CN105190170B - 使用三维相变热传递的led灯冷却机构 - Google Patents

使用三维相变热传递的led灯冷却机构 Download PDF

Info

Publication number
CN105190170B
CN105190170B CN201480023800.3A CN201480023800A CN105190170B CN 105190170 B CN105190170 B CN 105190170B CN 201480023800 A CN201480023800 A CN 201480023800A CN 105190170 B CN105190170 B CN 105190170B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fin
evaporator
pcm
led light
led
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480023800.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105190170A (zh
Inventor
项晓东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of CN105190170A publication Critical patent/CN105190170A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105190170B publication Critical patent/CN105190170B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/70—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks
    • F21V29/71—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks using a combination of separate elements interconnected by heat-conducting means, e.g. with heat pipes or thermally conductive bars between separate heat-sink elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/20—Light sources comprising attachment means
    • F21K9/23—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings
    • F21K9/232—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings specially adapted for generating an essentially omnidirectional light distribution, e.g. with a glass bulb
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/20—Light sources comprising attachment means
    • F21K9/23—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings
    • F21K9/238—Arrangement or mounting of circuit elements integrated in the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V23/00—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices
    • F21V23/003—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being electronics drivers or controllers for operating the light source, e.g. for a LED array
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V23/00—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices
    • F21V23/06—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being coupling devices, e.g. connectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/51—Cooling arrangements using condensation or evaporation of a fluid, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/70—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks
    • F21V29/74—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks with fins or blades
    • F21V29/76—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks with fins or blades with essentially identical parallel planar fins or blades, e.g. with comb-like cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/70—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks
    • F21V29/74—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks with fins or blades
    • F21V29/76—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks with fins or blades with essentially identical parallel planar fins or blades, e.g. with comb-like cross-section
    • F21V29/767—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks with fins or blades with essentially identical parallel planar fins or blades, e.g. with comb-like cross-section the planes containing the fins or blades having directions perpendicular to the light emitting axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V3/00—Globes; Bowls; Cover glasses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

采用新型的使用相变材料的三维超导热热管理设计和延迟冷却来降低LED和其它装置内部的温度。该冷却机构使用具有中空鳍的鳍结构来将热量消散至环境。鳍内部的中空空间连接至一内部腔室，该内部腔室供应有液相‑气相相变材料(L‑V PCM)，用于将来自LED芯片的热量传递至中空鳍的表面。LED芯片安装在位于该腔室的底部处的蒸发器上。提供了液体存储器，且蒸发表面是亲水性的，通过另一芯结构来将L‑V PCM液体输送至蒸发表面。各鳍彼此平行并且平行于或垂直于蒸发表面。该结构具有出众的性能且制造成本低。

Description

使用三维相变热传递的LED灯冷却机构
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)以及其它高功率密度装置，诸如激光和计 算机芯片。具体来说，本发明涉及LED灯冷却机构。
背景技术
虽然发光二极管(LED)从电信到普通照明应用都有巨大的潜力，然而每 流明的成本仍然阻碍了LED在市场上的渗透。目前，照明市场主要以紧凑 型荧光灯(CFL)为主LED灯每流明成本必须迅速降低，以与紧凑型荧光灯 竞争。
一种实现LED灯价格降低目标而不显著改变装置制造成本的方式是提高 电流注入密度，例如2至4倍，从数十A/cm2量级至数百A/cm2量级。然而， 通过提高LED的驱动电流来提高装置的光功率输出可能由于发热增加而导 致两个问题。一个问题是“效率下降”结果，而另一个问题是“热失控” 结果。如果热不能正常地消散，较高的接合温度将导致该LED装置较低的 EQE(外部量子效率)，这将导致更高的温度，并最终导致了LED装置热失 效。因此，LED的热管理是降低LED灯成本而不显著改变LED芯片的制造成 本的关键问题。另外，将接合温度尽可能地保持低对于LED的寿命也是有 益的。总之，LED热管理对于降低接合温度，提高光功率输出和寿命是关键。
热传递过程遵循以下原则：
Q＝hAΔT
其中，Q是热传递功率(W)，h是热传递系数(W/(m2·K))，A是热通 过面积，以及ΔT是温度梯度或温差。不同的热传递机构的热传递系数是不 同的。由于不同热传递机构之间的h的显著差异，需要将热量均匀地分散 到不同的热通过区域，以实现有效的冷却系统。
图1示出一般的LED系统的热模型。该LED装置的系统热阻抗可以被 分成三个类别或阶段：R内,R中以及R外。R内包括LED芯片的热阻抗(R芯片)， 副安装结合的热阻抗(R结合)以及衬底和背面焊料的物质的热阻抗。R内主要 由芯片设计和制造该芯片中使用的材料来决定。R中指源自印刷电路板(PCB) 和导热界面材料(TIM)的热阻抗。R外涉及从TIM至大气的热阻抗。
图3示出LED灯结构，其采用常规冷却机构将来自LED芯片的热量发 散到环境。LED芯片301以及所需的PCB和TIM安装在冷却鳍结构303的表 面上并由盖302封装。鳍结构303由金属制成的多个实心盘形成。LED灯还 具有用于将其附连至常规照明装置的连接器305以及包含驱动LED芯片电 路的电源单元304。
