散热器及led灯组件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及散热器及LED灯组件。该散热器由一个高导热绝缘工程塑料一体成型的散热器主体和内嵌于散热器主体之中的至少1个的热管组成，散热器主体包括：一个底板、底板上直立设置有主肋片，主肋片上还分别设有用于将热管包覆于其中的包覆管道，并且热管的蒸发段是处于底板的底面，主肋片上连接多个平行间隔设置的翅片，主肋片上开有通风口，并行排列的多个翅片的其中位于中间的至少一片保持完整外形之外，其余的翅片的中间均设计成具有向上及向外渐开式开槽。该LED灯组件包括一个设有LED光源的导热基板构成的LED灯板和一个上述的散热器，并且该散热器主体的底面的热管紧贴设于导热基板上。本发明兼顾散热和成本，满足LED应用工程的耐腐蚀及绝缘要求。
【专利说明】散热器及LED灯组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及散热器及LED灯组件，尤其涉及LED应用工程中对于散热性能进行改进的散热器及LED灯组件。
【背景技术】
[0002]在LED应用工程中，LED芯片结温应控制在一定的范围以内方能使其达到工程应用的寿命要求。但因其热流密度极大，故而散热问题在极大程度上限制了 LED灯功率方面的提升。
[0003]在大功率LED应用中，有采用强迫对流方式进行散热的方案，但需要另加耗功的泵或风机，而泵或风机运行的可靠性不高，所以被市场所摒弃。目前，大功率阵列式LED灯的散热公认以自然对流方式为最佳。在自然对流的技术思路下，传统的散热器(模块)一般采用各种结构的铸铝或挤压铝散热翅片，更为先进的是采用热管外加金属散热翅片方式(因目前制造工艺尚无法满足热管与金属散热翅片等其它导热部件的完全无缝接触，故而市场上仍慎用，学术界亦对此类产品存保留意见)。不管上述何种方式制成的散热模块，其整灯重量均过重，成本居高不下，同时对于路灯的安全性是一种考验(沿海台风天气容易使路灯掉落，出现砸伤过往行人、车辆等事故)。其次，在某些特殊应用场合(如沿海地区、海上舰船、航标等)，需要散热器具备防腐蚀性能，在某些特殊天气条件(如雷电交加)，对户外大功率LED路灯散热器的绝缘性能也是一种考验，于是近期就有了金属散热翅片外包工程塑料的散热形式出现(仅处实验阶段，市场尚无法接受)，来勉强满足以上要求。然而该金属散热翅片外包工程塑料的散热器并不能减少金属的使用量，也即整灯重量无法得到有效的控制，成本问题依然无法解决。
【发明内容】
[0004]基于现有技术的上述不足，为满足LED应用工程的应用要求，兼顾散热器温升控制标准，同时有效节约产品成本，遂有本发明的提出。
[0005]本发明具体采用如下技术方案实现:
一种散热器，由一个高导热绝缘工程塑料一体成型的散热器主体和内嵌于散热器主体之中的至少I个的热管组成，散热器主体包括:一个底板、底板上直立设置有主肋片，主肋片上还设有用于将热管包覆于其中的包覆管道，并且热管的蒸发段是处于底板的底面，主肋片上连接多个平行间隔设置的翅片，主肋片上开有通风口，并行排列的多个翅片的其中位于中间的至少一片保持完整外形之外，其余的翅片的中间均设计成具有向上及向外渐开式开槽。
[0006]其中优选的，热管是2个，主肋片是2个，平行排列设于底板上，2个主肋片上均分别设有包覆管道来分别将2个热管包覆于其中，且通风口是对称地开设于2个主肋片上。
[0007]其中优选的，通风孔优选开设至热管的蒸发段与冷凝段之间高度的下三分之一的位置。[0008]其中优选的，开槽优选的渐缩角度设为向外、向上均为7度。
[0009]其中优选的，靠近两外侧的多片翅片的顶侧边和/或外侧边进行渐缩式设计。
[0010]其中优选的，渐缩式设计的外形是渐缩圆弧外形。
[0011]其中优选的，高导热绝缘工程塑料优选采用SKC中韩碳素公司生产的SCGMP008GPA6B 产品，基材为 PA6。
[0012]一种LED灯组件，包括一个设有LED光源的导热基板构成的LED灯板和一个如上所述的散热器，并且该散热器主体的底面的热管紧贴设于导热基板上。
[0013]其中优选的，LED灯板上的LED光源的排布位置是正对于散热器主体的底面的热管的蒸发段的位置。
[0014]其中优选的，散热器主体下端的底面与导热基板紧贴之间的间隔填充涂覆导热硅脂。
[0015]本发明的散热器及LED灯组件的技术效果是:不仅兼顾散热器温升控制标准，而且可以有效节约产品成本；具有重量轻、防腐蚀、绝缘好、散热佳、成本低的优点，能够满足LED应用工程的应用要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的一个实施例的LED灯组件的各部件的爆炸分解图；
图2是该实施例的立体结构示意图(角度一)；
图3是该实施例的立体结构示意图(角度二)；
图4是该实施例的立体结构示意图(角度三)；
图5是该实施例的立体结构示意图(角度四)；
图6是该实施例的侧视图；
图7是该实施例的正视图；
图8是该实施例的俯视图；
图9是该实施例的仰视图；
图10是实施例的剖视图(沿图2的A-A纵向剖)；
图11是实施例的剖视图(沿图2的B-B横向剖)。
【具体实施方式】
[0017]本发明是遵循充分挖掘工程塑料以及热管的散热潜力，将二者优势叠加的技术思路，采用高导热绝缘的工程塑料内嵌热管制成大功率阵列式LED灯应用所需的散热器。下面针对本发明所采用的高导热绝缘的工程塑料和热管进行详细说明。
[0018]高导热绝缘工程塑料是随着现代材料学技术进步而生产出的较为新兴的一类已知现有的高分子材料。它能够取代传统的铝制成散热器已是不争的事实，其具备如下优点:
I)导热塑料的密度要比铝轻近一半，故同等散热面积需求的塑料散热器质量约为铝散热器的1/2 ;2)塑料散热器可用注射成型加工，其成型周期将缩短20%?50% ；3)用导热绝缘塑料散热器可使非隔离式电源的安全问题得到解决。然而，由于材料科学技术的进步非一朝一夕，高导热绝缘工程塑料之所以号称“高导热”，是和几乎绝热的纯塑料相比而言。实际上，目前已研发出的且价格可为市场所接受的高导热绝缘工程塑料其导热能力(约为20W/(m.K)以内)与金属相比还差近一个量级。因此，如仅以高导热绝缘工程塑料直接简单替代铝散热器，目前还不满足于LED路灯等一类大型高功率LED组件中的散热器的散热要求，而只适合于室内小功率LED灯具。
[0019]热管(heat pipe)是于1963年由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明，依靠管内毛细结构以及致冷介质的相变来传递热量,其导热能力超过目前所有已知的金属(导热系数超过铝2个数量级以上)，被称为热的超导体。之前常用于航天等领域，随着成本的逐渐降低以及可靠性的提升，目前已是散热器制造行业的有效选择之一(如笔记本电脑的cpu的散热器)。然而，如【背景技术】中所述的，仅由热管加金属散热翅片形式制成的散热器虽然散热良好，但存在以下问题无法规避:1)重量控制；
2)抗腐蚀能力；3)绝缘性能；4)热管与散热部件的紧密结合程度(当然，目前已有热管与散热部件直接焊接的方式解决，但工艺复杂，成本太高)。
[0020]为解决上述高导热绝缘工程塑料和热管的各自不足之处，本发明提出一种在热管基础之上引入高导热绝缘工程塑料的技术思路，也即在导热和结构上均用工程塑料内嵌热管从而完全替代传统金属翅片的功能。
[0021]当然，如前所述，高导热绝缘工程塑料的导热性能无法和金属相比，因此如无法在结构设计上创造性地充分利用工程塑料的辐射以及表面自然对流散热优势，并辅以热管的超导能力优势，仅简单采用工程塑料内嵌热管的形式是无法达到大功率阵列式LED灯组件所需的散热要求的。因此，本发明在必须对高导热绝缘工程塑料的结构进行创新性设计，并通过数值模拟优化以及依靠反复试验验证，力求能够达到同样良好或甚至更佳的散热效果。
[0022]现结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0023]参阅图1所示,是本发明一个较佳实施例的LED灯组件,该实施例的LED灯组件是由一个具有一定结构设计的高导热绝缘工程塑料一体成型的散热器主体I和内嵌于散热器主体I之中的至少I个(该实施例以2个为例说明)的热管2组成的散热器，以及由一个导热基板(铝基板或陶瓷基板等，该实施例以铝基板为例说明)3和设于其上的多个阵列式分布的LED光源4 (如布置有6粒功率为5-8W的大功率LED芯片)构成的LED灯板，并且该散热器主体I的底面101的热管2紧贴设于导热基板3上。具体的，该实施例中的两根热管2是弯成U形(也可以是类似U型的形状或者其他形状，如Z字型等)，两根热管2的蒸发段(加热段)21是处于散热器主体I的底面101，并紧贴于导热基板3，其冷凝段(冷却段)22是嵌入散热器主体I中。优选的是，该散热器主体I是由高导热绝缘工程塑料通过注塑形成从而将两根热管2完全包裹于其中，从而形成一体化结构的散热器。优选的，该散热器主体I下端的底面101与导热基板3紧贴之间的间隔还可填充涂覆导热硅脂将空气热阻消除，以利于导热。另外优选的是，为了使导热基板3上的热量不至于过于集中，两根热管2的蒸发段21是分别对称布置于导热基板3上的LED光源4的所正对的位置。需要说明的是，该LED灯组件除上述的散热器和LED灯板外，还可以额外包括其他部件，如LED整光透镜、LED驱动电源等，均为常规技术，不再详细展开说明。
[0024]这样，该实施例中的散热器由于热管2具有超强的导热能力，LED光源4产生的热量经由导热基板3传至热管2的蒸发段21后，能够迅速的引至冷凝段22。因此，包覆有热管2的高导热绝缘工程塑料的散热器主体I如何将热管2传来的热量迅速地散至周围环境当中，就成为本发明的散热器所要解决的核心问题。
[0025]为此，本案发明人在对该散热器主体I的结构设计中充分利用了高导热绝缘工程塑料材质在自然对流换热系数(工程塑料的表面粗糙度大于光滑的金属，故而相比于金属表面，空气在其表面做自然对流流动过程中，层流边界层的厚度要更薄，也即由层流边界层形成的热阻更小)以及辐射率方面优于普通铝金属的优势，形成如下几个创新性的结构设计，同时参阅图2-图11所示:
I)在散热器主体I两侧的两个主肋片13上对称开有通风口 15 (可参阅图4、图6)，通过主肋片13上两排通风口 15的开设后，可以增强空气自然对流，从而提高散热效果。优选的，本案发明人还以散热器顶部空气流速最大为优化目标(因在散热器高度为定值情况下，此处流速最大，可说明自然对流效果最好，即所谓的“烟囱”抽吸原理)，经过大量的数值模拟和不断测试后，发明人发现将通风孔15开至热管2的蒸发段21与冷凝段22之间高度的下三分之一的位置(横向U型的最下端的横线段朝向最上端的横线段的方向起，由最下端的横线段至三分之一高度处之间的位置)时，可以获得散热器顶部空气流速最大化。
[0026]2)因为散热器主体I采用的工程塑料(例如SKC中韩碳素公司生产的SCGMP008GPA6B产品，基材为PA6)的表面辐射率一般可达0.8，在总散热面积足够的情况下，本发明采用不同于现有的金属散热器的翅片形状设计，以其最大限度发挥其辐射能力(提高辐射角系数)。遵循该思路，首先，散热器主体I的并行排列的多个翅片12的其中位于中间的至少一片(实施例以三片为例说明)保持完整外形之外，其余的翅片12的中间均设计成具有向上及向外渐开式开槽1201 (可参阅图2、图3、图5、图7、图8，俯视角度)；其次，靠近两外侧的多片(实施例以各五片为例说明)翅片12的顶侧边1202 —起形成圆弧形对称渐缩外形(参阅图4、图6，侧视角度)，与之连接的主肋片13的顶侧边1301也是同样弧度的圆弧形(参阅图6、图10);最后，靠近两外侧的多片(实施例以各六片为例说明)翅片12的外侧边1203 —起形成圆弧形渐缩外形(参阅图2、图3、图8，俯视角度)。优选的，为兼顾美观以及装配空间要求，该实施例将散热器主体I的两侧的左右外侧的两个渐缩圆弧设为RlOO (单位:mm)0
[0027]这样，该散热器主体I在中间位置的翅片12会借由靠近两端外侧的翅片12所开设的向外渐开式开槽1201而向外辐射热量，从而避免相邻翅片12之间的热量来回折射而不易向外散发(未开设开槽1201情况下)，这样可以提高采用高导热绝缘工程塑料材质的散热器主体I的热辐射。同时，翅片12上所开设的开槽1201相当于也增多开口，使气流道畅通，也利于增强空气自然对流。
[0028]在该实施例中，发明人经过大量的数值模拟和不断测试后，发现将多个翅片12的开槽1201的渐缩角度设为向外、向上均为7度时，效果最佳。该实施例经测试可以满足LED光源的热量至环境温升不超过45°C的要求。
[0029]并且，在此基础上，还在翅片12的顶侧边1202和外侧边1203进行渐缩式设计，从而彼此相邻的翅片12均会存在外露部分(上侧边和外侧边均具有不重叠部分)，从而进一步利于采用高导热绝缘工程塑料材质的翅片12向外热辐射。
[0030]当然的，该实施例的翅片12的设计中，开设向外渐开式开槽1201的设计最为重要，顶侧边1202和外侧边1203进行渐缩式设计可以起到增强热辐射的效果。当然的，顶侧边1202和外侧边1203进行渐缩式设计可以只采用其中的一个。另外，补充说明的是，如果在不影响模具成型的情况下，将每一个翅片12的外侧边1203由直侧边改成弧形侧边也将提升热辐射效果。
[0031]归纳上述，该实施例的散热器主体I是高导热绝缘工程塑料一体成型(如注塑成型)的结构，具体是:包括一个底板11，底板上直立设置2个平行排列的主肋片13 (与该实施例的2个热管2对应)，2个主肋片13上还分别设有用于将热管2包覆于其中的包覆管道14，包覆管道14的外形与其所包覆的热管的形状相适应(如实施例的包覆管道14是U形)，并且热管2的蒸发段21是处于底板11的底面，该两个主肋片13上连接多个平行间隔(优选是等间距)设置的翅片12。其中，该两个主肋片13上对称开有通风口 15，且该通风孔15优选开设至热管2的蒸发段21与冷凝段22之间高度的下三分之一的位置；该散热器主体I的并行排列的多个翅片12的其中位于中间的至少一片保持完整外形之外，其余的翅片12的中间均设计成具有向上及向外渐开式开槽1201，且该开槽1201优选的渐缩角度设为向夕卜、向上均为7度；以及进一步的，靠近两外侧的多片(实施例以各六片为例说明)翅片12的顶侧边1202和/或外侧边1203进行渐缩式设计。
[0032]该实施例的LED灯组件中的散热器经由以上两个方面的设计，工程塑料散热器的辐射热流量的增加值超过5%，同时由于开口增多，气流道畅通，对流换热流量基本保持平衡(误差〈1%)。此外，工程塑料的重量也在一定程度上有所减轻，节省了成本。该实施例的散热器的高导热绝缘工程塑料包覆热管结构的外表面是工程塑料，具有耐腐蚀且绝缘的优点；且整体以高导热绝缘工程塑料为主，重量相比现有金属散热器，具有总重量更小的优点。
[0033]上述的实施例是以一个实施例的LED灯组件进行说明。上述的实施例的LED灯组件中散热器可以作为一个单独的散热器来使用，从而用于其他LED灯组件的不同的LED灯板结构中。因此，本发明的另一个目的是提出一种散热器，该散热器的具体结构是如上所述，该散热器可以用于LED组件中，用于对LED光源进行良好散热。
[0034]尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种散热器，由一个高导热绝缘工程塑料一体成型的散热器主体和内嵌于散热器主体之中的至少I个的热管组成，散热器主体包括:一个底板、底板上直立设置有主肋片，主肋片上还设有用于将热管包覆于其中的包覆管道，并且热管的蒸发段是处于底板的底面，主肋片上连接多个平行间隔设置的翅片，主肋片上开有通风口，并行排列的多个翅片的其中位于中间的至少一片保持完整外形之外，其余的翅片的中间均设计成具有向上及向外渐开式开槽。
2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于:热管是2个，主肋片是2个，平行排列设于底板上，2个主肋片上均分别设有包覆管道来分别将2个热管包覆于其中，且通风口是对称地开设于2个主肋片上。
3.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于:通风孔优选开设至热管的蒸发段与冷凝段之间高度的下三分之一的位置。
4.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于:开槽优选的渐缩角度设为向外、向上均为7度。
5.根据权利要求2或3或4所述的散热器，其特征在于:靠近两外侧的多片翅片的顶侧边和/或外侧边进行渐缩式设计。
6.根据权利要求5所述的散热器，其特征在于:渐缩式设计的外形是渐缩圆弧外形。
7.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于:高导热绝缘工程塑料优选采用SKC中韩碳素公司生产的SCGMP008GPA6B产品，基材为PA6。
8.—种LED灯组件，包括:一个设有LED光源的导热基板构成的LED灯板和一个散热器，散热器是如上述权利要求1-7中任一的散热器，并且该散热器主体的底面的热管紧贴设于导热基板上。
9.根据权利要求8所述的LED灯组件，其特征在于:LED灯板上的LED光源的排布位置是正对于散热器主体的底面的热管的蒸发段的位置。
10.根据权利要求9所述的LED灯组件，其特征在于:散热器主体下端的底面与导热基板紧贴之间的间隔填充涂覆导热硅脂。
【文档编号】F21S2/00GK103629649SQ201310704077
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】林斌, 郑捷庆, 张江滨, 曹晓云, 郭捷, 林雄萍, 梁杰 申请人:厦门市信达光电科技有限公司