CN106402749A - 一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率led灯及散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯及散热方法，包括LED芯片、脉动热管组件、蜂窝散热片、基板、充装管，所述脉动热管组件插接在蜂窝散热片里组成散热组件，该散热组件固定在基板上侧，所述脉动热管组件为封闭回路；所述充装管与所述封闭回路连通以向所述封闭回路中充入流动性工作介质；所述基板的下侧安装有LED芯片。本发明表面对流换热系数大，热流密度大，散热效率高，使用寿命长，可靠性好，且具备在较大角度较远距离的反重力方向传输热量。

Description

一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯及散热方法

技术领域

本发明涉及LED灯具散热领域，尤其涉及一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯及散热方法。

背景技术

作为新一代固态节能照明光源，LED以其体积小、耗电量低、使用寿命长、环保等优点，逐步运用于厂房、道路、各类场馆等重点照明场所。但是，随着LED向高光强、高功率、高热流密度方向发展，散热问题变得越来越突出。

目前市面上的LED灯大部分是采用翅片的传统热管的散热方法，该方法存在以下缺点：

主流的平板翅片虽然具有较大的传热面积，但是翅片的表面对流系数并不高，使得翅片到大气环境这个环节的热阻比例很大。同时，使用传统热管存在诸多缺点：首先，传热热管的最大传输功率比较小，一旦超过最大传输功率就热管就会蒸干，加热端温度就会急剧升高，如果要获得更大的功率，就需要使用直径更粗的热管，使得结构笨重，外形也不美观。其次，传统热管可靠性低，寿命短。传统热管强烈依赖高真空度。但是热管长期工作在高温环境下，不可避免产生不凝性气体，不凝性气体的存在，极大的影响传统热管的正常工作，随着时间推移，不凝气体增多，热管最终失效。最后，传统热管的状态或摆放方式受重力的影响非常大，无论传统热管是何种类型，热量都难以反重力方向传输，或者只能在极小的距离传输极小的功率，因此，一旦反重力传输，传统热管就丧失了意义。目前采用传统热管搭配散热片的方法，往往使得灯珠温度偏高，从致导致LED灯光衰强，寿命短，严重影响了LED的大范围推广使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯及散热方法，其表面对流换热系数大、热流密度大、散热效率高、使用寿命长、可靠性好。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其包括LED芯片、脉动热管组件、蜂窝散热片、基板、充装管，所述脉动热管组件插接在蜂窝散热片里组成散热组件，该散热组件固定在基板上侧，所述脉动热管组件为封闭回路；所述充装管与所述封闭回路连通以向所述封闭回路中充入流动性工作介质；所述基板的下侧安装有LED芯片。

优选地，所述脉动热管组件包括多组脉动单元，每组脉动单元均设有单元入口和单元出口，在前的脉动单元的单元出口与其相邻的在后的脉动单元的单元入口通过脉动单元间连接管段连接，最前一组脉动单元的单元入口和最后一组脉动单元的单元出口通过脉动热管首尾连接管段连接，所述充装管连接于该脉动热管首尾连接管段上。

优选地，所述脉动单元为螺旋或蛇形结构。

优选地，所述脉动单元均包括多个第一U型管，每个第一U型管均设有管入口和管出口，在前的第一U型管的管入口与其相邻的在后的第一U型管的管出口通过第二U型管连接，且最前的第一U型管的管入口和最后的第一U型管的管出口分别形成了对应的一组脉动单元的单元入口和单元出口。

优选地，所述第一U型管包括两个竖直管段以及连接两个竖直管段的弧形管段，所述两个竖直管段插接于蜂窝散热片中，所述弧形管段嵌入基板上侧设有的凹槽中。

优选地，所述第二U型管为刚性管段或柔性管段。

优选地，所述基板底部安装有透镜和灯罩；所述LED芯片位于透镜内，所述透镜位于灯罩内；所述基板上侧通过连接螺栓与六角铝柱固定连接，所述六角铝柱顶部通过连接螺栓与过渡板固定连接，所述过渡板上固定有一电源壳体，该电源壳体内安装有电源，所述电源壳体顶部固定有吊环，所述蜂窝散热片安装在基板和过渡板之间。

