CN103528035B - 大功率led用整体式热管散热方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种大功率LED用整体式热管散热方法及装置，其特征包括：多个圆柱形直热管并列，形成小管径重力热管阵列，且各热管的竖直管道没有任何连通。同时，所有重力热管的蒸发端共用一个蒸发腔。包含有热管管道与肋片的散热器上壳体采用整体式制造方式，上壳体与盖板间的空隙形成蒸发腔，由螺栓连接，并通过橡胶垫圈密封，同时上壳体留有抽真空和注液管。LED光源贴合在蒸发腔下盖板的受热面上，光源热量通过蒸发腔和热管内工作介质的汽-液相变循环传至肋片，再由肋片通过自然对流方式散发到环境中。本发明还提供了用于上述散热方法的散热器。本发明结构简单，使用方便，散热效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED技术，尤其是一种大功率LED光源散热技术，具体地说是一种将热管的高效传热和肋片的对流换热相结合，并采用整体式制造方式，以提高大功率LED光源散热效率的散热方法及散热器。
背景技术
众所周知，大功率LED（Light Emitting Diode）是大电流的光电器件，工作过程中只有15%~25%的电能转换为光能，其余电能几乎都转换成热能。LED芯片产生的热量若不能及时散发出去，将会使结温过高，进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性。因此，大功率LED的散热系统设计是LED照明产业发展的一个重要课题。
发明于20世纪60年代的热管是一种依靠自身内部工作液体相变来实现传热的高效传热元件，热传输过程无需外加动力，具有高导热性、良好的等温性、优秀的环境适应性等特点。近年来，热管越来越多地被应用到大功率LED的散热系统中。
LED热管散热器常使用热管与肋片组合的方式，但是往往存在LED散发的热量不能完全传至热管蒸发段，以及肋片与热管存在较大接触热阻等问题，使散热器效率低下。
为解决以上问题，本发明提出一种多热管并列共用一个蒸汽腔，热管、肋片整体制造的散热方法，以提高热管的传热效率，减少散热路径上的接触热阻，并简化散热器的制造流程。
发明内容
本发明的目的是针对目前大功率LED热管散热器存在热管传热效率低，接触热阻大等缺点，发明一种大功率LED用整体式热管散热的方法，同时设计一种与所述散热方法相配套的散热装置。
本发明的技术方案之一是：
一种大功率LED用整体式热管散热方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，将多个圆柱形小管径重力直热管竖直并列安装在上壳体的固定体中，形成小管径重力热管阵列，各热竖直管道管横向之间没有任何连通；各热管管壁与上壳体固定体之间接触以实现热传导，上壳体的固定体周围整体连接有散热肋片；
其次，使所有重力热管下端的蒸发端相互连通形成一个公共蒸发腔；
第三，在下盖板相对上壳体的一面上设置一个用于连通所有重力热管下端蒸发端的凹槽以形成公共蒸发腔，在所述的凹槽中安装毛细芯结构以增加传热的均匀性；在上壳体上设置与公共蒸发腔相连通的抽真空和注液管，并通过所述的抽真空和注液管完成对连接成一体的上壳体及下盖板之间的公共蒸发腔及重力直热管管腔的抽真空和热交换介质的灌注；
最后，将LED光源贴合在下盖板不与上壳体相连的一面上，LED光源产生的热量通过下盖板传导到公共蒸发腔，通过公共蒸发腔和与公共蒸发腔相连通的热管蒸发端内的工作介质的汽-液相变循环传至上壳体的固定体上，再传导到固定体周边安装的肋片上，再由肋片通过自然对流方式散发到环境中。
所述的凹槽中设有若干支撑柱9。
所述的上壳体上的固定体呈圆柱形结构或长腰形结构，所述的重力直热管围绕圆柱形固定体的中心布置或沿长腰形固定体呈直线布置。
本发明的技术方案之二是：
一种大功率LED用整体式热管散热装置，它包括相互连接的上壳体12和下盖板4，LED光源贴装在下盖板4的底面上，其特征是所述的下盖板4的上表面设有一个凹槽5，该凹槽5与上壳体12的下表面一起形成一个公共蒸发腔；所述的上壳体12上设有一个用于固定重力直热管1的固定体13，各固定重力直热管1的管壁与固定体13之间进行热传导，各固定重力直热管1横向之间互不连通，固定重力直热管1下端的蒸发端均与作为公共蒸发端的凹槽5相连通；在固定体13的周围整体连接有对流散热用的肋片2；在上壳体12上还设有用于对各重力直热管管腔进行抽真空和灌注冷却介质的抽真空和注液管3；在所述的凹槽中安装有用于使散热均匀的毛细芯结构10。
