一种金属散热装置及设有其的LED光源模组论文和设计-李虎

全文摘要

本实用新型公开了一种金属散热装置及设有其的LED光源模组，所述金属散热装置包括依次设置的线路层、绝缘层、蒸发层、工质和冷凝层；蒸发层、工质和冷凝层组成真空腔体层；外置的LED芯片安装于线路层上，并将LED芯片发光产生的热量通过蒸发层散发，蒸发层吸收热量并传递到工质，工质在真空腔体层提供的真空环境下快速吸收热量，产生汽化现象，汽化后的工质体积迅速膨胀，并在汽化后的工质接触到冷凝层时，产生凝结现象，通过凝结现象释放出蒸发时累积的热量，从而将LED芯片发光产生的热量快速散发出去。与现有技术相比，本实用新型具有快速散热的有益效果。

主设计要求

1.一种金属散热装置，其特征在于，包括从上到下依次设置的线路层(11)、绝缘层(12)、蒸发层(13)、工质(14)和冷凝层(15)；蒸发层(13)、工质(14)和冷凝层(15)组成真空腔体层(33)，真空腔体层(33)内为真空环境；外置的LED芯片安装于线路层(11)上，并将LED芯片产生的热量通过蒸发层(13)散热，蒸发层(13)吸收热量并传递到工质(14)，工质(14)在真空腔体层(33)提供的真空环境下快速吸收热量，产生汽化现象，汽化后的工质体积迅速膨胀，并在汽化后的工质接触到冷凝层时，产生凝结现象，通过凝结现象释放出蒸发时累积的热量，从而将LED芯片发光产生的热量快速散发出去。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种金属散热装置，其特征在于，所述真空腔体层(33)内布设有毛细管道(141)，蒸发层(13)和冷凝层(15)分别设在毛细管道(141)的两端，工质在毛细管道(141)内流动；靠近蒸发层(13)的工质受热汽化，汽化后的工质体积膨胀，在接触到冷凝层(15)后凝结液化，凝结液化后的工质通过毛细管道(141)再次回到蒸发层(13)的表面进行吸热，如此重复循环将LED芯片发光产生的热量不断散发出去。

3.根据权利要求1所述的一种金属散热装置，其特征在于，所述线路层(11)和蒸发层(13)采用一体化的结构设计，线路层(11)所形成的线路直接刻印在蒸发层(13)上。

4.根据权利要求1所述的一种金属散热装置，其特征在于，所述线路层(11)为金属铜箔，LED芯片发光产生的热量通过金属铜箔传递给绝缘层(12)和真空腔体层(33)进行散热。

5.根据权利要求1所述的一种金属散热装置，其特征在于，所述绝缘层(12)为高导热绝缘固定胶，具有绝缘和粘接金属的功能，并将线路层(11)与真空腔体层(33)粘接固定。

6.根据权利要求1所述的一种金属散热装置，其特征在于，所述蒸发层(13)的上表面设有若干个凸起的台阶(131)，凸起的台阶(131)边缘与绝缘层(12)连接，所述线路层(11)与凸起的台阶(131)处于同一高度；LED芯片产生的热量通过蒸发层(13)的台阶(131)传递到真空腔体层(33)进行散热。

7.根据权利要求1所述的一种金属散热装置，其特征在于，所述工质(14)为吸收热量后快速汽化的冷却液体，所述冷却液体为水、甲醛或丙酮。

8.根据权利要求1所述的一种金属散热装置，其特征在于，所述真空环境为不完全真空环境。

9.根据权利要求8所述的一种金属散热装置，其特征在于，不完全真空环境的真空度设置在1000Pa～40000Pa。

10.一种LED光源模组，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的金属散热装置，还包括若干LED芯片(31)和散热基板(32)，所述LED芯片(31)阵列排布安装于散热基板(32)上，并与散热基板(32)一一对应设置，所述金属散热装置设置在散热基板(32)的下表面，LED芯片(31)发光产生的热量通过散热基板(32)传递到金属散热装置的真空腔体层(33)进行散热。

