RU2621320C1 - Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода - Google Patents
Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2621320C1 RU2621320C1 RU2015152521A RU2015152521A RU2621320C1 RU 2621320 C1 RU2621320 C1 RU 2621320C1 RU 2015152521 A RU2015152521 A RU 2015152521A RU 2015152521 A RU2015152521 A RU 2015152521A RU 2621320 C1 RU2621320 C1 RU 2621320C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- led
- conducting base
- diameter
- intensified
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
- F21V29/50—Cooling arrangements
- F21V29/70—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks
- F21V29/71—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks using a combination of separate elements interconnected by heat-conducting means, e.g. with heat pipes or thermally conductive bars between separate heat-sink elements
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к системам охлаждения мощных светодиодов. Технический результат - обеспечение высокоэффективного отвода тепла при минимальном значении сопротивления теплопередачи от одиночного мощного светодиода. Достигается тем, что интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода состоит из теплопроводящего основания, которое образует в максимальной близости к p-n переходу светодиода поверхность теплообмена, интенсифицируемую за счет радиального оребрения, выполненного в виде микроканалов треугольного сечения, с установленным на нем светодиодом. К теплопроводящему основанию со стороны интенсифицирующей поверхности примыкает тепловая труба, заполненная на 20-25% теплоносителем таким образом, что область конденсации находится выше области испарения и теплоноситель стекает в зону нагрева под действием гравитации. 4 ил.
Description
Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к системам охлаждения мощных светодиодов.
Мощные светодиодные нагрузки, составляющие десятки и сотни Вт/см2, которые необходимы, например, в видеопроекторах, прожекторах, специальной светосигнальной аппаратуре, требуют для эффективного отвода тепла использовать радиаторы с тепловым сопротивлением, составляющим десятые-сотые доли кВт. Добиться такого малого теплового сопротивления позволяют только жидкостные охладители.
Известна плоская тепловая труба [US 3613778, 19.10.1971, B64G 1/50; B64G 1/58; F28D 15/02], заполненная пористым металлическим фитилем или сеткой в паровом канале.
Толщина фитиля способствует увеличению теплопередающей способности тепловой трубы. Однако с ростом толщины фитиля увеличивается его термическое сопротивление в радиальном направлении, что препятствует росту теплопередающей способности трубы в целом и снижает допустимую максимальную плотность теплового потока в испарителе.
Известен термосифон [RU 2373473, 16.07.2008, Н05К 7/20], содержащий частично заполненный теплоносителем корпус с паропроводом, перегороженным воронкой. При кипении жидкости в таком термосифоне пар собирается в воронке, а затем поступает в паропровод и распространяется в верхнюю часть корпуса термосифона. Паропровод устроен таким образом, что струя пара направляется на охлаждаемые стенки цилиндра, где происходит конденсация пара. В термосифоне кипение происходит на поверхности большой площади.
Для охлаждения светодиода требуются существенно меньшие площади поверхности кипения, до 10 мм и менее. Уменьшение площади поверхности кипения приводит к увеличению критического теплового потока, но при этом начало кипения происходит при более высоких перегревах поверхности. В таких условиях нарушение теплового режима работы светодиода способствует снижению срока его службы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе является устройство охлаждения светодиодного модуля [RU 2546676, 05.09.2013, Н05K 1/00, Н05K 7/20], состоящее из высокотеплопроводного основания, выполненного из металла, металлокерамики или материала, имеющего структуру изолированных проводников внутри металла, с установленными на нем светодиодами, к которому примыкает наполнитель из микропористого материала с мини-каналами, расположенными под светодиодами перпендикулярно плоскости их установки так, что части теплопроводящего основания, примыкающие к торцам мини-каналов, образуют в максимальной близости к p-n переходам светодиодов интенсифицирующую поверхность теплообмена, интенсифицируемую за счет радиального оребрения, представляющего собой микроканалы треугольного сечения.
Однако предлагаемая система обеспечивает эффективный отвод тепла от модуля (группы светодиодов). Наполнитель из микропористого материала является общим для всего модуля. При выделении из модуля одиночного светодиода эффективность такой системы падает, так как падает скорость движения жидкости. Для эффективного отвода тепла от одиночного мощного светодиода в указанной системе потребуется увеличить объем пористой среды, что усложняет конструкцию системы.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокоэффективного отвода тепла при максимальном значении коэффициента теплопередачи от одиночного мощного полупроводникового светодиода (мощностью 100 Вт/см2 и более) при кипении теплоносителя на поверхности с оребрением.
