СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО МОДУЛЯ
LIGHT-EMITTING DIODE MODULE COOLING SYSTEM

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании эффективных систем охлаждения модулей мощных светодиодов.
Тепловые трубы широко используются для охлаждения электроники, например ноутбуков. Начинается применение тепловых труб для охлаждения светодиодных модулей. Длительность безотказной работы, оптическая мощность излучения, цветовая температура и другие выходные характеристики светодиодов тесно связаны с температурой р-n перехода, что делает разработку системы охлаждения важным этапом создания светодиодных систем.
Известна система охлаждения светодиодной лампы [US 7467878, 06.06.2006, F21V 29/00], включающая 32 отдельные тепловые трубы. На одном конце эти тепловые трубы подсоединяются к светодиодной сборке, а на другом объединены в радиатор.
Недостатком такой системы являются значительные контактные сопротивления теплопередаче при соединении тепловых труб со светодиодным модулем и радиатором.
Кроме того, фитильные тепловые трубы для обеспечения отвода высоких тепловых потоков должны иметь достаточно большой диаметр, более 3 мм, в то время как характерный размер кристаллов светодиодов составляет 1 мм. Поэтому возрастает интерес к использованию тепловых микротруб с эквивалентным диаметром менее 1 мм.
Известны блоки микротруб в единой металлической плате [US 20090188110, 30.07.2009, B21D 53/02]. Сечениями тепловых микротруб являются многоугольники с острыми углами, что обеспечивает необходимое капиллярное давление для перемещения сконденсированной жидкости в область кипения.
К недостаткам такой конструкции можно отнести трудности заполнения каждой микротрубы жидкостью и отсутствие мер по интенсификации теплоотдачи при кипении на их торцах.
Известно устройство - модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием, взятое за прототип, используемое для охлаждения тепловыделяющих компонентов модуля радиоэлектронной аппаратуры [Патент РФ №2403692, 29.04.2009, Н05К 1/00, Н05К 7/20], состоящее из теплоотводящего основания, печатных плат и установленных на них электрорадиоэлементов. Теплоотводящее основание выполнено из микропористого материала с микроканалами и заполнено жидким теплоносителем. Микроканалы расположены в теплоотводящем основании в двух ортогональных направлениях, параллельных плоскости печатной платы. Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при охлаждении радиоэлектронной аппаратуры, функционирующей в условиях вакуума, например в космосе. Тепло передается на торцевую часть теплоотводящего основания.
Однако отвод тепла в основном на торцевую часть теплоотводящего основания не обеспечивает эффективную теплоотдачу к радиатору, примыкающему к плоскости печатной платы. Эффективная теплопроводность насыщенного жидкостью пористого материала в направлении, перпендикулярном плоскости печатной платы, мала по сравнению с параллельным направлением.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокоэффективного отвода тепла при минимальном значении сопротивления теплопередачи от каждого из собранных в модуль полупроводниковых светодиодов в сочетании с использованием общего, выполненного из микропористого материала основания.
Поставленная задача решается тем, что в системе охлаждения светодиодного модуля, состоящей из теплоотводящего основания, выполненного из микропористого материала с микроканалами и заполненного жидким теплоносителем, и установленных на нем светодиодов, согласно изобретению теплоотводящее основание совмещено с радиатором, поверхность которого покрыта тонким слоем непористого теплопроводного материала, микроканалы расположены в теплоотводящем основании под светодиодами перпендикулярно плоскости установки светодиодов, причем их торцы, прилегающие к светодиодам, образуют в максимальной близости к р-n переходам светодиодов поверхность, интенсифицирующую кипение и испарение за счет нанесенного между каждым светодиодом и торцом прилегающего микроканала слоя микропористого материала, размер пор которого существенно меньше размера пор материала, заполняющего теплоотводящее основание светодиодного модуля, причем размер пор слоя микропористого материала уменьшается по направлению к светодиоду от микро- до наноразмеров.
Наличие общего основания из микропористого материала облегчает задачу его заполнения необходимым объемом жидкости, а наличие микроканалов с интесифицированной поверхностью теплообмена на торцах, расположенной в максимальной близости к р-n переходам светодиодов, обеспечивает высокое значение отводимых тепловых потоков от каждого светодиода.
Суть изобретения показана на фиг.1, где изображена система охлаждения светодиодного модуля. В предлагаемой конструкции система охлаждения светодиодного модуля состоит из теплоотводящего основания 1, совмещенного с радиатором (на фигуре не показан), на которое установлены мощные светодиоды 2. Теплоотводящее основание 1 системы охлаждения светодиодного модуля выполнено из микропористого материала. Светодиоды 2 соединены микроканалами 3 с ребрами радиатора 4.
