CN110553235A - 一种大功率led散热/余热利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率LED散热/余热利用系统及方法，系统，包括：灯体，包括本体和LED芯片，本体采用热的良导体材质制成，本体内部设置有冷却通道，冷却通道的两端分别设置进口接头和出口接头；LED芯片通过导热介质固定在本体上；以及，水箱，提供盛放冷水的空间，所述进口接头和出口接头分别通过第一管路和第二管路连接在水箱侧壁上，第一管路的连接位点低于第二管路的连接位点；所述灯体的位置低于第一管路与水箱的连接位点，且进口接头高于出口接头。利用温差驱动水的流动，使LED的散热更加稳定可靠运行。

Description

一种大功率LED散热/余热利用系统及方法
技术领域
本发明涉及LED灯散热技术领域，特别涉及一种大功率LED散热/余热利用系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
LED作为第四代光源，具有体积小、低能耗、光效高、寿命长等特点，近些年在生产和生活中越来越普及，但是LED光电转换效率只有20％～30％，即只能将20％～30％左右的电能转换为光能，剩余70％～80％左右的电能转化成热能，如果不采取有效的散热方法，LED将结温过高，LED结温过高将引起光强降低、光谱偏移、色温升高等问题。对于小功率LED光源来说，其热流密度小，采用增加散热材料的面积的方法就可以将光源温度保持在允许范围内，对于大功率LED光源来说，其热流密度大，仅仅通过增加散热材料的散热面积无法足散热需求。目前没有行之有效的解决大功率LED散热的方案。
LED工作时产生大量的余热，现有的应用中大部分将这些余热废弃而未加利用，部分人员提出了在LED芯片和散热装置本体之间连接半导体温差发电片，利用温差发电的方法将余热进行利用，但是这种利用方法余热利用率低，只有5％左右，且由于采用温差发电余热利用方案相当于在LED芯片的散热路径中多加了一层传热热阻，导致LED芯片温度比未采用温差发电余热利用时温度高，不利于LED的长期工作。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种大功率LED散热/余热利用系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种大功率LED散热/余热利用系统，包括：
灯体，包括本体和LED芯片，本体采用热的良导体材质制成，本体内部设置有冷却通道，冷却通道的两端分别设置进口接头和出口接头；
LED芯片通过导热介质固定在本体上；
以及，水箱，提供盛放冷水的空间，所述进口接头和出口接头分别通过第一管路和第二管路连接在水箱侧壁上，第一管路的连接位点低于第二管路的连接位点；
所述灯体的出口接头低于第二管路与水箱的连接位点，且进口接头低于出口接头。
灯体的位置低于水箱的最高液位时，由于连通器原理，第一管路中的水会对灯体内的水产生一定的压强，当灯体通电后，会产生一定的热量，将灯体内的冷却水加热，冷却水被加热后，密度减小，体积膨胀，该部分热水会在水压作用下逐渐进入第二管路内，进而缓慢入水箱中，冷水补充至灯体中，将灯体的热量转移至水中，形成水循环，实现了对LED的降温。
利用温差驱动水的流动，使LED的散热更加稳定可靠运行。
灯体的出口接头和第二管路与水箱的连接位点之间的高度差越大越好。
在一些实施例中，所述冷却通道为直通道，与进口接头和出口接头共轴设置。直通道可以有效减小水流动的摩擦阻力，保证水的顺利流动。
进一步的，所述冷却通道的数量为2-20个。在灯体内设置多个冷却通道，以保证将灯体及时散热。
进一步的，所述灯体竖向设置，使冷却通道竖向设置。
灯体竖向设置时，可以使得冷却水流动更加顺畅。
在一些实施例中，第一管路的连接位点与第二管路的连接位点的高度差大于5cm。
在一些实施例中，所述水箱的底部设置有补水接口，补水接口通过补水管和泵与冷水源连接。
对水箱补水时，从水箱底部补水，在补水过程中，冷水会流过第一管路、灯体和第二管路，将第一管路、灯体和第二管路充满水，保证温差驱动水循环的顺利进行。
在一些实施例中，所述水箱的侧壁上设置有放水接口，放水接口通过管道与热水储水箱连接。
当水箱中的冷却水温度升高到较高值时，可以通过放水管道排放至热水储水箱中暂时储存。该部分热水可以用于各个方面，实现了冷却水的余热利用。
在一些实施例中，所述水箱的顶部连接有U形弯头。保持水箱内部与大气相通，同时防止环境杂物进入水箱内。
一种大功率LED散热/余热利用方法，包括如下步骤：
将各个部件连接好；