Поставленная задача решается тем, что в интенсифицированной системе охлаждения мощного светодиода, состоящей из теплопроводящего основания, которое образует в максимальной близости к p-n переходу светодиода поверхность теплообмена, интенсифицируемую за счет радиального оребрения, представляющего собой микроканалы треугольного сечения, с установленным на нем светодиодом, к которому примыкает закрытая гладкостенная тепловая труба, частично заполненная жидким теплоносителем. Согласно изобретению диаметр тепловой трубы равен диаметру теплопроводящего основания, отношение диаметра светодиода, DLED, к диаметру теплопроводящего основания, Dосн, находится в диапазоне от 0,1 до 1 включительно (0,1≤DLED/D0осн≤1). Согласно изобретению тепловая труба, одним из своих торцов примыкающая к теплопроводящему основанию со стороны оребренной интенсифицирующей поверхности, заполнена на 20-25% теплоносителем таким образом, что область конденсации (зона охлаждения) находится выше области испарения (зоны нагрева) и теплоноситель стекает в зону нагрева под действием гравитации. В интенсифицированной системе охлаждения одиночного мощного светодиода поддерживается достаточно высокий уровень теплоносителя, обеспечивающий интенсивное кипение.
На фиг. 1 изображена схематично интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода, где 1 - теплопроводящее основание, 2 - светодиод, 3 - тепловая труба с паровым каналом, 4 - интенсифицирующая поверхность.
На фиг. 2 и фиг. 3 изображено теплопроводящее основание с интенсифицирующей оребренной поверхностью теплообмена с установленным на него светодиодом, вид сбоку. На фиг. 2 - вариант исполнения, когда диаметр теплопроводящего основания совпадает с диаметром светодиода. На фиг. 3 - вариант исполнения, когда диаметр теплопроводящего основания больше диаметра светодиода.
На фиг. 4 изображена интенсифицирующая поверхность теплообмена с радиальным треугольным оребрением, вид со стороны парового канала.
Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода состоит из теплопроводящего основания 1 с интенсифицирующей поверхностью 4, одиночного мощного светодиода 2, установленного на основание со стороны, противоположной интенсифицирующей поверхности 4, и закрытой гладкостенной тепловой трубы с паровым каналом 3. Тепловая труба одним из своих торцов примыкает к теплопроводящему основанию 1 со стороны оребренной интенсифицирующей поверхности 4. Оребрение интенсифицирующей поверхности теплообмена 4 представляет собой радиальные микроканалы треугольного сечения. Теплопроводящее основание интенсифицированной системы охлаждения светодиодного модуля выполнено из металла или металлокерамики, а радиальное оребрение нанесено непосредственно на теплопроводящее основание. Диаметр тепловой трубы равен диаметру теплопроводящего основания. Тепловая труба выполнена из теплопроводного материала и заполнена на 20-25% теплоносителем, например, водой или водоспиртовой смесью.
Таким образом, образуется замкнутая система, частично заполненная теплоносителем, в которой теплопроводящее основание 1, являющееся торцом тепловой трубы 3, образует в максимальной близости к p-n переходам светодиода интенсифицирующую оребренную поверхность теплообмена 4. Интенсификация кипения на интенсифицирующей поверхности осуществляется как за счет оребрения, так и за счет увеличения площади поверхности. Увеличения площади, в свою очередь, достигают как за счет увеличения числа лучей оребрения, так и за счет увеличения диаметра теплопроводящего основания по сравнению с диаметром светодиода. Диаметр светодиода может изменяться от 1 до 10 мм. Оптимальный диапазон отношения диаметра светодиода и диаметра теплопроводящего основания составляет: 1/10≤DLED/Dосн≤1.
В процессе функционирования интенсифицированной системы охлаждения светодиод выделяет тепло (зона нагрева - теплопроводящее основание), которое передается через основание на торец тепловой трубы, примыкающей к теплопроводящему основанию. Зона охлаждения системы представляет собой поверхность тепловой трубы. Для того чтобы обеспечить интенсивное кипение и передачу тепла, выделяемого светодиодом, в зону охлаждения тепловую трубу на 20-25% заполняют жидким теплоносителем, например водой.
