使用三维相变热传递的LED灯冷却机构制造技术

采用新型的使用相变材料的三维超导热热管理设计和延迟冷却来降低LED和其它装置内部的温度。该冷却机构使用具有中空鳍的鳍结构来将热量消散至环境。鳍内部的中空空间连接至一内部腔室，该内部腔室供应有液相-气相相变材料(L-V PCM)，用于将来自LED芯片的热量传递至中空鳍的表面。LED芯片安装在位于该腔室的底部处的蒸发器上。提供了液体存储器，且蒸发表面是亲水性的，通过另一芯结构来将L-V PCM液体输送至蒸发表面。各鳍彼此平行并且平行于或垂直于蒸发表面。该结构具有出众的性能且制造成本低。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及发光二极管(LED)以及其它高功率密度装置，诸如激光和计算机芯片。具体来说，本专利技术涉及LED灯冷却机构。
技术介绍
虽然发光二极管(LED)从电信到普通照明应用都有巨大的潜力，然而每流明的成本仍然阻碍了 LED在市场上的渗透。目前，照明市场主要以紧凑型荧光灯(CFL)为主LED灯每流明成本必须迅速降低，以与紧凑型荧光灯竞争。—种实现LED灯价格降低目标而不显著改变装置制造成本的方式是提高电流注入密度，例如2至4倍，从数十A/cm2量级至数百A/cm2量级。然而，通过提高LED的驱动电流来提高装置的光功率输出可能由于发热增加而导致两个问题。一个问题是“效率下降”结果，而另一个问题是“热失控”结果。如果热不能正常地消散，较高的接合温度将导致该LED装置较低的EQE (外部量子效率)，这将导致更高的温度，并最终导致了 LED装置热失效。因此，LED的热管理是降低LED灯成本而不显著改变LED芯片的制造成本的关键问题。另外，将接合温度尽可能地保持低对于LED的寿命也是有益的。总之，LED热管理对于降低接合温度，提高光功率输出和寿命是关键。热传递过程遵循以下原则:Q = hA Δ T其中，Q是热传递功率(W)，h是热传递系数(W/(m2*K))，A是热通过面积，以及AT是温度梯度或温差。不同的热传递机构的热传递系数是不同的。由于不同热传递机构之间的h的显著差异，需要将热量均匀地分散到不同的热通过区域，以实现有效的冷却系统。图1示出一般的LED系统的热模型。该LED装置的系统热阻抗可以被分成三个类别或阶段=R内，以及％。Rft包括LED芯片的热阻抗(Rs# )，副安装结合的热阻抗(R结&)以及衬底和背面焊料的物质的热阻抗。Rft主要由芯片设计和制造该芯片中使用的材料来决定。指源自印刷电路板(PCB)和导热界面材料(??Μ)的热阻抗。％涉及从??Μ至大气的热阻抗。图3示出LED灯结构，其采用常规冷却机构将来自LED芯片的热量发散到环境。LED芯片301以及所需的PCB和??Μ安装在冷却鳍结构303的表面上并由盖302封装。鳍结构303由金属制成的多个实心盘形成。LED灯还具有用于将其附连至常规照明装置的连接器305以及包含驱动LED芯片电路的电源单元304。与基于常规技术的被动式散热器的典型Rft和、％值相比较，通常不能满足由高电流注入驱动的LED的应用要求。被动式散热器的热阻抗由其较差的热匹配或散布引起。相变冷却系统，其通过在高温区域的相变和在低温区域的逆相变将热量导走，可以显著地改进热散布。在相变冷却系统中，广泛地使用一维热管和二维蒸汽室(vapor chamber)。两者都已经应用于LED的热管理中，例如兰金等人在热化学学报(ThermochimicaActa) 455，21-25 (2007)( “金等人，2007”)的 “Thermal analysis of LED array systemwith heat pipe”中所描述的；以及H._S.黄等人在实验传热学(Experimental HeatTransfer) 22，26 (2009)( “黄等人，2009”)的 “Experimental Investigat1n of VaporChamber Module Applied to High-Power Light-Emitting D1des”中所描述的。这种系统中，热管和蒸汽室用作热源与低温区域之间的散热器。如图2所示，在实际应用中，热管和蒸汽室仍然需要与散热器连接。热管将来自热源的热量通过一维相变热传递结构散布至散热器(参见图2(a))。与散热器连接的热管的典型热阻抗为约5K/W(参见Kim等人，2007)。蒸汽室通过两维相变热传递结构来散布热量(参见图1(b))。与散热器连接的二维蒸汽室的典型热阻抗为3.2-4.9K/ff(参见黄等人，2009)。
