CN207893720U - 用于超高热流密度下的侧发光led灯散热器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，包括：中空散热腔体，内部盛放散热工质，包括：开放式通道；以及亲水涂层，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，亲水涂层和极性分子基团用于提高所述开放式通道的补液能力。本公开提供的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，当取热热沉竖直放置时，中空散热腔体底部的散热工质在大的毛细压力梯度驱动下自发向上沿开放式通道流动，显著提升散热工质在开放式通道内的润湿高度，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

Description

用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器

技术领域

本公开涉及散热技术领域，尤其涉及一种用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器。

背景技术

诸多照明领域对侧发光LED灯具，尤其是大功率的侧发光LED灯具有迫切需求，如城市景观照明、建筑墙体照明、远距离投光照明、光诱渔业照明。目前最先进的采用块体荧光转换材料的COB集成LED单光源功率密度已达50～500W/cm²，因为LED芯片在工作过程中约有70％的电能会转化成热量，高功率密度必定伴随着高发热热流密度，高发热量若不能有效散去，则会导致光谱变化、光效降低、寿命缩短。当热流密度超过150W/cm²，已经超过常规尺寸表面发生池沸腾相变换热的临界热流密度，可定义为超高热流密度。因此大功率的侧发光LED灯具的发展与应用主要受散热制约，必须解决超高热流密度下侧发光LED灯具的高效散热问题。

现有技术中利用微槽群复合相变散热器，在其取热热沉上构建尺寸在几十到几百微米的开放式微细通道阵列结构，当取热热沉竖直放置时，开放式微细通道形成的毛细压力梯度可以驱动液体工质向上流动，形成一定高度的润湿面积，并在通道内三相接触线区域促进扩展弯月面蒸发薄液膜的形成，在高热负荷条件下，会发生薄液膜蒸发和厚液膜区域内核态沸腾的复合相变换热，是一种典型的高性能被动式微尺度相变换热技术，能够被用来实现低热阻和小温差条件下的高换热系数和高热流密度的换热过程，目前的取热热流密度可达400W/cm²，是目前唯一可能适用于超高热流密度下侧发光LED灯具高效散热的被动式技术。

然而在实现本公开的过程中，本申请人发现，在超高热流密度条件下，随着热流密度的进一步升高，热沉的开放式微细通道阵列内的液体工质将变得极容易干涸，一旦液池内的液体工质没有及时补充到干涸处，则无法继续形成薄液膜和厚液膜区域，也就无法发生高强度的薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热，热沉的散热性能和可靠性大幅下降，限制了超高热流密度条件下微槽群复合相变散热器换热性能的进一步提高，严重阻碍了大功率侧发光LED灯具的推广应用。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，以缓解现有技术中的散热器中的散热工质在超高热流密度条件下容易干涸，无法继续形成薄液膜和厚液膜区域，进而无法实现大功率侧发光LED灯具高效高可靠散热的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，包括：中空散热腔体，内部盛放散热工质，该中空散热腔体的侧壁外侧用于连接LED光源，包括：开放式通道，设置在所述LED光源对应的侧壁的背面，利用毛细现象驱动所述散热工质沿所述开放式通道流动；以及亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团提高所述开放式通道的补液能力；其中，所述散热工质流入所述开放式通道内，通过所述散热工质的复合相变取走所述LED光源的热量，并耗散至环境中。

在本公开的一些实施例中，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置；其中N≥10。

在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的排列密度不小于5条/cm。

在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。

在本公开的一些实施例中，其中：所述中空散热腔体的侧壁包含至少一个平面安装面，所述LED光源连接在所述平面安装面上；所述中空散热腔体的外侧设置有M个散热翅片，M个所述散热翅片沿所述中空散热腔体外壁的周向排列；M≥1。

在本公开的一些实施例中，所述散热翅片的表面设置有波纹，其扩大所述散热翅片的对流散热面积。

在本公开的一些实施例中，还包括：风扇，其出风方向朝向所述散热翅片，其强化所述散热翅片的对流换热。

在本公开的一些实施例中，所述中空散热腔体内所述散热工质液面上方的内壁面设置有疏水涂层。

在本公开的一些实施例中，其中：所述亲水涂层包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；所述极性分子基团包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；所述疏水涂层包含：石墨烯或碳纳米管；所述中空散热腔体和所述散热翅片包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；其中，中空散热腔体和所述散热翅片的导热系数不小于20W/m·K。

在本公开的一些实施例中，其中：所述中空散热腔体包括：开口，设置在所述中空散热腔体的壁面上，通过所述开口向所述中空散热腔体内装入所述散热工质，和改变所述中空散热腔体内的真空度；以及密封件，与所述开口匹配设置，其密封所述中空散热腔体；所述散热工质包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。

