CN203549739U - 大功率led发光系统被动式液冷装置 - Google Patents
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Abstract
一种大功率LED发光系统被动式液冷装置，它包括LED和散热体，其特征是所述散热体是中空且带有进出口的散热体，还设置有中空且带有进出口的吸热体，LED通过导热胶固定在吸热体表面；吸热体的进口和散热体的出口通过连接管路连通，吸热体的出口和散热体的进口通过连接管路连通，在吸热体和散热体中加注工质并在由吸热体和散热体组成的循环通道中循环。
Description
技术领域
本实用新型是针对大功率LED发光系统的集成散热装置，属于被动式散热领域。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。发光二极管(LED)由于具有工作电压低、低功耗、色彩丰富、价格低以及对环境污染少等优点，受到广泛的欢迎，并将在21世纪的显示、照明领域扮演重要角色。LED的应用主要可分为三大类：LCD屏背光、LED照明、LED显示，例如手机、PDA、MP3/4、数码相框、笔记本电脑等。小功率LED的应用已经非常成熟和广泛，近来大功率LED的应用逐渐升温，单个大功率的LED的功率约1 W至50 W，光通量为30~4500 lm，随着实际应用的需要，单个LED器件的输出功率还在进一步提高。
然而在提高输出功率的同时，由于电-光转换效率的限制(通常在10%-20%左右)，约80%-90%的能量转化为器件的发热，由此导致器件严重的发热问题。这将极大地降低照明效率。除了降低照明效率，高温还将导致LED发光颜色的改变。目前，很多功率型LED的驱动电流都能达到1500mA级。随着工作电流的加大，解决散热问题已成为大功率LED实现产业化的先决条件。因此，开发良好的大功率LED散热技术对于大功率LED的发展是至关重要的。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2℃，可靠性将下降10%。为了保证器件的寿命,一般要求P-N结的结温在110℃以下。随着P-N结的温升，白光LED器件的发光波长将发生红移。据统计资料表明，在100℃的温度下，波长可以红移4～9 nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降,总的发光强度会减少,白光色度变差。在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应减少1%左右，当器件从环境温度上升到120℃时，亮度下降多达35%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。
我们知道，常见的散热方式一般有两种，即被动散热和主动散热。被动散热一般为热管、固体金属翅片等被动散热手段，通常用于功率相对较低的LED 发光系统，大功率LED发光系统采用该散热方式时要求较高。主动散热方式一般又分为两种，有液体(如水、压缩氟利昂等)循环致冷方式和固体(半导体)致冷方式。其中，液体循环致冷方式有很多不便之处，因为是主动散热，该处液冷为强制液冷，系统需要添加驱动工质循环的动力装置。目前国内多采用固体散热技术，如图1 所示，灯泡2发光时产生热量，热量通过导热胶3传递给金属散热基体4，最终由布置在金属散热基体4上的散热翅片5将热量散到大气中。然而固体散热技术如半导体制冷往往造价较高，而且其散热能力有限，其寿命也很难保证。
从以上分析可以看出，针对大功率LED，尤其是大功率LED路灯的散热可以采用上述主动和被动散热方式，但是上述方式应用于大功率LED路灯时存在如下问题：热管和半导体制冷造价高、寿命短；固体金属翅片金属用量大、重量重；强制液冷循环不稳定、可靠性差。
发明内容
本实用新型针对现有技术中的不足提出了一种新的集成散热装置，如图所示，用以大功率LED发光系统的冷却问题。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种大功率LED发光系统被动式液冷装置，LED和散热体，其特征是所述散热体是中空结构且带有进出口的散热体，还设置有中空且带有进出口的吸热体，LED通过导热胶固定在吸热体表面；吸热体的进口和散热体的出口通过连接管路连通，吸热体的出口和散热体的进口通过连接管路连通，在吸热体和散热体中加注工质并在由吸热体和散热体组成的循环通道中循环。
本方案的具体特点还有，所述吸热体中设置有平行于吸热体表面的通道，通道两侧设有进出口，工质流过通道将吸热体表面吸收的LED热量带走。
所述吸热体为模块化单元结构体，每个单元结构体由一整块金属加工而成，单元结构体的表面设置凸台与LED连接，单元结构体内设有工质流过的通道。
所述散热体表面为散热翅片，内部为带有通道的中空结构，通道两端与连接管路通过螺纹连接，来自吸热体的热工质在通道内流动并将热量传递给翅片结构，最终由翅片结构将热量散到空气中。
所述连接管路为金属软管。
所述散热体是由一整块金属加工而成，表面上设置有散热翅片，散热翅片表面涂覆能提高翅片辐射率的涂层，散热翅片可根据散热工况的不同选择多种结构。
所述散热体和吸热体采用铝合金或者紫铜。本系统各模块在其材料选择上主要考虑的是高导热系数和低密度的金属，
