一種大功率led多孔相變熱沉結構的制作方法
【專利摘要】一種大功率LED多孔相變熱沉結構，包括頂面設有若干個散熱器翅片的散熱器內(nèi)腔，散熱器內(nèi)腔內(nèi)燒結有金屬多孔結構，金屬多孔結構的孔隙中填充有相變材料；散熱器內(nèi)腔的底面上設有LED電子芯片，且相變材料的熔點低于LED電子芯片的正常工作溫度。本發(fā)明能夠提高相變潛熱存儲的響應速率，并降低LED散熱結構的重量和成本，且LED工作時芯片發(fā)出熱量一部分以自然對流的形式散出，大部分被相變材料熔化過程中吸收的潛熱儲存，同時LED芯片的溫度通過相變材料的熔點進行控制，并改善了散熱性能。本發(fā)明構具有結構簡單、重量輕、體積小、調(diào)節(jié)性好，散熱效果好、壽命長、無外在能耗和無環(huán)境污染等優(yōu)點。
【專利說明】一種大功率LED多孔相變熱沉結構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及照明領域，特別涉及一種大功率LED多孔相變熱沉結構。
技術背景
[0002]近年來,隨著能源供應的緊張,半導體發(fā)光二極管LED (Light Emitting D1de)照明受到了世界各國的廣泛重視，由于其具有發(fā)光效率高、壽命長和安全環(huán)保等優(yōu)點，而被稱為第四代照明光源或者綠色光源，LED照明已經(jīng)廣泛地應用于手機閃光燈、顯示器背光、標志牌和信號燈以及礦燈等特殊用途照明系統(tǒng)，鑒于LED的優(yōu)點，其將在家用照明、汽車前照燈、舞臺照明和建筑工地照明等大功率照明領域表現(xiàn)出巨大的潛力和前景。然而，雖然大功率LED燈亮度更高，但是其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量也會大幅度增加，使半導體PN結的溫度增加，降低了發(fā)光效率，改變了 LED的峰值波長，從而引起光衰現(xiàn)象，同時嚴重降低LED的使用壽命。因此，LED的PN節(jié)的溫度需要控制在給定的安全溫度(如125°C )以下。傳統(tǒng)的白熾光是以紅外輻射的方式對外散熱，而LED是通過激發(fā)電子，使電子發(fā)生能量級的跳躍而實現(xiàn)發(fā)光，光譜中不含紅外部分，產(chǎn)生的熱量不能通過輻射散出，且LED燈有80%的電能轉換為熱能散失到外界環(huán)境中。因此，大功率LED照明的散熱和有效溫控成為大功率LED應用的瓶頸問題之一。
[0003]大功率LED照明的現(xiàn)有的冷卻技術是主要是采用熱沉封裝結構，通過導熱將LED芯片產(chǎn)生的熱量傳遞至燈殼再由自然對流帶走進行冷卻。專利CN2735548公開了一種封裝有矽油的散熱箱并在箱內(nèi)設計一套擾動系統(tǒng)來降低LED芯片的溫度，不足之處是擾動系統(tǒng)需要額外的能耗及可靠性差。專利CN1828956A公開了一種大功率的LED散熱封裝，其原理是采用相變沸騰傳熱方式的熱管將熱量散到環(huán)境中，不足之處是其LED和熱管一體化封裝的結構換熱效率受熱管終端環(huán)境溫度的影響大且不適合燈陣結構的LED裝置。專利CN101315927A公開了一種大功率LED相變熱沉結構，其原理是利用工質(zhì)液氣相變來實現(xiàn)熱沉本體的熱等溫效應以降低LED芯片的溫度，不足之處是換熱能力依賴于相變材料的封裝量。專利W02009110987A1公開了一種用于LED燈的采用相變材料的熱存儲系統(tǒng)，其結構是將傳統(tǒng)的金屬散熱器換成加工有容腔的熱沉，在空腔內(nèi)裝有相變材料，利用相變材料融化時吸熱進行儲能來降低LED芯片的溫度，不足之處是相變材料的導熱系數(shù)低，換熱能力有限。專利US20090322229A1公開了一種新型的LED照明裝置，其原理是通過熱管將LED芯片的熱量傳遞到埋在地里的相變材料來降低LED芯片的溫度，不足之處是這種結構成本高，使用場合有限，不利于推廣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供了一種大功率LED多孔相變熱沉結構，該結構散熱效果好，且減少了 LED封裝溫度對散熱方式的依賴，延長了散熱時間。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:包括頂面設有若干個散熱器翅片的散熱器內(nèi)腔，散熱器內(nèi)腔內(nèi)燒結有金屬多孔結構，金屬多孔結構的孔隙中填充有相變材料；散熱器內(nèi)腔的底面設有LED電子芯片，且相變材料的熔點低于LED電子芯片的正常工作溫度。
[0006]每個散熱器翅片上加工有若干擾流槽，且每個散熱器翅片上的若干擾溜槽的總寬度小于等于每個散熱器翅片的總寬度的20?30%。
[0007]沿散熱器翅片的高度方向，每個散熱器翅片的厚度逐漸增大，且散熱器翅片與散熱器內(nèi)腔頂面接觸的部分最厚。
