一种LED阵列模块的冷却结构，LED阵列模块通过热界面材料固定在所述冷却结构的下表面，包括固液相变储热盒，固液相变储热盒包括散热基板、盖板和储热腔，盖板压装在散热基板上形成封闭的储热腔，储热腔内设有第一多孔介质和储热介质；还包括两用冷却结构，所述两用冷却结构包括一体设置在盖板外的螺旋部、冷凝壳体和冷却通道，冷却通道中设有第二多孔介质。所述LED阵列模块的冷却结构，利用固液相变储热盒配合两用吸热结构、导热网、交叉冷却管，既使得LED阵列的热量迅速直接转移至储热介质中，又为固液相变储热盒循环使用提供有效散热手段。
1.一种LED阵列模块的冷却结构，LED阵列模块通过热界面材料固定在所述冷却结构的下表面，其特征在于，
包括固液相变储热盒(20)，固液相变储热盒(20)包括散热基板(21)、盖板(22)，盖板(22)压装在散热基板(21)上形成封闭的储热腔(25)，底部贯穿上下表面地一体复合在散热基板(21)中的第一多孔介质(26)被封闭于储热腔内，液体储热介质(27)被灌注于储热腔(25)内；第一多孔介质(26)的导热系数比散热基板(21)的导热系数大50％以上，LED阵列模块通过热界面材料固定在散热基板(21)的下表面；
还包括两用冷却结构(30)，所述两用冷却结构(30)包括一体设置在盖板(22)外的螺旋部(31)，所述两用冷却结构还可选择地包括于盖板22外侧密封地固定在散热基板上的冷凝壳体(32)，使得冷凝壳体(32)、盖板(22)和螺旋部(31)形成连续的冷却通道(33)，冷却通道(33)中设有第二多孔介质(34)，第二多孔介质(34)的顶部抵接冷凝壳体(32)的内表面，第二多孔介质(34)的底部一体焊接在盖板(22)的外表面，第二多孔介质(34)的两侧抵接螺旋部；
所述两用冷却结构(30)有使用模式一和使用模式二，使用模式一为拆卸掉冷凝壳体(32)，使得螺旋部(31)和第二多孔介质(34)裸露在空气中；使用模式二为冷凝壳体设置在螺旋部(31)外且密封地压装在散热基板(21)上，使得冷凝壳体(32)、盖板(22)和螺旋部(31)形成封闭且连续的冷却通道(33)。
2.如权利要求1所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，还包括导热网(40)，所述导热网(40)包括横竖交叉编织的经线(41)和纬线(42)，导热网(40)一体固化在散热基板(21)中，经线和纬线的自由端伸出散热基板侧面并向上折弯形成散热段(43)，所述散热段(43)位于冷却通道(33)中。
3.如权利要求1所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，第一多孔介质(26)中间位置交叉穿设交叉冷却管(50)，所述交叉冷却管(50)在冷凝壳体(32)外软管首尾相连，交叉冷却管(50)一端为冷却管入口(51)，另一端为冷却管出口(52)，交叉冷却管(50)与冷却通道(33)串联/并联连接。
4.如权利要求1所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，所述螺旋部(31)包括首尾相接的周螺旋部(31.1)和顶螺旋部(31.2)，冷却通道(33)中间隔设有多个第二多孔介质(34)。
5.如权利要求4所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，冷凝壳体(32)的顶部对应顶螺旋部(31.2)的中心位置设有冷却通道入口(35)，冷凝壳体(32)的周壁(32.2)设有冷却通道出口(36)，冷却液从冷却通道入口(35)进入，从顶螺旋部中心的冷却通道逐圈绕到盒体部(23)的外侧周螺旋部(31.1)的冷却通道，然后从冷却通道出口(36)流出，将固液相变储热盒(20)内的储热带走。
6.如权利要求1所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，储热介质(27)包括熔化温度为40-50℃的石蜡，储热介质(27)是抽真空条件下灌注在储热腔(25)中，仅灌注到储热腔高度(H0)的90％。