所述的凹槽5中设有若干高度为3~5mm的支撑柱9，以防止因为腔内压强变化而产生的变形，所述凹槽5的面积是LED光源面积的10~15倍。
所述的上壳体12上的固定体13呈圆柱形结构或长腰形结构，所述的重力直热管1围绕圆柱形固定体的中心布置或沿长腰形固定体呈直线布置。
所述的重力直热管1为小管径重力热管，管径在6mm~10mm，热管的数目和热管阵列的排列形式根据LED光源的功率和芯片大小、布置情况作不同的设计。
所述的重力直热管1内没有毛细芯结构，重力直热管1工作过程中，工作介质冷凝回流完全依靠重力。
所述的肋片2的形状为矩形，竖直放置，均匀分布在热管阵列周围，并与固定热管阵列的固定体整体制造，散热器主要依靠肋片与自然环境的对流换热达到散热目的。
所述的凹槽中安装的毛细芯结构为丝网或铜粉烧结结构。
所述的公共蒸发腔及重力直热管中所罐注的工作介质是丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液体，注入的工作介质应漫过公共蒸汽腔，到达竖直布置的重力直热管的蒸发端。
本发明的有益效果：
1、能有效的提高大功率LED光源的散热性能，增长其实际工作寿命，对大功率LED照明产业的进一步发展具有重要意义。
2、采用多个小管径的重力热管并列，相比于单个热管具有更大的总相变换热面积，同时管道间铝合金间壁具有很好导热性能，可将热量传导与其相对的管道壁面，有效提高热管的传热能力。
3、热管之间的间壁在结构上起到了“加强筋”的作用，大大增强了散热器的承压能力。
4、LED放置在一个大面积蒸发腔的受热面上，利用蒸发腔均温效果，消除热量在局部聚集的现象，降低热应力，提高芯片的寿命和工作稳定性。
5、肋片、热管管道组成的散热器上壳体整体式制造，减少热量在散发路径上的接触热阻，有效提高散热器效率。
6、散热器结构简单，制造方便，减少了制造成本，同时也提高了散热器的工作可靠性。
7、利用本发明的整体式热管散热器，可以进一步与风扇、水冷系统等散热技术结合，可进一步提高光电器件散热性。
附图说明
图1为本发明第一实施例的大功率LED用整体式热管散热器的立体图。
图2为图1所示散热器的半剖图。
图3为图2中散热器翅片部分的水平剖视图A-A。
图4为图1中下盖板结构示意图。
图5为本发明第二实施例的大功率LED用整体式热管散热器的立体图。
图6为图5所示散热器翅片部分的水平剖视图。
图中：1、热管；2、肋片；3、抽真空和注液管；4、下盖板；5、凹槽（公共蒸发腔）；6、螺栓；7、螺母；8、橡胶垫圈；9、支撑柱；10、毛细芯结构；11交换介质（工作介质），12、上壳体，13固定体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、5所示。
一种大功率LED用整体式热管散热方法，它包括以下步骤：
首先，将多个圆柱形小管径重力直热管竖直并列安装在上壳体的固定体中，形成小管径重力热管阵列，各热竖直管道管横向之间没有任何连通；各热管管壁与上壳体固定体之间最好是无间隙紧密接触以实现更好的热传导，上壳体12的固定体13周围整体连接有矩形散热肋片2，其中的重力直热管1、肋片2均采用铝合金材质或铜材等散热性能好的材质制造；
其次，使所有重力热管1下端的蒸发端均与下盖板4上的凹槽5相连通以形成一个公共蒸发腔；
第三，在下盖板4相对上壳体的一面上设置一个用于连通所有重力热管下端蒸发端的凹槽5以形成公共蒸发腔，在所述的凹槽5中安装毛细芯结构以增加传热的均匀性，同时设置若干支撑柱9以防止变形，支撑柱9的高度应控制在3-5mm；为了保证散热效果，具体设计时凹槽5的面积应是LED光源面积的10~15倍。在上壳体上设置与公共蒸发腔相连通的抽真空和注液管，并通过所述的抽真空和注液管完成对连接成一体的上壳体及下盖板之间的公共蒸发腔及重力直热管管腔的抽真空和热交换介质11的灌注；交换介质可为丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液体，注入的工作介质11应漫过公共蒸汽腔，到达竖直布置的重力直热管的蒸发端