Поверхность радиатора, выполненного из пористого материала, покрыта тонким слоем непористого теплопроводного материала. Микроканалы 3 расположены в теплоотводящем основании под светодиодами перпендикулярно плоскости установки светодиодов. Прилегающие к светодиодам торцы микроканалов образуют поверхность теплообмена (поверхность, интенсифицирующую кипение и испарение), интесифицируемую за счет слоя 5 микропористого материала, в максимальной близости к р-n переходам светодиодов. Поверхность между светодиодом 2 и микропористым материалом 5 покрыта тонким слоем диэлектрика. Размер пор микропористого материала 5 существенно меньше пор материала, заполняющего теплоотводящее основание 1 системы охлаждения светодиодного модуля, что создает необходимый капиллярный напор. Дополнительный капиллярный напор создается за счет того, что размер пор микропористого материала 5 уменьшается от микро- до наноразмеров по направлению к тепловыделяющему светодиоду, что особенно важно при высоких тепловых потоках.
В процессе функционирования системы охлаждения светодиодного модуля светодиоды выделяют тепло, которое передается на торцы микроканалов. Зона размещения светодиодов является зоной нагрева. Кроме того, система охлаждения светодиодного модуля имеет зону охлаждения в виде оребренной поверхности радиатора. Для того чтобы обеспечить передачу тепла, выделяемого светодиодами, в зону охлаждения, теплоотводящее основание 1 выполнено из микропористого материала с каналами 3 и заполнено теплоносителем, например водой. Микропористый материал насыщен теплоносителем в жидкой фазе, а в микроканалах теплоноситель находится в паровой фазе. Теплоноситель осуществляет передачу тепла из зоны нагрева модуля в зону охлаждения за счет скрытой теплоты парообразования. Тепло, поступающее в зону нагрева от светодиодов, вызывает испарение теплоносителя. На поверхности, интенсифицирующей кипение и испарение за счет слоя 5 микропористого материала, кипение начинается при существенно меньших температурах перегрева, а коэффициент теплоотдачи значительно выше, чем на гладкой 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 постоянного испарения количество жидкости в зоне нагрева уменьшается и поверхность раздела фаз жидкость - пар сдвигается внутрь пористой структуры, что вызывает возникновение здесь капиллярного давления. Это капиллярное давление заставляет сконденсировавшуюся в зоне охлаждения жидкость возвращаться обратно в зону нагрева. Таким образом, непрерывно осуществляется перенос тепла из зоны нагрева в зону охлаждения. Дополнительный капиллярный напор возникает за счет того, что размер пор микропористого материала на интесифицированной поверхности теплообмена существенно меньше пор материала, заполняющего основание модуля. Размер пор интенсифицирующего материала уменьшается по направлению к тепловыделяющему светодиоду, что особенно важно при высоких тепловых потоках. При осушении ближних к торцу канала пор капиллярный напор возрастает, обеспечивая более интенсивный подвод жидкости к окрестности светодиода и, соответственно, более высокие значения отводимых тепловых потоков.
Достигаемый технический результат - обеспечение высокоэффективного отвода тепла от расположенных на поверхности модуля полупроводниковых светодиодов при минимальном значении сопротивления теплопередачи. Достигается тем, что интенсивное кипение и испарение жидкости происходит на интесифицированной поверхности вблизи р-n перехода светодиодов на торце микроканалов, расположенных в выполненном из микропористого материала и заполненном жидким теплоносителем основании модуля сопряженным с теплорассеивающим радиатором. На интенсифицированной поверхности кипения нанесен слой микропористого материала. Размер пор микропористого материала на интесифицированной поверхности существенно меньше пор материала, заполняющего основание модуля, что обеспечивает высокий капиллярный напор. Высокоэффективный отвода тепла от расположенных на поверхности модуля полупроводниковых светодиодов при минимальном значении сопротивления теплопередачи достигается за счет высокого значения эффективной теплопроводности вдоль каналов (тепловых труб), которое более чем на два порядка превосходит теплопроводность современных печатных плат. Одной из технических проблем использования тепловых труб является необходимость заполнения каждой трубы точно определенным объемом жидкости при одновременном вакуумировании. Предложенная конструкция требует одноразового заполнения жидкостью и менее чувствительна к вариациям первоначального объема жидкости.
Работоспособность предложенной конструкции системы охлаждения светодиодного модуля подтверждается экспериментальными данными и выполненными оценками и расчетами.