11.根据权利要求10所述的一种LED光源模组，其特征在于，所述散热基板(32)包括从上到下依次布置的上表面线路层(321)、氮化铝基材(322)、下表面线路层(323)和下表面散热片(324)，所述LED芯片(31)安装于散热基板(32)的上表面线路层(321)上，所述散热基板(32)的下表面线路层(323)与金属散热装置连接，LED芯片发光产生的热量通过散热基板(32)的上表面线路层(321)、氮化铝基材(322)和下表面线路层(323)，传导到真空腔体层(33)的蒸发层(13)上。

12.根据权利要求10所述的一种LED光源模组，其特征在于，所述LED芯片(31)通过高导热银胶或锡膏焊接于散热基板(32)上，所述散热基板(32)通过高导热银胶或锡膏焊接到真空腔体层(33)上。

13.根据权利要求10所述的一种LED光源模组，其特征在于，还包括散热器(34)，所述散热器(34)安装于真空腔体层(33)的下表面，并与真空腔体层(33)连接，LED芯片(31)发光产生的热量依次通过散热基板(32)、真空腔体层(33)传导到散热器(34)上，进行散热。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及舞台灯散热的技术领域，更具体地，涉及一种金属散热装置及设有其的LED光源模组。

背景技术

目前的大功率LED封装多数采用陶瓷基板、铝基板或铜基板上阵列式封装LED芯片技术。大功率的LED阵列光源通过增加LED芯片数量或提高单颗LED芯片的输出，当单颗LED芯片的输出达到瓶颈时，只有通过增加LED芯片的数量来提升LED阵列光源的输出。但随着LED芯片数量增加后，各芯片的PN结发热量有高有低，随着LED阵列光源芯片数量的增加。但LED通过散热器散热时，散热器存在边缘比中心散热快，中心热堆积使得中心LED与边缘LED散热温差越来越大。而为了保证LED光源产品的寿命，通常依据中心LED作为温度警戒点，导致LED阵列光源散热系统越来越严格。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能快速散发热量的金属散热装置及设有其的LED光源模组。

本实用新型采取的技术方案是，一种金属散热装置，包括从上到下依次设置的线路层、绝缘层、蒸发层、工质和冷凝层；蒸发层、工质和冷凝层组成真空腔体层，真空腔体层内为真空环境；外置的LED芯片安装于线路层上，并将LED芯片发光产生的热量通过蒸发层散发，蒸发层吸收热量并传递到工质，工质在真空腔体层提供的真空环境下快速吸收热量，产生汽化现象，汽化后的工质体积迅速膨胀，并在汽化后的工质接触到冷凝层时，产生凝结现象，通过凝结现象释放出蒸发时累积的热量，从而将LED芯片发光产生的热量快速散发出去。

本实用新型中，LED芯片发光产生的热量主要通过线路层、绝缘层、蒸发层、工质和冷凝层散发，其中，蒸发层、工质和冷凝层组成真空腔体层，真空腔体层的内部为真空环境，其中真空环境包括完全真空环境和不完全真空环境，通过调整真空度，能改变工质的沸点，例如：水在7000Pa的沸点是39℃；工质能快速吸收周围的热量，并进行蒸发、汽化和凝结操作，蒸发层汽化后出现气压降低，工质不断流向蒸发层；汽化后的工质体积迅速膨胀充满整个腔体，并与冷凝层接触，在冷凝层冷凝液化，而冷凝层的液体被高气压挤压到低气压的蒸发层，再次给蒸发层散热，从而有效给LED芯片散热，特别是能有效降低大功率LED光源的最高结温。

