CN107120542A - 一种大功率led灯的散热装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种涉大功率LED灯的散热装置及方法，LED面光源由陶瓷基板和大功率LED芯片组成，陶瓷基板的下表面固定连接电堆的上端，电堆的下端与散热冷板的上表面固定连接，散热冷板的正下方连接散热风扇；电堆由多个P型半导体和多个N型半导体交错串接且来回往复排布组成，相邻的P型半导体和N型半导体的上端或下端之间通过一个片状导体串接，电堆的首端和末端分别经导线连接散热补偿控制器，散热补偿控制器分别连接热电偶传感器和散热风扇，当电堆温差较小时，电堆主要发挥的是发电功能，当LED面光源温度过高时，电堆对LED面光源起到制冷的作用。

Description

一种大功率LED灯的散热装置及方法
技术领域
本发明涉及功率大于0.5W以上的大功率LED灯领域，具体是大功率LED灯的散热装置。
背景技术
LED是能将电能转化为光能的半导体电子元件，但由于LED电光转换效率仅在20-30%，而70-80%的电转换成了热能。如果LED芯片温度过高，将影响发光效率，减少LED的寿命，增大LED的失效率，因此要解决大功率LED车灯的散热问题。
现有的大功率LED灯散热方式主要有两种：（1）改善LED内部芯片的质量，降低单颗放热量，提高发光效率；（2）改善大功率LED外部的散热设计，配备合理的散热装置。第一种散热方式由于目前LED电光转换效率维持在20-30%，对LED芯片质量的改善难以突破电光转换效率的限制；第二种散热方式是用的较多的散热方式。目前，LED灯散热方式又可以分为四种：散热片自然散热、加装风扇强制散热、回路热管散热和半导体制冷散热，其中，半导体制冷是利用帕尔贴（Peltier）效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两种金属接头之间将产生温差。例如：中国专利公开号为CN203147378U、名称为“基于半导体制冷散热的大功率LED灯具”的文献中公开的LED灯具就是利用半导体制冷散热，但该灯具并没有充分利用半导体制冷片（PN型半导体片），且不具有节能的效果。PN半导体制冷片是由多个制冷元件组合成电堆，通过串并联的方法组合而成的，其功率可以做的很大，能够达到几毫瓦到上万瓦的范围。PN半导体制冷片如果反向使用，就可以实现温差发电。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有大功率LED灯散热存在的问题，提出一种大功率LED灯的节能散热装置及该装置的散热方法，充分利用热源发电实现节能，降低了大功率LED灯的工作温度。
本发明一种大功率LED灯的散热装置采用的技术方案是：包括固定连接面光源的固定支架，LED面光源由陶瓷基板和大功率LED芯片组成，陶瓷基板的上表面设有热电偶传感器，陶瓷基板的下表面固定连接电堆的上端，电堆的下端与散热冷板的上表面固定连接，散热冷板的正下方连接散热风扇； 电堆由多个P型半导体和多个N型半导体交错串接且来回往复排布组成，相邻的P型半导体和N型半导体的上端或下端之间通过一个片状导体串接，每个P型半导体和N型半导体均是长方体状且均垂直于陶瓷基板的上表面和散热冷板的上表面，电堆的首端和末端分别经导线连接散热补偿控制器，散热补偿控制器分别连接热电偶传感器和散热风扇，电堆的首端和末端之间串接二极管和散热风扇。
所述大功率LED灯的散热装置的散热方法采用的技术方案是：当热电偶传感器检测到LED面光源10的温度小于100℃时，电堆发电，电能输入散热补偿控制器，散热补偿控制器利用电堆的电能给散热风扇供电，驱动散热风扇运转；当热电偶传感器检测到LED面光源的温度达到100℃，散热补偿控制器同时给电堆和当热电偶传感器供电，电堆制冷，LED面光源在电堆和散热风扇的共同作用下散热。
本发明采用上述技术方案后体现的优点是：本发明利用了PN型半导体片的帕尔帖（Peltier）效应和塞贝克（Seebeck）效应可以互逆的特性，由多个N、P型半导体组成电堆，将大功率LED面光源的陶瓷基板直接贴在电堆上，减少了热阻。另外，本发明还利用电堆的制冷、加热和发电的功能，利用发电和制冷可逆的特性，实现装置的节能和强效制冷两种工作模式，当电堆温差较小时，产生的电流较小，电堆主要发挥的是发电功能，当LED面光源温度过高时，电堆对LED面光源起到制冷的作用，保证LED面光源的温度不会太高，解决了对于大功率LED灯自然散热能力不足以及半导体制冷片的利用不充分与加装风扇强制散热不节能的问题，实现大功率LED灯高效节能散热，延长了LED灯的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种大功率LED灯的节能散热装置的立体结构示意图；
