成本優(yōu)化的led散熱片及l(fā)ed照明燈的制作方法
【專利摘要】成本優(yōu)化的LED散熱片及LED照明燈。本發(fā)明依據針對肋片式散熱片的自然對流傳熱實驗研究，分析散熱片的結構尺寸(肋片高h、間隙a)對對流傳熱系數的影響，以及肋片厚度b對肋效率的影響，通過優(yōu)化散熱片的結構尺寸，來提高對流傳熱系數，降低散熱用鋁量，即材料成本。本發(fā)明提出的成本優(yōu)化的結構尺寸為：肋片高h與肋片之間的間隙a之比(h/a)應大于2.5，小于5.0；肋片高h應小于40mm，肋片間隙應大于2.0mm，肋片長L與肋片厚度b之比(L/a)應大于20。
【專利說明】成本優(yōu)化的LED散熱片及LED照明燈
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于LED照明【技術領域】，特別涉及到LED照明燈中的散熱片結構尺寸的成本優(yōu)化設計。
技術背景
[0002]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。但當前，由于成本造價高，制約了 LED照明普及應用。導致LED照明當前成本造價高的原因是LED芯片需要散熱。LED芯片散熱包括LED芯片封裝內的導熱傳熱和散熱片的對流傳熱。
[0003]肋片式擴展換熱面結構普遍地被電子器件散熱片所采用。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)內以及電子行業(yè)內的專業(yè)人員，對肋片式擴展換熱面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，不清楚散熱片中的結構尺寸(如肋片高和間隙)對散熱的影響，特別是對對流傳熱系數的影響；缺乏提高表面對流傳熱系數，有利于減小散熱片材料成本的理念。其結果是:散熱片設計不合理，沒有優(yōu)化設計理念，產品尺寸大，重量沉，成本也就高。

【發(fā)明內容】

[0004]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，分析散熱片的結構尺寸對對流傳熱系數的影響，以及肋片厚度對肋效率的影響，通過提高對流傳熱系數，來降低散熱用的金屬材料(鋁)的重量(即材料成本)，提出散熱片結構尺寸成本優(yōu)化設計方案。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:散熱片采用肋片式擴展換熱面結構，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，肋片也呈豎立設置，自然對流的散熱空氣由下向上穿過肋片。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大于2.5，小于5.0 ;肋片之間的平均間隙大于2.0mm,肋片的平均高不大于40mm。
[0006]對于肋片式散熱片，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，空氣流量越大，能帶走的熱量(即散熱量)越大，則空氣流動(對流)暢通在散熱過程中非常重要。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，比重下降而產生的浮力，驅動力非常弱。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。
[0007]對流傳熱的計算公式Q = P.A.Λ T，Q為傳熱量(散熱量)，P為對流傳熱系數，A為傳熱面積(散熱片的散熱面積)，AT為傳熱溫差(散熱片與環(huán)境空氣的溫度差)。Δ T是設計限定值，提高散熱面積Α，有提高散熱量Q的一面，但對于自然對流，會產生對流傳熱系數P下降，極不利于散熱量Q的提高的因素，另外提高散熱面積Α，相應地也就增加了散熱片的材料(鋁)的用量，即增加了成本。對流傳熱系數P與散熱片的結構尺寸以及對流形態(tài)等有關。提高對流傳熱系數P，如果散熱量Q不變，則就可減小散熱面積A，也就可降低散熱片材料(鋁)的用量，即降低了成本。
[0008]圖1為肋片式散熱片的自然對流傳熱實驗曲線，縱坐標為對流傳熱系數P(導熱塊與環(huán)境空氣溫度差為某定值時的對流傳熱系數)，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。當散熱片中的肋片高以及肋片之間的間隙不均勻時，取肋片的平均高h與肋片之間的平均間隙a之比作為散熱片特征參數。圖中三條曲線分別為三種不同的肋片高h的實驗結果,其中h3大于h2, h2大于hp
[0009]圖1中示出:隨著散熱片特征參數(h/a)增大，對流傳熱系數P下降，表現(xiàn)出，當特征參數h/a大于5.0時，對流傳熱系數P下降速度加快，當h/a小于2.5時，對流傳熱系數P增加量有限。另外，圖1還示出，增加肋片高h，對流傳熱系數P下降，并且隨著肋片高h的增大，對流傳熱系數P下降的速度加快。