优选地，所述工作介质为超纯水、无水乙醇、氟利昂和丙酮中的一种。

本发明的另一目的还在于提供一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯散热方法，包括以下步骤；

S101：LED热量传递：LED芯片在工作过程中产生热量，热量通过LED热沉传递至基板，基板将热量传递至脉动热管组件的底部；

S102：工作介质汽化与冷凝：脉动热管组件底部受热后，所述工作介质和气体在所述脉动热管组件内形成间隔、长度不等的气塞和液塞，工作介质受热后由饱和液态汽化成饱和蒸汽，随着热量的不断输入，脉动热管组件底部的压力大于脉动热管组件顶部的压力，推动随机的气塞与液塞上行；饱和蒸汽在上升过程中不断与脉动热管组件顶部接触，将热量传递至脉动热管组件顶部放热凝结，造成脉动热管组件底部的压力小于脉动热管组件顶部的压力，受重力作用，气塞与液塞沿空腔内壁回流至脉动热管组件底部，实现工作介质的传热循环；

S103：蜂窝散热片自然对流散热：在步骤S102中，汽化后的工作介质在与脉动热管组件顶部接触的过程中不断将热量传递至蜂窝散热片，然后通过蜂窝散热片与空气形成自然对流散热。

优选地，在步骤S102中，对脉动热管组件内抽真空，向脉动热管组件充入工作介质时，充入工作介质的比例为脉动热管组件总容积的90％。

相比现有技术，本发明的有益效果至少如下：

(1)结合脉动热管的运行特点，通过工作介质在脉动热管内的往复振荡，快速把灯珠的热量散发到大气环境中。脉动热管传热热流密度大，提升传散热综合效率，相较传统热管运行稳定性好，可靠性高。能长时间工作在高温的环境中，即使产生了不凝性气体也可通过脉动热管特有的回路结构调节气液平衡，不会影响脉动热管的连续工作。

(2)脉动热管工作依靠的是内部气塞与液塞在加热与冷却的过程中形成的压力差以及表面张力，重力只是一个辅助作用力。因此，脉动热管式蜂窝散热器大功率LED灯在应用时，即使存在较大的倾斜角度，仍然能够保证连续传热，使LED灯稳定的运行，这一工作特性，特别适合于逆重力方向传输热量的场合。

(3)蜂窝散热片，通过其特有结构有效降低耗材使用量，减重和减少体积的同时大幅度增加了散热片面积，空气在蜂窝状竖直通道内形成的自然对流更容易发展成湍流，提升自然对流换热效率。因此，同等散热功率需求下，减小了散热片体积及重量；反之，相同的散热体积下，可以匹配更大功率的LED灯珠。从整灯效果上看，结构紧凑，减轻重量、外观协调。

附图说明

图1是本发明脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯的整体结构图；

图2是本发明蜂窝散热片的结构示意图；

图3是本发明脉动热管组件的结构示意图；

图4是本发明蜂窝散热片的俯视图；

图5是本发明脉动热管式蜂窝散热器的LED灯散热方法的流程示意图。

附图标记：100、灯罩；200、透镜；300、LED芯片；400、电源；500、吊环；600、第一U型管；610、竖直管段；620、第二U型管；630、脉动单元间连接管段；640、脉动热管首尾连接管段；650、充装管；700、蜂窝散热片；800、基板；810、连接螺栓；820、六角铝柱；900、过渡板；1000、电源壳体。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

请参见图1至图4，本发明涉及一种脉动热管式蜂窝散热器的

LED灯，包括LED芯片300、脉动热管组件、蜂窝散热片700、基板800、充装管650，该脉动热管组件插接在蜂窝散热片700里组成散热组件，该散热组件固定在基板800上侧，该脉动热管组件为封闭回路；充装管650与该封闭回路连通以向该封闭回路中充入流动性工作介质；该基板800的下侧安装有LED芯片300。在本实施中，该基板800为铝合金底板，蜂窝散热片700采用铝质材料制成，该工作介质为超纯水、无水乙醇、常用氟利昂和丙酮的常温热管工质的其中一种；超纯水为电阻率达到18MΩ*cm(25℃)的水。

