一種冷卻裝置及具有該冷卻裝置的led照明設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種冷卻裝置及具有該冷卻裝置的LED照明設(shè)備。其中冷卻裝置包括：取熱器（2），所述取熱器為密封腔體且其內(nèi)壁上設(shè)置多個(gè)取熱槽道（3）；冷凝器（5），所述冷凝器為密封腔體且其內(nèi)壁上設(shè)置多個(gè)散熱槽道，及所述冷凝器的外壁上設(shè)置散熱結(jié)構(gòu)（6）；蒸氣管路（4），連接所述取熱器的蒸氣出口及所述冷凝器的蒸氣入口；及凝結(jié)液管路（7），連接所述冷凝器的凝結(jié)液出口和所述取熱器的凝結(jié)液入口。本發(fā)明冷卻裝置體積小、冷卻能力超強(qiáng)、成本低，可用于LED等高發(fā)熱器件的冷卻、散熱并使其壽命更長(zhǎng)。
【專利說(shuō)明】—種冷卻裝置及具有該冷卻裝置的LED照明設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及照明領(lǐng)域，尤其涉及用于散發(fā)LED照明設(shè)備的LED熱能的集成冷卻裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]LED (Light-emitting diode,發(fā)光二極管)發(fā)光原理為固體發(fā)光,按固體發(fā)光物理學(xué)原理，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發(fā)光效率高達(dá)90%以上。因此，LED被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認(rèn)為當(dāng)前十大前沿技術(shù)之一。LED光源這種新型照明光源必將會(huì)取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動(dòng)著一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命即照明革命。
[0003]當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，能源緊張的矛盾日益顯現(xiàn)，我國(guó)照明所消耗的電能約占電力總消耗量的1/6，因此提高照明產(chǎn)品的能效水平，無(wú)疑將較大幅度降低能源消耗，有效緩解目前我國(guó)電力供應(yīng)緊張的局面，國(guó)家將貫徹節(jié)能優(yōu)先的政策，并將“照明器具”列入節(jié)能重點(diǎn)領(lǐng)域，在“十一五”期間，大力推進(jìn)綠色節(jié)能照明工程，LED路燈就是LED技術(shù)的重要節(jié)能應(yīng)用。
[0004]LED燈中的LED芯片是熱流密度很大的電子元件，它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中，由于其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的損耗，產(chǎn)生大量的多余熱量，從而引起結(jié)溫升高，壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命，就必須十分重視散熱的問(wèn)題。
[0005]研究數(shù)據(jù)表明，假設(shè)LED芯片結(jié)溫在25度時(shí)的發(fā)光為100%，那么當(dāng)結(jié)溫上升至60度時(shí)，其發(fā)光量就只有90% ;結(jié)溫達(dá)到100度時(shí)發(fā)光亮就下降到80% ；140度就只有70%。由此可見:改善散熱，控制結(jié)溫十分重要。
[0006]除此以外，LED的發(fā)熱還會(huì)使得其光譜移動(dòng)，色溫升高，正向電流增大(恒壓供電時(shí))，反向電流也增大，熱應(yīng)力增高，熒光粉環(huán)氧樹脂老化加速等各種問(wèn)題。
[0007]有研究表明，LED芯片溫度120°C時(shí)，使用壽命為3000小時(shí)，100°C時(shí)為5000小時(shí)，85°C時(shí)為10000小時(shí)，65°C時(shí)為30000小時(shí)，55°C時(shí)為100000小時(shí)，因此，LED散熱一直是世界各國(guó)急待解決的難題。圖1示出了我國(guó)杭州某LED廠生產(chǎn)的Ilw LED燈使用時(shí)的溫度曲線，該LED燈采用對(duì)流方式散熱。測(cè)試結(jié)果表明，LED芯片溫度迅速上升，I小時(shí)內(nèi)從23°C升高到73°C，而且還有繼續(xù)升高的趨勢(shì)。
[0008]目前，LED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過(guò)燈具的外殼散到空氣中去。普遍的散熱過(guò)程是:LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來(lái)，先經(jīng)過(guò)焊料到鋁基板的PCB (印刷電路板)，再通過(guò)導(dǎo)熱膠才到鋁散熱器。LED燈具的散熱實(shí)際上包括導(dǎo)熱和散熱兩個(gè)部分。國(guó)內(nèi)廠家LED燈的散熱，基本上都停留在使用大體積鋁型材做散熱器的傳導(dǎo)散熱，或者利用空氣對(duì)流散熱，甚至開啟空調(diào)散熱。處于世界領(lǐng)先的LED廠家包括世界著名的照明公司的LED燈具，目前基本上也是使用鋁型材做散熱器散熱的方法。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)散熱方法具有以下缺點(diǎn):1、使用大體積鋁型材做散熱器，散熱成本高；
