CN115360282A - 一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光led - Google Patents

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CN115360282A CN202211055978.9A CN202211055978A CN115360282A CN 115360282 A CN115360282 A CN 115360282A CN 202211055978 A CN202211055978 A CN 202211055978A CN 115360282 A CN115360282 A CN 115360282A
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Abstract

本发明公开了一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED，解决了荧光陶瓷作为白光LED光转换材料散热的技术问题。本申请包括上固定座，上固定座内设有荧光陶瓷和用于使荧光陶瓷降温的散热组件，上固定座的上部连接有用于固定散热组件的压盖，上固定座的下部连接有下固定座，LED芯片设置在下固定座内，下固定座上设有用于使LED芯片降温的降温组件。本申请采用LED芯片激发荧光陶瓷并通过设置在上固定座内的散热组件和连接在下固定座上的降温组件对LED芯片和荧光陶瓷单独散热，结构简单，装配方便，散热速率快且可控，利于工业化生产，解决了荧光陶瓷作为白光LED光转换材料散热和发光装置中温度与效率制约的问题。

Description

一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED
技术领域
本发明涉及新型固态照明技术领域，特别是指一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED 。
背景技术
白光LED具有节能环保、发光效率高、寿命长和体积灵活等优势，被认为是新一代照明光源。白光LED主流方式是在芯片上涂覆一层荧光粉末和硅树脂的混合物，依靠荧光粉末发出的光与LED芯片未被吸收的光混合成为白光。目前，受限于LED芯片的物理极限，LED芯片的光转换效率为30%左右。剩余电能以热能的形式释放，大量的热量累积和热冲击严重影响了白光LED的使用寿命。更严重的是，温度过高会导致“荧光粉末和硅树脂”形式的材料出现热致发光衰减、开裂、碳化等现象，引发白光LED发光品质下降和死灯等问题。上述问题严重制约了白光LED的应用发展。
基于此，荧光陶瓷应运而生，其具有优异的热导率、发光稳定性、机械加工性能和理化性能。以稀土铈掺杂钇铝石榴石荧光陶瓷(Y3Al5O12:Ce3+，YAG:Ce)为例，国内外研究者对YAG:Ce荧光陶瓷进行了大量精细化改性研究，并取得了显著的成果。然而，目前尚未发现荧光陶瓷作为光转换材料被应用于白光LED器件，多数研究仅停留在实验室阶段。因此，加强对荧光陶瓷的散热和封装等应用研究刻不容缓。
文献（Ceramics International 47 (2021) 9156–9163）中制备了系列LuAG:Ce,Mn,Si荧光陶瓷，在测试陶瓷发光性能时未进行（半）工业封装，仅仅是将荧光陶瓷覆盖到蓝光LED芯片上表面。这种封装形式不仅起不到散热作用，而且也影响陶瓷发光性能。文献（Optics Express 29(8) 11938-11946(2022)）中对GdYAG:Ce荧光陶瓷实施了封装。遗憾的是，该研究也是将GdYAG:Ce陶瓷粘贴至蓝光LED芯片上方。现有技术中如CN204693214U的中国专利公开了一种远程荧光体激发白光LED筒灯；该专利仅仅是将荧光粉末与蓝光LED光源组件单纯物理分开实现了远程激发，其与本发明有本质的技术区别。现有技术中如CN204857779U的中国专利公开了一款散热良好远程激发LED发光体；该专利仅宏光上描述了LED芯片与荧光粉胶套的距离，未指出该距离与芯片发光面、芯片功率之间的数学关系。本发明认为LED芯片与荧光陶瓷之间的距离直接影响器件的发光效率和陶瓷的散热速率，并给出了具体量化关系。
综上所述，传统的LED器件散热器只关注了芯片的散热。没有专门针对荧光陶瓷的散热装置。荧光陶瓷在进行光转换时存在量子损失，产生一定量的废热，严重影响发光效率和品质。文献（Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(37): 11449-11456）已经将陶瓷产生的废热量化。此外，多数荧光陶瓷在150 oC左右服役环境下，其发光强度大都急剧下降，甚至降低50%。因此，对荧光陶瓷进行散热和封装设计，是其应用于白光LED亟需突破的技术瓶颈。
为了解决现有散热技术无法兼顾荧光陶瓷散热的问题，本发明提供了一种远程激发荧光陶瓷型白光LED器件及其散热装置，单独对荧光陶瓷进行散热装置设计。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，解决了现有技术中不能兼顾荧光陶瓷和LED芯片散热的问题。本申请单独对荧光陶瓷和LED芯片进行散热装置设计，这样不仅可以增加散热效率从而预防热积累问题，而且还可以有效解决荧光陶瓷远程激发封装问题，大大提高荧光陶瓷的应用化进程。
本发明的技术方案是这样实现的：一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，包括上固定座，上固定座内设有荧光陶瓷和用于使荧光陶瓷降温的散热组件，上固定座的上部连接有用于固定散热组件的压盖，上固定座的下部连接有下固定座，LED芯片设置在下固定座内，下固定座上设有用于使LED芯片降温的降温组件。
进一步的，所述降温组件包括热管系统和散热翅组，热管系统的上部连接在下固定座内，热管系统的下部与散热翅组相连接。
进一步的，所述热管系统为重力热管，重力热管的管数为4~10根，重力热管的蒸发端设置在下固定座内，重力热管的冷凝端与散热翅组相连接。
进一步的，所述下固定座的上部设有凹槽，LED芯片设置在凹槽内，所述下固定座的底部均布有散热鳍，下固定座的侧壁上设有与重力热管配合的贯穿孔。
进一步的，所述散热组件包括支撑块和至少两个涡轮风扇，涡轮风扇设置上固定座的安装槽内且位于支撑块与上固定座之间，涡轮风扇的出风口设置在支撑块上的出风孔内。
进一步的，所述压盖上设有第一出光孔和与涡轮风扇配合的涡轮风扇安装孔。
进一步的，所述上固定座内设有第二出光孔和承接结构，承接结构位于上固定座的下部并与上固定座为一体成型结构，荧光陶瓷设置在承接结构内。
进一步的，所述LED芯片为发射峰波段范围为200 nm~500nm，LED芯片与荧光陶瓷的距离为H=（1/20~1/10）S，S为LED芯片的发光面积。
进一步的，所述荧光陶瓷为包含至少一种稀土离子或过渡族离子的陶瓷，其发射峰为430nm~780nm，荧光陶瓷的厚度为0.8mm~2.0mm。
本发明的有益效果为：本申请采用LED芯片激发荧光陶瓷并通过设置在上固定座内的散热组件对荧光陶瓷单独散热、连接在下固定座上的降温组件对LED芯片单独散热，解决了荧光陶瓷作为白光LED光转换材料散热的技术问题，结构简单，装配方便，散热速率快且可控，利于工业化生产，解决了发光装置中温度与效率制约的问题。
1、本发明不仅解决了LED芯片散热问题，而且还解决了荧光陶瓷在高功率LED芯片激发下的散热问题，能够使荧光陶瓷在高功率LED芯片激发下的稳定发光，制造出了高功率（功率为50W-300W）白光LED器件，实现了荧光陶瓷的应用。
2、本发明采用压盖、上固定座和下固定座配合的方式，解决了荧光陶瓷的封装问题，并且通过在不同装置中芯片与陶瓷的距离的不同，实现了不同功率的白光LED的高效率发射。
3、本发明解决了LED芯片发光面积与荧光陶瓷空间距离的数学关系，即在数值上，荧光陶瓷与LED芯片空间距离(单位为mm）为1/20~1/10倍的LED芯片发光面积(单位为mm2），适用于高功率远程激发型白光LED。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为下固定座的结构示意图；
图3为上固定座的结构示意图；
图4为上固定座的俯视图；
图5为支撑块的结构示意图；
图6为压盖的结构示意图；
图7为散热翅的翅片结构示意图。
图中：1、压盖，101、第一螺纹孔，102、涡轮风扇安装孔，103、第一出光孔，2、支撑块，201、出风孔，3、涡轮风扇，4、上固定座，401、第二螺纹孔、402、安装槽，403、承接结构，404、第二出光孔，5、荧光陶瓷，6、LED芯片，7、下固定座，701、散热鳍，702、贯穿孔，703、凹槽，704、第三螺纹孔，705、安装孔，8、热管系统，9、散热翅组，901、穿孔，902、弧形槽，903、翻边特征。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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付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。
如图1所示，实施例1，一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，包括上固定座4，上固定座4内设有荧光陶瓷5和用于使荧光陶瓷5降温的散热组件，上固定座4的上部连接有用于固定散热组件的压盖1，上固定座4的下部连接有下固定座7，LED芯片6设置在下固定座7内，下固定座7上设有用于使LED芯片6降温的降温组件。上固定座4与下固定座7的腔体内涂覆有高反射材料，可避免在光转换过程中，光不会被腔体吸收而造成损失。LED芯片6发光面积与荧光陶瓷5面积相同。LED芯片6上发射出白光并激发荧光陶瓷5，其射出的光源稳定；散热组件与上固定座4配合用于使荧光陶瓷5降温，降温组件配合下固定座7用于LED芯片6降温，且在散热组件与降温组件的作用下，连接有LED芯片的下固定座产生的热量不会影响上固定座。解决了荧光陶瓷5作为白光LED光转换材料散热、发光装置中温度与效率制约的技术问题，结构简单，装配方便，散热速率快且可控，利于工业化生产。
在本实施例中，降温组件包括热管系统8和两组散热翅组9，热管系统8和散热翅组9对称设置在下固定座的两侧，两组散热翅组9由20-60片的翅片组合成，优选为60片，翅片为板状结构，若干板状结构板叠放组合成散热翅组，板状结构的两端垂直连接有翻边特征903，翻边特征便于散热翅组9叠放时有散热空间，板状结构靠近的翻边特征903的中部设有弧形槽902，弧形槽902便于散热翅组9周向散热。热管系统8的上部连接在下固定座7内，热管系统8的下部与散热翅组9相连接。散热翅组9的数量为20~60根，优选为40根。热管系统8为重力热管，重力热管的管数为4~10根，优选为8根，重力热管的蒸发端设置在下固定座7内，重力热管的冷凝端与叠放的散热翅组9相连接，散热翅组9上设有与重力热管配合的穿孔902。采用重力热管对LED芯片6降温，其降温效果稳定，能够持续有效的保证LED芯片6的工作温度，LED芯片产生的热量通过下固定座上连接的重力热管和散热翅组散发，且不会影响上固定座。
在本实施例中，下固定座7的上部设有凹槽703，凹槽703为与LED芯片6配合的矩形凹槽， LED芯片6设置在凹槽703内，LED芯片通过螺钉固定在凹槽底部的安装孔705内。不同功率的LED芯片6安装在不同深度的凹槽703内，保证LED芯片6光源的发光效率。下固定座7的底部均布有散热鳍701，若干散热鳍701均布在下固定座7的底面上，增加了下固定座7与空气接触面积，便于下固定座7的散热。下固定座7的侧壁上设有与重力热管配合的贯穿孔702，重力热管的蒸发端设置在贯穿孔702内，便于LED芯片6工作时产生的热度从下固定座传递给重力热管使其的散热，防止LED芯片的工作热度过高。
在本实施例中，所述散热组件包括支撑块2和四个涡轮风扇3，涡轮风扇3设置在上固定座4的安装槽402内且位于支撑块2与上固定座4之间，安装槽402为“十”字型槽，涡轮风扇均布在“十”字型槽四个支线上且互不接触，支撑块位于“十”字型槽的中部并与涡轮风扇卡接。支撑块2为框型支撑块2，出风孔201在框型支撑块2上周向分布，支撑块2设置在安装槽402的中部用于支撑涡轮风扇。涡轮风扇3的出风口设置在支撑块2上的出风孔201内。支撑块2设置在上固定座4内并通过压盖1固定在上固定座4内。涡轮风扇3设置在支撑块2与上固定座4之间，涡轮风扇3的出风口设置在支撑块2的出风孔201内。压盖1上设有第一出光孔103和与涡轮风扇3配合的涡轮风扇安装孔102，涡轮风扇安装孔102限制涡轮风扇的移动，固定涡轮风扇位置的同时避免涡轮风扇向第二出光孔内倾斜。荧光陶瓷5设置在安装槽402的底部并与承接结构403连接，涡轮风扇3的出风口朝向支撑块2内，便于带走荧光陶瓷5的热度，达到降温的目的。上固定座4内设有第二出光孔404和用于承接LED芯片6的承接结构403，承接结构403位于上固定座4的下部且与上固定座4为一体成型结构，支撑块设置在承接结构的上部。承接结构403为矩形环状结构，荧光陶瓷5连接在矩形环状结构上，避免荧光陶瓷5向下落入下固定座7内，同时保证LED芯片对荧光陶瓷的远程激发效果。
在本实施例中，LED芯片6与荧光陶瓷5的距离为H=（1/20~1/10）S， S 为LED芯片6的发光面积。LED芯片6的发光面积为固定值，根据LED芯片6的发光面积选择加工凹槽703的深度，通过不同荧光陶瓷5与LED芯片6的距离，进而保证白光稳定激发，同时也保证LED芯片6和荧光陶瓷5的单独散热效果。LED芯片6为发射峰在200 nm~500nm波段范围内任意一种LED芯片。荧光陶瓷5为稀土离子或过渡族离子中至少一种作为发光心中的发光陶瓷，其发射峰位于430nm~780nm。LED芯片6为COB型LED芯片，该范围之内的LED芯片6能够发射稳定白光。荧光陶瓷5为稀土离子或过渡族离子中至少一种作为发光心中的发光陶瓷，该陶瓷的发光功率好，激发的光源稳定，适合进行工业化生产。
具体的封装过程为，重力热管的上部与下固定座7连接，重力热管的下部为若干叠放的散热翅组9连接，LED芯片6放置在下固定座7的凹槽703内组合成LED芯片6的降温结构。将荧光陶瓷5切割使其发光面积与LED芯片6发光面积尺寸一致，再将切割好的荧光陶瓷5安装在上固定座4的承接结构403上，而后安装散热扇及支撑块2并将压盖1安装在上固定座4上，采用长螺栓依次与压盖1上的第一螺纹孔101、上固定座4上的第二螺纹孔401与下固定座7的第三螺纹孔704连接，完成封装。
实施例2
一种带有散热的功率为300W的远程激发荧光陶瓷型白光LED，其包含以下参数和封装及使用步骤：
参数：荧光陶瓷选择LuAG:Ce,Cr，厚度为2mm，边长为35mm；LED芯片选择COB型芯片，发射峰为460nm，功率为300W。
功率为300W的COB型LED芯片的发光面积为1225mm2。则，荧光陶瓷与LED芯片空间距离在数值上为1/10倍的LED芯片发光面积，计算得荧光陶瓷与LED芯片空间距离122.5mm。重力热管为10根，散热翅组的翅片总数为60片。
步骤S1：将LuAG:Ce,Cr荧光陶瓷切割，使其发光面积与LED芯片发光面积尺寸一致。LuAG:Ce,Cr陶瓷边缘涂覆导热硅脂后安装到上固定座4内，并将涡轮风扇3、支撑块2依次装入上固定座4内。通过螺栓将压盖1与上固定座4连接，二者接触处涂覆导热硅脂。经过步骤S1获得装置命名为A。A满足对荧光陶瓷的单独散热。
步骤S2：将10根重力热管的蒸发端分别跟下固定座7两侧的5个贯穿孔相连接，重力热管的冷凝端与散热翅组相连接，单侧叠放安装30片翅片。将LED芯片底部涂覆导热硅脂，通过螺钉将LED芯片与已安装散热翅组和重力热管的下固定座7相连接。经过步骤S2获得装置命名为B。B完成对LED芯片的单独散热。
步骤S3：将经过步骤S1获得的装置A与经过步骤S2获得的装置B相连接，二者中间涂覆导热硅脂。涂覆导热硅脂能够将上固定座与下固定座连接，完成本装置的封装。
步骤S4：接通电源后，步骤S3获得的装置进入正常工作状态，LED芯片发出白光，并远程激发荧光陶瓷，同时涡轮风扇和10根重力热管均开始工作，分别对荧光陶瓷和LED芯片降温，整个系统的最高温度被控制在110 oC以内。能够使荧光陶瓷在功率300W 的LED芯片激发下的稳定发光，实现了荧光陶瓷的应用。
实施例3
一种带有散热的功率为50W的远程激发荧光陶瓷型白光LED，其包含以下参数和封装及使用步骤：
参数：荧光陶瓷选择LuAG:Ce,Cr，厚度为0.8 mm，边长为20mm；LED芯片选择COB型芯片，发射峰为460 nm，功率为50W。
功率为50W的COB型LED芯片的发光面积尺寸为400 mm2。则，荧光陶瓷与LED芯片空间距离，在数值上为1/10倍的LED芯片发光面面积，计算得荧光陶瓷与LED芯片空间距离40mm。重力热管为4根，散热翅组的翅片总数为20片。
步骤S1：将LuAG:Ce,Cr荧光陶瓷切割使其发光面积与LED芯片发光面积尺寸一致。LuAG:Ce,Cr陶瓷边缘涂覆导热硅脂后安装到上固定座4内。并将涡轮风扇3、支撑块2依次装入上固定座4内。通过螺栓将压盖1与上固定座4连接，二者接触处涂覆导热硅脂。经过步骤S1获得装置命名为C。C满足对荧光陶瓷的单独散热。
步骤S2：将4根重力热管分别跟下固定座7两侧的2个贯穿孔相连接，下固定座7的两侧重力热管冷凝端与翅片相连接，单侧安装10片。将LED芯片底部涂覆导热硅脂，通过螺钉将LED芯片与已安装翅片和热管的下固定座7相连接。经过步骤S2获得装置命名为D。D完成对LED芯片的单独散热。
步骤S3：将经过步骤1获得的装置C与经过步骤S2获得的装置D相连接，二者中间涂覆导热硅脂。完成本装置的封装。
步骤S4：接通电源后，步骤S3获得的装置进入正常工作状态，LED芯片发出白光，并远程激发荧光陶瓷，同时涡轮风扇和4根重力热管均开始工作，分别对荧光陶瓷和LED芯片降温，整个系统的最高温度被控制在110 oC以内。能够使荧光陶瓷在功率50W 的LED芯片激发下的稳定发光，实现了荧光陶瓷的应用。
实施例4
一种带有散热的功率为200W的远程激发荧光陶瓷型白光LED，其包含以下参数和封装及使用步骤：
参数：荧光陶瓷选择LuAG:Ce,Cr，厚度为1 mm，边长为30mm；LED芯片选择COB型芯片，发射峰为460 nm，功率为200W。
功率为200W的COB型LED芯片的发光面尺寸为900mm2。则，荧光陶瓷与LED芯片空间距离，在数值上为1/10倍的LED芯片发光面积，计算得荧光陶瓷与LED芯片空间距离90 mm。重力热管为8根，散热翅组的翅片总数为50片。
步骤S1：将LuAG:Ce,Cr荧光陶瓷切割使其发光面积与LED芯片发光面积尺寸一致。LuAG:Ce,Cr陶瓷边缘涂覆导热硅脂后安装到上固定座4内，并将涡轮风扇3、支撑块2依次装入上固定座4内。通过螺栓将压盖1与上固定座4连接，二者接触处涂覆导热硅脂，经过步骤S1获得装置命名为E。E满足对荧光陶瓷的单独散热。
步骤S2：将8根重力热管分别跟下固定座7两侧的4个贯穿孔相连接，下固定座7的两侧重力热管的冷凝端与散热翅组的翅片相连接，单侧安装25片。将LED芯片底部涂覆导热硅脂，通过螺钉将LED芯片与已安装翅片和热管的下固定座7相连接。经过步骤S2获得装置命名为F。F完成对LED芯片的单独散热。
步骤S3：将经过步骤1获得的装置E与经过步骤S2获得的装置F相连接，二者中间涂覆导热硅脂。完成本装置的封装。
步骤S4：接通电源后，步骤S3获得的装置进入正常工作状态，LED芯片发出白光，并远程激发荧光陶瓷，同时涡轮风扇和8根重力热管均开始工作，分别对荧光陶瓷和LED芯片降温，整个系统的最高温度被控制在110 oC以内。能够使荧光陶瓷在功率200W 的LED芯片激发下的稳定发光，实现了荧光陶瓷的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：包括上固定座（4），上固定座（4）内设有荧光陶瓷（5）和用于使荧光陶瓷（5）降温的散热组件，上固定座（4）的上部连接有用于固定散热组件的压盖（1），上固定座（4）的下部连接有下固定座（7），LED芯片（6）设置在下固定座（7）内，下固定座（7）上设有用于使LED芯片（6）降温的降温组件。
2.根据权利要求1所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述降温组件包括热管系统（8）和至少两组散热翅组（9），热管系统（8）的上部连接在下固定座（7）内，热管系统（8）的下部与散热翅组（9）相连接。
3.根据权利要求2所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述热管系统（8）为重力热管，重力热管的管数为4~10根，重力热管的蒸发端设置在下固定座（7）内，重力热管的冷凝端与散热翅组（9）相连接。
4.根据权利要求2或3所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述下固定座（7）的上部设有凹槽（703），LED芯片（6）设置在凹槽（703）内，所述下固定座（7）的底部均布有散热鳍（701），下固定座（7）的侧壁上设有与重力热管配合的贯穿孔（702）。
5.根据权利要求4所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述散热组件包括支撑块（2）和至少两个涡轮风扇（3），涡轮风扇（3）设置上固定座（4）的安装槽（402）内且位于支撑块（2）与上固定座（4）之间，涡轮风扇（3）的出风口设置在支撑块（2）上的出风孔（201）内。
6.根据权利要求5所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述压盖（1）上设有第一出光孔（103）和与涡轮风扇（3）配合的涡轮风扇安装孔（102）。
7.根据权利要求6所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述上固定座（4）内设有第二出光孔（404）和承接结构（403），承接结构（403）位于上固定座（4）的下部并与上固定座（4）为一体成型结构，荧光陶瓷（5）连接在承接结构（403）上。
8.根据权利要求1~3、5~7任一项所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述LED芯片（6）为发射峰波段范围为200 nm~500nm，LED芯片（6）与荧光陶瓷（5）的距离为H=（1/20~1/10）S，S为LED芯片（6）的发光面积。
9.根据权利要求8所述的带有散热的高功率远程激发荧光陶瓷型白光LED ，其特征在于：所述荧光陶瓷（5）为包含至少一种稀土离子或过渡族离子的陶瓷，其发射峰为430nm~780nm，荧光陶瓷（5）的厚度为0.8mm~2.0mm。
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