[0008]所述的金屬多孔結構為金屬泡沫多孔結構或金屬纖維氈多孔結構。
[0009]所述的金屬多孔結構的孔隙率范圍為30%?99%。
[0010]所述的相變材料在金屬多孔結構中的體積填充率小于95%。
[0011]所述的相變材料為檸檬酸鈉、磷酸鈉、硝酸鹽或石蠟。
[0012]所述的散熱器內(nèi)腔的底面與LED電子芯片之間設有擴展板，散熱器內(nèi)腔側面上設有用于密閉散熱器內(nèi)腔的密封端蓋。
[0013]所述的若干個散熱器翅片與散熱器內(nèi)腔的頂面之間以焊接或機加工的方式連接，擴展板與LED電子芯片之間、散熱器內(nèi)腔的底面與擴展板之間均以焊接或導熱硅脂粘結的方式連接。
[0014]所述的LED電子芯片停止工作時，相變材料放熱凝固；LED正常工作時，相變材料吸熱熔化。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0016]1、本發(fā)明在散熱器內(nèi)腔的頂面上設有若個散熱器翅片，因此，LED電子芯片工作時產(chǎn)生的熱量中的一部分能夠傳遞到散熱器腔體表面，并借助散熱器翅片以自然對流的方式帶走，；同時，散熱器內(nèi)腔內(nèi)燒結有金屬多孔結構，金屬多孔結構的孔隙中封裝有相變材料，因此，LED電子芯片工作時產(chǎn)生的大部分熱量被相變材料熔化過程中吸收的潛熱儲存。同時LED芯片的溫度通過相變材料的熔點進行控制，LED停止工作后，相變材料釋放熱量并重新凝固，并可以根據(jù)功率大小、工作時間長短調(diào)節(jié)相變材料的填充量，改善了散熱性能。本發(fā)明還能利用相變材料的熔點對LED的溫度進行有效的控制，使LED溫度對散熱方式的依賴性減小，且延長了散熱時間，因此，本發(fā)明散熱效果良好且能夠適用于大功率LED。
[0017]2、本發(fā)明利用相變材料的固液相變潛熱大、體積膨脹小和易于控制的優(yōu)點，在散熱內(nèi)腔內(nèi)燒結有金屬多孔結構以提高相變材料的有效導熱系數(shù)，從而提高相變潛熱存儲的響應速率，使相變材料熔化過程更為均勻，更加有利于相變溫控，并降低了 LED散熱結構的重量和成本，因此，本發(fā)明具有結構簡單、重量輕、體積小、調(diào)節(jié)性好，壽命長，且無外在能耗和無環(huán)境污染等優(yōu)點。
[0018]進一步，本發(fā)明所用的相變材料價格低廉,相變體積變化小,易于工業(yè)應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的大功率LED多孔相變熱沉結構的示意圖；
[0020]圖2為圖1中的A-A剖視圖；
[0021]圖3為圖1的局部俯視示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明結構的一種實施例在三種實驗工況溫控效果對比圖；其中，hi為熔化區(qū)1，h2為熔化區(qū)2。

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明包括頂面設有若干散熱器翅片I的散熱器內(nèi)腔2，散熱器內(nèi)腔2內(nèi)燒結有孔隙率范圍為30%?99%的金屬多孔結構3，金屬多孔結構3為鋁或銅等高導熱金屬材料制備成的金屬泡沫多孔結構或金屬纖維氈多孔結構；金屬多孔結構3的孔隙中填充有相變材料4,而金屬多孔結構3能夠提聞相變材料4的有效導熱系數(shù)，從而提聞相變潛熱存儲的響應速率；相變材料4在金屬多孔結構3中的體積填充率小于95%，以考慮相變材料熔化后的體積膨脹；散熱器內(nèi)腔2的底面上設有材料為鋁或銅的擴展板5，擴展板5底部用于與LED電子芯片6結合，且相變材料4的熔點低于LED電子芯片6的正常工作溫度。這些相變材料4可選擇檸檬酸鈉、磷酸鈉、硝酸鹽或石蠟，但不僅限于此。
[0025]散熱器內(nèi)腔2側面上設有用于密閉散熱器內(nèi)腔2的密封端蓋7 ;密封端蓋7通過焊接、螺栓連接或者膠結的方法將相變材料4封裝在散熱器內(nèi)腔2內(nèi)，填充相變材料時，直接將密封端蓋7打開，將熔融狀態(tài)的相變材料4填充在金屬多孔結構的孔隙中；其中擴展板5與LED電子芯片6之間、散熱器內(nèi)腔2的底面與擴展板5之間均以焊接或導熱硅脂粘結的方式連接，LED電子芯片6采用單顆LED封裝件、多顆LED封裝件或者LED燈陣(圓形陣或者矩形陣)。
[0026]如附圖2和圖3所示，本發(fā)明在散熱器內(nèi)腔2頂部的若干散熱器翅片I能夠增加換熱面積，這些散熱器翅片I與散熱器內(nèi)腔2頂部是以焊接或機加工的方式連接的；每個散熱器翅片I上加工有若干擾流槽，且每個散熱器翅片I上的若干繞溜槽的總寬度小于等于每個散熱器翅片I的總寬度的20?30%。沿散熱器翅片I的高度方向，每個散熱器翅片I的厚度逐漸增大，且散熱器翅片I與散熱器內(nèi)腔2頂面接觸的部分最厚(即所述的散熱器翅片根部較厚，沿著高度方向逐漸變薄)，散熱器翅片I的傾斜角度和擾流槽的寬度由LED的功率決定，但是擾流槽的總寬度不超過翅片總寬度的20?30%，這樣能夠提高自然對流的效率。。
