JP2010103282A - 流体対流放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効率が良く、ファンあるいはポンプ等の外接部品を必要としない流体対流放熱装置を提供する。
【解決手段】放熱モジュール１０は一対の隔板２０及び放熱流体３０を包含し、内部に収容空間を設けている。放熱モジュール１０の周辺には発光素子２００が固定されている。隔板２０は、収容空間を区画して複数の対流チャネル１１１〜１１５を形成し、放熱流体３０は放熱モジュール１０の収容空間内に充填され、発光素子２００と放熱モジュール１０間の接合面に発生する熱を、放熱流体３０の熱対流効果を利用し、対流チャネル１１１〜１１５を通して熱エネルギーを迅速に該熱源より奪い、放熱モジュール１０の両側遠端部で放熱し、降温した放熱流体３０を重複循環させ発光素子２００と放熱モジュール１０間の接合面の熱源に至らせ、密閉流体の重複熱対流循環放熱の効果を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は一種の流体対流放熱装置に係り、特に、電子装置の放熱に用いられ、内部の密封流体で重複熱対流循環放熱を行なう装置に関する。

周知の発光ダイオード系列の発光装置は広く環境保護照明装置に使用され、発光ダイオードの照明装置の直面し得る最大の問題は放熱問題である。一般の環境で点灯された発光ダイオードの温度上昇は、発光ダイオードパッケージ内部の温度が摂氏約４〜５０度に上昇する程度であるが、ハイパワーの照明環境に応用された場合、内部の温度は摂氏１００〜１２０度にも上昇する可能性がある。ゆえに、熱伝導或いは放熱措置が十分でないと、発光ダイオード接合面（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）の温度は相当に高くなる。発光ダイオード素子の接合面の温度拡散曲線は図１に示されるようであり、図１の温度拡散曲線Ｆの横軸半径Ｒは発光ダイオード素子接合面の温度伝導半径範囲を指し、縦軸Ｔは上昇温度とされ、その関係式は以下のとおりである：
素子接合面温度Ｔjunction＝素子接合面（Ｒｘθjunction）−周囲パワー（ａｍｂｉｅｎｔ × Ｗ）＋周囲温度（Ｔａｍｂｉｅｎｔ）。

言い換えると、図１及び上記の式に示されるように、もしずっと発光ダイオード素子接合面温度が高温状態のままであると、発光ダイオード素子の寿命が縮まるのである。

周知の発光ダイオード素子の放熱モジュールは、放熱フィンを有し、放熱は不均一で効率が悪い問題があり、即ち周知の放熱モジュールの放熱方式は放熱フィンを利用して放熱する、というもので、理論上は、発光ダイオードの熱源に近いほどその放熱する熱エネルギーと温度が高くなり、熱源周辺の空気が高い温度に加熱され、空気分子の運動が速くなり過ぎ、このため熱源近くの放熱フィンの放熱性能が悪くなり、すなわち、正確な公式により十分な数量の放熱フィンが取付けられていても、周知の発光ダイオード素子の放熱メカニズムは最後に更にファンで乱流させて放熱効果をアップさせる必要があり、並びに迅速に発光ダイオード素子を熱源とする熱エネルギーを奪い去ることができず、さらに、放熱ファンは電気エネルギーの消耗を増し、環境保護に符合せず、ファンの故障は放熱操作に不利となる問題がある。さらに、ファンの体積が増加することで、照明器具への応用に不利となる。

関係する先行技術文献として、例えば特許文献１があり、それには内部に隔板と干渉素子を設けることで放熱効率をアップする方法が記載されている。ただし、その流体は主動的に熱量を奪い取ることはできず、遠端のポンプにより流体を放熱器に注入し、流体により熱を奪い取り、並びに遠端に設けたヒートシンク装置及びファンにより二次放熱を行なわねばならず、このような技術とシステムは複雑でコストがかかり、また、ポンプ、放熱ファンの故障により放熱操作に不利である問題を有する。且つ環境保護とコンパクトな体積が要求される発光ダイオード照明器具には応用できない。

台湾特許第Ｉ２９９０８１号公報

上述の既存の周知の技術は、放熱フィン或いは複雑で体積の大きな放熱ファンに依存し放熱操作を行なわねばならず、発光ダイオードのような発光素子の熱エネルギーを迅速に熱源より奪い取ることができず、放熱効率が悪く、ポンプ或いは放熱ファンの損壊が放熱に不利となる問題及び欠点を有している。

本発明は周知の放熱モジュールの問題と欠点に対して、流体対流放熱装置を提供し、本発明の流体対流放熱装置は、少なくとも一つの放熱モジュール、少なくとも一対の隔板及び放熱流体を包含し、該放熱モジュールの内部に少なくとも一つの収容空間があり、該放熱モジュールの周辺に少なくとも一つの発光素子が固定され、該隔板は該放熱モジュールの該収容空間内部に結合され、該収容空間を区画して複数の対流チャネルを形成し、該放熱流体は該放熱モジュールの該収容空間内に充填され、該発光素子と該放熱モジュール間の接合面に発生する熱を、流体の熱対流効果を利用し、該接合面に対応する対流チャネルで導出させ、更にその他の対流チャネルを通して熱エネルギーを迅速に該熱源より奪い、該放熱モジュールの両側遠端部で放熱し、並びに各対流チャネルにより降温した放熱流体を重複循環させ発光素子と放熱モジュール間の接合面の熱源中心に至らせ、密閉流体の重複熱対流循環放熱の効果を形成する。