Теплоноситель осуществляет передачу тепла из зоны нагрева светодиода в зону охлаждения за счет скрытой теплоты парообразования. Тепло, поступающее в зону нагрева от светодиода, вызывает кипение теплоносителя на оребренной поверхности 4. Причем на оребренной поверхности кипение начинается при существенно меньших температурах перегрева, а коэффициент теплоотдачи значительно выше, чем на гладкой поверхности. Парообразование происходит не за счет испарения, а в результате кипения на оребренной поверхности. Возникающая при этом разность давлений побуждает пар двигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, где пар конденсируется, отдавая при этом скрытую теплоту парообразования. В результате действия сил гравитации сконденсировавшаяся в зоне охлаждения жидкость возвращается обратно в зону нагрева. Таким образом, непрерывно осуществляется перенос тепла из зоны нагрева в зону охлаждения.
В системе сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону нагрева под действием исключительно силы тяжести, то есть такая система будет работать только в положении, когда область конденсации (зона охлаждения) находится выше области испарения (зоны нагрева), а жидкость имеет возможность стекать в зону нагрева.
Таким образом, обеспечение высокоэффективного отвода тепла от единичного мощного светодиода при минимальном значении сопротивления теплопередачи достигается тем, что интенсивное кипение жидкости происходит вблизи p-n перехода светодиода на оребренной поверхности. Оребрение способствует увеличению центров парообразования и уменьшению температуры перегрева нагреваемой поверхности относительно температуры насыщения.
Высокоэффективный отвод тепла от единичного мощного светодиода при минимальном значении сопротивления теплопередачи достигается также за счет увеличения площади поверхности кипения, которую увеличивают путем увеличения диаметра основания и путем увеличения числа лучей оребрения.
Также обеспечение высокоэффективного отвода тепла от единичного мощного светодиода при минимальном значении сопротивления теплопередачи достигается за счет высокого значения эффективной теплопроводности вдоль вертикального канала (тепловой трубы), которое более чем на два порядка превосходит теплопроводность современных печатных плат.
Работоспособность предложенной конструкции системы охлаждения светодиодного модуля подтверждается экспериментальными данными и выполненными оценками и расчетами.
Например, эксперименты на нагревателях диаметром 5 мм с гладкой и оребренной поверхностями показали, что на оребренных поверхностях перегрев относительно температуры насыщения уменьшается до трех раз. До двух раз возрастает коэффициент теплоотдачи на оребренной поверхности по сравнению с гладкой.
Claims (1)
- Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода, состоящая из теплопроводящего основания, которое образует в максимальной близости к p-n переходу светодиода поверхность теплообмена, интенсифицируемую за счет радиального оребрения, представляющего собой микроканалы треугольного сечения, с установленным на нем светодиодом, к которому примыкает закрытая тепловая труба, частично заполненная жидким теплоносителем, отличающаяся тем, что отношение диаметра светодиода, DLED, к диаметру теплопроводящего основания, Dосн, находится в диапазоне от 0,1 до 1 включительно (0,1≤DLED/Dосн≤1), диаметр тепловой трубы равен диаметру теплопроводящего основания, тепловая труба, одним из своих торцов примыкающая к теплопроводящему основанию со стороны оребренной интенсифицирующей поверхности, заполнена на 20-25% теплоносителем таким образом, что область конденсации (зона охлаждения) находится выше области испарения (зоны нагрева) и теплоноситель стекает в зону нагрева под действием гравитации.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015152521A RU2621320C1 (ru) | 2015-12-08 | 2015-12-08 | Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015152521A RU2621320C1 (ru) | 2015-12-08 | 2015-12-08 | Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2621320C1 true RU2621320C1 (ru) | 2017-06-02 |
Family
ID=59032470
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015152521A RU2621320C1 (ru) | 2015-12-08 | 2015-12-08 | Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2621320C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2775103C2 (ru) * | 2020-03-18 | 2022-06-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Люксимус" | Светодиодный светильник с жидкостным охлаждением |