图2为图1的爆炸图；
图3为图1的主视剖视图；
图4为图2中多个N、P型半导体组成的电堆的结构放大图；
图5为图1与外部电路连接示意图；
图中：00.固定支架；01.通孔；10. LED面光源；11. LED芯片；12.陶瓷基板；13.热电偶传感器；20.电堆；21.导体；22. P型半导体；23. N型半导体；24、25.导体引出端；30.陶瓷涂层；40.散热冷板；50.散热风扇；60.散热补偿控制器。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，本发明具有一个固定支架00，用以固定LED面光源10（即LED灯）。固定支架00为方形注塑件，在固定支架00的正中间开设与LED面光源10外形相匹配的通孔，LED面光源10便安装在此通孔中，位于固定支架00的正中间。在LED面光源10的正下方是多个N型半导体和P型半导体组成的电堆20，电堆20的正下方是散热冷板40，散热冷板40的正下方是散热风扇50。
LED面光源10由陶瓷基板12和以阵列形式排布的多颗大功率LED芯片11组成，大功率LED芯片11黏结或焊接在陶瓷基板11的上表面上。LED面光源10也可以直接使用COB封装的大功率LED灯。在陶瓷基板12的上表面上固定安装热电偶传感器13，热电偶传感器13采用焊接或黏结的方式固定在陶瓷基板12的上表面中心位置处，热电偶传感器13用来实时监测陶瓷基板12顶面的温度变化。
电堆20的上端与陶瓷基板12的下表面固定连接，电堆20的下端与散热冷板40的上表面固定连接，连接时，在陶瓷基板12的下表面和散热冷板40的上表面均设置凹槽，电堆20的上下两端分别嵌入在陶瓷基板12和散热冷板40的凹槽中。
在散热冷板40的上表面涂有陶瓷涂层30，陶瓷涂层30是通过喷瓷工艺形成的厚度为0.1~0.2mm的涂层，该陶瓷涂层30与电堆20相接触，起绝缘作用。
固定支架00的四角设有通孔01，在通孔01处用螺钉将固定支架00、LED面光源10和电堆20整体固定连接在散热冷板40上。电堆20的引线两端分别是导体引出端24和导体引出端25，导体引出端24和导体引出端25能从固定支架00下表面与散热冷板40上表面之间引出到外部。固定支架00下表面与散热冷板40上表面贴合在一起。
散热冷板40是采用多翅片的铝材或铜材制成，散热冷板40的下表面开有螺孔，用于固定散热风扇50。散热风扇50紧贴在翅片的底部，散热风扇50通过长螺钉固定在散热冷板40的底部。
参见图3和图4，电堆20由多个P型半导体22和多个N型半导体23交错串接组成，串接后的P型半导体22和N型半导体23来回往复排布成如图4所示的方形的电堆20。电堆20的首端和末端分别是导体引出端24和导体引出端25。相邻的P型半导体22和N型半导体23之间间隔0.5mm。P型半导体22和N型半导体23的数量相同，数量是根据LED面光源10的外形尺寸而定。P型半导体22和N型半导体23本身均是长方体状，大小均为1.5×1.5×2.5mm，其中上下高度为2.5mm，长宽均为1.5mm，P型半导体22和N型半导体23均垂直于陶瓷基板12的上表面和散热冷板40的上表面。P型半导体22和N型半导体23串接时，相邻的P型半导体22和N型半导体23的上端或下端之间各通过一个片状导体21相串接，片状导体21与P型半导体22和N型半导体23均固定连接，片状导体21的两端分别覆盖在P半导体22和N型半导体23的下端面和上端面上。上端的片状导体21嵌入在陶瓷基板12下表面的凹槽中，下端的片状导体21嵌入在散热冷板40上表面的凹槽中，陶瓷涂层30与上端的片状导体21相接触上的陶瓷涂层30与下端的片状导体21相接触，凹槽的尺寸与片状导体21的尺寸相匹配。
为了减小热阻，在上端的片状导体21的上表面和下端的片状导体21的下表面涂有一层导热硅脂，减小与LED面光源10的陶瓷基板12和散热冷板40上的陶瓷涂层30接触面之间的空隙。
参见图5，电堆20的首端和末端的导体引出端24和导体引出端25分别经导线连接外部的散热补偿控制器60，散热补偿控制器60经信号线连接热电偶传感器13，热电偶传感器13将检测到LED面光源10的温度变化的电信号传送给散热补偿控制器60。散热补偿控制器60经控制线连接散热风扇50，控制散热风扇50的启停。在电堆20的导体引出端24和导体引出端25之间串接二极管D1和散热风扇50。二极管D1用于单相导通，当LED面光源10点亮到温度稳定的过程中，电堆20上下两侧面会产生温差，因此，电堆20温差的变化导致电堆20电流的变化。