从水箱底部向水箱内补水，液位经过第一管路与水箱的连接位点时，冷却水从第一管路进入灯体内的冷却水通道内，随着补水的进行，逐渐充满第二管路；
补水继续进行，至水箱内液位高于第二管路的连接位点大于5cm为止；
启动LED，其产生热量转移至冷却水中，并通过温差形成水循环。
在一些实施例中，还包括将水箱中的热水放出利用的步骤。
本发明的有益技术效果为：
(1)传统的LED散热多采用空气自然对流散热，其自然对流散热系数只有3-5W/(m2·℃)左右，散热能力差，本发明采用水对LED进行冷却，经试验，水的对流传热系数可达1000W/(m2·℃)，远超空气对流传热的方案，此外采用本发明制造的LED的灯体体积小、重量轻。
(2)散热系统稳定可靠：传统的LED散热也有采用水冷散热方案，但多采用水泵来驱动水的流动，以流过多组LED灯，一旦水泵故障水流停止，LED芯片将在短时间内超温烧毁，本方案的散热部分利用水的温差来驱动水的流动，没有任何运动和耗电部件，因此散热部分稳定可靠。
(3)本发明中LED产生的热量除少量通过灯体散发到空气外，大部分热量均传递到水中，余热利用率可高达90％以上。
(4)本发明的LED直接通过导热介质粘附在本体上，产生的热量直接转移至本体，并被冷却水吸收，可以快速转移产生的热量，保证LED的长期稳定工作。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例大功率LED散热及余热利用系统的结构示意图；
图2为本发明实施例LED灯体的结构示意图。
其中，1、灯体，2、第一管路，3、第二管路，4、水箱，5、冷水储水箱，6、热水储水箱，7、补水管，8、放水管，9、补水阀门，10、放水阀门，11、水泵，12、余热利用机组，13、温度测点，14、第一液位测点，15、第二液位测点，16、本体，17、LED芯片，18、进口接头，19、出口接头。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，灯体1内有冷却水通道和进出口接头，进出口接头与灯体内的冷却水通道形成连续流道，灯体采用铜铝等导热优良的材质，LED芯片通过导热界面材料连接在灯体上，为实散热效果最佳，灯体在安装过程中应保持进液口低于出液口。
第一管路2与进口接头18密封连接，第二管路3与出口接头19密封连接，第一管路2、第二管路3可以采用硅胶软管、金属管等材质制成。水箱4上有多组接口，其与第一管路2的连接位点低于与第二管路3的连接位点至少5cm。
LED工作时，水箱4内的水位必须一直高于与第二管路3的连接位点的高度，冷水补水管7接在水箱4的底端。
LED开始工作前，向高位水箱4内注入水，至液位测点14，保持第一管路2和第二管路3内充满水。
LED开始工作时，灯体1内的水温度升高密度减小而逐渐进入第二管路3，第二管路3的水温比第一管路2的水温高、密度低，灯体1和第一管路2、第二管路3以及高位水箱4之间逐渐建立自然循环，低温水由第一管路2流入灯体1中，水吸热温度升高后通过第二管路3回到水箱4中，这是本系统中的循环Ⅰ，其作用是降低LED芯片的温度，将LED芯片的热量转移到水中。
随着LED工作的进行，水箱4中的水温逐渐的升高，当温度测点13的温度高于设定的温度T时，打开热水放水阀门10，开始放出热水，热水通过重力流到热水储水箱6中，当液位低于第二液位测点15时，关闭放水阀门10，打开补水阀门9通过水泵11将冷水储水箱5中的冷水补充到高位水箱4中，当液位高于第一液位测点14时，关闭补水阀门9，当高位水箱4内的水温再次高于设定的温度T时，重复以上步骤这是本系统中的循环Ⅱ，其作用是获得温度高于T的热水并给高位水箱补充冷水。
通过以上步骤在热水储水箱6得到了水温高于T的热水，这些热水进入余热利用机组，热量被利用温度降低后再进入冷水储水箱5。这是本系统中的循环Ⅲ，其作用是将从LED的余热加以利用。
根据不同的余热利用方案，余热利用机组可以选择不同的设备，如溴化锂吸收式制冷机组、换热器、氨吸收制冷机组等，也可以不设置余热利用机组而将热水直接使用掉。
根据应用场所以及季节因素，可以选择不同的余热利用方案。
(1)设定T1≥70℃，可以制取高于70℃的热水，选配溴化锂吸收式制冷机组，可以制取冷水(7℃左右)用于夏季供冷，热水在化锂吸收式制冷机组温度降低20℃左右后再次作为冷水被供入水箱中。
(2)设定T1≥70℃，可以制取高于70℃的热水，可以通过换热器对市政管网的供水进行加热，热量用于供暖。
(3)设定T1≥50℃，可以制取高于50℃的热水，热水可以直接用于洗浴。