为了达到更好的技术效果，在本实施例中，脉动热管组件包括多组脉动单元，每组脉动单元均设有单元入口和单元出口，在前的脉动单元的单元出口与其相邻的在后的脉动单元的单元入口通过脉动单元间连接管段630连接，最前一组脉动单元的单元入口和最后一组脉动单元的单元出口通过脉动热管首尾连接管段640连接，充装管650连接于该脉动热管首尾连接管段640上。在本实施例中，该脉动单元为螺旋型或蛇形结构。

为了达到更好的技术效果，在本实施例中，脉动单元均包括多个第一U型管600，每个第一U型管均设有管入口和管出口，在前的第一U型管600的管入口与其相邻的在后的第一U型管600的管出口通过第二U型管620连接，且最前的第一U型管600的管入口和最后的第一U型管600的管出口分别形成了对应的一组脉动单元的单元入口和单元出口。在本实施例中，该第二U型管620为刚性管段或柔性管段。

为了达到更好的技术效果，在本实施例中，第一U型管600包括两个竖直管段610以及连接两个竖直管段的弧形管段，所述两个竖直管段插接于蜂窝散热器中，所述弧形管段嵌入基板上侧设有的凹槽中。在本实施例中，每一组里的第一U型管数量为6个。

为了达到更好的技术效果，在本实施例中，基板800底部安装有透镜200和灯罩100；LED芯片300位于透镜200内，透镜200位于灯罩100内；基板800上侧通过连接螺栓810与六角铝柱820固定连接，六角铝柱820顶部通过连接螺栓810与过渡板900固定连接，该过渡板900上固定有一电源壳体1000，该电源壳体1000内安装有电源400，电源壳体1000顶部固定有吊环500，蜂窝散热片700安装在基板800和过渡板900之间。电源400固定在过渡板900的上面，确保电源与蜂窝散热器形成约30mm的距离，以便于减小空气自然对流的流动阻力，及时的把热量带走；使用吊环500方便装置挂起。

图5是本发明脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯散热方法的流程示意图。

如图5所示，本实施例提供一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯散热方法，包括以下步骤：

步骤S101：LED热量传递：LED芯片在工作过程中产生热量，热量通过LED热沉传递至基板，基板将热量传递至U型脉动热管组件；

步骤S102：脉动热管组件底部受热后，所述工作介质和气体在所述脉动热管组件内形成间隔、长度不等的气塞和液塞，工作介质受热后由饱和液态汽化成饱和蒸汽，随着热量的不断输入，脉动热管组件底部的压力大于脉动热管组件顶部的压力，推动随机的气塞与液塞上行；饱和蒸汽在上升过程中不断与脉动热管组件顶部接触，将热量传递至脉动热管组件顶部放热凝结，造成脉动热管组件底部的压力小于脉动热管组件顶部的压力，受重力作用，气塞与液塞沿空腔内壁回流至脉动热管组件底部，实现工作介质的传热循环；在步骤S102中，对脉动热管组件内抽真空，向脉动热管组件充入工作介质时，充入工作介质的比例为脉动热管组件总容积的90％；如充装R134A工作介质。

具体地，基板将热量传递至脉动热管组件的底部；脉动热管组件内部由于表面张力的原因，内腔形成串联的、随机分布的、相间的气塞与液塞。脉动热管组件底部受热后，工作介质开始由饱和液态汽化成饱和蒸汽，随着热量的不断输入，脉动热管组件底部内部饱和压力不断上升，汽塞不断膨胀，造成脉动热管组件底部的压力大于脉动热管组件顶部的压力，以此压力差作为驱动力，推动随机的气塞与液塞上行。在上升的过程中，热量不断地从蜂窝型散热片700散出去，饱和蒸汽在沿程进行潜热传递(次要的，约占总传热量的30％以下，饱和液体在沿程进行显热传递(主要的，约占总传热量的70％以上)。空气在蜂窝型散热器正6边形通道形成强烈的自然对流扰动，即“烟囱效应”。脉动热管组件底部的气塞经过膨胀后其内部的压力也在不断减小，顶部饱和蒸汽在上升冷却冷凝的过程中压力也在不断逐渐减小并不断收缩，冷凝液量不断增多，冷凝液的量累积到一定程度后，垂直方向，表面张力与重力(辅助作用)合力大于内部的饱和压力时，推动随机分布的汽塞与液塞下行，完成从热沉到大气环境一个周期的热量输运。

