CN114183734A - 大功率led光源系统热管理结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大功率LED光源系统热管理结构，包括散热结构，散热结构包括均热件和散热件，均热件包括蒸发段、冷凝段、设置在均热件内部的冷凝工质以及设置在均热件内部的不凝性气体，冷凝段与散热件热交换，贮气室，为可变容积腔体结构，设置在冷凝段的端部并与冷凝段的内部连通，容积控制组件，用于使贮气室容积随着大功率LED光源系统的热负载增大而扩大，使贮气室容积随着大功率LED光源系统的热负载减小而缩小。本发明能够根据大功率LED光源系统的热负载的变化，而精准地自动调节散热结构的散热量，从而能够使大功率LED光源系统的温度保持恒定，不会随着热负载的变化而变化，使光源系统具有较高的照度稳定性。

Description

大功率LED光源系统热管理结构

技术领域

本发明涉及散热技术领域，尤其涉及一种大功率LED光源系统热管理结构。

背景技术

大功率多通道LED光源系统：由多枚不同波长的灯珠组成，如包括R——红光、UV——紫外光、G——绿光、B——蓝光。通过不同的灯珠开合和关闭组合，以及光路布局，整个光路系统能够实现多种波长光线的输出。也就是说，如果用户仅需要G——绿光输出，其它灯珠尽可关闭；如果用户需要白光输出，所有灯珠须全部开合，即根据用户的需要，整个光源系统的工作功率会发生变化。当通道灯路增加或减少时，某一仍处于工作状态下的灯路将会受到周边热流量的增大或减小，继而导致该路光源结温的变化，即影响整个光路系统的稳定性。

现有技术中，对于大功率LED光源系统一般采用以下两类热管理方案：

1、将所有灯珠开合并且工作功率达最大功率时的情况作为热管理设计的目标值，以满足最极端的需求。这种设计方案固然安全，但是使用了最大的冷排容积，不利于系统的小型化。

2、对于采用传统风冷的热管理方案，可根据热源处的温度传感器采集到的灯珠温度，通过控制风扇风速来控制热源的温度；对于采用传统液冷的热管理方案，可根据热源处的温度传感器采集到的灯珠温度，通过控制液泵流速来控制热源的温度。然而，上述两种对热源温度的控制方式，一方面对热源温度的控制方式均需要附加电力消耗，另一方面均无法实现精确控制，即灯珠的温度稳定性无法实现高精度，灯珠温差影响整个光源系统输出光线的照度均匀度和照度稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种大功率LED光源系统热管理结构。其能够根据大功率LED光源系统的热负载的变化，而精准地自动调节散热结构的散热量，从而能够使LED光源系统的温度保持恒定，不会随着热负载的变化而变化，使光源系统具有较高的照度稳定性。

该大功率LED光源系统热管理结构，包括

散热结构，包括具有蒸发段、冷凝段以及用于进行热循环的冷凝工质的均热件和用于与冷凝段中的冷凝工质进行热交换的散热件；

具有可变容积腔体结构的贮气室，其设置在冷凝段的端部并与冷凝段的内部连通；

用于调节贮气室的可变容积腔体结构的容积大小的容积控制组件，其通过利用大功率LED光源系统的热负载变化来控制贮气室的可变容积腔体结构的容积大小；和

随贮气室的可变容积腔体结构的容积大小变化在冷凝段上的占用空间在贮气室和冷凝段之间被调节的不凝性气体，其中，不凝性气体在冷凝段上的占用空间被调节使得冷凝段的有效工作长度的变化与大功率LED光源系统的热负载的变化呈正相关。

本发明的大功率LED光源系统热管理结构，通过不凝性气体和随着大功率LED光源系统的热负载变化而容积发生变化的贮气室，使得均热件的冷凝段的有效工作长度随着大功率LED光源系统的热负载的增大而增大，随着大功率LED光源系统的热负载的减小而减小，从而调节散热结构的散热量，使LED光源系统的温度保持恒定，不会随着热负载的变化而变化，使光源系统具有较高的照度稳定性。

