CN205878094U - 一种相变热管式大功率led灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种相变热管式大功率LED灯，包括：散热器，散热器内部设置空腔，空腔内装填有换热工质；安装在散热器底部的热沉；固定在热沉底部的LED基板；安装在LED基板上的LED芯片；固定在散热器顶部的端盖；设置在端盖中心的充装管；以及安装在空腔外壁上的散热翅片，同时本散热器空腔内壁上安装有间隔交替分布的吸气剂固定条，吸气剂固定在所述吸气剂固定条上。本相变热管式大功率LED灯散热效率高，使用寿命长且可在一定倾斜角度下依旧保证高散热效率。

Description

一种相变热管式大功率LED灯

技术领域

本实用新型属于LED灯具技术领域，具体涉及一种相变热管式大功率LED灯。

背景技术

LED作为一种优秀的半导体光电器件，以其体积小、耗电量低、使用寿命长、环保等优点，成为新一代固态节能照明光源。随着LED向高光强、高功率发展，其散热问题日渐突出，严重影响了LED的光输出特性和器件的寿命，已成为大功率LED灯具必须解决的关键问题。

如今对于大功率(200W以上)LED散热系统的相关技术尚不成熟，市场可见的散热器多采用散热翅片直接粘贴在LED灯封装后的基板背后，依靠固体材料间导热的方式将热量传递至翅片表面，这样的散热结构热阻较高，导热速度太慢，无法将大功率LED芯片在工作时产生的高热流热量及时导出。目前较有效且先进的技术多采用热管式散热器对大功率LED灯进行散热，但依然存在许多尚未解决的散热问题。例如：

1.LED封装基板与相变散热器之间的接触热阻严重影响LED的散热性能。由于在LED封装基板表面和散热器热沉底座表面之间存在极细微的凹凸不平的空隙，是热的不良导体，将在电子元件与散热器间形成接触热阻，降低散热器的效能。现有技术中采用导热硅脂(导热系数仅为铜铝等金属材料的1％左右)来填充在两个表面之间，但由于这些材料的导热系数非常小而且容易老化，热阻依然较大，影响器件的散热和长期稳定性，成为新的导热瓶颈。

2.热管式LED灯使用方向可调节幅度。传统热管式散热通常必须采用重力方向布置，受工质流动、传热限制，通常可倾斜角度非常有限；甚至会出现一旦倾斜，热量便停止传递，热管失效的状况。这一限制将对LED灯使用耐久性和对环境变化的应急性带来严重的不良影响。

3.热管内部传热结构的进一步优化改善。考虑到制造工艺、加工成本与实际传散热性能的权衡，热管内部传热与散热结构的布局、内部毛细结构的再设计以及简化有助于进一步降低热管散热器成本，同时保证传散热性能维持在一个较优水平。同时，提高热管式散热器的使用适应性。

4.换热工质的相变必须在一定的真空度内进行，一旦空腔内的真空度降低，换热工质吸热相变的阻力将大幅增加，会严重影响LED芯片发热的热量散失。而随LED灯使用时间的推移，散热器空腔内的真空度会不可避免的降低。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种散热效率高，使用寿命长且可在一定倾斜角度下依旧保证高散热效率的相变热管式大功率LED灯。

为实现上述技术方案，本实用新型提供了一种相变热管式大功率LED灯，包括：散热器，所述散热器内部设置空腔，空腔内充装有换热工质；安装在散热器底部的热沉；固定在热沉底部的LED基板；安装在LED基板上的LED芯片；固定在散热器顶部的端盖；设置在端盖中心的充装管；以及安装在空腔外壁上的散热翅片。

在上述技术方案中，本LED灯装配时，换热工质通过充装管充入散热器空腔内，随后通过充装管向空腔内抽真空，抽真空后充装管通过阀门锁紧密封或直接封堵密封。LED光源工作中产生的高热流热量，首先在LED基板和散热器热沉之间进行热传导；之后，传递给装载在散热器蒸发腔内的换热工质，换热工质吸热发生相变并迅速汽化，汽化后的换热工质受重力影响开始上升至散热器空腔上半部，并与温度较低的空腔上半部内表面接触，放热后凝结，并沿光滑壁面回流至空腔底部；热量最终通过散热翅片结构与环境进行自然对流散热。通过换热工质在热管真空腔内往复相变进行传热，充分利用相变过程中工质的汽化潜热，并利用翅片结构强化散热，最终实现LED光源高热流热量的高效传导与散热，有效控制LED芯片结温。

