(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 208567613 U(45)授权公告日 2019.03.01
(21)申请号 201820918429.2(22)申请日 2018.06.13
(73)专利权人 中国科学院工程热物理研究所
地址 100190 北京市海淀区北四环西路11
号(72)发明人 张桂英 胡学功
(74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任
公司 11021
代理人 张成新(51)Int.Cl.
F28D 15/04(2006.01)F28F 21/08(2006.01)F21V 29/51(2015.01)F21V 29/89(2015.01)F21Y 115/10(2016.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图5页
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
CN 208567613 U(54)实用新型名称
发热源的散热装置(57)摘要
本实用新型提供一种发热源的散热装置，所述发热源为板状发热源并且相对于水平面至少部分倾斜，所述散热装置包括：导热板，设置在板状发热源的一侧以与板状发热源传热接触；散热组件，设置在导热板的相对发热源的相反侧，散热组件连接到导热板的外周部分，以与导热板围成封闭的蒸汽腔，蒸汽腔适于存储液态相变散热介质；以及位于蒸汽腔中且与导热板传热接触的板状的多孔介质吸液芯，其中，多孔介质吸液芯适于吸取液态相变散热介质，使得液态相变散热介质吸热后转化为气体进入蒸汽腔，并在蒸汽腔中通过散热组件再次冷凝成液态以被多孔介质吸液芯重新吸取。
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权 利 要 求 书
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1.一种发热源的散热装置，所述发热源为板状发热源并且相对于水平面至少部分倾斜，其特征在于，所述散热装置包括：
导热板，设置在板状发热源的一侧以与板状发热源传热接触；散热组件，设置在所述导热板的相对发热源的相反侧，所述散热组件连接到所述导热板的外周部分，以与所述导热板围成封闭的蒸汽腔，所述蒸汽腔适于存储液态相变散热介质；以及
位于所述蒸汽腔中且与导热板传热接触的板状的多孔介质吸液芯，其中，所述多孔介质吸液芯适于吸取所述液态相变散热介质，使得所述液态相变散热介质吸热后转化为气体进入蒸汽腔，并在蒸汽腔中通过散热组件再次冷凝成液态以被多孔介质吸液芯重新吸取。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述散热组件包括：设置在蒸汽腔顶端的顶端盖；设置在蒸汽腔底端的底端盖；
连接顶端盖和底端盖的散热部分，所述散热部分形成蒸汽腔的与导热板相对的拱形内壁面，所述拱形内壁面的外侧连接有散热翅片。
3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，还包括：在蒸汽腔中围绕多孔介质吸液芯设置的隔板，在所述隔板与多孔介质吸液芯之间形成导向通道，以引导多孔介质吸液芯中的液态相变散热介质转化成的气体向上流动。
4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述板状发热源和导热板通过热界面材料连接。
5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，在所述多孔介质吸液芯中，相对靠近底部的孔比相对靠近顶部的孔的孔径小，密度大。
6.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，在所述顶端盖的中心设置一个可封闭的孔，所述孔用于向所述蒸汽腔内输入液态相变散热介质或者抽取所述蒸汽腔的空气。
