WO2015034397A1 - Evaporative cooling system for led module - Google Patents
Evaporative cooling system for led module Download PDFInfo
- Publication number
- WO2015034397A1 WO2015034397A1 PCT/RU2014/000628 RU2014000628W WO2015034397A1 WO 2015034397 A1 WO2015034397 A1 WO 2015034397A1 RU 2014000628 W RU2014000628 W RU 2014000628W WO 2015034397 A1 WO2015034397 A1 WO 2015034397A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- heat
- leds
- intensifying
- base
- adjacent
- Prior art date
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 14
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 8
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 6
- 239000012229 microporous material Substances 0.000 claims description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 8
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 5
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 230000005501 phase interface Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
- F21V29/51—Cooling arrangements using condensation or evaporation of a fluid, e.g. heat pipes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
- F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
- F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
- H01L33/648—Heat extraction or cooling elements the elements comprising fluids, e.g. heat-pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
- H05K1/0203—Cooling of mounted components
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
- H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
- H05K2201/10007—Types of components
- H05K2201/10106—Light emitting diode [LED]
Definitions
- the invention relates to electronics, in particular to the cooling of fuel elements of electronic equipment, LED systems.
- the thickness of the wick helps to increase the heat transfer capacity of the heat pipe. However, with an increase in the thickness of the wick, its thermal resistance in the radial direction increases, which prevents the growth of the heat transfer ability of the pipe as a whole and reduces the permissible maximum heat flux density in the evaporator.
- a device for cooling electronic components is known [US4975803, 04/04/1990, H05 7/20], which has a sandwich construction and consists of a plurality of plates enclosed in a metal body (parallelepiped) parallel to the plane of installation of electronic components and made of a porous material with diagonal microchannels, moreover, the microchannels of adjacent plates have opposite directions.
- the porous core with microchannels is filled with a liquid coolant. Heat is transferred to the end parts of the case where the radiator is located.
- thermosiphon [RU2373473, 07/16/2008, H05K7 / 20], which can significantly increase the efficiency of heat transfer from the heated part to the cooled area by intensifying heat transfer during condensation under conditions of high air content in the system.
- the thermosiphon contains a housing, a lower chamber filled with liquid, a funnel with a steam line, a steam generator in the lower chamber and a condenser in the upper chamber, and a valve is installed in the lower chamber to vent some of the air out.
- thermosiphon without a funnel with a pipeline for the movement of steam can work normally only if air is pumped out of the system and the liquid is thoroughly degassed.
- a cooling device for the heat-generating components of the module of electronic equipment [RU2403692, 04/29/2009, N05K1 / 00, N05K7 / 20], consisting of a heat-sink base, printed circuit boards and electrical components installed on them.
- the heat sink base is made of microporous material with microchannels and filled with liquid coolant. Microchannels are located in the heat sink in two orthogonal directions parallel to the plane of the printed circuit board. Heat is transferred to the end of the heat sink base.
- heat removal mainly to the end part of the heat sink base does not provide effective heat transfer to the radiator adjacent to the plane of the printed circuit board.
- the main problem of all heat pipes is non-condensed impurities (air or gas) that accumulate in the condensation zone, which leads to a decrease in condensation and, consequently, to a decrease in the efficiency of their work.
- An object of the present invention is to provide highly efficient heat removal from each of the semiconductor LEDs assembled in a module with a minimum value of heat transfer resistance and a minimum effect of non-condensed impurities.
- the problem is solved by combining known elements, namely, a well-known feature of electronic component cooling devices, a heat-removing base of a porous material with channels filled with liquid coolant [RU2403692, 04/29/2009, ⁇ 05 ⁇ 1 / 00, ⁇ 05 ⁇ 7 / 20], and a known thermosiphon construction element , funnels with a steam line, [RU2373473, 07/16/2008, H05K7 / 20], leading to the achievement by the object of a new result.
- the problem is solved in that in the evaporative cooling system of the LED module, consisting of a base with LEDs mounted on it, to which is adjacent a layer of microporous material filled with liquid coolant with channels, according to the invention, the base is made of highly heat-conducting material, the microporous structure adjacent to the heat-conducting base is in volume, s limited to a heat-conducting base and a radiator, the surface of which is covered with a thin layer of non-porous heat-conducting material.
- each channel is blocked by a funnel with a steam line so that the funnel is adjacent to the intensifying surface with the upper part, and the heat-transfer intensifying surface.