[0010]本發(fā)明提出:散熱片特征參數h/a取大于2.5,小于5.0,以及肋片高h小于40mm,就是依據圖1所示的實驗結果而確定優(yōu)化參數，當h/a大于5.0時，增加肋片密度，對流傳熱系數P下降過快，則導致:當散熱量Q不變時，散熱面積加速增加，即散熱片肋片數量(即材料用量)加速增加，也就是材料成本的加速增加；當h/a小于2.5時，減小肋片密度，對流傳熱系數P基本上沒有有效的增加，則肋片的材料成本減小有限，但是要保持散熱量Q不變，散熱片的尺寸要加大，則導熱塊的尺寸加大或肋片長度L加大，又將導致材料成本增加；依據圖1，肋片高度h增加，對流傳熱系數降低，當h大于40mm時，對流傳熱系數P下降速度加快，又當采用太陽花式散熱片時，肋片高度h過高，散熱片內的導熱距離過大，將產生不利的影響。依據實驗，h/a = 2.5時比h/a = 5.0,對流傳熱系數P提高可達15%,h =30mm比h = 40mm,對流傳熱系數高出達10%。
[0011]對于LED照明的自然對流散熱，對流傳熱系數P最高也就是10W/m2°C左右，如果肋片長L為30mm，肋片厚b為1.2mm,肋效率就達95 %，肋效率已非常高，如果再加厚肋片，散熱量增大微小，但肋片材料用量(即材料成本)迅速增加，因而本發(fā)明提出肋片厚b (厚度不均勻時，取平均值)不大于1.2mm。設計散熱片肋片時，應取肋片長度L(長度不均勻時，取平均長度)與肋片厚度b之比大于20，這樣可有效控制肋片厚度過大，控制材料成本增力口。本發(fā)明中提出肋片長度應大于IOmm是因為，當肋片長度小于IOmm時，本發(fā)明提出的成本優(yōu)化方案的效果不顯著?？紤]到塵埃污染，肋片之間的間隙太小，容易堵塞，因而本發(fā)明提出肋片間隙a大于2.0mm。
[0012]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光源(也就是發(fā)熱源)設置在導熱柱的端面上，導熱熱阻低，空氣的流通面積大，有利于自然對流傳熱，說明太陽花式散熱片是LED散熱最為合理的結構。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是肋片式擴展換熱面結構的散熱片的自然對流傳熱實驗曲線，縱坐標為對流傳熱系數P (導熱塊與環(huán)境空氣溫度差為某定值時的對流傳熱系數)，橫坐標為肋片高h與肋片之間的間隙a之比。
[0014]圖2是一種LED光源設置在導熱塊側面的LED照明燈的特征立體示意圖，圖中a為肋片之間的間隙，h為肋片的高，b為肋片厚，L為肋片長度，箭頭表示空氣流動方向。[0015]圖3是一種LED光源設置在導熱塊下端的LED照明燈的特征立體剖視示意圖。
[0016]圖4是一種外邊緣為矩形的太陽花式散熱片特征示意圖。
[0017]圖5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。
[0018]圖6是一種本發(fā)明的LED照明燈的特征結構示意圖，箭頭表示空氣流動方向。
[0019]圖7是一種本發(fā)明的LED照明燈的特征結構示意圖，LED光源在導熱芯上，導熱柱為空心式。
[0020]圖8、9、10分別是三種本發(fā)明的LED散熱片特征示意圖。
[0021]圖11是一種本發(fā)明的LED照明燈的特征結構示意圖，導熱芯采用錐形結構。
[0022]圖12是一種本發(fā)明的LED照明燈的特征結構示意圖，導熱芯采用錐形螺紋結構。
[0023]圖13、14分別是兩種本發(fā)明的LED照明燈的特征結構示意圖，設有前燈罩。
[0024]圖中:1、LED光源，2、導熱塊，3、肋片，4、導熱芯，5、導熱柱，6、外圈肋片，7、螺釘，
8、電源接插頭，9、前燈罩，10、翻邊，11、流線，12、肋片前端，13、空氣通道，14，套筒。
【具體實施方式】
[0025]圖2所示的LED照明燈，LED光源I設置在導熱塊2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2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，b為肋片厚。
[0026]圖3所示的LED照明燈，LED光源I設置在導熱芯4上，有兩散熱片，兩散熱片的導熱塊2夾著導熱芯4，LED光源I的熱量通過導熱芯4傳到導熱塊2上。
[0027]圖4、5分別示出了兩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):肋片3從導熱柱5 (也就是導熱快)的柱面伸出，導熱柱有實心和空心之分，圖3中為實心式，圖4中為空心式。
[0028]圖6示出了一種本發(fā)明的LED照明燈結構特征示意圖，散熱片采用太陽花式結構，導熱柱5為實心式，LED光源I朝下，設置在導熱柱5的下端面，自然對流散熱空氣由下而上(如圖中箭頭所示)穿過肋片3。圖7所示的本發(fā)明LED照明燈，散熱片為太陽花式，但導熱柱5為空心式，LED光源I設置在導熱芯4上，導熱芯4插入導熱柱5內，采用這樣的結構，可以將LED光源I和導熱芯4設計制造成一整體結構的標準化的部件。