其中，线路层是金属线路，具有导电功能，用于给LED芯片供电，且快速将热量传导到绝缘层和真空腔体层进行散热。

工质是实现热、功转换的工作物质，是借以完成热能与机械能相互转换的媒介物质。热能与机械功的相互转换是通过工质一系列的状态变化来实现的。本实用新型利用工质做工膨胀，将热能转化为机械能，达到制冷的目的，实现给LED芯片降温。

蒸发层与工质、冷凝层组成一个内壁具有微细结构的真空腔体；通过工质在低真空度的环境中受热后汽化，遇冷后冷凝的现象，实现热面到冷面热量快速传导，且实现热面各点温度均匀。

冷凝层可包含散热鳍片，散热鳍片可为铜材或其他金属材料，散热鳍片与冷凝层一体或分体设计。

进一步地，所述真空腔体层内布设有毛细管道，蒸发层和冷凝层分别设在毛细管道的两端，工质在毛细管道内流动；靠近蒸发层的工质受热汽化，汽化后的工质体积膨胀，在接触到冷凝层后凝结液化，凝结液化后的工质通过毛细管道再次回到蒸发层的表面进行吸热，如此重复循环将LED芯片发光产生的热量不断散发出去。

毛细管道内设有用于吸收工质的毛细结构，毛细管道在真空腔体内布设越全，热传导越好。本实用新型中，毛细管道至少占据真空腔体内空间的80％。本实用新型中，毛细管道分别与蒸发层和冷凝层相连，当蒸发层吸收热量后，靠近蒸发层的工质在真空环境下快速吸收热量，吸收热量后产生汽化现象，汽化后的冷却液体积迅速膨胀充满整个真空腔体层，当汽化的冷却液接触到冷凝层时，汽化的冷却液产生凝结现象，并通过凝结现象释放出在蒸发时累积的热，而在凝结层液化的工质会通过毛细管道回流道到蒸发层的表面进行再次吸热，如此往复循环，不断给LED芯片散热，从而保证LED芯片的正常工作。

进一步地，本实用新型的线路层和蒸发层采用一体化的结构设计，线路层所形成的线路直接刻印在蒸发层上。

现有技术一般是在均热板上安装铜基板，再在铜基板上印刷电路，这种设计为分体是的结构设计。而本申请是直接在蒸发层上刻线路，形成线路层，即蒸发层和线路层在同一导电金属板上设计，省去了铜基板，减少了安装空间和成本。

进一步地，所述线路层为金属铜箔，LED芯片发光产生的热量通过金属铜箔传递给绝缘层和真空腔体层进行散热。

进一步地，所述绝缘层为高导热绝缘固定胶，具有绝缘和粘接金属的功能，并将线路层与真空腔体层粘接固定。

进一步地，所述蒸发层的上表面设有若干个凸起的台阶，凸起的台阶边缘与绝缘层连接，所述线路层与凸起的台阶处于同一高度；LED芯片产生的热量通过蒸发层的台阶传递到真空腔体层散热。

由于线路层和凸起的台阶通过焊接散热，处于同一高度方便焊接工艺操作，同时也能使其表面更平整美观。

进一步地，所述工质为吸收热量后快速汽化的冷却液体，所述冷却液体为水、甲醛或丙酮。

利用冷却液体作为工质在受热之后具有良好的膨胀性能和巨大的做功本领，且具有较好的流动性和安全可靠，无污染。冷却液体在蒸发层吸收热量后蒸发，蒸发层气压升高，冷凝层的气压相对较低，汽化的冷却液从高气压向低气压挤压，在冷凝层冷凝液化后，造成冷凝层的气压升高，进而再次被挤压到蒸发层。如此重复循环进行散热。

进一步地，所述真空环境为不完全真空环境。

所述的不完全真空环境为低真空环境。

进一步地，不完全真空环境的真空度设置在1000Pa～40000Pa之间。

一种LED光源模组，包括上述的金属散热装置，还包括若干LED芯片和散热基板，所述LED芯片阵列排布安装于散热基板上，并与散热基板一一对应设置，所述金属散热装置与散热基板的下表面相接，LED芯片发光产生的热量通过散热基板传递到金属散热装置的真空腔体层进行散热。