在一些实施方式中，容积控制组件可以包括一端与大功率LED光源系统热交换，另一端与贮气室连接的连接管路，连接管路内设有热膨胀工质。

由此，可以通过热膨胀工质自身的受热膨胀的特性以控制贮气室的容积变化，以实现使均热件的冷凝段的有效工作长度随着大功率LED光源系统的热负载的变化而变化。

在一些实施方式中，热膨胀工质的膨胀系数不小于0.03/K。

由此，可以通过限定热膨胀工质的膨胀系数，以保证其控制的精度以及效果。

在一些实施方式中，连接管路外可以包覆有隔热材料。

由此，可以通过在连接管路的外侧包覆隔热材料以提高控制贮气室容积变化的精度。

在一些实施方式中，均热件为均热板或热管。

由此，可以通过均热板或热管来完成均热件对应的效果。

在一些实施方式中，贮气室可以为活塞管或波纹管。

由此，可以通过将贮气室设计为活塞管或波纹管的结构使贮气室能够调节容积的大小。

在一些实施方式中，蒸发段上可以设置有用于降低蒸发段与大功率LED光源系统之间的接触热阻的热界面材料层。

由此，可以通过热界面材料层降低蒸发段与大功率LED光源系统之间的接触热阻，以提高传热的效率，从而能够更精确控制均热件的冷凝段的有效工作长度，以保证大功率LED光源系统的温度恒定。

在一些实施方式中，散热件不完全覆盖冷凝段。

由此，可以通过结合整体的贮气室尺寸、均热件尺寸、大功率LED光源系统的热负载波动范围等具体调整散热件在冷凝段上的覆盖范围，以便于针对不同情况设计不同的覆盖范围。

在一些实施方式中，散热件包括风扇和散热器，散热器包括导热面和设置在导热面上的若干散热片，导热面设置在冷凝段上以进行热交换，风扇设置在散热器的散热片上。

由此，可以通过风扇和散热器的机构进行散热，以保证散热件的散热性能稳定，不易出现波动。

在一些实施方式中，散热件包括在冷凝段上的与冷凝段一体化的翅片。

由此，可以通过与冷凝段一体化的翅片进行散热，以保证散热件的散热性能稳定，不易出现波动。

附图说明

图1为本发明一实施方式的大功率LED光源系统热管理结构的结构示意图；

图2为本发明另一实施方式的大功率LED光源系统热管理结构的结构示意图；

图3为本发明又一实施方式的大功率LED光源系统热管理结构的结构示意图；

附图标记说明：1、灯板；11、热界面材料层；2、均热件；21、蒸发段；22、冷凝段；23、不凝性气体；24、吸液芯；25、支撑柱；3、散热件；31、导热面；32、散热片；33、风扇；34、翅片；4、贮气室；51、连接管路；52、热膨胀工质；53、温度显示模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

还需要说明的是在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例中的热管理结构用于对大功率LED光源系统进行散热控温。除了可用于对大功率LED光源系统进行散热控温，还可用于对其他需要精确控温的系统进行散热控温，本发明实施例不对此进行限制。当使用于大功率LED光源系统中时，由于大功率LED光源系统的热负载集中在于其灯板上，因而以大功率LED光源系统中的灯板为待散热件作为实施示例对本发明进行详细说明。

参照图1，图1示意性地展示了根据本发明一实施方式的大功率LED光源系统热管理结构。

该大功率LED光源系统热管理结构包括

散热结构，包括均热件2和散热件3，均热件2包括蒸发段21、冷凝段22、设置在内部的冷凝工质以及设置在内部的不凝性气体23，蒸发段21与大功率LED光源系统的灯板1热交换，冷凝段22与散热件3热交换，

贮气室4，为可变容积腔体结构，设置在冷凝段22的端部并与冷凝段22的内部连通，

容积控制组件，用于使贮气室4容积随着灯板1的热负载增大而扩大，使贮气室4容积随着灯板1的热负载减小而缩小。

参照图1，其中，均热件2具体可以为均热板或热管，以均热件2为均热板为示例，其包括蒸发段21和冷凝段22以及在均热板内部底部的吸液芯24，图中均热板内部的方块结构为支撑柱25，蒸发段21用于与灯板1热交换，设置在灯板1的背面，冷凝段22用于与散热件3热交换，均热板内的冷凝工质在蒸发段21受热蒸发膨胀，在压差的作用下流向冷凝段22，与散热件3换热后冷却凝结为液体，在毛细压力的作用下通过吸液芯24返回蒸发段21，如此循环往复，均热板在整体结构中作为热传递的连接件。均热板内部加入不凝性气体23后，不凝性气体23在受热后仍在压差的作用下流向冷凝段22，由于不凝性气体23不在均热板内冷却凝结为液体，因而会在压差的作用下聚集堆积在均热板内部冷凝段22远离蒸发段21的端部，从而使冷凝工质在压差的作用下流向冷凝段22时会受到位于冷凝段22的端部的不凝性气体23的阻隔，进而缩小了均热板的均热板内部冷凝段22的有效工作长度。在此所述的有效工作长度，应理解为在均热件2内冷凝段22中气态的冷凝工质能够与散热件3发生热交换的区段的长度(如图1中左右方向上的长度)，具体在以均热板作为均热件2的示例中，有效工作长度实际所指的长度为在均热板内设有散热件3的冷凝段22区段中，靠近蒸发段21的散热件3的端部至不凝性气体23堆积的端部之间的区段的长度(参照图1中的A段)。具体地，不凝性气体23所需满足的条件为冷凝点低于均热板内的冷凝工质的冷凝点的气体，如氮气、二氧化氮气体等均可作为在本发明中的不凝性气体23使用。在一些实施方式中，蒸发段21与灯板1之间还可以设置有热界面材料层11，以有效降低蒸发段21与灯板1之间的接触热阻，以提高传热的效率，从而能够更精确控制均热板的冷凝段22的有效工作长度，以保证灯板1的温度恒定。具体地，热界面材料层11具体可以为硅脂、硅胶、导热垫片、相变化材料、导热胶、石墨或石墨烯片等，热界面材料层11的导热系数越大越好，其导热系数越大，能够使整体结构的控温效果更好。

