CN103292195B

CN103292195B - 一种分体式led灯

Info

Publication number: CN103292195B
Application number: CN201310250722.8A
Authority: CN
Inventors: 胡学功; 王际辉
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Zhongke Longxiang Technology Co ltd
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-06-21
Also published as: CN103292195A

Abstract

本发明公开了一种分体式LED灯，包括：具有金属空腔的取热器，该取热器的顶部开有蒸汽出口；安装于该取热器底部外表面的LED芯片；具有金属腔体的散热器，该散热器的底部开有一蒸汽入口；金属波纹管，一端与取热器的蒸汽出口相连通，另一端与散热器的蒸汽入口相连通；固接在散热器的顶部的电源，该电源与LED芯片电连接；以及安装于该散热器外壁上的多个肋片。本发明解决了目前LED灯散热不足和LED灯具灯头的重量过重、体积过大、散热器部件难以灵活弯曲等问题。

Description

一种分体式LED灯

技术领域

本发明涉及LED灯技术领域，是一种新型的分体式LED灯，用于城市景观、道路交通、厂矿车间与家居照明，汽车、屏幕等灯光照明和显示。

背景技术

发光二极管(LED)灯具有低工作电压、反应时间短、高效节能、工作稳定、寿命长，无污染等优点，在城市景观、家居照明、汽车尾灯、LED背光板等领域正得到广泛的应用。

LED灯一般由LED芯片、散热器和电源三部分组成。由于LED芯片工作时约有80％的电能被转化为热能，随着LED芯片的功率以及集成度的升高，LED芯片的散热问题变得越来越严重。过高的LED芯片温度不但使LED的寿命急剧衰减，还会对LED的峰值波长，光功率，光通量等诸多性能参数造成严重甚至致命的影响，因而LED中散热器的设计至关重要。

市场现有的各种LED灯的散热器、电源和芯片均安装在一起，形成灯具，而且均采用自然对流散热、风扇强制散热或热管方法进行散热，对LED芯片的冷却能力十分有限，已难以实现从大功率的LED灯芯表面及时取热并对外散热，使其温度降低到理想范围内。同时，随着芯片功率的增大，LED灯具灯头的重量变得过重，有较大安全隐患；散热器体积变得太大，且为刚性部件，难以灵活弯曲，使得狭窄空间里的LED照明受到极大地限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是公开一种分体式LED灯，以解决现有LED灯的LED芯片散热不足和LED灯具灯头的重量过重、体积过大、散热器部件难以灵活弯曲等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种分体式LED灯，该分体式LED灯包括：具有金属空腔的取热器3，该取热器3的顶部开有蒸汽出口4；安装于该取热器3底部外表面的LED芯片1；具有金属腔体的散热器8，该散热器8的底部开有一蒸汽入口6；金属波纹管5，一端与取热器3的蒸汽出口4相连通，另一端与散热器8的蒸汽入口6相连通；固接在散热器8的顶部的电源9，该电源9与LED芯片1电连接；以及安装于该散热器8外侧壁上的多个肋片7。

上述方案中，该取热器3是内部为金属空腔的球体、球台体、园柱体、圆台体、棱柱体、棱台体或长方体，金属空腔的体积与LED芯片1的大小相匹配，该金属空腔内装有具有汽化潜热的液体工质。

上述方案中，该取热器3的金属空腔的底部腔壁板为一微槽群金属板2，该微槽群金属板2的背面加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群，其开口朝向该金属空腔的空腔空间；该微槽群金属板2的正面朝外作为该取热器3的底部外表面。该微槽群金属板2的正面为平面，与LED芯片1的背面固接。

上述方案中，该开口式微细槽道的形状为矩形、三角形或梯形；当该开口式微细槽道的形状为矩形时，该开口式微细槽道的宽度在0.02～2mm范围内，深度在0.02～5mm范围内，槽道间距在0.02～6mm的范围内；当该开口式微细槽道的形状为三角形时，该开口式微细槽道的深度在0.05～5mm范围内，槽底顶角在4°～125°之间，槽道间距在0～5mm的范围内；当该开口式微细槽道的形状为梯形时，该开口式微细槽道的槽底宽度小于槽顶宽度，微细槽道的槽底宽度在0.01～2mm范围内，槽顶宽度在0.02～5mm范围内，深度在0.04～8mm范围内，槽道间距在0～5mm的范围内。