最后，将LED光源贴合在下盖板4不与上壳体12相连的一面上，LED光源产生的热量通过下盖板4传导到公共蒸发腔，通过公共蒸发腔和与公共蒸发腔相连通的热管蒸发端内的工作介质的汽-液相变循环传至上壳体12的固定体13上，再传导到固定体周边安装的肋片2上，再由肋片2通过自然对流方式散发到环境中。
实施例二。
如图1-4所示。
一种大功率LED用整体式热管散热装置，它包括相互连接的上壳体12和下盖板4，上壳体12和下盖板4通过螺栓6和螺母7相连，两者之间还加装有密封用的橡胶垫圈8，如图1，LED光源贴装在下盖板4的底面上，所述的下盖板4的上表面设有一个凹槽5，凹槽5中设有若干支撑柱9（图1）以防止因为腔内压强变化而产生的变形，该凹槽5与上壳体12的下表面一起形成一个公共蒸发腔（图2）；所述的上壳体12上设有一个用于固定重力直热管1的圆柱形固定体13，重力直热管1围绕圆柱形固定体13的中心布置，如图3，各固定重力直热管1的管壁与固定体13之间最好是无间隙紧密配合以提高热传导效率，各固定重力直热管1横向之间互不连通，固定重力直热管1下端的蒸发端均与作为公共蒸发端的凹槽5相连通，如图2；在固定体13的周围整体连接有对流散热用的矩形肋片2，如图3；在上壳体12上还设有用于对各重力直热管管腔进行抽真空和灌注冷却介质的抽真空和注液管3，如图1所示；在所述的凹槽中安装有用于使散热均匀的毛细芯结构10，毛细芯结构10可为丝网或铜粉烧结结构。
具体实施时所述的凹槽5中支撑柱9的高度以3~5mm为最佳，为保证散热效果，凹槽5的面积最好是LED光源面积的10~15倍。所述的重力直热管1为小管径重力热管，管径在6mm~10mm，热管的数目和热管阵列的排列形式根据LED光源的功率和芯片大小、布置情况作不同的设计。重力直热管1内没有毛细芯结构，重力直热管1工作过程中，工作介质冷凝回流完全依靠重力。所述的肋片2的形状最好为矩形，竖直放置，均匀分布在热管阵列周围，如图3，并与固定热管阵列的固定体整体制造，具体制造时，肋片的形状还可设计为其它形式，以便于增加散热面积，散热器主要依靠肋片与自然环境的对流换热达到散热目的。所述的公共蒸发腔及重力直热管中所罐注的工作介质11可以是丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液体，注入的工作介质应漫过公共蒸汽腔，到达竖直布置的重力直热管的蒸发端，如图2所示。
如图1所示，矩形翅片竖直放置，以环形均匀布置在热管阵列周围，翅片、热管管道、抽真空和注液管，包括底部用于和下盖板连接的底板都是通过整体加工得到，没有焊接等复杂工艺。
如图2、4所示，蒸发腔底面附着有毛细芯结构，同时留有支撑柱，防止散热器工作时，蒸发腔因压强变化而变形。热管管道里没有毛细芯结构，蒸汽冷凝回流依靠重力。上壳体与下盖板由四对螺栓、螺母紧密连接，两者之间垫有橡胶垫圈以保证密封性。
图3所示，重力热管阵列的排布方式是4个管道呈环形均匀布置，热管之间互不连通。
本发明的工作过程如下：
LED光源器件紧密贴合在下盖板4的受热面上，光源工作时，热量通过下盖板4传至蒸发腔，从而传递给蒸发腔与热管管道组成的散热器腔体内的工作介质，导致工作介质发生汽-液相变。一方面，在蒸汽腔内，汽-液相变循环发生在平面方向，小部分受热汽化的工作介质向四周扩散，冷凝后受毛细芯毛细力作用回流，这一循环过程使得腔内温度分布均匀，有效消除热量局部聚集的现象；另一方面，在热管管道内，大部分受热汽化的工作介质受管内压差作用向上扩散，并在热管上部管壁逐渐冷凝成小液珠，在重力作用下，沿管内壁面向下回流。通过热管的传热作用，热量被传至肋片，肋片利用自然对流换热，最终将热量散发到环境中。
实施例三。
如图5、6。
本实施例与实施例1的区别在于重力直热管1的布置方式不同，图5、6中重力直热管1固定在长腰形固定体13中，并呈一字形排列，适用于狭长的LED器件，其余与实施例一完全相同。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种大功率LED用整体式热管散热方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，将多个圆柱形小管径重力直热管竖直并列无间隙安装在上壳体的固定体中，形成小管径重力热管阵列，各热竖直管道管横向之间没有任何连通；各热管管壁与上壳体固定体之间接触以实现热传导，上壳体的固定体周围整体连接有散热肋片；