7.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述蒸汽腔的拱形内壁面涂有疏水材料。
8.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，在所述底端盖的内表面上设置有多个微槽道，用于引导液态相变散热介质均匀流向所述多孔介质吸液芯的底部。
9.根据权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述微槽道的顶部与所述多孔介质吸液芯的底部具有间隙。
10.根据权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述微槽道与所述多孔介质吸液芯垂直或者形成一锐角。
11.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述发热源为侧发光LED灯的发光芯片。
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说 明 书发热源的散热装置
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技术领域
[0001]本实用新型涉及散热领域，尤其涉及一种发热源的散热装置。
背景技术
[0002]发光源，例如LED灯具，其大部分的输入功率会转化为热量，热量的累积会造成发光源温度的升高，使发光源谱线漂移、光效降低、寿命缩短。因此，散热装置是大功率发光源例如LED灯具设计中的关键部件。常见的型材散热、热管的散热能力有限，难以对大功率发光源产生良好的散热效果。液体相变散热成为目前解决大功率发光源散热的主流技术。[0003]液体相变散热已用于解决底发光LED灯具的散热问题。随着社会对环保节能的认知强烈，大功率投光灯、诱鱼灯等侧发光LED灯具使用越来越广泛。对于侧发光LED灯具，由于其发热源相对于水平面至少部分倾斜，而相变液体的流动受到重力的影响，难以浸润发热源进行有效的散热，因此，目前尚无可行的液体相变散热解决方案。实用新型内容
[0004]本实用新型旨在提供一种用于发热源，特别是侧发光LED灯的散热装置，以解决发热源至少部分倾斜时难以通过液体相变散热有效散热的问题。[0005]本实用新型的实施例提供一种发热源的散热装置，所述发热源为板状发热源并且相对于水平面至少部分倾斜，所述散热装置包括：[0006]导热板，设置在板状发热源的一侧以与板状发热源传热接触；[0007]散热组件，设置在导热板的相对发热源的相反侧，散热组件连接到导热板的外周部分，以与导热板围成封闭的蒸汽腔，蒸汽腔适于存储液态相变散热介质；以及[0008]位于蒸汽腔中且与导热板传热接触的板状的多孔介质吸液芯，其中，多孔介质吸液芯适于吸取液态相变散热介质，使得液态相变散热介质吸热后转化为气体进入蒸汽腔，并在蒸汽腔中通过散热组件再次冷凝成液态以被多孔介质吸液芯重新吸取。[0009]根据一些实施例，散热组件包括：[0010]设置在蒸汽腔顶端的顶端盖；[0011]设置在蒸汽腔底端的底端盖；
[0012]连接顶端盖和底端盖的散热部分，散热部分形成蒸汽腔的与导热板相对的拱形内壁面，拱形内壁面的外侧连接有散热翅片。[0013]根据一些实施例，散热装置还包括：在蒸汽腔中围绕多孔介质吸液芯设置的隔板，在隔板与多孔介质吸液芯之间形成导向通道，以引导多孔介质吸液芯中的液态相变散热介质转化成的气体向上流动。[0014]根据一些实施例，板状发热源和导热板通过热界面材料连接。[0015]根据一些实施例，在多孔介质吸液芯中，相对靠近底部的孔比相对靠近顶部的孔的孔径小，密度大。
[0016]根据一些实施例，在顶端盖的中心设置一个可封闭的孔，孔用于向蒸汽腔内输入
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说 明 书
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液态相变散热介质或者抽取蒸汽腔的空气。[0017]根据一些实施例，蒸汽腔的拱形内壁面涂有疏水材料。[0018]根据一些实施例，在底端盖的内表面上设置有多个微槽道，用于引导液态相变散热介质均匀流向多孔介质吸液芯的底部。[0019]根据一些实施例，微槽道的顶部与多孔介质吸液芯的底部具有间隙。[0020]根据一些实施例，微槽道与多孔介质吸液芯垂直或者形成一锐角。[0021]根据一些实施例，发热源为侧发光LED灯的发光芯片。[0022]与现有技术相比，本实用新型至少具有以下优点：[0023]本实用新型实施例提供的发热源的散热装置，有效解决了发热源的散热问题，特别适用于侧发光的发光源，例如侧发光的LED灯，通过设置导热板、散热组件、多孔介质吸液芯，并利用液体循环相变进行散热，有效解决了侧发光的发光源的散热问题。附图说明
[0024]通过下文中参照附图对本实用新型所作的描述，本实用新型的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本实用新型有全面的理解。
[0025]图1是本实用新型的一个实施例的散热装置的立体结构示意图；[0026]图2是图1的散热装置的侧面结构示意图；[0027]图3是图2的散热装置的A-A截面图；
[0028]图4A和4B分别是图1的散热装置中的底端盖的侧面和平面结构示意图；以及[0029]图5是本实用新型的另一个实施例的散热装置的侧面结构示意图。
具体实施方式
[0030]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。另外，附图只是示意示出本实用新型的实施例，其不一定按比例绘制。
[0031]除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。[0032]本实用新型提供一种发热源的散热装置，该散热装置利用液体转化成气体吸收热量的特性，将液体存储在金属多孔介质吸液芯中，当发热源的热量传递到金属多孔介质吸液芯时，金属多孔介质吸液芯中的液体会吸收热量转化成气体，气体碰到蒸汽腔壁会释放热量转化成液体，从而实现散热的目的。
[0033]本实用新型特别适用于其中发热源相对于水平面至少部分地倾斜的应用场合，例如侧发光的LED灯的发光芯片。对于侧发光LED灯具，由于其发热源相对于水平面至少部分倾斜，而相变液体的流动受到重力的影响，难以浸润发热源进行有效的散热。这里，侧发光是指发光源(例如LED灯具)侧向发光，其发热源相对于水平面至少部分地倾斜。典型的侧发光的光源装置例如有水平发光的LED灯具。
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说 明 书
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下面结合附图对本实用新型的发热源的散热装置的示例性实施例进行详细的描
述。
图1是根据本实用新型的一个实施例的发热源的散热装置100的立体结构示意图。
图2是图1的散热装置100的左侧示意图。图3是图2的散热装置的 A-A截面图。[0036]如图1和图3所示，发热源的散热装置100用于对板状发热源2散热，板状发热源2相对于水平面至少部分地倾斜；散热装置100包括导热板6，设置在板状发热源2的一侧以与板状发热源2传热接触；散热组件3，设置在导热板6 的相对板状发热源2的相反侧，散热组件3连接到导热板6的外周部分，以与导热板6围成封闭的蒸汽腔30，蒸汽腔30适于存储液态相变散热介质；以及位于蒸汽腔30中且与导热板6传热接触的板状的多孔介质吸液芯7，其中，多孔介质吸液芯7适于吸取液态相变散热介质，使得液态相变散热介质吸热后转化为气体进入蒸汽腔30，并在蒸汽腔30中通过散热组件再次冷凝成液态以被多孔介质吸液芯重新吸取。
[0037]根据上述结构，通过设置导热板、散热组件、多孔介质吸液芯，并通过相变散热介质的循环相变散热，可以有效地冷却板状发热源2。板状发热源2例如是LED灯的发光芯片，特别是大功率投光灯、诱鱼灯等侧发光LED灯。