- FIG. 1 schematically depicts an evaporative cooling system for an LED module, where: 1 - a heat-conducting base; 2 - LEDs; 3 - microporous structure; 4 - channels; 5 - radiator, 6 - intensifying surface; 7 - steam line; 8 - funnel.
- the evaporative cooling system of the LED module consists of a heat-conducting base 1, on which LEDs 2 are installed, a microporous structure 3, filling the volume between the heat-conducting base 1 and the radiator 5, in which channels 4 are located under the LEDs perpendicular to the plane of their installation, each of which is blocked by a funnel for 8 s steam line 7.
- the intensifying heat transfer surface 6 is made of a porous material, and the pore sizes are smaller than the pore sizes of the microporous structure 3 and are reduced towards the center of the heat-emitting diode to create the necessary capillary pressure, which is especially important at high heat fluxes.
- the funnel 8 with its upper part adjoins the intensifying heat transfer surface, and its lower part is a steam pipe 7 ending near the end of the channel in the cooling zone.
- the surface of the radiator 5 is covered with a thin layer of non-porous heat-conducting material.
- the LEDs emit heat (heating zone), which is transmitted to the ends of the channels.
- the microporous structure 3 with channels 4, located in the volume limited by the heat-conducting base 1 and the radiator 5, is filled with a liquid heat carrier, for example water, and the microporous structure 3 is saturated with a heat carrier in the liquid phase, and in channels 4, the coolant is in the vapor phase.
- the coolant transfers heat from the LED heating zone to the cooling zone due to the latent heat of vaporization.
- the heat entering the heating zone from the LEDs causes evaporation of the coolant.
- boiling begins at significantly lower superheat temperatures, and the heat transfer coefficient is much higher than on a smooth surface.
- the vapor When the coolant boils on the intensifying surface, the vapor is collected in a funnel (evaporation zone). In the evaporation zone, an excess vapor saturation pressure is created, which is spent on accelerating the steam and overcoming the friction force of the steam flow on the surface of the steam pipe. As a result, the pressure along the length of the steam line from the evaporation zone drops. In the middle section of the channel, the pressure stabilizes (adiabatic section). AT In the cooling zone, pressure is restored to almost the pressure in the evaporation zone.
- the resulting pressure difference causes the steam to move through the steam line from the heating zone to the cooling zone, where the steam condenses, giving off the latent heat of vaporization.
- Steam moving along the steam line displaces non-condensed impurities (air or gas) and propagates in the channel, forcing the non-condensed impurities into the middle region of the channel.
- non-condensed impurities air or gas
- most of the non-condensed impurities accumulate in the middle part of the channel, and not in the cooling zone, and does not affect the efficiency of condensation.
- An additional capillary pressure arises due to the fact that the pore size of the intensifying heat transfer surface is significantly smaller than the pore size of the filler of microporous material and even decreases towards the center of the heat-emitting LED, which is especially important at high heat fluxes.
- the capillary pressure increases, providing a more intensive supply of fluid to the vicinity of the LED and, accordingly, higher values of the removed heat fluxes.
- the proposed design requires a one-time filling with liquid and is less sensitive to variations in the initial volume of liquid, in contrast to heat pipes known from the art, which require filling with a precisely defined volume of liquid while evacuating.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Arrangement Of Elements, Cooling, Sealing, Or The Like Of Lighting Devices (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
The invention relates to radioelectronics, and specifically to the cooling of the heat-emitting components of electronic equipment. The aim of the invention is to, in a highly effective manner, remove heat from each semiconductor LED assembled into a module, with a minimum heat transfer resistance value and with a minimum impact of uncondensed impurities. Said aim is achieved in that an evaporative cooling system for an LED module is composed of a base made of a highly thermally-conducting material on which LEDs are installed, a microporous structure which is adjacent to the thermally-conducting base and which is located between the thermally-conducting base and a radiator, said radiator having channels which are positioned below the LEDs and which are perpendicular, relative to the plane in which the LEDs are installed, in such a way that portions of the thermally-conducting base which are adjacent to the ends of the channels form, in maximum proximity to p-n junctions of the LEDs, an intensifying heat-exchange surface made of a porous material, wherein each channel is blocked, by a funnel having a steam conduit, in such a way that the upper portion of the funnel is adjacent to the intensifying surface.
Description
ИСПАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО LED EVAPORATOR COOLING SYSTEM
МОДУЛЯ MODULE
Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к охлаждению тепловыделяющих элементов электронной аппаратуры, светодиодных систем. The invention relates to electronics, in particular to the cooling of fuel elements of electronic equipment, LED systems.