其次，使所有重力热管下端的蒸发端相互连通形成一个公共蒸发腔；
第三，在下盖板相对上壳体的一面上设置一个用于连通所有重力热管下端蒸发端的凹槽以形成公共蒸发腔，在所述的凹槽中安装毛细芯结构以增加传热的均匀性；在上壳体上设置与公共蒸发腔相连通的抽真空和注液管，并通过所述的抽真空和注液管完成对连接成一体的上壳体及下盖板之间的公共蒸发腔及重力直热管管腔的抽真空和热交换介质的灌注；所述的凹槽中设有若干支撑柱（9）；
最后，将LED光源贴合在下盖板不与上壳体相连的一面上，LED光源产生的热量通过下盖板传导到公共蒸发腔，从而传递给蒸发腔与热管管道组成的散热器腔体内的工作介质，导致工作介质发生汽-液相变，一方面，在蒸汽腔内，汽-液相变循环发生在平面方向，小部分受热汽化的工作介质向四周扩散，冷凝后受毛细芯毛细力作用回流，这一循环过程使得腔内温度分布均匀，有效消除热量局部聚集的现象；另一方面，在热管管道内，受热汽化的工作介质受管内压差作用向上扩散，并在热管上部管壁逐渐冷凝成小液珠，在重力作用下，沿管内壁面向下回流；通过热管的传热作用，热量被传至肋片，肋片利用自然对流换热，最终将热量散发到环境中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的上壳体上的固定体呈圆柱形结构或长腰形结构，所述的重力直热管围绕圆柱形固定体的中心布置或沿长腰形固定体呈直线布置。
3.一种大功率LED用整体式热管散热装置，它包括相互连接的上壳体（12）和下盖板（4），LED光源贴装在下盖板（4）的底面上，其特征是所述的下盖板（4）的上表面设有一个凹槽（5），该凹槽（5）与上壳体（12）的下表面一起形成一个公共蒸发腔；所述的上壳体（12）上设有一个用于固定重力直热管（1）的固定体（13），各固定重力直热管（1）的管壁与固定体（13）之间进行热传导，各固定重力直热管（1）横向之间互不连通，固定重力直热管（1）下端的蒸发端均与作为公共蒸发端的凹槽（5）相连通；在固定体（13）的周围整体连接有对流散热用的肋片（2）；在上壳体（12）上还设有用于对各重力直热管管腔进行抽真空和灌注冷却介质的抽真空和注液管（3）；在所述的凹槽中安装有用于使散热均匀的毛细芯结构（10）；所述的凹槽（5）中设有若干高度为3~5mm的支撑柱（9），以防止因为腔内压强变化而产生的变形，所述凹槽（5）的面积是LED光源面积的10~15倍；所述的凹槽中安装的毛细芯结构为丝网或铜粉烧结结构。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的上壳体（12）上的固定体（13）呈圆柱形结构或长腰形结构，所述的重力直热管（1）围绕圆柱形固定体的中心布置或沿长腰形固定体呈直线布置。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的重力直热管（1）为小管径重力热管，管径在6mm~10mm，热管的数目和热管阵列的排列形式根据LED光源的功率和芯片大小、布置情况作不同的设计。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的重力直热管（1）内没有毛细芯结构，重力直热管（1）工作过程中，工作介质冷凝回流完全依靠重力。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的肋片（2）的形状为矩形，竖直放置，均匀分布在热管阵列周围，并与固定热管阵列的固定体整体制造，散热器主要依靠肋片与自然环境的对流换热达到散热目的。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的公共蒸发腔及重力直热管中所罐注的工作介质是丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液体，注入的工作介质应漫过公共蒸汽腔，到达竖直布置的重力直热管的蒸发端。
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