CN104235692A - 一种相变蓄热式大功率led路灯 - Google Patents

Abstract

一种相变蓄热式大功率LED路灯，包括驱动电路封装体以及设在驱动电路封装体底部的热沉空腔，热沉空腔底部设有内部封装大功率LED芯片的LED封装件，热沉空腔内设有若干间隔布置的实心金属圆柱体，且热沉空腔与实心金属圆柱体所形成的间隙中填充有熔点低于大功率LED芯片工作温度的相变材料；LED封装件的正负极穿过热沉空腔与驱动电路封装体的正负极对应相连；热沉空腔的外壁还设有若干与热沉空腔铸成一体的散热翅片，且若干散热翅片呈喇叭状分布在热沉空腔的周向。本发明能够提高相变潜热存储的响应速率，可以消除换热翅片与热沉本体之间的接触热阻，有效地降低LED芯片结点温度，延长LED灯的使用寿命。

Description

一种相变蓄热式大功率LED路灯

技术领域

本发明涉及照明领域，特别涉及一种相变蓄热式大功率LED路灯。

技术背景

近年来，LED路灯由于具有发光效率高、寿命长和安全环保等优点，因此其在市政道路照明领域表现出巨大的潜力和前景。然而，LED是通过激发电子，使电子发生能量级的跳跃而实现发光，光谱中不含红外部分，产生的热量不能像传统的路灯通过辐射散出，又大部分LED灯的实际效率只能达到20％，即80％的电能转换为热能只能通壳体的自然对流散出，恶劣的散热条件降低了发光效率，而且导致半导体PN结的温度的升高产生光衰现象并缩短了LED灯的寿命。因此，大功率LED照明的散热和有效温控成为大功率LED应用的瓶颈问题之一。

大功率LED路灯现有的冷却技术主要是通过外置散热器区的对流换热来带走LED封装件产生的热量。专利CN2735548和文献[1][文献1：S.L.Lee,Z.H.Yang,Y.Hsyua,Cooling of a heated surface by mist flow,Journal of HeatTransfer,1994,116(1):167.]分别利用矽油和空气的强制对流冷却来降低LED封装件的温度，不足之处是所采用的主动冷却系统需要额外的能耗及可靠性差。专利CN1828956A公开了一种大功率的LED散热封装，其原理是采用低沸点液滴冲击散热装置降低LED封装体的温度，不足之处是温控面温度不均匀，压差较大且在冷却面上容易产生腐蚀。专利US20090322229A1和专利WO2009110987A1利用相变材料熔化时吸热进行储能来降低LED封装件的温度，不足之处是相变材料的导热系数低，换热能力有限，不利于推广。专利CN101457919A公开了一种相变散热半导体灯，其原理是利用密闭在LED灯体内的液体在半导体灯工作时发生液气相变把LED产生的热量转移到灯的玻璃外壳上和空气做热交换实现LED芯片的散热，不足之处是换热能力有限，不适用于大功率LED照明。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种相变蓄热式大功率LED路灯，该路灯能够延长了散热时间，增强相变材料的自然对流换热，延长LED路灯的使用寿命，散热效果好、无外在能耗和无环境污染。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括驱动电路封装体以及设在驱动电路封装体底部的热沉空腔，热沉空腔底部设有内部封装大功率LED芯片的LED封装件，热沉空腔内设有若干间隔布置的实心金属圆柱体，且热沉空腔与实心金属圆柱体所形成的间隙中填充有熔点低于大功率LED芯片工作温度的相变材料；LED封装件的正负极穿过热沉空腔与驱动电路封装体的正负极对应相连；热沉空腔的外壁上还设有若干与热沉空腔外壁铸成一体的散热翅片，且若干散热翅片呈喇叭状分布在热沉空腔的周向。

若干实心金属圆柱体呈阵列式分布或以热沉空腔的轴心为中心呈辐射状分布。

所述的散热翅片数目为15～45个；每个散热翅片的高度与热沉空腔的高度相同，且每个散热翅片与热沉空腔的底面夹角在20～30°之间。

所述的相变材料为柠檬酸钠，磷酸钠，硝酸盐或石蜡。

所述的热沉空腔内设有正极金属圆柱体和负极金属圆柱体，且正极金属圆柱体内开设有用于连接LED封装件正极和驱动电路封装体正极的正极通道，负极金属圆柱体内开设有用于连接LED封装件负极和驱动电路封装体负极的负极通道。

所述的热沉空腔的底部设有金属基板，且金属基板的一面与热沉空腔的底部相接触，另一面与LED封装件相连，热沉空腔的底部还设有用于聚光以及保护LED封装件的光学透镜。

所述的热沉空腔的底部加工有凹槽，金属基板的一面通过螺钉与热沉空腔底部的凹槽表面连接，且金属基板的一面与热沉空腔底部的接触面涂有减小接触热阻并提高换热能力的锡膏或硅脂；金属基板的另一面通过硅脂或者共晶焊与LED封装件相连。