上述方案中，所述取热器3的蒸汽出口4的直径在0.5～100mm范围内。

上述方案中，所述散热器8是内部为金属腔体的球体、球台体、园柱体、圆台体、棱柱体、棱台体或长方体。

8、根据权利要求1所述的分体式LED灯，其特征在于，所述蒸汽入口6的直径在0.5～100mm范围之间。

9、根据权利要求1所述的分体式LED灯，其特征在于，所述金属波纹管5的内部通径在0.5～100mm范围内，长度在0.01～100m之间；所述金属波纹管内外壁面的波纹幅度在0.1～20mm之间，波长在0.1～50mm之间。

上述方案中，所述肋片高度在0.1～150mm之间，厚度在0.1～40mm之间，肋间距在0.4～150mm之间。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的分体式LED灯，利用了微细尺度槽群结构热沉的界面效应和尺寸效应对流动和换热的超常强化机理，其理论最大取热热流密度可达到10⁸W/m²的数量级，比目前电子器件的最高发热热流密度还要高出两个数量级，其换热系数比强制水冷换热技术高出3个数量级，比强制风冷换热技术高出4-5个数量级，比采用纯蒸发换热机理的热管的单位面积取热能力高出近百倍，从而大幅度地降低了LED芯片工作温度。

2、本发明提供的分体式LED灯，由于取热器体积小且与散热器相分离，因而取热器与LED芯片所形成的灯头重量与现有的采用自然对流散热、风扇强制散热或热管散热器的LED灯具相比，可以极大幅度地减小到原有的十分之一以下。而且取热器与散热器采用具有柔性的金属波纹管相联通，可以灵活弯曲，在狭窄空间里布置便捷。

3、本发明提供的分体式LED灯工作时，液体工质在开口式微槽群中通过复合相变强化换热变成蒸汽，带走LED芯片热量；蒸汽沿金属波纹管通过散热器蒸汽入口流进散热器空腔，并在空腔壁面凝结成液体，通过凝结换热释放热量，热量再经散热器外侧壁上多个肋片释放到环境中去，凝结液体沿金属波纹管内壁面流回到取热器中，解决了目前LED灯散热不足和LED灯具灯头的重量过重、体积过大、散热器部件难以灵活弯曲等问题。

附图说明

图1是本发明中的开口式微槽群复合相变强化换热原理图；

图2a和图2b是依照本发明实施例的分体式LED灯的示意图，其中，图2a为侧视图，图2b为俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参照图2a和图2b，本发明提供了一种分体式LED灯，该分体式LED灯包括：具有金属空腔的取热器3，该取热器3的顶部开有蒸汽出口4；安装于该取热器3底部外表面的LED芯片1；具有金属腔体的散热器8，该散热器8的底部开有一蒸汽入口6；金属波纹管5，一端与取热器3的蒸汽出口4相连通，另一端与散热器8的蒸汽入口6相连通；固接在散热器8的顶部的电源9，该电源9与LED芯片1电连接；以及安装于该散热器8外侧壁上的多个肋片7。

其中，该取热器3是内部为金属空腔的球体、球台体、园柱体、圆台体、棱柱体、棱台体或长方体，金属空腔的体积与LED芯片1的大小相匹配，该金属空腔内装有具有汽化潜热的液体工质。该取热器3的金属空腔的底部腔壁板为一微槽群金属板2，该微槽群金属板2的正面朝外作为该取热器3的底部外表面。该微槽群金属板2的正面为平面，与LED芯片1的背面固接。该微槽群金属板2的背面加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群，其开口朝向该金属空腔的空腔空间。