步骤S103：蜂窝散热器自然对流散热：汽化后的工作介质在与脉动热管组件顶部接触的过程中不断将热量传递至蜂窝散热器，然后通过蜂窝散热器与空气形成自然对流散热，提高散热效率；具体地，脉动热管组件内气塞与液塞在脉动热管组件内部膨胀、收缩、来回往复的振荡，在振荡的过程中把热量通过蜂窝散热器最终散至大气环境中。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，包括LED芯片、脉动热管组件、蜂窝散热片、基板、充装管，所述脉动热管组件插接在蜂窝散热片里组成散热组件，该散热组件固定在基板上侧，所述脉动热管组件为封闭回路；所述充装管与所述封闭回路连通以向所述封闭回路中充入流动性工作介质；所述基板的下侧安装有LED芯片。

2.根据权利要求1所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，所述脉动热管组件包括多组脉动单元，每组脉动单元均设有单元入口和单元出口，在前的脉动单元的单元出口与其相邻的在后的脉动单元的单元入口通过脉动单元间连接管段连接，最前一组脉动单元的单元入口和最后一组脉动单元的单元出口通过脉动热管首尾连接管段连接，所述充装管连接于该脉动热管首尾连接管段上。

3.根据权利要求2所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，所述脉动单元为螺旋或蛇形结构。

4.根据权利要求2所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，所述脉动单元均包括多个第一U型管，每个第一U型管均设有管入口和管出口，在前的第一U型管的管入口与其相邻的在后的第一U型管的管出口通过第二U型管连接，且最前的第一U型管的管入口和最后的第一U型管的管出口分别形成了对应的一组脉动单元的单元入口和单元出口。

5.根据权利要求4所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，所述第一U型管包括两个竖直管段以及连接两个竖直管段的弧形管段，所述两个竖直管段插接于蜂窝散热片中，所述弧形管段嵌入基板上侧设有的凹槽中。

6.根据权利要求4所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，所述第二U型管为刚性管段或柔性管段。

7.根据权利要求1所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，所述基板底部安装有透镜和灯罩；所述LED芯片位于透镜内，所述透镜位于灯罩内；所述基板上侧通过连接螺栓与六角铝柱固定连接，所述六角铝柱顶部通过连接螺栓与过渡板固定连接，所述过渡板上固定有一电源壳体，该电源壳体内安装有电源，所述电源壳体顶部固定有吊环，所述蜂窝散热片安装在基板和过渡板之间。

8.根据权利要求1所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯，其特征在于，所述工作介质为超纯水、无水乙醇、氟利昂和丙酮中的一种。

9.根据权利要求1-8任一所述的脉动热管式蜂窝散热器的大功率LED灯散热方法，其特征在于，包括以下步骤；

S101：LED热量传递：LED芯片在工作过程中产生热量，热量通过LED热沉传递至基板，基板将热量传递至脉动热管组件的底部；

S102：工作介质汽化与冷凝：脉动热管组件底部受热后，所述工作介质和气体在所述脉动热管组件内形成间隔、长度不等的气塞和液塞，工作介质受热后由饱和液态汽化成饱和蒸汽，随着热量的不断输入，脉动热管组件底部的压力大于脉动热管组件顶部的压力，推动随机的气塞与液塞上行；饱和蒸汽在上升过程中不断与脉动热管组件顶部接触，将热量传递至脉动热管组件顶部放热凝结，造成脉动热管组件底部的压力小于脉动热管组件顶部的压力，受重力作用，气塞与液塞沿空腔内壁回流至脉动热管组件底部，实现工作介质的传热循环；

S103：蜂窝散热片自然对流散热：在步骤S102中，汽化后的工作介质在与脉动热管组件顶部接触的过程中不断将热量传递至蜂窝散热片，然后通过蜂窝散热片与空气形成自然对流散热。

10.根据权利要求9所述的散热方法，其特征在于，在步骤S102中，对脉动热管组件内抽真空，向脉动热管组件充入工作介质时，充入工作介质的比例为脉动热管组件总容积的90％。