CN210771477U - 一种星载大功率led灯相变热控装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种星载大功率LED灯相变热控装置。该热控装置包括用于与LED封装件相连的热沉空腔、相变点低于LED封装件正常工作温度的相变材料、壳体密封底板、用于增加石蜡内部导热能力的金属导热波纹肋条以及密封组件。该实用新型利用相变材料熔化时吸热，相变过程中温度保持不变的特性进行被动冷却，同时，热沉空腔内部设计有和空腔一体的金属导热波纹肋条。本实用新型可有效改善星载大功率LED组件的热控效果，显著减少传统星载热控装置的质量和体积，并具有良好密封效果，有效地降低LED芯片结点温度，延长LED灯的使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及大功率LED灯热控装置，尤其适用于航天照明领域。
背景技术
由于亮度高、寿命长和安全无污染等优势，LED灯在空间相机照明领域广泛使用，然而，从原理上而言，LED灯是凭借激发电子从而让电子进行能级跳跃而发光，其光谱中没有红外普段，导致其工作产生的热量无法及时通过红外辐射及时散出，进而使得其工作时发热量大，如果不及时将热量导出，将导致半导体PN结温度升高，进而产生光衰现象，从而缩短LED灯的寿命。因此，对于星载大功率LED灯而言，如何通过合理的热控设计将其工作产生的热量及时导出就成为星载大功率LED灯在空间应用的关键问题之一。现有的散热技术主要是通过外置散热器区的散热来带走LED灯产生的热量，该种方式中，如果采用热传导的方式，导热路径势必复杂，且体积和质量均较大，成本较高；如果采用对流换热的方式，其配套的主动冷却系统需要额外的能耗，并且可靠性差。
近年来，在高功率激光器领域有人提出了一种相变热控系统，利用相变材料熔化时吸热，相变过程中温度保持不变的特性进行被动冷却。但其结构设计无法满足空间及一些特殊应用领域对密封性能、质量及体积等综合要求。
实用新型内容
针对上述现有技术存在的不足，本实用新型提供一种星载大功率LED灯相变热控装置，具有散热能力强，成本低，密封效果好，质量及体积较小等特点。
为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种星载大功率LED灯相变热控装置，包括上端盖板和具有封闭空腔的热沉；所述热沉由散热基板、壳体密封底板以及壳体侧板共同形成封闭空腔，该封闭空腔内填充有相变材料，相变材料的相变点低于LED封装件正常工作温度；
所述散热基板的上表面与LED封装件的底部形成平面接触；所述散热基板的下表面分布有多组导热波纹肋条，导热波纹肋条的下端与壳体密封底板之间存在间隙；壳体密封底板边缘一圈与壳体侧板的下端通过多个密封组件固定连接，具体是：密封组件包括空心密封圈、实心密封圈和紧定螺栓，所述空心密封圈位于壳体侧板的下端与壳体密封底板之间，实心密封圈位于壳体密封底板的下表面，紧定螺栓依次穿过实心密封圈、壳体密封底板、空心密封圈后与壳体侧板的下端连接。
本实用新型还进一步作了如下优化：
可选的，所述实心密封圈的径向内侧还设置刚性限位垫片，用于限定实心密封圈的最大压缩量。
可选的，所述壳体侧板与散热基板为一体件，壳体侧板的上端与所述上端盖板的边缘闭合相接。
可选的，每一个导热波纹肋条由若干个交替接续的凸起段和凹陷段组成，形成波浪状的壁面；每一组导热波纹肋条由多个导热波纹肋条组成，其中相邻导热波纹肋条的凸起段与凹陷段对应相接。
可选的，各组导热波纹肋条为交叉排布或按顺序排布。
可选的，所述导热波纹肋条采用铝合金或者钛合金制成。
可选的，所述导热波纹肋条与散热基板以及壳体侧板一体加工。
可选的，所述相变材料为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡。
可选的，所述多组导热波纹肋条的总体积不大于封闭空腔体积的20％。
上述星载大功率LED灯相变热控装置的封装方法，包括以下步骤：
1)一体加工散热基板和导热波纹肋条以及壳体侧板，得到热沉结构件；
2)将LED封装件的底部固定于散热基板上表面；
3)取上端盖板覆盖LED封装件的上方，将上端盖板的边缘与壳体侧板的上端闭合相接；
4)倒置热沉结构件，向其中填充液态的相变材料；
5)在壳体密封底板上装配所述密封组件，然后对准封盖热沉结构件；
6)旋紧密封组件紧定螺栓，完成封装。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
热沉结构件结构简明，安装方便，能够最大限度减小整个装置的质量和体积，通过内部布置空心密封圈和外部布置实心密封圈两层密封，增加了相变材料在太空复杂环境下的密封可靠性。