现有技术中的LED光源模组一般没有设置金属散热设置，而仅仅通过铜或铝基板以及散热器给LED芯片进行散热，而LED芯片是呈阵列排布的，当LED芯片同时点亮时，由于设在边缘的LED芯片比LED芯片的中心散热快，因此导致了LED芯片的中心比LED芯片边缘的结温很高。在实际操作中，为保证所有LED芯片能正常运行，一般都会以LED芯片中心的温度作为温度警戒点，从而导致了LED阵列光源散热系统越来越严格。

本实用新型的LED光源模组，除设置散热基板和散热器对LED芯片进行散热外，更重要的是还设置了金属散热装置对LED芯片进行散热，金属散热装置能将任意位置的LED芯片的热量进行快速散发，实现LED芯片中心的温度与边缘的温度一致或基本一致。

进一步地，所述散热基板包括从上到下依次布置的上表面线路层、氮化铝基材、下表面线路层和下表面散热片，所述LED芯片安装于散热基板的上表面线路层上，所述金属散热装置与散热基板的下表面线路层连接，LED芯片发光产生的热量通过散热基板的上表面线路层、氮化铝基材和下表面线路层，传导到真空腔体层的蒸发层上。

氮化铝基材是绝缘高导热材料，散热系数在170-200W\/m·k，通过氮化铝基材实现热电分离结构。LED芯片发出的热量通过散热基板的上表面金属线路层、氮化铝基材和下表面散热片传导到金属散热装置凸起的台阶上；另一方面，LED芯片通过散热基板的上表面线路层、下表面线路层和金属散热装置的线路层进行供电导通。这种封装方式为热电分离。

进一步地，所述LED芯片通过高导热银胶或锡膏焊接于散热基板上，所述散热基板通过高导热银胶或锡膏焊接到真空腔体层上。

进一步地，还包括散热器，所述散热器安装于金属散热装置的下表面，并与真空腔体层连接，LED芯片发光产生的热量依次通过散热基板、真空腔体层传导到散热器上，进行散热。

本实用新型中，LED芯片的热量先通过散热基板传导到金属散热装置上，金属散热装置将大部分热量散发后，再将多余的热量通过高导热膏传导到散热器上。

当LED芯片呈阵列排布时，任意位置的LED芯片均可通过金属散热装置将热量传导到散热器或散热鳍片上，从而实现LED芯片中心和边缘的温度一致或基本一致。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)通过设置金属散热装置，能快速散发LED芯片产生的热量，特别是快速散发了阵列排布的LED芯片中心的热量，降低了LED芯片中心的最高结温，实现LED芯片中心和边缘的温度一致或基本一致。

(2)对于同种规格的大功率LED光源，本实用新型通过设置金属散热装置对LED芯片进行散热，相对地降低了LED光源模组的其他散热结构原来所需的苛刻条件，或降低了主动散热风扇原来所需的转速以及噪音分贝。

附图说明

图1为本实用新型金属散热装置的结构图。

图2为本实用新型LED光源模组的结构图。

图3为现有技术LED光源模组的结构图。

图4为LED芯片阵列分布图。

图5为LED芯片红外测温图。

图6为两种方案LED芯片结温曲线图

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，一种金属散热装置，包括从上到下依次设置的线路层11、绝缘层12、蒸发层13、工质14和冷凝层15；蒸发层13、工质14和冷凝层15组成真空腔体层，真空腔体层内为真空环境；外置的LED芯片安装于线路层11上，并将LED芯片发光产生的热量通过蒸发层13散发，蒸发层13吸收热量并传递到工质14，工质14在真空腔体层提供的真空环境下快速吸收热量，产生汽化现象，汽化后的工质体积迅速膨胀，并在汽化后的工质接触到冷凝层时，产生凝结现象，通过凝结现象释放出蒸发时累积的热量，从而将LED芯片发光产生的热量快速散发出去。

