CN114992606A - 一种大功率led无动力液冷散热装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种大功率LED无动力液冷散热装置及其控制方法，包括：吸热体，固定有大功率LED光源，并吸收热量；散热体，两端分别与所述吸热体的两端通过管道连通，所述散热体、所述吸热体通过管道构成回路；所述回路填充有溶解有气体的液体工质；溶解有气体的液体工质在所述回路中的循环动力至少由气体的析出和溶解过程提供；本发明中，在工质中溶解部分气体，循环动力主要由气体的析出和溶解导致，所产生的密度差比仅由温度产生的密度差大，循环动力大，液体流速高，对流换热系数高，传热效果好，提高了散热效果。
Description
技术领域
本发明属于大功率LED散热技术领域，尤其涉及一种大功率LED无动力液冷散热装置及其控制方法。
背景技术
LED作为第四代光源，具有体积小、低能耗、光效高和寿命长等特点，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％，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，热流密度小，采用增加散热材料的面积就可以将光源温度保持在允许范围内，对于大功率LED光源，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，且目前没有行之有效的解决大功率LED散热的方案。
发明人发现，现有的大功率LED散热装置中，存在的利用热虹吸原理驱动液体工质循环，以实现无动力装置下达到液体循环辅助散热的目的；而现有大功率LED散热装置中，使用的液体工质为防冻液，成本较高，且仅由温度产生的热虹吸原理驱动液体工质循环时，循环动力小，液体流速底，影响传热效果好和散热效果。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种大功率LED无动力液冷散热装置及其控制方法，在工质中溶解部分气体，循环动力主要由气体的析出和溶解导致，所产生的密度差比仅由温度产生的密度差大，循环动力大，液体流速高，对流换热系数高，传热效果好，提高了散热效果。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种大功率LED无动力液冷散热装置，采用如下技术方案：
一种大功率LED无动力液冷散热装置，包括：
吸热体，固定有大功率LED光源；
散热体，两端分别与所述吸热体的两端通过管道连通，所述散热体、所述吸热体通过管道构成回路；
所述回路填充有溶解有气体的液体工质。
进一步的，所述液体工质为水，水中溶解有二氧化碳气体；溶解有气体的液体工质在所述回路中的循环动力至少由气体的析出和溶解过程提供。
进一步的，每单位体积的水溶解0.42～0.46体积的二氧化碳气体。
进一步的，所述吸热体内部开设有连通出口和入口的空间，空间内固定有多个肋片。
进一步的，多个肋片在液体工质流动方向上平行设置。
进一步的，所述散热体包括多个平行设置的散热片。
进一步的，所述散热体两端通过多个散热管道与所述管道连通，多个散热片与多个散热管道贯通。
进一步的，大功率LED光源通过导热硅脂固定在所述吸热体上；所述吸热体与所述散热体在同一水平面内。
为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种大功率LED无动力液冷散热装置控制方法，采用如下技术方案：
一种大功率LED无动力液冷散热装置控制方法，采用了如第一方面中所述的大功率LED无动力液冷散热装置；包括：
吸热体吸收大功率LED光源热量，液体工质在吸热体处吸热后温度升高，液体工质内气体的溶解度降低，气体部分析出，液体工质密度降低，在重力作用下向上流动，液体工质在散热体处散热后温度降低，液体工质内气体溶解度升高，气体重新溶解，工质密度升高，在重力作用下向下流动。
进一步的，回路内充满水，水中溶解有二氧化碳气体，每单位体积的水溶解0.42～0.46体积的二氧化碳气体，二氧化碳气体的充装在常温常压下进行，二氧化碳气体在水中溶解度随着温度升高而降低，当水温达到50℃时，水中溶解的二氧化碳气体开始析出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明中，在工质中溶解部分气体，循环动力主要由气体的析出和溶解导致，所产生的密度差比仅由温度产生的密度差大，循环动力大，液体流速高，对流换热系数高，传热效果好，提高了散热效果；
2、本发明中，可以选用水为作为液体工质，降低了成本；
3、本发明中的装置，应用条件不受限，不需要散热片位置高于LED光源位置，只要所述吸热体和所述散热体非水平放置，本装置即可工作。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的俯视图；