相变材料相变产生的潜热吸收LED灯工作中释放的热量，当LED灯停止工作时将储存的热量缓慢释放，从而实现了星载大功率LED灯的被动温控；同时相变材料液化时储热，熔化过程中温度保持不变的特性进行被动热控，从而对星载大功率LED灯的温度进行高效控制；
通过在热沉空腔内的一体化金属导热波纹肋条，有效提高了相变材料内部的导热能力，提升了石蜡的熔化速率，避免局部过热现象的出现；
与其它热控措施相比，本实用新型具有结构紧凑、重量轻、体积小、成本低、温控效果好、可靠性高、寿命长、无污染、密封效果好的特点，特别适合空间及一些特殊应用领域。
附图说明
图1为本实用新型一种星载大功率LED灯相变热控装置的结构示意图。
图2为图1中的剖视图。
图3为图2的仰视图。
图4为一组金属导热波纹肋条剖视示意图。
图5为单个金属导热波纹肋条的局部轴测图。
图6为密封组件剖视图。
图7为间歇工作的星载大功率LED灯工作周期示意图。
其中，1、LED封装件，2、散热基板，3、相变材料，4、壳体密封底板，5、金属导热波纹肋条(一组)，501-单个导热波纹肋条；6、上端盖板，7、密封组件，8、空心密封圈，9、实心密封圈，10、紧定螺栓，11、刚体限位垫片，12、壳体侧板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1、图2及图3所示，本实用新型包括壳体密封底板、壳体侧板以及用于与LED封装件1相连的散热基板2，散热基板2、壳体密封底板4以及壳体侧板12共同形成封闭空腔，该封闭空腔内填充有相变材料，相变材料的相变点低于LED封装件正常工作温度。壳体密封底板边缘一圈与壳体侧板的下端通过密封组件固定连接。
LED封装件1的上方与上端盖板8进行固定，LED封装件1的底部材料为高导热系数的金属(如铝或铜)，其与散热基板2采用焊接或高导热系数的硅脂连接。LED封装件1采用单个LED封装件或者若干个LED封装件组成LED灯阵。散热基板2的下表面以机械加工的方式设置有多组金属导热波纹肋条5以增加换热面积。
封闭空腔内，因相邻金属导热波纹肋条之间填充有熔点低于LED封装件1的正常工作温度的相变材料3，当相变材料3熔化时，吸收LED封装件1工作所产生的热量，相变材料3相变过程中温度保持不变，从而实现对LED封装件1的被动热控。其中，金属导热波纹肋条5能提高相变材料3的有效导热系数，增大换热面积，增强相变材料整体的热均匀性，从而提高相变材料3的热控响应速率和工作效率。
相变材料3可选择柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡，但不仅限于此。相变材料3的填充量取决于所选相变材料的热膨胀率和相变潜热、LED封装件1的功率及金属导热波纹肋条5的体积。壳体侧板的底部以焊接或胶结的方式与壳体密封底板4相连，为将相变材料3封装在封闭空腔中。壳体密封底板4比封闭空腔的横截面积略大，有助于防止灰尘、多余物等杂物进入封闭空腔内污染相变材料3。
如图4、图5所示，每一个导热波纹肋条具有一定厚度(柱体轴向尺寸)，由若干个交替接续的凸起段和凹陷段组成，形成波浪状的壁面；每一组导热波纹肋条由三个导热波纹肋条组成，其中相邻导热波纹肋条的凸起段与凹陷段对应相接。各组金属导热波纹肋条为交叉排布或按顺序排布，总体积不大于热沉空腔体积的20％，采用铝合金或者钛合金等导热率较高的金属制成。
波纹肋条与直肋条相比，在相同长度的情况下，换热面积更大。相变材料和肋条之间的接触面积增加，在同等情况下换热效率更高。其次，波纹肋条的壁面成波浪状，相变材料液化时会与波纹肋条的壁面产生扰动和湍流，破坏了二者之间的边界层，能够进一步提高换热效率。对比直肋条而言，相变材料液化流经直肋条时，在直肋条壁面会产生一层对流层，对流层外侧的液化相变材料需要首先将热量传递给对流层，再由对流层传递给直肋条，这就相当于在液化了的相变材料与直肋条之间增加了一层隔热层，该隔热层会增加热传递的热阻，降低换热效率。而波纹肋条的表面起伏，对流层无法产生，缩短了热传递的路程，提高了换热效率。
如图6所示，本实用新型的密封组件包括：空心密封圈8、实心密封圈9和紧定螺栓10；其中，空心密封圈8即内部空心的能够弹性变形的弹性体，设置在壳体侧板12的下端与壳体密封底板4之间，对于壳体密封底板4上表面与壳体侧板12的下端接触允许较大位置的偏差；实心密封圈9为实心的能够弹性变形的弹性体，位于壳体密封底板4的下表面与紧定螺栓10螺栓头之间，实现二次密封的效果；紧定螺栓依次穿过实心密封圈、壳体密封底板、空心密封圈后与壳体侧板的下端连接，从而能够可靠地将相变材料密封在由散热基板、壳体密封底板以及壳体侧板共同形成的封闭空腔内。
空心密封圈8和实心密封圈9均可采用硅橡胶材料，空心密封圈8的硬度小于实心密封圈9，从而保证空心密封圈8具有比实心密封圈9更大的形变量。对于密封组件，还建议增加刚体限位垫片11，固定于密封底板4的下表面和紧定螺栓10螺栓头下表面之间，且在位置上处于实心密封圈9的中贯通孔内。刚体限位垫片11优选金属材料，用来控制两个密封圈(特别是实心密封圈9)的最大压缩量，进而保证两个密封圈(特别是实心密封圈9)不被紧定螺栓10压坏。