本発明の流体対流放熱装置は、該放熱モジュール内部の対流チャネル及び放熱流体により、主動式の循環熱対流放熱機能を形成し、発光素子と放熱モジュール間の接合面に形成される高熱を、急速且つ有効に奪い取って放熱モジュールの両側遠端に至らせることで、発光素子の放熱効率をアップし大幅に温度を下げ、放熱ファン或いはポンプ等の外接部品の補助を必要とせずに、発光素子の寿命を延長するほか、発光素子の環境保護照明器具における産業上の利用に有利とする。

図２、３及び図４に示される本発明の流体対流放熱装置１００の第１実施例を参照されたい。それは放熱モジュール１０を有し、該放熱モジュール１０は内部に少なくとも一つの収容空間１１が形成され、周辺に系列をなす複数の放熱フィン１２が形成され、該放熱モジュールの周辺に少なくとも一つの発光素子２００が結合され、該発光素子２００の形式に制限はないが、本発明中では発光ダイオードチップを例としており、その他、例えば赤外線発光素子も本発明の範疇に属する。

上述の発光素子２００と放熱モジュール１０の間の接合面に熱源中心が形成され、該放熱フィン１２は放熱モジュール１０の放熱面積を増加する機能を有し、該放熱モジュール１０は周辺に少なくとも一つの開口１３を具え、該開口１３は閉じ板１３１で閉じられている。

少なくとも一対の隔板２０が、上述の放熱モジュール１０の収容空間１１内壁に結合され、収容空間１１を若干の対流チャネル１１１、１１２、１１３、１１４及び１１５に区画している。そのうち、対流チャネル１１１は放熱フィン１２底部の熱源中心に直接対応し、且つ隔板２０の一端に少なくとも一つの導流部２１が形成され、各対流チャネル１１１、１１２、１１３、１１４及び１１５の間に中、左、右の連通するチャネルが形成されている。

放熱流体３０は、放熱モジュール１０の開口１３より収容空間１１中に充填され、並びに閉じ板１３１で封じられ、放熱流体３０が収容空間１１中に密封され、該放熱流体３０の種類と成分に制限はなく、本発明ではフッ素基含有冷却油脂を例としているが、その他の等しい効果を有する放熱流体も本発明の範疇を逸脱しない。

上述の放熱流体３０の放熱モジュール１０の収容空間１１への注入の方式は開口１３より注入する方式に限定されるわけではなく、放熱モジュール１０の周辺に注入孔を設けて放熱流体３０を注入した後に該注入孔を閉じる等の同等効果の構造及び方式も、本発明の範疇に属する。

図５は本発明の流体対流放熱装置１００の応用例を示す。そのうち、該発光素子２００が点灯状態で、放熱モジュール１０と発光素子２００の間の接合面部分に温度が上昇する熱源中心が形成され、その熱エネルギーが該収容空間１１内の放熱流体３０に導流され、放熱流体３０が熱対流効果により、対流チャネル１１１で隔板２０の一端の導流部２１の案内を受けて上向きに流動し、さらに左右に分かれて対流チャネル１１２、１１４を流れ、さらに左右のチャネルを下向きに流れて対流チャネル１１３、１１５に至り、循環して対流チャネル１１１に戻る。この放熱流体３０の熱対流循環経路は図５の矢印に示されるようであり、こうして、放熱モジュール１０と発光素子２００間の接合面の熱源中心の高熱は迅速に放熱モジュール１０の左右２側の遠端で放熱され、該発光素子２００の温度が迅速に下げられると共に安定制御される。

さらに、図６は本発明の流体対流放熱装置１００の発光素子２００の熱源中心に対する温度拡散曲線と温度上昇実験曲線図である。図６中の熱源中心の温度拡散曲線図中の横軸Ｒ１は発光素子２００の温度拡散半径範囲とされ、縦軸Ｔ１は温度とされ、図６から温度拡散曲線Ｆ１は安定した定値とされ、即ち発光素子２００と放熱モジュール１０間の接合面の熱エネルギーが迅速に左右両側遠端へと運ばれ、発光素子２００を中心とした温度上昇が抑えられる。

図７は本発明の流体対流放熱装置と周知の放熱モジュールの発光素子に対する放熱温度曲線実験対照図である。そのうち、横軸Ｓは時間、縦軸Ｔ２は温度、温度曲線ＴＦ１は本発明の流体対流放熱装置１００の放熱温度、温度曲線ＴＦ２は周知の放熱フィンを具えた放熱モジュールの放熱温度とされ、実験条件は周囲環境温度が摂氏２７度、発光素子２００に電圧４．１Ｖ、電流１５００ｍＡを通し、放熱流体３０はフッ素基含有冷却油脂とされる条件とされて放熱温度実験が行なわれ、明らかに本発明の温度曲線ＴＦ１の最終的に安定した温度は摂氏６０度程度であり、周知の放熱モジュールの温度曲線ＴＦ２の温度が摂氏１００度以上に達するのに較べて明らかに低く、本発明の流体対流放熱装置１００は確実に発光素子２００に対する放熱効率を顕著に向上することが分かる。

さらに、図８に示されるように、本発明の流体対流放熱装置１００の第２実施例では、放熱モジュール１０の周囲表面に少なくとも一つの凹溝１４が設けられ、該凹溝１４の底部に少なくとも一つの発光素子２００が固定され、該凹溝１４が該発光素子２００との間の接合面において比較的大面積の熱源中心を形成するのに有利であり、上述の放熱流体３０の各対流チャネル１１１、１１２、１１３、１１４及び１１５における熱対流循環により放熱効果を一層強化し、ランプカバーのような機能を形成可能で、凹溝１４の両側の傾斜部が該発光素子２００の発光光線投射角度を案内するという付加機能を有する。

さらに、図９は本発明の流体対流放熱装置１００の第３実施例を示し、そのうち、図８の第２実施例中の応用状態或いは必要に応じ、該放熱モジュール１０の断面形状が変更され、第２実施例と同様に、発光素子２００に対して内部循環熱対流による放熱の効果を達成する。

以上は本発明の流体対流放熱装置の好ましい実施例の説明であるが、本発明の範疇を制限するものではなく、本発明の技術内容に基づきなし得る各種の修飾或いは同等効果の変更は、本発明の精神と範疇より離脱しないものとする。

周知の放熱モジュールの発光素子接合面に対する温度拡散曲線図である。 本発明の流体対流放熱装置の第１実施例の立体外観構造図である。 図２の局部立体図であり、隔板を放熱モジュールの収容空間内壁に結合させた構造表示図である。 図２の断面拡大図である。 図４に類似の断面拡大図であり、放熱流体が各対流チャネルを流れる対流放熱経路表示図である。 本発明の流体対流放熱装置の発光素子に対する温度拡散曲線と温度上昇実験曲線図である。 本発明の流体対流放熱装置と周知の放熱モジュールの発光素子に対する放熱温度曲線実験対照図である。 本発明の流体対流放熱装置の第２実施例図である。 本発明の流体対流放熱装置の第３実施例図である。

符号の説明

１００ 流体対流放熱装置 １０ 放熱モジュール
１１ 収容空間 １１１〜１１５ 対流チャネル
１２ 放熱フィン １３ 開口
１３１ 閉じ板 １４ 凹溝
２０ 隔板 ２１ 導流部
３０ 放熱流体 ２００ 発光素子
Ｆ 温度拡散曲線 Ｒ 半径
Ｔ 温度 Ｒ１ 半径
Ｔ１ 温度 Ｆ１ 温度拡散曲線
Ｓ 時間 Ｔ２ 温度
ＴＦ１ 温度曲線 ＴＦ２ 温度曲線

Claims (9)

1. 流体対流放熱装置において、
   放熱モジュールであって、内部に少なくとも一つの収容空間があり、該放熱モジュールの周辺に少なくとも一つの発光素子が固定された、上記放熱モジュールと、
   少なくとも一対の隔板であって、該放熱モジュールの該収容空間内部に結合され、該収容空間を区画して複数の、相互に連通する対流チャネルを形成する、上記少なくとも一対の隔板と、
   放熱流体であって、該放熱モジュールの該収容空間内に充填され、該発光素子と該放熱モジュール間の接合面に発生する熱により、該放熱流体を熱対流効果により各該対流チャネルを通して循環させ、該発光素子の熱源中心の熱エネルギーを奪い該放熱モジュールの両側遠端部に運ぶ、上記放熱流体と、
   を包含したことを特徴とする、流体対流放熱装置。
2. 請求項１記載の流体対流放熱装置において、該放熱モジュールの周辺に複数系列の放熱フィンが設けられたことを特徴とする、流体対流放熱装置。
3. 請求項１記載の流体対流放熱装置において、該放熱モジュールの周辺に開口が設けられたことを特徴とする、流体対流放熱装置。
4. 請求項３記載の流体対流放熱装置において、該開口が閉じ板で閉じられたことを特徴とする、流体対流放熱装置。
5. 請求項１記載の流体対流放熱装置において、該発光素子が発光ダイオードチップとされたことを特徴とする、流体対流放熱装置。
6. 請求項１記載の流体対流放熱装置において、該発光素子が赤外線発光素子とされたことを特徴とする、流体対流放熱装置。
7. 請求項１記載の流体対流放熱装置において、該放熱モジュールの周辺に該発光素子が固定される少なくとも一つの凹溝が設けられたことを特徴とする、流体対流放熱装置。
8. 請求項１記載の流体対流放熱装置において、該隔板の一端に少なくとも一つの導流部が設けられたことを特徴とする、流体対流放熱装置。
9. 請求項１記載の流体対流放熱装置において、該放熱流体がフッ素基含有冷却油脂とされたことを特徴とする、流体対流放熱装置。

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