[0038]板状发热源2产生的热量通过导热板6传递到与导热板6传热接触的板状的多孔介质吸液芯7中，导热板6是由低密度、高导热性能的材料制成的，例如可以是铝合金。导热板6用低密度的材料制成，可以降低整个装置的重量，使得整个散热装置更加轻便，导热板6良好的导热性能可以更好的将板状发热源2产生的热量传递到蒸汽腔中。多孔介质吸液芯7内部充满了液态相变散热介质，热量被多孔介质吸液芯7内部的液态相变散热介质吸收，液态相变散热介质吸收热量后会产生相变，也即是从液态转化成气态。多孔介质吸液芯7例如为金属多孔介质，即泡沫金属，导热系数高，比表面积大，可以增大固液接触面积；金属多孔介质的孔径范围可以做到纳米级，可以提升液体浸润高度，改善散热效果。
[0039]多孔介质吸液芯7中的液体相变产生的气体在浮升力的作用下从多孔介质吸液芯7的顶部溢出，进入蒸汽腔30。气体碰到蒸汽腔30的内壁会凝结，将热量传递给蒸汽腔30的腔体，再通过外部空气的流动作用，将蒸汽腔30的腔体上的热量传递到环境中。蒸汽腔30内部凝结的液珠在重力的作用下沿着蒸汽腔 30的内壁下滑，流入到蒸汽腔30的底部。然后，底部上的液体会再次进入多孔介质吸液芯7的孔中，实现液体的相变循环。[0040]继续参见图1，根据优选的实施例，散热组件3包括：设置在蒸汽腔30顶端的顶端盖31；设置在蒸汽腔30底端的底端盖32；连接顶端盖31和底端盖32 的散热部分33，散热部分33形成蒸汽腔30的与导热板6相对的拱形内壁面35，拱形内壁面35的外侧连接有散热翅片36。
[0041]板状发热源2产生的热量通过导热板6传递到与导热板6传热接触的板状的多孔介质吸液芯7中，热量被多孔介质吸液芯7内部的液态相变散热介质吸收，液态相变散热介质吸收热量后会产生相变。产生的气体从多孔介质吸液芯7 的顶部溢出，进入蒸汽腔30。[0042]气体碰到蒸汽腔30的内壁会凝结，将热量传递给蒸汽腔30的腔体，再通过外部空气的流动作用，将蒸汽腔30的腔体上的热量传递到环境中，腔体的拱形内壁面35会加大空气与蒸汽腔30的接触面积，加快热量的散失。拱形内壁面35离多孔介质吸液芯7表面的最大距离可以为2-10mm。拱形内壁面35的外侧连接有散热翅片36，散热翅片36可以有多个，多个
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散射翅片可以呈发射状，每个散热翅片的厚度范围可以是0.5-3mm，翅片根的间距可以是1-5mm。蒸汽腔30中的气体在拱形内壁面35处转化成液体时，将热量传递到散热翅片上，通过翅片的导热和与空气的对流，带走这些热量。散热翅片的数量多，并且单个散热翅片的表面积大，增大了与空气的接触总面积，从而使得热量能够快速传递，增强了散热的效果。[0043]继续参见图1，根据优选的实施例，散热装置100还包括在蒸汽腔30中围绕多孔介质吸液芯7设置的隔板11，隔板11的厚度范围例如在0.2～1mm之间，在隔板11与多孔介质吸液芯7之间形成导向通道，以引导多孔介质吸液芯7中的液态相变散热介质转化成的气体向上流动。
[0044]多孔介质吸液芯7中存在着大量密布的小孔，因此，在多孔介质吸液芯7 的中下部也会有气体溢出，如果没有隔板11，这些气体可能会直接接触到蒸汽腔的中下部，从而不能充分利用整个拱形内壁面散热，降低了冷却效果。隔板 11围绕多孔介质吸液芯7设置，可以将多孔介质吸液芯7产生的气体尽可能的引导到蒸汽腔30的顶部，之后，气体从蒸汽腔30顶部开始冷凝，并沿拱形内壁面35向下流动，从而能够更好地将热量经由大面积的散热翅片散发出去，从而最大化的利用蒸汽腔的拱形内壁面35进行散热，使得冷却效果大大增强。隔板11与多孔介质吸液芯7之间的间距可以为0.5-2mm。[0045]继续参见图1，在优选的实施例中，板状发热源2和导热板6通过热界面材料1连接。热界面材料是高导热性能和高延展性的材料，例如可以是导热硅胶，也可以是导热硅脂。热界面材料1设置在板状发热源2与导热板6之间，可以大大降低接触热阻。因此，热界面材料可以有效增强板状发热源2与导热板6 的导热性能。[0046]根据优选的实施例，在金属多孔介质吸液芯7中，排列在相对靠近底部的孔比相对靠近顶部的孔的孔径小，密度大。即，在多孔介质吸液芯7中，孔的排列是非均匀的，且孔的大小也是不一样的。例如，底部的孔的孔径范围是0.05-0.1mm，顶部的孔的孔径范围是0.1-0.5mm，因而底部的孔的密度大，顶部的孔的密度小。底部的孔的孔径设置得相对较小是为了更好地利用毛细作用吸收液体，顶部的孔的孔径设置得相对较大是为了便于液体转化的气体更好地溢出。
