CN104235800A - 一种间歇性大功率led相变温控装置 - Google Patents

Abstract

一种间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：包括底部设有LED封装件的热沉，热沉采用热沉空腔或开设有N个腔体的热沉实体；若热沉采用热沉空腔，热沉空腔内布置有金属点阵，并在热沉空腔中填充熔点低于LED封装件正常工作温度的相变材料；热沉空腔的顶部设有若干散热翅片；若热沉采用热沉实体，每个腔体内填充熔点低于LED封装件正常工作温度的相变材料，热沉实体的外壁上设有若干散热翅片。该装置能够对间歇性大功率LED进行散热和温控，同时降低LED半导体节点温度，耗能低，且结构简单。

Description

一种间歇性大功率LED相变温控装置

技术领域

本发明涉及照明领域，特别涉及一种间歇性大功率LED相变温控装置。

技术背景

半导体发光二极管LED(Light Emitting Diode)由于具有发光效率高、寿命长和安全环保等优点，被称为第四代照明光源或者绿色光源。近年来，LED照明已经广泛地应用于手机闪光灯、显示器背光、标志牌和信号灯以及矿灯等特殊用途照明系统，鉴于LED的优点，其将在家用照明、汽车前照灯、舞台照明和建筑工地照明等大功率照明领域表现出巨大的潜力和前景。然而，LED发光属于固体发光，其原理是通过激发电子，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，是一种冷光源，故产生的热量不能通过辐射散出，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使发光的颜色发生改变并缩短了LED的寿命。研究表明，当温度超过一定值时，电子器件的失效率将呈指数规律攀升，温度每上升2℃，可靠性将下降10％。为了保证器件的寿命,LED的PN节的温度需要控制在110℃以下。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照明现有的冷却技术主要是通过导热将LED芯片产生的热量传递至灯壳再由自然对流带走进行冷却。文献[1][文献1：S.L.Lee,Z.H.Yang,Y.Hsyua,Cooling of a heated surface by mist flow,Journal of Heat Transfer,1994,116(1):167.]和专利CN2735548分别通过空气和矽油的强制对流冷却来降低LED芯片的温度，不足之处是所采用的主动冷却系统需要额外的能耗且可靠性差。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，压差较大并且冷却面容易产生腐蚀。专利CN101315927A公开了一种大功率LED相变散热装置，其原理是利用工质液气相变来实现热沉本体的热等温效应以降低LED芯片的温度，不足之处是液气相变体积变化大造成散热装置体积大且采用泡沫金属作为沸腾结构抑制了相变材料的自然对流。专利US20090322229A1公开了一种新型的LED照明装置，其原理是通过热管将LED芯片的热量传递到埋在地里的相变材料来降低LED芯片的温度，不足之处是这种结构使用场合有限，不利于推广。专利WO2009110987A1公开了一种用于LED灯的采用相变材料的热存储系统，其结构是将传统的金属散热器换成加工有容腔的热沉，在空腔内装有相变材料，利用相变材料熔化时吸热进行储能来降低LED芯片的温度，不足之处是相变材料的导热系数低，换热能力有限。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种间歇性大功率LED相变温控装置，该装置能够对间歇性大功率LED进行散热和温控，同时降低LED半导体节点温度，耗能低，且结构简单。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括底部设有LED封装件的热沉，热沉采用热沉空腔或开设有N个腔体的热沉实体；其中，N为大于等于1的整数；

若热沉采用热沉空腔，热沉空腔内布置有金属点阵，并在热沉空腔中填充熔点低于LED封装件正常工作温度的相变材料；热沉空腔的顶部设有若干散热翅片；若热沉采用热沉实体，每个腔体内填充熔点低于LED封装件正常工作温度的相变材料，热沉实体的外壁上设有若干散热翅片。

所述的金属点阵的阵点数目与LED封装件的数目相同，且金属点阵的每个阵点与对应的一个LED封装件位于同一直线上，该直与热沉底部垂直。

所述的金属点阵通过铸造或焊接的方式设在热沉空腔中。

所述的金属点阵为圆柱点阵、三棱柱点阵、立方棱点阵、六角棱点阵或四面体桁架点阵。

若热沉采用热沉空腔，金属点阵的总容积小于等于热沉空腔容积的15％；若热沉采用热沉实体，N个腔体的总容积小于等于热沉实体总体积的85％。

所述的相变材料为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡。

所述的热沉的顶部设有面积大于热沉横截面的密封端盖；若热沉采用热沉空腔，若干散热翅片焊接或机械加工在密封端盖上；若热沉采用热沉实体，若干散热翅片焊接或机械加工在热沉实体的外壁。

所述的密封端盖通过焊接、螺栓或胶结在热沉上。

所述的热沉的底部设有用于固定LED封装件的扩展板。

所述的扩展板通过焊接或者导热硅脂粘接在热沉的底面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的间歇性大功率LED相变温控装置是从LED间歇性工作的特点和相变材料导热系数低的特点出发，利用相变材料固液相变潜热换热量大，易于控制的特点，对间歇性大功率LED进行散热和温控，同时利用金属点阵材料的高导热系数和比表面积大的优势，使其作为相变材料熔化和凝固的骨架来强化熔化和凝固传热，降低LED半导体节点温度，并方便根据LED热功率大小和工作时间长短调节相变材料的填充量和优化散热结构，避免使用主动冷却等耗能冷却方案，减小系统的复杂性，降低了大功率LED的封装成本，有力推动其大规模产业化。

附图说明

图1为本发明第一种技术方案的结构示意图；

图2为图1中A-A的剖视图；

图3为本发明第二种技术方案的结构示意图；

图4为本发明第三中技术方案的结构示意图；

图5是间歇性工作的LED灯工作周期示意图；

其中，1、密封端盖，2、热沉，3、扩展板，4、LED封装件，5、金属点阵，6、相变材料，7、散热翅片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-3所示，本发明间歇性大功率LED相变温控装置包括底部设有LED封装件4的热沉2；热沉2采用热沉空腔；热沉空腔内铸造或焊接有高导热系数材料制成的竖直的金属点阵5，金属点阵5的总容积小于等于热沉空腔容积的15％；并在热沉空腔中填充熔点低于LED封装件4正常工作温度的相变材料6，且该相变材料为柠檬酸钠，磷酸钠，硝酸盐或石蜡；金属点阵5能够提高相变材料6的有效导热系数和增强腔内相变材料6的自然对流换热能力，从而提高相变潜热存储的响应速率。相变材料6的填充量可根据相变材料的热膨胀率和LED热功率及工作时间长短选择；其中，金属点阵5能够为圆柱点阵、三棱柱点阵、立方棱点阵、六角棱点阵或四面体桁架点阵；另外，热沉空腔的顶部通过焊接、螺栓或者胶结的连接方式固定有面积大于热沉空腔横截面的密封端盖1，目的是防止灰尘、雨水等杂物进入热沉空腔内污染相变材料6；密封端盖1上焊接或机械加工有若干平行排列的散热翅片7；热沉空腔的底部设有用于固定LED封装件4的扩展板3，扩展板3采用由高导热系数制成铜或者铝的薄扩展板；且扩展板3的一面通过焊接或者导热硅脂粘接在热沉空腔的底部；扩展板3的另一面通过共晶焊或者导热硅脂粘有LED封装件4，LED封装件4可以是一个或者方形排列或圆形排列的LED阵列。为了使导热路径最短，导热热阻最小，圆柱点阵5和LED封装件4布置在同一直线上，即当LED封装件4采用一个时，金属点阵5的阵点个数为1个，且LED封装件4与金属点阵5的阵点处在同一直线上，该直线与热沉空腔底部垂直；当LED封装件4采用LED阵列时，在金属点阵5的阵点数目与LED阵列的阵点相同的前提下，LED阵列的阵点与金属点阵5的阵点处在同一直线上，该直线与热沉空腔底部垂直。

进一步，若金属点阵5采用圆柱点阵时，本发明结构如图1和2所示，若金属点阵采用四面体桁架点阵时，本发明结构如图3所示，四面体桁架点阵能够使热量传递更加均匀，防止相变材料内部局部过热。

如图3所示，本发明间歇性大功率LED相变温控装置包括底部设有LED封装件4的热沉2；热沉2采用热沉实体；热沉实体内铸造或者机加工有N个圆柱状的腔体，N为大于等于1的整数；N个圆柱状腔体的总容积小于等于热沉实体总体积的85％；每个腔体的轴线与热沉实体的底部垂直；每个腔体内填充熔点低于LED封装件4正常工作温度的相变材料6，热沉实体的外壁上设有若干散热翅片7；且该相变材料为柠檬酸钠，磷酸钠，硝酸盐或石蜡；热沉实体的顶部设有面积大于热沉实体横截面的密封端盖1，目的是防止灰尘、雨水等杂物进入热沉实体内的空腔中污染相变材料6；密封端盖1通过焊接、螺栓或胶结在热沉实体上；热沉实体的外壁上焊接或机械加工有增加换热面积的若干散热翅片7，且若干散热翅片7绕热沉实体外壁的周向上排列；热沉空腔的底部设有用于固定LED封装件4的扩展板3，扩展板3采用由高导热系数制成铜或者铝的薄扩展板；且扩展板3的一面通过焊接或者导热硅脂粘接在热沉空腔的底部；扩展板3的另一面通过共晶焊或者导热硅脂粘有LED封装件4，LED封装件4可以是一个或者方形排列或圆形排列的LED阵列。为了使导热路径最短，导热热阻最小，圆柱形腔体的个数和分布由LED封装件的个数和布局方式决定，因此LED封装件4分布在圆柱形腔体交接处(即圆柱点阵5和LED封装件4布置在同一直线上)，即当LED封装件4采用一个时，腔体的个数为1个，且LED封装件4与腔体处在同一直线上，该直线与热沉空腔底部垂直；当LED封装件4采用LED阵列时，在腔体的个数与LED阵列的阵点数目相同的前提下，LED阵列的阵点与金属点阵5的阵点处在同一直线上，该直线与热沉空腔底部垂直。

图5是间歇性工作的LED工作周期示意图。当LED封装件4开的时候，对应的是相变材料6由固态熔化成液态，将LED封装件的散热转变为相变潜热，且在相变过程中温度始终保持不变；当LED封装件4关的时候，对应的是相变材料6由液态凝固成固态，将蓄存的热量通过散热装置散失到环境中。并且可以根据相变材料6的热膨胀率及潜热和LED的工作功率利用热平衡的思想方便地计算出相变材料6的填充量，使相变材料6完全熔化时LED封装件工作停止。

以上所述仅是本发明的较佳实施方案而已，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)

1.一种间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：包括底部设有LED封装件(4)的热沉(2)，热沉(2)采用热沉空腔或开设有N个腔体的热沉实体；其中，N为大于等于1的整数；

若热沉(2)采用热沉空腔，热沉空腔内布置有金属点阵(5)，并在热沉空腔中填充熔点低于LED封装件(4)正常工作温度的相变材料(6)；热沉空腔的顶部设有若干散热翅片(7)；若热沉(2)采用热沉实体，每个腔体内填充熔点低于LED封装件(4)正常工作温度的相变材料(6)，热沉实体的外壁上设有若干散热翅片(7)。

2.根据权利要求1所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的金属点阵(5)的阵点数目与LED封装件(4)的数目相同，且金属点阵(5)的每个阵点与对应的一个LED封装件(4)位于同一直线上，该直与热沉底部垂直。

3.根据权利要求1所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的金属点阵(5)通过铸造或焊接的方式设在热沉空腔中。

4.根据权利要求1或3所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的金属点阵(5)为圆柱点阵、三棱柱点阵、立方棱点阵、六角棱点阵或四面体桁架点阵。

5.根据权利要求1间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：若热沉采用热沉空腔，金属点阵(5)的总容积小于等于热沉空腔容积的15％；若热沉采用热沉实体，N个腔体的总容积小于等于热沉实体总体积的85％。

6.根据权利要求1所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的相变材料(6)为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡。

7.根据权利要求1所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的热沉(2)的顶部设有面积大于热沉(2)横截面的密封端盖(1)；若热沉(2)采用热沉空腔，若干散热翅片(7)焊接或机械加工在密封端盖(1)上；若热沉(2)采用热沉实体，若干散热翅片(7)焊接或机械加工在热沉实体的外壁。

8.根据权利要求7所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的密封端盖(1)通过焊接、螺栓或胶结在热沉(2)上。

9.根据权利要求1所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的热沉(2)的底部设有用于固定LED封装件(4)的扩展板(3)。

10.根据权利要求1所述的间歇性大功率LED相变温控装置，其特征在于：所述的扩展板(3)通过焊接或者导热硅脂粘接在热沉(2)的底面。