与基于常规技术的被动式散热器的典型R内和R中、R外值相比较，通 常不能满足由高电流注入驱动的LED的应用要求。被动式散热器的热阻抗 由其较差的热匹配或散布引起。相变冷却系统，其通过在高温区域的相变 和在低温区域的逆相变将热量导走，可以显著地改进热散布。
在相变冷却系统中，广泛地使用一维热管和二维蒸汽室(vapor chamber)。两者都已经应用于LED的热管理中，例如兰金等人在热化学学 报(Thermochimica Acta)455,21-25(2007)(“金等人，2007”)的“Thermal analysis of LED array system with heatpipe”中所描述的；以及H.-S. 黄等人在实验传热学(Experimental Heat Transfer)22,26(2009)(“黄 等人，2009”)的“Experimental Investigation of Vapor Chamber ModuleAppl ied to High-Power Light-Emitting Diodes”中所描述的。这种系统 中，热管和蒸汽室用作热源与低温区域之间的散热器。如图2所示，在实 际应用中，热管和蒸汽室仍然需要与散热器连接。热管将来自热源的热量 通过一维相变热传递结构散布至散热器(参见图2(a))。与散热器连接 的热管的典型热阻抗为约5K/W(参见Kim等人，2007)。蒸汽室通过两维 相变热传递结构来散布热量(参见图2(b))。与散热器连接的二维蒸汽 室的典型热阻抗为3.2-4.9K/W(参见黄等人，2009)。
发明内容
散热器与环境空气之间的自然空气对流热传递系数通常为5至 25W/(m2K)，而相变过程的热传递系数在成千上万W/(m2K)量级。这意味着如 果使用自然空气对流冷却来冷却散热器，则散热器需要将热量从热源传递 到热源面积104-105倍的散热器。因此，高功率LED冷却系统的主要瓶颈是 散热器与大气环境之间不足的热传递。对于各类LED芯片，诸如目前可购 得的芯片、高级MQW芯片、高级DH芯片等，在各种输出功率下实现目标光 功率输出所要求的散热器表面积(Ahs)可以被计算出。例如，对于等同于 60瓦的LED灯具，在如下假设下，所要求的散热器表面积在数千cm2量级： 自然空气对流热传递系数为10W/(m2K)，且散热器与大气环境之间的温差 为10K。另外，实心散热器所需要的大表面积和厚度也增加了灯具的成本。 例如，对于高功率电子设备，实心散热器的通常成本范围在0.5-10美元。 如果在冷却系统中使用热管(一维或二维)，该冷却系统的成本可能大大 地提高至15-100美元(参见叶环宇等人的“A review of passive thermal management of LED module”，半导体期刊(J.Semicond.)，32,014008 (2011))。这种水平的成本在照明应用中是不可行的。
如上所讨论的，LED冷却系统中的散热器需要将热量从芯片传递至 104-105倍的更大面积。如果由目前一维热管或二维蒸发室执行热匹配，则 成本负担对于在照明中应用来说太重。因此，除了散热器之外，基于热管 或蒸发室的这些冷却系统需要辅助主动冷却系统，因为散热器不足以扩散 热。否则，在散热器的顶部与环境之间存在的温差范围从数十至一百K。
总之，本发明的发明人意识到为了在LED装置由高正向电流驱动时保 持接头温度，封装的LED灯具的系统水平热阻抗需要尽可能地降低，且R外 是LED灯具热管理中的主要瓶颈。因此，对于更高功率的LED灯具，需要 照明级别先进的冷却策略。如上所解释的，在开发该先进冷却策略中，关 键点是如何将热量从相对小的热通过面积(约1mm2)分散至大得多的面积 (约0.1m2)。
本发明旨在为LED灯具的热管理提供一种有效的散热策略，以增加LED 灯具的照明功率输出和寿命性能，同时显著地降低高功率LED灯具的冷却 系统的成本。此外，该发明可以应用于其它类似的高功率密度设备，包括 计算机主引擎芯片、激光二极管等。
使用了新型的三维“相变热交换”结构来将热量从高功率LED芯片和 其它高功率密度设备消散至大气。
本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述以及从该描述中部分 是明显的，或者可以通过实践本发明而得知本发明的附加特征和优点。本 发明的目标和其它优点通过在书面描述和其权利要求以及所附的附图中特 别指出的结构来实现或获得。
为了实现这些和其他优点，并根据如实施和广泛描述的本发明的目的， 本发明提供一种发光二极管(LED)灯，该LED包括：限定腔室的外壳结构； 其中，所述外壳结构包括实质上彼此平行布置的多个中空鳍，每个鳍包围 一中空空间，所述中空空间连接至所述腔室，所述中空空间和所述腔室形 成密封空间，其中所述外壳结构的平坦部分形成蒸发器；多个LED芯片， 所述多个LED芯片安装在所述蒸发器上并与所述蒸发器热接触；以及液相-气相相变材料(L-V PCM)，所述液相-气相相变材料(L-V PCM)布置在所 述腔室内。
附图说明
图1示意性示出LED灯具的典型热模型。
图2示意性示出使用热管和蒸汽室的LED冷却系统。
图3示意性示出LED灯具的常规冷却机构。
图4是带有根据本发明的第一实施例的冷却结构的LED灯具的示意图。
图5A示意性示出可以与本发明各实施例的冷却结构一起使用的LED灯 具的芯片区域蒸发器。
图5B示意性示出可以与本发明各实施例的冷却结构一起使用的LED灯 具的热块区域蒸发器。
