CN108644631A - 石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外led光源模组 - Google Patents

石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外led光源模组 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体照明器件技术领域，具体为石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组。本发明紫外LED光源模组包括液态金属散热装置以及高功率密度紫外LED光源模块；所述散热装置采用石墨烯掺杂液态金属作为冷却工质；所述紫外LED光源模块功率密度达到300 W/cm2以上，峰值波长为200~405 nm；所述液态金属散热的紫外LED光源模组可以作为单元进行拼接，从而组合成更大尺寸的紫外光源。由于石墨烯具有卓越的导热性能，因此石墨烯掺杂的液态金属散热装置具有更好的散热能力，能够满足高功率密度紫外LED光源模块对散热的高要求。

Description

石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组。
背景技术
近年随着半导体照明技术的发展，紫外LED在光固化、光合成等领域得到了越来越多的发展和应用。由于这些领域的工业生产需要高强度的紫外辐射，因此所使用的紫外LED系统必须满足高功率密度要求。紫外LED光源模块的输入电功率为P，LED芯片的发光面积为A，则输入电功率密度P'=P/A。当输入电功率P≥100 W，依据功率密度P'的大小来划分，P'≤20 W/cm2为低功率密度，20<P'≤100 W/cm2为中功率密度，100<P'≤300 W/cm2为大功率密度，P'>300 W/cm2为高功率密度。而限制紫外LED设备的功率密度提高的主要因素就是散热。目前常用于高功率密度紫外LED的散热方式是水冷，但作为冷却工质，水的热导系数只有0.60 W/(m·K)较低，并不能满足更高要求的紫外LED光源、灯具和设备。
液态金属散热是近年兴起的一种散热方式。液态金属的热导系数可达30 W/(m·K)，是水的热导系数的30倍，因此液态金属散热比水冷有更高的散热效率。液态金属散热已逐渐应用于电脑CPU散热器。在液态金属中掺杂高热导系数的物质，如银颗粒、碳纳米管等材料，可以提高流体的整体热导系数。
专利CN2005101146213公开了一种在流动过程中换热系数为100-1000W/(cm2·℃)的纳米金属流体，以液态金属为溶剂，纳米颗粒为溶质。纳米颗粒为金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒；所述非金属纳米颗粒为碳纳米管、石墨材料纳米颗粒、硼纳米颗粒、硅纳米颗粒、锗纳米颗粒或砷纳米颗粒。
石墨烯具有超高的热导系数，其导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的热导系数为3000W/(m·K)，而单层石墨烯热导系数可达5300 W/(m·K)。石墨烯具有高的热导系数和电导率，将石墨烯颗粒掺杂到液态金属中，不仅可以提高液态金属冷却工质的热导系数，还可以提高液态金属的电导率，从而降低电磁泵的压降和能耗。
发明内容
本发明的目的是提供石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组。
本发明提供的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，包括液态金属散热装置以及高功率密度紫外LED光源模块；所述散热装置采用石墨烯掺杂液态金属作为冷却工质；所述紫外LED光源模块的输入电功率密度达到300 W/cm2以上，峰值波长为200~405 nm。
本发明中，所述石墨烯掺杂的液态金属是将石墨烯均匀掺杂到液态金属中而得到；所述液态金属是镓铟锡合金；所述石墨烯体积占总体积份额的0.01%~90%。
本发明中，所述液态金属散热装置包括热沉、液态金属管道、水冷辅助散热设备和电磁泵；所述液态金属管道分为上管道、中管道和下管道三段，上管道贯通电磁泵泵体，中管道分为两段，均穿过水冷辅助散热设备，下管道贯通热沉。
本发明中，电磁泵包括泵体、磁轭、铜电极和强磁铁，强磁铁的磁感应强度>1 T。
本发明中，所述水冷辅助散热设备包含水槽、盖板以及封接头。
本发明中，所述下管道与热沉连接，部分下管道在热沉内，且液态金属在紫外LED光源模块的正下方沿着紫外LED芯片的排布方向流动；所述液态金属管道的中管道一侧在水槽中为蛇形管道且与下管道的液态金属流出口相连。
本发明中，所述下管道在热沉内，且液态金属在基板下方沿着LED的排布方向流动；所述液态金属管道的中管道一侧在水槽中为蛇形管道且与下管道的液态金属流出口相连。所述液态金属管道的中管道外部装有散热翅片。
本发明中，所述紫外LED光源模快贴合在热沉表面，热沉底面紧贴在水冷辅助散热设备的水槽底部，热沉内部为蛇形管道，该蛇形管道与所述液态金属下管道贯通，且紫外LED光源（芯片）下方的管道方向与紫外LED芯片排布方向一致。这样，液态金属经过热沉时，带走高功率密度紫外LED光源模块产生的大部分热量；另外，热沉底部与水槽槽体相连也能起到散热作用。
本发明中，水槽槽体两侧接出两根管道，为进水管和出水管，水流方向与液态金属流向相反，可进一步增强散热性能。
本发明中，所述模组可以沿LED排布方向拼接起来，形成尺寸更长的发光均匀的高功率密度线光源。
本发明中，采用液态金属对高功率密度紫外LED光源模块进行散热，由于石墨烯具有卓越的导热性能，因此石墨烯掺杂的液态金属散热装置具有更好的散热能力，能够满足高功率密度紫外LED光源模块对散热的高要求。
所述液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组可应用于光固化、光合成、消毒杀菌等工业生产和民用领域。
附图说明
图1为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的正面透视图。