2、散熱效果不理想，使得LED芯片的溫度長(zhǎng)期處于較高溫度；3、由于LED芯片長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，LED很快產(chǎn)生光衰，亮度迅速衰減；4、LED燈達(dá)不到預(yù)期的壽命，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期壽命，增加了用戶的使用成本，使得LED燈的推廣受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目標(biāo)在于提供一種體積小、冷卻能力超強(qiáng)、成本低的冷卻裝置。
[0011]本發(fā)明的目標(biāo)還在于提供一種壽命更長(zhǎng)的LED照明設(shè)備。
[0012]本發(fā)明的目標(biāo)由一種冷卻裝置實(shí)現(xiàn)，其包括:取熱器，該取熱器為密封腔體且其內(nèi)壁上設(shè)置多個(gè)取熱槽道；冷凝器，該冷凝器為密封腔體且其內(nèi)壁上設(shè)置多個(gè)散熱槽道，及該冷凝器的外壁上設(shè)置散熱結(jié)構(gòu)；蒸氣管路，連接取熱器的蒸氣出口及冷凝器的蒸氣入口 ；及凝結(jié)液管路，連接冷凝器的凝結(jié)液出口和取熱器的凝結(jié)液入口。
[0013]優(yōu)選地，取熱槽道的槽寬為微米級(jí)。
[0014]優(yōu)選地，散熱槽道的槽寬為毫米級(jí)。
[0015]優(yōu)選地，取熱槽道和散熱槽道的方向分別與其中的蒸氣和凝結(jié)液的流動(dòng)方向相同。
[0016]優(yōu)選地，散熱結(jié)構(gòu)為肋片或冷卻液通道。
[0017]優(yōu)選地，蒸氣管路的內(nèi)徑大于凝結(jié)液管路的內(nèi)徑。
[0018]本發(fā)明的目標(biāo)還由一種LED照明設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備包括上面描述的本發(fā)明的冷卻裝置，其中取熱器的外表面與LED照明設(shè)備的LED器件緊密接觸。
[0019]本發(fā)明通過(guò)在取熱器內(nèi)腔設(shè)置許多槽寬為微米數(shù)量級(jí)的槽道，把冷卻介質(zhì)按設(shè)計(jì)要求變成所需的液膜，發(fā)熱器件散發(fā)的熱能熱傳導(dǎo)給液膜，液膜瞬間氣化，把熱能通過(guò)蒸氣管路送到冷凝器冷卻。由于這樣設(shè)計(jì)的取熱器的取熱能力很強(qiáng)，其導(dǎo)熱系數(shù)大于IO6W/(m*°C)，所以取熱器的體積可以做得很小。冷卻介質(zhì)通過(guò)蒸氣管路送到冷凝器的熱能，通過(guò)散熱結(jié)構(gòu)與室外空氣進(jìn)行對(duì)流換熱和輻射換熱，冷卻介質(zhì)的熱能通過(guò)冷凝器釋放，由氣態(tài)變液態(tài)，液態(tài)的冷卻介質(zhì)通過(guò)自身的重力作用又回到取熱器里，準(zhǔn)備下一次熱能交換循環(huán)。本發(fā)明冷卻裝置相較于現(xiàn)有技術(shù)具有組成簡(jiǎn)單、成本較低、不需要強(qiáng)制風(fēng)冷、不需要空調(diào)制冷、散熱效果較好的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]本發(fā)明將在下面參考附圖、結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明，其中:
[0021]圖1為現(xiàn)有技術(shù)LED燈的散熱溫度曲線；
[0022]圖2為根據(jù)本發(fā)明的冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為具有本發(fā)明冷卻裝置的LED燈的一實(shí)施例的散熱溫度曲線；及
[0024]圖4為具有本發(fā)明冷卻裝置的LED燈的另一實(shí)施例的散熱溫度曲線。
[0025]為清晰起見，這些附圖均為示意性及簡(jiǎn)化的圖，它們只給出了對(duì)于理解本發(fā)明所必要的細(xì)節(jié)，而省略其他細(xì)節(jié)。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記和名稱用于指同樣或?qū)?yīng)的部分。
【具體實(shí)施方式】
