CN117423796B - 一种带脉动热板延展体的大功率led照明相变散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子元器件散热技术领域,具体涉及一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器,基于脉动热管机理设计了独特的脉动热板翅片结构用于代替传统的金属翅片,包括两个封闭的腔体,其一为每片脉动热板通过脉动热板肋根与环形散热柱体的外壁面和内壁面形成封闭的中空辐射形脉动热板翅片腔体;另一个为蒸汽室基板、蒸汽室盖板与环形散热柱体的内壁面形成封闭的中空蒸汽室腔体;辐射形脉动热板翅片腔体和蒸汽室腔体分别进行抽真空和灌液。本发明的脉动热板翅片表面温度梯度由于大幅降低,提高了热扩散能力,传热效果更好。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件散热技术领域,具体涉及一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器。
背景技术
LED作为第四代照明技术,具备可靠性强、响应迅速、实用性好等优点,广泛应用于室内和室外照明领域。随着高亮度大功率LED芯片技术的不断发展,散热问题已经成为制约产业技术发展的瓶颈。公知的,LED的光电转换效率仅约为20%,大部分电能会转化为热量,若不能及时散热,将导致热量积聚,进而导致LED芯片结温的升高,影响光通量和辐射波长,降低LED的发光效率和芯片寿命,严重情况下甚至可能导致LED芯片损坏。因此,开展大功率LED芯片表面高效散热技术研发,对LED产业发展具有重要意义。
为了解决上述技术问题,带有蒸汽室的散热器应运而生,其因可以显著降低热阻而备受关注。然而,这种类型的传统散热器存在散热翅片表面温度梯度过大的问题,从而限制了传热性能的进一步提升。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器,根据脉动热管机理设计了独特的脉动热板翅片结构取代传统的金属翅片,该散热装置具有结构简单、布置灵活、安全可靠、散热高效等优点。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热装置,包括脉动热板、环形散热柱体、辐射形脉动热板翅片腔体、蒸汽室基板、蒸汽室盖板、蒸汽室腔体和LED光源基板;其中,所述的环形散热柱体为中空结构,径向间隙为2mm,当量直径为0.7~2.0倍邦德数(Bo),其与空气接触的外侧表面为环形散热柱体的外壁面;所述的辐射形脉动热板翅片腔体为脉动热板肋片通过肋根与环形散热柱体的外壁面及其内壁面连接形成封闭的翅片腔体;所述的蒸汽室腔体为蒸汽室基板、蒸汽室盖板连接环形散热柱体的内壁面形成的封闭的中空腔体,即蒸汽室腔体的环形壁面为环形散热柱体的内壁面;所述的LED光源基板通过螺钉安装在蒸汽室基板下表面中心位置。
本发明根据脉动热管机理设计了独特的脉动热板结构,以取代传统的金属翅片。脉动热板作为主体散热元件,其起始部分为脉动热板肋根,脉动热板沿肋高方向的末端位置为脉动热板肋端。每片脉动热板通过脉动热板肋根与环形散热柱体的外壁面连接,腔体间相互连通。
作为本发明的一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热装置优选方案。所述脉动热板内工质的气液相变传热过程类似于脉动热管。脉动热管是遵循管内强制流动沸腾与凝结机理进行传热的,而汽塞和液塞能否在脉动热管中形成取决于重力和表面张力的相对强度,其由邦德数(Bo)确定。通常认为,满足此邦德数(Bo)条件下的脉动热管内径按照下述公式计算:
;
D——直径,mm;
σ——表面张力,N/m;
ρ l 、ρ v ——液相密度和气相密度,kg/m³;
g——重力加速度,。
这样,脉动热板翅片内腔的当量直径范围也必须满足上式要求,并最终确定脉动热板的断面结构。
根据选用去离子水作为工质对当量直径范围进行校核计算,最终确定脉动热板内腔的尺寸,即2mm×76mm×76mm。
作为本发明的一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器优选方案。所述的辐射形脉动热板翅片腔体需进行真空抽取后,注入适量的工质,如水、甲醇、乙醇等。
作为本发明的一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热装置优选方案。蒸汽室腔体内抽真空后需充装定量相变工质用于强化传热。
与传统翅片相比,在相同条件下,本发明的脉动热板翅片表面温度梯度大幅降低,提高热扩散性能,传热效果更好,具有以下有益效果:
1.通过采用脉动热板取代传统金属翅片,将热量通过相变传热传递到辐射形脉动热板翅片腔体各个区域,从而实现降低辐射形脉动热板翅片腔体内温度梯度,减小肋根和肋端之间的温差,降低脉动热板翅片的热阻,提高散热器整体散热效率;
2.脉动热板通过脉动热板的肋根与环形散热柱体的外壁面及其内壁面连接形成封闭的中空环形脉动热板翅片腔体,蒸汽室基板、蒸汽室盖板和环形散热柱体内壁面相连接构成封闭的蒸汽室腔体,两个腔体内的工质相变后能充分降低传热阻力,实现散热器强化传热目的;
3.基于脉动热管机理设计的脉动热板结构可作为高效的传热元件,以相变传热的方式替代传统金属翅片的导热方式,对提高散热效率具有很大意义。
附图说明
图1为本发明实施例一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器的主视图;
图2为本发明实施例一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器的立体图;
图3为本发明实施例一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器的腔体剖面图;
图4为加热功率分别为15W、20W、25W和30W时,75%充液率的脉动热板肋根T1和肋端T7的温度曲线,图中:(a)P=15W;(b)P=20W;(c)P=25W;(d)P=30W;
图5为分别采用实验方法和数值模拟方法得到的相同肋根温度条件下沿肋高方向(径向)各截面的温度曲线,图中:(a)t 0=51℃;(b)t 0=64℃。
附图标记说明:1、脉动热板;1-1、脉动热板肋根;1-2、脉动热板肋端;2、环形散热柱体;2-1、外壁面,2-2、内壁面;3、辐射形脉动热板翅片腔体;4、蒸汽室基板;5、蒸汽室盖板;6、蒸汽室腔体;7、LED光源基板;8、螺钉。
实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参阅图1-图3,本发明提供以下技术方案:一种带有脉动热板延展体的相变散热器,基于脉动热管机理设计了独特的脉动热板1翅片结构用于代替传统的金属翅片,包括两个封闭的腔体:辐射形脉动热板翅片腔体3和蒸汽室腔体6,且辐射形脉动热板翅片腔体3和蒸汽室腔体6分别进行抽真空和灌液;具体地,包括脉动热板1、环形散热柱体2、辐射形脉动热板翅片腔体3、蒸汽室基板4、蒸汽室盖板5、蒸汽室腔体6和LED光源基板7,其中,环形散热柱体2为中空结构,环形散热柱体2与空气接触部分为环形散热柱体2的外壁面2-1;脉动热板1起始部分为脉动热板肋根1-1,脉动热板1沿肋高方向的末端位置为脉动热板肋端1-2;每片脉动热板1通过脉动热板肋根1-1与环形散热柱体的外壁面2-1、环形散热柱体2的内壁面2-2形成封闭的中空辐射形脉动热板翅片腔体3;蒸汽室基板4、蒸汽室盖板5与环形散热柱体2内壁面2-2形成封闭的中空蒸汽室腔体6,LED光源基板7通过螺钉8安装在蒸汽室基板4下表面中心位置。
随着LED芯片结点温度的上升,热量由LED光源基板7传递至蒸汽室基板4,进而在蒸汽室腔体6内的工质吸热并蒸发。这一过程中产生的蒸汽在微小的压力差作用下移动至冷凝端,实现热量在整个蒸汽室腔体6内的均匀分布。与此同时,热量经环形散热柱体2的内壁面2-2传输至辐射形脉动热板翅片腔体3。在此,辐射形脉动热板翅片腔体3内的工质通过相变和振荡机制有效传递热量,显著提升翅片表面的热扩散能力,从而与空气侧能够建立更高的传热温差,使散热器的性能得到全面提升。
通过腔体内相变传热和振荡流动形式,散热器整体降低了脉动热板1表面的温度梯度。在本实施例中,脉动热板1壁面材料为不锈钢,壁厚为2mm,导热系数相对较低,仅为16.27W/(m·K)。该散热装置具有安装方便、传热效果优越以及应用广泛等特点。
具体的,脉动热板1传热元件基于脉动热管机理进行设计,脉动热板内腔尺寸为2mm×76mm×76mm,严格符合脉动热管的当量直径要求,即0.7~2.0倍邦德数(Bo)范围内,这样设计使得脉动热板1内的工质在运行过程中不受重力影响,使得汽、液塞能随机分布在整个腔内,通过类似于脉动热管的相变传热和振荡传热机制,能够有效降低脉动热板1表面温度梯度,这对于降低传统金属翅片沿高度方向上的温度梯度具有重要意义。
具体的,环形散热柱体2径向间隙为2mm,当量直径为0.7~2.0倍邦德数(Bo)。对辐射形脉动热板翅片腔体3进行真空抽取后,注入适量的工质,如水、甲醇、乙醇等。经过实验和数值模拟验证,这种脉动热板1能在冷、热源作用下表现出更好的散热效果和较低的温度梯度,相较于传统金属翅片,脉动热板1具有更好的热扩散性能。
具体的,蒸汽室基板4、蒸汽室盖板5与环形散热柱体2的内壁面2-2形成封闭的蒸汽室腔体6,蒸汽室腔体6内抽真空灌液,通常使用蒸馏水作为工质,并在腔内保持一定的真空度,以使得工质在较低温度下即会蒸发,遇冷壁面后释放潜热凝结为液体,依次循环,从而使得腔内的相变工质能够适用于温度更高的发热源。
本发明的工作原理如下:随着LED芯片结点温度的升高,热量通过LED光源基板7和蒸气室基板4传至蒸汽室腔体6,蒸汽室腔体6内的相变工质吸热并发生相变产生蒸汽。在微小的压差作用下,蒸汽被推动至冷凝端,遇冷壁面后蒸汽释放潜热并凝结为液体,并在重力作用下液体返回到热端,蒸汽将携带的热量扩散至整个腔体内,蒸汽室腔体6即是通过相变传热提高热扩散能力。
随后,热量通过蒸汽室腔体6环形外侧壁面传至辐射形脉动热板翅片腔体3,再通过脉动热板1及环形散热柱体2的外壁面2-1散失至空气中。热量传递过程中,与蒸汽室腔体6环形外侧壁面接触的工质受热蒸发,相变产生气泡,迅速膨胀升压;在压差的作用下,工质被推动至辐射形脉动热板翅片腔体3;脉动热板1内汽泡遇冷破裂,并释放潜热凝结为液体,其内部工质交替蒸发膨胀和冷凝收缩所产生的压力差提供内部驱动力,使得工质在脉动热板1内随机脉动流动,从而降低了翅片壁面的温度梯度。为增加强化散热的面积,环形中空散热腔体2上设置有若干片脉动热板1。
图4为加热功率分别为15W、20W、25W和30W时,75%充液率的脉动热板肋根T1和肋端T7的温度曲线,脉动热板肋根即脉动热板和环形散热柱体的外壁面连接部分,肋端为脉动热板肋高方向的末端位置。从图中可以看出随着加热功率的增加,肋端温度呈现出更快的振荡频率、更小的振幅。这一实验结果反映了在较高加热功率下,脉动热板的温度振荡行为具有稳定性和规律性。
如图5所示,为分别采用实验方法和数值模拟方法得到的相同肋根温度条件下沿肋高方向(径向)各截面的温度曲线,其中,脉动热板翅片为实验方法,直肋钢翅片为数值模拟方法。从图中可以看出,当脉动热板肋根温度分别为51℃、64℃,环境温度为25℃时,通过数值模拟方法计算得出的直肋钢翅片的肋根和肋端温差分别为19.8℃、28.7℃,而实验方法测得的脉动热板翅片的两端温差分别为2.11℃、1.19℃。假设包括对流传热及辐射传热在内的复合换热的表面传热系数h相同,通过对脉动热板翅片和直肋钢翅片温度场计算分析,得到脉动热板翅片的散热量约为直肋钢材翅片的2.1倍和2.04倍。可见,脉动热板要比普通直肋钢板翅片具有明显的强化传热效果。
可见,本发明采用脉动热板替代传统的金属翅片,显著降低了翅片侧的温度梯度,对于提高散热器的整体传热效果具有显著效果。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器,其特征在于:包括脉动热板(1)、环形散热柱体(2)、蒸汽室基板(4)、蒸汽室盖板(5)和LED光源基板(7);每片所述的脉动热板(1)通过脉动热板肋根(1-1)与环形散热柱体(2)的外壁面(2-1)和内壁面(2-2)形成封闭的中空辐射形脉动热板翅片腔体(3);所述的蒸汽室基板(4)、蒸汽室盖板(5)与环形散热柱体的内壁面(2-2)形成封闭的中空的蒸汽室腔体(6);所述的LED光源基板(7)通过螺钉(8)安装在蒸汽室基板(4)下表面的中心位置;
所述脉动热板(1)基于脉动热管机理设计,选用去离子水作为工质,按照下述公式计算确定脉动热板(1)内腔的尺寸:
式中,
D——直径,mm;
σ——表面张力,N/m;
ρ l 、ρ v ——液相密度和气相密度,kg/m³;
g——重力加速度,;
所述的脉动热板(1)呈 形状,脉动热板(1)起始部分为脉动热板肋根(1-1),脉动热板(1)沿肋高方向的末端位置为脉动热板肋端(1-2),所述脉动热板肋根(1-1)与脉动热板肋端(1-2)宽度相等。
2.如权利要求1所述的一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器,其特征在于:所述的环形散热柱体(2)为中空结构,径向间隙为2mm,当量直径为0.7~2.0倍邦德数,其与空气接触的外侧表面为环形散热柱体(2)的外壁面(2-1)。
3.如权利要求1所述的一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器,其特征在于:所述的脉动热板(1)与环形中空散热柱体(2)的外壁面(2-1)相互连接,腔体间相互连通。
4.如权利要求1所述的一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器,其特征在于:所述的脉动热板(1)内腔的尺寸为2mm×76mm×76mm。
5.如权利要求1所述的一种带脉动热板延展体的大功率LED照明相变散热器,其特征在于:所述的辐射形脉动热板翅片腔体(3)和蒸汽室腔体(6)分别为抽取真空后充注适量工质的密封结构。
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