该开口式微细槽道的形状为矩形、三角形或梯形；当该开口式微细槽道的形状为矩形时，该开口式微细槽道的宽度在0.02～2mm范围内，深度在0.02～5mm范围内，槽道间距在0.02～6mm的范围内；当该开口式微细槽道的形状为三角形时，该开口式微细槽道的深度在0.05～5mm范围内，槽底顶角在4°～125°之间，槽道间距在0～5mm的范围内；当该开口式微细槽道的形状为梯形时，该开口式微细槽道的槽底宽度小于槽顶宽度，微细槽道的槽底宽度在0.01～2mm范围内，槽顶宽度在0.02～5mm范围内，深度在0.04～8mm范围内，槽道间距在0～5mm的范围内。

取热器3的蒸汽出口4的直径在0.5～100mm范围内。散热器8是内部为金属腔体的球体、球台体、园柱体、圆台体、棱柱体、棱台体或长方体。蒸汽入口6的直径在0.5～100mm范围之间。金属波纹管5的内部通径在0.5～100mm范围内，长度在0.01～100m之间；所述金属波纹管内外壁面的波纹幅度在0.1～20mm之间，波长在0.1～50mm之间。肋片高度在0.1～150mm之间，厚度在0.1～40mm之间，肋间距在0.4～150mm之间。

本发明提供的这种分体式LED灯，是将LED芯片1直接封装到一个取热器3的底部外表面上，所述取热器3为一金属空腔，其体积与LED芯片大小相匹配，该金属空腔内装有具有汽化潜热的液体工质；该金属空腔的底部腔壁板为一微槽群金属板2，该微槽群金属板2的背面加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群，其开口朝向该金属空腔的空腔空间；所述微槽群金属板2的正面朝外作为取热器3的底部外表面；取热器3的顶部开有蒸汽出口4。散热器8为一金属腔体，该金属腔体的底部开有一蒸汽入口6。金属波纹管5的一端与取热器3的蒸汽出口4相连通，金属波纹管5的另一端与散热器8的蒸汽入口6相连通。电源9安装在所述散热器8的金属腔体的上方，固接在散热器8的顶部，LED芯片1与电源9电连接；散热器8腔体的外侧壁上，设有多个肋片7。

工作时，如图1所示，取热器3的金属空腔内具有汽化潜热的液体工质在该微槽群金属板2背面的微槽中进行高强度微细尺度复合相变强化换热过程，该高强度微细尺度复合相变强化换热过程是形成薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾，使液体工质变成蒸汽，利用相变潜热带走LED芯片1的发热量。如图2a和图2b所示，携带着LED芯片1热量的蒸汽通过取热器3的蒸汽出口4流出，并沿着金属波纹管5通过散热器8的蒸汽入口6流进散热器8的空腔，蒸汽均匀地扩散到散热器8金属腔体的整个内壁表面，凝结成液体，并通过凝结换热释放出所携带的LED芯片1的热量，LED芯片1的热量再经由所述金属腔体外表面上的多个肋片7释放到周围环境中去。凝结后的液体再沿着金属波纹管5的内壁面流回到取热器3中。

再次参照图2a和图2b，本发明提供的分体式LED灯工作时，取热器 3的金属空腔内具有汽化潜热的液体工质在微槽中形成薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，使液体工质变成蒸汽，利用相变潜热带走LED芯片1的发热量。携带着LED芯片1热量的蒸汽通过取热器3的蒸汽出口4流出，并沿着金属波纹管5通过散热器8的蒸汽入口6流进散热器8的金属腔体，蒸汽均匀地扩散到散热器8的金属腔体的整个内壁表面，凝结成液体，并通过凝结换热释放出所携带的LED芯片1的热量，LED芯片1的热量再经由所述金属腔体外表面上的多个肋片7释放到周围环境中去。凝结后的液体再沿着金属波纹管5的内壁面流回到取热器3中。

本发明利用开口式微槽群金属板上的开口式微细槽道使能相变的液体工质在微槽中发生高强度微细尺度复合相变强化换热过程，带走LED芯片热量。

这些开口式微细槽道的尺寸适合液体工质在微槽道中形成弯月形液面，使得槽道内液膜的厚度很薄，传热热阻很小，同时在弯月形液面与槽道侧壁接触点的附近形成液膜厚度小到微米量级的扩展弯月面薄液膜区域，当LED芯片热量通过金属板传入微槽道中时，液体工质在微槽中形成薄液膜蒸发和核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，使液体工质变成蒸汽并带走LED芯片热量。近年来国内外的研究表明，这种微细尺度复合相变强化换热过程属于微空间尺度下的传热传质的超常现象，它充分利用了微细尺度的界面效应和尺寸效应对流动和换热的超常强化机理，其理论最大取热热流密度可达到10⁸W/m²的数量级，比目前电子器件的最高发热热流密度还要高出两个数量级，是一种高性能的冷却散热方式。其换热系数比强制水冷换热技术高出3个数量级，比强制风冷换热技术高出4-5个数量级。而与热管相比，由于开口式微细槽道中发生微细尺度复合相变强化换热时微汽泡能够及时迅捷地向槽外方向进裂，不会产生热管那样的因汽泡堵塞毛细孔芯而导致的沸腾极限，因而可以充分发挥微细尺度沸腾换热的优势，比采用纯蒸发换热机理的热管的单位面积取热能力高出近百倍。

本发明中的开口式微细槽道并不是用来增加换热面积，而是用来形成微细尺度复合相变强化换热过程，以显著提高相变换热系数和换热热流密度。其形成微细尺度复合相变强化换热的条件及强度大小与开口式微细槽道的几何形状和尺寸有着密切关系。开口式微细槽道的几何形状和尺寸不适当时，最多只能在开口式微细槽道中发生扩展弯月面薄液膜区域的纯蒸发换热过程，其换热强度至少要比微细尺度复合相变强化换热低2个数量级。开口式微细槽道的几何形状和尺寸在本发明所述的范围内时，在开口式微细槽道中能够发生扩展弯月面薄液膜区域的蒸发和固有弯月面厚液膜区域的核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，并具有最好的效果。

同时，金属波纹管内外壁为螺旋状波纹壁面，内壁形成螺纹状沟槽，液体可沿着螺纹状沟槽通道流回取热器，而蒸汽可以沿金属波纹管管腔流向散热器，蒸汽与液体不会产生严重的汽液相向流动摩擦，热输运热阻较小；携带着LED芯片热量的蒸汽在进入散热器空腔后仍可以迅速均匀地扩散到散热器金属空腔的整个内壁表面，从而极大地减小了内部传热温差。其内部热传递的热阻比实体的自然对流散热、风扇强制散热或热管冷却器的要小一个数量级。

由于取热器体积与芯片相当，且与散热器相分离，因而取热器与LED芯片所形成的灯头重量与现有的采用自然对流散热、风扇强制散热或热管散热器的LED灯具相比，可以极大幅度地减小到原有的十分之一以下。而且取热器与散热器采用具有柔性的金属波纹管相联通，可以灵活弯曲，在狭窄空间里布置便捷。

实施例1：

参照图2a和图2b。将LED芯片1直接封装到一个具有较高导热系数的微槽群金属板2正面上；微槽群金属板2的背面加工有多个开口式矩形微细槽道，形成开口式矩形微槽群。开口式矩形微细槽道的宽度在0.06～0.09mm范围内，微细槽道的深度在0.15～1.5mm范围内，槽道间距在1.5～2.5mm的范围内；将微槽群金属板2以正面向外背面向里的方式封装在一内部为空腔的圆柱形取热器3的底部腔壁上，微槽群金属板2的正面成为取热器3的底部外表面；取热器3的金属空腔内装有具有汽化潜热的液体工质；取热器3的顶部开有蒸汽出口4，蒸汽出口4的内径在20～30mm之间；一散热器8为一圆柱形金属腔体，金属腔体的底部开有一蒸汽入口 6，蒸汽入口6的直径在20～30mm之间；一金属波纹管5为波纹软管，其一端与取热器3的蒸汽出口4相连通，金属波纹管5的另一端与散热器8的蒸汽入口6相连通；金属波纹管5的内径在20～30mm之间；金属波纹管长度在1.5～2m之间；一电源9固接在散热器8的顶部，LED芯片1与电源9电连接；散热器8的金属腔体的外侧壁上，设有多个肋片7；肋片7的高度在25～80mm范围内，厚度在1.5～4mm范围内，长度在150～250mm范围内，肋片7的间距在2～6mm范围内。LED灯产生的热量通过微槽群金属板2传导到开口式微细槽道内，取热器3金属空腔内具有汽化潜热的液体工质在微槽中形成薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，使液体工质变成蒸汽，利用相变潜热带走LED芯片1的发热量。携带着LED芯片1热量的蒸汽通过取热器3的蒸汽出口4流出，并沿着金属波纹管5通过散热器8的蒸汽入口6流进散热器8的金属腔体，蒸汽均匀地扩散到散热器8金属腔体的整个内壁表面，凝结成液体，并通过凝结换热释放出所携带的LED芯片1的热量，LED芯片1的热量再经由所述金属腔体外表面上的多个肋片7释放到周围环境中去。凝结后的液体再沿着金属波纹管5的内壁面流回到取热器3中，通过这样一个循环往复的过程，从而实现LED灯的散热冷却。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分体式LED灯，其特征在于，该分体式LED灯包括：

具有金属空腔的取热器(3)，该取热器(3)的顶部开有蒸汽出口(4)；

安装于该取热器(3)底部外表面的LED芯片(1)；

具有金属腔体的散热器(8)，该散热器(8)的底部开有一蒸汽入口(6)；

金属波纹管(5)，一端与取热器(3)的蒸汽出口(4)相连通，另一端与散热器(8)的蒸汽入口(6)相连通；

固接在散热器(8)的顶部的电源(9)，该电源(9)与LED芯片(1)电连接；以及

安装于该散热器(8)外侧壁上的多个肋片(7)；

其中，所述金属波纹管(5)的内部通径在0.5～100mm范围内，长度在0.01～100m之间；所述金属波纹管内外壁面的波纹幅度在0.1～20mm之间，波长在0.1～50mm之间。

2.根据权利要求1所述的分体式LED灯，其特征在于，该取热器(3)是内部为金属空腔的球体、球台体、圆柱体、圆台体、棱柱体、棱台体或长方体，金属空腔的体积与LED芯片(1)的大小相匹配，该金属空腔内装有具有汽化潜热的液体工质。

3.根据权利要求2所述的分体式LED灯，其特征在于，该取热器(3)的金属空腔的底部腔壁板为一微槽群金属板(2)，该微槽群金属板(2)的背面加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群，其开口朝向该金属空腔的空腔空间；该微槽群金属板(2)的正面朝外作为该取热器(3)的底部外表面。

4.根据权利要求3所述的分体式LED灯，其特征在于，该微槽群金属板(2)的正面为平面，与LED芯片(1)的背面固接。

5.根据权利要求3所述的分体式LED灯，其特征在于，该开口式微细槽道的形状为矩形、三角形或梯形；

当该开口式微细槽道的形状为矩形时，该开口式微细槽道的宽度在0.02～2mm范围内，深度在0.02～5mm范围内，槽道间距在0.02～6mm的范围内；

当该开口式微细槽道的形状为三角形时，该开口式微细槽道的深度在0.05～5mm范围内，槽底顶角在4°～125°之间，槽道间距在0～5mm的范围内；

当该开口式微细槽道的形状为梯形时，该开口式微细槽道的槽底宽度小于槽顶宽度，微细槽道的槽底宽度在0.01～2mm范围内，槽顶宽度在0.02～5mm范围内，深度在0.04～8mm范围内，槽道间距在0～5mm的范围内。

6.根据权利要求1所述的分体式LED灯，其特征在于，所述取热器(3)的蒸汽出口(4)的直径在0.5～100mm范围内。

7.根据权利要求1所述的分体式LED灯，其特征在于，所述散热器(8)是内部为金属腔体的球体、球台体、圆柱体、圆台体、棱柱体、棱台体或长方体。

8.根据权利要求1所述的分体式LED灯，其特征在于，所述蒸汽入口(6)的直径在0.5～100mm范围之间。

9.根据权利要求1所述的分体式LED灯，其特征在于，所述肋片高度在0.1～150mm之间，厚度在0.1～40mm之间，肋间距在0.4～150mm之间。