优选的，所述LED基板与热沉之间设有相互匹配锯齿凸起，所述锯齿凸起之间填充焊锡膏或低温金属。设置锯齿凸起，并在锯齿凸起之间填充焊锡膏或低温金属的目的是在有限空间内(固体平面范围内)增加有效换热面积，可进一步提高LED基板与热沉之间的热传导效率。

优选的，空腔内壁上安装有间隔交替分布的吸气剂固定条，吸气剂固定在所述吸气剂固定条上。设置吸气剂的目的是，一旦空腔内的真空度下降，吸气剂通过自动吸附进入空腔内的气体，始终确保空腔内的真空度，从而保证LED灯在长时间使用过程中散热器空腔内始终保持高真空度，以确保换热工质的换热效率。

优选的，所述空腔由冷凝腔和蒸发腔组成，冷凝腔位于蒸发腔的上方，所述冷凝腔和蒸发腔的容积比为8-6:2-4，所述换热工质填充量为蒸发腔容积的30-90％。为了确保在一定倾斜角度内，换热工质始终与热沉表面全覆盖接触，换热工质的填装量设置为蒸发腔体积的30-90％，具体可以根据LED灯使用时的倾斜角度确认，由于相变热管传热受重力影响，本LED灯最佳使用方向为与水平面垂直(90°)方向。在不改变任何外形结构条件下，换热工质的填装量为蒸发腔体积的30％时，允许LED灯的最大倾斜角度为可倾斜至与水平面成120°(或-120°)夹角；换热工质的填装量为蒸发腔体积的90％时，允许LED灯的最大倾斜角度为可倾斜至与水平面成150°(或-150°)夹角。

优选的，所述热沉与散热器内换热工质接触的表面上设置有螺旋状的金属槽道或者泡沫金属。

优选的，所述热沉与散热器内换热工质接触的表面设置为表面粗糙度大于50um的毛面。

优选的，所述热沉与散热器内换热工质接触的表面上设置有条形翅片或者针形翅片。

在上述方案中，无论是在热沉内表面设置金属槽道或者泡沫金属，或者将热沉内表面的粗糙度打磨成大于50um的毛面，亦或在热沉内表面上设置条形翅片或者针形翅片，均可以增强热沉与换热工质的接触面积，强化热沉与换热工质之间的换热效率。

优选的，所述LED基板、热沉和散热器之间通过螺栓紧固连接，通过螺栓紧固连接可以方便LED基板或者热沉的更换。

优选的，所述换热工质为相变温度为30-80摄氏度的单组份纯有机质或者二元混合有机质。单组份纯有机质包括醇类、丙酮、烷烃类、氟利昂等，二元混合有机质包括以体积比为1:3的甲醇和丙酮的混合物或者体积比为2:3的甲苯和丙酮的混合物。

本实用新型提供的一种相变热管式大功率LED灯及其散热方法的有益效果在于：

(1)本相变热管式大功率LED灯通过换热工质在热管真空腔内往复相变进行传热，充分利用相变过程中工质的汽化潜热，并利用翅片结构强化散热，最终实现LED光源高热流热量的高效传导与散热，有效控制LED芯片结温；

(2)本相变热管式大功率LED灯通过设置吸气剂固定结构及放置的吸气剂可以保证LED灯在长时间使用过程中，散热器空腔内始终保持高真空度，从而确保换热工质的高换热效率；

(3)本相变热管式大功率LED灯通过控制换热工质的装填体积，可以保证LED在一定倾斜角度内正常使用；

(4)本相变热管式大功率LED灯通过在LED基板与热沉之间设有相互匹配锯齿凸起，然后在锯齿凸起之间填充焊锡膏或低温金属，可以大幅提高LED基板与热沉之间的热传导效率；

(5)本相变热管式大功率LED灯通过在热沉内表面设置金属槽道或者泡沫金属，或者将热沉内表面的粗糙度打磨成大于50um的毛面，亦或在热沉内表面上设置条形翅片或者针形翅片，均可以增强热沉与换热工质的接触面积，强化热沉与换热工质之间的换热效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中的LED基板、热沉和散热器之间的装配示意图。

图3为本实用新型中热沉内表面设计成金属槽道时的结构示意图。

图4为本实用新型中热沉内表面设计成毛面时的结构示意图。

图5为本实用新型中热沉内表面安装泡沫金属时的结构示意图。

图6为本实用新型中热沉内表面安装条形翅片时的侧视图。

图7为本实用新型中热沉内表面安装条形翅片时的俯视图。

图8为本实用新型中热沉内表面安装针形翅片时的侧视图。

图9为本实用新型中热沉内表面安装针形翅片时的俯视图。

图中：100、LED芯片；200、LED基板；300、热沉；305、锯齿凸起；310、金属槽道；320、毛面；330、泡沫金属；340、条形翅片；350、针形翅片；400、散热器；410、空腔；411、冷凝腔；412、蒸发腔；420、固定螺栓；500、换热工质；600、吸气剂固定条；700、端盖；800、充装管；900、散热翅片。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本实用新型的保护范围。

实施例：一种相变热管式大功率LED灯。

参照图1至图9所示，一种相变热管式大功率LED灯，包括：用于加速热量散失的散热器400，所述散热器400内部设置空腔410，空腔410内装填有换热工质500，空腔410内壁上安装有间隔交替分布的吸气剂固定条600，吸气剂固定在所述吸气剂固定条600上，所述空腔410由冷凝腔411和蒸发腔412组成，冷凝腔411位于蒸发腔412的上方，所述冷凝腔411和蒸发腔412的容积比为6:4，所述换热工质500填充体积为蒸发腔体积的30-90％；将冷凝腔411和蒸发腔412的体积比设置为6:4是为了确保换热工质500在汽化过程中有足够的冷凝空间，以确保换热工质500的换热效率；安装在散热器400底部的热沉300；固定在热沉300底部的LED基板200；安装在LED基板200上的LED芯片100，LED芯片100发热后，首先在LED基板200和热沉300之间进行热传导；以便传递给装载在散热器400蒸发腔412内的换热工质500，实现相变换热；固定在散热器400顶部的端盖700；设置在端盖700中心的充装管800，充装管800用于充装换热工质500以及进行抽真空；以及安装在冷凝腔411外壁上的散热翅片900，散热翅片900用于对流散热。

本实施例中，换热工质500采用低温热管工质，针对LED灯散热通常使用相变温度范围在30-80℃的环境友好、兼容性好的换热工，500，换热工质500可以使用单组分纯物质，例如：醇类、丙酮、烷烃类、氟利昂等；也可以使用调配的二元混合工质(可视使用场合进行分段传热)，例如：以体积比为1:3的甲醇和丙酮的混合物或者体积比为2:3的甲苯和丙酮的混合物等。静置状态下，换热工质500处于散热器400的蒸发腔412，实际充注量原则上不超过蒸发腔412与冷凝腔411的结构分界面。依据LED芯片100片工况，充注量一般可选择为蒸发腔412总容积的30％、60％或者90％。

本实施例中，为了加强散热器400内热交换的速率，对散热器400内部空腔410传热结构进行了进一步优化改善，空腔410内壁打磨成光滑金属壁面(为减轻LED灯总重一般使用铝材)，无任何毛细结构，分为蒸发腔和冷凝腔；沿重力方向，空腔410下端通过热沉300或LED基板200密封(无热沉时)，空腔410上端通过端盖700密封，同时端盖700处设有充装管800，通过充装管800可进行换热工质500充装与抽真空。本LED灯工作过程中，此空腔410务必密封且维持真空，密封可采用连接结构件之间完全焊接、完全冷装配或焊接与冷装配结合的方式。充装管800用于散热器400封装前充注换热工质并进行抽真空之用，封装后此处通过阀门锁紧密封或直接封堵密封。

参照图1所示，为保证LED灯在长时间使用过程中确保散热器400空腔410内的真空度，特意在空腔410内中设置吸气剂固定条600，并在吸气剂固定条600上固定一定配比量(一般不超过腔体总容积的2％)的吸气剂，且吸气剂形式不受限制。

本实施例中，为了减少LED基板200与相变散热器400之间的接触热阻，LED灯封装完成后的LED基板200、热沉300、散热器400、端盖700需逐层进行装配，其中LED基板200或热沉300需要与散热器400及端盖700密封装配形成热管真空腔。LED基板200、热沉300和散热器400之间可通过固定螺栓420紧固连接，LED灯封装后，热量初始传递需要经过LED基板200、热沉300、液态换热工质500后，才开始在散热器400空腔410内进行相变传热。虽然相变散热器400换热综合效能高，但前期固体壁面逐层热传导的效率将限制后期散热器400换热效率，因此减小固体壁面热传导热阻(提高导热率)的效果不可忽视。为了减小固体壁面热传导热阻，可以通过增加热沉300与换热工质500的接触面积解决，具体包括如下方案：

(1)LED基板200与液态换热工质500直接接触；

保留LED基板200，去除其他热传导固体壁面(导热涂层和热沉300)，使基板处累积的热量直接与散热器400内换热工质500接触传热，最大限度减小此过程的导热热阻。

(2)增加金属材料的导热涂层；

LED基板200与热沉300一般采用平面结构接口，为保证两平面间良好接触排除空气(空气热阻大严重影响导热)传统LED灯在此处通常使用导热硅胶，但该类物质自身导热率较低，一般不超过5W/m·K(纯铜导热率400W/m·K，纯铝导热率230W/m·K)。本实施例中，在此处选择常规金属材料进行涂层填充，可选用各类焊锡膏，也可选用低温金属材料，如：纯铝、纯铜、纯银。液体金属是一种在常温下(如摄氏100度以下)呈现为液态的金属，如汞，这种材料具有导热系数大，常温下具有流动性，能渗透到非常细微的空间中，能够用来减小两种不同材料间的接触热阻。

(3)改善固体壁面平面结构强化传热；

通过对固体平面进行工艺改善，可在有限空间内(固体平面范围内)增加有效换热面积，可进一步提高热传导效率；

如图2所示，可以在LED基板200与热沉300相互接触的两个壁面设计可匹配的锯齿凸起305，例如尖头或平头锯齿状凸起，并在缝隙间填充入焊锡膏或低温金属；

如图3所示，在热沉300与散热器400内换热工质500接触的表面上设置螺旋状的金属槽道310，

如图5所示，在热沉300与散热器400内换热工质500接触的表面上设置泡沫金属330。

如图4所示，在热沉300与散热器400内换热工质500接触的表面设置为毛面320。

如图6和图7所示，在热沉300与散热器400内换热工质500接触的表面上设置条形翅片340。

如图8和图9所示，在热沉300与散热器400内换热工质500接触的表面上设置针形翅片350。

本实施例中，通过实验验证，当换热工质500填充体积为蒸发腔412体积的30-90％时，本相变热管式大功率LED灯可在一定范围内倾斜使用。由于相变散热器400传热受重力影响，本LED灯最佳使用方向为与水平面垂直(90°)方向。在不改变任何外形结构条件下，当换热工质500填充体积为蒸发腔412体积的30％时，本LED灯可倾斜至与水平面成120°(或-120°)夹角。当换热工质500填充体积为蒸发腔412体积的90％时或者调整散热器400蒸发腔412结构，使蒸发腔412弯曲，可进一步增加本LED灯的倾斜角度至与水平面成150°(-150°)最大夹角。换热工质500充装量最多可达到蒸发腔412容积的90％，伴随LED灯的使用工况，除蒸发腔412最底部外，仍然可以在蒸发腔412轴向外壁面处布置封装LED灯，实现多灯排布。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (8)

1.一种相变热管式大功率LED灯，其特征在于包括：

散热器，所述散热器内部设置空腔，空腔内充装有换热工质；

安装在散热器底部的热沉；

固定在热沉底部的LED基板；

安装在LED基板上的LED芯片；

固定在散热器顶部的端盖；

设置在端盖中心的充装管；以及

安装在空腔外壁上的散热翅片。

2.如权利要求1所述的相变热管式大功率LED灯，其特征在于：所述LED基板与热沉之间设有相互匹配锯齿凸起，所述锯齿凸起之间填充焊锡膏或低温金属。

3.如权利要求1所述的相变热管式大功率LED灯，其特征在于：空腔内壁上安装有间隔交替分布的吸气剂固定条，吸气剂固定在所述吸气剂固定条上。

4.如权利要求1所述的相变热管式大功率LED灯，其特征在于：所述空腔由冷凝腔和蒸发腔组成，冷凝腔位于蒸发腔的上方，所述冷凝腔和蒸发腔的容积比为8-6:2-4，所述换热工质填充量为蒸发腔容积的30-90％。

5.如权利要求2所述的相变热管式大功率LED灯，其特征在于：所述热沉与散热器内换热工质接触的表面上设置有螺旋状的金属槽道或者泡沫金属。

6.如权利要求2所述的相变热管式大功率LED灯，其特征在于：所述热沉与散热器内换热工质接触的表面设置为表面粗糙度大于50um的毛面。

7.如权利要求2所述的相变热管式大功率LED灯，其特征在于：所述热沉与散热器内换热工质接触的表面上设置有条形翅片或者针形翅片。

8.如权利要求1所述的相变热管式大功率LED灯，其特征在于：所述LED基板、热沉和散热器之间通过螺栓紧固连接。