在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式通道的宽度介于50μm至4000μm之间；所述开放式通道的深度介于50μm至4000μm之间；两相邻所述开放式通道的间距介于50μm至4000μm之间；所述中空散热腔体的高度介于50mm至1000mm之间；所述中空散热腔体的直径介于20mm至800mm之间。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于超高热流密度下的热沉及其制造方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，当取热热沉竖直放置时，中空散热腔体底部的散热工质在大的毛细压力梯度驱动下自发向上沿开放式通道流动，显著提升散热工质在开放式通道内的润湿高度，大幅增加可以发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热的润湿区域的面积，同时也使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，一旦局部热点出现干涸区域，在大毛细压力梯度的驱动下，散热工质迅速补充到干涸区，再次润湿开放式通道的表面，持续发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性；

(2)取热过程中是依靠开放式通道自身的结构形成的毛细压力梯度驱动散热工质流动，无需额外能耗；

(3)通过设置散热翅片，提高中空散热腔体与外界的接触面积，提高换热效率；

(4)通过在散热翅片上设置波纹，扩大散热翅片的对流散热面积，进一步提高换热效率；

(5)通过设置风扇，能够加快散热翅片间的空气流动速率，从而及时将散热翅片的温度散发至环境中；

(6)通过设置疏水涂层，能够使凝结在中空散热腔体内壁上的液态散热工质及时滴落或流至中空散热腔体的底部，一方面增加了冷凝换热系数，另一方面也使中空散热腔体底部的散热工质的液面基本维持不变，进而确保开放式通道能够及时补液；

(7)多条开放式通道并排设置，并且开放式通道的宽度、深度以及间距均介于20μm至5000μm之间，不仅增加了换热面积，更重要的是开放式通道的界面效应和尺寸效应会对散热工质的流动和相变换热性能产生超常的强化作用，使其表面发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，其理论最大取热热流密度可达到10⁴W/cm²的数量级，相变换热系数达到10⁶W/(m².℃)的数量级，取热性能远大于常规尺寸表面发生的相变换热；

(8)换热效率的提高可以使得散热器使用更少的型材，体积更加紧凑，具有结构简单、小体积、轻量化、可靠性高、寿命长等优势。

附图说明

图1为本公开实施例用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器的结构示意图。

图2为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的立体结构示意图。

图3a为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的局部放大示意图。

图3b为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的另一种结构的局部放大示意图。

图3c为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的再一种结构的局部放大示意图。

图3d为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的再一种结构的局部放大示意图。

图3e为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的再一种结构的局部放大示意图。

图4为图1中所示侧发光LED灯散热器的俯视图。

图5为本公开实施例用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器的另一种结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-中空散热腔体； 20-散热工质； 30-散热翅片；

40-风扇

11-开放式通道； 12-亲水涂层； 13-疏水涂层；

14-开口； 15-密封件； 31-波纹；

111-平面安装面； 121-极性分子基团。

具体实施方式

本公开实施例提供的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器中，通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，进而提高了补液速度和能力，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开实施例用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器的结构示意图。图2为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的立体结构示意图。图3a为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的局部放大示意图。

本实施例提供一种用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，如图1-图3a所示，包括：中空散热腔体10，内部用于盛放散热工质20，该中空散热腔体10的侧壁外侧用于连接LED光源，包括：开放式通道11，设置在LED光源对应的侧壁的背面，利用毛细现象驱动散热工质20沿开放式通道11流动；以及亲水涂层12，设置在开放式通道11的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团121，亲水涂层12和极性分子基团121用于提高开放式通道11的补液能力；其中，散热工质20流入开放式通道11内，通过散热工质20的复合相变取走LED光源的热量，并耗散至环境中，通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，当取热热沉竖直放置时，中空散热腔体底部的散热工质在大的毛细压力梯度驱动下自发向上沿开放式通道流动，显著提升散热工质在开放式通道内的润湿高度，大幅增加可以发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热的润湿区域的面积，同时也使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，一旦局部热点出现干涸区域，在大毛细压力梯度的驱动下，散热工质迅速补充到干涸区，再次润湿开放式通道的表面，持续发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性，并且取热过程中是依靠开放式通道自身的结构形成的毛细压力梯度驱动散热工质流动，无需额外能耗。

在本实施例中，开放式通道11包括N条，N条开放式通道11并列设置；其中N≥10。

在本实施例中，开放式通道11的排列密度不小于5条/cm。

图3b为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的另一种结构的局部放大示意图。图3c为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的再一种结构的局部放大示意图。图3d为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的再一种结构的局部放大示意图。图3e为图1中所示侧发光LED灯散热器中开放式通道的再一种结构的局部放大示意图。

在本实施例中，如图3a-图3e所示，开放式通道11的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。

图4为图1中所示侧发光LED灯散热器的俯视图。

在本实施例中，如图4所示，其中：中空散热腔体10的侧壁包含至少一个平面安装面111，LED光源连接在平面安装面111上；中空散热腔体10的外侧设置有M个散热翅片30，M个散热翅片30沿中空散热腔体10外壁的周向排列；M≥1，通过设置散热翅片30，提高中空散热腔体10与外界的接触面积，提高换热效率。