7.如权利要求6所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，所述散热基板(21)包括安装面(21.1)、散热面(21.2)和台阶法兰(21.3)，盖板(22)包括盒体部(23)和平法兰部(24)，盒体部(23)配合在台阶法兰(21.2)的竖直台阶面上，平法兰部(24)密封地压装在台阶法兰部(21.2)的法兰上形成所述储热腔(25)。
8.如权利要求7所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，第一多孔介质(26)至少填充储热腔(25)的体积的95％。
9.如权利要求1所述LED阵列模块的冷却结构，其特征在于，所述第一多孔介质(26)的熔点比散热基板(21)的熔点高至少300℃，第一多孔介质(26)的导热系数比散热基板(21)的导热系数大50％以上。
10.如具有权利要求1-9任一所述LED阵列模块的冷却结构的热性能控制方法，其特征在于，还包括控制系统和液体冷却循环系统，所述控制系统包括安装在盖板(22)外侧顶部中心位置的第一超声液位计和安装在盖板(22)周侧储热腔高度一半位置的第二超声液位计，分别测量出高度方向液体石蜡的长度和宽度方向液体石蜡的长度，控制系统由此算出液体石蜡的体积V液，所述储液腔(25)具有储液腔高度H0和储液腔直径D，固液相变储热盒(20)具有平均温度T均，所述平均温度T均在最低温度T低和最高温度T高之间，满足条件：且T均≥T高，则启动液体冷却循环系统迅速将储热腔(25)中的液态石蜡转变成固态石蜡，直到满足条件： 且T均≤T低，则停止液体冷却循环系统。
一种LED阵列模块的冷却结构
技术领域
[0001] 本发明涉及LED的技术领域，具体涉及一种LED阵列模块的冷却结构。
背景技术
[0002] LED作为一种主动自发光器件，作为不燃烧灯丝或气体的固态光照，其工作过程只有15％的电能转换成光能，其余85％的电能几乎全部转换成热能，使LED的温度升高。随着温度的增加不但LED的失效率大大增加而且LED光衰加剧、寿命缩短，因此，LED产品的性能及其可靠性，很大程度上取决于良好的散热设计，以及所采取的散热措施是否有效。
[0003] 目前的LED产品有大功率化的趋势，需散热的热流密度已经达到50-90w/cm2,较高2
的已经超过150w/cm。然而产品体积尺寸却越来越小，散热装置本身的布置和设计遇到的约束也越来越严重。传统的依靠单相流体的对流换热和强制风冷方法只能用于热流密度不大于10w/cm2的产品。现在试验经验表明，热流密度大于60w/cm2就可称为高热流密度。
[0004] 现有技术换热有风冷、液冷、热管等冷却实现方式，但是岐片散热的自然冷却仍然是商业应用的主要方式。
[0005] 风冷，普通风扇因带动周围的旋转磁场因漏磁或电火花干扰周围电子元件的正常工作，因而在LED散热中较少使用。有人研究了压电风扇，压电片形成空气腔，通过压电片上通高压直流电形成15-23KV电压，使得空气腔内离子放电产生离子风形成对LED基板背面的热沉的强制对流，换热系数是自然对流的7倍，是普通风扇的1.4倍。但这是高压电，不适于大规模商业应用。
[0006] 液冷，一般是液体流经LED安装基板的背面将热量带走。有水冷、微通道冷却、微泵冷却等，但是液体冷却，一旦达到热平衡，则试图通过增大流速来增大换热量是十分有限的,同时也带来了增大用电量的副作用，因此，单独使用是有缺陷的。
[0007] 热管，热管具有以较小温差获得较大的传热率的优点，但是传统热管由于气液同道，热管只要一弯曲，其效能便骤然降低。
[0008] 也就是说，风冷、液冷和热管均停留在实验阶段，都有其相应难以克服的缺陷，不能实现商业化应用。
[0009] 由于正面产生的热量只能从背面带走，所以散热效率差，这在一定程度上影响了LED阵列器件的使用寿命。根据热扩散路径，除了从基板背面安散失热量，也有从基板正面散失热量的。比如在基片的正面LED安装座下面安装散热层，但是热量通过LED座转移到基片的散热层，再由散热层传导至基片的背面而被风扇气流把热量带走，如此试图通过从基片背面的强制气流来散热。也有采用多个穿设在基片上LED阵列的间隔空间中的铜管来散热的，但是需要基片背面设置强制流式通风风扇才能满足冷却散热要求。这样就导致了强制流式通风风扇的用电量大为增加，也增加了制造成本。
[0010] 于是，如何能商业应用地、有效地构建紧密聚集的LED阵列的散热结构，成为业界推广LED阵列器件亟待解决的共性的难题。
发明内容
[0011] 针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种LED阵列模块的冷却结构，以低成本、高效率地转移紧密聚集的LED阵列器件的热量，并使散热措施有效。
[0012] 本发明的目的是这样实现的，一种LED阵列模块的冷却结构，LED阵列模块通过热界面材料固定在所述冷却结构的下表面，包括固液相变储热盒，固液相变储热盒包括散热基板、盖板和储热腔，盖板压装在散热基板上形成封闭的储热腔，储热腔内设有第一多孔介质和储热介质；
[0013] 还包括两用冷却结构，所述两用冷却结构包括一体设置在盖板外的螺旋部、冷凝壳体和冷却通道，冷却通道中设有第二多孔介质，第二多孔介质的顶部抵接冷凝壳体的内表面，第二多孔介质的底部一体焊接在盖板的外表面，第二多孔介质的两侧抵接螺旋部；
[0014] 所述两用冷却结构有使用模式一和使用模式二，使用模式一为拆卸掉冷凝壳体，使得螺旋部和第二多孔介质裸露在空气中；使用模式二为冷凝壳体设置在螺旋部且外且密封地压装在散热基板上，使得冷凝壳体、盖板和螺旋部形成封闭且连续的冷却通道。
[0015] 进一步地，还包括导热网，所述导热网包括横竖交叉编织的经线和纬线，导热网一体固化在散热基板中，经线和纬线的自由端伸出散热基板侧面并向上折弯形成散热段，所述散热段位于冷却通道中。
[0016] 进一步地，第一多孔介质中间位置交叉穿设交叉冷却管，所述交叉冷却管在冷凝壳体外软管首尾相连，交叉冷却管一端为冷却管入口，另一端为冷却管出口，交叉冷却管与冷却通道串联/并联连接。
[0017] 进一步地，所述螺旋部包括首尾相接的周螺旋部和顶螺旋部，冷却通道中间隔设有多个第二多孔介质。
[0018] 进一步地，冷凝壳体的顶部对应顶螺旋部的中心位置设有冷却通道入口，冷凝壳体的周壁设有冷却通道出口，冷却液从冷却通道入口进入，从顶螺旋部中心的冷却通道逐圈绕到盒体部的外侧周螺旋部的冷却通道，然后从冷却通道出口流出，将固液相变储热盒内的储热带走。
[0019] 进一步地，储热介质包括熔化温度为40-50℃的石蜡，储热介质是抽真空条件下灌注在储热腔中，仅灌注到储热腔高度的90％。
[0020] 进一步地，所述散热基板包括安装面、散热面和台阶法兰，盖板包括盒体部和平法兰部，盒体部配合在台阶法兰的竖直台阶面上，平法兰部密封地压装在台阶法兰部的法兰上形成所述储热腔。
[0021] 进一步地，第一多孔介质至少填充储热腔的体积的95％。
[0022] 进一步地，所述第一多孔介质的熔点比散热基板的熔点高至少300℃，第一多孔介质的导热系数比散热基板的导热系数大50％以上。
[0023] 一种LED阵列模块的冷却结构的热性能控制方法，还包括控制系统和液体冷却循环系统，所述控制系统包括安装在盖板外侧顶部中心位置的第一超声液位计和安装在盖板周侧储热腔高度一半位置的第二超声液位计，分别测量出高度方向液体石蜡的长度和宽度方向液体石蜡的长度，控制系统由此算出液体石蜡的体积V液，所述储热腔具有储热腔高度H0和储热腔直径D，固液相变储热盒具有平均温度T均，所述平均温度T均在最低温度T低和最高温度T高之间，满足条件： 且T均≥T高，则启动液体冷却循环系统迅速将储热腔中的液态石蜡转变成固态石蜡，直到满足条件： 且T均≤T低，则停止液体冷却循环系统。
[0024] 所述LED阵列模块的冷却结构，通过以下技术实质解决了“如何能商业应用地、有效地构建紧密聚集的LED阵列的散热结构”的技术问题：
[0025] 1)固液相变储热盒，将散热基板的热量迅速转移至储热介质中
[0026] 储热高度H0、储热直径D的储热腔中填充第一多孔介质和储热介质，第一多孔介质起到温度平均和迅速从热界面材料传热至储热介质的作用，散热基板在此的作用主要为固液相变储热盒底板密封储热介质和作为LED阵列安装板固定LED，向储热介质传热为次要功能，经检测，热流密度的90％均通过第一多孔介质传导至储热介质中。
[0027] 2)两用吸热结构和导热网，储热介质的热量转移至冷却液中，使得固液相变储热盒可循环使用
[0028] 固液相变储热盒要想循环使用，储热介质中的热量必须散失掉。两用吸热结构的冷却通道中有盒体部外一体成型的螺旋部及第二多孔介质，构成储热盒的上表面散热，导热网构成储热盒的下表面散热，上下两表面散热，使得液态储热介质迅速转变为固态冷却介质，从而使得固液相变散热技术可循环使用。
[0029] 3)交叉冷却管
[0030] 固液相变储热盒要想降低能耗，反相变且冷却到最低温度阶段的时间必须要适当，否则所耗电能过大不能应用于商业，当设计工况w/mm2高到一定值时，想通过增加单位时间通过冷却通道横截面的流量来维持降温速度已不现实，于是在固液相变储热盒内部增加交叉冷却管，所述交叉冷却管与冷却通道串联或并联连接在冷却液循环系统中，如果对降温速度有要求，则直接采用并联连接的方式，这样对固液相变储热盒从上表面、下表面和内部分别冷却，能加快反相变且冷却到最低温度阶段的速度。
[0031] 正是由上述三方面改进的协同作用，使得LED器件底座的热量和LED聚集群中的辐射热量迅速通过固液相变储热盒来转移并散发，散热效率快且散热手段有效。
[0032] 这样的技术之所以能实现商业应用，是因为LED阵列大部分使用情况是间歇使用，间歇时间有长有短，固液相变储热盒配合两用吸热结构的技术就变得非常实用，不用任何耗能，大量热量从热界面材料直接转移至固液相变储热盒的储热介质中，为LED阵列冷却提供了缓冲时间。而如果检测到储热介质已经变成液体且温度高于最高温度T高，则启动液冷循环系统，迅速固化储热介质，以便再循环利用。
[0033] 本发明与现有技术相比，LED阵列模块的冷却结构，利用固液相变储热盒配合两用吸热结构，导热网、交叉冷却管，既使得LED阵列的热量迅速直接转移至储热介质中，又为固液相变储热盒循环使用提供有效散热手段。
附图说明
[0034] 图1为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例一的主剖视图。
[0035] 图2为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例一的俯视图(拆卸冷凝壳体)。
[0036] 图3为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例一的盖板的主剖视图。
[0037] 图4为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例二的主剖视图。
[0038] 图5为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例二的俯视图(拆卸冷凝壳体)。
[0039] 图6为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例二的散热基板及导热网的俯视图。
[0040] 图7为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例三的主剖视图。
[0041] 图8为本发明一种LED阵列模块的冷却结构实施例二的热性能测试曲线。
[0042] 上述图中的附图标记：
[0043] 20固液相变储热盒，21散热基板，22盖板，23盒体部，24平法兰部,25储热腔,26第一多孔介质,27储热介质
[0044] 30两用冷却结构,31螺旋部，32冷凝壳体，33冷却通道，34第二多孔介质，35冷却通道入口，36冷却通道出口,37密封垫
[0045] 40导热网,41经线,42纬线，43散热段
[0046] 50交叉冷却管，51冷却管入口，52冷却管出口
[0047] 21.1安装面，21.2散热面，21.3台阶法兰
[0048] 31.1周螺旋部，31.2顶螺旋部
[0049] 32.1冷凝顶壳,32.2冷凝周壁,32.3法兰安装部
具体实施方式
[0050] 以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发明的范围。
[0051] 实施例一
[0052] 一种LED阵列模块的冷却结构，LED阵列模块通过导热硅脂固定在所述冷却结构的下表面，包括固液相变储热盒20，固液相变储热盒20包括散热基板21、盖板22和储热腔25，所述散热基板21包括安装面21.1、散热面21.2和台阶法兰21.3，盖板22包括盒体部23和平法兰部24，盒体部23配合在台阶法兰21.2的竖直台阶面上，平法兰部24密封地压装在台阶法兰部21.2的法兰上形成封闭的储热腔25，储热腔25具有储热腔高度H0和储热腔直径D，储热腔25内设有第一多孔介质26和储热介质27。
[0053] 第一多孔介质26至少填充储热腔25的体积的95％，第一多孔介质26底部贯穿上下表面地一体复合在散热基板21中。所述第一多孔介质26的熔点要比散热基板21的熔点高至少300℃，第一多孔介质26的导热系数比散热基板21的导热系数大50％以上，这样便于一体复合铸造成型在散热基板21中，贯穿上下表面地一体复合是为了减小界面热阻，使得LED阵列模块的热量经导热硅脂直接经第一多孔介质26传导至储热腔25内。散热基板21为铝基板时，对应多孔介质24为通孔型泡沫铜。第一多孔介质26的孔隙率在95-98％，孔径在2-3mm。
[0054] 储热介质27包括石蜡，具体为熔化温度为40.6℃、纯度98％的正21烷。储热介质27是抽真空条件下灌注在储热腔25中，为防止石蜡体积相变过程的体积改变产生过大的膨胀应力，仅灌注到储热腔高度H0的90％。
[0055] 还包括两用冷却结构30，所述两用冷却结构30包括一体设置在盖板22的盒体部23外的螺旋部31、冷凝壳体32和冷却通道33，所述冷凝壳体32包括一体成型的冷凝顶壳32.1、冷凝周壁32.2和法兰安装部32.3，所述螺旋部31包括周螺旋部31.1和顶螺旋部31.2。冷凝壳体32的法兰安装部32.3密封地固定在散热基板21的台阶法兰部21.2上，所述法兰安装部32.3与所述台阶法兰部21.2之间设有密封垫37，使得冷凝壳体32、盖板22和螺旋部31形成连续的冷却通道33，所述冷却通道33也包括顶冷却通道和周冷却通道。所述顶螺旋部31.2为阿基米德螺旋，冷却通道33中间隔设有多个第二多孔介质34，或者连续设有第二多孔介质34。第二多孔介质34的顶部抵接冷凝壳体32的内表面，第二多孔介质34的底部通过焊锡焊接在盖板22的外表面；第二多孔介质34为通孔型泡沫金属。冷凝壳体32的顶部对应顶螺旋部31.2的中心位置设有冷却通道入口35，冷凝壳体32的周壁32.2设有冷却通道出口36。
冷却液从冷却通道入口35进入，从顶螺旋部中心的冷却通道逐圈绕到盒体部23的外侧周螺旋部31.1，然后从冷却通道出口36流出，将固液相变储热盒20内的蓄热带走。
[0056] 第一多孔介质26为通孔型泡沫铜或通孔型泡沫铝，第二多孔介质34为通孔型泡沫银或通孔型泡沫石墨，散热基板21、盖板22材质为铝、铜或银。冷却通道33的横截面积至少为
[0057] 还包括控制系统，所述控制系统包括安装在盖板22外侧中心位置的第一超声液位计和安装在储热腔高度一半位置的第二超声液位计，所述超声液位计利用超声波在固态储热介质、金属壁和液态储热介质中的传播速度不同的原理，测量出高度方向液体石蜡的长度和宽度方向液体石蜡的长度，并发送给控制系统，控制系统由此算出液体石蜡的体积V液，所述储热腔25具有储热腔高度H0和储热腔直径D，固液相变储热盒20具有平均温度T均，满足条件： 且T均≥50℃，满足条件则启动液体冷却循环系统，迅速将储热腔25中的液态石蜡转变成固态石蜡，直到满足条件：
且T均≤30℃，则停止液体冷却循环系统。
[0058] 所述两用冷却结构30的好处是，当不使用冷凝壳体32时，螺旋部31和第二多孔介质34就起到散热岐片的作用，其中螺旋部31为主散热岐片，第二多孔介质34为生长在盖板22的盒体部23的副散热岐片，将热量散失在周围环境空气中，在盖板22的盒体部23外侧形成空气冷却结构，为使用模式一。当将冷凝壳体32密封地固定在散热基板21上时，冷却通道
33形成，从冷却液入口35通入冷却液，从冷却液出口36流出冷却液，则在盖板22的盒体部23外侧形成液冷结构，为使用模式二。
[0059] 上述冷却结构，固液相变储热盒20同时有两用冷却结构30用作散热岐片的散热补充，对于间歇性使用LED阵列的情况是适合的。当使用环境是长时间使用LED阵列时，两用冷却结构30用作液冷结构，在冷却通道中通入冷却液，使得液态储热介质进而再转变回固态储热介质，完成固液相变储热盒20的循环散热的要求，使得LED阵列温升一直处在30℃-50℃之间。
[0060] 实施例二
[0061] 为了更好地将液态储热介质重新转化为固态储热介质，仅有盒体部23外侧的液体冷却是不够的。
[0062] 冷却结构还包括导热网40，所述导热网40包括经线41和纬线42，导热筛网40一体固化在散热基板21中，经线和纬线的自由端伸出台阶法兰的台阶侧面并向上折弯形成位于冷却通道中的散热段43。散热段43的长度L满足：10mm
[0063] 其他结构与实施例一相同。
[0064] 实施例三
[0065] 对于储热腔高度H0在10-30mm时，两用冷却结构30和导热网40从储热腔25的上面的盖板和下面的散热基板同时散热，启动液体冷却循环使得液态石蜡变为固态石蜡的反相变时长不能太长，太长容易导致LED快速升温。
[0066] 当储热腔高度H0>30mm时，为了缩短反相变时间，除了两用冷却结构30和导热网40，我们还采用如下结构：
[0067] 第一多孔介质26中间位置交叉穿设交叉冷却管50，所述交叉冷却管50在冷凝壳体32外软管首尾连接，交叉冷却管50一端为冷却管入口51，另一端为冷却管出口52。
[0068] 交叉冷却管50可与冷却通道33串联连接在冷却液循环系统中，也可与冷却通道33并联连接在冷却液循环系统中；
[0069] 其他结构与实施例一相同。
[0070] 所述大功率LED器件100工作时，正相变时，LED内热沉直接通过导热硅脂将热量传导至散热基板21，散热基板21将热量通过第一多孔介质26传导至储热介质25中。反相变时，冷却通道中盒体部23的散热结构、导热网和交叉冷却管分别传导热量至冷却液中,保证在3min内完成反相变，从而迅速完成能量循环，本实施例能减少反相变并降温到30℃的时间。
[0071] 所述LED阵列模块的冷却结构的热性能测试：
[0072] 试验主要检测正相变、反相变一个完整循环的散热基板21的平均温度变化及温度均匀性。在散热基板21的安装面不同部位贴装5个贴片式pt100温度传感器，将传感器均连接到数据采集仪上实时观测和记录各点温度数据，侧温点分布在对应盒体部的中心位置、四个方向的半径中点位置。储热腔高度H030mm,储热腔直径120mm，填充石蜡体积约为2000mm3，使用总功率为60W，实际热流密度在w/m2的LED阵列模块，两用冷却结构为使用模式二进行测试。每隔半小时采集一次温度，整理并绘制各个测温点的平均温度-时间曲线，如图8所示。
[0073] 从图8中可看出，固液相变储热盒20延缓了LED阵列模块的升温过程，在60W的情况下在最低温度30℃和最高温度50℃之间有约3小时的温升缓冲时间、约14小时的固液相变时间、约2小时的液固反相变及温降时间，周期性变化，保证了LED阵列模块长时间保持较低工作温度30℃-50℃的需要。