[0047]多孔介质吸液芯7的制作材料可以是金属多孔介质。金属多孔介质具有较高的导热系数，也即是具有良好的导热性能，可以是泡沫铜，也可以是泡沫铝，当然也可以是其他具有良好导热性能的金属。多孔介质吸液芯7的内部孔隙率为40％-85％。这里的“孔隙率”是指多孔介质吸液芯7内部孔隙体积占总体积的百分率。孔隙率过小会使得液体与多孔介质吸液芯7内部的接触面积过小，不能很好的进行传热；孔隙率过大会导致多孔介质吸液芯7不够稳固，容易断裂。将多孔介质吸液芯7的内部孔隙率保持在40％-85％既可以使得多孔介质吸液芯7内部与液体接触面积较大，又可以使得多孔介质吸液芯7比较稳固。[0048]继续参见图1，在优选的实施例中，在顶端盖31的中心设置一个可封闭的孔5，孔5用于向蒸汽腔30内输入液态相变散热介质液体或者抽取蒸汽腔30的空气。孔的直径范围例如是2-6mm。孔5可以是密封螺纹孔，当将蒸汽腔35抽成真空或者向蒸汽腔35注入液态相变散热介质液体后，利用细螺纹螺钉对整个散热器进行密封。将整个蒸汽腔35抽成真空不仅有助于液体的蒸发，更有助于气体的冷凝，能大大加快液体相变循环的速率，提高冷却的效果。理论上液体的相变循环可以没有任何损耗，但是在实际操作中难以达到，因此，蒸汽腔30 中的液体的相变循环达到一定程度时，液体会逐渐减少，需要从孔5向蒸汽腔 30中输入
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液体使得液体的相变循环可以持续。[0049]根据优选的实施例，蒸汽腔的拱形内壁面35优选为铝合金材料，内壁面光滑，涂有疏水材料。疏水材料是指难以与水结合的材料，甚至可以说是难以与液体结合的材料。疏水材料不仅难以与液体结合，而且还会降低与液体的接触时间。在蒸汽腔30的拱形内壁面涂有疏水材料，可以使得转化后的液体迅速下落，从而加快液体的相变循环，增强散热的效果。
[0050]参见图1和图4A、4B，根据优选的实施例，在底端盖32的内表面上设置有多个微槽道9，用于引导液态相变散热介质均匀流向多孔介质吸液芯7的底部。多个微槽道9大致平行布置，沿着从蒸汽腔30的拱形内壁面35到多孔介质吸液芯7的方向延伸。底端盖32可以是带有微槽道9的铝合金块体8，微槽道9 在铝合金块体8的顶表面上刻槽形成。微槽道9可以实现铝合金块体的均匀布液。微槽道的宽在0.1-0.5mm之间，槽深在0.1-1mm之间，槽间距在0.1-1mm 之间。当蒸汽腔30中的液体顺着拱形内壁面35流下，进入微槽道9内，微槽道可以将液体汇聚起来，然后流向多孔介质吸液芯7的底部，这样可以便于多孔介质吸液芯7均匀吸收液体，加快液体相变循环。[0051]根据优选的实施例，微槽道9的顶部与多孔介质吸液芯7的底部具有间隙 13。因为在注液的过程中，有时液体会漫过微槽道9，微槽道9的顶部与多孔介质吸液芯7的底部具有间隙就能使得多孔介质吸液芯7底部的全部面积都用于吸收液体，不至于因为多孔介质吸液芯7底部的部分区域与微槽道9的顶端接触而影响吸收效率。间隙的宽度范围例如是0.5mm-5mm。
[0052]图3是发热源的散热装置100的截面图。如图3所示，板状发热源2的散热装置100包括散热翅片36、热界面材料1、顶端盖31、设置在顶端盖31中心的孔5、导热板6、多孔介质吸液芯7、底端盖32、设置在底端盖32的顶面的微槽道9、蒸汽腔30以及隔板11。[0053]根据优选的实施例，微槽道9与多孔介质吸液芯7垂直或者形成一锐角。这样当散热装置应用于不同的场景下，均可以保证液体可以快速流到多孔介质吸液芯7的底部。例如，通过将底端盖32的铝合金块体8的顶表面设置为相对于多孔介质吸液芯7垂直或者形成一锐角，从而使得微槽道9与多孔介质吸液芯7垂直或者形成一锐角。
[0054]图4A和4B分别是散热装置100的底端盖的侧面和平面结构示意图。如图 4A-4B所示，底端盖32的内表面上设置有多个微槽道9，微槽道9与水平面具有一定的角度，也即是微槽道9与多孔介质吸液芯7形成一锐角，底端盖32的圆弧面81对应的是蒸汽腔30的拱形内壁面，当液体从蒸汽腔30的拱形内壁面流下，到达圆弧上的某个位置时，由于微槽道9与水平面具有一定的角度，在重力的影响下，液体会从圆弧上的一点沿着微槽道9的渠道流到微槽道9的末端，微槽道9末端对应着多孔介质吸液芯7的底部。本实施例可以应用于水平工作的发热源，例如水平发光的LED灯具，如投光灯、诱鱼灯，其中，其发光芯片(板状发热源)是垂直于水平面的；也可以应用于斜向上发光的LED灯具 (相当于图1的装置整体向右侧倾斜)，此时，微槽道9与多孔介质吸液芯7形成的锐角更小，以保证微槽道9与水平面具有一定的角度，以便于液体在重力的影响下沿着微槽道9流向多孔介质吸液芯7的底部。
[0055]微槽道9与多孔介质吸液芯7垂直的实施例适合应用于斜向下发光的LED 灯具(相当于图1的装置整体向左侧倾斜)，这样微槽道9虽然与多孔介质吸液芯7垂直，但还是与水平面呈一定的夹角，液体可顺利沿微槽道流向多孔介质吸液芯7的底部。
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根据优选的实施例，散热翅片外侧可采用空气自然对流散热，也可以采用空气强
制对流散热，例如，可以在散热装置中安装风扇，对散热装置形成自下而上的空气流动，可以进一步提高散热的效果。图5是根据本实用新型的一个实施例的发热源的散热装置的结构示意图。如图5所示，在散热翅片36上方设置了风扇12，从而形成自下而上的空气流动，加快了散热翅片36的热量传递。该实施例的其它方面与图1的实施例相同，在此不再赘述。当然，在其他的实施例中也可以设置其他的辅助冷却装置，只要能加快散热翅片附近的空气流动即可。
[0057]上述实施例中的发热源以侧发光LED灯的发光芯片为例来说明，但是本领域人员应该可以理解，侧发光LED灯的发光芯片只是发热源的一个具体例子，凡是可以散发热量的物体均属于本实用新型所指的发热源。
[0058]本实用新型采用金属多孔介质吸液芯来实现液体的相变，从而实现发热源的散热。金属多孔介质即泡沫金属，导热系数高，比表面积大，可以增大固液接触面积；金属多孔介质的孔径范围可以做到纳米级，可以提升液体浸润高度，改善散热效果；拱形曲面蒸气腔，冷凝热阻较小，减小了散热器的整体热阻；底部微槽群与金属多孔介质吸液芯存在锐角的夹角，具有一定坡度，可加快液体流入金属多孔介质吸液芯底部，防止出现液体与金属多孔介质吸液芯之间存在空隙使相变凝结循环中断。[0059]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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图2
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说 明 书 附 图
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图3
图4A
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CN 208567613 U
说 明 书 附 图
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图4B
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说 明 书 附 图
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图5
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