[0026]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的冷卻裝置，包括鋁合金取熱器2、鋁合金冷凝器5、蒸氣管路4和凝結(jié)液管路7，取熱器中具有少量的、具有一定氣化潛熱的液體冷卻介質(zhì)如水，也可使用其它低沸點(diǎn)溶液，取熱器2為密封腔體并具有蒸氣出口和凝結(jié)液入口，取熱器的內(nèi)表面上設(shè)置多個(gè)槽寬為幾微米到幾十微米的微米級(jí)取熱槽道3，例如1-20微米，例如5微米，多個(gè)取熱槽道3形成微槽群，冷凝器5也為密封腔體并具有蒸氣入口和凝結(jié)液出口，冷凝器5的內(nèi)壁設(shè)置多個(gè)槽寬為幾毫米到幾十毫米的毫米級(jí)散熱槽道(未示出)，例如1-5毫米，例如I毫米，取熱槽道3和散熱槽道的槽深可分別比相應(yīng)槽寬大一個(gè)數(shù)量級(jí)，取熱槽道和散熱槽道的方向分別與其中的蒸氣和凝結(jié)液流動(dòng)方向相同。在冷凝器的外表面上設(shè)置散熱結(jié)構(gòu)6如鋁合金肋片群，取熱器的蒸氣出口及冷凝器的蒸氣入口通過(guò)蒸氣管路4相連，冷凝器的凝結(jié)液出口和取熱器的凝結(jié)液入口通過(guò)凝結(jié)液管路7相連，蒸氣管路4的內(nèi)徑大于凝結(jié)液管路7的內(nèi)徑。
[0027]在使用時(shí)，取熱器的外表面與電子器件如LED緊密接觸。由于取熱器內(nèi)表面加工有許多微槽道，形成微槽群結(jié)構(gòu)，液體冷卻介質(zhì)在微槽群自身結(jié)構(gòu)所形成的毛細(xì)壓力梯度的作用下，沿微槽流動(dòng)，同時(shí)在微槽中，形成擴(kuò)展彎月面薄液膜蒸發(fā)和厚液膜核態(tài)沸騰的高強(qiáng)度、微細(xì)尺度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱過(guò)程，使液體冷卻介質(zhì)變成蒸氣，利用氣化潛熱，帶走電子器件工作時(shí)產(chǎn)生的巨大熱量，從而將器件的工作溫度降低，并控制在理想的范圍內(nèi)。液膜越薄，遇熱蒸發(fā)能力越強(qiáng)，潛熱交換能力越強(qiáng)，大功率電子器件的熱量更容易被蒸氣帶走。換言之，利用微細(xì)尺度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱機(jī)理，實(shí)現(xiàn)在狹小空間內(nèi)，對(duì)小體積的高熱流密度及大功率的器件的高效率地取熱。取熱器取出的熱量由冷卻介質(zhì)蒸氣經(jīng)蒸氣通路輸送到遠(yuǎn)程的高效冷凝器中。冷凝器凝結(jié)蒸氣所釋放的熱量可迅捷地?cái)U(kuò)散到微細(xì)尺度的散熱槽道群結(jié)構(gòu)表面，并經(jīng)內(nèi)壁向外傳導(dǎo)到冷凝器外壁的肋片群表面上，通過(guò)與外界環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱，將熱量釋放到環(huán)境中去。凝結(jié)液通過(guò)凝結(jié)液通路，在壓力梯度作用下，流回到取熱器。取熱器和冷凝器通過(guò)蒸氣管路和凝結(jié)液管路連接起來(lái)，形成一個(gè)對(duì)外封閉的微負(fù)壓循環(huán)系統(tǒng)，即形成一個(gè)具有冷卻介質(zhì)單向性流動(dòng)的、液-氣-液相變?nèi)岷头艧崮Ｊ降臒o(wú)功耗循環(huán)(被動(dòng)式循環(huán))，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身取熱與放熱的高效率、無(wú)功耗的封閉循環(huán)，達(dá)到電子器件冷卻的目的。
[0028]圖2中所示的肋片群也可由冷卻水通道群代替，冷凝器壁面將冷卻水與冷凝器內(nèi)部隔開，冷卻水與冷凝器的冷卻介質(zhì)不接觸，通過(guò)與冷卻水通道群中的冷卻水進(jìn)行單向強(qiáng)制對(duì)流換熱，最終將熱量散失到外界環(huán)境中。
[0029]上述實(shí)施例的冷卻裝置具有超導(dǎo)熱能力，其導(dǎo)熱能力是鋁基板的10000倍。與優(yōu)良導(dǎo)體銅(導(dǎo)熱系數(shù)約為400W/ (m*°C))相比，其導(dǎo)熱系數(shù)大于IO6W/ (m*°C)，具有超導(dǎo)熱性質(zhì)。例如，用一根長(zhǎng)60cm、直徑1.3cm的實(shí)心銅棒在100°C工作溫度下輸送200W的熱能量，銅棒兩端溫度差高達(dá)70°C ;而重量?jī)H為上述銅棒一半的本發(fā)明取熱器，也在100°C工作溫度下輸送200W的熱能量，熱輸送距離也是60cm遠(yuǎn)，其溫度只降了 0.5°C，實(shí)驗(yàn)表明上述實(shí)施例的聞效集成冷卻技術(shù)具有超導(dǎo)熱能力。
[0030]同時(shí)，上述實(shí)施例的冷卻裝置的冷卻能力超強(qiáng)，取熱熱流密度已達(dá)400W/，其能力比水冷高1000倍，比熱管高約100倍。取熱能力比強(qiáng)制水冷高100倍，比強(qiáng)制風(fēng)冷高1000倍。例如，I個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)是100°c，IKg水從99°C升溫到100°c，需要的熱能量為4200焦?fàn)?；lKg的100°C水吸熱變100°c的水蒸氣，溫度沒有變化，但是吸取的熱量為2，260, 000焦?fàn)枴Ｋ錇轱@熱交換，換熱熱量低，高效集成冷卻技術(shù)是潛熱交換，換熱能力超強(qiáng)。IKg水升溫1°C只需4200焦?fàn)枱崃?，IKg的100°C水吸熱變100°C的水蒸氣，溫度沒有變化，但是吸取的熱量為2，260，000焦?fàn)?，兩者吸取的熱量相?00多倍，因此，兩者換熱能力