[0027]在散熱器內(nèi)腔2燒結有金屬多孔結構3以提高相變材料4的有效導熱系數(shù)，從而提高相變潛熱存儲的響應速率。LED工作時芯片發(fā)出熱量一部分通過翅片I的對流換熱帶走，大部分被相變材料4儲存，LED停止工作后，相變材料4釋放熱量并重新凝固，并根據(jù)功率大小、工作時間長短調(diào)節(jié)相變材料4的填充量。熱沉底部通過焊接或者導熱硅脂粘有一銅或者鋁的擴展板5，擴展板5的另一側則通過焊接或者導熱硅脂粘有單顆LED封裝件6、多顆LED封裝件或者LED燈陣(圓形陣或者矩形陣)。
[0028]圖4是本發(fā)明結構的一種實施例在三種實驗工況溫控效果對比圖，其中金屬多孔結構3為銅泡沫(孔隙率為0.98，5PPI)，相變材料4為石蠟。圖中共有3條曲線，一條是無石蠟情況下的LED封裝件6結點熱阻隨時間變化曲線，另外兩條是石蠟熔點分別是52?54°C (熔化區(qū)I)和60?62°C (熔化區(qū)2)時的熱阻曲線。如圖4所示，含石蠟的兩種情況熔化區(qū)恰好對應LED電子芯片的正常工作區(qū)間，當LED電子芯片停止工作，則存儲于金屬多孔結構中的石蠟恰好全部熔化，正好對應于圖4中的融化區(qū)結束，存儲于石蠟中的熱量開始逐漸釋放，石蠟重新凝固，由此構成一個循環(huán)使用周期。如圖4所示，有石蠟工況下的熱阻比無石蠟工況下的熱阻小25%?30%，其溫控效果改善效果相當明顯。
【權利要求】
1.一種大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:包括頂面設有若干個散熱器翅片(I)的散熱器內(nèi)腔(2)，散熱器內(nèi)腔(2)內(nèi)燒結有金屬多孔結構(3)，金屬多孔結構(3)的孔隙中填充有相變材料⑷；散熱器內(nèi)腔⑵的底面設有LED電子芯片(6)，且相變材料(4)的熔點低于LED電子芯片(6)的正常工作溫度。
2.根據(jù)權利要求1所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:每個散熱器翅片(I)上加工有若干擾流槽，且每個散熱器翅片(I)上的若干擾溜槽的總寬度小于等于每個散熱器翅片(I)的總寬度的20?30%。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:沿散熱器翅片(I)的高度方向，每個散熱器翅片(I)的厚度逐漸增大，且散熱器翅片(I)與散熱器內(nèi)腔(2)頂面接觸的部分最厚。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:所述的金屬多孔結構(3)為金屬泡沫多孔結構或金屬纖維氈多孔結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:所述的金屬多孔結構(3)的孔隙率范圍為30%?99%。
6.根據(jù)權利要求1或5所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:所述的相變材料(4)在金屬多孔結構(3)中的體積填充率小于95%。
7.根據(jù)權利要求1所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:所述的相變材料(4)為檸檬酸鈉、磷酸鈉、硝酸鹽或石蠟。
8.根據(jù)權利要求1所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:所述的散熱器內(nèi)腔⑵的底面與LED電子芯片(6)之間設有擴展板(5)，散熱器內(nèi)腔⑵側面上設有用于密閉散熱器內(nèi)腔⑵的密封端蓋(7)。
9.根據(jù)權利要求8所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:所述的若干個散熱器翅片(I)與散熱器內(nèi)腔(2)的頂面之間以焊接或機加工的方式連接，擴展板(5)與LED電子芯片(6)之間、散熱器內(nèi)腔(2)的底面與擴展板(5)之間均以焊接或導熱硅脂粘結的方式連接。
10.根據(jù)權利要求1所述的大功率LED多孔相變熱沉結構，其特征在于:所述的LED電子芯片(6)停止工作時，相變材料(4)放熱凝固；LED正常工作時，相變材料(4)吸熱熔化。
【文檔編號】H01L23/427GK104241513SQ201410468304
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權日:2014年9月15日
【發(fā)明者】屈治國, 李昂, 汪天送 申請人:西安交通大學