| CN117979657A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 长春工程学院 | 一种脉动热管协同重力热管强化大功率led散热装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6510052B2 (en) * | 2000-09-21 | 2003-01-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Cooling unit for cooling a heat generating component and electronic apparatus having the cooling unit |
| US20080237845A1 (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-02 | Jesse Jaejin Kim | Systems and methods for removing heat from flip-chip die |
| RU2403692C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием |
| RU123107U1 (ru) * | 2012-04-04 | 2012-12-20 | Открытое акционерное общество "Особое конструкторское бюро "МЭЛЗ" | Высокоинтенсивное светодиодное осветительное устройство |
| EP2602545A1 (en) * | 2010-08-04 | 2013-06-12 | Society With Limited Liability "Dis Plus" | Lighting device |
| RU2546676C2 (ru) * | 2013-09-05 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Интенсифицированная испарительная система охлаждения светодиодного модуля |
| RU2551137C2 (ru) * | 2013-09-05 | 2015-05-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Испарительная система охлаждения светодиодного модуля |
-
2015
- 2015-12-08 RU RU2015152521A patent/RU2621320C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6510052B2 (en) * | 2000-09-21 | 2003-01-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Cooling unit for cooling a heat generating component and electronic apparatus having the cooling unit |
| US20080237845A1 (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-02 | Jesse Jaejin Kim | Systems and methods for removing heat from flip-chip die |
| RU2403692C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием |
| EP2602545A1 (en) * | 2010-08-04 | 2013-06-12 | Society With Limited Liability "Dis Plus" | Lighting device |
| RU123107U1 (ru) * | 2012-04-04 | 2012-12-20 | Открытое акционерное общество "Особое конструкторское бюро "МЭЛЗ" | Высокоинтенсивное светодиодное осветительное устройство |
| RU2546676C2 (ru) * | 2013-09-05 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Интенсифицированная испарительная система охлаждения светодиодного модуля |
| RU2551137C2 (ru) * | 2013-09-05 | 2015-05-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Испарительная система охлаждения светодиодного модуля |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2775103C2 (ru) * | 2020-03-18 | 2022-06-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Люксимус" | Светодиодный светильник с жидкостным охлаждением |
| CN117979657A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 长春工程学院 | 一种脉动热管协同重力热管强化大功率led散热装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6508301B2 (en) | Cold plate utilizing fin with evaporating refrigerant | |
| JP2010079397A (ja) | 電子装置 | |
| CN201344754Y (zh) | 汽液两相分离型重力热管散热器 | |
| WO2015146110A1 (ja) | 相変化冷却器および相変化冷却方法 | |
| KR20020093897A (ko) | 마이크로 열 교환기를 장착한 파워 전자 장치의 부품냉각을 위한 냉각장치 | |
| RU2546676C2 (ru) | Интенсифицированная испарительная система охлаждения светодиодного модуля | |
| RU2621320C1 (ru) | Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода | |
| RU2636385C1 (ru) | Устройство охлаждения одиночного мощного светодиода с интенсифицированной конденсационной системой | |
| US20180270993A1 (en) | Cooling using a wick with varied thickness | |
| CN104850197A (zh) | 带有复合底板的重力热管式芯片散热器 | |
| US20080128109A1 (en) | Two-phase cooling technology for electronic cooling applications | |
| KR102540540B1 (ko) | 비등 냉각 장치 | |
| CN111818756B (zh) | 带有集成的两相散热器的热交换器 | |
| RU2551137C2 (ru) | Испарительная система охлаждения светодиодного модуля | |
| CN204576403U (zh) | 重力热管式芯片散热器 | |
| RU2510732C2 (ru) | Система охлаждения светодиодного модуля | |
| JP2015140949A (ja) | 冷却装置とこれを備えたデータセンター | |
| CN210399204U (zh) | 一种空调 | |
| CN210112504U (zh) | 一种相变散热设备 | |
| RU2639635C1 (ru) | Теплопередающее устройство для охлаждения электронных компонентов | |
| JP6028232B2 (ja) | 冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および電気自動車 | |
| CN111465253A (zh) | 一种相变散热设备 | |
| RU175949U1 (ru) | Теплопередающее устройство для охлаждения электронных компонентов | |
| JP2017009253A (ja) | 冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および電気自動車 | |
| KR200368926Y1 (ko) | 진공전도 가온식 난방용 라디에이터 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190515 Effective date: 20190515 |
|
| QA4A | Patent open for licensing |
Effective date: 20191111 |