CN112555784B - 一种用于强化大功率led灯散热器效率的传热工作介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，按照质量百分比，包含以下组分：一氯四氟乙烷29％‑31％、丙酮68.9％‑70.8％、三维构造石墨烯0.01％‑1％。本发明传热工作介质能够使大于100W的LED灯体发光面板温度控制在60℃以下，面板温度更加均匀，温差不超过1℃，并可使灯体温度下降2‑7℃，还可以削减LED灯体安装角度对灯体温度的影响，扩展LED灯投照范围；进一步的，本发明传热工作介质沸点低、状态稳定、制备方法简便、传热效率高，可解决大功率LED灯热传导问题，能够使高功率LED灯使用寿命提高2.5倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及相变传热技术领域，特别涉及一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质。
背景技术
目前LED的光电转换效率还有待提高，约有65％以上的电能变成热能释放。LED灯体温度过高会加速灯珠光衰，直接影响LED灯具使用寿命，要确保大功率LED灯珠产品正常工作(功率超过100W为大功率LED灯)，需要做好散热工作，如何将大功率LED灯产生的热量及时有效的输送出去已成为LED发展的制约因素。
现有的大功率LED散热器主要采用热管和均热板相变技术，热管技术做大功率导热体工艺复杂，成本高，拼接而成均温性差，且无法克服热传导死角，不能实现瞬间均温效果，同时无法解决方向性热传导问题，所形成的散热体不能任何方向使用，应用范围小。已公开的发明申请201921249253.7设计了一种新型LED筒灯用热管散热结构，将热管安置在散热器基体中，此设计可加强灯体散热能力，但存在安装结构复杂，灯体散热版面温度不均匀等特点。
均热板相变散热器响应速度快，受热面板温度均匀，受灯体照射角度影响少，因而被广泛用于大功率LED散热。而均热板散热器的散热效率受相变工质影响，因此开发一种高效可行的传热工质对大功率LED灯非常有必要。目前相变工质存在相变温度高、汽化潜热低，相变传热系数低等缺点。已公开的发明申请号为201410172539.5的技术，设计一种LED平板散热器，用于大功率LED散热，此技术在平板空腔体中注入相变工质，空腔内的可相变传热的介质受热沸腾，蒸汽迅速填充到空腔的各部分，使得底板各点的温度趋于一致，提高了散热均匀性，但此技术并没有提到其使用何总的相变工质。目前市面上使用相变工质有丙酮、乙醇、R22等，相比纯传热工质，混合纳米流体相比具有更高的导热系数，从而单位时间内传热工质可以带走热源面更多热量，使热源温度迅速降低；与此同时在相变传热过程中，纳米颗粒由于具有高比表面积，与液体传热工质具有更多的能量交换，从而提高吸收热源面能量效率；沸腾过程中纳米颗粒会减少汽泡与热源接触面三相接触线长度，减少接触面的表面张力，从而促进沸腾汽泡产生，增加汽泡脱离频率及减少脱离直径，因此起到强化沸腾传热效果。对于纳米颗粒选用，目前一般使用Fe2O3、Al2O3、SiO2、CuO等纳米颗粒材料与相变工质丙酮、乙醇、R22等制备成纳米流体用于强化LED灯体散热器散热，已公开的发明申请号201410521191.6、201410526065.X、201410522681.8、201410522702.6分别用Fe2O3、Al2O3、SiO2、CuO等纳米颗粒与水、乙醇等液体制备成纳米流体用于泡沫金属吸液芯热板强化LED灯体散热散热，这些发明能有效提高换热器传热性能，但存在颗粒堵塞泡沫金属吸液芯活化汽泡孔，传热效率有限，纳米流体不稳定等问题，因此进一步提升LED灯体散热器传热性能非常必要。解决这些问题，可以从提高纳米颗粒材料传热系数、提高纳米流体稳定性入手。石墨烯材料本身传热系数是Fe2O3、Al2O3、SiO2、CuO等纳米材料传热系数10余倍，因此石墨烯材料被广泛用于强化传热领域，对于使用石墨烯纳米材料与传热工质制备纳米流体强化LED散热，虽然相关研究有涉及石墨烯纳米流体用于强化沸腾传热，发现石墨烯纳米流体强化沸腾传热性能主要和石墨烯结构特征、颗粒大小、质量浓度有关，但公开的技术发明并没有涉及到，目前使用石墨烯用于强化LED灯体散热相关技术发明，主要集中使用在灯体灯板与灯体连接处，用于加强面板和灯体散热的热传导，例如已授权的发明号211289725；已公开的发明申请号201921485616.7，直接设计石墨烯散热器用于强化LED散热。前期自主研发制备的三维构造石墨烯，申请制备专利申请号201810410572.5，相比其它石墨烯结构形态，三维构造石墨烯表面成多孔，比表面积大，传热工质沸腾过程中三维构造石墨烯与传热工质产生更多的热交换，相同条件下能带走更多液体中热量，而此三维构造结构其它类型石墨烯不具有，因此三维构造石墨烯纳米流体相比其它类型的石墨烯纳米流体具有更好的强化沸腾传热效果。为进一步提高大功率LED灯散热器传热性能，在传热工质中加入多孔、比表面积大的三维构造石墨烯，开发一种新型混合的强化相变传热工质，对强化大功率LED灯散热及提高LED灯使用寿命有重要意义。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明针对现有技术中存在相变工质较为单一、散热效果一般的技术问题，发明了一种用于强化大功率LED灯均热板散热器的传热工作介质，旨在得到一种沸点低、状态稳定、传热效率高的传热工作介质。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，按照质量百分比，包含以下组分：一氯四氟乙烷29％-31％、丙酮68.9％-70.8％、三维构造石墨烯0.01％-1％。
如上所述用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，按照质量百分比，包含以下组分：一氯四氟乙烷30％、丙酮69-69.99％、三维构造石墨烯0.01％-1％。
优选地，所述三维构造石墨烯是由二维石墨烯片构成的具有类蜂窝状结构的粉体材料，具有超高的表面积>1000平方米每克，并含有大量微孔结构，其结构基本特征符合技术标准DB 45/T 1421-2016和DB 45/T 1425-2016的要求。
上述用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质使用时，按照质量百分比，称取以下组分：一氯四氟乙烷29％-31％、丙酮68.9％-70.8％、三维构造石墨烯0.01％-1％，然后将一氯四氟乙烷、丙酮、三维构造石墨烯通过机械振动使各组分混合均匀，得到混合物，将LED灯体的均热板传热抽成真空，将混合物注入LED腔体中，即得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明传热工作介质能够使大于100W的LED灯体发光面板温度控制在60℃以下，面板温度更加均匀，温差不超过1℃，并可使灯体温度下降2-7℃，还可以削减LED灯体安装角度对灯体温度的影响，扩展LED灯投照范围；进一步的，本发明传热工作介质沸点低、状态稳定、制备方法简便、传热效率高，可解决大功率LED灯热传导问题，能够使高功率LED灯使用寿命提高2.5倍以上。
附图说明
图1是本发明实施例1所得传热工作介质与对比实施例1所得传热工作介质面板温度对比图。
图2是本发明实施例1所得传热工作介质与对比实施例1所得传热工作介质面板不同测温点温度分布对比图。
图3是本发明实施例2所得传热工作介质与对比实施例2所得传热工作介质面板不同测温点温度对比图。
图4是本发明实施例2所得传热工作介质与对比实施例2所得传热工作介质面板不同测温点温度分布对比图。
图5是本发明实施例1所得传热工作介质与对比实施例1所得传热工作介质安装角度对发光面板角度温度影响对比。
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。实施例中采用的原料、试剂若无特殊说明，皆为市售所得。实施例中采用的三维构造石墨烯为根据申请号201810410572.5的专利申请制备所得，由二维石墨烯片构成的具有类蜂窝状结构的粉体材料，具有超高的表面积>1000平方米每克，并含有大量微孔结构，其结构基本特征符合技术标准DB 45/T 1421-2016和DB 45/T 1425-2016的要求。
实施例1
一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，称取以下组分：一氯四氟乙烷30g、丙酮69.9g、三维构造石墨烯0.01g，然后将一氯四氟乙烷、丙酮、三维构造石墨烯混合，混合后机械振动3小时，即得用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质。测量不同压力状态下传热工作介质的沸点，如表1所示。
表1传热工质状态参数
| 绝对压力/kPa | 140 | 120 | 100 | 80 | 60 | 40 |
| 相变温度/℃ | 51.0 | 46.2 | 40.7 | 34.4 | 26.5 | 16.2 |
实施例2
一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，称取以下组分：一氯四氟乙烷30g、丙酮69g、三维构造石墨烯1g，然后将一氯四氟乙烷、丙酮、三维构造石墨烯混合，混合后机械振动3小时，即得用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质。
实施例3
一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，称取以下组分：一氯四氟乙烷29g、丙酮70.8g、三维构造石墨烯0.2g，然后将一氯四氟乙烷、丙酮、三维构造石墨烯混合，混合后机械振动3小时，即得用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质。
实施例4
一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，称取以下组分：一氯四氟乙烷31g、丙酮68.9g、三维构造石墨烯0.1g，然后将一氯四氟乙烷、丙酮、三维构造石墨烯混合，混合后机械振动3小时，即得用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质。
对比实施例1
一种用于LED灯散热器效率的传热工作介质，称取以下组分：一氯四氟乙烷30g、丙酮69.9g，然后将一氯四氟乙烷、丙酮混合，混合后机械振动3小时，即得用于LED灯散热器效率的传热工作介质。
对比实施例2
一种用于LED灯散热器效率的传热工作介质，称取以下组分：一氯四氟乙烷30g、丙酮69g，然后将一氯四氟乙烷、丙酮混合，混合后机械振动3小时，即得用于LED灯散热器效率的传热工作介质。
应用
应用例1：
将实施例1、对比实施例1制备所得传热工作介质分别注入到如申请号为201410172539.5的发明申请所示的200W大功率LED灯体均热板散热器中(先将均热板散热器抽真空)，灯体照明正常稳定后，灯体发光面板温度稳定在78℃。比对二者发现，实施例1的传热工质可使发光面板灯体温度比对比实施例1低5-7℃(如图1所示)，面板温度更加均匀，温差不超过1℃(如图2所示)。
应用例2：
将实施例2、对比实施例1制备所得传热工作介质分别注入到如申请号为201410172539.5的发明申请所示的200W大功率LED灯体均热板散热器中(先将均热板散热器抽真空)，灯体照明正常稳定后，灯体发光面板温度稳定在60℃。比对二者发现，实施例2的传热工质可使发光面板灯体温度比对比实施例1低25℃(如图3所示)，面板温度更加均匀，温差不超过0.9℃(如图4所示)，灯珠使用寿命提高2.5倍以上。
应用例3：
将申请号为201410172539.5的发明申请所示的200W大功率LED灯体分别按照0°、15°、30°、45°60°、75°、90°的角度安装，然后再分别注入实施例1和对比实施例1制备素的传热工作介质。发现本发明传热工作介质作用下不同安装角度LED灯发光面板温度最大温差为1.9℃、而对比实施例1不同安装角度LED灯发光面板温度最大温差为6.5℃(如图5所示)，说明本发明传热工作介质能削减安装角度可削减LED灯体安装角度对灯体温度的影响，这样可扩展LED灯投照范围。
本发明的传热工质中的三维构造石墨烯为根据申请号201810410572.5的专利申请制备所得，三维构造石墨烯和一氯四氟乙烷、丙酮按一定比例制备成混合工质，将LED灯体的均热板传热抽成真空，将传热相变工质注入LED腔体中，真空状态次下，工质遇热源在40℃以上，媒介迅速汽化，均匀充满整个密封空间并迅速扩散，分子运动消耗热能的同时将热传递于整个密封腔体，因为均热板上方存在与空气对流传热的散热片，可将腔体内部热量输送到空气中，从而使得腔体内部的压力稳定在一定的范围，保持混合相变工质底温相变温度。同时均热板内部相变工质处于微重力状态下，不同安装角度的灯体温度相对比较均匀，所制成的均热板传热器可以任意方向使用，因此本发明的微重力分子热传导媒，沸点低，状态稳定，工艺简便，相变传热系数强，可解决大功率热传导问题。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (3)
1.一种用于强化大功率LED灯散热器效率的传热工作介质，其特征在于，按照质量百分比，包含以下组分：一氯四氟乙烷29％-31％、丙酮68.9％-70.8％、三维构造石墨烯0.01％-1％；
其中，所述三维构造石墨烯是由二维石墨烯片构成的具有类蜂窝状结构的粉体材料，具有超高的表面积>1000平方米每克，并含有大量微孔结构，其结构基本特征符合技术标准DB 45/T 1421-2016和DB 45/T 1425-2016的要求。
2.根据权利要求1所述传热工作介质，其特征在于，按照质量百分比，包含以下组分：一氯四氟乙烷30％、丙酮69-69.99％、三维构造石墨烯0.01％-1％。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的传热工作介质使用方法，其特征在于，按照质量百分比，称取以下组分：一氯四氟乙烷29％-31％、丙酮68.9％-70.8％、三维构造石墨烯0.01％-1％，然后将一氯四氟乙烷、丙酮、三维构造石墨烯通过机械振动使各组分混合均匀，得到混合物，将LED灯体的均热板传热抽成真空，将混合物注入LED腔体中，即得。
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