大功率led用整體式熱管散熱方法及裝置製造方法
2023-10-16 18:21:29 1
大功率led用整體式熱管散熱方法及裝置製造方法
【專利摘要】一種大功率LED用整體式熱管散熱方法及裝置，其特徵包括：多個圓柱形直熱管並列，形成小管徑重力熱管陣列，且各熱管的豎直管道沒有任何連通。同時，所有重力熱管的蒸發端共用一個蒸發腔。包含有熱管管道與肋片的散熱器上殼體採用整體式製造方式，上殼體與蓋板間的空隙形成蒸發腔，由螺栓連接，並通過橡膠墊圈密封，同時上殼體留有抽真空和注液管。LED光源貼合在蒸發腔下蓋板的受熱面上，光源熱量通過蒸發腔和熱管內工作介質的汽-液相變循環傳至肋片，再由肋片通過自然對流方式散發到環境中。本發明還提供了用於上述散熱方法的散熱器。本發明結構簡單，使用方便，散熱效果好。
【專利說明】大功率LED用整體式熱管散熱方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種LED技術，尤其是一種大功率LED光源散熱技術，具體地說是一種將熱管的高效傳熱和肋片的對流換熱相結合，並採用整體式製造方式，以提高大功率LED光源散熱效率的散熱方法及散熱器。
【背景技術】
[0002]眾所周知,大功率LED (Light Emitting Diode)是大電流的光電器件,工作過程中只有15%~25%的電能轉換為光能，其餘電能幾乎都轉換成熱能。LED晶片產生的熱量若不能及時散發出去，將會使結溫過高，進而影響產品生命周期、發光效率、穩定性。因此，大功率LED的散熱系統設計是LED照明產業發展的一個重要課題。
[0003]發明於20世紀60年代的熱管是一種依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的高效傳熱元件，熱傳輸過程無需外加動力，具有高導熱性、良好的等溫性、優秀的環境適應性等特點。近年來，熱管越來越多地被應用到大功率LED的散熱系統中。
[0004] LED熱管散熱器常使用熱管與肋片組合的方式，但是往往存在LED散發的熱量不能完全傳至熱管蒸發段，以及肋片與熱管存在較大接觸熱阻等問題，使散熱器效率低下。
[0005]為解決以上問題，本發明提出一種多熱管並列共用一個蒸汽腔，熱管、肋片整體製造的散熱方法，以提高熱管的傳熱效率，減少散熱路徑上的接觸熱阻，並簡化散熱器的製造流程。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對目前大功率LED熱管散熱器存在熱管傳熱效率低，接觸熱阻大等缺點，發明一種大功率LED用整體式熱管散熱的方法，同時設計一種與所述散熱方法相配套的散熱裝置。
[0007]本發明的技術方案之一是:
一種大功率LED用整體式熱管散熱方法，其特徵是它包括以下步驟:
首先，將多個圓柱形小管徑重力直熱管豎直並列安裝在上殼體的固定體中，形成小管徑重力熱管陣列，各熱豎直管道管橫向之間沒有任何連通；各熱管管壁與上殼體固定體之間接觸以實現熱傳導，上殼體的固定體周圍整體連接有散熱肋片；
其次，使所有重力熱管下端的蒸發端相互連通形成一個公共蒸發腔；
第三，在下蓋板相對上殼體的一面上設置一個用於連通所有重力熱管下端蒸發端的凹槽以形成公共蒸發腔，在所述的凹槽中安裝毛細芯結構以增加傳熱的均勻性；在上殼體上設置與公共蒸發腔相連通的抽真空和注液管，並通過所述的抽真空和注液管完成對連接成一體的上殼體及下蓋板之間的公共蒸發腔及重力直熱管管腔的抽真空和熱交換介質的灌注；
最後，將LED光源貼合在下蓋板不與上殼體相連的一面上，LED光源產生的熱量通過下蓋板傳導到公共蒸發腔，通過公共蒸發腔和與公共蒸發腔相連通的熱管蒸發端內的工作介質的汽-液相變循環傳至上殼體的固定體上，再傳導到固定體周邊安裝的肋片上，再由肋片通過自然對流方式散發到環境中。
[0008]所述的凹槽中設有若干支撐柱9。
[0009]所述的上殼體上的固定體呈圓柱形結構或長腰形結構，所述的重力直熱管圍繞圓柱形固定體的中心布置或沿長腰形固定體呈直線布置。
[0010]本發明的技術方案之二是:
一種大功率LED用整體式熱管散熱裝置，它包括相互連接的上殼體12和下蓋板4，LED光源貼裝在下蓋板4的底面上，其特徵是所述的下蓋板4的上表面設有一個凹槽5，該凹槽5與上殼體12的下表面一起形成一個公共蒸發腔；所述的上殼體12上設有一個用於固定重力直熱管I的固定體13，各固定重力直熱管I的管壁與固定體13之間進行熱傳導，各固定重力直熱管I橫向之間互不連通，固定重力直熱管I下端的蒸發端均與作為公共蒸發端的凹槽5相連通；在固定體13的周圍整體連接有對流散熱用的肋片2 ;在上殼體12上還設有用於對各重力直熱管管腔進行抽真空和灌注冷卻介質的抽真空和注液管3 ;在所述的凹槽中安裝有用於使散熱均勻的毛細芯結構10。
[0011]所述的凹槽5中設有若干高度為:T5mm的支撐柱9，以防止因為腔內壓強變化而產生的變形，所述凹槽5的面積是LED光源面積的10-15倍。 [0012]所述的上殼體12上的固定體13呈圓柱形結構或長腰形結構，所述的重力直熱管I圍繞圓柱形固定體的中心布置或沿長腰形固定體呈直線布置。
[0013]所述的重力直熱管I為小管徑重力熱管，管徑在6mnTl0mm，熱管的數目和熱管陣列的排列形式根據LED光源的功率和晶片大小、布置情況作不同的設計。
[0014]所述的重力直熱管I內沒有毛細芯結構，重力直熱管I工作過程中，工作介質冷凝回流完全依靠重力。
[0015]所述的肋片2的形狀為矩形，豎直放置，均勻分布在熱管陣列周圍，並與固定熱管陣列的固定體整體製造，散熱器主要依靠肋片與自然環境的對流換熱達到散熱目的。
[0016]所述的凹槽中安裝的毛細芯結構為絲網或銅粉燒結結構。
[0017]所述的公共蒸發腔及重力直熱管中所罐注的工作介質是丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液體，注入的工作介質應漫過公共蒸汽腔，到達豎直布置的重力直熱管的蒸發端。
[0018]本發明的有益效果:
1、能有效的提高大功率LED光源的散熱性能，增長其實際工作壽命，對大功率LED照明產業的進一步發展具有重要意義。
[0019]2、採用多個小管徑的重力熱管並列，相比於單個熱管具有更大的總相變換熱面積，同時管道間鋁合金間壁具有很好導熱性能，可將熱量傳導與其相對的管道壁面，有效提高熱管的傳熱能力。
[0020]3、熱管之間的間壁在結構上起到了「加強筋」的作用，大大增強了散熱器的承壓能力。
[0021]4、LED放置在一個大面積蒸發腔的受熱面上，利用蒸發腔均溫效果，消除熱量在局部聚集的現象，降低熱應力，提高晶片的壽命和工作穩定性。
[0022]5、肋片、熱管管道組成的散熱器上殼體整體式製造，減少熱量在散發路徑上的接觸熱阻，有效提高散熱器效率。[0023]6、散熱器結構簡單，製造方便，減少了製造成本，同時也提高了散熱器的工作可靠性。
[0024]7、利用本發明的整體式熱管散熱器，可以進一步與風扇、水冷系統等散熱技術結合，可進一步提高光電器件散熱性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明第一實施例的大功率LED用整體式熱管散熱器的立體圖。
[0026]圖2為圖1所示散熱器的半剖圖。
[0027]圖3為圖2中散熱器翅片部分的水平剖視圖A-A。
[0028]圖4為圖1中下蓋板結構示意圖。
[0029]圖5為本發明第二實施例的大功率LED用整體式熱管散熱器的立體圖。
[0030]圖6為圖5所示散熱器翅片部分的水平剖視圖。
[0031]圖中:1、熱管；2、肋片；3、抽真空和注液管；4、下蓋板；5、凹槽(公共蒸發腔)；6、螺栓；7、螺母；8、橡膠墊圈；9、支撐柱；10、毛細芯結構；11交換介質(工作介質)，12、上殼體，13固定體。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0033]實施例一。
[0034]如圖1、5所示。
[0035]一種大功率LED用整體式熱管散熱方法，它包括以下步驟:
首先，將多個圓柱形小管徑重力直熱管豎直並列安裝在上殼體的固定體中，形成小管徑重力熱管陣列，各熱豎直管道管橫向之間沒有任何連通；各熱管管壁與上殼體固定體之間最好是無間隙緊密接觸以實現更好的熱傳導，上殼體12的固定體13周圍整體連接有矩形散熱肋片2，其中的重力直熱管1、肋片2均採用鋁合金材質或銅材等散熱性能好的材質製造；
其次，使所有重力熱管I下端的蒸發端均與下蓋板4上的凹槽5相連通以形成一個公共蒸發腔；
第三，在下蓋板4相對上殼體的一面上設置一個用於連通所有重力熱管下端蒸發端的凹槽5以形成公共蒸發腔，在所述的凹槽5中安裝毛細芯結構以增加傳熱的均勻性，同時設置若干支撐柱9以防止變形，支撐柱9的高度應控制在3-5_;為了保證散熱效果，具體設計時凹槽5的面積應是LED光源面積的10-15倍。在上殼體上設置與公共蒸發腔相連通的抽真空和注液管,並通過所述的抽真空和注液管完成對連接成一體的上殼體及下蓋板之間的公共蒸發腔及重力直熱管管腔的抽真空和熱交換介質11的灌注；交換介質可為丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液體，注入的工作介質11應漫過公共蒸汽腔，到達豎直布置的重力直熱管的蒸發端