图2为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的侧视图。
图3为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的底面图。
图4为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的电磁泵泵体图。
图5为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的水槽槽体图。
图6为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的水槽盖板图。
图7为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的铜热沉图。
图8为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的光源模块铜基板图。
图9为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的电磁泵铜电极图。
图10为本液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的组合应用。
图中标号：1、热沉，2、螺丝，3、紫外LED光源模块，4、液态金属下管道，5、弯接头，6、水槽密封螺丝，7、液态金属中管道，8、出水管，9、进水管，10、散热翅片，11、水槽槽体，12、水槽盖板，13、液态金属上管道，14、磁轭，15、泵体管道密封螺丝，16、电磁泵泵体，17、铜电极，18、泵体电极密封螺丝，19、强磁铁，20、紫外LED芯片，21、管道密封螺孔，22、电极密封螺孔，23、泵体内部液态金属流道，24、磁铁插入孔，25、电极插入孔，26、管道插入孔，27、密封圈槽，28、水槽裙边，29、螺孔，30、水槽密封螺纹管道，31、液态金属中管道插入孔，32、蛇形流道，33、光源模块铜基板。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
一种石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，包括液态金属散热装置以及紫外LED光源模块；冷却工质采用掺杂石墨烯颗粒的液态金属，直径尺寸30 nm的石墨烯粉末颗粒通过搅拌的方法均匀掺杂在镓铟锡液态金属中，体积份额为5%。
该液态金属散热的紫外LED光源模组的结构如图1~3所示。
液态金属散热装置包括热沉1、液态金属下管道4、液态金属中管道7、液态金属上管道13、水槽槽体11和水槽盖板12，以及电磁泵。下管道4、中管道7以及上管道13通过弯接头5连接。电磁泵工作后，液态金属在管道中循环流动。
液态金属的上管道13穿过电磁泵的泵体16，同样用环状螺丝和密封圈进行密封。如图4所示，电磁泵由泵体16、磁轭14、两个铜电极17和两个强磁铁19组成。泵体中的液态金属管道23截面为长方形，高度为3mm，宽度为11mm。泵体16在管道23的上下表面各有长方形孔24用来安装强磁铁19；与管道23垂直方向的侧面上各有一个长方形孔25以及外侧还有一定长度的圆形孔22，用于装配铜电极17以及密封螺丝18，如图9所示；与管道23平行的两个侧面上有圆孔21，圆孔内侧有螺纹，通过密封螺丝15压紧密封圈来与上管道13连接导通并防止漏水。铜电极17通电时，液态金属中产生横向电流，在垂直于电流方向的强磁场的作用下，产生沿管道方向的洛伦兹力，驱动液态金属流动。磁轭14为C型，上下两端的内表面分别与两个强磁铁19紧贴，磁轭的材料为高磁导率、高饱和磁通密度的坡莫合金，作用是传输磁力线，减少漏磁。
液态金属散热装置的水冷辅助散热设备如图5~6所示。液态金属中管道7穿过水槽槽体11和盖板12上的圆孔31并采用环状螺丝6和密封圈进行密封以防液体泄露。与下管道4中液态金属流出口相连的中管道7一侧为蛇形，且中管道7上焊有散热翅片10，增大了液态金属与冷却水的热交换，提高了散热性能。槽体11为长方形空槽，水槽两侧接出两根管道，为进水管9和出水管8，水流方向与液态金属流向相反，更进一步增强了散热性能。槽体11的上方沿槽边焊接一圈较宽的裙边28，裙边28上开有密封圈槽27和螺孔29，用于固定水槽盖板12并进行密封；盖板12上开有与槽体裙边28对应的螺孔29，用于旋入螺丝固定盖板。
液态金属下管道4与热沉1的内部管道32采用焊接方式连通。热沉1的结构如图7所示，尺寸为100mm×100mm×12mm，表面贴有紫外LED光源模快3，内部有直径为9mm的蛇形管道32，底面紧贴在水槽槽体11底部。一方面，液态金属经过热沉时，带走高功率密度紫外LED光源模块产生的大部分热量；另一方面，热沉1底部与水槽槽体11相连也能起到散热作用。
紫外LED光源模块3的铜基板33尺寸为100mm×100mm×1.5mm，如图8所示。铜基板上直线均匀排布30颗大功率紫外LED芯片20，基板和热沉的四个角上分别有螺孔2，通过螺丝将紫外LED光源模块固定在热沉上。大功率紫外LED芯片尺寸为2.8 mm×2.8 mm，额定电流10 A，电压3.6 V，额定功率36 W。紫外LED光源模块的额定功率P=36×30=1080 W，发光面积A=0.28×10=2.8 cm2，则功率密度P'=P/A=1080/2.8=385.7 W/cm2，属于高功率密度范围。
本发明的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组的宽度为100mm，LED芯片沿模组宽度方向呈直线排布。将此光源模组沿LED排布方向拼接起来，可以得到尺寸更大的发光均匀的高功率密度线光源，如图10所示。4个石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组并排，紫外LED模块并联，液态金属管道串联，而每个模组的水冷辅助散热设备则独立控制，且相邻模组的水流方向相反。则该LED光源的额定功率为4320 W，适用于需要极高紫外辐照度的光固化领域的工业生产。