该星载大功率LED相变热控装置是从星载大功率LED灯间歇性工作的特点和相变材料相变潜热大、导热系数低的特点出发，提出了利用相变材料熔化时吸热，相变过程中温度保持不变的特性进行被动热控的温控技术来实现大功率LED灯的温控；同时充分考虑到应用环境的复杂性，对封装结构作了重要的优化。
本实用新型的工作原理为：LED封装件1内的LED灯正常工作时，相变材料3从固态熔化为液态时吸热，相变过程中温度保持不变，从而有效地控制LED芯片的温度，LED灯停止工作后，相变材料3释放热量重新凝固，而放出的热量通过热沉内腔散失到外界，同时金属导热波纹肋条5增强了热量的传递，提高了相变材料3的热控响应速率和工作效率，且易于根据功率大小、工作时间长短选择相变材料3和调节其填充量。
图7是间歇性工作的LED灯工作周期示意图。当LED灯开的时候，对应的是相变材料3由固态熔化成液态，将LED灯散热转变为相变潜热，且在相变过程中温度始终保持不变；当LED灯关的时候，对应的是相变材料3由液态凝固成固态，将蓄存的热量通过散热装置散失到环境中。在空腔体积(相变材料填充量)确定的情况下，可以根据相变材料的潜热和LED灯的工作功率利用热平衡的思想方便地计算出相变材料的种类，确保相变材料完全熔化时LED灯工作停止。
本实用新型可有效改善星载大功率LED组件的热控效果，显著减少传统星载热控装置的质量和体积，并具有良好密封效果，有效地降低LED芯片结点温度，延长LED灯的使用寿命。
以上所述仅是本实用新型的一种实施方案而已，并非对本实用新型做任何形式的限制，故依据本实用新型的技术实质对以上实施方案所作的任何简单修改，等同变化或修改，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于，包括上端盖板和具有封闭空腔的热沉；所述热沉由散热基板、壳体密封底板以及壳体侧板共同形成封闭空腔，该封闭空腔内填充有相变材料，相变材料的相变点低于LED封装件正常工作温度；
所述散热基板的上表面与LED封装件的底部形成平面接触；所述散热基板的下表面分布有多组导热波纹肋条，导热波纹肋条的下端与壳体密封底板之间存在间隙；壳体密封底板边缘一圈与壳体侧板的下端通过多个密封组件固定连接，具体是：密封组件包括空心密封圈、实心密封圈和紧定螺栓，所述空心密封圈位于壳体侧板的下端与壳体密封底板之间，实心密封圈位于壳体密封底板的下表面，紧定螺栓依次穿过实心密封圈、壳体密封底板、空心密封圈后与壳体侧板的下端连接。
2.根据权利要求1所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：所述实心密封圈的径向内侧还设置有刚性限位垫片，用于限定实心密封圈的最大压缩量。
3.根据权利要求1所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：所述壳体侧板与散热基板为一体件，壳体侧板的上端与所述上端盖板的边缘闭合相接。
4.根据权利要求1所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：每一个导热波纹肋条由若干个交替接续的凸起段和凹陷段组成，形成波浪状的壁面；每一组导热波纹肋条由多个导热波纹肋条组成，其中相邻导热波纹肋条的凸起段与凹陷段对应相接。
5.根据权利要求1所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：各组导热波纹肋条为交叉排布或按顺序排布。
6.根据权利要求1所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：所述导热波纹肋条采用铝合金或者钛合金制成。
7.根据权利要求1或6所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：所述导热波纹肋条与散热基板以及壳体侧板一体加工。
8.根据权利要求1所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：所述相变材料为柠檬酸钠、磷酸钠、硝酸盐或石蜡。
9.根据权利要求1所述的星载大功率LED灯相变热控装置，其特征在于：所述多组导热波纹肋条的总体积不大于封闭空腔体积的20％。
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2019
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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