CN102235615A

CN102235615A - 一种腔式发光二极管灯

Info

Publication number: CN102235615A
Application number: CN2010101525390A
Authority: CN
Inventors: 胡学功; 唐大伟; 王涛
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-11-09

Abstract

一种腔式发光二极管灯，其冷却器为密闭金属腔体，腔体内装有汽化潜热的液体工质；金属腔体侧面或底面腔壁上装有一微槽群金属板，其四周缘密封固接于金属腔体腔壁上；金属板背面有微槽群，朝内密封到空腔里，正面朝外。微槽群是加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群；金属板正面，封装LED芯片，芯片发光面向外，金属腔体顶部腔壁外表面固接有电源，芯片与电源电连接；冷却器外侧壁上，在微槽群金属板以外地方，设有肋片。工作时，用液体工质核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，变成蒸汽带走芯片发热量，并扩散到金属腔体表面，再经肋片释放到环境中。本发明解决了目前LED灯芯片散热不足和重量过重、体积过大的问题。

Description

一种腔式发光二极管灯

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)灯技术领域，是一种新型的腔式发光二极管(LED)灯，用于城市景观、道路交通与家居照明，汽车、屏幕等灯光照明和显示。

背景技术

发光二极管(LED)灯具有低工作电压、反应时间短、高效节能、工作稳定、寿命长，无污染等优点，在城市景观、家居照明、汽车尾灯、LED背光板等领域正得到广泛的应用。

LED灯一般由LED芯片、冷却器和电源三部分组成。由于LED芯片工作时中约有80％的大部分能量被转化为热能，随着LED芯片的功率以及集成度的升高，LED芯片的散热问题变得越来越严重。过高的LED芯片温度不但使LED的寿命急剧衰减，还会对LED的峰值波长，光功率，光通量等诸多性能参数造成严重甚至致命的影响，因而LED中冷却器的设计至关重要。市场现有的各种LED灯均采用自然对流散热、风扇强制散热或热管方法做冷却器，对LED芯片的冷却能力十分有限，已难以实现从大功率的LED灯芯表面及时取热并对外散热，使其温度降低到理想范围内。现有的LED灯结构，导致LED灯的重量过重，体积太大，费材费料，不易安装。

发明内容

本发明的目的是公开一种腔式发光二极管(LED)灯，以解决现有LED灯的LED芯片散热不足和LED灯重量过重、体积过大等问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种腔式发光二极管灯，包括LED芯片、冷却器和电源；其冷却器为一密闭的金属腔体，其空腔内装有具有汽化潜热的液体工质；金属腔体的侧面腔壁或底面腔壁上装有一微槽群金属板，微槽群金属板为圆形或矩形，其四周缘密封固接于冷却器密闭金属腔体的腔壁上；微槽群金属板的背面，加工有多个开口式微细槽道，朝内被密封到空腔里，正面朝外；微槽群金属板正面，封装有LED芯片，LED芯片发光面向外，金属腔体的顶部腔壁的外表面上固接有电源，LED芯片与电源电连接；

金属腔体外侧壁上，在微槽群金属板以外的地方，设有肋片；

工作时，开口式微细槽道中的液体工质，在毛细压力梯度的作用下沿微槽流动，同时在微槽中形成扩展弯月面区域薄液膜蒸发和固有弯月面区域厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，使液体工质变成蒸汽带走LED芯片的发热量；携带着LED芯片热量的蒸汽均匀地扩散到所述金属腔体的整个内壁表面，并通过凝结换热释放出所携带的LED芯片热量，LED芯片热量再经由所述金属腔体外表面上的多个肋片释放到周围环境中去。

所述的腔式发光二极管灯，其所述密闭的金属腔体，为球体、柱体或立方体。

所述的腔式发光二极管灯，其所述微槽群金属板背面，加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群；开口式微细槽道的形状为矩形、三角形或者梯形；当形状为矩形时，微细槽道的宽度在0.03～0.9mm范围内，深度在0.03～3mm范围内，槽道间距在0.02～3mm的范围内；当形状为三角形时，微细槽道的深度在0.1～2mm范围内，槽底顶角在5°～120°之间，槽道间距在0～3mm的范围内；当形状为梯形时，微细槽道的槽底宽度小于槽顶宽度，微细槽道的槽底宽度在0.02～0.8mm范围内，槽顶宽度在0.03～2mm范围内，深度在0.05～2.5mm范围内，槽道间距在0～3mm的范围内。

所述的腔式发光二极管灯，其所述开口式微槽群与微槽群金属板的正面表面成一定倾斜角度，倾斜角在0°～60°之间。

所述的腔式发光二极管灯，其所述肋片，高度在0～100mm之间，厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间。

所述的腔式发光二极管灯，其所述密闭的金属腔体为“回”型金属腔体，即利用两个薄壁的圆形、三角形、矩形或多边形套管内外同轴有间距的套设后，在里套管的外壁和外套管的内壁之间形成环形通道，并将该通道两头密封而形成密闭的空腔；其横截面如回字型；里套管的内壁外表面上沿套管轴向方向布置有多个肋片，肋片高度在0～100mm之间，厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间；里套管两头端部敞开，形成自然通风通道，形成“烟囱”效应，加强有限空间内的自然对流换热；外套管的外壁外表面上沿套管轴向方向布置有多个肋片，肋片高度在0～100mm之间，厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间；里外套管的长度在10～1500mm之间。

本发明的腔式发光二极管灯，利用了微细尺度的界面效应和尺寸效应对流动和换热的超常强化机理，其理论最大取热热流密度可达到10⁸W/m²的数量级，比目前电子器件的最高发热热流密度还要高出两个数量级，其换热系数比强制水冷换热技术高出3个数量级，比强制风冷换热技术高出4-5个数量级，比采用纯蒸发换热机理的热管的单位面积取热能力高出近百倍，从而大幅度地降低了LED芯片工作温度。

由于金属腔体内部为空腔，因而与现有的采用自然对流散热、风扇强制散热或热管冷却器的LED灯相比，LED灯的重量可以减少三分之二。

附图说明

图1是本发明中的开口式微槽群复合相变强化换热原理图，其中，弯月形液面a，扩展弯月面区域b、固有弯月面区域c；

图2是本发明一种腔式发光二极管(LED)灯的实施例1示意图，其中，图2a为侧视图，图2b为俯视图；

图3是本发明一种腔式发光二极管(LED)灯的实施例2示意图，为一种“回”型LED灯，其中，图3a为“回”型LED灯侧视图，图3b为“回”型LED灯俯视图。

具体实施方式

请参照图1、2、3，本发明的一种腔式发光二极管(LED)灯，是将LED芯片1直接封装到一个具有较高导热系数的微槽群金属板4正面上；所述微槽群金属板4的背面加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群，所述开口式微细槽道的形状和尺寸适于形成很好的毛细力；将所述金属板4以正面向外背面向里的方式密封在一具有较高导热系数的、内部为空腔的金属腔体2的壁面上，使所述微槽群金属板4的背面处于空腔内壁上，空腔内装有具有汽化潜热的液体工质；所述金属腔体2的外表面设置有多个肋片。工作时，金属腔体空腔内具有汽化潜热的液体工质在毛细压力梯度的作用下被吸入开口式微细槽道中，并沿微槽流动，同时在微槽中形成扩展弯月面区域b薄液膜蒸发和固有弯月面区域c厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，使液体工质变成蒸汽，利用相变潜热带走LED芯片1的发热量。携带着LED芯片1热量的蒸汽均匀地扩散到所述金属腔体2的整个内壁表面，并通过凝结换热释放出所携带的LED芯片1热量，LED芯片1热量再经由所述金属腔体2的外表面上的多个肋片释放到周围环境中去。电源3安装在所述金属腔体2的上方或下方。

一种实现上述方法的专用部件——微槽群金属板4，所述微槽群金属板4的正面为平面，与LED芯片1的背面固接；所述微槽群金属板4的背面上加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群。所述开口式微槽群与所述微槽群金属板4的正面表面成一定倾斜角度，所述开口式微细槽道中的液体工质，在毛细压力梯度的作用下沿微槽流动，同时在微槽中形成扩展弯月面区域b薄液膜蒸发和固有弯月面区域c厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程。

所述开口式微细槽道的形状为矩形、三角形或者梯形。当形状为矩形时，微细槽道的宽度在0.03～0.9mm范围内，微细槽道的深度在0.03～3mm范围内，槽道间距在0.02～3mm的范围内；当形状为三角形时，微细槽道的深度在0.1～2mm范围内，微细槽道的槽底顶角在5°～120°之间，槽道间距在0～3mm的范围内；当形状为梯形时，微细槽道的槽底宽度小于槽顶宽度，微细槽道的槽底宽度在0.02～0.8mm范围内，微细槽道的槽顶宽度在0.03～2mm范围内，微细槽道的深度在0.05～2.5mm范围内，槽道间距在0～3mm的范围内。

所述开口式微槽群与所述微槽群金属板的正面表面成一定倾斜角度，倾斜角在0°～60°之间。

所述金属腔体2为内部为空腔的长方体、圆柱体、多棱柱或球形体，金属腔体2的外表面有多个肋片。

所述金属腔体2也可以做成“回”型金属腔体。即利用两个薄壁的圆形、三角形、矩形或多边形套管内外同轴有间距的套设后，在里套管的外壁和外套管的内壁之间形成环形通道并将该通道上下两头密封从而形成密闭的空腔。其横截面如回字型。里套管的内壁表面上沿套管轴向方向布置有多个肋片，里套管两头端部敞开，形成自然通风通道，可以利用“烟囱”效应，加强有限空间内的自然对流换热。外套管的外壁表面上沿套管轴向方向布置有多个肋片。这样的“回”型结构同时也使得单位体积内的散热表面积得到成倍地增加。

所述“回”型金属腔体中的里套管的内壁表面上的肋片高度在0～100mm之间，肋片的厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间。外套管的外壁表面上的肋片高度在0～100mm之间，肋片的厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间。里外套管的长度在10～1500mm之间。

参照图2，一种采用上述方法的LED灯，所述LED灯包括一LED芯片1、一微槽群金属板4、一金属腔体2、一电源3和肋片5。所述LED芯片1直接封装到所述微槽群金属板4的正面上；所述开口式微槽群金属板4以正面向外背面向里的方式密封在所述金属腔体的腔壁上，使所述微槽群金属板4的背面处于所述金属腔体2的空腔内壁上，所述金属腔体2的空腔内装有具有汽化潜热的液体工质；所述金属腔体2的外表面设置有多个肋片5，所述电源3安装在所述金属腔体2的上方。

LED灯工作时，金属腔体空腔内具有汽化潜热的液体工质在毛细压力梯度的作用下被吸入开口式微细槽道中，并沿微槽流动，同时在微槽中形成扩展弯月面区域b薄液膜蒸发和固有弯月面区域c厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，使液体工质变成蒸汽，利用相变潜热带走LED芯片1的发热量。携带着LED芯片1热量的蒸汽均匀地扩散到所述金属腔体2的整个内壁表面，并通过凝结换热释放出所携带的LED芯片1热量，LED芯片1热量再经由所述金属腔体2的外表面上的多个肋片5释放到周围环境中去。

技术效果：

本发明利用开口式微槽群金属板上的开口式微细槽道使能相变的液体工质沿微槽流动并发生高强度微细尺度复合相变强化换热过程，带走LED芯片热量。

这些开口式微细槽道的尺寸适合形成很好的毛细力，以将槽道边的液体工质吸入到微细通道内，同时由于表面张力的作用，液体工质并未淹没微槽道，而是在微槽道中形成弯月形液面a，使得槽道内液膜的厚度很薄，传热热阻很小，同时在弯月形液面a与槽道侧壁接触点的附近形成液膜厚度小到微米量级的扩展弯月面薄液膜区域，当LED芯片热量通过金属板传入微槽道中时，液体工质在毛细压力梯度的作用下沿微槽流动，同时在微槽中形成扩展弯月面区域b薄液膜蒸发和固有弯月面区域c厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，使液体工质变成蒸汽并带走LED芯片热量。近年来国内外的研究表明，这种微细尺度复合相变强化换热过程属于微空间尺度下的传热传质的超常现象，它充分利用了微细尺度的界面效应和尺寸效应对流动和换热的超常强化机理，其理论最大取热热流密度可达到10⁸W/m²的数量级，比目前电子器件的最高发热热流密度还要高出两个数量级，是一种高性能的冷却散热方式。其换热系数比强制水冷换热技术高出3个数量级，比强制风冷换热技术高出4-5个数量级。而通常的相变换热方式，例如，加热容器或液池中的液体使其沸腾或蒸发汽化以带走热量，则由于在换热表面并没有构建能发生微细尺度相变强化换热过程的结构，不能利用微细尺度的界面效应和尺寸效应对相变换热进行强化，液池中液体内部的导热热阻和对流换热热阻较大，发生核态沸腾所需的壁面过热度较高，其所能承担的最大热流密度有限，无法满足更高功率的LED芯片的散热要求，其从LED芯片取热的最大取热热流密度比本发明的要小2个数量级。而与热管相比，由于开口式微细槽道中发生微细尺度复合相变强化换热时微汽泡能够及时迅捷地向槽外方向迸裂，不会产生热管那样的因汽泡堵塞毛细孔芯而导致的沸腾极限，因而可以充分发挥微细尺度沸腾换热的优势，比采用纯蒸发换热机理的热管的单位面积取热能力高出近百倍。

本发明中的开口式微细槽道并不是用来增加换热面积，而是用来形成微细尺度复合相变强化换热过程，以显著提高相变换热系数和换热热流密度。其形成微细尺度复合相变强化换热的条件及强度大小与开口式微细槽道的几何形状和尺寸有着密切关系。开口式微细槽道的几何形状和尺寸不适当时，最多只能在开口式微细槽道中发生扩展弯月面薄液膜区域的纯蒸发换热过程，其换热强度至少要比微细尺度复合相变强化换热低2个数量级。开口式微细槽道的几何形状和尺寸在本发明所述的范围内时，在开口式微细槽道中能够发生扩展弯月面薄液膜区域的蒸发和固有弯月面厚液膜区域的核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，并具有最好的效果。

由于金属腔体内部为空腔，液体工质发生相变后能够以蒸汽的形式携带着LED芯片热量迅速均匀地扩散到所述金属腔体的整个内壁表面，从而极大地减小了内部传热温差。其内部热传递的热阻比实体的自然对流散热、风扇强制散热或热管冷却器的要小一个数量级。

由于LED芯片直接封装到开口式微细槽道金属板的正面上，因而完全消除了LED芯片与冷却器之间的接触热阻，从而大幅度地降低了LED芯片工作温度。

实施例1：

见图2。将LED芯片1直接封装到一个具有较高导热系数的微槽群金属板4正面上；微槽群金属板4的背面加工有多个开口式矩形微细槽道，形成开口式矩形微槽群。开口式矩形微细槽道的宽度在0.05～0.08mm范围内，微细槽道的深度在0.1～1mm范围内，槽道间距在1～2mm的范围内；将微槽群金属板4以正面向外背面向里的方式封装在一内部为空腔的圆柱形金属腔体2的底部腔壁上，空腔内装有具有汽化潜热的液体工质；圆柱形金属腔体2的外表面设置有多个肋片5。肋片5的高度在10～70mm范围内，厚度在1～5mm范围内，长度在100～250mm范围内，肋片5的间距在1～5mm范围内。LED灯产生的热量通过微槽群金属板4传导到开口式微细槽道内，同时，毛细力将液体工质吸到微细槽道内，液体工质在毛细压力梯度的作用下沿微槽流动并发生高强度微细尺度复合相变强化换热过程，产生蒸汽带走LED芯片1热量。产生的蒸汽在圆柱形金属腔体2的内表面上均匀凝洁，将热量释放给圆柱形金属腔体2的外表面上的肋片5，通过空气自然对流释放到周围的环境中去，从而实现LED灯的散热冷却。电源3安装在圆柱形金属腔体的上方。

实施例2：

见图3，将LED芯片1直接封装到一个具有较高导热系数的微槽群金属板4正面上；微槽群金属板4的背面加工有多个开口式矩形微细槽道，形成开口式矩形微槽群。开口式矩形微细槽道的宽度在0.04～0.07mm范围内，微细槽道的深度在0.15～1.2mm范围内，槽道间距在1～1.5mm的范围内；将微槽群金属板4以正面向外背面向里的方式封装在一内部为空腔的“回”型金属腔体2的侧面朝外的腔壁上，该“回”型金属腔体2利用两个薄壁的矩形套管内外同轴有间距的套设后，在里套管的外壁和外套管的内壁之间形成环形通道并将该通道上下两头密封从而形成密闭的空腔。其横截面如回字型。里套管的内壁外表面上沿套管轴向方向布置有多个肋片5，肋片5高度在20～50mm之间，肋片5厚度在2～4mm范围内，长度在150～200mm范围内，肋片5的间距在1～4mm范围内。里套管两头端部敞开，形成自然通风通道。外套管的外壁外表面上沿套管轴向方向布置有许多肋片5。肋片5高度在20～50mm之间，肋片5厚度在2～4mm范围内，长度在150～200mm范围内，肋片5的间距在1～4mm范围内。里外套管的长度在160～220mm范围内。这样的“回”型结构使得单位体积内的散热表面积得到成倍地增加。工作时，LED灯产生的热量通过金属板传导到开口式微细槽道内，同时，毛细力将液体工质吸到微细槽道内，液体工质在毛细压力梯度的作用下沿微槽流动并发生高强度微细尺度复合相变强化换热过程，产生蒸汽带走LED芯片1热量。产生的蒸汽在“回”型金属腔体2的空腔的内表面上均匀凝洁，将热量释放给“回”型金属腔体2的外表面上的肋片5，通过空气自然对流释放到周围的环境中去，从而实现LED灯的散热冷却。电源3安装在“回”型金属腔体2的上方。

由于可以采用“回”型结构，极大地提高了散热的面体比。因而与现有的采用自然对流散热、风扇强制散热或热管冷却器的LED灯相比，LED灯的体积可以减少四分之三。

由于采用“回”型结构时，里套管的内壁外表面上沿套管轴向方向布置有多个肋片，同时，里套管两头端部敞开，从而形成良好的自然通风通道，也可以利用“烟囱”效应，加强里套管的有限空间内的自然对流换热，而外套管的外壁外表面上沿套管轴向方向也布置有多个肋片，这样的“回”型结构使得单位体积内的散热表面积得到成倍地增加。

Claims

1.一种腔式发光二极管灯，包括LED芯片、冷却器和电源；其特征在于，冷却器为一密闭的金属腔体，其空腔内装有具有汽化潜热的液体工质；金属腔体的侧面腔壁或底面腔壁上装有一微槽群金属板，微槽群金属板为圆形或矩形，其四周缘密封固接于冷却器密闭金属腔体的腔壁上；微槽群金属板的背面，加工有多个开口式微细槽道，微细槽道朝内被密封到空腔里，正面朝外；微槽群金属板正面，封装有LED芯片，LED芯片发光面向外，金属腔体的顶部腔壁的外表面上固接有电源，LED芯片与电源电连接；

2.如权利要求1所述的腔式发光二极管灯，其特征在于，所述密闭的金属腔体，为球体、柱体或立方体。

3.如权利要求1所述的腔式发光二极管灯，其特征在于，所述微槽群金属板背面，加工有多个开口式微细槽道，形成开口式微槽群；开口式微细槽道的形状为矩形、三角形或者梯形；当形状为矩形时，微细槽道的宽度在0.03～0.9mm范围内，深度在0.03～3mm范围内，槽道间距在0.02～3mm的范围内；当形状为三角形时，微细槽道的深度在0.1～2mm范围内，槽底顶角在5°～120°之间，槽道间距在0～3mm的范围内；当形状为梯形时，微细槽道的槽底宽度小于槽顶宽度，微细槽道的槽底宽度在0.02～0.8mm范围内，槽顶宽度在0.03～2mm范围内，深度在0.05～2.5mm范围内，槽道间距在0～3mm的范围内。

4.如权利要求1或3所述的腔式发光二极管灯，其特征在于，所述开口式微槽群与微槽群金属板的正面表面成一定倾斜角度，倾斜角在0°～60°之间。

5.如权利要求1所述的腔式发光二极管灯，其特征在于，所述肋片，高度在0～100mm之间，厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间。

6.如权利要求1所述的腔式发光二极管灯，其特征在于，所述密闭的金属腔体为“回”型金属腔体，即利用两个薄壁的圆形、三角形、矩形或多边形套管内外同轴有间距的套设后，在里套管的外壁和外套管的内壁之间形成环形通道，并将该通道两头密封而形成密闭的空腔；其横截面如回字型；里套管的内壁外表面上沿套管轴向方向布置有多个肋片，肋片高度在0～100mm之间，厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间；里套管两头端部敞开，形成自然通风通道，形成“烟囱”效应，加强有限空间内的自然对流换热；外套管的外壁外表面上，在微槽群金属板以外的地方，沿套管轴向方向布置有多个肋片，肋片高度在0～100mm之间，厚度在0～30mm之间，肋间距在0.5～100mm之间；里外套管的长度在10～1500mm之间。