CN103225792B - 一种纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，本发明属于集成热管散热器技术领域。本发明的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，包括被动散热器和安装组件，所述被动散热器包括设置有吸热端面的传热底板、连接在所述传热底板上的壳体以及连接在所述壳体上的散热鳍片，所述散热鳍片为空心立方体筒状结构。本发明与现有技术相比：具有散热效率高、结构简单紧凑、可以实现大功率LED灯具的有效散热等优点。
Description
技术领域
本发明属于集成热管技术领域，更具体的说，属于一种使用纳米液体工质作为导热工质、并使用泡沫金属吸液芯的热板散热器
背景技术
由于电能的大量应用，各种各样的电气设备都不同程度的存在着散热问题。常见的大功率发光二极管(Light Emitting Diode，以下简称LED)路灯。LED的结点温度一般不允许超过85℃的极限，当LED结点温度超过85℃时，每超过5℃则LED的寿命会相应减少50％，而且，LED路灯的亮度也会以每半年50％以上的速度衰减。因此，如何将LED结点产生的热量转移到环境中的路灯散热问题成为一个延长LED路灯寿命，延缓其亮度衰减的关键问题。
现有技术中所采用的LED路灯散热结构一般为压铸或挤压铝合金散热器，如图1所示，LED灯泡1安装在灯座2上，铝合金的传热底板3压铸连接在LED灯泡1的灯座2上，传热底板3上垂直连接有散热鳍片4，一般设置散热鳍片4向外伸展。在实现散热的过程中，依靠金属导热将LED灯泡1产生的热量经灯座2、传热底板3、散热鳍片4，而最终扩散传递到空气之中。但是，铝合金散热结构的缺陷在于：铝合金的导热系数为100瓦特每米开尔文(W/MK)，在热量传递的距离上温度降低很大，这种散热器即便制备有较大的表面积，但是由于其内部导热的热阻大，所以散热器的实际有效散热面积很小，散热效果不好。
现有技术的另一种LED路灯散热结构采用回路热管(Loop Heat Pipe，以下简称LHP)散热器。LHP是典型的线性传热元件，其散热原理如图2所示，散热工质填充进散热回路管100中，在蒸发端110与电子元件的发热区域接触并吸收热量，从液态工质蒸发为气态，而后散热工质从散热回路管100的蒸发端110在吸液芯120的作用下流向冷凝端130，在此过程中将热量传递到更大的散热表面，散热工质又从气态变化为液态，重新回到蒸发端110。应用LHP散热器作为LED路灯散热结构时，一般在灯罩的外侧布设有散热回路管，并在热源处，通常为灯罩顶部处布设散热回路管的蒸发端。但是这种LHP散热方式也存在一定问题，散热回路管与散热区域接触面积小，接触热阻大，不能获得较大的有效扩展散热面积，散热效果也不佳。
发明内容
本发明为了解决以上技术问题，给出了一种纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器。
本发明的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，其特征在于：所述散热器包括设置有吸热端面的传热底板、连接在所述传热底板上的壳体以及连接在所述壳体上的散热鳍片，所述散热鳍片为空心立方体筒状结构；其中，所述吸热端面设置在所述传热底板背离所述壳体的一侧，所述吸热端端面用于安装LED发光芯片；所述传热底板的上表面上具有安装凹坑，所述壳体的底部通过所述安装凹坑插入所述传热底板；所述壳体包括：平板状的立板和泡沫金属吸液芯，所述平板状的立板形成一空腔，所述平板状的立板与所述传热底板连接，其中所述空腔为真空并灌注具有遇热汽化特性的纳米液体工质；所述泡沫金属吸液芯设置在所述空腔中、且与立板的侧壁焊接连接。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述壳体与所述传热底板垂直；所述安装凹坑具有相对的第一焊接侧面和第二焊接侧面，以及底面；所述传热底板的上表面上还垂直设置有第一板墙和第二板墙；所述第一板墙的一竖直表面与所述安装凹坑的第一焊接侧面共面；所述壳体分别与所述第一焊接侧面和所述第二焊接侧面之间的空隙中填充有焊料。