图3为本发明实施例1的侧视图；
图4为本发明实施例1的吸热体肋片结构主视图；
图5为本发明实施例1的吸热体肋片结构剖视图；
图6为本发明实施例1的散热体主视图；
图7为本发明实施例1的散热体俯视图；
其中，1、吸热体，11、肋片，2、大功率LED光源，3、管道，4、螺帽，5、散热体，51、散热片，52、散热管。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种大功率LED无动力液冷散热装置，包括吸热体、大功率LED光源2、管路3、螺帽4和散热体5；
所述吸热体1用于固定所述大功率LED光源2，并吸收热量，所述大功率LED光源2可以通过导热硅脂固定在所述吸热体1上；所述大功率LED光源2发热面可以设置为3.5cm×3.5cm，电功率为150W，发热功率为90W，热源的热流密度为9.35W/cm2；
所述散热体5两端分别与所述吸热体1的两端通过管道3连通，使得所述吸热体1与所述散热体5内部有中空流道，构成循环回路；
所述回路填充有溶解有气体的液体工质；溶解有气体的液体工质在所述回路中的循环动力至少由气体的析出和溶解过程提供。
本实施例中，所述液体工质为水，水中溶解有二氧化碳气体；具体的，每单位体积的水溶解0.42～0.46体积的二氧化碳气体；二氧化碳气体的充装在常温常压下进行，二氧化碳气体在水中溶解度随着温度升高而降低，当水温达到50℃时，水中溶解的二氧化碳气体开始析出。所述吸热体1与所述散热体5在同一平面内，只要所述吸热体1和所述散热体5非水平放置，本装置即可工作。在其他实施例中，所述液体工质还可以采用乙二醇等常规液体作为液体工质；散热液体工质廉价易得，且对环境无害。
本实施例中，所述吸热体1内部开设有连通出口和入口的空间，空间内固定有多个肋片11；多个肋片11在液体工质流动方向上平行设置。
本实施例中，所述散热体5包括多个平行设置的散热片51；述散热体5两端通过多个散热管道52与所述管道3连通，多个散热片51与多个散热管道52贯通。
本实施例的工作原理或过程为：
如图1所示，水从所述吸热体1下方进液口进入所述吸热体1，所述吸热体1进口管路可以设置外径10m和壁厚1mm，所述吸热体1内可以布置有9个肋片11，肋片11高2cm，长10cm，厚度2mm，肋间距3mm，肋片间隙为水流动通道，水温升高而密度降低、水温超过50℃后，水中溶解的CO2开始析出，工质由纯液体变为气液混合物，工质的密度进一步降低。所述吸热体1材质可以为铝合金，通过铝压铸方式一体成型；
水从所述吸热体1内吸热后进入所述管道3，所述管道3进入所述散热体5，所述散热体5内，可以设置有3个散热管道52，每个散热管道52可以设置直径为10mm，水从上方流入散热管道52，从下方流出散热管道52；
水通过对流传热的方式与所述散热体5进行热量传递，水温降低，所述散热体5温度上升，所述散热体5两侧可以均匀布置有30个散热片51，每个高度15cm、宽度5cm，热量通过所述散热片51传递到空气中；在所述散热体5内，水放热后温度逐渐降低到50℃以下，析出的二氧化碳气体重新溶解进入水中，工质逐渐由气液混合物变为纯液体，工质的密度升高；
在散热体冷却后的工质再次汇流进入同一条管路流入所述吸热体1内进行下一次循环。
采用本实施例中的方案，吸热体1之间工质的密度只有散热体内工质密度的92.6％，而如工质仅采用水，吸热体1内工质的密度为散热体工质密度的99.5％，可见采用本实施例中的方案吸热体1与散热体5内工质的密度差更大，能获得更大的循环动力，从而使循环流速更大，对流传热系数更高，散热能力更强。
本实施例中，测试不同二氧化碳气体溶解量工况下的散热效果，采用150W的LED光源，在无风环境下进行，环境温度保持为20℃，试验结果见表1所示。由表1可知，当二氧化碳气体低于下限时(工况1)，水中溶解的二氧化碳气体无法析出，循环动力仅由水的密度差产生，循环动力小，散热效果差；当二氧化碳气体溶解量稍高于下限时(工况2)，水中溶解的二氧化碳气体在工作时小部分析出，增大了散热体侧与吸热体侧的工质密度差，循环动力较工况1有所增强，散热效果变好；随着二氧化碳气体溶解量的进一步增大，随着二氧化碳气体溶解量进一步增大(工况3)，二氧化碳气体析出量较工况2析出量增大，散热体侧与吸热体侧的工质密度差进一步增大，循环动力进一步增强，散热效果比工况2更强；随着二氧化碳气体溶解量进一步增大并接近上限值，二氧化碳气体大量析出，在散热体侧仍无法再次充分溶解，散热体也变为气液混合物，吸热体侧与散热体侧的密度差减小，循环动力减弱，散热效果变差；当二氧化碳气体溶解量超过上限时(工况5)，大量的析出的二氧化碳气体无法再次溶解，循环动力再次由水的密度差产生，散热效果变差。