所述的凹槽边缘加工有高和宽相等的凹台，凹台内侧固定有光学透镜，凹槽外侧设有用于固定光学透镜的光学透镜固定件。

所述的驱动电路封装体的横截面积大于光学透镜固定件的面积，凹槽内表面涂有反光材料或镀银。

所述的热沉空腔的外壁设有两个与灯架相连的螺栓连接柱。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明利用相变潜热储存LED芯片产生的热量并在停止工作时将蓄热释放，减小了温度对散热方式的依赖性，延长了散热时间；同时本发明还利用相变材料熔化时吸热，相变过程中温度保持不变的特性进行被动冷却以对LED封装体温度进行有效地控制；通过在热沉空腔内铸有金属圆柱体，显著提高了相变材料的当量导热系数，提高相变储能响应速率，防止相变材料局部过热，且可以增强相变材料的自然对流换热；采用一体式热沉结构有效地降低LED芯片结点温度，延长LED路灯的使用寿命。此外，本发明具有结构紧凑、重量轻、体积小、散热效果好、寿命长、无外在能耗和无环境污染等优点，易于工业应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构半剖示意图；

图2为图1中的俯视图；

图3为LED封装件及金属基板的结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构半剖俯视图；

其中，1、驱动电路封装体上盖，2、连接螺栓，3、驱动电路封装体下盖，4、热沉空腔，5、光学透镜固定件，6、金属基板，7、LED封装件，8、光学透镜，9、实心金属圆柱体，10、相变材料，11、正极金属圆柱体，12、大功率LED芯片，13、螺栓孔，14、负极金属圆柱体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1-3所示，本发明相变蓄热式大功率LED路灯包括驱动电路封装体上盖1、驱动电路封装体下盖3以及由驱动电路封装体上盖1和驱动电路封装体下盖3封装的驱动电路；驱动电路封装体下盖3的底部设有圆柱状的热沉空腔4，驱动电路封装体上盖1、驱动电路封装体下盖3以及热沉空腔4通过连接螺栓2紧密连接成一体；热沉空腔4的底部设有金属基板6，且金属基板6的一面与热沉空腔4的底部相接触，另一面与LED封装件7相连，LED封装件7正中间为单颗集成的大功率LED芯片12，功率50W～100W。另外，热沉空腔4的底部加工有四个凹槽，每个凹槽内表面涂有反光材料或者镀银，每个凹槽边缘加工有高和宽相等的凹台；金属基板6为高导热系数的铜或铝材料制成，呈足球场形状，其四个角上加工有螺栓孔13，金属基板6通过设在螺栓孔13中的螺钉与热沉空腔4底部的凹槽表面连接，且金属基板6的一面与热沉空腔4底部的接触面涂有减小接触热阻并提高换热能力的锡膏或高导热系数的硅脂；金属基板6的另一面通过硅脂或者共晶焊与LED封装件7紧密相连。热沉空腔4的底部还设有用于保护LED封装件7和聚光的光学透镜8；光学透镜8，光学透镜8通过固定在凹台外侧的光学透镜固定件5固定在热沉空腔4的底部。驱动电路封装体的横截面积大于热沉空腔的横截面积，热沉空腔的横截面积大于光学透镜固定件的最大面积(即驱动电路封装体的横截面积大于光学透镜固定件的最大面积)，这可以防止灰尘、雨水等杂物污染光学透镜8。

热沉空腔4内铸造有与热沉空腔等高的若干间隔布置的实心金属圆柱体9，若干实心金属圆柱体9呈阵列式分布，且热沉空腔4与实心金属圆柱体9所形成的间隙中填充有熔点低于大功率LED芯片12工作温度的相变材料10；该相变材料为柠檬酸钠，磷酸钠，硝酸盐或石蜡。

LED封装件7的正负极穿过热沉空腔4与驱动电路封装体的正负极对应相连；热沉空腔4内设有正极金属圆柱体11和负极金属圆柱体14，且正极金属圆柱体11内开设有用于连接LED封装件7正极和驱动电路封装体正极的正极通道，负极金属圆柱体14内开设有用于连接LED封装件7负极和驱动电路封装体负极的负极通道，解决了电气安全性问题。其中，正极金属圆柱体11、负极金属圆柱体14以及每个实心金属圆柱体9的轴线均与热沉空腔4的轴线平行；每个实心金属圆柱体9的直径为2～6mm，所有实心金属圆柱体9的总体积不超过空腔容积的10％；正极通道沿正极金属圆柱体11的轴线开设，负极通道沿负极金属圆柱体14的轴线开设；且正极通道和负极通道横截面是直径为2～3mm的圆形。

热沉空腔4的外壁上还设有若干与热沉空腔4外壁铸成一体的散热翅片，若干散热翅片呈喇叭状分布在热沉空腔4的周向，优选散热翅片的数目为15～45个散热翅片，每个散热翅片的高度与热沉空腔4的高度相同，且每个散热翅片与热沉空腔4的底面夹角在20～30°之间，每个散热翅片的厚度均取1～3mm。热沉4的散热翅片区铸有用来连接驱动电路封装体和光学透镜固定件5的螺栓连接件。在热沉4的外围设计有两个螺栓连接柱，用来与灯架连接，这样的设计可以方便地调整路灯与地面的倾角，具有通用性。不同零件之间的连接均采用橡胶垫圈以达到密封和缓冲的效果。

实施例2：

图4为本发明实施例2的结构半剖俯视图。如图4所示，热沉空腔内所铸的实心金属圆柱体9以热沉空腔4的轴心为中心呈辐射状分布，采用这种结构可以方便地调整沿着径向方向单位面积上的金属圆柱体9的数目，使得中心位置温度高的地方，金属圆柱体9的面密度大，沿着径向方向金属圆柱体9的面密度逐渐减小，从而保证降低温度的同时最大限度地减小金属材料的耗材。所有的实心金属圆柱体9的体积不超过热沉空腔容积的10％。其它同实施例1。

本发明的工作原理如下：当大功率LED芯片12正常工作时，大功率LED芯片12散出的热量传入到热沉空腔4中，由于相变材料10的熔点低于大功率LED芯片12工作温度，因此，传入到热沉空腔4中的热量被相变材料吸收同时相变材料逐渐融化熔化，由于相变材料在相变过程中温度保持不变的因此使LED芯片被动冷却；同时由于热沉空腔内还铸有金属圆柱体，铸有金属圆柱体能够提高相变材料的当量导热系数，提高相变储能响应速率，防止相变材料局部过热，且可以增强相变材料的自然对流换热；在热沉空腔外侧的散热翅片带走内部的热量，增强散热效果。

以上所述仅是本发明的一种实施方案而已，并非对本发明做任何形式的限制，故依据本发明的技术实质对以上实施方案所作的任何简单修改，等同变化或修改，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：包括驱动电路封装体以及设在驱动电路封装体底部的热沉空腔(4)，热沉空腔(4)底部设有内部封装大功率LED芯片(12)的LED封装件(7)，热沉空腔(4)内设有若干间隔布置的实心金属圆柱体(9)，且热沉空腔(4)与实心金属圆柱体(9)所形成的间隙中填充有熔点低于大功率LED芯片(12)工作温度的相变材料(10)；LED封装件(7)的正负极穿过热沉空腔(4)与驱动电路封装体的正负极对应相连；热沉空腔(4)的外壁上还设有若干与热沉空腔(4)外壁铸成一体的散热翅片，且若干散热翅片呈喇叭状分布在热沉空腔(4)的周向。

2.根据权利要求1所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：若干实心金属圆柱体(9)呈阵列式分布或以热沉空腔(4)的轴心为中心呈辐射状分布。

3.根据权利要求1所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的散热翅片数目为15～45个；每个散热翅片的高度与热沉空腔(4)的高度相同，且每个散热翅片与热沉空腔(4)的底面夹角在20～30°之间。

4.根据权利要求1所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的相变材料(7)为柠檬酸钠，磷酸钠，硝酸盐或石蜡。

5.根据权利要求1所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的热沉空腔(4)内设有正极金属圆柱体(11)和负极金属圆柱体(14)，且正极金属圆柱体(11)内开设有用于连接LED封装件(7)正极和驱动电路封装体正极的正极通道，负极金属圆柱体(14)内开设有用于连接LED封装件(7)负极和驱动电路封装体负极的负极通道。

6.根据权利要求1所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的热沉空腔(4)的底部设有金属基板(6)，且金属基板(6)的一面与热沉空腔(4)的底部相接触，另一面与LED封装件(7)相连，热沉空腔(4)的底部还设有用于聚光以及保护LED封装件(7)的光学透镜(8)。

7.根据权利要求6所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的热沉空腔(4)的底部加工有凹槽，金属基板(6)的一面通过螺钉与热沉空腔(4)底部的凹槽表面连接，且金属基板(6)的一面与热沉空腔(4)底部的接触面涂有减小接触热阻并提高换热能力的锡膏或硅脂；金属基板(6)的另一面通过硅脂或者共晶焊与LED封装件(7)相连。

8.根据权利要求7所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的凹槽边缘加工有高和宽相等的凹台，凹台内侧固定有光学透镜(8)，凹槽外侧设有用于固定光学透镜(8)的光学透镜固定件(5)。

9.根据权利要求8所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的驱动电路封装体的横截面积大于光学透镜固定件(5)的面积，凹槽内表面涂有反光材料或镀银。

10.根据权利要求1所述的相变蓄热式大功率LED路灯，其特征在于：所述的热沉空腔(4)的外壁设有两个与灯架相连的螺栓连接柱。