最後，將LED光源貼合在下蓋板4不與上殼體12相連的一面上，LED光源產生的熱量通過下蓋板4傳導到公共蒸發腔，通過公共蒸發腔和與公共蒸發腔相連通的熱管蒸發端內的工作介質的汽-液相變循環傳至上殼體12的固定體13上，再傳導到固定體周邊安裝的肋片2上，再由肋片2通過自然對流方式散發到環境中。
[0036]實施例二。
[0037]如圖1-4所示。
[0038]一種大功率LED用整體式熱管散熱裝置，它包括相互連接的上殼體12和下蓋板4，上殼體12和下蓋板4通過螺栓6和螺母7相連，兩者之間還加裝有密封用的橡膠墊圈8，如圖1，LED光源貼裝在下蓋板4的底面上，所述的下蓋板4的上表面設有一個凹槽5，凹槽5中設有若干支撐柱9 (圖1)以防止因為腔內壓強變化而產生的變形，該凹槽5與上殼體12的下表面一起形成一個公共蒸發腔(圖2);所述的上殼體12上設有一個用於固定重力直熱管I的圓柱形固定體13,重力直熱管I圍繞圓柱形固定體13的中心布置,如圖3,各固定重力直熱管I的管壁與固定體13之間最好是無間隙緊密配合以提高熱傳導效率，各固定重力直熱管I橫向之間互不連通，固定重力直熱管I下端的蒸發端均與作為公共蒸發端的凹槽5相連通，如圖2 ;在固定體13的周圍整體連接有對流散熱用的矩形肋片2，如圖3 ;在上殼體12上還設有用於對各重力直熱管管腔進行抽真空和灌注冷卻介質的抽真空和注液管3，如圖1所示；在所述的凹槽中安裝有用於使散熱均勻的毛細芯結構10，毛細芯結構10可為絲網或銅粉燒結結構。
[0039]具體實施時所述的凹槽5中支撐柱9的高度以3~5mm為最佳,為保證散熱效果，凹槽5的面積最好是LED光源面積的10-15倍。所述的重力直熱管I為小管徑重力熱管，管徑在6mnTl0mm，熱管的數目和熱管陣列的排列形式根據LED光源的功率和晶片大小、布置情況作不同的設計。重力直熱管I內沒有毛細芯結構，重力直熱管I工作過程中，工作介質冷凝回流完全依靠重力。所 述的肋片2的形狀最好為矩形，豎直放置，均勻分布在熱管陣列周圍，如圖3，並與固定熱管陣列的固定體整體製造，具體製造時，肋片的形狀還可設計為其它形式，以便於增加散熱面積，散熱器主要依靠肋片與自然環境的對流換熱達到散熱目的。所述的公共蒸發腔及重力直熱管中所罐注的工作介質11可以是丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液體，注入的工作介質應漫過公共蒸汽腔，到達豎直布置的重力直熱管的蒸發端，如圖2所示。
[0040]如圖1所示，矩形翅片豎直放置，以環形均勻布置在熱管陣列周圍，翅片、熱管管道、抽真空和注液管，包括底部用於和下蓋板連接的底板都是通過整體加工得到，沒有焊接等複雜工藝。
[0041]如圖2、4所示，蒸發腔底面附著有毛細芯結構，同時留有支撐柱，防止散熱器工作時，蒸發腔因壓強變化而變形。熱管管道裡沒有毛細芯結構，蒸汽冷凝回流依靠重力。上殼體與下蓋板由四對螺栓、螺母緊密連接，兩者之間墊有橡膠墊圈以保證密封性。
[0042]圖3所示，重力熱管陣列的排布方式是4個管道呈環形均勻布置，熱管之間互不連通。
[0043]本發明的工作過程如下:
LED光源器件緊密貼合在下蓋板4的受熱面上，光源工作時，熱量通過下蓋板4傳至蒸發腔，從而傳遞給蒸發腔與熱管管道組成的散熱器腔體內的工作介質，導致工作介質發生汽-液相變。一方面，在蒸汽腔內，汽-液相變循環發生在平面方向，小部分受熱汽化的工作介質向四周擴散，冷凝後受毛細芯毛細力作用回流，這一循環過程使得腔內溫度分布均勻，有效消除熱量局部聚集的現象；另一方面，在熱管管道內，大部分受熱汽化的工作介質受管內壓差作用向上擴散，並在熱管上部管壁逐漸冷凝成小液珠，在重力作用下，沿管內壁面向下回流。通過熱管的傳熱作用，熱量被傳至肋片，肋片利用自然對流換熱，最終將熱量散發到環境中。
[0044]實施例三。
[0045]如圖5、6。
[0046]本實施例與實施例1的區別在於重力直熱管I的布置方式不同，圖5、6中重力直熱管I固定在長腰形固定體13中，並呈一字形排列，適用於狹長的LED器件，其餘與實施例
一完全相同。
