CN104154511B - 用于led灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构，包括保护外壳、LED芯片、塑料散热器、金属线路层、冷端换热器、热端换热器，磁工质，永磁体组，左换向阀和右换向阀，水泵、传热介质和滑道。本发明还公开了一种用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热结构的散热方法，包括以下步骤：步骤1：使磁工质进入磁场；步骤2：磁工质进入磁场，由于磁热效应，磁工质放出热量，左换向阀和右换向阀转换为热端循环模式；步骤3：使磁工质退出磁场；步骤4：左换向阀和右换向阀转换进入冷端循环模式；步骤5：永磁体组往复运动，降低塑料散热器上的温度。本发明具有极大的改善了LED灯具的散热效果和克服了触漏电安全隐患等优点。

Description

用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构及其方法
技术领域
本发明涉及一种LED灯具的主动散热技术领域，特别涉及一种用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构及其方法。
背景技术
LED作为一种新型的固体照明光源，因节能环保、驱动电压低、反应速度快、耐震特性佳、使用寿命长及等诸多特点，在生产生活中逐步推广应用。目前大功率LED灯具发展的瓶颈主要是其芯片在工作时会产生大量的热量，如果热量集中在芯片周围不能及时散去，结温过高会使得LED灯具出现寿命变短、光衰加剧、波长漂移等问题，严重影响其稳定性。因此，散热技术是是半导体照明领域的关键技术和研究热点。
磁制冷技术是以磁性物质为工质，通过等温磁化和绝热去磁达到制冷目的的一种极具开发潜力的高新制冷技术,它依据的物理学原理是磁热效应，即磁性材料的磁熵和温度随外加磁场的变化而变化的一种物理现象，最早是德国物理学家Wartburg在1881年对金属铁的磁性研究中发现的。磁制冷技术具有高效节能，无环境污染等优点，是典型的高新、绿色环保制冷技术。
通过制冷技术对大功率LED灯具进行散热设计，有助于提高灯具芯片与散热器的温度梯度，根据傅立叶传热学定律，将提高其散热速率和效果，是一种新型的LED灯具散热思路。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构，该机构突破了传统的依靠翅片被动散热方式，采用高新环保的制冷技术对大功率LED灯具进行散热，得到更好的散热效果和热特性。
本发明的另一目的在于提供一种所述的用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热结构的散热方法，该方法极大的改善了LED灯具的散热效果，克服了触漏电安全隐患。
本发明的首要目的通过以下技术方案实现：一种用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构，包括：保护外壳、LED芯片、塑料散热器、金属线路层、冷端换热器、热端换热器，磁工质，永磁体组，左换向阀、右换向阀，水泵、传热介质和滑道，所述金属线路层的材料为铜。
所述保护外壳设置有穹形空心结构，所述LED芯片位于穹形空心结构内。
所述保护外壳为玻璃保护外壳或环氧树脂，用于进行配光设计，所述保护外壳作为封装材料由环氧树脂或玻璃制成，一方面把LED芯片与塑料散热器上的线路层跟外界环境完全隔离，起到防尘、防湿等作用，另一方面提供二次配光的功能，所述保护外壳密封地扣装在塑料散热器上端以实现对LED芯片的封装。
所述塑料散热器由高导热工程塑料通过注塑成型，上端设置有金属线路层，所述金属线路层的材料为铜。用于连接LED芯片并提供电能，所述LED芯片焊接于金属线路层上，所述保护外壳形状为半球形或半椭圆形，并可根据照明需要，制成不同形状。
所述冷端换热器是由高导热塑料加工成型的密闭微管，所述冷端换热器与塑料散热器一次注塑成型，所述冷端换热器附着于塑料散热器表面并与塑料散热器紧密接触，或者在注塑塑料散热器时在其内部镂空成型。
所述滑道附着于塑料散热器底部，与塑料散热器一次注塑成型，内含滚珠，滑道下端与永磁体组连接，永磁体组为空心组件，由电磁控制按一定频率在滑道上来回滑动，使磁工质有规律地进出磁场，产生磁热效应，永磁体组包括永磁体、聚磁体和磁屏蔽体，永磁体组用于减小对其他部件的磁干扰。