Известна плоская тепловая труба [US3613778, 19.10.1971, B64G1/50; B64G1/58; F28D 15/02], заполненная пористым металлическим фитилём или сеткой в паровом канале. Known flat heat pipe [US3613778, 10.19.1971, B64G1 / 50; B64G1 / 58; F28D 15/02], filled with a porous metal wick or mesh in the steam channel.
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 снижать допустимую максимальную плотность теплового потока в испарителе. The thickness of the wick helps to increase the heat transfer capacity of the heat pipe. However, with an increase in the thickness of the wick, its thermal resistance in the radial direction increases, which prevents the growth of the heat transfer ability of the pipe as a whole and reduces the permissible maximum heat flux density in the evaporator.
Известно устройство для охлаждения электронных компонентов [US4975803, 04.12.1990, Н05 7/20], которое имеет сэндвич конструкцию и представляет собой заключённые в металлический корпус (параллелепипед) множество пластин, параллельных плоскости установки электронных компонентов и выполненных из пористого материала с диагональными микроканалами, причём микроканалы соседних пластин имеют противоположные направления. Пористое ядро с микроканалами заполнено жидким теплоносителем. Тепло передаётся на торцевые части корпуса, где находится радиатор. A device for cooling electronic components is known [US4975803, 04/04/1990, H05 7/20], which has a sandwich construction and consists of a plurality of plates enclosed in a metal body (parallelepiped) parallel to the plane of installation of electronic components and made of a porous material with diagonal microchannels, moreover, the microchannels of adjacent plates have opposite directions. The porous core with microchannels is filled with a liquid coolant. Heat is transferred to the end parts of the case where the radiator is located.
В такой конструкции отвод тепла в основном на торцевую часть не обеспечивает эффективную теплоотдачу к радиатору. Эффективная теплопроводность насыщенного жидкостью пористого материала в направлении перпендикулярном плоскости установки электронных
компонентов существенно меньше, чем в направлении параллельном плоскости установки электронных компонентов. In this design, heat removal mainly to the end part does not provide effective heat transfer to the radiator. Effective thermal conductivity of a liquid-saturated porous material in the direction perpendicular to the plane of installation of electronic components are significantly smaller than in the direction parallel to the plane of installation of electronic components.
Известно устройство - термосифон [RU2373473, 16.07.2008, Н05К7/20], позволяющий существенно повысить эффективность передачи тепла от нагреваемой части к охлаждаемому участку путем интенсификации теплоотдачи при конденсации в условиях высокого содержании воздуха в системе. Термосифон содержит корпус, заполненную жидкостью нижнюю камеру, воронку с паропроводом, парогенератор в нижней камере и конденсатор в верхней камере, причём в нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу. A known device is a thermosiphon [RU2373473, 07/16/2008, H05K7 / 20], which can significantly increase the efficiency of heat transfer from the heated part to the cooled area by intensifying heat transfer during condensation under conditions of high air content in the system. The thermosiphon contains a housing, a lower chamber filled with liquid, a funnel with a steam line, a steam generator in the lower chamber and a condenser in the upper chamber, and a valve is installed in the lower chamber to vent some of the air out.
Термосифон без воронки с трубопроводом для движения пара может нормально работать только в том случае, если из системы откачен воздух и жидкость тщательно дегазирована. A thermosiphon without a funnel with a pipeline for the movement of steam can work normally only if air is pumped out of the system and the liquid is thoroughly degassed.
Наиболее близким по технической сущности заявляемой системе является устройство охлаждения тепловыделяющих компонентов модуля радиоэлектронной аппаратуры [RU2403692, 29.04.2009, Н05К1/00, Н05К7/20], состоящее из теплоотводящего основания, печатных плат и установленных на них электрорадиоэлементов. Теплоотводящее основание выполнено из микропористого материала с микроканалами и заполнено жидким теплоносителем. Микроканалы расположены в теплоотводящем основании в двух ортогональных направлениях параллельных плоскости печатной платы. Тепло передается на торцевую часть теплоотводящего основания. Closest to the technical nature of the claimed system is a cooling device for the heat-generating components of the module of electronic equipment [RU2403692, 04/29/2009, N05K1 / 00, N05K7 / 20], consisting of a heat-sink base, printed circuit boards and electrical components installed on them. The heat sink base is made of microporous material with microchannels and filled with liquid coolant. Microchannels are located in the heat sink in two orthogonal directions parallel to the plane of the printed circuit board. Heat is transferred to the end of the heat sink base.