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述第二板墙包括第一楔形部和第二楔形部，所述第一楔形部的第一倾斜表面与所述第二楔形部的第二倾斜表面相对应；所述第一楔形部设置在所述传热底板的上表面上，在所述壳体的底部插入到所述安装凹坑的状态下，所述第二楔形部通过螺栓连接在所述第一楔形部上，所述螺栓穿过所述第一倾斜表面和所述第二倾斜表面。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述散热鳍片的数量为多个，分成两组对称设置在所述壳体的两个对称的表面上；所述散热鳍片与所述壳体的所述表面垂直连接，所述散热鳍片的邻近所述传热底板的一端的开口为进风口，所述散热鳍片的远离所述传热底板的一端的开口为出风口。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述空腔中的纳米液体工质可以为铜-水纳米流体、铜-丙酮纳米流体、铜-乙醇纳米流体、铜-甲醛纳米流体。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述空腔中的纳米液体工质可以为银-水纳米流体、银-丙酮纳米流体、银-乙醇纳米流体、银-甲醛纳米流体。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述空腔中的纳米液体工质可以为Al2O3-水纳米流体、Al2O3-丙酮纳米流体、Al2O3-乙醇纳米流体、Al2O3-甲醛纳米流体。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述空腔中的纳米液体工质可以为Fe2O3-水纳米流体、Fe2O3-丙酮纳米流体、Fe2O3-乙醇纳米流体、Fe2O3-甲醛纳米流体。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述空腔中的纳米液体工质可以为CuO-水纳米流体、CuO-丙酮纳米流体、CuO-乙醇纳米流体、CuO-甲醛纳米流体。
根据以上所述的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，优选：所述空腔中的纳米液体工质可以为SiO2-水纳米流体、SiO2-丙酮纳米流体、SiO2-乙醇纳米流体、SiO2-甲醛纳米流体。
本发明中LED发光芯片发光过程中产生的热量会通过传热底板传递给平板状的立板底部，立板中的纳米液体工质吸收热量之后汽化发散到封闭腔体中温度低的区域、并在温度低的区域液化放出热量，从传热底板而来的这些热量会通过立板迅速传给散热鳍片，散热鳍片最终会将热量发散到空气中。纳米液体工质具有非常好的导热效果，上述所提到的各种纳米液体工质能够使热板具有更优的导热能力。本发明中的立板使用泡沫金属作为吸液芯，泡沫金属具有非常高的支撑强度，使用泡沫金属作为吸液芯可以使立板的空腔中不需要支撑构件、即可满足散热器工作过程中立板因为外界的大气压或内部液体工质汽化产生的压力对立板造成变形影响。
本发明与现有技术相比：具有散热效率高、结构简单紧凑、可以实现大功率LED灯具的有效散热等优点。有效地解决了现有技术中存在的散热难题，可以保证大功率LED灯具具有较高的使用寿命，可以在实践应用中获得非常好的使用效果。
附图说明
附图1为现有技术中LED灯具设备的散热装置的结构示意图；
附图2为现有技术中LED灯具设备的散热装置LHP散热原理示意图；
附图3A是本发明泡沫金属吸液芯热板散热器的立体结构示意图；
附图3B是本发明泡沫金属吸液芯热板散热器的分体结构示意图；
附图4是本发明泡沫金属吸液芯热板的结构示意图；
附图5A是本发明散热器传热底板的结构示意图一；
附图5B是本发明散热器传热底板的结构示意图二。
附图5C是本发明散热器传热底板的局部放大图。
具体实施方式