表1：试验结果
本实施例的有益效果包括：
1、与其他液冷方式一样，散热能力强；现有装置中由于冷热流体的密度差产生，密度差小，循环动力小，本实施例中密度差主要由气体的析出与溶解产生，密度差大，循环动力大；
2、本实施例适用于热量的远距离传输，有利于提高有效散热面积，提高散热能力；系统无工质泵，循环动力由工质的密度差和产生，系统无风扇，系统结构简单、稳定，系统无噪声，降低了生产、运行、维护成本；
3、将热量从小面积的面热源传递给工质，再通过工质传递给散热体，使热量在散热体的分布更加均匀；多条循环管路独立布置，不会因为一条出现问题而影响其他循环管路，在一条损坏后温度不会过高；散热能力自适应的特点，随着LED发热量的增大，液体流速变大，从LED到翅片处的热阻变小，装置的散热能力更强。
实施例2：
本实施例提供了一种大功率LED无动力液冷散热装置控制方法，采用了如实施例1中所述的大功率LED无动力液冷散热装置；包括：
吸热体吸收大功率LED光源热量，液体工质在吸热体处吸热后温度升高，液体工质内气体的溶解度降低，气体部分析出，液体工质密度降低，在重力作用下向上流动，液体工质在散热体处散热后温度降低，液体工质内气体溶解度升高，气体重新溶解，工质密度升高，在重力作用下向下流动；由于回路内液体工质存在密度差，回路又存在高度差，工质在重力作用下产生自然循环，在吸热体1处吸热，在散热体5处放热。
进一步的，回路内充满水，水中溶解有二氧化碳气体，每单位体积的水溶解0.42～0.46体积的二氧化碳气体，二氧化碳气体的充装在常温常压下进行，二氧化碳气体在水中溶解度随着温度升高而降低，当水温达到50℃时，水中溶解的二氧化碳气体开始析出。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，包括：
吸热体，固定有大功率LED光源；
散热体，两端分别与所述吸热体的两端通过管道连通，所述散热体、所述吸热体通过管道构成回路；
所述回路填充有溶解有气体的液体工质。
2.如权利要求1所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，所述液体工质为水，水中溶解有二氧化碳气体；溶解有气体的液体工质在所述回路中的循环动力至少由气体的析出和溶解过程提供。
3.如权利要求2所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，每单位体积的水溶解0.42～0.46体积的二氧化碳气体。
4.如权利要求1所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，所述吸热体内部开设有连通出口和入口的空间，空间内固定有多个肋片。
5.如权利要求4所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，多个肋片在液体工质流动方向上平行设置。
6.如权利要求1所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，所述散热体包括多个平行设置的散热片。
7.如权利要求6所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，所述散热体两端通过多个散热管道与所述管道连通，多个散热片与多个散热管道贯通。
8.如权利要求1所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置，其特征在于，大功率LED光源通过导热硅脂固定在所述吸热体上；所述吸热体与所述散热体在同一水平面内。
9.一种大功率LED无动力液冷散热装置控制方法，其特征在于，采用了如权利要求1-8任一项所述的大功率LED无动力液冷散热装置；包括：
吸热体吸收大功率LED光源热量，液体工质在吸热体处吸热后温度升高，液体工质内气体的溶解度降低，气体部分析出，液体工质密度降低，在重力作用下向上流动，液体工质在散热体处散热后温度降低，液体工质内气体溶解度升高，气体重新溶解，工质密度升高，在重力作用下向下流动。
10.如权利要求9所述的一种大功率LED无动力液冷散热装置控制方法，其特征在于，回路内充满水，水中溶解有二氧化碳气体，每单位体积的水溶解0.42～0.46体积的二氧化碳气体，二氧化碳气体的充装在常温常压下进行，二氧化碳气体在水中溶解度随着温度升高而降低，当水温达到50℃时，水中溶解的二氧化碳气体开始析出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220902 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |