CN107191796A - 一种大功率led散热灯及一种非均匀润湿性图案化表面的制备方法 - Google Patents

一种大功率led散热灯及一种非均匀润湿性图案化表面的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率LED散热灯及一种非均匀润湿性图案化表面的制备方法，该LED散热灯包括重力热管散热器，LED线路基板和LED光源模块。其中重力热管散热器包括上部的冷凝段和下部的蒸发段。冷凝段包括热管、梯形翅片和盖板。热管内侧和盖板底面均经超疏水处理，具有超疏水特性。蒸发段为柱形空腔，空腔底板与LED线路基板通过螺栓相连，空腔内装填有换热工质，空腔底板表面经非均匀润湿性处理，分为超疏水区域和超亲水区域，所述超疏水区域为辐射状。本发明LED散热灯结构简单，响应速度快，散热能力强，能有效维持大功率LED灯在常温下运行，增强其发光效率和延长使用寿命。

Description

一种大功率LED散热灯及一种非均匀润湿性图案化表面的制 备方法
技术领域
本发明属于LED照明技术领域，具体涉及一种大功率LED散热灯及一种非均匀润湿性图案化表面的制备方法。
背景技术
新型固态照明光源 LED（Light Emitting Diode）具有节能环保、使用寿命长等诸多优点，被公认为***照明光源。LED照明应用和产业发展前景诱人，但LED要真正实现大规模广泛应用，仍有许多问题需要解决,散热就是其中一个难点、关键和核心问题之一。目前LED的光电转换效率还相对较差，仅10%～15%的输入电能转化为光能，其余85%～90%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化为热能，使LED温度升高，而温度的升高会产生以下不良影响：发光强度降低、发光主波长偏移、严重降低LED的寿命，加速LED的光衰等。因此LED产品的性能及其可靠性，很大程度上取决于是否具有良好的散热设计，低热阻、散热良好是大功率LED的未来发展趋势和产品竞争力的重要体现。
重力热管技术早在几十年前就已经出现，其基本工作原理为：在密闭的热管内填充一定量的低沸点换热工质，管内的换热工质吸收底部传来的热量，工质温度升高并汽化为蒸汽，汽化的蒸汽在液面处聚集使液面处压力升高，在压差作用下蒸汽上升到热管的上端即冷凝段部分，蒸汽在冷凝段冷凝释放潜热并由热管传到外界，蒸汽自身冷凝液化，冷凝液在重力作用下沿热管内壁回流到受热的蒸发段，并再次参与吸热，如此循环往复，通过换热工质的连续相变，不断将热量由高温的蒸发段传递至冷凝段然后传到外界。由于是通过相变传热，所以管内热阻小，传热效率高。
由于重力热管的高导热效率及简单结构，使其得到越来越多的应用，在大功率LED领域也是如此。但是在实际应用中我们发现仍然存在许多问题，比如热管内工质蒸发冷凝后，由于热管内壁的附着力太强，导致冷凝液滴在热管内壁附着而向下流动，从而在冷凝段壁面形成一层很厚的液膜阻碍传热，并且还容易造成底部蒸发段的换热工质减少甚至干涸，从而使LED温度急剧升高，使芯片的发光效率降低甚至烧毁。而且我们发现，随着大功率LED连续工作时间的延长，沉浸在饱和温度状态液体中的加热表面温度的增加，即加热面和饱和液体间的温差增加时，工质的汽化核心数将增加，气泡长大速率也加快，工质内的换热由自然对流进入核状沸腾。随着温度差的继续加大，汽化核心数和气泡长大速度进一步增加，以致大量气泡在加热表面聚集汇合，形成一层蒸气膜。热量必须通过此层蒸气膜才能传递到液体主流中去。由于蒸气的导热系数小，所以传热系数突然下降，也会导致大功率LED的温度的急剧上升从而烧毁。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足，提供一种大功率LED散热灯，该散热灯的优点在于启动速度快、工质循环速度快、均温性好、传热效率高、能维持大功率LED长时间在常温下运行，增强其发光效率和延长其使用寿命。本发明同时还提供一种超亲水/疏水图案化表面的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种大功率LED散热灯，该大功率LED散热灯包括重力热管散热器、LED线路基板和LED光源模块，所述重力热管散热器与LED线路基板直接相连接，LED光源模块布置在LED线路基板上；所述重力热管散热器包括上部的冷凝段和下部的蒸发段；所述冷凝段包括热管、盖板与梯形翅片，热管内侧与盖板底面均经超疏水表面处理，具有超疏水特性；蒸发段为柱形空腔，所述空腔底板与LED线路基板直接相连，空腔内装填有换热工质，空腔底板表面经非均匀润湿性图案化处理，所述表面分为超疏水区域和超亲水区域，所述超疏水区域为辐射状。
优选的，所述盖板中央开有充液抽气孔，用于灌装换热工质及将空腔内抽成真空。
优选的，所述盖板为铜板，盖板与热管的连接采用瞬间高温熔焊技术，所述盖板中央开有抽气充液孔，将管内灌注换热工质并抽真空后采用橡胶垫圈密封。
优选的，所述换热工质为水，或者水与其他低沸点物质组成的共沸物。所述换热工质填充量为蒸发腔容积的40％~60％。
优选的，所述热管为空心圆柱形，所用材质为紫铜，热管内壁刻有螺旋形槽道，槽深为3~5mm。
优选的，所述蒸发段底板与LED基板通过螺栓固定连接，底板与基板之间填充导热绝缘胶，以赶走底板与基板之间的空气，减小界面热阻。
优选的，所述LED基板为铝基板，LED芯片与铝基板之间的粘接方式为锡金合金共晶焊接，这样能有效减少LED封装的热阻。
优选的，所述盖板盖在冷凝段的热管顶部，所述热管外部及盖板顶部分布有梯形翅片，所述梯形翅片经滚轧挤压制成。
优选的，所述梯形翅片的高度为1.5~2cm,翅片厚度为0.5~1mm，翅片间的缺口角度为30°。
优选的，所述重力热管散热器所用材质均为紫铜。
优选的，所述热管内壁及盖板底面均经超疏水表面处理，水滴在超疏水表面处理后的热管内壁及盖板底面上的接触角为150°~180°。
优选的，所述超疏水表面处理的工艺为电化学沉积法，以肉豆蔻酸乙醇溶液为疏水剂，采用电化学沉积法一步在金属紫铜表面构筑超疏水层，形成超疏水表面。
优选的，所述蒸发段底板表面经非均匀润湿性处理，处理后分为超亲水区域和超疏水区域，所述超亲水区域与水滴的接触角为0°~5°，所述超疏水区域与水滴的接触角为150°~180°。
一种非均匀润湿性图案化表面的制备方法，包括以下步骤：
（1）进行超亲水处理：将抛光后的铜基板依次用丙酮及盐酸超声清洗20分钟再用水冲洗，再将铜基板作为阴阳极，加入由CuCl2溶液和浓盐酸混合溶液组成的电解液中进行电解沉积，此时将在阴极铜上形成微纳米粗糙结构，电解沉积完成后用水将阴极铜板洗干净，放入真空干燥箱中烘干，然后放入烧结炉中进行烧结处理，处理后微纳米粗糙结构与基板紧密结合，成为基板的超亲水层；
（2）覆盖超亲水层：将聚四氟乙烯以1:3~4的质量比例稀释于电子氟化液中，然后均匀涂抹在步骤（1）所得铜板的超亲水层表面上，放置烘箱中90~150℃烘烤60~90分钟，再在聚四氟乙烯层上旋涂厚度为1~3μm正性光刻胶；
（3）图案化的获得：将步骤（2）所得涂有正性光刻胶的铜板在辐射状的掩膜覆盖下，用强度为180~220mj/cm2的紫外光照射1.5~2小时，曝光部分的聚四氟乙烯通过氧等离子体和显影剂处理后被去除，暴露出铜板的超亲水层，用丙酮清洗掉被掩膜覆盖部分的正性光刻胶，则得到由聚四氟乙烯覆盖的超疏水层，得到非均匀润湿性图案化表面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、针对大功率LED散热问题，本发明重力热管式LED散热灯通过蒸发腔内的换热工质循环往复的蒸发与冷凝，充分利用相变过程的相变潜热，将热量从热源送至顶部冷凝段，并通过外部的散热翅片散发出去，实现LED灯结温的高效传导，有效控制LED芯片的温度。
2、针对普通重力热管的冷凝液不易回流问题且易造成工质干涸问题，本发明的重力热管式LED散热灯在热管内壁采用电沉积法一步形成超疏水层，并且在热管内壁刻有螺旋槽道，这样能使凝结在热管内壁的工质减少与内壁的附着力，快速向下流动，使冷凝液迅速回流。螺旋槽道能起到加大换热面积，引导液滴流动，增强换热的作用。
3、针对冷凝段顶部液滴不易滴下形成较厚液膜影响传热的问题，本发明在热管顶部盖板内表面进行超疏水处理，使凝结在顶部的液滴能够减少与盖板的接触面积并迅速聚集并滴下。
4、针对现在技术中存在的热管启动速度慢，蒸发区易产生膜状沸腾影响传热的问题，本发明通过对蒸发段进行图案化非均匀润湿性处理，超疏水区域在初期会含有大量的成核位点，促进气泡的形成，气泡脱离壁面上升至液面从而将热量带走，这样就提高了启动速度。而随着温度的上升，气泡越来越多，超亲水区域可以驱赶壁面成核位点的多余气泡，防止气泡连接形成液膜，从而提高临界热流密度。并且由于表面上共同存在超疏水区域和超亲水区域，在亲水区和疏水区交界的地方，液体表面张力变化梯度较大，产生较强的Marangoni效应，从而促进液体内部流动，提升湍流度，强化传热。
5、本发明LED散热灯结构简单，响应速度快，散热能力强，能有效维持大功率LED灯在常温下运行，增强其发光效率和延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明大功率LED散热灯的结构示意图。
图2为本发明大功率LED散热灯冷凝段的截面图。
图3为本发明非均匀润湿性图案化表面的结构示意图。
图4为本发明大功率LED散热灯螺旋槽道的结构示意图。
图5为液滴在辐射状图案化及无图案的非均匀润湿性表面蒸发时间曲线图。
具体实施方式：
下面结合实例与附图对本发明的实施进行具体的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明的大功率LED散热灯的结构示意图如图1、图2、图4所示，包括灯罩1、LED芯片2、固定螺栓3、换热工质4、冷凝段5、螺旋槽道6、盖板7、充液抽气孔8、梯形翅片9、蒸发段10、底板11和LED线路基板12。LED芯片2通过锡金合金共晶焊接的方式连接在LED线路基板12上；LED线路基板12通过固定螺栓3与底板11固定连接，线路基板12与蒸发段底板11之间填充绝缘导热胶；所述底板表面经非均匀润湿性处理，所述表面分为超亲水区域14和辐射状超疏水区域13（如图3所示）；蒸发段底板与柱形蒸发段10共同组成蒸发空腔，所述蒸发空腔中装填有换热工质4，柱形空腔可以为圆柱形或者棱柱形。蒸发段之上连接有用于冷凝的热管，所述热管内壁经超疏水处理，冷凝段内壁刻有螺旋槽道6，所述热管外分布有梯形翅片9；冷凝热管顶部设置有盖板7，所述盖板中央开有充液抽气孔8用于充装换热工质4及将空腔内抽成真空，灌装工质并抽真空后采用橡胶垫圈密封，盖板外侧连接有梯形翅片9。
所述的梯形翅片9高度为2cm,翅片厚度为1mm，翅片间的缺口角度为30°，翅片分布在热管外侧及盖板外侧且与热管及盖板垂直，所述翅片经滚轧挤压制成。
所述换热工质4为水，换热工质填充量为蒸发腔容积的60％。
所述底板11，蒸发段10，冷凝段5以及盖板7采用的材质均为高导热系数的紫铜，它们之间的连接方式为高温熔融焊接以确保强度以及良好的密封性。
所述热管5及盖板7内壁面超疏水表面处理工艺为电沉积法，具体步骤为：取0.05mol/L的CuCl2乙醇溶液300ml置于反应器内，再将300ml浓度为0.05mol/L肉豆蔻酸乙醇溶液作为疏水剂加入反应器中搅拌，以铂电极作为阴极，铜管及铜盖板作为阳极，电极间距离为2cm，电压为25V，采用电化学沉积法电解120分钟，一步在金属铜表面构筑超疏水层，形成超疏水表面，实验测得水滴在壁面的接触角为167°。
本实施例中，所述非均匀润湿性图案化表面的制备方法包括以下步骤：
（1）进行超亲水处理：将抛光后的铜基板依次用丙酮及盐酸超声清洗20分钟再用去离子水冲洗，将清洗后的基板作为阴阳极，加入由浓度为0.1mol/L的CuCl2溶液和2mol/L的HCl混合溶液组成的电解液中进行电解沉积，铜基板作为阴极和阳极，在电压为25V的电压下电解沉积30分钟，此时将在阴极铜上形成微纳米粗糙结构，电解沉积完成后用去离子水将阴极铜板洗清干净，放入真空干燥箱中烘干，然后将已形成微纳米粗糙结构的铜板放入烧结炉中进行烧结处理，烧结温度为800℃，时间为2小时，，此时微纳米结构与基板将紧密结合，成为基板的超亲水层。
（2）覆盖超亲水层：将聚四氟乙烯以1:3的质量比例稀释于电子氟化液中，用所得的混合溶液均匀涂抹在步骤（1）所得铜板的超亲水层表面上，然后放置烘箱中100℃烘烤90分钟。然后在聚四氟乙烯层上旋涂厚度为1μm的正性光刻胶。
（3）图案化的获得：将涂有正性光刻胶的铜板在辐射状的掩膜覆盖下，用强度为180mj/cm2的紫外光照射1.5小时，曝光部分的聚四氟乙烯通过氧等离子体和显影剂处理后被去除，暴露出铜板的超亲水层，用丙酮清洗掉被掩膜覆盖部分的正性光刻胶，则得到由聚四氟乙烯覆盖的超疏水层，这样得到非均匀润湿性图案化表面。
本发明大功率LED散热灯的工作原理如下：
LED芯片2通电工作发光并产生热量，热量通过芯片粘接材料传至LED线路基板12，然后由LED线路基板通过绝缘导热胶传导至蒸发段底板11，充装在蒸发腔内的换热工质4吸收热量温度升高并产生气泡。在此处蒸发段底板内表面的非均匀润湿性图案化表面的作用在于，超疏水区域13在初期含有大量的成核位点，促进气泡的形成，气泡脱离壁面上升至液面从而将热量带走，这样就提高了启动速度。随着温度的上升，气泡越来越多，超亲水区域可以驱赶壁面成核位点的多余气泡，防止气泡连接形成液膜，从而提高临界热流密度。非均匀润湿性图案化表面的另一个作用在于，在亲水区和疏水区交界的地方，液体表面张力变化梯度较大，产生较强的Marangoni效应，从而促进液体内部流动，提升湍流度，强化传热，促进蒸发。由于辐射状的图案能够大大增加超亲水区域和超疏水区域的边界，也就是能够增强Marangoni效应，所以本发明中超疏水区域采用辐射状的图案。图5为实验测得的液滴在辐射状图案化及无图案的非均匀润湿性表面蒸发时间曲线图，很明显辐射状图案化能够促进液滴的蒸发。
汽化后的工质在压力差作用下上升至冷凝空腔，由于空腔内温度较低，工质在冷凝腔壁面放热冷凝成液滴并在重力作用下回流至蒸发腔内实现循环，冷凝热通过热管及外部的散热翅片传至外界。为提升换热效果，在冷凝段内壁进行超疏水处理，并且在热管内壁刻有螺旋槽道，这样能使凝结在热管内壁的工质减少与内壁的附着力，快速向下流动，使冷凝液迅速回流。螺旋槽道能起到加大换热面积，引导液滴流动，增强换热的作用。
应当指出，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他任何未背离本发明的技术方案和改进,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率LED散热灯，其特征在于，该大功率LED散热灯包括重力热管散热器、LED线路基板和LED光源模块，所述重力热管散热器与LED线路基板直接相连接，LED光源模块布置在LED线路基板上；所述重力热管散热器包括上部的冷凝段和下部的蒸发段；所述冷凝段包括热管、盖板与梯形翅片，热管内侧与盖板底面均经超疏水表面处理，具有超疏水特性；蒸发段为柱形空腔，所述空腔底板与LED线路基板直接相连，空腔内装填有换热工质，空腔底板表面经非均匀润湿性图案化处理，所述表面分为超疏水区域和超亲水区域，所述超疏水区域为辐射状。
2.根据权利要求1所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述盖板中央开有充液抽气孔，用于灌装换热工质及将空腔内抽成真空。
3.根据权利要求1所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述热管为空心圆柱形，热管内壁刻有螺旋槽道，槽深为3~5mm。
4.根据权利要求1所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述盖板盖在冷凝段的热管顶部，所述热管外部及盖板顶部分布有梯形翅片，所述梯形翅片经滚轧挤压制成。
5.根据权利要求4所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述梯形翅片的高度为1.5~2cm，翅片厚度为0.5~1mm，翅片间的缺口角度为30°。
6.根据权利要求1所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述重力热管散热器所用材质均为紫铜。
7.根据权利要求1所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述热管内壁及盖板底面均经超疏水表面处理，水滴在超疏水表面处理后的热管内壁及盖板底面上的接触角为150°~180°。
8.根据权利要求1所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述超疏水表面处理的工艺为电化学沉积法，以肉豆蔻酸乙醇溶液为疏水剂，采用电化学沉积法一步在金属紫铜表面构筑超疏水层，形成超疏水表面。
9.根据权利要求1所述的一种大功率LED散热灯，其特征在于，所述蒸发段底板表面经非均匀润湿性处理，处理后分为超亲水区域和超疏水区域，所述超亲水区域与水滴的接触角为0°~5°，所述超疏水区域与水滴的接触角为150°~180°。
10.一种用于权利要求1所述的大功率LED散热灯的非均匀润湿性图案化表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）进行超亲水处理：将抛光后的铜基板依次用丙酮及盐酸超声清洗再用水冲洗，然后将铜基板作为阴阳极，加入由CuCl2溶液和浓盐酸混合溶液组成的电解液中进行电解沉积，此时将在阴极铜上形成微纳米粗糙结构，电解沉积完成后用水将阴极铜板洗干净，放入真空干燥箱中烘干，然后放入烧结炉中进行烧结处理，处理后微纳米粗糙结构与基板紧密结合，成为基板的超亲水层；
（2）覆盖超亲水层：将聚四氟乙烯以1:3~4的质量比例稀释于电子氟化液中，然后均匀涂抹在步骤（1）所得铜板的超亲水层表面上，放置烘箱中90~150℃烘烤60~90分钟，再在聚四氟乙烯层上旋涂厚度为1~3μm正性光刻胶；
（3）图案化的获得：将步骤（2）所得涂有正性光刻胶的铜板在辐射状的掩膜覆盖下，用强度为180~220mj/cm2的紫外光照射1.5~2小时，曝光部分的聚四氟乙烯通过氧等离子体和显影剂处理后被去除，暴露出铜板的超亲水层，用丙酮清洗掉被掩膜覆盖部分的正性光刻胶，则得到由聚四氟乙烯覆盖的超疏水层，即非均匀润湿性图案化表面。
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