图3A是本发明泡沫金属吸液芯热板散热器的立体结构示意图；图3B是本发明泡沫金属吸液芯热板散热器的爆炸结构示意图。本发明的纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，包括被动散热器和安装组件，被动散热器包括设置有吸热端面201的传热底板2、连接在传热底板2上的壳体1以及连接在壳体1上的散热鳍片3，散热鳍片3为空心立方体筒状结构；其中吸热端面201设置在传热底板2背离壳体1的一侧，吸热端面201用于安装LED发光芯片；壳体1包括平板状的立板101，平板状的立板101形成一空腔102，平板状的立板101与传热底板2连接，其中空腔102为真空并灌注具有遇热汽化特性的纳米液体工质；泡沫金属吸液芯103，设置在空腔102中；被动散热器的传热底板2的侧边与LED发光芯片相连。
图5A和图5B是本发明散热器传热底板的结构示意图，图5C是本发明散热器传热底板的局部放大图，传热底板2的上表面上的安装凹槽中具有安装凹坑202，壳体1的底部通过安装凹坑202插入传热底板2。壳体1与传热底板2垂直，安装凹坑202具有相对的第一焊接侧面2021、第二焊接侧面2022，以及底面2023；第一焊接侧面2021与第二焊接侧面2022相对应；传热底板2的上表面上还垂直设置有第一板墙203和第二板墙204，第一板墙203的一竖直表面与安装凹坑202的第一焊接侧面2021共面。
第二板墙204包括第一楔形部2041和第二楔形部2042，第一楔形部2041的第一倾斜表面与第二楔形部2042的第二倾斜表面相对应；第一楔形部2041设置在传热底板2的上表面上，在壳体1的底部插入到安装凹坑202的状态下，第二楔形部2042通过螺栓或螺钉等连接件连接在第一楔形部2041上，连接件穿过第一倾斜表面和第二倾斜表面与传热底板2相连。
传热底板2的上表面上具有安装凹坑202，壳体1的底部通过安装凹坑202插入传热底板2。壳体1的立板101与传热底板2可以保持垂直安装状态；传热底板2的安装凹坑202具有相对的第一焊接侧面2021和第二焊接侧面2022，以及底面2023；传热底板2的上表面上还垂直设置有第一板墙203和第二板墙204；第一板墙203的一竖直表面与安装凹坑202的第一焊接侧面2021共面。传热底板2与壳体1焊接过程中，处于熔融状态的焊料会充满在插入了壳体1的安装凹坑202中；壳体1与第一焊接侧面2021、第二焊接侧面2022和底面2023之间的空隙被熔融状态的焊料充满，焊料凝固后可以保证壳体1与传热底板2之间具有非常好的安装效果，壳体1与第一焊接侧面2021、第二焊接侧面2022和底面2023之间焊料保证他们之间实现紧密接触，传热底板2与壳体1具有非常好的连接效果，这样可以保证散热器正常工作过程中从传热底板2而来的热量能够很好地传给壳体1。
第二板墙204包括第一楔形部2041和第二楔形部2042，第一楔形部2041的第一倾斜表面与第二楔形部2042的第二倾斜表面相对应；第一楔形部2041设置在传热底板2的上表面上，在壳体1的底部插入到安装凹坑202的状态下，第二楔形部2042通过螺栓连接在第一楔形部2041上，螺栓穿过第一倾斜表面和第二倾斜表面。
散热鳍片3为空心立方体筒状结构，散热鳍片3的数量为多个，分成两组对称设置在壳体1的两个对称的表面上，散热鳍片3与壳体1的表面垂直连接，散热鳍片3的邻近传热底板2一端的开口为进风口，散热鳍片3的远离传热底板2一端的开口为出风口。散热鳍片3的进风口流入空气之后通过出风口流出，空气将散热鳍片3上的热量散发到大气中，大大提高了散热器的整体散热效果。散热鳍片3与壳体1的表面垂直连接。优选地散热鳍片3之间平行设置，每两个散热鳍片3之间形成一引导冷空气流通的空隙，该空隙对散热鳍片3的散热能够起到一定的作用。由于散热鳍片3为空心立方体筒状结构，每个散热鳍片3邻近传热底板2一端的开口为进风口，远离传热底板2一端的开口为出风口，每个散热鳍片3形成一引导冷空气流通的通道，而且该通道从散热鳍片3的底部贯穿到散热鳍片3的顶部，该通道可以提高空气流通效果，进而提高散热器的散热效果。如图3A所示的散热鳍片，每个散热鳍片都是独立的，本实施例所提供的散热鳍片。
壳体1与传热底板2处于垂直安装状态，传热底板2的上表面上具有安装凹坑202，安装凹坑202具有相对的第一焊接侧面2021和第二焊接侧面2022，以及底面2023，壳体1的底部通过安装凹坑202插入到传热底板2中，壳体1与第一焊接侧面2021和第二焊接侧面2022，以及底面2023相接触。传热底板2的上表面上还垂直设置有第一板墙203和第二板墙204，第一板墙203的一竖直表面与安装凹坑202的第一焊接侧面2021共面。壳体1分别与第一焊接侧面2021、第二焊接侧面2022、以及底面2023之间的空隙中填充有焊料。优选地，第二板墙204包括第一楔形部2041和第二楔形部2042，第一楔形部2041的第一倾斜表面与第二楔形部2042的第二倾斜表面相对应。第一楔形部2041设置在传热底板2的上表面上，在壳体1的底部插入到安装凹坑202的状态下，第二楔形部2042通过螺栓连接在第一楔形部2041上，螺栓穿过第一倾斜表面和第二倾斜表面。
传热底板2可以为一横截面为类似矩形的板状结构，传热底板2上设置的安装凹坑202的形状与壳体1底部的形状相适应，安装凹坑202具有三个平面表面，分别为第一焊接侧面2021、底面2023和第二焊接侧面2022。第一板墙203固定连接在传热底板2的上表面上，第二板墙204的第一楔形部2041固定连接在传热底板2的上表面上，由于第一板墙203的一竖直表面与安装凹坑202的第一焊接侧面2021共面，在实际安装过程中，将壳体1插入到安装凹坑202中，在壳体1与安装凹坑202的空隙里填充焊料，即壳体1与第一焊接侧面2021之间的空隙、壳体1与第二焊接侧面2022之间的空隙中填充有焊料、壳体1与底面2023之间的空隙中填充有焊料；焊接过程中通过高温作用使焊料融化以充满空隙实现安装凹坑202与壳体1之间的连接。将第二楔形部2042放置在第一楔形部2041上，第一楔形部2041的第一倾斜表面与第二楔形部2042的第二倾斜表面相对。第一楔形部2041上设置有螺栓孔，第二楔形部2042上也设置有螺栓孔，通过螺栓穿过第二楔形部2042上的螺栓孔和第一楔形部2041上的螺栓孔，将第二楔形部2042设置在第一楔形部2041上，在将螺栓拧紧的过程中，第二楔形部2042的一竖直表面贴近壳体1并产生一横向作用力推动壳体1，以使壳体1向第一板墙203的方向移动，积压壳体1与安装凹坑202的第一焊接侧面2021和第一板墙203的竖直表面之间的焊料，将焊料中的气体全部排出以保证获得非常好的焊接效果，进而提高传热底板2与壳体1之间的传热效果。
图4是本发明泡沫金属吸液芯壳体结构示意图，本发明壳体1的内部使用泡沫金属吸液芯103，泡沫金属自身具有非常高的强度同时孔隙率非常高，泡沫金属吸液芯103还可以起到支撑作用、保证外界的大气压力作用于壳体1的侧壁时立板101不发生变形，这样可以有效地保障壳体1的正常工作性能。泡沫金属吸液芯103与壳体1的侧壁有效地焊接贴合在一起，同时也可以保障壳体1内部的液体工质气化后、产生了大于大气压的内部压力后不对壳体1内的结构造成破坏，泡沫金属吸液芯103可以与立板101的侧面紧紧地贴合在一起。
纳米液体工质是在液体中按着一定的比例和方式添加纳米级金属颗粒或纳米级金属氧化物颗粒，本发明中使用纳米液体工质作为导热介质可以有效地提高空腔102中液体工质的导热系数。本实施例中结合了泡沫金属吸液芯103和纳米液体工质的优点，泡沫金属吸液芯103的孔隙直径远远大于纳米金属或金属氧化物的直径，纳米金属颗粒或金属氧化物颗粒不会堵塞泡沫金属吸液芯103的孔隙。
热板密封空腔中的纳米液体工质可以为铜-水纳米流体、铜-丙酮纳米流体、铜-乙醇纳米流体、铜-甲醛纳米流体。铜纳米液体工质是在液体中按着一定的比例和方式添加纳米级铜颗粒，本发明中使用铜纳米液体工质作为导热介质可以有效地提高液体工质的导热系数。本实施例中结合了泡沫金属吸液芯103和纳米液体工质的优点，泡沫金属吸液芯103的孔隙直径远远大于纳米铜颗粒的直径，纳米铜颗粒不会堵塞泡沫金属吸液芯103的孔隙。
热板密封空腔中的纳米液体工质也可以为银-水纳米流体、银-丙酮纳米流体、银-乙醇纳米流体、银-甲醛纳米流体。银纳米液体工质是在液体中按着一定的比例和方式添加纳米级银颗粒，本发明中使用银纳米液体工质作为导热介质可以有效地提高液体工质的导热系数。本实施例中也可以结合了泡沫金属吸液芯103和纳米液体工质的优点，泡沫金属吸液芯103的孔隙直径远远大于纳米银颗粒的直径，纳米银颗粒不会堵塞泡沫金属吸液芯103的孔隙。