所述由高导热塑料加工成型为微管的冷端换热器为密闭微管，与塑料散热器一次注塑成型，可附着于塑料散热器表面，与塑料散热器紧密接触，其接触面积及匝数不限；也可直接在一次性注塑塑料散热器时在其内部镂空成型。
所述滑道附于塑料散热器底部，可与塑料散热器一次注塑成型，内含滚珠，滑道下端与永磁体组连接，永磁体组为空心组件，由电磁控制按一定频率在滑道上来回滑动，使磁工质有规律地进出磁场，产生磁热效应。永磁体组应由永磁体、聚磁体、和磁屏蔽体组成，减小对其他部件的磁干扰。永磁体可由N52钕铁硼合金制造，聚磁体采用电工纯铁材料，内层磁屏蔽体可取铁铝合金或坡莫合金。
所述左换向阀和右换向阀由电磁控制换向频率，其换向频率与磁工质进出磁场频率相配合，在磁工质远离磁场吸收热量时，使传热介质进入冷端换热器传热，在磁工质进入磁场放出热量时，使传热介质进入热端换热器散热。
所述磁工质为空心柱体，中间由微管穿过进行换热并起到支撑作用，磁工质由金属钆或MnFeP1-xAsx等过渡族合金。制作时可将磁工质材料混合后连续球磨0.5～4个小时，并在400～600℃真空或保护气氛下预退火20分钟后采用放电等离子技术对粉末烧结，保持30分钟铸件成型，冷却至室温后可得磁工质部件。
所述热端换热器可根据需要由金属或塑料制成形状不同的密闭微管。
所述传热介质12可为水或其他高导热液体。
本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种所述的用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热结构的散热方法，包括以下步骤：
步骤1：磁工质6固定不动，永磁体组7沿滑道13向左运动，使磁工质6进入磁场；
步骤2：磁工质6进入磁场，由于磁热效应，磁工质6放出热量，左换向阀8和右换向阀9转换为热端循环模式，即传热介质12经过磁工质6升温后在水泵10的驱动下进入热端换热器11散热；
步骤3：永磁体组7到达到滑道13最左端后，沿滑道13向右运动，使磁工质6退出磁场；
步骤4：磁工质6退出磁场并吸收热量，使周边的传热介质12温度降低，左换向阀8和右换向阀9转换进入冷端循环模式，即传热介质12经过磁工质降温后在水泵10的驱动下进入冷端换热器5吸热，带走塑料散热器3上的热量；
步骤5：永磁体组7往复运动，可降低塑料散热器3上的温度，进而提高LED灯具的散热质量和效率，降低LED芯片结温，延长LED灯具寿命。
本发明的原理：本发明的磁制冷泵循环散热部件附于LED模组散热器下，通过电源驱动永磁体组往复运动，使磁工质在磁热效应作用下与传热介质进行热交换,同时利用泵循环并依靠传热介质将LED模组产生的热量通过冷、热端换热器迅速转移散发，所述磁制冷泵循环散热部件适合于大功率、密集型封装的LED照明领域，通过使用制冷技术的新型主动散热方式可以达到更好的散热效果和更稳定的器件可靠性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过磁制冷技术对LED灯具进行主动散热，相比于被动散热和传统的主动散热技术，能够产生更大的换热温差，有利于极大改善LED灯具的散热效果。
(2)将塑料作为散热器、滑道、冷、热端换热器的材料，实现一次性注塑成型，相比于热管、射流散热等主动散热技术节约了成本，减轻了重量，并兼具基板与外壳的功能，克服了触漏电安全隐患。
(3)通过对保护外壳外形进行设计，可以得到需要的照明效果，简便的设计二次配光，相比于单个LED芯片封装，使用玻璃或环氧树脂作为壳进行集中封装，增加了散热上通道的散热效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构的示意图。
图2为本发明实施例2的用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构的示意图。
图3为本发明用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热结构的散热过程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构及其方法，包括LED芯片2、保护外壳1、由高导热塑料加工成型的塑料散热器3、冷端换热器5、热端换热器11，磁工质6，永磁体组7，左换向阀8和右换向阀9，水泵10、传热介质12和滑道13。所述塑料散热器3上端设置有以铜为材料的金属线路层4，所述LED芯片2焊接于金属线路层4上，所述保护外壳1为玻璃保护外壳，密封地扣装在塑料散热器3上端以实现对LED芯片2的封装。