Однако отвод тепла в основном на торцевую часть теплоотводящего основания не обеспечивает эффективную теплоотдачу к радиатору, примыкающему к плоскости печатной платы. However, heat removal mainly to the end part of the heat sink base does not provide effective heat transfer to the radiator adjacent to the plane of the printed circuit board.
Практически все известные тепловые трубы и термосифоны для эффективной работы требуют предварительной откачки воздуха и поддержания высокой герметичности, что приводит к снижению надежности устройств и их
высокой стоимости [Справочник по теплообменникам. М. Энергоатомиздат,1987, Дан П., Рей Д. Тепловые трубы. М. Энергия, 1979, 272 с, Пиоро И.Л., Антоненко В.А., Пиоро Л.С. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами. Киев. Наукова думка, 1991, 246 с]. Наличие даже незначительной примеси воздуха во внутренней части тепловых труб или термосифонов приводит к резкому снижению коэффициента теплопередачи при конденсации рабочей жидкости. Almost all known heat pipes and thermosiphons for effective operation require preliminary pumping of air and maintaining high tightness, which leads to a decrease in the reliability of devices and their high cost [Handbook of heat exchangers. M. Energoatomizdat, 1987, Dan P., Ray D. Heat pipes. M. Energy, 1979, 272 s, Pioro I.L., Antonenko V.A., Pioro L.S. Efficient heat exchangers with two-phase thermosiphons. Kiev. Naukova Dumka, 1991, 246 p.]. The presence of even a slight air admixture in the inner part of heat pipes or thermosiphons leads to a sharp decrease in the heat transfer coefficient during condensation of the working fluid.
Таким образом, основная проблема всех тепловых труб - неконденсированные примеси (воздух или газ), которые скапливаются в зоне конденсации, что приводит к уменьшению конденсации и, следовательно, к падению эффективности их работы. Thus, the main problem of all heat pipes is non-condensed impurities (air or gas) that accumulate in the condensation zone, which leads to a decrease in condensation and, consequently, to a decrease in the efficiency of their work.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокоэффективного отвода тепла от каждого из собранных в модуль полупроводниковых светодиодов при минимальном значении сопротивления теплопередачи и минимальном влиянии неконденсированных примесей. An object of the present invention is to provide highly efficient heat removal from each of the semiconductor LEDs assembled in a module with a minimum value of heat transfer resistance and a minimum effect of non-condensed impurities.
Поставленная задача решается путём сочетания известных элементов, а именно, известного признака устройств охлаждения электронных компонентов, теплоотводящего основания из пористого материала с каналами, заполненного жидким теплоносителем [RU2403692, 29.04.2009, Н05К1/00, Н05К7/20], и известного элемента конструкции термосифона, воронки с паропроводом, [RU2373473, 16.07.2008, Н05К7/20], приводящего к достижению объектом нового результата. The problem is solved by combining known elements, namely, a well-known feature of electronic component cooling devices, a heat-removing base of a porous material with channels filled with liquid coolant [RU2403692, 04/29/2009, Н05К1 / 00, Н05К7 / 20], and a known thermosiphon construction element , funnels with a steam line, [RU2373473, 07/16/2008, H05K7 / 20], leading to the achievement by the object of a new result.
Поставленная задача решается тем, что в испарительной системе охлаждения светодиодного модуля, состоящей из основания с установленными на нём светодиодами, к которому примыкает слой заполненного жидким теплоносителем микропористого материала с каналами, согласно изобретению, основание выполнено из высокотеплопроводного материала, примыкающая к теплопроводящему основанию микропористая структура находится в объёме, з
ограниченном теплопроводящим основанием и радиатором, поверхность которого покрыта тонким слоем непористого теплопроводного материала. В микропористой структуре под светодиодами перпендикулярно плоскости их установки расположены каналы, причём они расположены так, что части теплопроводящего основания, примыкающие к торцам каналов, образуют в максимальной близости к p-η переходам светодиодов интенсифицирующую поверхность теплообмена, которая выполнена из пористого материала, размеры пор которого меньше размеров пор микропористой структуры и уменьшаются по направлению к центру светодиода. Каждый канал перегорожен воронкой с паропроводом так, что воронка верхней частью примыкает к интенсифицирующей поверхности, а интенсифицирующая поверхность теплообмена. The problem is solved in that in the evaporative cooling system of the LED module, consisting of a base with LEDs mounted on it, to which is adjacent a layer of microporous material filled with liquid coolant with channels, according to the invention, the base is made of highly heat-conducting material, the microporous structure adjacent to the heat-conducting base is in volume, s limited to a heat-conducting base and a radiator, the surface of which is covered with a thin layer of non-porous heat-conducting material. In the microporous structure, under the LEDs, perpendicular to the plane of their installation, there are channels, and they are located so that the parts of the heat-conducting base adjacent to the ends of the channels form, in the maximum proximity to the p-η junctions of the LEDs, an intensifying heat transfer surface made of a porous material, the pore size of which smaller pore sizes of the microporous structure and decrease towards the center of the LED. Each channel is blocked by a funnel with a steam line so that the funnel is adjacent to the intensifying surface with the upper part, and the heat-transfer intensifying surface.