[0029]圖4、5所示的散熱片，肋片3的肋尖尖銳，易產生劃傷；為了減少材料用量，肋片要盡可能薄，鋁材是最佳的散熱片材料，但鋁的強度又底，因而肋片的強度低。圖8、9、10所示的本發(fā)明LED散熱片中，圍著散熱片外圈設有外圈肋片6，就能解決以上所述問題，同時散熱片的外形也整潔。圖8、9中，采用鋁擠出工藝制造成型，外圈肋片6與肋片3，以及導熱柱5為一體結構，外圈肋片6不僅增加了散熱面積，還有提高對流換熱系數的作用。圖8中的外圈肋片6為一連續(xù)的環(huán)，導熱柱5為實心式；圖9中的外圈肋片6則為一段段，每段與肋片3連為一體，導熱柱5為空心式。圖10中，肋片3尖處折彎構成圍著散熱片外圈的外圈肋片6，導熱柱5為空心式。采用圖8、9、10所示的外圈肋片結構，計算肋片長L時，應加上外圈肋片6的長度。
[0030]圖11、12示出了解決導熱芯4與散熱片(導熱柱5)之間的接觸熱阻問題。圖11中示出，導熱芯4采用錐形結構，只要小的推擠力，就可得到被放大數十倍的導熱芯柱面與導熱柱之間的接觸壓力，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11所示，導熱芯4通過螺釘7，將導熱芯4緊緊插入導熱柱5中。
[0031]螺紋結構能夠增加接觸面積，有利于減小接觸熱阻。圖12中，導熱芯4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，另外還有便于安裝的優(yōu)點。
[0032]圖13、14所示的兩種本發(fā)明LED照明燈中，采用空心導熱柱式太陽花散熱片，在散熱片前端(LED光源I的一端定義為前端)設置有大口朝前(LED光源I照射的方向定義為前)的一頭大一頭小的前燈罩9，肋片前端12與前燈罩9壁之間留有空氣能從肋片前端12進入肋片3內的空氣通道13，如圖12中示出的流線11所示。圖13、14中示出，LED光源I的電源接插頭8穿過導熱芯4。
[0033]圖13、14中的前燈罩9采用金屬板材(最好是鋁材)加工制造，比如沖壓拉伸工藝，前燈罩9的底部采用了翻邊結構(如圖13所示)，或套筒結構(如圖14所示)，翻邊10或套筒14套在導熱芯4上，熱量通過導熱芯4與翻邊10或套筒14之間的接觸傳熱，傳到前燈罩9散出，因而，前燈罩不僅可起著保護LED光源I以及反射配光作用，還有提高散熱量的作用。翻邊結構和套筒結構類似，只是翻邊結構中的翻邊10高度小，套筒結構中的套筒14高度大，則和導熱芯4 一起插入導熱柱5內。圖14中的導熱芯4采用了錐形結構。
[0034]特別說明:本發(fā)明中的LED光源包括了 OLED光源。
【權利要求】
1.一種自然對流散熱式LED散熱片，散熱片采用了肋片式擴展換熱面結構，包括有導熱塊⑵和肋片(3)，肋片(3)從導熱⑵塊的側面伸出，肋片(3)伸出的平均長度大于10mm，導熱塊(2)呈上下豎立設臂，肋片(3)也呈豎立設置，自然對流散熱空氣由下向上穿過肋片(3)，其特征在于:肋片平均高與肋片之間的平均間隙之比大于2.5，小于5.0 ;肋片之間的平均間隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm，肋片平均厚度不大于1.2mm。
2.根據權利要求1所述的LED散熱片，其特征在于:肋片平均長度與肋片平均厚度之比大于20。
3.根據權利要求1或2所述的LED散熱片，其特征在于:散熱片采用了肋片(3)從導熱柱(5)柱面伸出的太陽花式結構。
4.根據權利要求3所述的LED散熱片，其特征在于:圍著散熱片設置有外圈肋片(6)，外圈肋片(6)與肋片(3)以及導熱柱(5)為鋁擠出成型的一體結構。
5.根據權利要求3所述的LED散熱片，其特征在于:肋片(6)尖處折彎構成圍著散熱片外圈的外圈肋片(6)。
6.根據權利要求4或5所述的LED散熱片，其特征在于:導熱柱(5)為空心式。
7.—種LED照明燈，包括有LED光源(1)，散熱片采用了肋片(3)從導熱柱(5)柱面伸出的太陽花式結構，肋片(3)伸出的平均長度大于10mm，導熱柱(5)呈上下豎立設置，肋片(3)也呈豎立設置，自然對流散熱空氣由下向上穿過肋片(3)，其特征在于:肋片平均高與肋片之間的平均間隙之比大于2.5，小于5.0 ;肋片之間的平均間隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm，肋片平均厚度不大于1.2mm，肋片平均長度與肋片平均厚度之比大于20。
8.根據權利要求7所述的LED照明燈，其特征在于:導熱柱(5)為空心式，LED光源(I)設置在導熱芯⑷上，導熱芯⑷插入導熱柱(5)內，導熱芯⑷采用了圓錐形結構或錐形螺柱結構。
9.根據權利要求8所述的LED照明燈，其特征在于在散熱片前端設置有大口朝前的一頭大一頭小的前燈罩(9)，肋片前端(12)與前燈罩壁之間留有空氣能從肋片前端(12)進入肋片(3)內的空氣通道(13)，前燈罩(9)采用金屬板材加工而成，前燈罩(9)底部采用了翻邊結構或套筒結構，翻邊(10)或套筒(14)套在導熱芯⑷上。
【文檔編號】F21Y101/02GK103807830SQ201210461041
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月6日 優(yōu)先權日:2012年11月6日
【發(fā)明者】秦彪 申請人:秦彪