够稳定的固-液转化。但是考虑LED灯具的特殊性，一般灯具或者光源内部有内置电源，常规的相变材料的导热系数偏低，会影响其他内置驱动电源向外界散热器导热。为了提高相变材料的导热系数，在相变材料中增加了石墨材料，目前膨胀石墨和石墨烯都具有极好的导热性能，室温下膨胀石墨的导热系数为300W／(m·K) 左右，而石墨烯的导热系数用光学法测量可达4840— 5300 W／(m·K)。通过高温烘烤石墨化合物，然后冷却研磨成粉状，添加到相变材料中。这样使得本发明的相变材料导热系数大大增加，同时又不影响相变材料的性能。

本发明的相变材料作为填充物加入到LED灯具散热器内部，散热器本身为铝材制成的壳体。相变材料加入后，使得LED灯具具有更好的散热效果，利用LED灯的升温降温过程，把热量转移到相变材料中去，同时避免了温度急剧上升，延长LED灯具的寿命跟增加LED灯具的亮度。散热流程为，当LED灯具打开后，LED芯片发光同时散发热量，当热量传输到散热器后，散热器内部温度到达一定时，相变材料开始吸热，直到热平衡。到LED灯具关闭后自然冷却，温度低于一定是，相变材料开始散热，开始结晶，恢复到结晶状态。在民用照明市场领域，LED灯具一般天黑开启，天亮关闭。正好符合相变材料的特性，能够利用自身特性进行热量的转移，起到很好的效果。

附图说明

图1是实施例1得到的相变材料制成LED灯具散热器后在实际LED球泡灯中的温度测试图。

图2是实施例2得到的相变材料制成LED灯具散热器后在实际LED球泡灯中的温度测试图。

图3是实施例3得到的相变材料制成LED灯具散热器后在实际LED球泡灯中的温度测试图。

图4是实施例4得到的相变材料制成LED灯具散热器后在实际LED球泡灯中的温度测试图。

图5是未加入相变材料前LED球泡灯的点温测试图。

图6是加入相变材料后LED球泡灯的点温测试图。

图7是LED芯片结温与光通量的关系图。

图8是LED芯片结温与寿命的关系图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。

实施例1-14：

一种相变材料，由表1中所示的组份混合而成。该相变材料加热后，在常温下为固体，呈晶体状，应用时直接采用其固体形式作为填料。

表1

实施例

1

2

3

4

5

6

7

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O的重量比

-

1:1

1:1.5

1.5:1

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O的总量

-

1g

3g

5g

4g

3g

AL₂O₃•3H₂O

2g

1g

3g

2g

石墨烯

0g

5g

聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）

0.5g

Na₂S₂O₃• 5H₂O

97.5g

96.5g

94.5g

89.5g

88.5g

87.5g

89.5g

表1（续）

实施例

8

9

10

11

12

13

对比例

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O的重量比

-

1:1

1:1.5

-

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O的总量

-

1g

2g

3g

5g

4g

-

AL₂O₃•3H₂O

2g

1g

3g

-

石墨烯

5g

6g

4g

-

聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）

0.2g

0.4g

-

Na₂S₂O₃• 5H₂O

92.8g

91.8g

89.6g

88.6g

90g

89g

-

表2

实施例 Tc点温度（℃）	1	2	3	4	5	6	7
								循环1次	69	68	65	58	59	63	63
循环1000次	80	75	66	59	63	68	67

表2（续）

实施例 Tc点温度（℃）	8	9	10	11	12	13	对比例
								循环1次	68	65	58	59	63	63	85
循环1000次	81	71	63	64	72	74	90

Tc点温度：在灯具点亮2小时后 LED灯具散热器表面最高温度点，环境温度30℃。对比例为不采用本发明的相变材料，采用常规铝基材制作相同的LED灯具散热器。

上述的相变材料作为填充物加入到LED灯具散热器内部，散热器本身为铝材制成的壳体，得到采用本发明所述的相变材料制得的LED灯具散热器。该LED灯具具有寿命更长，亮度更好的特性。

将实施例8-11对应的相变材料制成LED灯具散热器，对其温度变化进行测试，结果分别见图1、图2、图3和图4。未加入相变材料前LED球泡灯的点温测试结果见图5。加入实施例4得到的相变材料制成LED灯具散热器后的LED球泡灯的点温测试结果见图6。以上数据和结果可知，本发明的相变材料可以控制LED芯片温度，从而延长LED灯具寿命。

由图7和图8可见，LED结温点温度对LED灯具的亮度跟寿命起决定性作用。所以当没有相变材料的散热器，只能做低功率的LED灯具。在相同的功率下同款LED灯具，没有使用相变的情况下，散热器最高温度已经达到85-90℃。实际到LED结温点温度为105℃。由图可见，亮度下降20%，寿命下降到40%以上，而增加了相变材料后，结温温度为75-80℃。亮度只下降10%，寿命下降10%。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims

1.一种相变材料，其特征在于是由如下质量百分数的组份组成：

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O以任意比例的混合物 2-5%，

AL₂O₃•3H₂O 1-3%，

石墨烯4-6%，

聚酰胺树脂0-0.5%，

余量为Na₂S₂O₃• 5H₂O。

2.根据权利要求1所述的一种相变材料，其特征在于是由如下质量百分数的组份组成：

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O以任意比例的混合物 3%，

AL₂O₃•3H₂O 2%，

石墨烯5%，

余量为Na₂S₂O₃• 5H₂O。

3.根据权利要求1所述的一种相变材料，其特征在于是由如下质量百分数的组份组成：

MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O以任意比例的混合物 3%，

AL₂O₃•3H₂O 2%，

石墨烯5%，

聚酰胺树脂0.5%，

余量为Na₂S₂O₃• 5H₂O。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种相变材料，其特征在于：所述的MgCl ₂•6H₂O与Mg SO₄•4H₂O的质量比为1:1。

5.根据权利要求1或3所述的一种相变材料，其特征在于：所述的聚酰胺树脂为聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）。

6.根据权利要求4所述的一种相变材料，其特征在于：所述的聚酰胺树脂为聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）。

7.一种采用权利要求1所述的相变材料制得的LED灯具散热器，其特征在于：所述的散热器外壳为铝材，所述的相变材料作为填充材料加入到外壳内。