[0047]本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
【權利要求】
1.一種大功率LED用整體式熱管散熱方法，其特徵是它包括以下步驟: 首先，將多個圓柱形小管徑重力直熱管豎直並列安裝在上殼體的固定體中，形成小管徑重力熱管陣列，各熱豎直管道管橫向之間沒有任何連通；各熱管管壁與上殼體固定體之間接觸以實現熱傳導，上殼體的固定體周圍整體連接有散熱肋片； 其次，使所有重力熱管下端的蒸發端相互連通形成一個公共蒸發腔； 第三，在下蓋板相對上殼體的一面上設置一個用於連通所有重力熱管下端蒸發端的凹槽以形成公共蒸發腔，在所述的凹槽中安裝毛細芯結構以增加傳熱的均勻性；在上殼體上設置與公共蒸發腔相連通的抽真空和注液管，並通過所述的抽真空和注液管完成對連接成一體的上殼體及下蓋板之間的公共蒸發腔及重力直熱管管腔的抽真空和熱交換介質的灌注； 最後，將LED光源貼合在下蓋板不與上殼體相連的一面上，LED光源產生的熱量通過下蓋板傳導到公共蒸發腔，通過公共蒸發腔和與公共蒸發腔相連通的熱管蒸發端內的工作介質的汽-液相變循環傳至上殼體的固定體上，再傳導到固定體周邊安裝的肋片上，再由肋片通過自然對流方式散發到環境中。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的凹槽中設有若干支撐柱(9)。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的上殼體上的固定體呈圓柱形結構或長腰形結構，所述的重力直熱管圍繞圓柱形固定體的中心布置或沿長腰形固定體呈直線布置。
4.一種大功率LED用整 體式熱管散熱裝置，它包括相互連接的上殼體(12)和下蓋板(4),LED光源貼裝在下蓋板(4)的底面上，其特徵是所述的下蓋板(4)的上表面設有一個凹槽(5)，該凹槽(5)與上殼體(12)的下表面一起形成一個公共蒸發腔；所述的上殼體(12)上設有一個用於固定重力直熱管(I)的固定體(13)，各固定重力直熱管(I)的管壁與固定體(13)之間進行熱傳導，各固定重力直熱管(I)橫向之間互不連通，固定重力直熱管(I)下端的蒸發端均與作為公共蒸發端的凹槽(5)相連通；在固定體(13)的周圍整體連接有對流散熱用的肋片(2);在上殼體(12)上還設有用於對各重力直熱管管腔進行抽真空和灌注冷卻介質的抽真空和注液管(3);在所述的凹槽中安裝有用於使散熱均勻的毛細芯結構(10)。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的凹槽(5)中設有若干高度為3~5_的支撐柱(9)，以防止因為腔內壓強變化而產生的變形，所述凹槽(5)的面積是LED光源面積的10-15倍；所述的凹槽中安裝的毛細芯結構為絲網或銅粉燒結結構。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的上殼體(12)上的固定體(13)呈圓柱形結構或長腰形結構，所述的重力直熱管(I)圍繞圓柱形固定體的中心布置或沿長腰形固定體呈直線布置。
7.根據權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的重力直熱管(I)為小管徑重力熱管，管徑在6mnTl0mm，熱管的數目和熱管陣列的排列形式根據LED光源的功率和晶片大小、布置情況作不同的設計。
8.根據權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的重力直熱管(I)內沒有毛細芯結構，重力直熱管(I)工作過程中，工作介質冷凝回流完全依靠重力。
9.根據權利要求3所述的裝置，其特徵是所述的肋片(2)的形狀為矩形，豎直放置，均勻分布在熱管陣列周圍，並與固定熱管陣列的固定體整體製造，散熱器主要依靠肋片與自然環境的對流換熱達到散熱目的。
10.根據權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的公共蒸發腔及重力直熱管中所罐注的工作介質是丙酮、水和乙醇之一或三者的混合液體，注入的工作介質應漫過公共蒸汽腔，到達豎直布置的重力直熱管的蒸發端。
【文檔編號】F21Y101/02GK103528035SQ201310540300
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】周馳, 左敦穩, 孫玉利, 郭凌曦, 陳思彪 申請人:南京航空航天大學