图6A和6B是图4的实施例的两种变型的冷却结构的一部分的细节的示 意图。
图7是带有根据本发明的第二实施例的冷却结构的LED灯具的示意图。
图8是带有根据本发明的第三实施例的冷却结构的LED灯具的示意图。
图9是带有根据本发明的第四实施例的冷却结构的LED灯具的示意图。
图10是带有根据本发明的第五实施例的冷却结构的LED灯具的示意图。
图11是带有根据本发明的第六实施例的冷却结构的LED灯具的示意图。
图12示意性示出可用于本发明的各实施例中的冷却结构的三维外壳结 构和制造方法。
图12A是可用于本发明的各实施例中的冷却结构的另一种三维外壳结构 和制造方法。
优选实施例的详细描述
应理解，本文描述的各示例和各实施例仅仅是为了说明目的，本领域 的技术人员将获得启示来对其作出各种修改和变化，且这些修改和变化将 包含于本申请的精神和范围内以及所附权利要求书的范围内。
本发明的各实施例中，LED灯具采用带有中空鳍的鳍结构来将热量散布 至环境。鳍内部的中空空间连接至一腔室，该腔室供应有液相-气相相变材 料(L-V PCM)，用于将来自LED芯片的热量传递至鳍表面。
一些实施例中，LED芯片安装在不同的蒸发器上，包括芯片区域蒸发器 以及安装和热块蒸发器。芯片区域蒸发器使用镶嵌在安装块中的芯片的背 面作为蒸发表面。安装和热块蒸发器由厚度为约1-5mm的铜片制成且LED 芯片安装至铜片上。铜片将来自芯片区域(约1mm2)的热量分散至相对更 大的区域(约1至2cm2)。这两种类型的蒸发表面都被处理成亲水性表面。 蒸发器与LED芯片被封装在三维真空密封外壳中，该外壳形成一腔室。该 密封腔室可具有高真空度、中等真空度或低真空度。
所有实施例中，具有所需沸点(例如室温至100℃)的液相-气相相变 材料(L-VPCM)用于在LED灯具运行期间润湿蒸发表面。L-V PCM可以存 储在与三维外壳成一体的存储器中。也可采用其它纤维材料芯结构来使用 毛细管力以将L-V PCM从存储器输送至蒸发表面。蒸发器的亲水性表面将 L-V PCM均匀地分散以保持表面润湿。在高功率LED芯片运行期间，当蒸发 表面温度升高时，其可能超过液体的沸点，L-V PCM液体层蒸发并将热量从蒸发表面带走。由蒸发器携带的热量被传递至三维外壳的冷表面且该蒸汽 冷凝成液体。该液体然后通过重力或其它方法被传送回到L-V PCM存储器 或者蒸发表面，以继续循环。
一些实施例中，冷表面是容纳固相-液相PCM(S-L PCM)的容器的表面， 固相-液相PCM的熔化温度稍低于LED芯片所要求的最大工作温度。S-L PCM 容器包装在腔室内或者另一三维外壳内，它们的表面通过小间隙相互间隔 开。S-L PCM容器的表面可以涂覆有疏水薄膜以提高气相-液相的热交换系 数。S-L PCM容器可以具有平坦盘或者圆柱形几何形状，较佳地厚度薄或者 直径小。由此，蒸发表面和S-L PCM容器表面在可忽略的温差下热“短路”。 然后，蒸发表面上的热量被传递到S-L PCM容器的表面上并随着S-L PCM 材料熔化成液体而热存储在S-L PCM材料中。在LED灯具关闭之后，存储 在S-L PCM的热量通过自然空气对流消散至环境中。
图4示出(示意性剖视图)根据本发明的第一实施例的LED灯。中空 鳍结构405用于将热量消散至环境。鳍的外部形状是基本上彼此平行布置 的平坦盘，但每个鳍内部是中空的，且每个鳍的中空空间与LED灯的内部 空间(腔室)410流体/蒸汽连通。鳍结构405，也称为三维外壳，可以由 包围该中空空间的薄金属盘形成。每个鳍内部的中空空间是薄且宽的空间， 例如上至几毫米厚。腔室410和鳍405的中空空间形成密封空间，且在内 部供应L-VPCM 403。L-V PCM具有适于LED灯工作温度范围的沸点。可作 为L-V PCM使用的材料示例包括水，某些酒精等。
一些LED芯片401位于腔室410的底端。芯片401可以用作芯片区域 蒸发器，如图5A所详细示出。该结构中，LED芯片501A安装在安装块502A 的开口中，安装块502A约1至5mm厚。芯片501A和安装块502A的暴露于 腔室410内部的背面可以被处理成亲水性，以在运行过程中保持背面润湿。 芯片501A的各背面(每个大小约1mm2)用作相变热传递的蒸发器。
或者，如图5B所示，LED芯片501B可以安装在安装和热块502B的下 侧上，其中安装和热块502B的上侧暴露于腔室410的内部并用作蒸发器。 与图5A所示的蒸发器相比，图5B的热块区域蒸发器具有更大的蒸发表面， 其导致在蒸发器的表面上相对低的热功率密度。安装和热块蒸发器502B可 以由约1-5mm的铜片制成，但也可使用其它材料和厚度。安装和热块蒸发 器502B的背面被处理成亲水性。其可以将热量从约1mm2面积的LED芯片 501B散布至相对更大的蒸发面积(约1至2mm2)。
在两种类型的蒸发结构(图5A和5B)中，蒸发器是包围腔室410的三 维外壳的一部分。一些实施例中，安装块502A以及安装和热块502B可以 与鳍结构405一体制成。为了方便，图5A和5B所示的两种类型结构都称 为蒸发器。
L-V PCM(其较佳地在室温下为液体)被放置在L-V PCM存储器404内， 图4所示的示例中，该存储器404位于蒸发表面附近。可以使用不同的方 法，包括重力、毛细管力和泵送方法，来从存储器404散布液体并在蒸发 表面上持续地形成液体薄层403。如先前所提到的，安装块502A/502B和芯 片501A的上侧具有亲水性表面；可以采用其它芯结构或纤维材料来通过毛 细管作用将L-V PCM从存储器输送至蒸发表面。
