CN202352731U - 基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动led散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的基于液态金属热虹吸效应的LED散热装置，包括：一内部开有流道，且流道内装有室温液态金属或其合金流动工质的散热块，散热块的一端通过导热硅脂或其他热界面材料与待冷却的LED芯片接触，另一端表面设有散热肋片；两个内部开有流道，且流道内装有室温液态金属或其合金流动工质的散热器，一个高于散热块水平放置，一个竖直放置，两个散热器的表面都设有散热肋片。至少一根连接管道连通于散热器与散热块之间。连接管道与散热器、散热块内的流道组成封闭的环路供液态金属流动。本发电装置是一种无运动部件的自维持、自适应高效散热装置，结构简单，可靠性高，维护方便，且噪音低。

Description

基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置

技术领域

本实用新型涉及一种散热装置，特别涉及一种基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置。

背景技术

LED作为新一代的光源，具有显色性能好、使用寿命长、节能环保等优点，正获得越来越广泛的应用，其中包括影视灯光、大型广告显示屏、城市高速公路及室内照明等领域。

随着LED技术的发展，LED光源光通量不断提高，所消耗的功率的越来越大。LED的输入电能中只有小部分转化为了光能，其余大部分转化为了热能。所产生的热能如果不能及时散掉，会降低LED的显色性能，且会减少LED的使用寿命。因此，散热对于LED的正常使用显得尤其重要。现有的LED产品中仍然以肋片的自然对流散热为主，然而这种散热方式的散热能力有限，对于大功率的LED冷却难以胜任。热管散热虽然可以实现较大功率的冷却，但是存在液体被蒸干的危险。液体冷却成为了一种很有前景的技术，然而传统的水冷、油冷由于介质的导热率过低导致散热性能不佳，且散热系统体积庞大等问题。

本申请于2002年首次提出以室温金属流体或其合金作为计算机芯片散热器冷却流动工质的方法(专利公开号CN 1489020A)。液态金属由于具有较高的热导率及良好的流动性，使其具有远高于水、空气及许多非金属介质的热量传输能力。

热虹吸效应是一种流体由于受热发生密度变化，进而产生浮升力来驱动流体流动的现象。作为一种安全高效的驱动方式，此种效应已经广泛于太阳能热水器、核电站事故后余热排出以及地热利用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置；该散热装置由于无需外界能量输入，只依靠LED本身的发热驱动，该散热装置属于自维持散热装置。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供的基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置，其特征在于，其由下述组件组成：

一内部开有至少一条内部流道的的散热块，所述的散热块的一表面上装有散热肋片；

由一内部开有至少一条内部流道的第一散热平片和装于所述第一散热平片表面上的散热肋片组成的第一散热器；

由一内部开有至少一条内部流道的第二散热平片和装于所述第二散热平片表面上的散热肋片组成的第二散热器；

所述第一散热器的第一散热平片高于散热块1水平放置，所述第二散热器3的第二散热平片竖直放置；和

至少一根连接管道；

所述散热块的内部流道数量、第一散热器的第一散热平片的内部流道数量、第二散热器的第二散热平片的内部流道数量与连接管道相等；

所述每根连接管道位于散热块、第一散热平片与第二散热平片之间；而且所述每根连接管道连通所述散热块内部流道、第一散热平片内部流道和第二散热平片内部流道，并形成相连通的闭环回流通道；所述闭环回流通道内装有流动的室温液态金属。

所述散热肋片横截面为正方形、长方形、三角形或圆形；其截面面积为100nm²～25cm²。

所述散热块内部流道、第一散热平片的内部流道和第二散热平片的内部流道的横截面形状为矩形、正方形或三角形，它们的内部流道长度均在1毫米到100厘米之间。

所使用的连接管道由金属材料铜、钛、银或不锈钢或有机玻璃或塑料做成。闭环回流通道内流动的液态金属为镓、钠、钾、水银或镓铟、钠钾合金或镓铟锡合金。所述的散热块、第一散热平片和第二散热平片为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物制做。

本实用新型的工作原理如下：

所述散热块的无散热肋片的端面通过导热硅脂或其他热界面材料与待冷却的LED芯片接触；LED芯片产生的热量小部分通过散热块1的散热肋片散掉，大部分热量加热散热块的内部流道中液态金属，液态金属被加热，体积膨胀，密度发生变化，进而产生浮升力，克服管道内的流动阻力，发生流动；液态金属在依次流经第一散热器的内部流道和第二散热器的内部流道之后，LED芯片产生的大部分热量通过该两个散热器的散热肋片散发到外界环境中，流至第二散热器的内部流道的液态金属温度已降低，重新进入散热块的内部流道中吸热，进行循环流动。闭环回流通道中的液态金属密度差与散热器高差的结合产生了压差，推动液态金属在闭环回流通道内循环流动。

本实用新型充分利用了液体金属的高效传热的优势及热虹吸效应的无运动部件特点，突破了传统散热方式散热效率低、需要外界能量输入等不利，由此可确保实现可靠、噪音低、节能而高效的散热；迄今，国内外尚无将室温液态金属热虹吸效应用于LED散热。

本实用新型关键之处在于将液态金属散热方式与优秀的热虹吸驱动方式结合，有效利用了LED芯片的废热，无运动部件，无外界能量输入，散热能力随发热量提升而增大，是一种自维持、自适应高效散热装置。这种散热装置稳定性高、噪音低、散热效率高，从而使LED冷却变得更加安全与高效，另外本本实用新型基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置同样适用于其他发热器件及芯片的散热。

附图说明

图1为本实用新型用于LED芯片竖直放置的结构示意图；

图2为图1的横截面示意图；

图3为本实用新型用于LED芯片水平放置的结构示意图；

图4为图2的横截面示意图；

图5为第一散热平片和第二散热平片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本实用新型。

图1为本实用新型用于LED芯片竖直放置的结构示意图；图2为图1的横截面

示意图；图3为本实用新型用于LED芯片水平放置的结构示意图；图4为图2的横截面示意图；图5为第一散热平片和第二散热平片的结构示意图；由图可知，本实用新型提供的基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置，其特征在于，其由下述组件组成：

一内部开有至少一条内部流道的的散热块1，所述的散热块1的一表面上装有散热肋片；

由一内部开有至少一条内部流道的第一散热平片和装于所述第一散热平片表面上的散热肋片组成的第一散热器2；

由一内部开有至少一条内部流道的第二散热平片和装于所述第二散热平片表面上的散热肋片组成的第二散热器3；

所述第一散热器2的第一散热平片高于散热块1水平放置，所述第二散热器3的第二散热平片竖直放置；和

至少一根连接管道4；

所述散热块1的内部流道数量、第一散热器2的第一散热平片的内部流道数量、第二散热器4的第二散热平片的内部流道数量与连接管道4相等；

所述每根连接管道4位于散热块、第一散热平片与第二散热平片之间；而且所述每根连接管道4连通所述散热块内部流道、第一散热平片内部流道和第二散热平片内部流道，并形成相连通的闭环回流通道；所述闭环回流通道内装有流动的室温液态金属8。

所述散热肋片横截面为正方形、长方形、三角形或圆形；其截面面积为100nm²～25cm²。

所述散热块1内部流道、第一散热平片的内部流道和第二散热平片的内部流道的横截面形状为矩形、正方形或三角形，内部流道的长度均在1毫米到100厘米之间。

所使用的连接管道4由金属材料铜、钛、银或不锈钢或有机玻璃或塑料做成。闭环回流通道内流动的液态金属为镓、钠、钾、水银或镓铟、钠钾合金或镓铟锡合金。所述的散热块1、第一散热平片和第二散热平片为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物制做。

实施例1(图1和图2所示为本实用新型用于LED芯片竖直放置的示意图)；

本实施例的散热块1的内部流道数量、第一散热器2的第一散热平片的内部流道数量、第二散热器4的第二散热平片的内部流道数量与连接管道4相等，均为3；

散热块1及内部流道垂向放置；散热块1内部开有3条流道内部流道，散热块1一个端面通过导热硅脂或其他热界面材料与待冷却的LED芯片接触，另一个端面装有散热肋片5；

第一散热器2的第一散热平片高于散热块1水平放置，其内的内部流道呈水平态，第一散热平片的表面装有散热肋片6；

第二散热器3的第二散热平片垂向放置，其内的内部流道呈垂向，第二散热平片的表面装有散热肋片7；

三根连接管道4以并联形式分别连通于散热块1的内部流道、第一散热平片的内部流道和第二散热平片的内部流道之间并形成闭环回流通道，闭环回流通道装有流动的液态金属8；

连接管道4可由金属材料、有机玻璃或塑料做成；金属材料可为铜、钛、银或不锈钢。

流动于闭环回流通道的液态金属8为镓、钠、钾、水银、镓铟、钠钾合金或镓铟锡合金。

散热肋片5、散热肋片6和散热肋片7截面形状为正方形、长方形、三角形或圆形均可；其截面面积为100nm²到25cm²之间。

散热块1和第一散热平片和第二散热平片3可为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃和聚合物任一种制做；它们的内部流道的横截面形状为矩形、正方形或三角形，其长度在1毫米到100厘米之间。