(4)设定T1≥70℃，可以制取高于70℃的热水，选配氨吸收制冷机组，可以制取-60℃～-10℃的低温用于维持冷库的运行，这种方案适用于鱿鱼钓船、秋刀鱼船等采用集鱼灯进行捕鱼作业的船只，这种船只在采用LED集鱼灯作业时，产生大量的废热，采用本系统可以将废热利用产生70℃的热水，进而给氨吸收制冷机组提供能量来制冷，从而降低制冷机组的电耗。
实施例
如图2所示，灯体1为26cm×11cm×2cm的本体(用铝合金材质)和12组进出口接口组成，本体内有12条直径为10mm的冷却水通道，12组进出口接口与冷却水通道连通并形成连续通道，4个电功率为250W的LED芯片17通过导热硅脂和紧固螺钉紧密贴合在灯体1上，单个灯的功率为1000W，灯体重量不到1.5kg。总共安装1000W的灯体500个，总功率为500KW。安装的水箱20个，每个水箱对应25个1000W的LED灯，在距离水箱底部20cm、40cm高度的区域分别均匀布置150个出口接头，在距离水箱底部100cm、120cm高度的区域分别均匀布置150个进口接头。灯体进、出口接头通过软管与水箱出、进口接头进行连接。高位水箱的热水出水接头位于距离水箱底部130cm的位置。高位水箱的冷水进水接头位于距离水箱底部。低水位测点和高水位测点距离水箱底部的距离分别是140cm、180cm。温度测点位于距离水箱底部的距离是140cm。水箱顶部设置有U形弯头保持水箱与大气相通，同时防止环境杂物进入水箱内。
设定T为70℃，制取温度为70℃的热水，制取的热水先储存到热水储水箱，通过换热器放热后送入冷水储水箱再通过水泵送回到高位水箱。在换热器内对市政供暖回水进行加热，从而将LED的余热充分进行利用。LED工作时的光电效率约为30％，70％的输入功率转成了余热，余热的90％进行了回收利用，余热的回收功率可达315KW，每小时利用的余热可达1134MJ。此外，通过该散热方法，LED芯片的结温可以稳定控制在90℃以内，可以保持LED长期稳定的工作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：包括：
灯体，包括本体和LED芯片，本体采用热的良导体材质制成，本体内部设置有冷却通道，冷却通道的两端分别设置进口接头和出口接头；
LED芯片通过导热介质固定在本体上；
以及，水箱，提供盛放冷水的空间，所述进口接头和出口接头分别通过第一管路和第二管路连接在水箱侧壁上，第一管路的连接位点低于第二管路的连接位点；
所述灯体的出口接头低于第二管路与水箱的连接位点，且进口接头低于出口接头。
2.根据权利要求1所述的大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：所述冷却通道为直通道，与进口接头和出口接头共轴设置。
3.根据权利要求2所述的大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：所述冷却通道的数量为2-20个。
4.根据权利要求2所述的大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：所述灯体竖向设置，使冷却通道竖向设置。
5.根据权利要求1所述的大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：第一管路的连接位点与第二管路的连接位点的高度差大于5cm。
6.根据权利要求1所述的大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：所述水箱的底部设置有补水接口，补水接口通过补水管和泵与冷水源连接。
7.根据权利要求1所述的大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：所述水箱的侧壁上设置有放水接口，放水接口通过管道与热水储水箱连接。
8.根据权利要求1所述的大功率LED散热/余热利用系统，其特征在于：所述水箱的顶部连接有U形弯头。
9.一种大功率LED散热/余热利用方法，其特征在于：包括如下步骤：
将各个部件连接好；
从水箱底部向水箱内补水，液位经过第一管路与水箱的连接位点时，冷却水从第一管路进入灯体内的冷却水通道内，随着补水的进行，逐渐充满第二管路；
补水继续进行，至水箱内液位高于第二管路的连接位点大于5cm为止；
启动LED，其产生热量转移至冷却水中，并通过温差形成水循环。
10.根据权利要求9所述的大功率LED散热/余热利用方法，其特征在于：还包括将水箱中的热水放出利用的步骤。
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