CN205717104U - 一种大功率led散热装置及led灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率LED散热装置，包括散热肋片结构、双层脉动热管和LED灯基板，所述双层脉动热管设置在所述散热肋片结构的中央，所述双层脉动热管的下端嵌入所述LED灯基板。除此之外，本实用新型还公开了一种LED灯，包括上述所述的大功率LED散热装置。所述大功率LED散热装置以及LED灯，通过采用双层脉动热管和散热肋片结构相结合的散热方式，快速将LED芯片产生的热量导出，使得LED芯片迅速降温，以提高发光效率，从而提高了LED灯的使用寿命。

Description

一种大功率LED散热装置及LED灯

技术领域

本实用新型涉及电子设备散热技术领域，特别是涉及一种大功率LED散热装置及LED灯。

背景技术

如今大功率LED灯作为一种节能光源，具有环保、节能、光色纯、光效高、寿命高等优点，在道路照明等各种领域中被广泛应用。

但是，大功率LED使用时仍有85％～90％的输入电能将转化为热能，从而产生大量的热量，光转化效率低，实际使用寿命远远不如理论值，性价比低于传统灯具。由于LED照明方案不够重视散热，或者是技术水平有限，热量无法及时散去，导致内部温度过高而将LED灯芯片烧坏。因此，在大功率LED照明行业里散热问题变得非常突出，LED灯的工作状态和散热设计不仅直接关系到LED灯实际发光效率，也影响到实际的使用寿命。为应对不断日益更新的LED灯产品，必须研究和开发相应的散热手段以适应其不同散热需求。而脉动热管传热快，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的脉动热管可多传递几个数量级的热量，所以能以较小的温差获得较大的传热率。

现有的LED灯脉动热管的散热大多为单层脉动热管，同时现有技术的散热装置大多采用板式肋片，导致无法将脉动热管导出的热量尽快散失。此外，现有的散热装置与脉动热管蒸发段的接触面积较少，降低了其导热能力。存在导热效果不足的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种大功率LED散热装置及LED灯，快速将LED芯片产生的热量导出，提高LED灯的使用寿命。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种大功率LED散热装置，包括散热肋片结构、双层脉动热管和LED灯基板，所述双层脉动热管设置在所述散热肋片结构的中央，所述双层脉动热管的下端嵌入所述LED灯基板。

其中，所述双层脉动热管为蛇形管式双层脉动热管。

其中，所述双层脉动热管的弯头数为6个。

其中，所述双层脉动热管的内径为3.25mm，外径为5.54mm。

其中，所述双层脉动热管的充液率为30％～31％。

其中，所述脉动热管的内工作介质为无水乙醇，外工作介质为水。

其中，所述双层脉动热管与所述LED灯基板之间设置有导热硅胶层。

其中，散热肋片结构为太阳花式散热肋片结构。

其中，所述散热肋片的长度为11cm，宽度为1.5cm，高度为5cm

除此之外，本实用新型实施例还提供了一种LED灯，包括如上述所述的大功率LED散热装置。

本实用新型实施例所提供的大功率LED散热装置，与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型实施例提供的大功率LED散热装置，包括散热肋片结构、双层脉动热管和LED灯基板，所述双层脉动热管设置在所述散热肋片结构的中央，所述双层脉动热管的下端嵌入所述LED灯基板。

本实用新型实施例提供的LED灯，包括如上述所述的大功率LED散热装置。

所述大功率LED散热装置以及LED灯，通过采用双层脉动热管和散热肋片结构相结合的散热方式，双层脉动热管快速将LED芯片产生的热量导出，使得LED芯片迅速降温，以提高发光效率，从而提高了LED灯的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型的实施例所提供的大功率LED散热装置的一种具体实施方式的主视图结构示意图；

图2为本实用新型的实施例所提供的大功率LED散热装置的一种具体实施方式的左视图结构示意图；

图3为本实用新型的实施例所提供的大功率LED散热装置的散热肋片结构的肋高对散热量的影响；

图4是用点温计在实验中测得100W的芯片(热端)的温度随时间的变化曲线图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有的LED灯脉动热管的散热大多为单层脉动热管，同时现有技术的散热装置大多采用板式肋片，导致无法将脉动热管导出的热量尽快散失。此外，现有的散热装置与脉动热管蒸发段的接触面积较少，降低了其导热能力。存在导热效果不足的缺点。

脉动热管的工作原理如下：

脉动热管中的工作介质在表面张力的作用下会形成汽液塞并随机的分布在脉动热管的蛇形回路中，通过工质的相变和汽液塞振荡，热量会迅速的从脉动热管的蒸发端传递到冷却端，最终散失到外界环境中。脉动热管内部不是单纯的相变传热，而是集显热传热、相变传热、膨胀功于一体，涉及多物理学科、多参数的汽液两相流系统。基于独特的结构和传热机理，脉动热管具有如下显著优点：

(1)体积小，结构简单，成本低。体积小是由于脉动热管管径小；结构简单是由于脉动热管无毛细吸液芯；成本底是由于脉动热管的振荡动力来自于其本身，不需要其他动力设备，降低了运行成本；

(2)传热性能好，与普通热管相比，脉动热管的传热限制较少，只要充液率合适，其热流密度可以很大，而且不会出现烧干的现象；

(3)适应性好，脉动热管不仅可以弯曲成任意形状，而且能在任意倾斜角度下工作。它可以有多个加热部位和冷却部位，并且这些部位可以任意选取

基于此，本实用新型实施例提供了一种大功率LED散热装置，包括散热肋片结构、双层脉动热管和LED灯基板，所述双层脉动热管设置在所述散热肋片结构的中央，所述双层脉动热管的下端嵌入所述LED灯基板。

本实用新型实施例还提供了一种LED灯，包括如上述所述的大功率LED散热装置

综上所述，本实用新型实施例提供的大功率LED散热装置以及LED灯，通过采用双层脉动热管和散热肋片结构相结合的散热方式，双层脉动热管快速将LED芯片产生的热量导出，使得LED芯片迅速降温，以提高发光效率，从而提高了LED灯的使用寿命。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

请参考图1-2，图1为本实用新型的实施例所提供的大功率LED散热装置的一种具体实施方式的主视图结构示意图；图2为本实用新型的实施例所提供的大功率LED散热装置的一种具体实施方式的左视图结构示意图。

在一种具体实施方式中，所述大功率LED散热装置，包括散热肋片结构10、双层脉动热管20和LED灯基板30，所述双层脉动热管20设置在所述散热肋片结构10的中央，所述双层脉动热管20的下端嵌入所述LED灯基板30。

所述大功率LED散热装置，通过采用双层脉动热管20和散热肋片结构10相结合的散热方式，双层脉动热管20快速将LED芯片产生的热量导出，使得LED芯片迅速降温，以提高发光效率，从而提高了LED灯的使用寿命。

脉动热管20一般可分为开式回路和闭式回路两种结构，由于脉动热管20大多时是成产品状态，不会在使用过程中加注工作介质，一般选择闭式回路，为提高散热效率，形成循环，所述双层脉动热管20为蛇形管式双层脉动热管20。

对于弯头数，若脉动热管20弯头数低于临界弯头数，无论启动温度有多高，脉动热管20都不能启动；若脉动热管20弯头数超过临界弯头数，启动温度足够，则脉动热管20启动，而且弯头数越多，脉动热管20越容易启动，但是由于散热装置的体积的限制，脉动热管20的弯头数不能无限多，一般100W的集成LED的弯头数设计为6个，既保证有足够的散热能力，有不会是的体积过大，因此一般所述双层脉动热管20的弯头数为6个。

所述大功率LED散热装置将双层脉动热管20的蒸发段嵌入在LED灯基板30中，从而作为导热的主要单元，即将LED芯片的热量通过双层脉动热管20传至导热铜柱上部分及其四周，再通过散热肋片结构10的肋片使热量尽快散发。100W的LED等散热装置的铝基板30的宽为10cm，双层脉动热管20的内径3.25mm，外径为5mm。

需要说明的是，所述双层脉动热管20的外径是指外层的工作介质的最外侧的直径。

充液率即充灌率，是指充入脉动热管20内的工质的体积与脉动热管20的总容积之比，用来描述脉动热管20内工质的多少。为了使脉动热管20达到最佳的脉振效果，采用的充液率为31％。真空度为0.7个大气压。所述双层脉动热管20的充液率为30％～31％。需要说明的是，本实用型中，还可以针对不同的工作介质选择不同的充液率，只要能够有较佳的脉振效果，能够提高散热能力即可。

由于无水乙醇的沸点较低，容易在液相和气相之间转换，一般选择使用无水乙醇作为工作介质，而且使用成本较低，无毒无污染，一般所述脉动热管20的内工作介质为无水乙醇，外工作介质为水。

无水乙醇的物理性质参数如下表1所示：

表1工质在101.3kPa沸点温度下的物性

需要说明的是，在本实用新型中还可以使用其它的工作介质，本实用新型对此不作具体限定。

由于双层脉动热管20的蒸发段在嵌入LED灯基板30，通过蒸发段吸收LED灯基板30的热量来启动双层脉动热管20的，但是由于双层脉动热管20的直径较小，很难与LED灯基板30充分接触。为提高双层脉动热管20与LED灯基板30的接触面积，提高导热下过，所述双层脉动热管20与所述LED灯基板30之间设置有导热硅胶层，通过将导热胶填充在双层脉动热管20与LED灯基板30之间，能够更快速的将LED灯基板30的热量传导到双层脉动热管20，提高散热效率。需要说明的是，本实用新型中，还可以将其它的导热材料填充在双层脉动热管20与LED灯基板30之间，以提高导热效率。

一种好的肋片结构，应该是具有良好的散热效果，并且价格便宜。应具有如下优点：

(1)肋化效率高，有利于减少铝材用量；

(2)空气流通截面积大，有利于减小空气流动阻力，有利于提高空气流量，提高散热量；

(3)发热的芯片热源离散热肋片距离近，即散热片内的导热(热传输)距离近，则散热片内导热热阻低；

(4)容易加工制造，采用铝挤出成形，再裁切而成，加工成本低。

通过建立等截面直肋的模型，通过数值模拟的方法，对肋片的结构进行最优化设计，设计如下:

由于太阳花式散热肋片结构10的散热效率较传统的板式散热肋片结构10的散热效率较高，可以使得LED灯高效率、长时间的工作，一般散热肋片结构10为太阳花式散热肋片结构10。

采用太阳花式散热结构作为散热肋片，将肋片简化为等截面直肋的模型，肋片的高度为H，厚度δ，长度方向L，肋根温度为t₀，肋片附近的流体温度t_∞，表面传热系数为h。假设t₀＞t_∞，且h为常数，沿肋高截面上的面积A_c，截面周长p，p/A_c约等于δ/2。

根据肋效率的定义，对于等截面直肋，其效率为：

${\mathrm{\η}}_f=\frac{{\mathrm{\θ}}_0\left({\mathrm{\λmA}}_c\right)\·th\left(mH\right)}{{\mathrm{hpH\θ}}_0}=\frac{th\left(mH\right)}{mH}$

比较一个有限高度的肋片与无限高的肋片。根据上式得两种情况下的肋片表面散热量的比值为：

$\frac{\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\φ}}_H\→\mathrm{\∞}}=\frac{{\mathrm{\θ}}_0\left({\mathrm{\λmA}}_c\right)\·th\left(mH\right)}{{\mathrm{hpH\θ}}_0}=\frac{th\left(mH\right)}{mH}$

肋高对散热量的影响如图3所示：

当mH接近于3的时候，就相当于无限长肋片了，再增加肋片的高度就没有任何意义了。实际上在mH<1.4之前，其比值还近似线性增加，且在mH＝1.4时，比值已达到90％。

因此，一般肋片的高度应为：

$H<\frac{1.4}{m}$

经过评估计算得出肋片的设计参数为：长度11cm，宽度1.5cm，高度5cm，并且在辐射方向上，通过在每个节点都设计了截面扩充面，使其散热面积大大增加，有效的加强散热效果。

除此之外，本实用新型还提供了一种LED等，包括如上述所述的大功率LED散热装置。

以下为通过实验的本实用新型提高的大功率LED散热装置的性能测试实验：

100W传统的LED灯一只，应用脉动热管的新型LED灯100W一只，点温计一只，60W，100W，150W的电热板作为模拟热源。

将散热器分别放置于三种不同功率的热源下，用热电偶测量散热器基板温度，待温度稳定后，将示数记录。

表2是不同功率下三种散热器的基板温度对比。

由表2中数据可以看出，在各种不同功率下，脉动热管式的LED基板温度都比传统LED散热器温度较低20℃左右，比一般相变散热的LED散热器温度较低10℃左右。所以，脉动热管式的LED散热器散热性能是比较强的。

以下为100W LED灯温度对比实验：

取传统的LED灯及新型LED灯同时工作于额定功率100W下，每隔一段时间用点温计分别测量灯芯处温度的大小，并记录在表中，然后制作成温度曲线变化图。见表3。

表3为传统的LED灯及爱用本实用新型的LED灯大功率散热装置的LED灯在100W下灯芯的温度曲线。

图4是用点温计在实验中测得100W的芯片(热端)的温度随时间的变化曲线图，B曲线为脉动热管式LED灯，C曲线为传统的LED灯。

由图4分析，传统LED灯的芯片处温度随着时间的增加不断上升，并最后稳定在80℃左右，而脉动热管式LED灯的芯片温度先上升，到达一个温度至高点后，然后有一个明显的温度下降，那是因为在那个时间点，脉动热管正式启动，在短短的20s，下降10摄氏度左右，散热效果显著增强，从而使芯片温度迅速下降，最后达到稳定状态。

采用脉动热管式的LED灯，较传统的LED灯相比，芯片处温度在稳定时更低，大概低20℃。所以，很明显采用脉动热管式的LED灯，对芯片的散热更好，能有效的增加它的工作效率以及延长其使用寿命。

LED灯的芯片的结温会影响光的转化率，芯片的温度越高，光的转化率越低，而要获得同等的流明强度的光通量，光转化率低的LED灯需要消耗更多的功率。因此采用散热更好的脉动热管式LED灯，获得同等的流明强度，消耗的功率比普通LED灯低。利用散热器温度来计算LED灯光通量的方程：

φ(t)＝kt₀+φ₀，

式中φ(t)表示在散热器温度为t时LED模块的光通量，k表示光通量温度系数，t₀表示散热器的初始温度，φ₀表示LED模块的初始光通量。

根据温度与光通量的关系推算出温度与光转化率的关系，计算得到100W脉动热管式LED灯比传统LED灯的光转化率高3％。所以要求同等亮度时，采用新型脉动热管式LED灯需要的功率更小。按每天路灯照明10小时计算，新型脉动热管式LED灯每年少消耗54kW·h。

由于芯片的结温上升是寿命的致命问题，每超出额定温度10℃，LED的寿命将减半。M为器件某特性值的退化量，令器件初始状态的退化量为M₁，对应时间为t₁；另一状态的退化量为M₂，对应时间为t₂。那么，当温度V为常数时，从t₁到t₂累积的退化量为：

$M1-M2={\&Integral;}_{t1}^{t2}dm={\&Integral;}_{t1}^{t2}{A}_o\exp (-\frac{\mathrm{\&Delta;}E}{kV})=A_o\exp (-\frac{\mathrm{\&Delta;}E}{kV})(t2-t1)$

上式是以阿伦尼斯方程为基础的反映器件寿命与绝对温度V之间的关系式，则令退化量M₂达到某个值Mp时，认为该器件失效，这时的时间差t₂-t₁就是产品从t₁开始延续的寿命ε。普通的大功率LED灯，每天工作10小时，能使用2到3年，据上式理论推算，当平衡温度减小时，采用脉动热管散热的LED灯相比于市场上的普通LED灯，其寿命能够延长半年到1年左右。

本实用新型中的LED灯的工作原理是在原来的普通的肋片式散热器的基础之上应用了双层脉动热管，通过撒谎曾脉动热管把LED灯的集中热量传导至肋片根部，从而更好地散热。

综上所述，本实用新型实施例提供的大功率LED散热装置以及LED灯，通过采用双层脉动热管和散热肋片结构相结合的散热方式，双层脉动热管快速将LED芯片产生的热量导出，使得LED芯片迅速降温，以提高发光效率，从而提高了LED灯的使用寿命。

以上对本实用新型所提供的大功率LED散热装置以及LED灯进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大功率LED散热装置，其特征在于，包括散热肋片结构、双层脉动热管和LED灯基板，所述双层脉动热管设置在所述散热肋片结构的中央，所述双层脉动热管的下端嵌入所述LED灯基板。

2.如权利要求1所述的大功率LED散热装置，其特征在于，所述双层脉动热管为蛇形管式双层脉动热管。

3.如权利要求2所述的大功率LED散热装置，其特征在于，所述双层脉动热管的弯头数为6个。

4.如权利要求3所述的大功率LED散热装置，其特征在于，所述双层脉动热管的内径为3.25mm，外径为5.54mm。

5.如权利要求4所述的大功率LED散热装置，其特征在于，所述双层脉动热管的充液率为30％～31％。

6.如权利要求5所述的大功率LED散热装置，其特征在于，所述脉动热管的内工作介质为无水乙醇，外工作介质为水。

7.如权利要求6所述的大功率LED散热装置，其特征在于，所述双层脉动热管与所述LED灯基板之间设置有导热硅胶层。

8.如权利要求1所述的大功率LED散热装置，其特征在于，散热肋片结构为太阳花式散热肋片结构。

9.如权利要求8所述的大功率LED散热装置，其特征在于，所述散热肋片的长度为11cm，宽度为1.5cm，高度为5cm。

10.一种LED灯，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的大功率LED散热装置。