所述玻璃壳作为封装材料，把LED芯片2与塑料散热器3上的金属线路层4跟外界环境完全隔离，起到防尘、防湿等作用。
所述保护外壳1形状为半椭圆形，设置有穹形空心结构，所述LED芯片2位于该空心结构内。
所述保护外壳1形状为半椭圆形，亦可根据照明需要，制成不同形状。
所述冷端换热器5为在塑料散热器3一次性注塑成型时得到的镂空微管。
散热过程如图3所示，所述永磁体组7经电磁控制沿着滑道13往复运动，使磁工质6按一定频率进出磁场，从而产生磁热效应，对传热介质吸热或放热。通过控制左换向阀8和右换向阀9，使冷、热传热介质12分别进入冷、热端换热器进行热交换。
本实施例可以将LED芯片2所产生的大部分热量，通过热传递到塑料散热器3上，与冷端换热器5中的低温传热介质12进行高效热传导，并经过水泵10循环到热端散热器11中散热，提高了灯具的散热效果。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：如图2所示，所述冷端换热器5与塑料散热器3同时由高导热塑料一次性注塑而成，冷端换热器紧密接触塑料散热器外部，而非在内部镂空成型，冷端换热器5中的传热介质12进过磁工质6吸热后降温，与塑料散热器3产生的较大温差，大大提高热传导效率，实现高效的LED灯具散热效果。
上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热的结构，其特征在于,包括：保护外壳(1)、LED芯片(2)、塑料散热器(3)、金属线路层(4)、冷端换热器(5)、热端换热器(11)、磁工质(6)、永磁体组(7)、左换向阀(8)、右换向阀(9)、水泵(10)、传热介质(12)和滑道(13)；
所述冷端换热器(5)是由高导热塑料加工成型的密闭微管，所述冷端换热器(5)与塑料散热器(3)一次注塑成型，所述冷端换热器(5)附着于塑料散热器(3)表面并与塑料散热器(3)紧密接触，或者在注塑塑料散热器(3)时在其内部镂空成型；
所述保护外壳(1)设置有穹形空心结构，所述LED芯片(2)位于所述穹形空心结构内；
所述保护外壳(1)为玻璃保护外壳或环氧树脂，用于进行配光设计，所述保护外壳(1)密封地扣装在塑料散热器(3)上端以实现对LED芯片(2)的封装；
所述塑料散热器(3)由高导热工程塑料通过注塑成型，上端设置有金属线路层(4)，所述金属线路层(4)的材料为铜，用于连接LED芯片并提供电能，所述LED芯片(2)焊接于金属线路层(4)上，所述保护外壳(1)形状为半球形或半椭圆形；
所述滑道(13)附着于塑料散热器(3)底部，与塑料散热器(3)一次注塑成型，内含滚珠，滑道下端与永磁体组(7)连接，永磁体组为空心组件，由电磁控制按一定频率在滑道(13)上来回滑动，使磁工质(6)有规律地进出磁场，产生磁热效应，永磁体组(7)包括永磁体、聚磁体和磁屏蔽体，永磁体组(7)用于减小对其他部件的磁干扰；
所述磁工质(6)为空心柱体，中间由微管穿过进行换热。
2.一种权利要求1所述的用于LED灯具的基于磁制冷泵循环散热结构的散热方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、磁工质(6)固定不动，永磁体组(7)沿滑道(13)向左运动，使磁工质(6)进入磁场；
步骤2、磁工质(6)进入磁场，由于磁热效应，磁工质(6)放出热量，左换向阀(8)和右换向阀(9)，转换为热端循环模式，即传热介质(12)经过磁工质升温后在水泵(10)的驱动下进入热端换热器(11)散热；
步骤3、永磁体组(7)到达到滑道(13)最左端后，沿滑道(13)向右运动，使磁工质(6)退出磁场；
步骤4、磁工质(6)退出磁场并吸收热量，使周边的传热介质(12)温度降低，左换向阀(8)和右换向阀(9)转换进入冷端循环模式，即传热介质(12)经过磁工质降温后在水泵(10)的驱动下进入冷端换热器(5)吸热，带走塑料散热器(3)上的热量；
步骤5、永磁体组(7)往复运动，以降低塑料散热器(3)上的温度。
3.一种权利要求2所述的散热方法，其特征在于，在步骤2中，所述热端换热器(11)根据需要由金属或塑料制成形状不同的密闭微管；在步骤3中，磁工质(6)由过渡族合金制成。
4.根据权利要求3所述的散热方法，其特征在于，所述过渡族合金为：金属钆或MnFeP1- xAsx。
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