所述真空环境为低真空环境，其真空度设置在1000Pa～40000Pa之间。

如图1所示，所述真空腔体层33内布设有毛细管道141，蒸发层13和冷凝层15分别设在毛细管道141的两端，工质在毛细管道141内流动；靠近蒸发层13的工质受热汽化，汽化后的工质体积膨胀，在接触到冷凝层15后凝结液化，凝结后的工质通过毛细管道141再次回到蒸发层13的表面进行吸热，如此重复循环将LED芯片发光产生的热量不断散发出去。

所述线路层11和蒸发层13采用一体化的结构设计，线路层11所形成的线路直接刻印在蒸发层13上。

所述线路层11为金属铜箔，LED芯片发光产生的热量通过金属铜箔传递给绝缘层12和真空腔体层进行散热。

所述绝缘层12为高导热绝缘固定胶，具有绝缘和粘接金属的功能，并将线路层11与真空腔体层粘接固定。

如图1所示，所述蒸发层13的上表面设有若干个凸起的台阶131，凸起的台阶131边缘与绝缘层12连接，所述线路层11与凸起的台阶131处于同一高度；；LED芯片产生的热量通过蒸发层的台阶传递到真空腔体层33散热。

所述工质14为吸收热量后快速汽化的冷却液体。本实用新型利用工质14做工膨胀，将热能转化为机械能，达到制冷的目的，实现给LED芯片降温。

如图2所示，一种LED光源模组，包括上述的金属散热装置，还包括若干LED芯片31和散热基板32，所述LED芯片31安装于散热基板32上，并与散热基板32一一对应设置，所述金属散热装置的真空腔体层33与散热基板32的下表面相接，LED芯片31发光产生的热量通过散热基板32传递到真空腔体层33的蒸发层13进行散热。

所述散热基板32包括从上到下依次布置的上表面线路层321、氮化铝基材322、下表面线路层323和下表面散热片324，所述LED芯片31安装于散热基板32的上表面线路层321上，所述真空腔体层33与散热基板32的下表面线路层323连接，LED芯片发光产生的热量通过散热基板32的上表面线路层321、氮化铝基材322和下表面线路层323，传导到真空腔体层33上。

其中，散热基板32的下表面线路层323与蒸发层13凸起的台阶131连接。

所述LED芯片31通过高导热银胶或锡膏焊接于散热基板32上，所述散热基板32通过高导热银胶或锡膏焊接到真空腔体层33上。

如图2所示，还包括散热器34，所述散热器34安装于真空腔体层33的下表面，并与真空腔体层33连接，LED芯片31发光产生的热量依次通过散热基板32、真空腔体层33传导到散热器34上，进行散热。所述散热器34为散热鳍片。

本实施例为进一步证明LED芯片的中心得到有效散热，进行了如下测试：

现有方案测试：制作1000W的LED阵列光源A，用1000W的散热器对LED光源进行辅助散热，在25℃环境温度下点亮30分钟，再使用红外测温仪记录每颗LED芯片的结温；

本实用新型测试：制作1000W的LED阵列光源B，用1000W的散热器对LED光源进行辅助散热，在25℃环境温度下点亮30分钟，再使用红外测温仪记录每颗LED芯片的结温。

如图3所示，现有方案的散热装置包括散热基板22和散热器23，散热基板22由铜或铝基板组成，LED芯片21呈阵列排布，LED芯片21发光产生的热量通过散热基板22传导到散热器23上，进行散热。

如图4所示，为LED阵列光源A、B的LED芯片阵列分布图。

现有方案与本实用新型方案芯片结温测试数据如下表所示：

其中：D01-D91为LED芯片编号，sampleA01-03为现有方案数据，sampleB01-03为本实用新型方案数据。D01-D91的LED芯片排布以及编号位置如图5所示。

设计图

一种金属散热装置及设有其的LED光源模组论文和设计

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