CN108167790A - 用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及led灯 - Google Patents

用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及led灯 Download PDF

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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

本公开提供一种用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯，包括：热沉基板，用于为发光器件散热，包括：开放式通道；亲水涂层，该亲水涂层表面生成有极性分子基团；以及连接层。本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，使得在超高热流密度下热沉能够及时补液，持续发生高强度复合相变换热，并通过连接层将发光器件与热沉基板形成一体式结构，消除了发光器件与热沉基板之间的界面热阻，进一步提高热沉的取热能力，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

Description

用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯
技术领域
本公开涉及相变换热技术领域，尤其涉及一种用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯。
背景技术
伴随着大功率LED光源微型化、集成化的发展趋势，LED光源的功率密度越来越高。例如，传统阵列LED灯珠光源的功率密度约为10W/cm2，采用荧光粉的COB集成LED单光源功率密度为20～50W/cm2，而目前最先进的采用块体荧光转换材料的COB集成LED单光源功率密度已达50～500W/cm2，由于LED芯片在工作时约有70％的电能会转化成热量，功率密度的不断提高会导致LED光源发热热流密度显著增大。可定义20～150W/cm2为高热流密度；当热流密度超过150W/cm2，已经超过常规尺寸表面发生池沸腾相变换热的临界热流密度，可定义为超高热流密度。若大功率LED光源工作时产生的高发热量不能被有效散去，将会导致LED芯片结温升高，导致光谱变化、光效降低、寿命缩短。因此，散热是大功率LED灯具应用必须解决的关键问题。
现有技术中利用微槽群复合相变散热器，在其取热热沉上构建尺寸在几十到几百微米的开放式微细通道阵列结构，其形成的毛细压力梯度可以驱动液体工质流动，并在通道内三相接触线区域促进扩展弯月面蒸发薄液膜的形成，在高热负荷条件下，会发生薄液膜蒸发和厚液膜区域内核态沸腾的复合相变换热，是一种典型的高性能被动式微尺度相变换热技术，能够被用来实现低热阻和小温差条件下的高换热系数和高热流密度的换热过程，目前的取热热流密度可达400W/cm2，是目前唯一可能适用于超高热流密度下LED灯具高效散热的被动式技术。
然而在实现本公开的过程中，本申请人发现，在超高热流密度条件下，随着热流密度的进一步升高，热沉的开放式微细通道阵列内的液体工质将变得极容易干涸，一旦液池内的液体工质没有及时补充到干涸处，则无法继续形成薄液膜和厚液膜区域，也就无法发生高强度的薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热，热沉的散热性能和可靠性大幅下降，限制了超高热流密度条件下微槽群复合相变散热器换热性能的进一步提高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯，以缓解现有技术中的LED灯中的热沉中开放式通道内的散热工质在超高热流密度条件下极容易干涸，无法及时补充到干涸处，从而无法发生高强度的薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热，限制了超高热流密度条件下散热器换热性能的进一步提高的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种用于超高热流密度下的光热集成器件，包括：热沉基板，用于为发光器件散热，包括：开放式通道，设置在所述热沉基板的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质沿所述开放式通道流动；以及亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团用于提高所述开放式通道的补液能力；以及连接层，设置在所述开放式通道所在板面的背面，用于连接热沉基板与所述发光器件。
在本公开的一些实施例中，所述开放式通道所在板面的背面设置有凹槽，用于嵌入所述连接层。
在本公开的一些实施例中，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置；其中N≥10。
在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的排列密度不小于5条/cm。
在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式通道的宽度介于20μm至5000μm之间；所述开放式通道的深度介于20μm至5000μm之间；两相邻所述开放式通道的间距介于20μm至5000μm之间；所述亲水涂层的厚度介于20nm至50μm之间；所述连接层的厚度介于1μm至1400μm之间。
在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。
在本公开的一些实施例中，其中：所述亲水涂层包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；所述极性分子基团包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；所述连接层包含：锡基焊料；所述热沉基板包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；其中所述热沉基板的导热系数不小于20W/m·K。
在本公开的一些实施例中，其中：所述连接层通过物理气相沉积、化学气相沉积或电镀的方法在所述热沉基板的表面生成；或所述连接层通过金属助焊层与所述热沉基板的表面连接；其中，所述金属助焊层包含：金、银、镍、铅、有机保焊剂中的至少一种。
根据本公开的另一个方面，还提供一种散热器，包括：中空散热腔体，用于盛放散热工质，其任一壁面上设置有连接开口；以及本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件，嵌合在所述连接开口中，且所述开放式通道朝向所述中空散热腔体内侧，利用所述散热工质的复合相变取走所述发光器件的热量，并耗散至环境中。
在本公开的一些实施例中，所述中空散热腔体的外侧设置有M个散热翅片，M个所述散热翅片沿所述中空散热腔体外壁的周向排列；其中M≥1。
在本公开的一些实施例中，所述散热翅片的表面设置有波纹，用于扩大所述散热翅片的对流散热面积。
在本公开的一些实施例中，其中：所述中空散热腔体包括：开口，设置在所述中空散热腔体的壁面上，用于向所述中空散热腔体内装入所述散热工质，和改变所述中空散热腔体内的真空度；以及密封件，与所述开口匹配设置，用于密封所述中空散热腔体；所述散热工质包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，所述中空散热腔体包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种，其中所述中空散热腔体的导热系数不小于20W/m·K。
根据本公开的再一个方面，还提供一种LED灯，包括：本公开提供的散热器，用于为所述LED光源散热；以及LED光源，与所述连接层连接。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，一旦局部热点出现干涸区域，在大毛细压力梯度的驱动下，散热工质迅速补充到干涸区，再次润湿开放式通道的表面，持续发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性；
(2)通过连接层将发光器件与热沉基板形成一体式结构，消除了发光器件与热沉基板之间的界面热阻，进一步提高了热沉的取热能力；
(3)通过设置凹槽，将连接层和发光器件沉入热沉基板内，使得连接层和发光器件固定更牢固；
(4)多条开放式通道并排设置，并且开放式通道的宽度、深度以及间距均介于20μm至5000μm之间，不仅增加了换热面积，更重要的是开放式通道的界面效应和尺寸效应会对散热工质的流动和相变换热性能产生超常的强化作用，使其表面发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，其理论最大取热热流密度可达到104W/cm2的数量级，相变换热系数达到106W/(m2·℃)的数量级，取热能力远大于具有常规尺寸表面的热沉；
(5)通过设置散热翅片，提高中空散热腔体与外界的接触面积，提高换热效率；
(6)通过在散热翅片上设置波纹，扩大散热翅片的对流散热面积，进一步提高换热效率。
附图说明
图1为本公开实施例用于超高热流密度下的光热集成器件中热沉基板的立体结构示意图。
图2为本公开实施例用于超高热流密度下的光热集成器件的主视示意图。
图3为本公开实施例用于超高热流密度下的光热集成器件的另一种结构的主视示意图。
图4a为图2或图3所示光热集成器件的局部放大示意图。
图4b为图2或图3所示光热集成器件的另一种结构的局部放大示意图。
图4c为图2或图3所示光热集成器件的再一种结构的局部放大示意图。
图4d为图2或图3所示光热集成器件的再一种结构的局部放大示意图。
图4e为图2或图3所示光热集成器件的再一种结构的局部放大示意图。
图5为本公开实施例散热器的结构示意图。
图6为本公开实施例散热器的另一种结构示意图。
图7为本公开实施例LED灯的结构示意图。
图8为本公开实施例LED灯的另一种结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-热沉基板； 20-连接层； 30-中空散热腔体；
40-散热工质； 50-LED光源；
11-开放式通道； 12-亲水涂层； 13-凹槽；
31-散热翅片； 32-开口； 33-密封件；
121-极性分子基团； 311-波纹。
具体实施方式
本公开实施例提供的用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯中，通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，进而提高了补液速度和能力，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开实施例用于超高热流密度下的光热集成器件中热沉基板的立体结构示意图。图2为本公开实施例用于超高热流密度下的光热集成器件的主视示意图。图3为本公开实施例用于超高热流密度下的光热集成器件的另一种结构的主视示意图。图4a为图2或图3所示光热集成器件的局部放大示意图。
根据本公开的一个方面，如图1-图4a所示，提供一种用于超高热流密度下的光热集成器件，包括：热沉基板10，用于为发光器件散热，包括：开放式通道11，设置在热沉基板10的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质50沿开放式通道11流动；以及亲水涂层12，设置在开放式通道11的表面，该亲水涂层12表面生成有极性分子基团121，亲水涂层12和极性分子基团121用于提高开放式通道11的补液能力；以及连接层20，设置在开放式通道11所在板面的背面；用于连接热沉基板10与发光器件，通过设置亲水涂层12以及亲水涂层12表面的极性分子基团121，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道11表面的润湿特性，大大增加开放式通道11内的毛细压力梯度，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，一旦局部热点出现干涸区域，在大毛细压力梯度的驱动下，散热工质50迅速补充到干涸区，再次润湿开放式通道11的表面，持续发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。
此外，通过连接层20将发光器件与热沉基板10形成一体式结构，消除了发光器件与热沉基板10之间的界面热阻，进一步提高了热沉的取热能力。
在本公开的一些实施例中，如图3所示，开放式通道11所在板面的背面设置有凹槽13，用于嵌入连接层20，通过设置凹槽13，将连接层20和发光器件沉入热沉基板10内，使得连接层和发光器件固定更牢固。
在本公开的一些实施例中，开放式通道11包括N条，N条开放式通道11并列设置；其中N≥10。
在本公开的一些实施例中，开放式通道11的排列密度不小于5条/cm，即沿多条开放式通道11的排列方向，每厘米长度内开放式通道11的条数不少于5条。
在本公开的一些实施例中，其中：开放式通道11的宽度介于20μm至5000μm之间；开放式通道11的深度介于20μm至5000μm之间；两相邻开放式通道11的间距介于20μm至5000μm之间；亲水涂层12的厚度介于20nm至50μm之间；连接层20的厚度介于1μm至1400μm之间，多条开放式通道11并排设置，并且开放式通道11的宽度、深度以及间距均介于20μm至5000μm之间，不仅增加了换热面积，更重要的是开放式通道11的界面效应和尺寸效应会对散热工质50的流动和相变换热性能产生超常的强化作用，使其表面发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，其理论最大取热热流密度可达到104W/cm2的数量级，相变换热系数达到106W/(m2·℃)的数量级，取热能力远大于具有常规尺寸表面的热沉。
图4b为图2或图3所示光热集成器件的另一种结构的局部放大示意图。图4c为图2或图3所示光热集成器件的再一种结构的局部放大示意图。图4d为图2或图3所示光热集成器件的再一种结构的局部放大示意图。图4e为图2或图3所示光热集成器件的再一种结构的局部放大示意图。
在本公开的一些实施例中，如图4a-图4e所示，开放式通道11的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。
在本公开的一些实施例中，其中：亲水涂层12包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；极性分子基团121包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；连接层20包含：锡基焊料；热沉基板10包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；其中热沉基板10的导热系数不小于20W/m·K。
在本公开的一些实施例中，其中：连接层20通过物理气相沉积、化学气相沉积或电镀的方法在热沉基板10的表面生成；或连接层20通过金属助焊层与热沉基板10的表面连接；其中，金属助焊层包含：金、银、镍、铅、有机保焊剂中的至少一种。
图5为本公开实施例散热器的结构示意图。图6为本公开实施例散热器的另一种结构示意图。
根据本公开的另一个方面，如图5-图6所示，还提供一种散热器，包括：中空散热腔体30，用于盛放散热工质50，其任一壁面上设置有连接开口；以及本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件，嵌合在连接开口中，且开放式通道11朝向中空散热腔体30内侧，利用散热工质50的复合相变取走发光器件的热量，并耗散至环境中。
在本公开的一些实施例中，如图5-图6所示，中空散热腔体30的外侧设置有M个散热翅片31，M个散热翅片31沿中空散热腔体30外壁的周向排列；其中M≥1，通过设置散热翅片31，提高中空散热腔体30与外界的接触面积，提高换热效率。
在本公开的一些实施例中，如图5-图6所示，散热翅片31的表面设置有波纹311，用于扩大散热翅片31的对流散热面积，通过在散热翅片31上设置波纹311，扩大散热翅片31的对流散热面积，进一步提高换热效率。
在本公开的一些实施例中，如图5-图6所示，
其中：中空散热腔体30包括：开口32，设置在中空散热腔体30的壁面上，用于向中空散热腔体30内装入散热工质40，和改变中空散热腔体30内的真空度；以及密封件33，与开口32匹配设置，用于密封中空散热腔体30；散热工质40包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，中空散热腔体30包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种，其中中空散热腔体30的导热系数不小于20W/m·K。
图7为本公开实施例LED灯的结构示意图。图8为本公开实施例LED灯的另一种结构示意图。
根据本公开的再一个方面，还提供一种LED灯，如图7-图8所示，包括：本公开提供的散热器，用于为LED光源40散热；以及LED光源40，与连接层20连接。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯通过设置亲水涂层12以及亲水涂层12表面的极性分子基团121，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道11表面的润湿特性，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，保证了超高热流密度下光热集成器件的高换热性能及高可靠性。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于超高热流密度下的光热集成器件，包括：
热沉基板，用于为发光器件散热，包括：
开放式通道，设置在所述热沉基板的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质沿所述开放式通道流动；以及
亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团用于提高所述开放式通道的补液能力；以及
连接层，设置在所述开放式通道所在板面的背面，用于连接热沉基板与所述发光器件。
2.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，所述开放式通道所在板面的背面设置有凹槽，用于嵌入所述连接层。
3.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置；
其中N≥10。
4.根据权利要求3所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，所述开放式通道的排列密度不小于5条/cm。
5.根据权利要求4所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其中：
所述开放式通道的宽度介于20μm至5000μm之间；
所述开放式通道的深度介于20μm至5000μm之间；
两相邻所述开放式通道的间距介于20μm至5000μm之间；
所述亲水涂层的厚度介于20nm至50μm之间；
所述连接层的厚度介于1μm至1400μm之间。
6.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。
7.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其中：
所述亲水涂层包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；
所述极性分子基团包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；
所述连接层包含：锡基焊料；
所述热沉基板包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；
其中所述热沉基板的导热系数不小于20W/m·K。
8.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其中：
所述连接层通过物理气相沉积、化学气相沉积或电镀的方法在所述热沉基板的表面生成；或
所述连接层通过金属助焊层与所述热沉基板的表面连接；
其中，所述金属助焊层包含：金、银、镍、铅、有机保焊剂中的至少一种。
9.一种散热器，包括：
中空散热腔体，用于盛放散热工质，其任一壁面上设置有连接开口；以及
如上述权利要求1至8中任一项所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，嵌合在所述连接开口中，且所述开放式通道朝向所述中空散热腔体内侧，利用所述散热工质的复合相变取走所述发光器件的热量，并耗散至环境中。
10.根据权利要求9所述的散热器，所述中空散热腔体的外侧设置有M个散热翅片，M个所述散热翅片沿所述中空散热腔体外壁的周向排列；
其中M≥1。
11.根据权利要求10所述的散热器，所述散热翅片的表面设置有波纹，用于扩大所述散热翅片的对流散热面积。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的散热器，其中：
所述中空散热腔体包括：
开口，设置在所述中空散热腔体的壁面上，用于向所述中空散热腔体内装入所述散热工质，和改变所述中空散热腔体内的真空度；以及
密封件，与所述开口匹配设置，用于密封所述中空散热腔体；
所述散热工质包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
13.根据权利要求9-11中任一项所述的散热器，所述中空散热腔体包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种，其中所述中空散热腔体的导热系数不小于20W/m·K。
14.一种LED灯，包括：
如上述权利要求9至13中任一项所述的散热器，用于为所述LED光源散热；以及
LED光源，与所述连接层连接。
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