專利名稱：優(yōu)化散熱的led燈及其燈具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于LED照明技術領域，特別涉及到LED燈中的散熱片結構和尺寸的優(yōu)化設計。
背景技術：
LED照明，因其節(jié)能，長壽命而受到全球關注，被認為是下一代照明技術。但其散熱 問題是當今LED照明技術發(fā)展中的一大障礙，并且占LED燈相當部分成本，而制約LED照明 普及應用就是整個燈的成本價高。自然對流傳熱，無機械運動、無噪音，可靠性高，是LED散 熱必選的方式。但是，LED行業(yè)內(nèi)以及電子行業(yè)內(nèi)的專業(yè)人員，對肋片式結構的散熱片中的 自然對流傳熱并沒有非常清晰的認識，缺少針對性的基礎性研究，不清楚散熱片中的肋片 高和間隙對散熱的影響，其結果是散熱片設計不合理，沒有優(yōu)化設計理念，產(chǎn)品尺寸大，重 量沉，成本也就高，比如100W的LED路燈，散熱器用鋁達十多公斤，還有的甚至采用高成本 的熱管技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以針對LED散熱片中自然對流傳熱基礎性研究結果為基礎，提出散熱片尺 寸和結構優(yōu)化設計方案，并提出強化自然對流傳熱結構，將顯著地降低散熱用鋁量，即成 本。本發(fā)明的技術方案是LED燈包括有散熱片和LED芯，散熱片包括有導熱塊和肋 片，肋片從導熱塊的側面伸出，肋片伸出的平均長度大于10mm，導熱塊呈上下豎立設置的， 肋片也呈豎立設置，散熱空氣由下向上穿過肋片，LED燈芯產(chǎn)生的熱量，通過導熱塊導熱傳 熱，傳到肋片，再以自然對流傳熱的方法，從肋片表面?zhèn)鞯酱┻^肋片的空氣中散出。本發(fā)明 的特征是肋片平均高(即肋片在空氣穿過方向的尺寸)與肋片之間的平均間隙之比不大 于10. 0，不小于2. 0 ；肋片之間的平均間隙大于1. 7mm，肋片的平均高不大于40mm。散熱過程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動(對流)將熱量帶走，空氣流動(對 流)在散熱過程中非常重要，空氣流量越大，能帶走的熱量(即散熱量)越大。將散熱片的 導熱塊上下豎立設置，肋片也豎立，使自然對流空氣由下至上流動，穿過肋片，空氣流動阻 力小，有利于散熱量提高，這也就是為什么本發(fā)明要求導熱塊以及肋片要豎立設置。自然對流傳熱過程中，驅動空氣流動的動力是空氣受熱溫度升高，比重下降而產(chǎn) 生的浮力，浮力與體積以及空氣的溫差(散熱片中的空氣溫度與環(huán)境空氣溫度之差)成正 比，也就是說散熱片中的空氣溫度越高，浮力越大，空氣自然對流量也就越大。但是散熱肋 片與空氣的對流傳熱卻與肋片溫度和散熱片中的空氣溫度之差成正比、與肋片面積(散熱 面積)成正比，而散熱片所產(chǎn)生的空氣流動阻力與空氣流經(jīng)的距高(即肋片高)以及肋片 密度成正比，肋片高和肋片密度表現(xiàn)出散熱面積。這些分析說明，在肋片式結構中的自然對 流傳熱中，通過增加肋片高或肋片密度(減小肋片之間的間隙)來增加散熱面，以達到提高 散熱量，存在相反的、矛盾的因素，因而散熱量提高有限，甚至有可能是降低散熱量，得到相 反的結果。圖1為肋片式散熱片的自然對流傳熱實驗曲線，縱坐標為散熱量Q(導熱塊與環(huán)境 空氣溫度差為某定值時的散熱量)，橫坐標為肋片高h與肋片之間的間隙a之比，h/a被稱 為散熱片特征參數(shù)，此為無量綱參數(shù)。由于散熱片中的肋片高以及肋片之間的間隙不一定是均勻的，因而取肋片的平均高h與肋片之間的平均間隙a之比為散熱片特征參數(shù)。圖中 三條曲線分別為三種不同的肋片間隙的實驗結果，其中S1大于a2，a2大于a3。