技术实现思路
散热器与环境空气之间的自然空气对流热传递系数通常为5至25W/ (HI2K)，而相变过程的热传递系数在成千上万W/(m2K)量级。这意味着如果使用自然空气对流冷却来冷却散热器，则散热器需要将热量从热源传递到热源面积14-1O5倍的散热器。因此，高功率LED冷却系统的主要瓶颈是散热器与大气环境之间不足的热传递。对于各类LED芯片，诸如目前可购得的芯片、高级MQW芯片、高级DH芯片等，在各种输出功率下实现目标光功率输出所要求的散热器表面积(Ahs)可以被计算出。例如，对于等同于60瓦的LED灯具，在如下假设下，所要求的散热器表面积在数千cm2量级:自然空气对流热传递系数为1W/ (m2K)，且散热器与大气环境之间的温差为10K。另外，实心散热器所需要的大表面积和厚度也增加了灯具的成本。例如，对于高功率电子设备，实心散热器的通常成本范围在0.5-10美元。如果在冷却系统中使用热管(一维或二维)，该冷却系统的成本可能大大地提高至15-100美元(参见叶环宇等人的 “A review of passive thermal management of LED module”，半导体期刊(J.Semicond.),32, 014008 (2011))。这种水平的成本在照明应用中是不可行的。如上所讨论的，LED冷却系统中的散热器需要将热量从芯片传递至14-1O5倍的更大面积。如果由目前一维热管或二维蒸发室执行热匹配，则成本负担对于在照明中应用来说太重。因此，除了散热器之外，基于热管或蒸发室的这些冷却系统需要辅助主动冷却系统，因为散热器不足以扩散热。否则，在散热器的顶部与环境之间存在的温差范围从数十至一百Ko总之，本专利技术的专利技术人意识到为了在LED装置由高正向电流驱动时保持接头温度，封装的LED灯具的系统水平热阻抗需要尽可能地降低，且％是LED灯具热管理中的主要瓶颈。因此，对于更高功率的LED灯具，需要照明级别先进的冷却策略。如上所解释的，在开发该先进冷却策略中，关键点是如何将热量从相对小的热通过面积(约Imm2)分散至大得多的面积(约0.1m2)。本专利技术旨在为LED灯具的热管理提供一种有效的散热策略，以增加LED灯具的照明功率输出和寿命性能，同时显著地降低高功率LED灯具的冷却系统的成本。此外，该专利技术可以应用于其它类似的高功率密度设备，包括计算机主引擎芯片、激光二极管等。使用了新型的三维“相变热交换”结构来将热量从高功率LED芯片和其它高功率密度设备消散至大气。本专利技术的附加特征和优点将在下面的描述中阐述以及从该描述中部分是明显的，或者可以通过实践本专利技术而得知本专利技术的附加特征和优点。本专利技术的目标和其它优点通过在书面描述和其权利要求以及所附的附图中特别指出的结构来实现或获得。为了实现这些和其他优点，并根据如实施和广泛描述的本专利技术的目的，本专利技术提供一种发光二极管(LED)灯，该LED包括:限定腔室的外壳结构；其中，所述外壳结构包括实质上彼此平行布置的多个中空鳍，每个鳍包围一中空空间，所述中空空间连接至所述腔室，所述中空空间和所述腔室形成密封空间，其中所述外壳结构的平坦部分形成蒸发器；多个LED芯片，所述多个LED芯片安装在所述蒸发器上并与所述蒸发器热接触；以及液相-气相相变材料(L-V PCM)，所述液相-气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光二极管(LED)灯，其特征在于，所述LED灯包括：限定腔室的外壳结构，其中，所述外壳结构包括实质上彼此平行布置的多个中空鳍，每个鳍包围一中空空间，所述中空空间连接至所述腔室，所述中空空间和所述腔室形成密封空间，其中所述外壳结构的平坦部分形成蒸发器，多个LED芯片，所述多个LED芯片安装在所述蒸发器上并与所述蒸发器热接触；以及液相‑气相相变材料(L‑V PCM)，所述液相‑气相相变材料(L‑V PCM)布置在所述腔室内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：项晓东，
申请(专利权)人：项晓东，
类型：发明
国别省市：美国;US