散熱器及led燈組件的製作方法
2023-05-25 15:35:01 2
散熱器及led燈組件的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及散熱器及LED燈組件。該散熱器由一個高導熱絕緣工程塑料一體成型的散熱器主體和內嵌於散熱器主體之中的至少1個熱管組成，散熱器主體包括：一個底板、底板上直立設置有主肋片，主肋片上還分別設有用於將熱管包覆於其中的包覆管道，並且熱管的蒸發段是處於底板的底面，主肋片上連接多個平行間隔設置的翅片，主肋片上開有通風口，並行排列的多個翅片的其中位於中間的至少一片保持完整外形之外，其餘的翅片的中間均設計成具有向上及向外漸開式開槽。該LED燈組件包括一個LED燈板和一個上述的散熱器，並且該散熱器主體的底面的熱管緊貼設於導熱基板上。本實用新型兼顧散熱和成本，滿足LED應用工程的耐腐蝕及絕緣要求。
【專利說明】散熱器及LED燈組件
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及散熱器及LED燈組件，尤其涉及LED應用工程中對於散熱性能進行改進的散熱器及LED燈組件。
【背景技術】
[0002]在LED應用工程中，LED晶片結溫應控制在一定的範圍以內方能使其達到工程應用的壽命要求。但因其熱流密度極大，故而散熱問題在極大程度上限制了 LED燈功率方面的提升。
[0003]在大功率LED應用中，有採用強迫對流方式進行散熱的方案，但需要另加耗功的泵或風機，而泵或風機運行的可靠性不高，所以被市場所摒棄。目前，大功率陣列式LED燈的散熱公認以自然對流方式為最佳。在自然對流的技術思路下，傳統的散熱器(模塊)一般採用各種結構的鑄鋁或擠壓鋁散熱翅片，更為先進的是採用熱管外加金屬散熱翅片方式(因目前製造工藝尚無法滿足熱管與金屬散熱翅片等其它導熱部件的完全無縫接觸，故而市場上仍慎用，學術界亦對此類產品存保留意見)。不管上述何種方式製成的散熱模塊，其整燈重量均過重，成本居高不下，同時對於路燈的安全性是一種考驗(沿海颱風天氣容易使路燈掉落，出現砸傷過往行人、車輛等事故)。其次，在某些特殊應用場合(如沿海地區、海上艦船、航標等)，需要散熱器具備防腐蝕性能，在某些特殊天氣條件(如雷電交加)，對戶外大功率LED路燈散熱器的絕緣性能也是一種考驗，於是近期就有了金屬散熱翅片外包工程塑料的散熱形式出現(僅處實驗階段，市場尚無法接受)，來勉強滿足以上要求。然而該金屬散熱翅片外包工程塑料的散熱器並不能減少金屬的使用量，也即整燈重量無法得到有效的控制，成本問題依然無法解決。
實用新型內容
[0004]基於現有技術的上述不足，為滿足LED應用工程的應用要求，兼顧散熱器溫升控制標準，同時有效節約產品成本，遂有本實用新型的提出。
[0005]本實用新型具體採用如下技術方案實現:
[0006]—種散熱器，由一個高導熱絕緣工程塑料一體成型的散熱器主體和內嵌於散熱器主體之中的至少I個的熱管組成，散熱器主體包括:一個底板、底板上直立設置有主肋片，主肋片上還設有用於將熱管包覆於其中的包覆管道，並且熱管的蒸發段是處於底板的底面，主肋片上連接多個平行間隔設置的翅片，主肋片上開有通風口，並行排列的多個翅片的其中位於中間的至少一片保持完整外形之外，其餘的翅片的中間均設計成具有向上及向外漸開式開槽。
[0007]其中優選的，熱管是2個，主肋片是2個，平行排列設於底板上，2個主肋片上均分別設有包覆管道來分別將2個熱管包覆於其中，且通風口是對稱地開設於2個主肋片上。
[0008]其中優選的，通風孔優選開設至熱管的蒸發段與冷凝段之間高度的下三分之一的位置。[0009]其中優選的，開槽優選的漸縮角度設為向外、向上均為7度。
[0010]其中優選的，靠近兩外側的多片翅片的頂側邊和/或外側邊進行漸縮式設計。
[0011]其中優選的，漸縮式設計的外形是漸縮圓弧外形。
[0012]其中優選的，高導熱絕緣工程塑料優選採用SKC中韓碳素公司生產的SCGMP008GPA6B 產品，基材為 PA6。
[0013]一種LED燈組件，包括一個設有LED光源的導熱基板構成的LED燈板和一個如上所述的散熱器，並且該散熱器主體的底面的熱管緊貼設於導熱基板上。
[0014]其中優選的，LED燈板上的LED光源的排布位置是正對於散熱器主體的底面的熱管的蒸發段的位置。
[0015]其中優選的，散熱器主體下端的底面與導熱基板緊貼之間的間隔填充塗覆導熱矽脂。
[0016]本實用新型的散熱器及LED燈組件的技術效果是:不僅兼顧散熱器溫升控制標準，而且可以有效節約產品成本；具有重量輕、防腐蝕、絕緣好、散熱佳、成本低的優點，能夠滿足LED應用工程的應用要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型的一個實施例的LED燈組件的各部件的爆炸分解圖；
[0018]圖2是該實施例的立體結構示意圖(角度一);
[0019]圖3是該實施例的立體結構示意圖(角度二);
[0020]圖4是該實施例的立體結構示意圖(角度三);
[0021]圖5是該實施例的立體結構示意圖(角度四)；
[0022]圖6是該實施例的側視圖；
[0023]圖7是該實施例的正視圖；
[0024]圖8是該實施例的俯視圖；
[0025]圖9是該實施例的仰視圖；
[0026]圖10是實施例的剖視圖(沿圖2的A-A縱向剖)；
[0027]圖11是實施例的剖視圖(沿圖2的B-B橫向剖)。
【具體實施方式】
[0028]本實用新型是遵循充分挖掘工程塑料以及熱管的散熱潛力，將二者優勢疊加的技術思路，採用高導熱絕緣的工程塑料內嵌熱管制成大功率陣列式LED燈應用所需的散熱器。下面針對本實用新型所採用的高導熱絕緣的工程塑料和熱管進行詳細說明。
[0029]高導熱絕緣工程塑料是隨著現代材料學技術進步而生產出的較為新興的一類已知現有的高分子材料。它能夠取代傳統的鋁製成散熱器已是不爭的事實，其具備如下優點:I)導熱塑料的密度要比鋁輕近一半，故同等散熱面積需求的塑料散熱器質量約為鋁散熱器的1/2 ;2)塑料散熱器可用注射成型加工，其成型周期將縮短20%?50% ；3)用導熱絕緣塑料散熱器可使非隔離式電源的安全問題得到解決。然而，由於材料科學技術的進步非一朝一夕，高導熱絕緣工程塑料之所以號稱「高導熱」，是和幾乎絕熱的純塑料相比而言。實際上，目前已研發出的且價格可為市場所接受的高導熱絕緣工程塑料其導熱能力(約為20W/(m.K)以內)與金屬相比還差近一個量級。因此，如僅以高導熱絕緣工程塑料直接簡單替代鋁散熱器，目前還不滿足於LED路燈等一類大型高功率LED組件中的散熱器的散熱要求，而只適合於室內小功率LED燈具。
[0030]熱管(heat pipe)是於1963年由美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室的喬治格羅佛(George Grover)實用新型,依靠管內毛細結構以及致冷介質的相變來傳遞熱量，其導熱能力超過目前所有已知的金屬(導熱係數超過鋁2個數量級以上)，被稱為熱的超導體。之前常用於航天等領域，隨著成本的逐漸降低以及可靠性的提升，目前已是散熱器製造行業的有效選擇之一(如筆記本電腦的cpu的散熱器)。然而，如【背景技術】中所述的，僅由熱管加金屬散熱翅片形式製成的散熱器雖然散熱良好，但存在以下問題無法規避:1)重量控制；2)抗腐蝕能力；3)絕緣性能；4)熱管與散熱部件的緊密結合程度(當然，目前已有熱管與散熱部件直接焊接的方式解決，但工藝複雜，成本太高)。
[0031]為解決上述高導熱絕緣工程塑料和熱管的各自不足之處，本實用新型提出一種在熱管基礎之上引入高導熱絕緣工程塑料的技術思路，也即在導熱和結構上均用工程塑料內嵌熱管從而完全替代傳統金屬翅片的功能。
[0032]當然，如前所述，高導熱絕緣工程塑料的導熱性能無法和金屬相比，因此如無法在結構設計上創造性地充分利用工程塑料的輻射以及表面自然對流散熱優勢，並輔以熱管的超導能力優勢，僅簡單採用工程塑料內嵌熱管的形式是無法達到大功率陣列式LED燈組件所需的散熱要求的。因此，本實用新型在必須對高導熱絕緣工程塑料的結構進行創新性設計，並通過數值模擬優化以及依靠反覆試驗驗證，力求能夠達到同樣良好或甚至更佳的散熱效果。
[0033]現結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。
[0034]參閱圖1所示，是本實用新型一個較佳實施例的LED燈組件，該實施例的LED燈組件是由一個具有一定結構設計的高導熱絕緣工程塑料一體成型的散熱器主體I和內嵌於散熱器主體I之中的至少I個(該實施例以2個為例說明)的熱管2組成的散熱器，以及由一個導熱基板(鋁基板或陶瓷基板等，該實施例以鋁基板為例說明)3和設於其上的多個陣列式分布的LED光源4 (如布置有6粒功率為5-8W的大功率LED晶片)構成的LED燈板，並且該散熱器主體I的底面101的熱管2緊貼設於導熱基板3上。具體的，該實施例中的兩根熱管2是彎成U形(也可以是類似U型的形狀或者其他形狀，如Z字型等)，兩根熱管2的蒸發段(加熱段)21是處於散熱器主體I的底面101，並緊貼於導熱基板3，其冷凝段(冷卻段)22是嵌入散熱器主體I中。優選的是，該散熱器主體I是由高導熱絕緣工程塑料通過注塑形成從而將兩根熱管2完全包裹於其中，從而形成一體化結構的散熱器。優選的，該散熱器主體I下端的底面101與導熱基板3緊貼之間的間隔還可填充塗覆導熱矽脂將空氣熱阻消除，以利於導熱。另外優選的是，為了使導熱基板3上的熱量不至於過於集中，兩根熱管2的蒸發段21是分別對稱布置於導熱基板3上的LED光源4的所正對的位置。需要說明的是，該LED燈組件除上述的散熱器和LED燈板外，還可以額外包括其他部件，如LED整光透鏡、LED驅動電源等，均為常規技術，不再詳細展開說明。
[0035]這樣，該實施例中的散熱器由於熱管2具有超強的導熱能力，LED光源4產生的熱量經由導熱基板3傳至熱管2的蒸發段21後，能夠迅速的引至冷凝段22。因此，包覆有熱管2的高導熱絕緣工程塑料的散熱器主體I如何將熱管2傳來的熱量迅速地散至周圍環境當中，就成為本實用新型的散熱器所要解決的核心問題。
[0036]為此，本案實用新型人在對該散熱器主體I的結構設計中充分利用了高導熱絕緣工程塑料材質在自然對流換熱係數(工程塑料的表面粗糙度大於光滑的金屬，故而相比於金屬表面，空氣在其表面做自然對流流動過程中，層流邊界層的厚度要更薄，也即由層流邊界層形成的熱阻更小)以及輻射率方面優於普通鋁金屬的優勢，形成如下幾個創新性的結構設計，同時參閱圖2-圖11所示:
[0037]I)在散熱器主體I兩側的兩個主肋片13上對稱開有通風口 15 (可參閱圖4、圖6)，通過主肋片13上兩排通風口 15的開設後，可以增強空氣自然對流，從而提高散熱效果。優選的，本案實用新型人還以散熱器頂部空氣流速最大為優化目標(因在散熱器高度為定值情況下，此處流速最大，可說明自然對流效果最好，即所謂的「煙?」抽吸原理)，經過大量的數值模擬和不斷測試後，實用新型人發現將通風孔15開至熱管2的蒸發段21與冷凝段22之間高度的下三分之一的位置(橫向U型的最下端的橫線段朝向最上端的橫線段的方向起，由最下端的橫線段至三分之一高度處之間的位置)時，可以獲得散熱器頂部空氣流速最大化。
[0038]2)因為散熱器主體I採用的工程塑料(例如SKC中韓碳素公司生產的SCGMP008GPA6B產品，基材為PA6)的表面輻射率一般可達0.8，在總散熱面積足夠的情況下，本實用新型採用不同於現有的金屬散熱器的翅片形狀設計，以其最大限度發揮其輻射能力(提高輻射角係數)。遵循該思路，首先，散熱器主體I的並行排列的多個翅片12的其中位於中間的至少一片(實施例以三片為例說明)保持完整外形之外，其餘的翅片12的中間均設計成具有向上及向外漸開式開槽1201(可參閱圖2、圖3、圖5、圖7、圖8，俯視角度)；其次，靠近兩外側的多片(實施例以各五片為例說明)翅片12的頂側邊1202 —起形成圓弧形對稱漸縮外形(參閱圖4、圖6，側視角度)，與之連接的主肋片13的頂側邊1301也是同樣弧度的圓弧形(參閱圖6、圖10);最後，靠近兩外側的多片(實施例以各六片為例說明)翅片12的外側邊1203 —起形成圓弧形漸縮外形(參閱圖2、圖3、圖8，俯視角度)。優選的，為兼顧美觀以及裝配空間要求，該實施例將散熱器主體I的兩側的左右外側的兩個漸縮圓弧設為 RlOO (單位:mm)0
[0039]這樣，該散熱器主體I在中間位置的翅片12會藉由靠近兩端外側的翅片12所開設的向外漸開式開槽1201而向外輻射熱量，從而避免相鄰翅片12之間的熱量來回折射而不易向外散發(未開設開槽1201情況下)，這樣可以提高採用高導熱絕緣工程塑料材質的散熱器主體I的熱輻射。同時，翅片12上所開設的開槽1201相當於也增多開口，使氣流道暢通，也利於增強空氣自然對流。
[0040]在該實施例中，實用新型人經過大量的數值模擬和不斷測試後，發現將多個翅片12的開槽1201的漸縮角度設為向外、向上均為7度時，效果最佳。該實施例經測試可以滿足LED光源的熱量至環境溫升不超過45°C的要求。
[0041]並且，在此基礎上，還在翅片12的頂側邊1202和外側邊1203進行漸縮式設計，從而彼此相鄰的翅片12均會存在外露部分(上側邊和外側邊均具有不重疊部分)，從而進一步利於採用高導熱絕緣工程塑料材質的翅片12向外熱輻射。
[0042]當然的，該實施例的翅片12的設計中，開設向外漸開式開槽1201的設計最為重要，頂側邊1202和外側邊1203進行漸縮式設計可以起到增強熱輻射的效果。當然的，頂側邊1202和外側邊1203進行漸縮式設計可以只採用其中的一個。另外，補充說明的是，如果在不影響模具成型的情況下，將每一個翅片12的外側邊1203由直側邊改成弧形側邊也將提升熱輻射效果。
[0043]歸納上述，該實施例的散熱器主體I是高導熱絕緣工程塑料一體成型(如注塑成型)的結構，具體是:包括一個底板11，底板上直立設置2個平行排列的主肋片13 (與該實施例的2個熱管2對應)，2個主肋片13上還分別設有用於將熱管2包覆於其中的包覆管道14，包覆管道14的外形與其所包覆的熱管的形狀相適應(如實施例的包覆管道14是U形)，並且熱管2的蒸發段21是處於底板11的底面，該兩個主肋片13上連接多個平行間隔(優選是等間距)設置的翅片12。其中，該兩個主肋片13上對稱開有通風口 15，且該通風孔15優選開設至熱管2的蒸發段21與冷凝段22之間高度的下三分之一的位置；該散熱器主體I的並行排列的多個翅片12的其中位於中間的至少一片保持完整外形之外，其餘的翅片12的中間均設計成具有向上及向外漸開式開槽1201，且該開槽1201優選的漸縮角度設為向夕卜、向上均為7度；以及進一步的，靠近兩外側的多片(實施例以各六片為例說明)翅片12的頂側邊1202和/或外側邊1203進行漸縮式設計。
[0044]該實施例的LED燈組件中的散熱器經由以上兩個方面的設計，工程塑料散熱器的輻射熱流量的增加值超過5%，同時由於開口增多，氣流道暢通，對流換熱流量基本保持平衡(誤差〈1%)。此外，工程塑料的重量也在一定程度上有所減輕，節省了成本。該實施例的散熱器的高導熱絕緣工程塑料包覆熱管結構的外表面是工程塑料，具有耐腐蝕且絕緣的優點；且整體以高導熱絕緣工程塑料為主，重量相比現有金屬散熱器，具有總重量更小的優點。
[0045]上述的實施例是以一個實施例的LED燈組件進行說明。上述的實施例的LED燈組件中散熱器可以作為一個單獨的散熱器來使用，從而用於其他LED燈組件的不同的LED燈板結構中。因此，本實用新型的另一個目的是提出一種散熱器，該散熱器的具體結構是如上所述，該散熱器可以用於LED組件中，用於對LED光源進行良好散熱。
[0046]儘管結合優選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本實用新型的精神和範圍內，在形式上和細節上可以對本實用新型做出各種變化，均為本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種散熱器，由一個高導熱絕緣工程塑料一體成型的散熱器主體和內嵌於散熱器主體之中的至少I個的熱管組成，散熱器主體包括:一個底板、底板上直立設置有主肋片，主肋片上還設有用於將熱管包覆於其中的包覆管道，並且熱管的蒸發段是處於底板的底面，主肋片上連接多個平行間隔設置的翅片，主肋片上開有通風口，並行排列的多個翅片的其中位於中間的至少一片保持完整外形之外，其餘的翅片的中間均設計成具有向上及向外漸開式開槽。
2.根據權利要求1所述的散熱器，其特徵在於:熱管是2個，主肋片是2個，平行排列設於底板上，2個主肋片上均分別設有包覆管道來分別將2個熱管包覆於其中，且通風口是對稱地開設於2個主肋片上。
3.根據權利要求2所述的散熱器，其特徵在於:通風孔優選開設至熱管的蒸發段與冷凝段之間高度的下三分之一的位置。
4.根據權利要求3所述的散熱器，其特徵在於:開槽優選的漸縮角度設為向外、向上均為7度。
5.根據權利要求2或3或4所述的散熱器，其特徵在於:靠近兩外側的多片翅片的頂側邊和/或外側邊進行漸縮式設計。
6.根據權利要求5所述的散熱器，其特徵在於:漸縮式設計的外形是漸縮圓弧外形。
7.根據權利要求1所述的散熱器，其特徵在於:高導熱絕緣工程塑料優選採用SKC中韓碳素公司生產的SCGMP008GPA6B產品，基材為PA6。
8.—種LED燈組件，包括:一個設有LED光源的導熱基板構成的LED燈板和一個散熱器，散熱器是如上述權利要求1-7中任一的散熱器，並且該散熱器主體的底面的熱管緊貼設於導熱基板上。
9.根據權利要求8所述的LED燈組件，其特徵在於:LED燈板上的LED光源的排布位置是正對於散熱器主體的底面的熱管的蒸發段的位置。
10.根據權利要求9所述的LED燈組件，其特徵在於:散熱器主體下端的底面與導熱基板緊貼之間的間隔填充塗覆導熱矽脂。
【文檔編號】F21S2/00GK203686958SQ201320841649
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】林斌, 鄭捷慶, 張江濱, 曹曉雲, 郭捷, 林雄萍, 梁傑 申請人:廈門市信達光電科技有限公司