На фиг. 1 схематично изображена испарительная система охлаждения светодиодного модуля, где: 1 - теплопроводящее основание; 2 - светодиоды; 3 - микропористая структура; 4 - каналы; 5 - радиатор, 6 - интенсифицирующая поверхность; 7 - паропровод; 8 - воронка. In FIG. 1 schematically depicts an evaporative cooling system for an LED module, where: 1 - a heat-conducting base; 2 - LEDs; 3 - microporous structure; 4 - channels; 5 - radiator, 6 - intensifying surface; 7 - steam line; 8 - funnel.
Испарительная система охлаждения светодиодного модуля состоит из теплопроводящего основания 1, на которое установлены светодиоды 2, микропористой структуры 3, заполняющей объём между теплопроводящим основанием 1 и радиатором 5, в которой под светодиодами перпендикулярно плоскости их установки расположены каналы 4, каждый из которых перегорожен воронкой 8 с паропроводом 7. The evaporative cooling system of the LED module consists of a heat-conducting base 1, on which LEDs 2 are installed, a microporous structure 3, filling the volume between the heat-conducting base 1 and the radiator 5, in which channels 4 are located under the LEDs perpendicular to the plane of their installation, each of which is blocked by a funnel for 8 s steam line 7.
Между теплопроводящим основанием 1 и торцами каналов 4 в максимальной близости к p-η переходам светодиодов расположена интенсифицирующая поверхность теплообмена 6 (поверхность, интенсифицирующую кипение и испарение). Интенсифицирующая поверхность теплообмена 6 выполнена из пористого материала, причём размеры пор меньше размеров пор микропористой структуры 3 и уменьшаются
по направлению к центру тепловыделяющего светодиода, чтобы создать необходимый капиллярный напор, что особенно важно при высоких тепловых потоках. Between the heat-conducting base 1 and the ends of the channels 4 in the maximum proximity to the p-η transitions of the LEDs there is an intensifying heat exchange surface 6 (a surface that intensifies boiling and evaporation). The intensifying heat transfer surface 6 is made of a porous material, and the pore sizes are smaller than the pore sizes of the microporous structure 3 and are reduced towards the center of the heat-emitting diode to create the necessary capillary pressure, which is especially important at high heat fluxes.
Воронка 8 своей верхней частью примыкаем к интенсифицирующей поверхности теплообмена, а нижняя её часть представляет собой паропровод 7, оканчивающийся вблизи торца канала в зоне охлаждения. The funnel 8 with its upper part adjoins the intensifying heat transfer surface, and its lower part is a steam pipe 7 ending near the end of the channel in the cooling zone.
Поверхность радиатора 5 покрыта тонким слоем непористого теплопроводного материала. The surface of the radiator 5 is covered with a thin layer of non-porous heat-conducting material.
В процессе функционирования испарительной системы охлаждения светодиодного модуля светодиоды выделяют тепло (зона нагрева), которое передаётся на торцы каналов. Для того чтобы обеспечить передачу тепла, выделяемого светодиодами, в зону охлаждения (поверхность радиатора), микропористая структура 3 с каналами 4, находящаяся в объёме, ограниченном теплопроводящим основанием 1 и радиатором 5, заполнена жидким теплоносителем, например водой, причём микропористая структура 3 насыщена теплоносителем в жидкой фазе, а в каналах 4 теплоноситель находится в паровой фазе. Теплоноситель осуществляет передачу тепла из зоны нагрева светодиода в зону охлаждения за счёт скрытой теплоты парообразования. Тепло, поступающее в зону нагрева от светодиодов, вызывает испарение теплоносителя. На интенсифицирующей поверхности кипение начинается при существенно меньших температурах перегрева, а коэффициент теплоотдачи значительно выше, чем на гладкой поверхности. During the operation of the evaporative cooling system of the LED module, the LEDs emit heat (heating zone), which is transmitted to the ends of the channels. In order to ensure the transfer of heat emitted by the LEDs to the cooling zone (surface of the radiator), the microporous structure 3 with channels 4, located in the volume limited by the heat-conducting base 1 and the radiator 5, is filled with a liquid heat carrier, for example water, and the microporous structure 3 is saturated with a heat carrier in the liquid phase, and in channels 4, the coolant is in the vapor phase. The coolant transfers heat from the LED heating zone to the cooling zone due to the latent heat of vaporization. The heat entering the heating zone from the LEDs causes evaporation of the coolant. On an intensifying surface, boiling begins at significantly lower superheat temperatures, and the heat transfer coefficient is much higher than on a smooth surface.
При кипении теплоносителя на интенсифицирующей поверхности пар собирается в воронке (зона испарения). В зоне испарения создаётся избыточное давление насыщения пара, которое расходуется на разгон пара и на преодоление силы трения парового потока на поверхности паропровода. Вследствие этого, давление по длине паропровода, от зоны испарения падает. В среднем участке канала давление стабилизируется (адиабатный участок). В
зоне охлаждения давление восстанавливается почти до величины давления в зоне испарения. When the coolant boils on the intensifying surface, the vapor is collected in a funnel (evaporation zone). In the evaporation zone, an excess vapor saturation pressure is created, which is spent on accelerating the steam and overcoming the friction force of the steam flow on the surface of the steam pipe. As a result, the pressure along the length of the steam line from the evaporation zone drops. In the middle section of the channel, the pressure stabilizes (adiabatic section). AT In the cooling zone, pressure is restored to almost the pressure in the evaporation zone.
Возникающая разность давлений побуждает пар двигаться по паропроводу из зоны нагрева в зону охлаждения, где пар конденсируется, отдавая при этом скрытую теплоту парообразования. Пар, двигаясь по паропроводу, вытесняет неконденсированные примеси (воздух или газ) и распространяется в канале, оттесняя неконденсированные примеси в среднюю область канала. Таким образом, большая часть неконденсированных примесей скапливается в средней части канала, а не в зоне охлаждения, и не влияет на эффективность конденсации. The resulting pressure difference causes the steam to move through the steam line from the heating zone to the cooling zone, where the steam condenses, giving off the latent heat of vaporization. Steam moving along the steam line displaces non-condensed impurities (air or gas) and propagates in the channel, forcing the non-condensed impurities into the middle region of the channel. Thus, most of the non-condensed impurities accumulate in the middle part of the channel, and not in the cooling zone, and does not affect the efficiency of condensation.
В результате постоянного испарения количество жидкости в зоне нагрева уменьшается, и поверхность раздела фаз жидкость-пар сдвигается внутрь микропористой структуры, что вызывает возникновение здесь капиллярного давления. Это капиллярное давление заставляет сконденсировавшуюся в зоне охлаждения жидкость возвращаться обратно в зону нагрева. Таким образом, непрерывно осуществляется перенос тепла из зоны нагрева в зону охлаждения. As a result of constant evaporation, the amount of liquid in the heating zone decreases, and the liquid-vapor phase interface moves inside the microporous structure, which causes the appearance of capillary pressure here. This capillary pressure causes condensed liquid in the cooling zone to return back to the heating zone. Thus, heat is continuously transferred from the heating zone to the cooling zone.
Дополнительный капиллярный напор возникает за счёт того, что размеры пор интесифицирующей поверхности теплообмена существенно меньше размеров пор наполнителя из микропористого материала и ещё уменьшаются по направлению к центру тепловыделяющего светодиода, что особенно важно при высоких тепловых потоках. При осушении пор в центральной части интенсифицирующей поверхности капиллярный напор возрастает, обеспечивая более интенсивный подвод жидкости к окрестности светодиода и, соответственно, более высокие значения отводимых тепловых потоков. An additional capillary pressure arises due to the fact that the pore size of the intensifying heat transfer surface is significantly smaller than the pore size of the filler of microporous material and even decreases towards the center of the heat-emitting LED, which is especially important at high heat fluxes. When pores are dried in the central part of the intensifying surface, the capillary pressure increases, providing a more intensive supply of fluid to the vicinity of the LED and, accordingly, higher values of the removed heat fluxes.
Таким образом, обеспечение высокоэффективного отвода тепла от полупроводниковых светодиодов при минимальном значении сопротивления теплопередачи и минимальном влиянии неконденсированных примесей достигается за счёт: б
1. высокого значения эффективной теплопроводности вдоль каналов (тепловых труб), которое более, чем на два порядка превосходит теплопроводность современных печатных плат; Thus, the provision of highly efficient heat removal from semiconductor LEDs with a minimum value of heat transfer resistance and a minimum effect of non-condensed impurities is achieved due to: b 1. The high value of effective thermal conductivity along the channels (heat pipes), which is more than two orders of magnitude higher than the thermal conductivity of modern printed circuit boards;
2. интенсивного кипения и испарения жидкости на интенсифицированной поверхности вблизи p-η перехода светодиодов; 2. intense boiling and evaporation of the liquid on the intensified surface near the p-η transition of the LEDs;
3. вытеснения неконденсированных примеси в среднюю область канала за счёт наличия в канале воронки с паропроводом. 3. displacement of non-condensed impurities in the middle region of the channel due to the presence in the channel of a funnel with a steam line.
Предложенная конструкция требует одноразового заполнения жидкостью и менее чувствительна к вариациям первоначального объёма жидкости в отличие от известных из области техники тепловых труб, которые требуют заполнения точно определенным объёмом жидкости при одновременном вакуумировании. The proposed design requires a one-time filling with liquid and is less sensitive to variations in the initial volume of liquid, in contrast to heat pipes known from the art, which require filling with a precisely defined volume of liquid while evacuating.
Работоспособность предложенной конструкции испарительной системы охлаждения светодиодного модуля подтверждается экспериментальными данными и выполненными оценками и расчетами.
The performance of the proposed design of the evaporative cooling system of the LED module is confirmed by experimental data and performed estimates and calculations.
Claims
1. Испарительная система охлаждения светодиодного модуля, состоящая из основания с установленными на нём светодиодами, к которому примыкает слой заполненного жидким теплоносителем микропористого материала с каналами, отличающаяся тем, что основание выполнено из высокотеплопроводного материала, примыкающая к теплопроводящему основанию микропористая структура находится в объёме, ограниченном теплопроводящим основанием и радиатором, поверхность которого покрыта тонким слоем непористого теплопроводного материала, в микропористой структуре под светодиодами перпендикулярно плоскости установки светодиодов расположены каналы так, что части теплопроводящего основания, примыкающие к торцам каналов, образуют в максимальной близости к p-η переходам светодиодов интенсифицирующую поверхность теплообмена, при этом каждый канал перегорожен воронкой с паропроводом так, что воронка верхней частью примыкает к интенсифицирующей поверхности. 1. The evaporative cooling system of the LED module, consisting of a base with LEDs mounted on it, adjoins a layer of microporous material filled with liquid coolant with channels, characterized in that the base is made of highly heat-conducting material, the microporous structure adjacent to the heat-conducting base is limited a heat-conducting base and a radiator, the surface of which is covered with a thin layer of non-porous heat-conducting material, in microporous steel A channel is arranged under the LEDs perpendicular to the LED installation plane so that the parts of the heat-conducting base adjacent to the ends of the channels form an intensifying heat exchange surface in the maximum proximity to the p-η transitions of the LEDs, while each channel is blocked by a funnel with a steam pipe so that the funnel is adjacent to the upper part to intensifying surface.
2. Испарительная система охлаждения светодиодного модуля по п.1, отличающаяся тем, что интенсифицирующая поверхность теплообмена выполнена из пористого материала, размеры пор которого меньше размеров пор микропористой структуры и уменьшаются по направлению к центру светодиода.
