一種大功率LED液冷散熱系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及一種LED液冷散熱系統(tǒng)，特別涉及一種大功率LED液冷散熱系統(tǒng)，如適用于植物照明的大功率LED液冷散熱系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的植物補(bǔ)光常采用高壓鈉燈或熒光燈等，存在能耗高、光譜與植物需求相差大的缺陷，很難保證設(shè)施作物的高效生產(chǎn)的需求。而且這些光源在工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，若距離植物過(guò)近會(huì)使其“燙傷”。被稱作第四代光源的LED是一種固態(tài)光源，具有體積小、重量輕、節(jié)能環(huán)保、長(zhǎng)壽命、光譜展寬小等優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)光源具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是替代傳統(tǒng)光源進(jìn)行高效補(bǔ)光的理想光源。更為重要的是，LED光源為冷光源，工作時(shí)隨光輻射出的熱較少，可貼近植物葉片表面照射，減少了照射距離，提高了光照效率。

但是LED作為一種電光轉(zhuǎn)換器件，其轉(zhuǎn)換效率僅有30％左右。其余的能量均以熱能的方式釋放。當(dāng)LED芯片的結(jié)溫過(guò)高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)波長(zhǎng)漂移、壽命縮短等問題，因此有必要對(duì)LED光源配備散熱措施。

傳熱學(xué)中，熱量的傳遞形式有三種，分別為傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射。目前市場(chǎng)上主流的散熱方式是自然對(duì)流散熱，通過(guò)給大功率LED配備帶有肋片的散熱器，增大換熱面積，再通過(guò)對(duì)肋片的優(yōu)化增強(qiáng)換熱系數(shù)進(jìn)行散熱。這種技術(shù)屬于被動(dòng)散熱技術(shù)。由于植物工廠是一個(gè)密閉的恒溫環(huán)境，如果LED植物燈采用被動(dòng)散熱技術(shù)，大量的LED必將導(dǎo)致室內(nèi)溫度提升。因此采用主動(dòng)散熱技術(shù)，能把LED產(chǎn)生的大部分熱量轉(zhuǎn)移到室外，有利于對(duì)室溫的控制，并且加強(qiáng)了散熱效率。液冷散熱技術(shù)作為一種主動(dòng)的散熱方式，在現(xiàn)有散熱技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，液冷散熱系統(tǒng)中可以將用于帶找流體熱量的散熱器置于室外，從而將LED產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到室外，其中液冷散熱技術(shù)中水作為一種高性價(jià)比的換熱材料，逐漸被廣泛使用與LED散熱中來(lái)。

液冷散熱屬于熱傳遞與熱對(duì)流的組合形式，流體與LED散熱器的熱沉接觸，熱量以傳導(dǎo)的方式在熱沉與流體之間進(jìn)行圍觀運(yùn)動(dòng)的傳遞，而后流體通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)引起相對(duì)位移，冷熱混合而進(jìn)行熱量傳遞。因?yàn)樵诠腆w和液體之間存在熱邊界層，因此減小熱邊界層厚度是提升換熱性能的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的液冷散熱技術(shù)，冷卻液大多是單進(jìn)單出的循環(huán)流動(dòng)路徑，熱沉出口溫度遠(yuǎn)高于進(jìn)口，導(dǎo)致熱沉溫度分布不均勻；且熱沉內(nèi)部采用垂直平行翅片，雖然液體流動(dòng)阻力較低，但同時(shí)熱沉換熱能力過(guò)低，不利于LED的快速散熱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種換熱能力高、溫度分布均勻的大功率LED液冷散熱系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種大功率LED液冷散熱系統(tǒng)，其特征在于，包括水泵、散熱器以及外表面布置有LED光源模塊的熱沉模塊；熱沉模塊相對(duì)的兩側(cè)均設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口，其中一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口為第一進(jìn)出口和第二進(jìn)出口，另一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口為第三進(jìn)出口和第四進(jìn)出口；

水泵的出口分別通過(guò)管道與熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第四進(jìn)出口連接，所述熱沉模塊的第二進(jìn)出口和第三進(jìn)出口分別通過(guò)管道連接散熱器的進(jìn)口，散熱器的出口通過(guò)管道連接水泵的進(jìn)口。