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，它是一种适用于大功率LED发光系统的散热装置，该装置与现有的大功率LED发光系统的散热装置相比具有方便、可靠、金属使用量小、重量轻、传热效率高等优点，这些优点通，这些特性主要依靠液体工质循环系统及系统各个模块的特殊设计来实现，有如下优点：（1）由热虹吸原理驱动的工质循环无需动力装置，系统更加安全可靠；（2）由液体对流换热进而通过循环实现的热量传递具有比固体介质更高的效率和更均匀的温度场；（3）使用液体循环散热的系统比固体介质散热系统节省大量的金属，其重量大大降低；（4）吸热体的模块化设计可以根据LED功率的不同选择相应的散热模块数量进行组合使用；（5）散热体翅片表面的提高辐射率的处理能够大大增加散热翅片的辐射散热能力，进而减少翅片金属使用量。因此本实用新型与现有技术相比，实现了技术目的。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步详细地描述。
图1 传统LED发光系统固体散热装置示意图；图2大功率LED发光系统被动式液冷装置原理图；图3大功率LED发光系统被动式液冷装置结构示意图；图4 吸热体结构示意图；图5是图4的右视图；图6是图4的A-A视图。
图中：1-灯罩；2-LED；3-导热胶；4-金属散热基体；5-散热翅片；6-电源；7-吸热体；8-工质；9-连接管路；10-散热体；11-对流换热；12-空气自然对流；13-热辐射；14-通道；15-凸台。
具体实施方式
液体工质在受热情况下会产生热虹吸效应，其原理如图2所示，灯泡2发光时产生热量，热量经由导热胶3传递给吸热体7，吸热体7内的循环工质8受热温度升高且密度降低，因此循环工质沿连接管路9上升进入散热体10，在散热体10中循环工质8与散热体10外壁面通过对流换热11放热，循环工质8放热降温且密度增大进而沿连接管路9下降进入吸热体完成循环。而散热体壁面通过金属散热基体4和散热翅片5将热量释放到环境中，此处的放热包括空气自然对流12和热辐射13。
如图3所示，一种大功率LED发光系统被动式液冷装置，LED2和散热体10，所述散热体10是中空且带有进出口的散热体，还设置有中空且带有进出口的吸热体7，LED2通过导热胶3固定在吸热体7表面；吸热体7的进口和散热体10的出口通过连接管路9连通，吸热体7的出口和散热体10的进口通过连接管路9连通，在吸热体7和散热体10中加注工质8并在由吸热体7和散热体10组成的循环通道中循环。所述吸热体7中设置有平行于吸热面的通道14，通道14两侧设有进口和出口，工质8流过通道14将吸热面吸收的LED2的热量带走。
所述吸热体7为模块化单元结构体，每个单元结构体由一整块金属加工而成，单元结构体的一面加工光滑的凸台15与LED2连接，单元结构体上设有工质8流过的通道。
所述散热体10表面为散热翅片5，内部为带有通道的中空结构，通道两端与连接管路9通过螺纹连接，来自吸热体7的热工质在水槽内流动并将热量传递给翅片结构，最终由散热翅片5将热量散到空气中。
所述连接管路9为金属软管。
所述散热体10是由一整块金属加工而成，表面上设置有散热翅片5，散热翅片5表面涂覆能提高翅片辐射率的涂层，散热翅片5可根据散热工况的不同选择多种结构。
所述散热体10和吸热体7采用铝合金或者紫铜。工质8为防冻液，其工作温度范围为- 40℃至150℃。
如图3～6所示，设置于吸热体7的凸台15上的LED2发光产生热量，热量通过导热胶3传递给吸热体7，吸热体7中的工质8受热沿连接管路9上升进入散热体10中，热的工质8在散热体10中放热降温沿连接管路9回到吸热体7中，完成一个循环，然后得到热量的散热体10通过其金属散热基体4和散热翅片5将热量释放到环境中。
经过测试，当选用该散热系统对200W功率LED路灯散热时，系统可以有效对其进行散热，当环境温度为35℃时，LED与散热体连接处的温度为85℃，保证了LED的正常工作，而且LED底部温度均匀性较好，整个散热系统启动迅速。另外，该系统与采用传统固体介质散热装置的同功率LED发光系统相比总重量轻70%。
Claims (7)
1.一种大功率LED发光系统被动式液冷装置，它包括LED和散热体，其特征是所述散热体是中空结构且带有进出口的散热体，还设置有中空且带有进出口的吸热体，LED通过导热胶固定在吸热体表面；吸热体的进口和散热体的出口通过连接管路连通，吸热体的出口和散热体的进口通过连接管路连通，在吸热体和散热体中加注工质并在由吸热体和散热体组成的循环通道中循环。
2.根据权利要求1所述的大功率LED发光系统被动式液冷装置，其特征是所述吸热体中设置有平行于吸热体表面的通道，通道两侧设有进出口，工质流过通道将吸热体表面吸收的LED热量带走。
3.根据权利要求1所述的大功率LED发光系统被动式液冷装置，其特征是所述吸热体为模块化单元结构体，每个单元结构体由一整块金属加工而成，单元结构体的表面设置凸台与LED连接，单元结构体内设有工质流过的通道。
4.根据权利要求1所述的大功率LED发光系统被动式液冷装置，其特征是所述散热体表面为散热翅片，内部为带有通道的中空结构，通道两端与连接管路通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的大功率LED发光系统被动式液冷装置，其特征是所述连接管路为金属软管。
6.根据权利要求1所述的大功率LED发光系统被动式液冷装置，其特征是所述散热体是由一整块金属加工而成，表面设置有散热翅片，散热翅片表面涂覆能提高翅片辐射率的涂层。
7.根据权利要求1所述的大功率LED发光系统被动式液冷装置，其特征是所述散热体和吸热体采用铝合金或者紫铜。
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