圖1中說明當間隙a—定時，存在一最佳肋片高 ，如果肋片高h大于h*時，增 加肋片高h (也就增加散熱面積)，散熱量非但沒有提高，反而下降；只有當肋片高h小于h* 時，增加肋片高h (加大散熱面積)，才有利于提高散熱量；增加肋片間隙a有利于提高得到 最大散熱量，但相應地加大了肋片高(即散熱片的尺寸)。通過許多實驗數(shù)據(jù)整理得出，最 佳散熱片特征參數(shù)(h/a廣在5. 0至7. 0之間，6. 0左右。依據(jù)實驗結果分析，以及綜合其他因素，本發(fā)明提出，設計LED散熱片時，散熱片 特征參數(shù)h/a取值應不大于10. 0，不小于2. 0，肋片之間的平均間隙a大于1. 7mm ；肋片平均 高取不大于40mm，是兩方面的考慮一、散熱片的肋化效率方面，如h取42mm，(h/a)取6.0， 則間隙a為7. 0mm，間隙過大，肋化效率低，散熱用材(一般為鋁材)高，即成本高；二、散熱 片所占空間尺寸大，導熱塊內(nèi)的導熱距離遠。本發(fā)明中提出，肋片的平均長應大于10.0mm， 也是從肋化效率方面考慮，還有如果肋片的平均長過小，本發(fā)明提出的優(yōu)化結構及尺寸所 致的優(yōu)越性將被降低。肋片厚(平均厚)是散熱片的一重要尺寸，從節(jié)省材料和增加空氣流通面積方面 考慮，肋片厚應盡可能薄，由于自然對流傳熱的強度不高，即使肋片厚薄到為0. 5mm，肋片長 為20mm，采用鋁材，分析可得出，肋效率可達95%，考慮到一般采用鋁材擠壓工藝制造散熱 片，肋片平均厚應取0. 4 1. 2mm。散熱片更為合理的設計是散熱片特征參數(shù)(h/a)取不小于3. 5，不大于7. 0，肋片 之間的平均間隙a應大于2. 2mm。太陽花式散熱片結構中心是導熱柱，也就是導熱塊，肋片圍著導熱柱伸出。LED 芯(也就是發(fā)熱源)設置在導熱柱的端面上，發(fā)熱源到肋片根部的距離短，則導熱熱阻低， LED芯集中在中心導熱柱端面，導熱柱和LED芯所占的面積小，而空氣的流通面積大，有利 于自然對流傳熱。以上說明太陽花式散熱片對于LED芯散熱是最為合理的結構。本發(fā)明還提出一種LED燈具，散熱片為燈具中的部件，LED芯設置在導熱芯上，LED 芯與導熱芯構成LED燈芯，可設計制造成系列標準部件，實現(xiàn)標準化。導熱芯采用錐形結 構、或螺柱結構或錐形螺柱結構，散熱片采用太陽花式結構，導熱柱開有與前所述的導熱芯 相配的孔。散熱片特征參數(shù)h/a取值應不大于10. 0，不小于2. 0，肋片之間的平均間隙a大 于1. 7mm ；肋片平均高取不大于40mm，肋片平均厚應取0. 4 1. 2mm。


圖1是肋片式散熱片的自然對流傳熱實驗曲線，縱坐標為散熱量Q(導熱塊與環(huán)境 空氣溫度差為某定值時的散熱量)，橫坐標為肋片高h與肋片之間的間隙a之比。圖2是一種LED芯設置在導熱塊側面的LED燈的特征示意圖，圖中a為肋片之間 的間隙，h為肋片的高，箭頭表示空氣流動方向。圖3是一種LED燈芯設置在導熱塊下端的LED燈的特征示意圖。圖4是一種外邊緣為六邊形的太陽花式散熱片示意圖。圖5是一種外邊緣為矩形的太陽花式散熱片特征示意圖。圖6是一種外邊緣為圓形，并且肋片為弧形的太陽花式散熱片特征示意圖。圖7是一種本發(fā)明的LED燈的散熱片的特征結構示意圖，是由數(shù)個太陽花散熱片 拼合成的，為蜂窩形結構。
圖8是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖。圖9是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖，LED芯在散熱片的上側。圖10是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖，對流罩內(nèi)設有反射鏡，可以向四周水平照射。圖11是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖，對流罩內(nèi)設有反射鏡，可單方向水平照射，對流罩側壁上端開有排氣窗。圖12是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖，LED芯設有燈芯罩。圖13是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖，LED芯設在導熱芯上，導熱芯為 錐形植入散熱片中。圖14是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖，導熱芯為螺紋植入散熱片中，LED 芯設有燈芯罩。圖15是一種本發(fā)明的LED燈芯的特征結構示意圖，導熱芯為圓錐螺紋結構，并帶 燈芯罩。圖16是一種本發(fā)明的LED燈的特征結構示意圖，散熱片采用了蜂窩形的拼合結 構，可用于道路照明。圖中1. LED芯；2.導熱柱；3.肋片；4.對流罩；5.對流腔；6.表示光線的箭頭； 7.反射鏡；8.排氣窗；9.導熱塊；10.燈芯罩；11.前透鏡；12.導熱芯；13.螺釘；14.對流 腔柵格。
具體實施例方式圖2所示的LED燈，LED芯1設置在導熱塊9的側面，肋片3從導熱塊9另一側伸 出，伸出的長度L為肋片長度。圖中導熱塊9呈豎立設置，肋片3也為豎立設置，圖中箭頭 表示空氣流動，自然對流時，空氣由下向上穿過肋片3，肋片高h也就是空氣穿過肋片方向 上的尺寸，肋片之間的間隙a為兩相鄰肋片之間的空間距離。圖3所示的LED燈，LED芯1設置在導熱塊9的下端面，有兩散熱片，LED芯1的導 熱芯12被兩散熱片的導熱塊9夾著，LED燈芯1的熱量通過導熱芯12傳到導熱塊9上。圖4、5、6分別示出了三種太陽花式散熱片的特征示意圖。它們結構特征(也就是 太陽花結構特征)，導熱塊就是中心的導熱柱2 (導熱柱有實心和空心之分，圖中為實心)， 肋片3從導熱柱2的柱面伸出，導熱柱的作用就是將LED芯的熱量由導熱柱的端面(也可稱 橫截面)以導熱的方式，傳到柱面上的肋片上。太陽花結構的優(yōu)點導熱部分(即導熱柱) 體積小，截面積小，導熱路徑短。單個太陽花散熱片的散熱量有限，對應的單個LED芯的功率(即光照度)也就有 限，對于像路燈這類大功率照明燈，可以采用類似圖7所示的方案。采用數(shù)多太陽花式散熱 片通過連接裝置或互連機構拼合成一體，每個太陽花散熱片帶有LED芯，這就可以根據(jù)需 要拼合成多種光照度(功率)的照明燈。圖7所示的單個太陽花式散熱片為等六邊形外形， 整個散熱片拼合結構為蜂窩型結構。在散熱片的上方設置對流罩，利用煙囪抽吸原理，提高空氣流經(jīng)散熱片的流量，得 到散熱量的提高。對流罩的抽吸強度與對流罩內(nèi)的有效容積成正比，外觀尺寸表現(xiàn)為與對 流罩的高度成正比。圖8、9示出兩種典型的帶對流罩的LED燈的特征結構。圖8中的LED芯1設置 在導熱柱2的下端面(散熱片的下側)，圖9中的LED芯1設在導熱柱2的上端面(散熱片的上側)，但它們共同的特點是在散熱片的上方設置有對流罩4，在散熱片的上方形成空 腔，成為對流腔5。對流罩4的高度(也就是指對流腔5的高度)越高，對流腔5的容積就 越大，所產(chǎn)生的抽吸越強，流經(jīng)肋片3的空氣流量也就越大，散熱量就得到提高。對流罩要 足夠高，才能明顯提高散熱，設計時，對流罩高應不小于40mm。加有對流罩后，肋片式散熱片的自然對流傳熱特性還保持著圖1所示的特性，散 熱量Q提升了，但最佳散熱片特征參數(shù)(h/a廣還是在6.0左右，5.0 7.0之間。設計散熱 片時，(h/a)還應取不大于10.0、不小于2.0，間隙a大于1. 7mm，肋片高h取不大于40mm， 肋片厚還應取0. 4 1. 2mm。更為合理的設計還是(h/a)取大于3. 5、不大于7. 0，間隙a 大于2. 2mmο對流罩高取120mm、肋片長取25mm、高h取17mm，間隙a取2. 8mm、肋片平均厚取 0. 65mm的太陽花式散熱片，當導熱柱與環(huán)境空氣溫差為30°C時，可得到每瓦散熱用鋁不到 4克的水平，和現(xiàn)產(chǎn)品每瓦100多克用鋁水平相比，本發(fā)明提高的水平非常顯著，可以說 LED散熱成本不應再考慮了。當散熱片平放，對流罩豎立設置時，對流罩的抽吸作用最有效，但LED芯只朝上或 朝下。圖10、11所示的本發(fā)明LED燈，就解決了燈光平射問題，LED芯1設置在散熱片的上 側，LED芯1朝上，對流罩4內(nèi)設置有反射鏡7，對流罩4的側壁采用了透明材料制成，從LED 芯1發(fā)出的朝上光線，經(jīng)反射鏡7反射成平射，如果對流罩4內(nèi)的反射鏡7的角度可調動， 則就可調動照明燈的平射角(偏上或者偏下)。圖11所示的LED照明燈是單側平射，而圖 10所示的為兩側，或四周平射。圖11中，對流罩4上加有蓋，在側壁上端開有排氣窗8。圖12中的LED芯1加設有燈芯罩10，燈芯罩10內(nèi)表面可作為反光鏡，LED芯1前 還設有前透鏡11，燈芯罩10和前透鏡11保護著這LED芯1。對于室外用的LED照明燈，要 注意防止雨水長期流經(jīng)前透鏡，減少前透鏡表面生成水垢，燈芯罩設計成其下邊緣或下邊 緣凸起應低于前透鏡，圖12中所示的燈芯罩10的下邊緣凸起低于前透鏡，這樣的結構使得 下雨時，水都從燈芯罩的下邊緣流下，沒有雨水流經(jīng)前透鏡。圖13、14示出的本發(fā)明的兩種LED照明燈中，導熱柱中有導熱芯12，LED芯1設置 在導熱芯12上，導熱芯12植入散熱片中，導熱芯為導熱柱中的一部分，LED芯1產(chǎn)生的熱 量經(jīng)導熱芯12再傳導到散熱片上。圖13、14示出了解決導熱芯12與散熱片(導熱柱)之間的接觸熱阻問題。圖13 中示出，導熱芯12為錐形。采用錐形植入散熱片中的結構，只要小的推擠力，就可得到被放 大數(shù)十倍的導熱芯柱面與散熱片之間的接觸壓力，有利于減小接觸熱阻。圓錐孔和圓錐柱 面容易加工成型，配合精度容易保證，因而應該首選圓錐形結構的導熱芯。圖13所示，導熱 芯12靠旋轉螺釘13，將導熱芯12緊固植入散熱片中。圖14示出導熱芯12采用螺紋植入散熱片(導熱柱)中的結構，由于螺紋柱面的 表面積被放大，接觸傳熱面積就被放大，比如采用普通的60°三角牙螺紋，其表面積為圓柱 的兩倍。導熱芯采用螺紋植入散熱片中的結構還有一優(yōu)點便于安裝，可以無需工具就可以 將導熱芯植入散熱片中。圖14中的LED芯1帶有燈芯罩10和前透鏡11，前透鏡11成凹 形，使得燈芯罩10的下邊緣低于前透鏡11。圖15示出了一種本發(fā)明的LED燈，導熱芯12采用了圓錐螺紋結構，因而具有圓錐 結構和螺紋結構所具有的優(yōu)點之和接觸壓力大，接觸面積大，便于安裝。
采用圖13至15所示結構，LED芯1和導熱芯12可構成單獨部件——LED燈芯，采 用這樣的結構優(yōu)點有一、便于LED芯1和導熱芯12的封裝與裝配，便于解決其內(nèi)的導熱問 題；二、便于整個LED燈的裝配；三、便于LED燈芯的維修和更換；四、更重要的是便于實現(xiàn) 標準化。LED燈芯為系列標準通用部件，散熱片與LED燈芯分開，散熱片為燈具中的部件，只 要燈具中散熱片的導熱柱開有與錐形結構、或螺柱結構或錐形螺柱結構的LED導熱芯相配 的孔，就可實現(xiàn)標準LED燈芯與品種繁多的燈具相配。圖16示出了一種采用本發(fā)明的路燈，散熱片為10個等六邊形太陽花式散熱片拼 合成。導熱芯12采用了圓錐螺紋結構，每個LED芯1帶有燈芯罩10和前透鏡11，前透鏡11 成凹形，燈的后外殼凸起，構成了對流罩4，內(nèi)空腔就是對流腔，頂蓋開有由數(shù)多小孔組成的 排氣窗8。在對流腔內(nèi)設置有對流腔柵格14，將對流腔分成數(shù)多個小的子對流腔，每個子對 流腔對應一個散熱片(也可對應 多個散熱片)，其目的是消除(或減小)每個散熱片之間 的干擾，比如某個散熱片上的LED燈壞了，不發(fā)熱，則只影響該散熱片所對應的子對流腔內(nèi) 的空氣溫度，而不影響其他子對流腔的空氣溫度(即抽吸能力)。特別說明本發(fā)明中的LED芯包括了 OLED芯。
權利要求
一種LED燈，包括有散熱片和LED芯(1)，散熱片采用了中心是導熱柱(2)，肋片(3)圍著導熱柱(2)伸出的太陽花式結構，肋片伸出平均長度大于10mm，肋片(3)呈豎立設置，散熱空氣由下向上穿過肋片(3)，LED芯(1)設置在導熱柱(2)的上端或下端，其特征在于肋片平均高與肋片之間的平均間隙之比不大于10.0，不小于2.0；肋片的平均高不大于40mm，肋片之間的平均間隙大于1.7mm。
2.根據(jù)權利要求1所述的LED燈，其特征在于肋片平均高與肋片之間的平均間隙之 比不大于7. 0、不小于3. 5，肋片之間的平均間隙大于2. 2mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的LED燈，其特征在于散熱片的上方設置有對流罩(4)。
4.根據(jù)權利要求3所述的LED照明燈，其特征在于LED芯(1)設置在散熱片的上側， LED芯(1)朝上，對流罩(4)側壁采用了透明材料制成，對流罩(4)內(nèi)設置有反射鏡(7)。
5.根據(jù)權利要求1所述的LED燈，其特征在于LED芯⑴設置有燈芯罩(10)，燈芯罩 (10)下邊緣或下邊緣凸起低于LED芯的前透鏡(11)。
6.一種LED燈具，LED燈具包括有散熱片，其特征在于散熱片采用了中心是導熱柱 (2)，肋片(3)圍著導熱柱(2)伸出的太陽花式結構；肋片平均高與肋片之間的平均間隙之 比不大于10. 0，不小于2. 0，肋片平均高不大于40. 0mm，肋片之間的平均間隙大于1. 7mm ’導 熱柱(2)開有與錐形結構、或螺柱結構或錐形螺柱結構的LED導熱芯(12)相配的孔。
7.根據(jù)權利要求6所述的LED燈具，其特征在于肋片平均高與肋片之間的平均間隙 之比不大于7. 0、不小于3. 5，肋片之間的平均間隙大于2. 2mm。
8.根據(jù)權利要求6所述的LED燈具，其特征在于散熱片的上方設置有對流罩(4)，對 流罩高不小于40mm。
9.根據(jù)權利要求6所述的LED燈具，其特征在于散熱片是由數(shù)個太陽花式結構的散 熱片拼裝構成。
10.根據(jù)權利要求6所述的LED燈具，其特征在于散熱片是由數(shù)個太陽花式結構的散 熱片拼裝構成，散熱片的上方設置有對流罩(4)，對流罩(4)內(nèi)設置有對流腔柵格(14)。
全文摘要
本發(fā)明依據(jù)針對肋片式結構的自然對流傳熱基礎實驗研究結果，提出了散熱片尺寸和結構優(yōu)化的LED燈，指出肋片高h和間隙a之比不大于10.0，間隙a不小于1.7mm。通過增設對流罩(4)，進一步提高散熱量，可達到每瓦散熱用鋁不到4克的水平。為實現(xiàn)標準化，將散熱片與LED芯(1)和導熱芯(12)構成的LED燈芯分開，散熱片為固定在燈具中的部件，并提出了解決導熱芯(12)與散熱片之間傳熱的具體方案。
文檔編號F21V29/00GK101825240SQ201010177330
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權日2010年5月18日
發(fā)明者秦彪 申請人:秦彪