優(yōu)選的，所述第一進(jìn)出口和第三進(jìn)出口的位置相對(duì)，第二進(jìn)出口和第四進(jìn)出口的位置相對(duì)。

優(yōu)選的，所述熱沉模塊包括多個(gè)熱沉，每個(gè)熱沉相對(duì)兩側(cè)均設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口，各熱沉通過(guò)其上的兩個(gè)進(jìn)出口依次串聯(lián)，其中兩個(gè)熱沉相連的進(jìn)出口的位置相對(duì)且通過(guò)管道相連；串聯(lián)的第一個(gè)熱沉一側(cè)未與其他熱沉連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第二進(jìn)出口，串聯(lián)的最后一個(gè)熱沉一側(cè)未與其他熱沉連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第三進(jìn)出口和第四進(jìn)出口。

優(yōu)選的，所述熱沉模塊包括一個(gè)熱沉，該熱沉相對(duì)兩側(cè)均設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口，該熱沉一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第二進(jìn)出口，另一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第三進(jìn)出口和第四進(jìn)出口。

更進(jìn)一步的，所述熱沉包括基板和蓋板，所述基板為內(nèi)部凹陷的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，蓋板設(shè)置在基板的上表面。

更進(jìn)一步的，所述長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置有按照矩形排列的菱形翅片，LED光源模塊布置在長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的下表面外側(cè)。

更進(jìn)一步的，熱沉設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口的兩側(cè)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)下表面的短邊所在側(cè)面，其中按照矩形分布的菱形翅片5為傾斜布置，其長(zhǎng)軸方向與長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)下表面的長(zhǎng)邊呈20～60°夾角。

更進(jìn)一步的，所述蓋板和基板之間設(shè)置有防水膠圈；所述蓋板和基板均為高導(dǎo)熱金屬材質(zhì)。

優(yōu)選的，還包括控制器以及設(shè)置在管道中與控制器連接的溫度傳感器，所述控制器的PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)輸出端分別連接水泵和散熱器，通過(guò)控制器控制水泵和散熱器的工作功率。

優(yōu)選的，連接水泵的出口與熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第四進(jìn)出口之間的管道、連接散熱器進(jìn)口與熱沉模塊的第二進(jìn)出口和第三進(jìn)出口之間的管道以及連接散熱器出口和水泵進(jìn)口直接的管道內(nèi)部均設(shè)置有螺旋形微溝道。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

(1)本發(fā)明液冷散熱系統(tǒng)中水泵出口連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別來(lái)自于熱沉模塊的兩側(cè)，散熱器進(jìn)口連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別來(lái)自于熱沉模塊的兩側(cè)，水泵工作時(shí)流體在熱沉模塊內(nèi)部分成流向不同的兩個(gè)部分，使得熱沉模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了對(duì)向雙進(jìn)雙出的冷卻液流動(dòng)路徑，界面處形成紊流加強(qiáng)整體換熱能力，使得流體與溫度梯度具有良好的協(xié)同度，增加了流體中的擾動(dòng)，克服了常用的單進(jìn)單出的流動(dòng)路徑導(dǎo)致的熱沉出口水溫遠(yuǎn)高于進(jìn)口水溫，從而使得液體流動(dòng)方向的下游LED結(jié)溫偏高的問題，提高了熱沉換熱能力以及溫度分布的均勻性，有利于LED模塊的均勻散熱，防止LED模塊局部過(guò)熱。

(2)本發(fā)明液冷散熱系統(tǒng)中熱沉內(nèi)部設(shè)置有按照矩形排列的菱形翅片，流體進(jìn)入熱沉內(nèi)部后，菱形翅片對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生了一定阻力，并且本發(fā)明熱沉內(nèi)部設(shè)置的多個(gè)菱形翅片相比現(xiàn)有技術(shù)中垂直平行設(shè)置的翅片，對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力更大，因此進(jìn)一步提高了熱沉的換熱能力；另外本發(fā)明中熱沉內(nèi)部多個(gè)菱形翅片使熱沉內(nèi)部形成了流體主通道和流體輔通道，輔通道中產(chǎn)生的次流和主通道中的主流相互作用使速度重新分布，減薄了熱邊界層，增大換熱系數(shù)，從而增加換熱效果，帶走更多的熱量。