当大功率LED面光源10点亮后，由于其功率较大所以升温相对较快，使得电堆20与LED面光源10接触处的温度较高，而与散热冷板40接触处的温度较低，因此电堆20的上下两端产生温差，由于热阻的影响，电堆20上下两端面一直存在温差，因塞贝克效应，在电堆20回路中产生电流。当热电偶传感器13检测到LED面光源10的温度小于100℃时，将检测到的温度信号输入到散热补偿控制器60，电堆20能维持长时间的发电，电堆20的电能输入散热补偿控制器60，散热补偿控制器60利用电堆20的电能给散热风扇50供电，驱动散热风扇50运转。散热风扇50加快散热冷板40表面的空气流动，提高自然散热能力，如此充分利用电堆20产生的电流，配合散热补偿控制器60驱动散热风扇50运转，达到节能效果。
当热电偶传感器13检测到LED面光源10的温度达到100℃，热电偶传感器13将检测到的温度信号输入到散热补偿控制器60，此时，单靠散热风扇50的散热无法快速降温，散热补偿控制器60便反向供电，经导体引出端24和导体引出端25给电堆20供电，根据帕尔帖效应，电堆20作为半导体制冷片使用，利用电堆20的制冷功能，使LED面光源10降温，同时散热补偿控制器60给散热风扇50供电，由于二极管D1的单相导通的作用，可以截止供给散热风散50的电流流向电堆20，起到保护作用，LED面光源10在电堆20和散热风扇50的共同作用下散热，效果更好，使热量及时散出，达到强效制冷的效果。

Claims (8)

1.一种大功率LED灯的散热装置，包括固定连接LED面光源（10）的固定支架（00），LED面光源（10）由陶瓷基板（12）和大功率LED芯片（11）组成，其特征是：陶瓷基板（12）的上表面设有热电偶传感器（13），陶瓷基板（12）的下表面固定连接电堆（20）的上端，电堆（20）的下端与散热冷板（40）的上表面固定连接，散热冷板（40）的正下方连接散热风扇（50）；电堆（20）由多个P型半导体（22）和多个N型半导体（23）交错串接且来回往复排布组成，相邻的P型半导体（22）和N型半导体（23）的上端或下端之间通过一个片状导体（21）串接，每个P型半导体（22）和N型半导体（23）均是长方体状且均垂直于陶瓷基板（12）的上表面和散热冷板（40）的上表面，电堆（20）的首端和末端分别经导线连接散热补偿控制器（60），散热补偿控制器（60）分别连接热电偶传感器（13）和散热风扇（50），电堆（20）的首端和末端之间串接二极管和散热风扇（50）。
2.根据权利要求1所述的一种大功率LED灯的散热装置，其特征是：片状导体（21）的两端分别覆盖在P半导体（22）和N型半导体（23）的下端面和上端面上，上端的片状导体（21）嵌在陶瓷基板（12）下表面的凹槽中，下端的片状导体（21）嵌在散热冷板（40）上表面的凹槽中。
3.根据权利要求1所述的一种大功率LED灯的散热装置，其特征是：散热冷板（40）的上表面涂有陶瓷涂层（30），陶瓷涂层（30）与下端的片状导体（21）相接触。
4.根据权利要求1所述的一种大功率LED灯的散热装置，其特征是：固定支架（00）的正中间是LED面光源（10），固定支架（00）下表面与散热冷板（40）上表面固定贴合在一起。
5.根据权利要求1所述的一种大功率LED灯的散热装置，其特征是：散热风扇（50）紧贴在散热冷板（40）的底部。
6.根据权利要求1所述的一种大功率LED灯的散热装置，其特征是：相邻的P型半导体（22）和N型半导体（23）之间间隔0.5mm，P型半导体（22）和N型半导体（23）的上下高度为2.5mm，长宽均为1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种大功率LED灯的散热装置，其特征是：上端的片状导体（21）的上表面和下端的片状导体（21）的下表面均涂有一层导热硅脂。
8.一种如权利要求1所述的大功率LED灯的散热装置的散热方法，其特征是：当热电偶传感器（13）检测到LED面光源（10）的温度小于100℃时，电堆（20）发电，电能输入散热补偿控制器（60），散热补偿控制器（60）利用电堆（20）的电能给散热风扇（50）供电，驱动散热风扇（50）运转；当热电偶传感器（13）检测到LED面光源（10）的温度达到100℃，散热补偿控制器（60）同时给电堆（20）和当热电偶传感器（13）供电，电堆（20）制冷，LED面光源（10）在电堆（20）和散热风扇（50）的共同作用下散热。
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