在本实施例中，如图1所示，散热翅片30的表面设置有波纹31，用于扩大散热翅片30的对流散热面积，从而进一步提高换热效率。

图5为本公开实施例用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器的另一种结构示意图。

在本实施例中，如图5所示，还包括：风扇40，其出风方向朝向散热翅片30，用于强化散热翅片30的对流换热，通过设置风扇，能够加快散热翅片间的空气流动速率，从而及时将散热翅片的温度散发至环境中。

在本实施例中，如图1和图5所示，中空散热腔体10内所述散热工质液面上方的内壁面设置有疏水涂层13，通过设置疏水涂层13，能够使凝结在中空散热腔体10内壁上的液态散热工质20及时滴落或流至中空散热腔体10的底部，一方面增加了冷凝换热系数，另一方面也使中空散热腔体10底部的散热工质10的液面基本维持不变，进而确保开放式通道11能够及时补液。

在本实施例中，其中：亲水涂层12包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；极性分子基团121包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；疏水涂层13包含：石墨烯或碳纳米管；中空散热腔体10和散热翅片30包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；其中，中空散热腔体10和散热翅片30的导热系数不小于20W/m·K。

在本实施例中，如图1和图5所示，其中：中空散热腔体10包括：开口14，设置在中空散热腔体10的壁面上，通过开口14向中空散热腔体10内装入散热工质20，和改变中空散热腔体10内的真空度；以及密封件15，与开口14匹配设置，用于密封中空散热腔体10；散热工质20包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。

在本实施例中，其中：开放式通道11的宽度介于50μm至4000μm之间；开放式通道11的深度介于50μm至4000μm之间；两相邻开放式通道11的间距介于50μm至4000μm之间；中空散热腔体10的高度介于50mm至1000mm之间；中空散热腔体10的直径介于20mm至800mm之间，多条开放式通道11并排设置，并且开放式通道11的宽度、深度以及间距均介于20μm至5000μm之间，不仅增加了换热面积，更重要的是开放式通道11的界面效应和尺寸效应会对散热工质20的流动和相变换热性能产生超常的强化作用，使其表面发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，其理论最大取热热流密度可达到10⁴W/cm²的数量级，相变换热系数达到10⁶W/(m²℃)的数量级，取热性能远大于常规尺寸表面发生的相变换热。

此外，换热效率的提高可以使得散热器使用更少的型材，体积更加紧凑，具有结构简单、小体积、轻量化、可靠性高、寿命长等优势

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器通过设置亲水涂层12以及亲水涂层12表面的极性分子基团121，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道11表面的润湿特性，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，包括：

中空散热腔体，内部盛放散热工质，该中空散热腔体的侧壁外侧用于连接LED光源，包括：

开放式通道，设置在所述LED光源对应的侧壁的背面，利用毛细现象驱动所述散热工质沿所述开放式通道流动；以及

亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团提高所述开放式通道的补液能力；

其中，所述散热工质流入所述开放式通道内，通过所述散热工质的复合相变取走所述LED光源的热量，并耗散至环境中。

2.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置；

其中N≥10。

3.根据权利要求2所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，所述开放式通道的排列密度不小于5条/cm。

4.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。

5.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，其中：

所述中空散热腔体的侧壁包含至少一个平面安装面，所述LED光源连接在所述平面安装面上；

所述中空散热腔体的外侧设置有M个散热翅片，M个所述散热翅片沿所述中空散热腔体外壁的周向排列；M≥1。

6.根据权利要求5所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，所述散热翅片的表面设置有波纹，其扩大所述散热翅片的对流散热面积。

7.根据权利要求5所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，还包括：风扇，其出风方向朝向所述散热翅片，其强化所述散热翅片的对流换热。

8.根据权利要求5所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，所述中空散热腔体内所述散热工质液面上方的内壁面设置有疏水涂层。

9.根据权利要求8所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，其中：

所述亲水涂层包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；

所述极性分子基团包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；

所述疏水涂层包含：石墨烯或碳纳米管；

所述中空散热腔体和所述散热翅片包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；

其中，中空散热腔体和所述散热翅片的导热系数不小于20W/m·K。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，其中：

所述中空散热腔体包括：

开口，设置在所述中空散热腔体的壁面上，通过所述开口向所述中空散热腔体内装入所述散热工质，和改变所述中空散热腔体内的真空度；以及

密封件，与所述开口匹配设置，其密封所述中空散热腔体；

所述散热工质包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的用于超高热流密度下的侧发光LED灯散热器，其特征在于，其中：

所述开放式通道的宽度介于50μm至4000μm之间；

所述开放式通道的深度介于50μm至4000μm之间；

两相邻所述开放式通道的间距介于50μm至4000μm之间；

所述中空散热腔体的高度介于50mm至1000mm之间；

所述中空散热腔体的直径介于20mm至800mm之间。