本实用新型为一种结合了超强液态金属冷却与可靠的热虹吸驱动方式芯片散热装置，装置结构简单，无运动部件。与待冷却的LED芯片接触的高导热散热块1的内部流道内的液态金属8吸收了LED芯片发热量后，密度发生变化，进而产生浮升力，克服阻力沿连接管道4向上流动；液态金属8依次流动至散热器2的第一散热平片的内部流道及散热器3的第二散热平片的内部流道后，热量通过散热肋片6和7以自然对流和辐射散热方式散走；此时液态金属8温度降低后沿连接管道4流回散热块1的内部流道；完成一次散热；之后可按上述途径对LED芯片的发热量进行循环散热。

第一散热器2和第二散热器3的散热肋片可多样化，散热块1、第一散热器2的第一散热平片和第二散热器3的第二散热平片可由不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物材质等材料做成，连接管道4可以由铜、钛、银或不锈钢或有机玻璃或塑料做成；上述结构连通为一体，室温液态金属8被封装在由连接管道4、散热块1的内部流道、第一散热器2的内部流道和第二散热器3的内部流道之内的闭环回流通道内内，由此可以实现稳定而可靠的运行。

本装置中所设计的内部流道可通过机加工或其他成熟技术做出，之后与连通管道连接，但在一端留有开口，以便将熔化后的低熔点金属或其合金(呈液体状态)沿此开口注入管道和循环通路中，待整个流道内充好液体金属8后，将上述开口予以封装，即形成闭环回流通道内为密闭的高效散热机构，将其贴附于待冷却的芯片，即可实现热量的高效传输。根据需要，连通管道可由金属或塑料等制成，其长短可根据需要加以调整，整个基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置的尺寸可根据需要制作。本散热装置中采用的流动工质即液体金属8除采用最常见的镓外，也可采用其合金如比例在0～100％范围的镓铟、镓铟锡合金、钠钾，甚至是水银等。

本实用新型具有以下优点：采用具有高导热率的液态金属进行散热，散热效率高，对环境无影响；采用热虹吸效应驱动液态金属，有效利用了芯片的废热，无运动部件，无外接能量输入，可靠性高，噪音低，而且系统内液态金属流速随热源发热增大而变快，散热能力进而增强无需复杂的自动控制系统；采用多根管道并联，增大了液态金属与散热块和散热器的接触面积，实现了更高效的散热。

本实用新型提供的散热装置内，无运动部件，因而较之现有的强迫空气冷却方式，整套装置的结构更简单，可靠性更高，维护方便，且噪音较低，对自动控制系统要求小。

本实用新型的基于液态金属热虹吸效应的LED散热装置可稳定地实现LED芯片高效冷却。使用本实用新型专利的方式如下：只需将散热块1贴附于要散热的芯片，即可实现散热；芯片在工作后，散发出热量，一部分热量通过散热肋片5直接散失到环境中，大部分热量经散热块1传至散热块流道内的液态金属6，液态金属发生密度变化，产生浮升力，而向上流动。液态金属经连接管道4运行至散热器2和3后，热量通过散热肋片6和7以自然对流和辐射散热方式散走；液态金属温度降低后沿连接管道4流回散热块1。基于液态金属在散热块1、散热器2和3之间的循环流动，将大部分热量由芯片带至散热器2和3散掉，保证芯片维持适宜的工作温度。

实施例2，由图3、图4及图5所示，为本实用新型的基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置，除了散热块1水平放置，散热块1的内部流道呈水平态外，其它均与实施例1相同。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。比如，这里提供的散热器形状不一定采用基底加肋片的形式，也可以直接采用翅片形式，或是套管式散热器。

Claims (3)

1.一种基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置，其特征在于，其由下述组件组成：

一内部开有至少一条内部流道的散热块，所述散热块一表面上装有散热肋片；

由一内部开有至少一条内部流道的第一散热平片和装于所述第一散热平片表面上的散热肋片组成的第一散热器；

由一内部开有至少一条内部流道的第二散热平片和装于所述第二散热平片表面上的散热肋片组成的第二散热器；

所述第一散热器的第一散热平片高于所述散热块1水平放置，所述第二散热器的第二散热平片竖直放置；和

至少一根连接管道；

所述散热块的内部流道数量、第一散热器的第一散热平片的内部流道数量、第二散热器第二散热平片的内部流道数量与连接管道相等；

所述每根连接管道位于散热块、第一散热平片与第二散热平片之间；而且所述每根连接管道连通所述散热块内部流道、第一散热平片内部流道和第二散热平片内部流道，并形成相连通的闭环回流通道；所述闭环回流通道内装有流动的室温液态金属。

2.按权利要求1所述的基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置，其特征在于，所述散热肋片横截面为正方形、长方形、三角形或圆形；其截面面积为100nm²～25cm²。

3.按权利要求1所述的基于液态金属热虹吸效应冷却的自驱动LED散热装置，其特征在于，所述散热块的内部流道、第一散热平片的内部流道和第二散热平片的内部流道的横截面形状为矩形、正方形或三角形，它们的内部流道长度均在1毫米到100厘米之间。

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