在运行期间，当蒸发表面温度升高时，其可能超过L-V PCM的沸点， 薄液体层蒸发并将热量从蒸发表面带走。蒸汽填充腔室410和鳍结构的鳍 内部的中空空间，并在三维外壳405的冷内表面上冷凝回液体，将热量传 递至该冷表面。
图4中，上下指向箭头分别示意性指示蒸发和冷凝的总运动方向。可 以使用各种方法将冷凝后的液体返回到存储器，以在蒸发表面上连续地形 成薄液体层。一种设计中，如图6A所示(鳍结构的一部分的剖视图)，鳍 结构的鳍405A具有锥形形状，从而鳍的中空空间的内部表面不是水平的。 锥角可以例如是与水平成5-15度。该结构有助于冷凝后的液体在重力下向 下流或向下滴(如箭头所示意性指示)，以返回至存储器404和蒸发表面。 另一示例中，如图6B所示，在剖视图中，鳍405B仍彼此平行，但是各鳍 随着它们从腔室向外延伸而向上倾斜。该倾斜角度可以例如是与水平成 5-15度。液体可以从每个鳍的内圆形边缘向下流动和向下滴(如箭头所示 意性示出)，以返回至存储器404和蒸发表面。
图4实施例所示的LED灯(以及图7-11所示的LED灯)倾向于以所示 的定向使用，即机械和电连接器407位于顶部且可以拧入常规照明装置， 而LED芯片401位于下部且灯向下凸出穿过透明灯罩402，其面朝下。如果 LED灯旨在以其它定向使用，例如灯向上凸出或者横向于侧面凸出，则需要 修改。这种情形中，蒸发表面(LED芯片或安装块)将不位于腔室的底部， 而在顶部或其它地方。因此，将需要芯结构来将液态L-V PCM从腔室的底 部输送至蒸发表面。包括驱动LED芯片的电路的电源单元406可以位于任 何合适的位置。
如上所看到的，相变热交换方法用作热交换器以匹配芯片蒸发器的小 区域(图5A)或者安装和热块蒸发器(图5B)以及三维外壳405的对流冷 却表面的大尾部分的热阻抗而无任何固体或液体连接。由于蒸发的热交换 系数足够大来传递热量而三维外壳405从约1cm2面积至大得多的面积无显 著的温度升高，常规空气对流/液体对流方法足以将热量从大面积三维外壳 405消散而无显著高于环境温度的温度升高，LED装置接合与热量消散至其 的环境之间的总温差小。
图7示出根据本发明的第二实施例的LED灯。该结构在环境温度高于 LED芯片在照明工作期间所需的工作温度的情形中是有用的。该结构类似于 图4所示的结构，其中相同的部件标记相同的附图标记。LED芯片701、灯 罩702、L-V PCM 703、L-V PCM存储器704、鳍结构(三维外壳)705、电 源单元706以及机械和电连接器707。此外，在LED灯的内部空间710设置 含有固相-液相相变材料(S-L PCM)709的多个容器708。在工作期间，热 量通过L-VPCM 703从蒸发表面(LED芯片或者安装块)传递到容器708 的表面，在该容器的表面处冷凝。当S-L PCM温度升高至S-L PCM的熔化 温度，其熔化以吸收热量。由此，蒸发表面(LED芯片或安装块)的温度可 以基本恒定维持在稍高于S-L PCM 709熔化温度。S-L PCM 709选择成具有 接近(稍低于)LED芯片的最大所需工作温度的熔化温度。
较佳地，S-L PCM容器708尺寸小并且形状为盘或圆柱体，以提高容器 与L-V PCM蒸汽之间的接触面积。它们可以被放置在LED灯的内部空间710 内，如图7所示，在内部空间710中，盘或圆柱体垂直地布置，从而冷凝 的液体落回到蒸发器和存储器。或者，它们可以放置在不同的存储外壳内， 该存储外壳经由蒸汽管系和液体管系连接至内部空间710，L-VPCM蒸汽可 经由该蒸汽管系从内部空间710流至第二外壳，冷凝的L-V PCM液体经由 该液体管系流回到内部空间710。可使用合适的结构来在两个外壳之间循环 液体和蒸汽。
使用该结构，当环境温度高于S-L PCM的熔化温度时，在工作期间由 LED芯片产生的热临时存储在S-L PCM内部，并然后在夜间当环境温度下降 时消散至环境。
图8至11分别示出根据本发明的第三至第六实施例的四种LED灯。第 三实施例(图8)和第五实施例(图10)是第一实施例(图4)的变型。第 四实施例(图9)和第六实施例(图11)是第二实施例(图7)的变型。相 同的部件标记相同的附图标记且不再列举。第一(图4)和第二(图7)实 施例中，当灯以其将被使用的方式定向时，鳍结构405/705的中空鳍是实质上水平结构(术语实质上水平允许图6A和6B中所示的锥形和/或倾斜)。 例如，每个鳍形状可以为实质上水平平行于蒸发表面布置的环形盘。第三 至第六实施例中，当灯以它们将被使用的方式定向时，鳍结构的中空鳍 805/905/1005/1105为实质上垂直结构。例如，各鳍形状可以为垂直于蒸发 表面布置的同心嵌套管，或者它们可以是彼此平行且垂直于蒸发表面布置 的平坦盘。这些实施例中，因为它们的垂直中空鳍，L-V PCM在重力机理下 循环更便利。此外，位于鳍下方的外壳811/911/1011/1111的底侧可以朝 向中心稍微倾斜，以有助于冷凝后的液体流入存储器804/904/1004/1104 和蒸发表面。
图8-11所示的鳍结构(三维外壳)805/905/1005/1105的不同总体几 何形状适于各种应用环境。第三(图8)和第四(图9)实施例中的鳍结构 的总体形状为穹顶，即外鳍比内鳍短，而第五(图10)和第六(图11)实 施例中的鳍结构的总体形状为圆柱形，即各鳍具有相同高度。
上面各实施例中，鳍结构的各鳍内部是中空的。相比于图3所示的实 心鳍结构，这种结构的一个优点在于能够促进热量传递到鳍的表面，因为 L-V PCM蒸汽可以进入鳍内部的中空空间。另一个优点在于减少了用来制造 该鳍结构所需的材料(通常为金属，例如铝)量。图3所示的常规结构中， 鳍303需要具有一定厚度来允许足够的热量从鳍的底部传导到鳍的末梢； 因此，需要一定量的材料(金属)。在本文各实施例的中空鳍结构中，中 空鳍的材料片的厚度可以小至鳍的机械强度所允许的厚度，因为热量仅需 要从鳍的内表面传导至外表面并且不需要横向地从鳍的底部传导至鳍的末 梢。这减少了制造该鳍结构所需的材料量，并因此节省了材料成本和重量。