2. The evaporative cooling system of the LED module according to claim 1, characterized in that the intensifying heat transfer surface is made of a porous material whose pore sizes are smaller than the pore sizes of the microporous structure and decrease towards the center of the LED.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA201600127A EA029368B1 (en) | 2013-09-05 | 2014-08-22 | Evaporative cooling system for led module |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013140942/07A RU2551137C2 (en) | 2013-09-05 | 2013-09-05 | Evaporative cooling system for light-emitting diode module |
RU2013140942 | 2013-09-05 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2015034397A1 true WO2015034397A1 (en) | 2015-03-12 |
Family
ID=52628730
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2014/000628 WO2015034397A1 (en) | 2013-09-05 | 2014-08-22 | Evaporative cooling system for led module |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA029368B1 (en) |
RU (1) | RU2551137C2 (en) |
WO (1) | WO2015034397A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108668510A (en) * | 2018-06-14 | 2018-10-16 | 浙江大学山东工业技术研究院 | Close passage of heat stack of cabinets |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2621320C1 (en) * | 2015-12-08 | 2017-06-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Intensified cooling system of a single powerful led |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1560892A1 (en) * | 1984-08-06 | 1990-04-30 | Грузинский политехнический институт | Lighting device |
SU1737425A1 (en) * | 1989-12-05 | 1992-05-30 | Институт технической теплофизики АН УССР | Illuminator |
US20080237845A1 (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-02 | Jesse Jaejin Kim | Systems and methods for removing heat from flip-chip die |
RU2403692C1 (en) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Module of radio-electronic equipment with hyperheatconducting base |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4975803A (en) * | 1988-12-07 | 1990-12-04 | Sundstrand Corporation | Cold plane system for cooling electronic circuit components |
RU2373473C1 (en) * | 2008-07-16 | 2009-11-20 | Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской Академии наук | Thermal siphon |
-
2013
- 2013-09-05 RU RU2013140942/07A patent/RU2551137C2/en active
-
2014
- 2014-08-22 EA EA201600127A patent/EA029368B1/en not_active IP Right Cessation
- 2014-08-22 WO PCT/RU2014/000628 patent/WO2015034397A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1560892A1 (en) * | 1984-08-06 | 1990-04-30 | Грузинский политехнический институт | Lighting device |
SU1737425A1 (en) * | 1989-12-05 | 1992-05-30 | Институт технической теплофизики АН УССР | Illuminator |
US20080237845A1 (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-02 | Jesse Jaejin Kim | Systems and methods for removing heat from flip-chip die |
RU2403692C1 (en) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Module of radio-electronic equipment with hyperheatconducting base |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108668510A (en) * | 2018-06-14 | 2018-10-16 | 浙江大学山东工业技术研究院 | Close passage of heat stack of cabinets |
CN108668510B (en) * | 2018-06-14 | 2023-10-31 | 浙江大学山东工业技术研究院 | Enclosed hot channel cabinet set |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013140942A (en) | 2015-03-10 |
RU2551137C2 (en) | 2015-05-20 |
EA201600127A1 (en) | 2016-06-30 |
EA029368B1 (en) | 2018-03-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6015675B2 (en) | COOLING DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE USING THE SAME | |
JP5556897B2 (en) | Loop heat pipe and electronic device using the same | |
JP6085540B2 (en) | Heat dissipation device | |
US20140318167A1 (en) | Evaporator, cooling device, and electronic apparatus | |
TW201641910A (en) | Coolant type heat dissipation device | |
US20140362530A1 (en) | Cooling device | |
WO2015146110A1 (en) | Phase-change cooler and phase-change cooling method | |
US10907910B2 (en) | Vapor-liquid phase fluid heat transfer module | |
RU2546676C2 (en) | Intensified evaporative cooling system for light-emitting-diode module | |
KR20020093897A (en) | Cooling device for cooling components of the power electronics, said device comprising a micro heat exchanger | |
RU2551137C2 (en) | Evaporative cooling system for light-emitting diode module | |
JP5874935B2 (en) | Flat plate cooling device and method of using the same | |
US20130042636A1 (en) | Heat transfer system with integrated evaporator and condenser | |
JP2011142298A (en) | Boiling cooler | |
RU2636385C1 (en) | Device for cooling single powerful led with intensified condensation system | |
CN111818756B (en) | Heat exchanger with integrated two-phase radiator | |
JP2007081375A (en) | Cooling device | |
EP2801781B1 (en) | Cooling device | |
RU2621320C1 (en) | Intensified cooling system of a single powerful led | |
RU2510732C2 (en) | Light-emitting diode module cooling system | |
JP2015140949A (en) | Cooling device and data center including the same | |
JP6156219B2 (en) | Self-excited vibration heat pipe | |
RU2639635C1 (en) | Heat-transfer device for cooling electronic components | |
CN210112504U (en) | Phase change heat dissipation equipment | |
KR101749927B1 (en) | Fast Heat Transferring Device Using Refrigerant |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 14841967 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 201600127 Country of ref document: EA |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 14841967 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |