ИНТЕНСИФИЦИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ОДИНОЧНОГО МОЩНОГО СВЕТОДИОДА
INTENSIFIED COOLING SYSTEM OF A SINGLE POWERFUL LED

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к системам охлаждения мощных светодиодов.
2
Мощные светодиодные нагрузки, составляющие десятки и сотни Вт/см, которые необходимы, например, в видеопроекторах, прожекторах, специальной светосигнальной аппаратуре, требуют для эффективного отвода тепла использовать радиаторы с тепловым сопротивлением, составляющим десятые-сотые доли кВт. Добиться такого малого теплового сопротивления позволяют только жидкостные охладители.
Известна плоская тепловая труба [US 3613778, 19.10.1971, B64G 1/50; B64G 1/58; F28D 15/02], заполненная пористым металлическим фитилем или сеткой в паровом канале.
Толщина фитиля способствует увеличению теплопередающей способности тепловой трубы. Однако с ростом толщины фитиля увеличивается его термическое сопротивление в радиальном направлении, что препятствует росту теплопередающей способности трубы в целом и снижает допустимую максимальную плотность теплового потока в испарителе.
Известен термосифон [RU 2373473, 16.07.2008, Н05К 7/20], содержащий частично заполненный теплоносителем корпус с паропроводом, перегороженным воронкой. При кипении жидкости в таком термосифоне пар собирается в воронке, а затем поступает в паропровод и распространяется в верхнюю часть корпуса термосифона. Паропровод устроен таким образом, что струя пара направляется на охлаждаемые стенки цилиндра, где происходит конденсация пара. В термосифоне кипение происходит на поверхности большой площади.
Для охлаждения светодиода требуются существенно меньшие площади поверхности кипения, до 10 мм и менее. Уменьшение площади поверхности кипения приводит к увеличению критического теплового потока, но при этом начало кипения происходит при более высоких перегревах поверхности. В таких условиях нарушение теплового режима работы светодиода способствует снижению срока его службы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе является устройство охлаждения светодиодного модуля [RU 2546676, 05.09.2013, Н05K 1/00, Н05K 7/20], состоящее из высокотеплопроводного основания, выполненного из металла, металлокерамики или материала, имеющего структуру изолированных проводников внутри металла, с установленными на нем светодиодами, к которому примыкает наполнитель из микропористого материала с мини-каналами, расположенными под светодиодами перпендикулярно плоскости их установки так, что части теплопроводящего основания, примыкающие к торцам мини-каналов, образуют в максимальной близости к p-n переходам светодиодов интенсифицирующую поверхность теплообмена, интенсифицируемую за счет радиального оребрения, представляющего собой микроканалы треугольного сечения.
Однако предлагаемая система обеспечивает эффективный отвод тепла от модуля (группы светодиодов). Наполнитель из микропористого материала является общим для всего модуля. При выделении из модуля одиночного светодиода эффективность такой системы падает, так как падает скорость движения жидкости. Для эффективного отвода тепла от одиночного мощного светодиода в указанной системе потребуется увеличить объем пористой среды, что усложняет конструкцию системы.
2
Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокоэффективного отвода тепла при максимальном значении коэффициента теплопередачи от одиночного мощного полупроводникового светодиода (мощностью 100 Вт/см и более) при кипении теплоносителя на поверхности с оребрением.
LED
осн
LED
0осн
Поставленная задача решается тем, что в интенсифицированной системе охлаждения мощного светодиода, состоящей из теплопроводящего основания, которое образует в максимальной близости к p-n переходу светодиода поверхность теплообмена, интенсифицируемую за счет радиального оребрения, представляющего собой микроканалы треугольного сечения, с установленным на нем светодиодом, к которому примыкает закрытая гладкостенная тепловая труба, частично заполненная жидким теплоносителем. Согласно изобретению диаметр тепловой трубы равен диаметру теплопроводящего основания, отношение диаметра светодиода, D, к диаметру теплопроводящего основания, D, находится в диапазоне от 0,1 до 1 включительно (0,1≤D/D≤1). Согласно изобретению тепловая труба, одним из своих торцов примыкающая к теплопроводящему основанию со стороны оребренной интенсифицирующей поверхности, заполнена на 20-25% теплоносителем таким образом, что область конденсации (зона охлаждения) находится выше области испарения (зоны нагрева) и теплоноситель стекает в зону нагрева под действием гравитации. В интенсифицированной системе охлаждения одиночного мощного светодиода поддерживается достаточно высокий уровень теплоносителя, обеспечивающий интенсивное кипение.
На фиг. 1 изображена схематично интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода, где 1 - теплопроводящее основание, 2 - светодиод, 3 - тепловая труба с паровым каналом, 4 - интенсифицирующая поверхность.
На фиг. 2 и фиг. 3 изображено теплопроводящее основание с интенсифицирующей оребренной поверхностью теплообмена с установленным на него светодиодом, вид сбоку. На фиг. 2 - вариант исполнения, когда диаметр теплопроводящего основания совпадает с диаметром светодиода. На фиг. 3 - вариант исполнения, когда диаметр теплопроводящего основания больше диаметра светодиода.
На фиг. 4 изображена интенсифицирующая поверхность теплообмена с радиальным треугольным оребрением, вид со стороны парового канала.
Интенсифицированная система охлаждения одиночного мощного светодиода состоит из теплопроводящего основания 1 с интенсифицирующей поверхностью 4, одиночного мощного светодиода 2, установленного на основание со стороны, противоположной интенсифицирующей поверхности 4, и закрытой гладкостенной тепловой трубы с паровым каналом 3. Тепловая труба одним из своих торцов примыкает к теплопроводящему основанию 1 со стороны оребренной интенсифицирующей поверхности 4. Оребрение интенсифицирующей поверхности теплообмена 4 представляет собой радиальные микроканалы треугольного сечения. Теплопроводящее основание интенсифицированной системы охлаждения светодиодного модуля выполнено из металла или металлокерамики, а радиальное оребрение нанесено непосредственно на теплопроводящее основание. Диаметр тепловой трубы равен диаметру теплопроводящего основания. Тепловая труба выполнена из теплопроводного материала и заполнена на 20-25% теплоносителем, например, водой или водоспиртовой смесью.
LED
осн
Таким образом, образуется замкнутая система, частично заполненная теплоносителем, в которой теплопроводящее основание 1, являющееся торцом тепловой трубы 3, образует в максимальной близости к p-n переходам светодиода интенсифицирующую оребренную поверхность теплообмена 4. Интенсификация кипения на интенсифицирующей поверхности осуществляется как за счет оребрения, так и за счет увеличения площади поверхности. Увеличения площади, в свою очередь, достигают как за счет увеличения числа лучей оребрения, так и за счет увеличения диаметра теплопроводящего основания по сравнению с диаметром светодиода. Диаметр светодиода может изменяться от 1 до 10 мм. Оптимальный диапазон отношения диаметра светодиода и диаметра теплопроводящего основания составляет: 1/10≤D/D≤1.
В процессе функционирования интенсифицированной системы охлаждения светодиод выделяет тепло (зона нагрева - теплопроводящее основание), которое передается через основание на торец тепловой трубы, примыкающей к теплопроводящему основанию. Зона охлаждения системы представляет собой поверхность тепловой трубы. Для того чтобы обеспечить интенсивное кипение и передачу тепла, выделяемого светодиодом, в зону охлаждения тепловую трубу на 20-25% заполняют жидким теплоносителем, например водой.
Теплоноситель осуществляет передачу тепла из зоны нагрева светодиода в зону охлаждения за счет скрытой теплоты парообразования. Тепло, поступающее в зону нагрева от светодиода, вызывает кипение теплоносителя на оребренной поверхности 4. Причем на оребренной поверхности кипение начинается при существенно меньших температурах перегрева, а коэффициент теплоотдачи значительно выше, чем на гладкой поверхности. Парообразование происходит не за счет испарения, а в результате кипения на оребренной поверхности. Возникающая при этом разность давлений побуждает пар двигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, где пар конденсируется, отдавая при этом скрытую теплоту парообразования. В результате действия сил гравитации сконденсировавшаяся в зоне охлаждения жидкость возвращается обратно в зону нагрева. Таким образом, непрерывно осуществляется перенос тепла из зоны нагрева в зону охлаждения.
В системе сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону нагрева под действием исключительно силы тяжести, то есть такая система будет работать только в положении, когда область конденсации (зона охлаждения) находится выше области испарения (зоны нагрева), а жидкость имеет возможность стекать в зону нагрева.
Таким образом, обеспечение высокоэффективного отвода тепла от единичного мощного светодиода при минимальном значении сопротивления теплопередачи достигается тем, что интенсивное кипение жидкости происходит вблизи p-n перехода светодиода на оребренной поверхности. Оребрение способствует увеличению центров парообразования и уменьшению температуры перегрева нагреваемой поверхности относительно температуры насыщения.
Высокоэффективный отвод тепла от единичного мощного светодиода при минимальном значении сопротивления теплопередачи достигается также за счет увеличения площади поверхности кипения, которую увеличивают путем увеличения диаметра основания и путем увеличения числа лучей оребрения.
Также обеспечение высокоэффективного отвода тепла от единичного мощного светодиода при минимальном значении сопротивления теплопередачи достигается за счет высокого значения эффективной теплопроводности вдоль вертикального канала (тепловой трубы), которое более чем на два порядка превосходит теплопроводность современных печатных плат.
Работоспособность предложенной конструкции системы охлаждения светодиодного модуля подтверждается экспериментальными данными и выполненными оценками и расчетами.
Например, эксперименты на нагревателях диаметром 5 мм с гладкой и оребренной поверхностями показали, что на оребренных поверхностях перегрев относительно температуры насыщения уменьшается до трех раз. До двух раз возрастает коэффициент теплоотдачи на оребренной поверхности по сравнению с гладкой.