图12和12A示意性示出第一实施例和第二实施例的三维真空密封外壳 405/705的制造工艺的一个示例。该鳍结构由薄金属(例如铝)片材1201 制成，该薄金属片材形成为所要求的形状和通过接合结构接合在一起。为 了形成图4和7所示的鳍结构，在鳍是水平的情况下，金属片材被制成平 坦环形形状。为了形成图6A和6B所示的锥形或倾斜鳍结构，各金属盘制 成浅截头锥形形状。根据鳍的形状，各金属盘可以制成其它合适的形状。
如图12和12A所示，接合结构包括内环1203,1204和外环1202，其 较佳地由塑料制成。每隔一个片材1201(例如第一、第三、第五等)的外 周通过外密封环1202密封至其下方的片材的外周，且这样一对片材之间的 空间将形成中空鳍的中空空间。内环1203、1204在各片材之间在各片材内 周交错，形成一叠。在外周不密封在一起的两个片材1201之间布置的内环 1204是密封环，其将对应的内周密封在一起。在外周密封在一起的两个片 材1201之间布置的内环1203是为片材叠提供机械支撑的支撑环，且支撑 环上具有开口以允许蒸汽和液体在鳍的中空空间与内腔室1205之间流动。 注意，在图12中，其外周不密封在一起的相邻片材对的内周直接彼此接合 而无支撑环1204。可以使用合适的粘接材料将环1202、1203和1204粘接 至各片材1201。
可以通过将各片材和外环和/或内环顺序放置在彼此的顶部上并将它 们粘接在一起形成一叠来组装鳍结构。相比于由金属制成整个鳍结构，上 面的制造方法更节省成本而不弱化散热性能。
可以以类似方式来形成第三至第六实施例(图8-11)的鳍结构，使用 一组嵌套的具有不同直径的圆柱形金属片材并在管的上缘和下缘处在合适 的位置将它们与塑料环密封在一起。在其上缘通过密封环密封在一起的一 对相邻圆柱形片材将形成内部具有中空空间的鳍，且相邻的鳍通过位于它 们下缘的密封环彼此密封。
总之，在传统的热管或蒸发室中，主要材料是铜。这导致传统的热管 或蒸发室成本高。本发明的各实施例中，可以使用塑料环来成功地密封铝 片材。因为铝是相对便宜的材料且由于中空结构，对于高功率LED，这种三 维外壳的估计成本可以低至0.5至1.5美元。与实心散热器或者与实心散 热器连接的一维/二维热管相比，根据本发明各实施例的三维外壳实现了相 对低的成本和好得多的热匹配性能。
应理解，本文描述的各示例和各实施例仅仅是为了说明目的，本领域 的技术人员将获得启示来对其作出各种修改和变化，且这些修改和变化将 包含于本申请的精神和范围内以及所附权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种LED灯，其特征在于，所述LED灯包括：
限定腔室的外壳结构，
其中，所述外壳结构包括实质上彼此平行布置的多个中空鳍，每个鳍包围一中空空间，所述中空空间连接至所述腔室，所述中空空间和所述腔室形成密封空间，
其中所述外壳结构的平坦部分形成蒸发器，且所述蒸发器的蒸发表面是亲水性的；
多个LED芯片，所述多个LED芯片安装在所述蒸发器上并与所述蒸发器热接触；以及
L-V PCM，所述L-V PCM布置在所述腔室内；以及
布置在所述腔室中的多个容器，每个容器容纳固相-液相相变材料，所述L-V PCM与所述蒸发器表面直接接触以及所述L-V PCM与多个所述容器表面直接接触来实现三维相变散热的技术效果。
2.根据权利要求1所述的LED灯，其特征在于，进一步包括：
存储器，所述存储器相邻于所述蒸发器布置，用于在所述L-V PCM呈液态形式时保持所述L-V PCM；以及
芯结构或纤维材料，所述芯结构或纤维材料通过毛细管作用将所述L-V PCM从所述存储器输送至所述蒸发器的内表面，
其中所述蒸发器的内表面是亲水性的。
3.根据权利要求1所述的LED灯，其特征在于，所述蒸发器是金属盘且所述LED芯片安装在所述金属盘的外表面上。
4.根据权利要求1所述的LED灯，其特征在于，所述蒸发器包括具有多个开口的盘，其中所述LED芯片安装在所述开口中且每个LED芯片的后侧面向所述腔室。
5.根据权利要求1所述的LED灯，其特征在于，进一步包括：
连接器，所述连接器将所述LED灯机械和电连接至照明装置；
电源单元，所述电源单元具有用于驱动所述LED芯片的电路；以及
透明罩，所述透明罩布置在所述LED芯片上方。
6.根据权利要求1所述的LED灯，其特征在于，所述鳍形状为平坦或弯曲的环形盘并实质上平行于所述蒸发器的内表面布置。
7.根据权利要求6所述的LED灯，其特征在于，每个鳍包括两个环形金属片材和外塑料密封环，所述两个环形金属片材彼此平行布置，所述外塑料密封环将所述两个金属片材的外周密封在一起，以及其中相邻的鳍通过位于所述金属片材内周处的内塑料密封环彼此接合。
8.根据权利要求1所述的LED灯，其特征在于，所述鳍垂直于所述蒸发器的内表面布置。
9.根据权利要求8所述的LED灯，其特征在于，每个鳍包括两个嵌套的直径不同的圆柱形金属片材和上塑料密封环，所述上塑料密封环将两个金属片材的上缘密封在一起，以及其中相邻的鳍通过位于所述金属片材的下缘处的下塑料密封环彼此接合。
CN201480023800.3A 2013-04-24 2014-04-24 使用三维相变热传递的led灯冷却机构 Active CN105190170B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361854428P 2013-04-24 2013-04-24
US61/854,428 2013-04-24
PCT/US2014/035371 WO2014176465A1 (en) 2013-04-24 2014-04-24 Cooling mechanism for led light using 3-d phase change heat transfer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105190170A CN105190170A (zh) 2015-12-23
CN105190170B true CN105190170B (zh) 2019-10-22

Family

ID=51792396

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480023800.3A Active CN105190170B (zh) 2013-04-24 2014-04-24 使用三维相变热传递的led灯冷却机构

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10295167B2 (zh)
CN (1) CN105190170B (zh)
WO (1) WO2014176465A1 (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10578293B2 (en) * 2014-07-22 2020-03-03 Signify Holding B.V. Light source cooling body, light source assembly, a luminaire and method to manufacture a light source cooling or a light source assembly
CN105987364A (zh) * 2015-02-12 2016-10-05 蒋琰 发光二极管灯具3维相变散热方法及其装置
US9420644B1 (en) * 2015-03-31 2016-08-16 Frank Shum LED lighting
JP3203785U (ja) * 2015-06-24 2016-04-14 研晶光電股▲ふん▼有限公司 流体冷却式ランプ
CN105716046B (zh) * 2016-04-06 2020-05-19 广州市浩洋电子股份有限公司 一种全方位对流的主动型散热器及应用该散热器的舞台灯
WO2018034352A1 (ja) * 2016-08-19 2018-02-22 国立大学法人東北大学 潜熱蓄熱装置
US10054995B2 (en) 2016-10-27 2018-08-21 Microsoft Technology Licensing, Llc Additive manufactured passive thermal enclosure
CN106931382B (zh) * 2017-03-29 2023-03-21 华南理工大学 一种用于led车灯的散热元件及其制备方法
CN107191796B (zh) * 2017-06-15 2023-09-19 华南理工大学 一种大功率led散热灯及一种非均匀润湿性图案化表面的制备方法
USD878660S1 (en) 2018-11-14 2020-03-17 Biological Innovation & Optimization Systems, LLC Lighting fixture
CN110242868A (zh) * 2019-05-21 2019-09-17 深圳市海洋王照明工程有限公司 光源模组及led散热投光灯具
WO2024040136A1 (en) * 2022-08-16 2024-02-22 Guy Leath Gettle Coating for enhancing convective heat transfer
CN117308058B (zh) * 2023-10-10 2024-03-29 东莞莱姆森科技建材有限公司 一种uvc灯珠模组及带有该uvc灯珠模组的镜子柜

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5865244A (en) * 1997-03-25 1999-02-02 Behr America, Inc. Plastic header tank matrix and method of making same
CN1469700A (zh) * 2002-07-17 2004-01-21 仁宝电脑工业股份有限公司 具有储热器的散热模块
US7628512B2 (en) * 2005-10-26 2009-12-08 Pentair Water Pool And Spa, Inc. LED pool and spa light
CN101892905A (zh) * 2009-04-17 2010-11-24 通用电气公司 带有表面处理基底的热交换器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101986001B (zh) * 2009-07-28 2013-09-04 富准精密工业(深圳)有限公司 发光二极管灯具
US8378559B2 (en) * 2009-08-20 2013-02-19 Progressive Cooling Solutions, Inc. LED bulb for high intensity discharge bulb replacement
TW201204994A (en) * 2010-07-30 2012-02-01 Microbase Technology Corp Lighting device, cooling/heat dissipating system and its cooling module
US20120113641A1 (en) * 2010-11-10 2012-05-10 Bridgelux, Inc. Light modules connectable using heat pipes
US8934235B2 (en) * 2012-01-23 2015-01-13 Microsoft Corporation Heat transfer device with phase change material
US20140160762A1 (en) * 2012-12-07 2014-06-12 GE Lighting Solutions, LLC Diffuser element and lighting device comprised thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5865244A (en) * 1997-03-25 1999-02-02 Behr America, Inc. Plastic header tank matrix and method of making same
CN1469700A (zh) * 2002-07-17 2004-01-21 仁宝电脑工业股份有限公司 具有储热器的散热模块
US7628512B2 (en) * 2005-10-26 2009-12-08 Pentair Water Pool And Spa, Inc. LED pool and spa light
CN101892905A (zh) * 2009-04-17 2010-11-24 通用电气公司 带有表面处理基底的热交换器

Also Published As

Publication number Publication date
US20160102854A1 (en) 2016-04-14
WO2014176465A1 (en) 2014-10-30
CN105190170A (zh) 2015-12-23
US10295167B2 (en) 2019-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105190170B (zh) 使用三维相变热传递的led灯冷却机构
TWI529341B (zh) 照明總成及系統
CN100464411C (zh) 发光二极管封装结构及封装方法
CN102803842B (zh) 热管理设备
US9068701B2 (en) Lamp structure with remote LED light source
US20130162139A1 (en) Light emitting diode bulbs with high heat dissipating efficiency
US8564007B2 (en) Semiconductor component comprising an optically active layer, arrangement comprising a multiplicity of optically active layers and method for producing a semiconductor component
US8860288B2 (en) Modulized LED apparatus with enhanced heat dissipation
US20130155695A1 (en) Led lamp
CN102109128A (zh) 半导体光源工矿灯
CN103185246B (zh) 照明装置
US20140184050A1 (en) Lighting Apparatus
TWI491083B (zh) A light emitting diode with a superheat conduit can replace a universal platform
CN106524090A (zh) 大功率led散热用圆管式热管群散热器
CN201589142U (zh) 半导体光源工矿灯
CN105972454B (zh) 一种相变热管式大功率led灯及其散热方法
CN105987364A (zh) 发光二极管灯具3维相变散热方法及其装置
CN109882810B (zh) 全角度led投射灯的散热器装置
US11821599B2 (en) Vehicle lamp heat dissipation system
US20090201678A1 (en) Heat sink for semiconductor light sources
TWI593913B (zh) 發光模組
TWM394424U (en) Heat dissipation device of light source module
TWM329761U (en) Light module

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant