一種高效散熱的相變LED燈導熱柱及其散熱結構的製作方法

2023-07-27 05:52:37 5

本發明涉及一種燈具，更具體的說是涉及一種高效散熱的相變LED燈散熱結構。

背景技術：

在現有技術中，申請號為201610034907.9的中國專利，公開了一種高效散熱LED泛光燈，包括殼體，所述殼體內設置有LED燈，所述殼體內還設置有散熱器，所述LED燈與散熱器貼合，所述散熱器內設置有容納腔，所述容納腔內填充有相變液，所述散熱器容納腔內兩端設置有導熱管。當在傾斜使用時，相變液會離開貼合LED燈的散熱器的位置，此時LED燈使用過程中，LED燈散發出熱量，由於散熱器上設置了導熱管，導熱管起到了間接傳熱的效果，通過導熱管將LED燈的熱量傳遞到相變液中，從而使得相變液發生相變，這樣就使得即使在傾斜使用過程中也能夠起到一個較好的散熱效果，提高整體的散熱性能，保證了LED燈的長時間使用。

但是，當發生大幅度傾斜過程中，會存在部分導熱管無法實現接觸到相變液的情況，無法實現三百六十度全方位調整後都能夠達到較好的散熱效果。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種實現三百六十度全方位調整均能起到高效散熱的導熱柱。

為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：

一種高效散熱的相變LED燈用導熱柱：包括吸水層，所述吸水層外包覆有碳纖維層，所述碳纖維層外包覆有石墨烯層。

作為本發明的進一步改進：所述石墨烯層上設置有透氣孔。

作為本發明的進一步改進：所述吸水層為吸水棉芯或高分子吸水樹脂。

作為本發明的進一步改進：所述石墨烯層為石墨烯紙。

作為本發明的進一步改進：所述碳纖維層為碳纖維布。

作為本發明的另一發明目的，提供一種實現三百六十度全方位調整均能起到高效散熱的散熱結構，包括散熱腔，所述散熱腔內填充有相變液，所述散熱腔內設置有導熱柱，導熱柱與相變液接觸。

作為本發明的進一步改進：包括圍板以及設置在圍板兩個開口處的底板，其中一塊底板貼合有LED燈，所述圍板和兩底板形成散熱腔，所述導熱柱固定在貼合有LED燈的底板上。

作為本發明的進一步改進：所述導熱柱上設置有與底板貼合的彎折板，所述底板上設置有夾持板，所述彎折板被夾持在夾持板和底板之間。

作為本發明的進一步改進：所述夾持板上設置有第一安裝孔，所述底板上設置有螺紋孔，所述所述彎折板上設置有第二安裝孔，所述第一安裝孔、第二安裝孔、螺紋孔中同時穿設只有固定螺栓。

作為本發明的進一步改進：所述相變液佔整個容納腔的15~40%。

作為本發明的進一步改進：

所述高分子吸水樹脂包括下列重量份組成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羥乙酯100份

四(2-羥乙基)己二醯胺5份

4-甲基苯甲醯胺2份

N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺2份

過硫酸鉀1份

丙烯醯胺30份

三烯丙基磷酸酯3份

2,3-二羥基萘-6-磺酸鈉：5份。

製備步驟如下：

(1)按配方量將氫氧化鈉加入丙烯酸中使其中和；

(2)將丙烯醯胺與中和後的丙烯酸溶液配製成水溶液，加入丙烯酸-2-羥乙酯和剩餘助劑，攪拌均勻，在70℃下聚合反應5小時，得到聚合物；

(3)將聚合物經造粒、烘乾、粉碎後，製得高吸水樹脂。

作為本發明的進一步改進：

所述改性石墨烯紙有下列步驟製備：

步驟一：預氧化

將石墨烯加入到濃度為30%的雙氧水中進行預氧化，同時置於水浴鍋中，保持溫度在80℃預氧化5小時，加入5%濃度的過氧化鈉，將雙氧水稀釋至小於5%的濃度，在水浴中保溫1小時，過濾，過濾後的石墨烯加入10%濃度的酮丙二酸浸泡至30分鐘後過濾，之後用去離子水衝洗過濾的到預氧化石墨烯，烘乾；

步驟二：

將預氧化石墨烯置於管式爐中，通入氮氣保護，直至除去管式爐內的所用空氣，同時升溫至500℃，之後將氮氣換成二氧化碳，保溫2小時，之後再將二氧化碳置換成氮氣降溫至室溫，得到氧化石墨烯；

步驟三：

取質量分200份氧化石墨烯，加入1.5份(甲氧基甲基)三甲基矽烷、1份三乙醯氧基乙基矽烷，同時加入N-甲基吡咯烷酮100份，在80℃，1.5MPa下反應1小時，得到改性石墨烯；

步驟四：將100質量份上述乾燥後的改性石墨烯粉、5份矽化鉬加入到模具中，在5MPa、200℃條件下，模壓5~30分鐘，得到的石墨烯紙。

本發明的有益效果在於：

在使用過程中，導熱柱是位於散熱腔中的，與散熱腔中的相變液接觸，導熱柱使用過程中，由於中間吸水層的設置有能夠吸收液體，這樣就可以使得在使用過程中，導熱柱是浸入到整個相變液中的，這樣就可以把相變液吸到整個導熱柱的中間，原理類似於酒精燈、煤油燈的燈芯。在LED燈正常使用過程中，產生熱量，會傳到散熱腔中，這樣會使得散熱腔升溫。在升溫後，位於散熱腔中的相變液以及被吸水層吸上來的相變液都會揮發，通過相變液的蒸發，能夠起到一個較好的散熱效果。特別是被吸至吸水層中的相變液，由於吸水層毛細力的作用下，能夠起到在任意角度轉動都能夠保證吸水層中能夠吸收到吸水層中。之後在吸水層外包覆一層碳纖維，碳纖維具有較好的吸水性的同時，還具有較好的導熱性，能夠一邊吸水一邊導熱，從而將位於吸水層中的相變液揮發，從而起到傳熱散熱效果。

在導熱柱的最外側包覆有石墨烯層，主要是起到傳熱作用，石墨烯層的作為最外側能夠起到較好的傳熱效果，有效傳到熱量。

最終，熱量通過石墨烯層、碳纖維層進入到吸水層中，將相變液蒸發，通過循序漸進的傳熱方式，石墨烯層起到傳熱，碳纖維層兼顧吸水和傳熱，內部的吸水層主要起到吸水作用，這樣就能夠最大限度保證熱量不會損耗，如果沒有碳纖維層的設置，石墨烯本身吸水性較差，只能通過接觸傳熱，而大部分熱量會傳遞到吸水層上，而不是直接與相變液進行直接傳熱，而碳纖維層的設置恰恰就能夠使得大量熱量在傳遞到碳纖維時，碳纖維本身就帶有相變液，相變液之間就能夠相互傳熱，大大提高的傳熱效率，同時也提高了散熱效率，有效提高散熱效果30%~80%。

附圖說明

圖1為本實施例的整體結構圖；

圖2為本實施例的導熱柱結構圖；

圖3為本實施例的導熱柱透氣孔示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖所給出的實施例對本發明做進一步的詳述。

參照圖1至3所示，本實施例的一種高效散熱的相變LED燈15用導熱柱1：包括吸水層2，所述吸水層2外包覆有碳纖維層3，所述碳纖維層3外包覆有石墨烯層4。

作為改進的一種具體實施方式，所述石墨烯層4上設置有透氣孔5。

作為改進的一種具體實施方式，所述吸水層2為吸水棉芯或高分子吸水樹脂。

吸水棉芯和高分子吸水樹脂作為常見的吸水材料被廣泛應用。容易獲得，同時成本較低。

作為改進的一種具體實施方式，所述石墨烯層4為石墨烯紙。

作為改進的一種具體實施方式，所述碳纖維層3為碳纖維布。

一種實現三百六十度全方位調整均能起到高效散熱的散熱結構，包括圍板7以及設置在圍板7兩個開口處的底板8，其中一塊底板貼合有LED燈15，所述圍板7和兩底板8形成散熱腔6，所述導熱柱1固定在貼合有LED燈15的底板8上。

作為改進的一種具體實施方式，包括圍板7以及設置在圍板7兩個開口處的底板8，所述圍板7和兩底板8形成散熱腔6，所述導熱柱1固定在底板8上。

作為改進的一種具體實施方式，所述導熱柱1上設置有與底板8貼合的彎折板9，所述底板8上設置有夾持板10，所述彎折板9被夾持在夾持板10和底板8之間。

作為改進的一種具體實施方式，所述夾持板10上設置有第一安裝孔11，所述底板8上設置有螺紋孔13，所述所述彎折板9上設置有第二安裝孔12，所述第一安裝孔11、第二安裝孔12、螺紋孔13中同時穿設只有固定螺栓14。

作為改進的一種具體實施方式，所述相變液佔整個容納腔的15~40%。

本發明的有益效果在於：

在使用過程中，導熱柱1是位於散熱腔6中的，與散熱腔6中的相變液接觸，導熱柱1使用過程中，由於中間吸水層2的設置有能夠吸收液體，這樣就可以使得在使用過程中，導熱柱1是浸入到整個相變液中的，這樣就可以把相變液吸到整個導熱柱1的中間，原理類似於酒精燈15、煤油燈15的燈15芯。在LED燈15正常使用過程中，產生熱量，會傳到散熱腔6中，這樣會使得散熱腔6升溫。在升溫後，位於散熱腔6中的相變液以及被吸水層2吸上來的相變液都會揮發，通過相變液的蒸發，能夠起到一個較好的散熱效果。特別是被吸至吸水層2中的相變液，由於吸水層2毛細力的作用下，能夠起到在任意角度轉動都能夠保證吸水層2中能夠吸收到吸水層2中。之後在吸水層2外包覆一層碳纖維，碳纖維具有較好的吸水性的同時，還具有較好的導熱性，能夠一邊吸水一邊導熱，從而將位於吸水層2中的相變液揮發，從而起到傳熱散熱效果。

在導熱柱1的最外側包覆有石墨烯層4，主要是起到傳熱作用，石墨烯層4的作為最外側能夠起到較好的傳熱效果，有效傳到熱量。

最終，熱量通過石墨烯層4、碳纖維層3進入到吸水層2中，將相變液蒸發，通過循序漸進的傳熱方式，石墨烯層4起到傳熱，碳纖維層3兼顧吸水和傳熱，內部的吸水層2主要起到吸水作用，這樣就能夠最大限度保證熱量不會損耗，如果沒有碳纖維層3的設置，石墨烯本身吸水性較差，只能通過接觸傳熱，而大部分熱量會傳遞到吸水層2上，而不是直接與相變液進行直接傳熱，而碳纖維層3的設置恰恰就能夠使得大量熱量在傳遞到碳纖維時，碳纖維本身就帶有相變液，相變液之間就能夠相互傳熱，大大提高的傳熱效率，同時也提高了散熱效率。

通過透氣孔5的設置，在受熱的時候，提供散熱揮發出去的通道，使得相變後氣體散發出去的通道更多，同時也增加了相面也進入到吸水層2的通道，進一步提高了散熱效率。同時，透氣孔5的設置，也提供了吸水層和碳纖維層的膨脹空間。

石墨烯紙和碳纖維布容易成型，易於成型和加工。

在作為LED燈15使用的時候，LED燈15安裝在底板8上，LED燈15上的熱量直接散發到底板8上，通過底板8的傳熱，將熱量傳導到散熱腔6內部。導熱柱1一端與安裝LED燈15的安裝板連接，這樣就可以使先最快時間與熱源接觸，從而起到導熱、相變的作用。

在安裝過程中，首先將彎折板9放置在底板8上，之後放入夾持板10，通過將第一安裝孔11、第二安裝孔12、螺紋孔13對準後直接擰入螺栓14即可完成固定，實現整個安裝結構。這樣子安裝結構比較穩定，方便加工操作。

作為改進的一種具體實施方式，提供一種用於吸水層的高分子吸水樹脂的實施例：

該吸水樹脂包括下列重量份組成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羥乙酯100份

四(2-羥乙基)己二醯胺5份

4-甲基苯甲醯胺2份

N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺2份

過硫酸鉀1份

丙烯醯胺30份

三烯丙基磷酸酯3份

2,3-二羥基萘-6-磺酸鈉：5份。

製備步驟如下：

(1)按配方量將氫氧化鈉加入丙烯酸中使其中和；

(2)將丙烯醯胺與中和後的丙烯酸溶液配製成水溶液，加入丙烯酸-2-羥乙酯和剩餘助劑，攪拌均勻，在70℃下聚合反應5小時，得到聚合物；

(3)將聚合物經造粒、烘乾、粉碎後，製得高吸水樹脂。

在上述高分子吸水樹脂中，以丙烯酸和丙烯酸-2-羥乙酯為主體，在反應前加入與丙烯酸相等物質量的氫氧化鈉進行中和，在完成中和後，加入四(2-羥乙基)己二醯胺、4-甲基苯甲醯胺、N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺作為交聯劑，使得在反應過程中，能夠以丙烯酸為基體，形成三維網狀結構，同時四(2-羥乙基)己二醯胺、4-甲基苯甲醯胺、N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺的復配使用，能夠在完成交聯的後，使得在交聯的聚合物表面帶有吸水性的活性基團，這樣就能夠大幅度提高整體的吸水效果。同時四(2-羥乙基)己二醯胺、4-甲基苯甲醯胺、N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺帶有的基團在於丙烯酸樹脂在交聯時，具有較好的相容性，使得在混合能夠十分均勻，最後吸水性能上能夠更加均勻和穩定。

同時加入的丙烯醯胺能夠調節整體分子結構，使得丙烯酸樹脂具有較好的穩定性，易於成型，不會太軟而無法成型，同時本身帶有的基團能夠促進整體的吸水性能的提升。

三烯丙基磷酸酯的加入，一方面促進在反應過程中熔融狀態原料之間的流動性，同時進一步提高聚丙烯樹脂的吸水性能。

過硫酸鉀的加入則作為整個反應的引發劑，使得整個反應得以發生。

2,3-二羥基萘-6-磺酸鈉作為改性劑加入，能夠與四(2-羥乙基)己二醯胺、4-甲基苯甲醯胺、N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺產生協同作用，一方面對整體材料起到了補強作用，另一方面，還能夠提高吸水性能。

吸水樹脂對比例一：

該吸水樹脂包括下列重量份組成:

丙烯酸200份

過硫酸鉀1份

丙烯醯胺30份

製備步驟如下：

(1)按配方量將氫氧化鈉加入丙烯酸中使其中和；

(2)將丙烯醯胺與中和後的丙烯酸溶液配製成水溶液，剩餘助劑，攪拌均勻，在70℃下聚合反應5小時，得到聚合物；

(3)將聚合物經造粒、烘乾、粉碎後，製得高吸水樹脂。

吸水樹脂對比例二：

該吸水樹脂包括下列重量份組成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羥乙酯100份

四(2-羥乙基)己二醯胺5份

4-甲基苯甲醯胺2份

N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺2份

過硫酸鉀1份

丙烯醯胺30份；

製備步驟如下：

(1)按配方量將氫氧化鈉加入丙烯酸中使其中和；

(2)將丙烯醯胺與中和後的丙烯酸溶液配製成水溶液，加入丙烯酸-2-羥乙酯和剩餘助劑，攪拌均勻，在70℃下聚合反應5小時，得到聚合物；

(3)將聚合物經造粒、烘乾、粉碎後，製得高吸水樹脂。

吸水樹脂對比例三：

該吸水樹脂包括下列重量份組成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羥乙酯100份

四(2-羥乙基)己二醯胺5份

4-甲基苯甲醯胺2份

N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺2份

過硫酸鉀1份

丙烯醯胺30份。

製備步驟如下：

(1)按配方量將氫氧化鈉加入丙烯酸中使其中和；

(2)將丙烯醯胺與中和後的丙烯酸溶液配製成水溶液，加入丙烯酸-2-羥乙酯和剩餘助劑，攪拌均勻，在70℃下聚合反應5小時，得到聚合物；

(3)將聚合物經造粒、烘乾、粉碎後，製得高吸水樹脂。

高吸水樹脂測試：

(1)吸水量

在2000mL容積的燒杯中，將吸水性樹脂粒子0.5g分散在離子交換水1500g中，攪拌30分鐘使其充分膨潤。使用事先測定了重量Wa(g)的網眼38μm(400目)的標準篩，過濾包含膨潤凝膠的離子交換水，傾斜篩，使其以相對於水平成約30度左右的傾斜角的狀態放置30分鐘，從膨潤凝膠中除去剩餘水分。之後，測定包含膨潤凝膠的篩的重量Wb(g)，根據式：

〔吸水量(g/g)〕＝(Wb-Wa)÷0.5

求出吸水量(g/g)。

(2)吸水速度

往內容積100mL容積的燒杯中，事先放入0.9重量％生理鹽水50g，將液溫調節到25℃，使用攪拌器(長30mm、直徑8mm)，以轉數600rpm的速度進行攪拌。邊攪拌邊在該燒杯內加入吸水性樹脂粒子2g，測量吸水性樹脂粒子通過凝膠化而使液表面的漩渦消失為止所需的時間，該時間為吸水速度。

作為辦法嗎的進一步改進，還提供一種改性石墨烯紙的實施例：

步驟一：預氧化

將石墨烯加入到濃度為30%的雙氧水中進行預氧化，同時置於水浴鍋中，保持溫度在80℃預氧化5小時，加入5%濃度的過氧化鈉，將雙氧水稀釋至小於5%的濃度，在水浴中保溫1小時，過濾，過濾後的石墨烯加入10%濃度的酮丙二酸浸泡至30分鐘後過濾，之後用去離子水衝洗過濾的到預氧化石墨烯，烘乾；

步驟二：

將預氧化石墨烯置於管式爐中，通入氮氣保護，直至除去管式爐內的所用空氣，同時升溫至500℃，之後將氮氣換成二氧化碳，保溫2小時，之後再將二氧化碳置換成氮氣降溫至室溫，得到氧化石墨烯；

步驟三：

取質量分200份氧化石墨烯，加入1.5份(甲氧基甲基)三甲基矽烷、1份三乙醯氧基乙基矽烷，同時加入N-甲基吡咯烷酮100份，在80℃，1.5MPa下反應1小時，得到改性石墨烯；

步驟四：將100質量份上述乾燥後的改性石墨烯粉、5份矽化鉬加入到模具中，在5MPa、200℃條件下，模壓5~30分鐘，得到的石墨烯紙。

在石墨烯紙實施例中，以石墨烯為主體，首先通過雙氧水的預氧化，這樣就使得石墨烯表面積凹陷增多，且帶有活性基團，同時在預氧化後，加入過氧化鈉溶液進行稀釋，能夠較為緩和地逐漸降低氧化活性，保證了在之後清洗過程中，不會有雙氧水殘留在石墨烯的縫隙中，之後通過酮丙二酸的浸泡清洗，能夠有效去除殘留的預氧化液，這樣就能夠保證在後續二氧化碳氧化過程中，不會受到預氧化液影響。

二氧化碳高溫氧化過程中，主要靠氣體在高溫下燒結石墨烯表面，現有技術中，一般直接用二氧化碳氧化，但是，石墨烯本身表面積不大的前提下，經過二氧化碳燒結後的氧化面積增長並不大。如果直接採用化學氧化，則氧化的均勻度難以控制。但是預氧化過程中很容易殘留預氧化液，選用本發明的預氧化過程首先能夠在二氧化碳燒結前就能夠增大石墨烯表面積，之後通過二氧化碳燒結，這樣就能夠使得氧化石墨烯結構更加均勻。

在完成氧化後，通過加入 (甲氧基甲基)三甲基矽烷、三乙醯氧基乙基矽烷、N-甲基吡咯烷酮能夠使得活性基團支接在氧化石墨烯表面，通過(甲氧基甲基)三甲基矽烷和三乙醯氧基乙基矽烷活性基團引入，通過引入的活性基團能偶與N-甲基吡咯烷酮發生反應，與之交聯在一起。特別是在模壓步驟中加入矽化鉬，能偶促進改性石墨烯之間發生更加充分的交聯，矽化鉬作為催化劑使用，能夠在短時間內形成石墨烯紙，同時使得石墨烯紙具有較好的力學強度。

改性石墨烯紙測試：

1mm厚的改性石墨烯紙，拉伸強度為：780Mpa；彈性模量為82Gpa。

整體實施例一：

通過本發明製造的LED燈，散熱腔底面積為半徑為5cm的圓，散熱腔高為20cm，散熱腔內填充40%溶劑的相變液，相變液選用乙醇。

整體對比例一：

與整體實施例一相比，整體對比例一導熱柱就選用空心銅管。

關於空心銅管和導熱柱選擇直徑為0.5cm的空心柱體，均設置六根，以散熱腔底面為圓心呈環形等距陣列分布，柱體離圓心距離為2.5cm。

試驗：對相變液第一實施例、第二實施例、第三實施例以及第一對比例、第二對比例在LED燈點亮時的溫度。

表一：水平放置

表二：傾斜45°放置

原料清單：

丙烯酸 永華化學科技(江蘇)有限公司

丙烯酸-2-羥乙酯 山東諾貝特化工科技股份有限公司

四(2-羥乙基)己二醯胺 上海藥合生化科技有限公司

4-甲基苯甲醯胺 百靈威科技有限公司

N-[4-(磺醯胺)苯基]丙烯醯胺 石家莊斯迪亞諾精細化工有限公司

過硫酸鉀 阿法埃莎（中國）化學有限公司

丙烯醯胺 上海麥克林生化科技有限公司

三烯丙基磷酸酯 上海邁瑞爾化學技術有限公司

2,3-二羥基萘-6-磺酸鈉 梯希愛(上海)化成工業發展有限公司

雙氧水 上海邁瑞爾化學技術有限公司

酮丙二酸 上海永葉生物科技有限公司

三乙醯氧基乙基矽烷 上海邁瑞爾化學技術有限公司

N-甲基吡咯烷酮 上海阿拉丁生化科技股份有限公司

矽化鉬 上海邁瑞爾化學技術有限公司。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。