参照图2和图3，其中，散热件3与均热板的冷凝段22热交换，在整体结构中作为将均热板传递的热量散发的部件。散热件3的结构可以完全覆盖整个冷凝段22，也可以部分覆盖冷凝段22，散热件3的结构可以为另外集成设置在冷凝段22上的结构，也可以为一体化的在均热板上的冷凝段22上的结构。具体地，参照图2，散热件3的结构为另外集成在冷凝段22上的结构时，散热件3可以为另外集成设置在冷凝段22上的风扇33和散热器，散热器包括导热面31和设置在导热面31上的若干散热片32，导热面31设置在冷凝段22上以进行热交换，风扇33设置在散热器的散热片32上，以将散热器的热量作进一步地散发出去，也可以为另外集成设置水冷结构。参照图3，散热件3的结构为一体化的在均热板上的冷凝段22上的结构时，散热件3可以为一体化的在均板上的冷凝段22上的若干翅片34，以均热板为均热板作为示例，由于该翅片34为均热板的一部分结构，一般使用紫铜。优选地，散热件3的结构为一体化的在均热板上的冷凝段22上的若干翅片34，该方式无需额外消耗资源控制散热，能够降低整体结构的适用性。通过散热件3，能够有效地将均热板所传递的灯板1上的热量进行散发。

其中，贮气室4具体可以为活塞管或波纹管结构，这样设置，只需要将贮气室4的一端固定，并推动活塞管的外层或推动波纹管的另一端端部，即可以实现贮气室4的腔体容积的变化，贮气室4也可以采用其他样式的可变容积腔体结构，只需能够有效调整贮气室4的容积即可。贮气室4的腔体与均热板的冷凝段22之间设有连接端口，以连通贮气室4与冷凝段的内部，结合上述的均热板结构，在进行热交换的时候，均热板内的不凝性气体23将会先聚集堆积在贮气室4内，直至堆积满当前的贮气室4后，则会继续在均热板内冷凝段22远离蒸发段21的端部聚集堆积，以缩小均热板的冷凝段22的有效工作长度。从而当贮气室4的容积增大的时候，均热板内部的压力将会降低，使得不凝性气体23将会进一步地进入贮气室4内部以填充贮气室4内部的容积空间，此时位于均热板冷凝段的不凝性气体23由于进入了贮气室4内，所占用的容积将会减小，使得均热板的冷凝段的有效工作长度增长，整体的散热量得到提升；而当贮气室4的容积缩小的时候，贮气室4内部的不凝性气体23将会进一步地进入均热板内，此时位于均热板冷凝段的不凝性气体23所占用的容积将会增大，使得均热板的冷凝段的有效工作长度减少，整体的散热量下降。

参照图1，其中，容积控制组件可根据贮气室4的具体结构而设计，也可以根据容积控制组件的具体结构来设计贮气室4的结构。以波纹管设计的贮气室4结构为示例，容积控制组件的结构可以设计为包括一端与灯板1热交换，另一端与贮气室4连接的连接管路51，连接管路51内设有热膨胀工质52，其中，热膨胀工质52的膨胀系数优选地为0.03以上，其单位是(1/K，20℃)，表示当温度改变摄氏度1度时，其某一方向上的长度的变化和它在20℃(即标准实验室环境)时的长度的比值，具体地，可以采用丙三醇、甲醇、硅油等液体原料合成的合成油，该材料无毒、不危害健康、不污染环境。具体地，连接管路51具体可以为两端密封的毛细管，连接管路51的一端与灯板1连接，热膨胀工质52通过连接管路51的一端与灯板1进行热交换，以吸热膨胀，连接管路51的另一端与波纹管设计的贮气室4的端部连接，热膨胀工质52膨胀后，将会推动贮气室4运动，从而实现随着灯板1的热负载增大而扩大贮气室4容积的效果。同时，这样设计，当连接管路51内的热膨胀工质52体积没有发生变化的时候，将会形成限制贮气室4发生变化的自锁结构，能够有效保证贮气室4不会受到均热板内部的压力变化而发生容积的变化。

通过上述的大功率LED光源系统热管理结构，当大功率LED光源系统的灯珠开合数量发生变化的时候，灯板1的热负载会对应地发生变化，当灯板1的热负载增大的时候，与灯板1热交换的热膨胀工质52将会吸热发生膨胀，由于连接管路51的容积是恒定不变的，热膨胀工质52发生膨胀时将会推动贮气室4的端部移动，从而使波纹管设计的贮气室4的端部移动，令贮气室4的容积增大，此时均热板内的压力下降，均热板内的不凝性气体23流入贮气室4内，从而增大了均热板的冷凝段22的有效工作长度，提高整体结构散热量，从而实现随着灯板1的热负载增大而提高散热量，当灯板1增加的热负载与热管理结构所传热并散发的散热量相等时，灯板1的温度即可保持恒定，该种方式不需要额外使用资源(如风冷需要消耗控制风扇33转速的电力和设计对应的电力控制系统，水冷需要消耗控制水流速的电力和设计对应的电力控制系统)，具体热管理结构的散热量与均热板的有效工作长度相关，即与贮气室4的容积变化量及热膨胀工质52的实际体积变化量有关。

继续参照图1，在一些实施方式中，还可以对容积控制组件的结构作进一步地优化。其中，连接管路51的外侧可以包覆有隔热层，隔热层具体可以为玻璃纤维、石棉、岩棉、气凝胶毡等，通过在连接管路51的外侧包覆的隔热层的设计，能够使连接管路51内的热膨胀工质52在膨胀时减少由于连接管路51与外界换热而散失的热量，从而能够更好地控制热膨胀工质52的实际体积变化量，以提高对灯板1的温度的控制精度。其中，连接管路51与灯板1热交换的一端上还可以设有温度显示模块53，通过加入温度显示模块53的设计，能够观测当前灯板1的温度变化情况，以确保整体结构的工作精度及稳定性。

在实际使用本发明的大功率LED光源的热管理结构的时候，只需要将均热板的蒸发段21与大功率LED光源的灯板1相连以实现热交换，同时将连接管路51的一端与大功率LED光源的灯板1相连以实现热交换，即可实现自动根据大功率LED光源的灯板1所增加的热负载而自动调节散热量，即使得均热板的冷凝段22的有效工作长度随着大功率LED光源系统的热负载的增大而增大，随着大功率LED光源系统的热负载的减小而减小，使LED光源系统的温度保持恒定，不会随着热负载的变化而变化，使光源系统具有较高的照度稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：包括

散热结构，包括具有蒸发段、冷凝段以及用于进行热循环的冷凝工质的均热件和用于与所述冷凝段中的冷凝工质进行热交换的散热件；

具有可变容积腔体结构的贮气室，其设置在冷凝段的端部并与冷凝段的内部连通；

用于调节所述贮气室的可变容积腔体结构的容积大小的容积控制组件，其通过利用所述大功率LED光源系统的热负载变化来控制贮气室的可变容积腔体结构的容积大小；和

随贮气室的可变容积腔体结构的容积大小变化在冷凝段上的占用空间在贮气室和冷凝段之间被调节的不凝性气体，其中，所述不凝性气体在冷凝段上的占用空间被调节使得所述冷凝段的有效工作长度的变化与大功率LED光源系统的热负载的变化呈正相关。

2.根据权利要求1所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述容积控制组件包括一端与大功率LED光源系统热交换、另一端与贮气室连接的连接管路，所述连接管路内设有热膨胀工质。

3.根据权利要求2所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述热膨胀工质的膨胀系数不小于0.03/K。

4.根据权利要求2所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述连接管路外包覆有隔热材料。

5.根据权利要求1所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述均热件为均热板或热管。

6.根据权利要求1至5任一项所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述贮气室为活塞管或波纹管。

7.根据权利要求1至5任一项所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述蒸发段上设置有用于降低蒸发段与大功率LED光源系统之间的接触热阻的热界面材料层。

8.根据权利要求1所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述散热件不完全覆盖冷凝段。

9.根据权利要求1或8所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述散热件包括风扇和散热器，所述散热器包括导热面和设置在导热面上的若干散热片，所述导热面设置在冷凝段上以进行热交换，所述风扇设置在散热片上。

10.根据权利要求1或8所述的大功率LED光源系统热管理结构，其特征在于：所述散热件包括在冷凝段上的与冷凝段一体化的翅片。

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