(3)本發(fā)明液冷散熱系統(tǒng)中在管道中設(shè)置溫度傳感器，通過(guò)溫度傳感器采集管道流體的溫度，并且將溫度信息反饋給控制器，控制器根據(jù)溫度傳感器采集的溫度信息調(diào)整PWM信號(hào)的輸出頻率和占空比，以調(diào)節(jié)水泵和散熱器的工作功率，在保證散熱效果的前提下，優(yōu)化了系統(tǒng)的消耗功率。

(4)本發(fā)明液冷散熱系統(tǒng)中的各管道內(nèi)部設(shè)置有螺旋形微溝道，使冷卻液的流動(dòng)方向輕微改變，破壞管道的熱邊界層并使其重新分布，使得主流中心處冷卻液的熱量更好地傳遞到壁面，而從管道外壁散發(fā)，充分利用管道的散熱能力。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明液冷散熱系統(tǒng)的俯視圖。

圖2是本發(fā)明液冷散熱系統(tǒng)中熱沉的爆炸圖。

圖3是本發(fā)發(fā)明液冷散熱系統(tǒng)中熱沉的附視圖。

圖4是本發(fā)明管道片段的透視圖。

圖5是現(xiàn)有技術(shù)中熱沉內(nèi)部垂直平行設(shè)置的翅片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

本實(shí)施例公開了一種大功率LED液冷散熱系統(tǒng)，如圖1所示，包括水泵9、散熱器10以及外表面布置有LED光源模塊的熱沉模塊1；熱沉模塊1相對(duì)的兩側(cè)均設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口，其中一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口為第一進(jìn)出口和第二進(jìn)出口，另一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口為第三進(jìn)出口和第四進(jìn)出口；水泵9的出口分別通過(guò)管道與熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第四進(jìn)出口連接，所述熱沉模塊的第二進(jìn)出口和第三進(jìn)出口分別通過(guò)管道連接散熱器的進(jìn)口，散熱器10的出口通過(guò)管道連接水泵的進(jìn)口。在本實(shí)施例中第一進(jìn)出口和第三進(jìn)出口的位置相對(duì)，第二進(jìn)出口和第四進(jìn)出口的位置相對(duì)。

水泵9工作時(shí)，水泵9的出口的流體流入管道中，經(jīng)過(guò)管道后分別通過(guò)第一進(jìn)出口和第四進(jìn)出口進(jìn)入到熱沉模塊內(nèi)部，然后從第三進(jìn)出口和第二進(jìn)出口流出后通過(guò)管道流入到散熱器中，經(jīng)過(guò)散熱器10散熱處理后的流體流入到水泵9進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)流體的循環(huán)利用。其中流體可以為水或者其他液體。本實(shí)施例液冷散熱系統(tǒng)中水泵出口連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別來(lái)自于熱沉模塊的兩側(cè)，散熱器進(jìn)口連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別來(lái)自于熱沉模塊的兩側(cè)，流體分別通過(guò)熱沉模塊兩側(cè)的進(jìn)出口即第一進(jìn)出口和第四進(jìn)出口流入到熱沉內(nèi)部，然后通過(guò)熱沉模塊兩側(cè)進(jìn)出口即第三進(jìn)出口和第二進(jìn)出口分別流出，使得熱沉模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了對(duì)向雙進(jìn)雙出的冷卻液流動(dòng)路徑，使得流體與溫度梯度具有良好的協(xié)同度，增加了流體中的擾動(dòng)，克服了常用的單進(jìn)單出的流動(dòng)路徑導(dǎo)致的熱沉出口水溫遠(yuǎn)高于進(jìn)口水溫，從而使得液體流動(dòng)方向的下游LED結(jié)溫偏高的問題，提高了熱沉換熱能力以及溫度分布的均勻性，有利于LED模塊的均勻散熱，防止LED模塊局部過(guò)熱。