热板密封空腔中的纳米液体工质也可以为Al2O3-水纳米流体、Al2O3-丙酮纳米流体、Al2O3-乙醇纳米流体、Al2O3-甲醛纳米流体。Al2O3纳米液体工质是在液体中按着一定的比例和方式添加纳米级Al2O3颗粒，本发明中使用Al2O3纳米液体工质作为导热介质可以有效地提高液体工质的导热系数。本实施例中也可以结合了泡沫金属吸液芯103和纳米液体工质的优点，泡沫金属吸液芯103的孔隙直径远远大于纳米Al2O3颗粒的直径，纳米Al2O3颗粒不会堵塞泡沫金属吸液芯103的孔隙。
热板密封空腔中的纳米液体工质也可以为Fe2O3-水纳米流体、Fe2O3-丙酮纳米流体、Fe2O3-乙醇纳米流体、Fe2O3-甲醛纳米流体。Fe2O3纳米液体工质是在液体中按着一定的比例和方式添加纳米级Fe2O3颗粒，本发明中使用Fe2O3纳米液体工质作为导热介质可以有效地提高液体工质的导热系数。本实施例中也可以结合了泡沫金属吸液芯103和纳米液体工质的优点，泡沫金属吸液芯103的孔隙直径远远大于纳米Fe2O3颗粒的直径，纳米Fe2O3颗粒不会堵塞泡沫金属吸液芯103的孔隙。
热板密封空腔中的纳米液体工质也可以为CuO-水纳米流体、CuO-丙酮纳米流体、CuO-乙醇纳米流体、CuO-甲醛纳米流体。CuO纳米液体工质是在液体中按着一定的比例和方式添加纳米级CuO颗粒，本发明中使用CuO纳米液体工质作为导热介质可以有效地提高液体工质的导热系数。本实施例中也可以结合了泡沫金属吸液芯103和纳米液体工质的优点，泡沫金属吸液芯103的孔隙直径远远大于纳米CuO颗粒的直径，纳米CuO颗粒不会堵塞泡沫金属吸液芯103的孔隙。
热板密封空腔中的纳米液体工质可以为SiO2-水纳米流体、SiO2-丙酮纳米流体、SiO2-乙醇纳米流体、SiO2-甲醛纳米流体。SiO2纳米液体工质是在液体中按着一定的比例和方式添加纳米级SiO2颗粒，本发明中使用SiO2纳米液体工质作为导热介质可以有效地提高液体工质的导热系数。本实施例中也可以结合了泡沫金属吸液芯103和纳米液体工质的优点，泡沫金属吸液芯103的孔隙直径远远大于纳米SiO2颗粒的直径，纳米SiO2颗粒不会堵塞泡沫金属吸液芯103的孔隙。
Claims (1)
1.一种纳米液体工质的泡沫金属吸液芯热板散热器，所述散热器包括设置有吸热端面的传热底板、连接在所述传热底板上的壳体以及连接在所述壳体上的散热鳍片，所述散热鳍片为空心立方体筒状结构；其中，所述吸热端面设置在所述传热底板背离所述壳体的一侧，所述吸热端端面用于安装LED发光芯片；所述传热底板的上表面上具有安装凹坑，所述壳体的底部通过所述安装凹坑插入所述传热底板；其特征在于：
所述壳体包括：平板状的立板和泡沫金属吸液芯，所述平板状的立板形成一空腔，所述平板状的立板与所述传热底板连接，其中所述空腔为真空并灌注具有遇热汽化特性的纳米液体工质；所述泡沫金属吸液芯设置在所述空腔中、且与立板的侧壁焊接连接；
所述壳体与所述传热底板垂直；
所述安装凹坑具有相对的第一焊接侧面和第二焊接侧面，以及底面；
所述传热底板的上表面上还垂直设置有第一板墙和第二板墙；
所述第一板墙的一竖直表面与所述安装凹坑的第一焊接侧面共面；
所述壳体分别与所述第一焊接侧面和所述第二焊接侧面之间的空隙中填充有焊料；
所述第二板墙包括第一楔形部和第二楔形部，所述第一楔形部的第一倾斜表面与所述第二楔形部的第二倾斜表面相对应；
所述第一楔形部设置在所述传热底板的上表面上，在所述壳体的底部插入到所述安装凹坑的状态下，所述第二楔形部通过螺栓连接在所述第一楔形部上，所述螺栓穿过所述第一倾斜表面和所述第二倾斜表面；
所述散热鳍片的数量为多个，分成两组对称设置在所述壳体的两个对称的表面上；
所述散热鳍片与所述壳体的所述表面垂直连接，所述散热鳍片的邻近所述传热底板的一端的开口为进风口，所述散热鳍片的远离所述传热底板的一端的开口为出风口。
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