有巨大差別。
[0031]另外，上述實(shí)施例的冷卻裝置屬于無(wú)功耗冷卻、被動(dòng)式散熱，無(wú)需風(fēng)扇或水泵，無(wú)冷卻用能耗，無(wú)動(dòng)力運(yùn)行，節(jié)能。由于無(wú)啟動(dòng)問(wèn)題，工作穩(wěn)定，可靠性遠(yuǎn)高于風(fēng)扇、水冷和熱管散熱器。該冷卻裝置巧妙利用大功率電子器件發(fā)熱的能量，使冷卻介質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生動(dòng)能和勢(shì)能，蒸氣流動(dòng)到冷凝器放熱冷凝成液體，借助取熱器的毛細(xì)力和液體重力，回流到與大功率電子器件緊貼的取熱器，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)外加動(dòng)力的閉式散熱循環(huán)。相較現(xiàn)有技術(shù)，重量和體積均大大減小，而冷卻、散熱效果卻遠(yuǎn)好于現(xiàn)有技術(shù)，如圖3和4的散熱溫度曲線所示。圖3示出了使用本發(fā)明冷卻裝置時(shí)，5w LED燈使用市場(chǎng)上的3wLED燈散熱片的溫度曲線，其中散熱片溫度在I小時(shí)內(nèi)逐漸升高，之后測(cè)試了超過(guò)7小時(shí)仍維持在48度左右。圖4示出了使用本發(fā)明冷卻裝置時(shí)，Ilw LED燈使用市場(chǎng)上的5wLED燈散熱片溫度曲線，其中散熱片溫度在I小時(shí)內(nèi)逐漸升高，之后測(cè)試了超過(guò)4小時(shí)仍維持在53度左右。
[0032]通過(guò)上面給出的詳細(xì)描述，本發(fā)明進(jìn)一步的適用范圍將顯而易見。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在詳細(xì)描述和具體例子表明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的同時(shí)，它們僅為說(shuō)明目的給出。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，通過(guò)這些詳細(xì)說(shuō)明在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)做出各種變化和修改將顯而易見，所有這些變化和修改均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種冷卻裝置，包括: 取熱器(2 )，所述取熱器為密封腔體且其內(nèi)壁上設(shè)置多個(gè)取熱槽道(3 ); 冷凝器(5)，所述冷凝器為密封腔體且其內(nèi)壁上設(shè)置多個(gè)散熱槽道，及所述冷凝器的外壁上設(shè)置散熱結(jié)構(gòu)(6); 蒸氣管路(4)，連接所述取熱器的蒸氣出口及所述冷凝器的蒸氣入口 ；及 凝結(jié)液管路(7)，連接所述冷凝器的凝結(jié)液出口和所述取熱器的凝結(jié)液入口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的冷卻裝置，其中所述取熱槽道的槽寬為微米級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的冷卻裝置，其中所述散熱槽道的槽寬為毫米級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的冷卻裝置，其中所述取熱槽道和所述散熱槽道的方向分別與其中的蒸氣和凝結(jié)液的流動(dòng)方向相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的冷卻裝置，其中所述散熱結(jié)構(gòu)為肋片或冷卻液通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的冷卻裝置，其中所述蒸氣管路的內(nèi)徑大于所述凝結(jié)液管路的內(nèi)徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的冷卻裝置，其中所述取熱器和所述冷凝器均由鋁合金制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的冷卻裝置，其中所述取熱槽道的槽寬為1-20微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的冷卻裝置，其中所述散熱槽道的槽寬為1-5毫米。
10.一種LED照明設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求1-9任一所述的冷卻裝置，其中所述取熱器的外表面與所述LED照明設(shè)備的LED器件(I)緊密接觸。
【文檔編號(hào)】F21Y101/02GK103542390SQ201310293885
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】王維熙, 王海, 李媛靜, 溫少波 申請(qǐng)人:杭州攜志科技有限公司