CN103228986B - 用于led照明设备的冷却单元以及使用冷却单元的led照明设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于LED照明设备的冷却单元，该冷却单元用于散发在使用LED的照明设备中所产生的热量。用于LED照明设备的冷却单元包括热管，热管的一个端部联接至LED照明设备，热管使用工作流体中混合有具有红外线发射性能的粉末的介质，热管的另一个端部上布置有散热片。包括用于LED照明设备的冷却单元的LED照明设备包括：安装板，该安装板由金属材料制成并且联接至冷却器；LED板，该LED板上布置有一个或更多个LED，LED板设置在安装板上；以及驱动电路，该驱动电路用于对布置在LED板上的LED进行驱动。LED照明设备可以应用于需要高的光强度的室外灯或室内灯中，诸如路灯、集鱼灯、泛光灯等等。

Description

用于LED照明设备的冷却单元以及使用冷却单元的LED照明设备

技术领域

本发明涉及一种使用发光二极管（LED）的照明设备，更具体地，涉及一种用于LED照明设备的冷却装置，该冷却装置用于对具有安装在照明设备上的高输出的尤其是1W（瓦特）或更大的输出的LED封装的照明设备所产生的热量进行冷却，以及涉及使用该冷却装置的照明设备。

背景技术

发光二极管技术，即LED技术，作为生态环境友好型技术已经受到了极大的关注。白光LED技术已经在全世界以每年大约50%的速度增长。随着LED技术的发展，LED代替荧光灯以及其他照明设备的期望正在变成现实。

最近，LED照明设备呈现出使用1W或更大输出的LED封装以减少安装在照明设备中的LED的数量的趋势，其中，该LED封装的输出比多个低输出LED的输出高。

在灯泡型照明设备中可以安装大约70个或更多个具有0.5W输出的发光二极管。作为使用低输出LED的照明设备的示例，在直线型照明设备中可以安装大约400个或更多个具有0.5W输出的发光二极管。如果照明设备制造成在其中安装低输出LED，那么在照明效率或功能改善方面存在若干优点。

然而，为了以低成本将多个低输出的发光二极管安装在照明设备中，制造商必须使用利用他们自有的技术制造的LED封装并且安装工艺必须在由制造商所拥有的现有装备中执行。由于这种原因，不能制造LED封装的大多数制造商倾向于使用用于制造照明设备的高输出LED以准备LED封装并且减少LED封装的安装成本。

当高输出LED用于照明设备时，散热将是个问题。如果将高输出LED用于照明设备，那么发光部是集中的，并且相应地出现温度升高。此外，照明越来越亮是优选的并且热量的绝对量不断增大。

特别地，室外照明呈现出诸如路灯和集鱼灯之类的这种趋势。如果LED的温度升高，LED的正向电压减小，发光效率降低且伴随着LED的使用寿命缩短。在使用容易达到高温状态的高输出LED的情况下，在LED封装中必须使用具有耐热性能的昂贵材料并且这将导致另外的成本增大的因素。

为了解决散热问题，已经提出了使用金属基板的LED照明设备。然而，很难讲金属基板具有充分的散热性能。已知：通过在具有高热传导性的氮化铝（AlN）板中印刷银浆而形成的陶瓷基片被用作高输出LED的基片。然而，AlN具有高生产成本的缺点。

已经尝试通过改善LED封装的基片结构来增强散热。还尝试了通过改善LED芯片的机械结构来增强散热。然而，这些方法的缺点在于成本太高。

发明内容

【技术问题】

为了解决这些问题，本发明的目的是提供一种用于LED照明设备的冷却装置，该冷却装置能够以相对低的成本有效地冷却高输出LED照明设备。

本发明的另一个目的是提供一种使用该冷却装置的高输出LED照明设备。

【技术方案】

为了实现这些目的和其他优点并且依据本发明的目的，如此处所实施的且概括地描述的，用于发光二极管（LED）照明设备的冷却装置对使用LED的LED照明设备所产生的热量进行散发，该冷却装置包括：热管，该热管包括联接至LED照明设备的端部，该热管包含工作流体，该工作流体混合有介质和具有红外线发射性能的粉末；以及散热片，该散热片设置在热管的另一个端部处。

在本发明的另一方面中，LED照明设备包括：冷却装置；安装板，该安装板机械联接至用于LED照明设备的冷却装置，该安装板由金属材料形成；LED基片，该LED基片安装至安装板，LED基片包括布置于其上的至少一个LED；以及LED驱动电路，LED驱动电路构造成对LED进行驱动。

本发明具有下列有利的效果。可以提供一种能够以相对低的成本有效地对高输出LED照明设备进行冷却的用于LED照明设备的冷却装置。

此外，使用冷却装置的高输出LED照明设备可以提供有优良的散热效率。

附图说明

图1为示出了固定至设置在LED照明设备中的安装板的根据本发明的用于LED照明设备的冷却装置的后视图；

图2为示出了固定至设置在LED照明设备中的安装板的根据本发明的冷却装置的主视图；

图3为示出了用作根据本发明的LED照明设备的一种示例的路灯的示意图；以及

图4为示出了用作根据本发明的LED照明设备的另一示例的集鱼灯的示意图。

具体实施方式

如下将参照附图详细地描述本发明的实施方式。

如图1和图2所示，根据本发明的用于LED照明设备的冷却装置100可以联接至设置在LED照明设备中的安装板210。

根据本发明，用于LED照明设备的冷却装置100可以包括热管110、散热片120以及联接构件130。

热管110可以包括机械联接至与LED照明设备一体形成的安装板210的端部。热管110可以呈管形形状并且可以由不锈钢形成。

热管110通常由诸如铜之类的具有高热传导性的金属材料形成。不利地，与钢相比，铜的成本较高。因此，这种实施方式呈现为该热管由不锈钢形成。为了补偿不锈钢的与铜的热传递系数相比较而言较差的热传递系数，可以使用与常规热管中用作工作流体的材料不同的材料作为工作流体，稍后将对该工作流体进行描述。

散热片120可以布置在热管110的另一个端部并且可以由诸如铝之类的具有高热传递系数的适当的材料形成。热管110可以被扩张并且与散热片120压制在一起，从而使热管110与散热片120彼此联接。在这种情况下，可以增大从热管110至散热片120的热传递系数并且可以有利地增大热管110的内部空间。

如上文所提到的，热管110可以机械联接至LED照明设备。根据实施方式，热管110可以通过诸如螺栓之类的联接装置借助于包括第一冷却片的联接构件130联接至构成LED照明设备的安装板210。

与散热片120类似，热管110可以被扩张并且与联接构件130压制在一起，从而使热管110与联接构件130彼此联接。

在热管110的内部空间中可以设置工作流体。根据实施方式，工作流体可以包括甲醇和具有红外线发射性能的粉末。根据这种实施方式，工作流体可以不包括水（蒸馏水）。

然而，根据本发明的用于热管的工作流体的介质可以不限于甲醇。可以使用在室温状态下沸点低于水的各种流体。例如，可以使用氨、甲基氯仿和水。

基于由本申请人所执行试验的结果，可以确定的是，与不包括具有红外线发射性能的粉末的工作流体相比较，包括具有红外线发射性能的粉末的工作流体即使在热管110中处于较低温度点时也能够执行主动冷却。

在这种实施方式中，硅酸盐矿物粉末可以用作具有红外线发射性能的粉末。根据实施方式具有红外线发射性能的粉末的尺寸可以为15微米至150微米（100目至1000目）并且可以发射波长为7微米至20微米的红外线。

热管110可以具有呈圆形横截面的管形形状并且热管110的内部空间可以保持真空。可以基于期望冷却的目标温度来设定内部空间的真空度。例如，热管110的内部压力可以设定为0.001毫米汞柱（mmhg）至0.0001毫米汞柱。

在此，构成工作流体的甲醇与具有红外线发射性能的粉末就体积而言可以分别占据内部空间的10%至30%和0.5%至2%。

在热管110上可以设置通道形成突出部，并且通道形成突出部可以形成能够使气态的工作流体在移动至散热片120之后在冷凝状态下返回至其初始位置的通道。在此，热管110可以向上地倾斜至散热片120。

另外，在热管110中可以设置有吸液芯以使得工作流体能够返回至初始位置。该工作可以通过利用毛细管现象而使冷凝的工作流体返回。当设置有吸液芯时，可以有利地保持20%的冷却效率，即使热管110被安装的角度对执行冷却过程而言是不利的亦是如此。

下面将对在热管110中所执行的热传递进行描述。

当LED照明装置产生热量时，在LED照明装置中所产生的热量可以传递至热管110，并且设置在热管110中的介质开始蒸发。同时，粉末开始发射红外线。

因此，蒸发的介质可以在其朝向散热片120移动时将热量传递至散热片120。此时，热管110可以处于真空状态并且可以快速地执行热传递的过程。

完成散热的气态介质可以冷凝在热管110的内表面上并且冷凝的介质可以向下地返回。

下列将详细描述通过粉末所执行的热传递。

具有红外线的电磁波可以基于热辐射方法传递热量。与传导和对流方法不同，即使处于真空状态也能够进行热传递。电磁波可以基于波长来分类。例如，电磁波基于波的长度可以分类为红外线、可见光以及紫外线。通常，材料吸收具有特定范围波长的电磁波。随着温度的升高，材料发射具有特定范围波长的电磁波。

热管110的工作流体可以与能够产生电磁波的材料混合。在这种情况下，材料可以随着温度升高而产生电磁波。所产生的电磁波可以根据辐射方法将热量传递至占据热管100的内部空间的介质以及热管110的内壁。如果材料的粉末是未被离子化的固体，那么该固体粉末不被蒸发并且可以被收集在流体介质被蒸发的区域中。

因此，由材料所发射的电磁波可以主要被吸收至流体介质并且电磁波不会到达气态介质被冷凝的区域。由于这种原因，包含在工作流体中的介质的蒸发可以变快，同时气态介质的冷凝不受干扰。

热管110内部的该热量循环与不具有该材料的热量循环相比可以快速地循环。为了使热量循环更快地进行，必须快速地进行介质的冷凝。本发明的申请人对当工作流体包括能够产生电磁波的材料时散热片120的温度与当工作流体不包括能够产生电磁波的材料时散热片120的温度进行了比较。基于由本发明的申请人所执行的试验的结果，在工作流体包括能够产生电磁波的材料的情况下，散热片120的温度较高。

同时，红外线由于其具有与分子状态的材料的自然频率相似的频率而易于被良好的吸收。当温度升高时产生红外线的材料可以为设置在热管110中的适当材料中的一种材料。

在此，当温度升高时产生红外线的材料可以包括在本实施方式中所使用的硅酸盐矿物粉末以及玉石粉末、碳粉末等。在此，优选的是，可以在热管110中设置能够发射可被吸收至构成工作流体的主介质的具有适当波长范围的电磁波的材料。

优选的是，能够产生电磁波的材料当其设置在热管110的工作流体中时可以为粉末型。当粉末的颗粒尺寸小时，升高颗粒温度所需要的能量（热量）少并且升高到适于发射充分量的电磁波的温度所花费的时间短。

然而，通常使颗粒的尺寸变小将增加制造成本，并且为了使颗粒尺寸成为预定值或更小值，成本将几何式地增大。如果颗粒尺寸大，则制造成本将降低。然而，在产生充足量的电磁波之前必须供给相对较多的能量（热量），即使如此，仍不能使温度快速地升高以产生电磁波并且因此不会有助于热管110的冷却效果。

因此，粉末可以具有即使在少量能量的情况下且制造成本不高的情况下仍然能够合适地增加温度以产生足量的电磁波的预定颗粒尺寸。

如上文所提到的，根据本发明的实施方式的热管110的工作流体可以为甲醇，并且能够产生电磁波的材料可以为硅酸盐矿物粉末。当温度升高时，设置在热管110中的硅酸盐矿物粉末可以发射具有预定范围的波长的红外线，并且具有预定范围的波长的红外线可以激活甲醇的蒸发。如果设置了不同的介质，那么所吸收的电磁波的波长范围可以是不同的。由于这种原因，必须设置能够产生具有由不同介质吸收的适当波长范围的电磁波的不同的粉末。

【实施方式】

图3和图4图示了上文所描述的根据本发明的包括冷却装置100的LED照明设备。图3图示了应用于路灯10的冷却装置，并且图4图示了应用于集鱼灯20的冷却装置。

图3和图4所示的LED照明设备10和20可以包括上文所提到的冷却装置。LED照明设备10和20中的每一个可以包括安装板210、LED基片220以及LED驱动电路（未示出）。安装板210可以由金属材料形成并且根据本发明的用于LED照明设备的冷却装置可以机械联接至安装板210。LED基片220可以安装至安装板210并且在LED基片220上布置有至少一个LED。LED驱动电路（未示出）可以驱动布置在LED基片220上的LED。

在这种实施方式中，LED可以为具有1W或更大输出的高输出LED。在使用高输出LED的情况下，甚至利用少量的发光二极管也可以产生所要求的发光强度。由于这种原因，可以减小照明设备的重量和照明设备的制造成本。

在使用具有1W或更小输出的低输出LED的情况下，从LED产生的热量可能不是严重的问题并且可以降低对冷却装置的需求。然而，为了提供相同的发光强度，必须使用大量的低输出发光二极管。由于这种原因，会增大照明设备的价格和重量。

诸如路灯、集鱼灯以及泛光灯之类的室内LED照明设备或室外LED照明设备可以基于照明设备的用途而使用具有3W或更大输出的高输出白光LED、结合了具有1W或更大输出的红、绿、蓝（RGB）单芯片的多芯片LED、或具有1W或更大输出的RGB单芯片LED。文中所使用的LED可以基于LED的用途而改变。集鱼灯可能需要蓝光而不是白光。

LED驱动电路可以向高输出LED供给最大容许电流的60%或更大的电压电流。可以向高输出LED供给最大容许电流的60%至70%。如果所供给的电流大于最大容许电流的60%至70%，那么由LED所产生的发光强度可以增大，并且所产生的热量会大幅度地增大。由于这种原因，效率会降低并且LED的寿命会缩短。

然而，即使当最大电流的60%或更大的电流，例如，最大电流的90%被供给作为驱动电流时，根据本发明的冷却装置也能够执行充分的冷却。由于这种原因，LED可以产生更大的发光强度，且能够保持适当的效率。

安装板210可以机械联接至用于LED照明设备的冷却装置100。根据实施方式，冷却装置100的热管110可以通过如图1所示的包括第一冷却片的联接构件130而固定至安装板210。安装板210可以由具有良好热传递系数的材料形成，例如，安装板210由诸如铝之类的金属材料形成。

在使用根据实施方式的冷却装置100的情况下，当使照明设备运转时安装板210的温度可以保持在20℃至80℃的范围内。在该温度范围下能够使高输出LED的效率保持良好并且可以延长LED的寿命。如上文所提到的，当不使用根据本发明的冷却装置100时，高输出LED的温度可能升高。由于这种原因，LED的效率会降低并且LED的寿命会缩短。

LED照明设备还包括反射板（未示出）以朝向所需的照明方向反射从LED所发射的光。

而且，LED照明设备还可以包括壳体。壳体可以设置在与用于LED照明设备的冷却装置100相对应的位置处，并且该壳体可以包括用以散热的辐射孔11和21。

尽管已经参照大量的说明性实施方式对实施方式进行了描述，应理解的是，本领域的技术人员能够设计出落入本公开的原理的精神和范围中的大量的其他改型和其他实施方式。更特别地，在公开内容、附图以及所附权利要求的范围内可以对零部件和/或主题组合布置的各种布置进行各种变型和改型。除了在零部件和/或布置方面的变型和改型之外，可替代手段的使用对于本领域的技术人员而言同样是显而易见的。

【工业实用性】

本发明涉及一种用于高输出LED照明设备的冷却装置以及使用冷却装置的LED照明设备。包括冷却装置的LED照明设备可以用作用于街道、公共办公室以及学校的路灯和用于捕鱼的集鱼灯。因此，根据本发明的LED照明设备可以在工业上得以广泛地使用。

Claims (15)

1.一种用于LED照明设备的冷却装置，所述冷却装置用以散发使用LED的所述LED照明设备产生的热量，所述冷却装置包括：

热管，所述热管包括联接至所述LED照明设备的端部，所述热管使用工作流体，所述工作流体包括介质和具有红外线发射性能的粉末，所述介质与所述粉末彼此混合；

散热片，所述散热片设置在所述热管的另一端部处，以及

设置在所述热管上的通道形成突出部，所述通道形成突出部形成能够使气态的工作流体在移动至所述散热片之后在冷凝状态下返回至其初始位置的通道；

其中，形成在所述热管中的内部空间的真空度基于期望冷却的目标温度来设定，并且所述热管向上地倾斜至所述散热片；以及

所述介质和所述粉末分别占据形成在所述热管中的所述内部空间的15％至30％和0.5％至2％；以及

在所述粉末被加热时，所述粉末发射具有被吸收至所述介质的波长范围的红外线；以及

所述热管和所述散热片通过使所述热管扩张并且压制所扩张的热管与所述散热片而彼此联接；以及

所述热管和所述LED照明设备通过包括第一冷却片的联接构件进行联接。

2.根据权利要求1所述的用于LED照明设备的冷却装置，其中，所述介质包括甲醇、氨以及甲基氯仿中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的用于LED照明设备的冷却装置，其中，所述粉末包括硅酸盐矿物粉末、玉石粉末以及碳粉末。

4.根据权利要求1所述的用于LED照明设备的冷却装置，其中，所述粉末的颗粒尺寸为15微米至150微米。

5.根据权利要求1所述的用于LED照明设备的冷却装置，其中，所述热管的内部压力为0.001毫米汞柱至0.0001毫米汞柱。

6.根据权利要求1所述的用于LED照明设备的冷却装置，其中，所述热管由呈管形形状的不锈钢形成，并且所述散热片由铝形成。

7.根据权利要求1所述的用于LED照明设备的冷却装置，其中，通过使所述热管扩张并且将所扩张的热管与所述联接构件压制在一起而使所述联接构件与所述热管彼此联接。

8.一种LED照明设备，包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的冷却装置；

安装板，所述安装板机械联接至用于所述LED照明设备的所述冷却装置，所述安装板由金属材料形成；

LED基片，所述LED基片安装至所述安装板，所述LED基片包括布置在所述LED基片上的至少一个LED；以及

LED驱动电路，所述LED驱动电路构造成对所述LED进行驱动。

9.根据权利要求8所述的LED照明设备，其中，所述LED为具有1W或更大输出的高输出LED。

10.根据权利要求8所述的LED照明设备，其中，所述LED驱动电路向所述LED供给最大驱动电流的60％或更大的电流。

11.根据权利要求8所述的LED照明设备，其中，当所述LED被驱动时，所述安装板的温度保持在20℃至80℃的范围内。

12.根据权利要求8所述的LED照明设备，还包括：

反射板，所述反射板构造成朝向所需的照明方向反射从所述LED发射的光。

13.根据权利要求8所述的LED照明设备，还包括：

壳体，所述壳体设置在与用于所述LED照明设备的所述冷却装置相对应的预定位置处，所述壳体包括用以散热的辐射孔。

14.根据权利要求9所述的LED照明设备，其中，所述LED为具有3W或更大输出的高输出白光LED。

15.根据权利要求9所述的LED照明设备，其中，所述LED为结合了具有1W或更大输出的红、绿、蓝(RGB)单芯片的多芯片LED。