液冷散熱系統(tǒng)中熱沉模塊1可以包括多個(gè)熱沉，每個(gè)熱沉相對(duì)兩側(cè)均設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口，各熱沉通過(guò)其上的兩個(gè)進(jìn)出口依次串聯(lián)，其中串聯(lián)的第一個(gè)熱沉一側(cè)未與其他熱沉連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第二進(jìn)出口，其中兩個(gè)熱沉相連的進(jìn)出口的位置相對(duì)且通過(guò)管道相連；串聯(lián)的最后一個(gè)熱沉一側(cè)未與其他熱沉連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第三進(jìn)出口和第四進(jìn)出口。如圖1中所示，在本實(shí)施例中熱沉模塊包括兩個(gè)熱沉，第一個(gè)熱沉一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口分別與第二個(gè)熱沉一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口對(duì)應(yīng)通過(guò)管道連接，而且相連的進(jìn)出口位置相對(duì)，第一個(gè)熱沉一側(cè)未與第二個(gè)熱沉連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第二進(jìn)出口，第二個(gè)熱沉一側(cè)未與第一個(gè)熱沉連接的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第三進(jìn)出口和第四進(jìn)出口。當(dāng)然本實(shí)施例中熱沉模塊中的熱沉也可以為一個(gè)，該熱沉相對(duì)兩側(cè)均設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口，該熱沉一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第二進(jìn)出口，另一側(cè)的兩個(gè)進(jìn)出口分別作為熱沉模塊的第三進(jìn)出口和第四進(jìn)出口。

如圖2所示，本實(shí)施例中熱沉包括基板6和蓋板2，基板6為內(nèi)部凹陷的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，蓋板2設(shè)置在基板的上表面。蓋板2和基板6之間設(shè)置有防水膠圈3；蓋板2和基板6均為高導(dǎo)熱金屬材質(zhì)。本實(shí)施例長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置有按照矩形排列的菱形翅片5，LED光源模塊7布置在長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的下表面外側(cè)。如圖2和3所示，熱沉設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)出口4的兩側(cè)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)下表面的短邊所在側(cè)面，其中按照矩形分布的菱形翅片5為傾斜布置，其長(zhǎng)軸方向與長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)下表面的長(zhǎng)邊呈20～60°夾角，在本實(shí)施例中夾角為30°。在本實(shí)施例中菱形翅片5材質(zhì)與基板6的材質(zhì)一致。所述菱形翅片5高度與所述基板6的外壁高度一致。本實(shí)施例中，流體進(jìn)入熱沉內(nèi)部后，多個(gè)菱形翅片對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生了一定阻力，并且本實(shí)施例熱沉內(nèi)部設(shè)置的多個(gè)菱形翅片相比現(xiàn)有技術(shù)中如圖5所示的垂直平行設(shè)置的翅片，對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力更大，因此進(jìn)一步提高了熱沉的換熱能力。。本實(shí)施例中熱沉內(nèi)部多個(gè)菱形翅片使熱沉內(nèi)部形成了流體主通道和流體輔通道，其中流體主通道即為菱形翅片之間形成的平行與進(jìn)出口的通道，流體輔通道即為菱形翅片之間形成的與長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)下表面的長(zhǎng)邊夾角為30°的通道。輔通道中產(chǎn)生的次流和主通道中的主流相互作用使速度重新分布，減薄了熱邊界層，增大換熱系數(shù)，從而增加換熱效果，帶走更多的熱量。

如圖4所示，本實(shí)施例中連接水泵的出口與熱沉模塊的第一進(jìn)出口和第四進(jìn)出口之間的管道8、連接散熱器進(jìn)口與熱沉模塊的第二進(jìn)出口和第三進(jìn)出口之間的管道8以及連接散熱器出口和水泵進(jìn)口直接的管道8內(nèi)部均設(shè)置有螺旋形微溝道。各管道中設(shè)置的螺旋形微溝道使流體的流動(dòng)方向輕微改變，破壞管道中熱邊界層并使其重新分布，使得主流中心處流體的熱量更好地傳遞到壁面，而從管道外壁散發(fā)，充分利用管道的散熱能力。

本實(shí)施例中液冷散熱系統(tǒng)還包括控制器以及設(shè)置在管道中與控制器連接的溫度傳感器，控制器的PWM信號(hào)輸出端分別連接水泵和散熱器，通過(guò)控制器控制水泵和散熱器的工作功率。具體為：溫度傳感器采集管道流體的溫度，并且將溫度信息反饋給控制器，控制器根據(jù)溫度傳感器采集的溫度信息調(diào)整PWM信號(hào)的輸出頻率和占空比，通過(guò)輸出PWM信號(hào)調(diào)節(jié)水泵和散熱器的工作功率，在保證散熱效果的前提下，優(yōu)化了系統(tǒng)的消耗功率。本實(shí)施例中采用的溫度傳感器可以為ds18b20；控制器可為單片機(jī)，例如stm32單片機(jī)；散熱器可以為一些常用的LED散熱風(fēng)扇。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。