Claims (10)

1.石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，包括液态金属散热装置以及高功率密度紫外LED光源模块；所述散热装置采用石墨烯掺杂液态金属作为冷却工质；所述紫外LED光源模块的输入电功率密度达到300 W/cm2以上，峰值波长为200~405 nm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，所述石墨烯掺杂的液态金属是将石墨烯均匀掺杂到液态金属中；所述液态金属是镓铟锡合金；所述石墨烯体积份额为0.01%~90%。
3.根据权利要求2所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，所述液态金属散热装置包括热沉、液态金属管道、水冷辅助散热设备和电磁泵；所述液态金属管道分为上管道、中管道和下管道三段，上管道贯通电磁泵泵体，中管道分为两段，均穿过水冷辅助散热设备，下管道贯通热沉。
4.根据权利要求3所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，电磁泵包括泵体、磁轭、铜电极和强磁铁，强磁铁的磁感应强度>1 T。
5.根据权利要求4所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，所述水冷辅助散热设备包含水槽、盖板以及封接头。
6.根据权利要求5所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，所述下管道与热沉连接，部分下管道在热沉内，且液态金属在紫外LED光源模块的正下方沿着紫外LED芯片的排布方向流动；所述液态金属管道的中管道一侧在水槽中为蛇形管道且与下管道的液态金属流出口相连。
7.根据权利要求6所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，所述下管道在热沉内，且液态金属在基板下方沿着LED的排布方向流动；所述液态金属管道的中管道一侧在水槽中为蛇形管道且与下管道的液态金属流出口相连；所述液态金属管道的中管道外部装有散热翅片。
8.根据权利要求7所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，所述紫外LED光源模快贴合在热沉表面，热沉底面紧贴在水冷辅助散热设备的水槽底部，热沉内部为蛇形管道，该蛇形管道与所述液态金属下管道贯通，且紫外LED光源下方的管道方向与紫外LED芯片排布方向一致。
9.根据权利要求8所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组，其特征在于，水槽槽体两侧接出两根管道，为进水管和出水管，水流方向与液态金属流向相反。
10.一种高功率密度线光源，由若干如权利要求1-8之一所述的石墨烯掺杂液态金属散热的高功率密度紫外LED光源模组沿LED排布方向拼接起来而得到。
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