CN101556035B - 一种半导体照明灯具散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体照明灯具散热结构，目的在于不改变半导体灯具体积的条件下，有效调节灯具内部散热器件的散热功率分布，形成合理的灯具内气体温度梯度，进而配合灯具外壳结构形成的气流换热通道，达到提升灯具内换热气体流动速率，即提高灯具内散热性能的目标，其包括灯具外壳及设于灯具外壳内的半导体光源发热装置，该半导体光源发热装置的至少一侧设有与其热连通的散热器件，散热器件位于灯具外壳内，该灯具外壳下表面对应设有冷空气入气口，上表面对应设有热空气出气口。本发明能有效提高灯具内半导体光源发热装置的散热效果。

Description

一种半导体照明灯具散热结构

技术领域

本发明属于散热技术领域，尤其涉及一种具有强化自然对流功能的半导体照明灯具散热结构。

背景技术

白炽灯和荧光灯之后，被誉为照明领域的″第三次革命″的半导体照明具有体积小，高效，直流低压，绿色环保，寿命长，显色性高等优点，其市场巨大，发展迅猛。目前商用大功率白光LED的发光效率已达到80lm/W，使用寿命30000小时，2010年将达或超过100lm/W，2015年将达到150～200lm/W，使用寿命100000小时。其发展前景已经十分明确，即在大部分应用领域取代传统光源。

使LED稳定工作在较低温度是实现半导体通用照明的关键。由于LED需要在常温下工作，热辐射强度较小，所以热传导及热对流是LED大功率集成模块的主要散热方式。

在目前已知的器件导热技术中，热管技术是常温下热阻较低且可靠性较高的无源导热方法。其基本的工作原理是通过发热器件本身发热，引发封闭空间中的工作物质实现液态-气态-液态循环，带动热量的单向快速流动。根据这个原理发展起来的散热器件包括热管、回路热管、微热管技术等等。利用热管的高效导热特点，具有代表性的包括中国发明专利申请号为200710075206.0的《发光二极管灯具》，该发明使热管穿插于LED发热基座及散热基座，利用热管将发光二极管产生的热量快速的转移到散热部分，从而降低二极管与散热器间的热阻；而中国发明专利申请号为200710076355.9的《一种半导体LED灯具壳体》，利用热管贯穿散热翅片从而使散热器温度均匀。利用热管的长距离导热特点，具有代表性的包括中国发明专利申请号为200710028779.8的《大功率LED路灯灯具》，该发明利用热管将光源产生的热量传导至灯具外壳，从而降低从光源至外壳的热阻；中国发明专利申请号为200710075203.7的《发光二极管灯具》，该发明利用热管将发光二极管产生的热量快速地转移到灯具外部的二级散热器，进而扩展了灯具的有效散热表面积。综上，目前在灯具中的热管主要用于实现灯具温度均匀以及实现灯具散热面积的扩展。

利用灯具自身产生的热量推动灯具内部气流流动从而改善灯具散热特性也开始受到关注，具有代表性的包括中国发明专利申请号200710145341.8的《发光二极管灯具的对流式散热装置》，该发明透过气孔将外界冷空气导入该内部空间，以及存在于内部空间的热能向冷端流动，推动叶轮旋动而产生内外对流效果，藉以提升灯具的散热效率。但该发明的关键叶轮设计不能保证长期使用的可靠性。

对于实际应用的照明灯具，为保证灯具的防水防尘防火效果，一般需要加装限制体积的半封闭外壳。对于这种灯具，仅通过提高散热翅片面积或提升散热翅片温度均匀性均不能够明显提高灯具的散热性能，而散热的关键在于促进灯具内部的换热气体流动速率及增大气流与散热器的有效接触面积。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所采取的一种半导体照明灯具散热结构，其目的在于不改变半导体灯具体积的条件下，有效调节灯具内部散热器件的散热功率分布，形成合理的灯具内气体温度梯度，进而配合灯具外壳结构形成的气流换热通道，达到提升灯具内换热气体流动速率，即提高灯具内散热性能的目标。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种半导体照明灯具散热结构，包括灯具外壳及设于灯具外壳内的半导体光源发热装置，该半导体光源发热装置的至少一侧设有与其热连通的散热器件，散热器件位于灯具外壳内，该灯具外壳下表面对应设有冷空气入气口，上表面对应设有热空气出气口。

该半导体光源发热装置两侧均设有与其热连通的第一、第二散热器件，且第一散热器件与第二散热器件的散热面积不同，两散热器件均为散热翅片，且两散热翅片通过热管与半导体光源发热装置热连通。

该灯具外壳下表面设有两组与两侧散热器件相对应的冷空气入气口，上表面也设有与两侧散热器件相对应的热空气出气口。

该热管为一回路热管，该半导体光源发热装置的一端通过该热管依次与第一散热器件及第二散热器件热连通，并最后连通至半导体光源发热装置的另一端，形成一闭合导热回路。

该半导体光源发热装置上方设有与其热连通的斜散热器件，第二散热器件的位置较第一散热器件的位置高，该灯具外壳下表面设有两组与两侧散热器件相对应的冷空气入气口，上表面设有与位置较高的第二散热器件相对应的热空气出气口，且该灯具外壳呈三角形状。

该半导体光源发热装置两侧均设有与其热连通的第三、第四散热器件，半导体光源发热装置的上方也设有与其热连通的第五散热器件，该灯具外壳下表面设有两组与第三、第四散热器件相对应的冷空气入气口，上表面设有与第五散热器件相对应的热空气出气口。

该半导体光源发热装置两侧均设有与其热连通的第三、第四散热器件，半导体光源发热装置的上方设有一加热装置，该灯具外壳下表面设有两组与第三、第四散热器件相对应的冷空气入气口，上表面设有与加热装置相对应的热空气出气口。

该散热器件包括散热元件及半导体制冷元件，半导体制冷器件的冷端与半导体光源发热装置热连通，热端及散热元件热连通。

该半导体光源发热装置包括大功率LED管、集成大功率LED管的电路基板及紧贴于电路基板上的散热基座，该散热基座与散热器件热连通。

本发明相对于现有技术的优势：

本发明通过散热器件及换热气流通道的分布从而产生灯具外壳内的热功率分布，并通过热管将光源发热装置产生的热量分配至灯具内某些局部区域，并配合散热器的散热面积大小和翅片密度，以及其他热控制器件，获得特别的散热功率分布。相较于过去的半导体灯具散热结构，本发明能够获得更好的换热气流性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为实施例2的结构示意图；

图3为实施例3的结构示意图；

图4为实施例4的结构示意图；

图5为实施例5的结构示意图；

图6为实施例6的结构示意图。

大功率LED管10、电路基板11、散热基座12、热管13、灯具外壳14、冷空气入气口15、热空气出气口16、第一散热器件17、第二散热器件18、气流19、回路热管20、斜散热器件21、加热器件22、第三、第四散热器件23、第五散热器件24、半导体制冷器25、散热元件26。

具体实施方式

本发明对灯具内散热功率分布的设计及灯具内气流换热通道设计的基本理论为传热学及流体力学。灯具内换热气体受热将致使气体密度降低而被低温的相对高压气体推动形成具有一定动能的气流。气流进出散热器件区域的温差与气流与散热器件有效接触面积成正比，与气流流速成反比。温差越大，气体密度差越大，使气流获得的加速度越大。但当气流流经区域的阻碍过多，将限制换热气流流速及流量。为此，需要考虑换热气体温升位置及换热气流通道，才能设计出强化自然对流散热结构。

建立热学模型优化灯具设计，设计者可以利用FLUENT，ANSYS等软件建立有限元热流模型。根据灯具的使用条件及光源尺寸，发热功率要求，所使用的材料，代入软件并模拟出灯具内的热流特性。通过分析灯具内生热功率分布及气流通道散热情况，优化强化自然对流的结构。

在灯具中设置散热功率分布及气流通道。由于灯具使用条件及外观限制，灯具光源发热装置自身发热区一般不处于散热通道的最优散热位置，为形成最好的气流换热通道，可以通过热管及热控制器件对灯具内散热功率分布进行调整。其具体方法是：将多个热管的蒸发段紧贴散热基座，多个热管的冷凝段紧贴散热器件上的若干个局部区域，从而将热源产生的部分热量分配到散热通道的若干个特定区域。为配合达到最好的散热功率分布，可以采用热控制器件如陶瓷加热片，发热丝，半导体制冷器等实现灯具内生热量的局部增强或转移。甚至可以通过电路控制热控制器件调整灯具内散热功率分布，调整灯具内气流情况，实现降低及控制光源温度的目标。

以下将结合附图，详细介绍本发明的几个实施例。

实施例1

本发明提供了一种半导体照明灯具散热结构，包括灯具外壳14及设于灯具外壳14内的半导体光源发热装置，该半导体光源发热装置的至少一侧设有与其热连通的散热器件，散热器件位于灯具外壳14内，该灯具外壳14下表面对应设有冷空气入气口15，上表面对应设有热空气出气口16。半导体光源发热装置运作一段时间后，其产生的热量转移至散热器件上，由冷空气入气口15进入的冷空气遇到散热器件上并获取其上的热量后，获得动能，继续上升形成气流，并由热空气出气口16流出。

如图1所示，该半导体光源发热装置两侧均设有与其热连通的第一、第二散热器件17、18，且第一散热器件17与第二散热器件18的散热面积不同，两散热器件17、18均为散热翅片，且两散热翅片17、18通过热管13与半导体光源发热装置热连通。

该灯具外壳14下表面设有与第一、第二散热器件17、18相对应的第一、第二冷空气入气口15，上表面也设有与第一、第二散热器件17、18相对应的第一、第二热空气出气口16，该第一冷空气入气口、第一散热器件及第一热空气出气口形成第一气流通道，该第二冷空气入气口、第二散热器件及第二热空气出气口形成第二气流通道，该第一、第二散热器件形成有第三气流通道。

通过改变第一、第二散热器件的散热面积改变该第一、第二、第三气流通道的气流流动速率。

该半导体光源发热装置包括大功率LED管10、集成大功率LED管10的电路基板11及紧贴于电路基板11上的散热基座12，该散热基座12与散热器件热连通，该散热基座12用于实现大功率LED管10及电路基板11的电热传导。散热基座12上加工有凹槽，该凹槽可以用于放置热管13的蒸发段，并使热管13的蒸发段与散热基座12紧密接触。热管13的冷凝段紧密接触第一散热器件17或第二散热器件18或接触灯具内其他散热部件，甚至是灯具外壳。气流19经过散热翅片，将翅片上的热量带走。

散热器件散热功率的多少与气流有效接触散热器件面积、气流流速、气流温度及散热器件温度差决定。而气体带走热量越多，气体温度变化越大，气流获得的动能也越大，气流加速度也越大。通过控制散热器件的有效气流接触面积，可以控制该位置的散热器件的散热功率，从而控制该位置的气流流速。

对于图1，通过热管将半导体光源发热装置的热量传导至位于其两侧的散热翅片，而使半导体光源发热装置的热量从中心转移到其两侧，这些位置由于位于冷空气进气口及热空气出气口附近，更有利于散热气流流动。灯具外壳14内左方采用散热面积较小且密度较低的第一散热器件17，而右方采用面积较大密度较高的第二散热器件18，这种结构使得流经左方气流的流速小于流经右方气流的流速。

实施例2

如图2所示，本实施例的结构与实施例1相似，其区别在于，该热管为一回路热管20，该半导体光源发热装置的一端通过该热管13依次与第一散热器件17及第二散热器件18热连通，并最后连通至半导体光源发热装置的另一端，形成一闭合导热回路。回路热管的特点是管内导热物质在散热器件处加热，后在回路管内定向流动，在回路管上散热，最后又散热器件处加热，因此该回路热管20中的导热物质形成一个回路。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上进一步改进，得到具有强化自然对流散热功能的半导体照明灯具散热结构。

本实施例中，如图3所示，该半导体光源发热装置上方设有与其热连通的斜散热器件21，第二散热器件18的位置较第一散热器件17的位置高，该灯具外壳14下表面设有与第一、第二散热器件17、18相对应的第一、第二冷空气入气口15，上表面设有与位置较高的第二散热器件18相对应的热空气出气口16，配合灯具内的散热器件分布，该灯具外壳14设计呈楔形状，该第二冷空气入气口、第二散热器件及热空气出气口形成一气流通道，第一冷空气出气口、第一散热器件、斜散热器件及热空气出气口形成另一气流通道。特别地，为了改善该结构的散热效果，该斜散热器件21可位于灯具外壳14内的中心位置。

上述结构中，位置较高的第二散热器件18为散热面积较大且密度较高的散热翅片，其位于灯具外壳14内的右端，另外一个位置较低的第一散热器件17为散热面积较小且密度较低的散热翅片，其位于灯具外壳14内的左端，灯具中心设置的斜散热器件21的散热翅片呈一倾斜角度。所有散热翅片均通过热管13与半导体光源发热装置的散热基座12热连通。

如图3所示，在灯具外壳内的左部分，气流从灯具外壳下表面的冷空气入气口15进入灯具内部并被第一散热器件17加热，获得动能继续向上流动。气体在流经由中部的斜散热器件21及灯具外壳14组成的气流通道，不断被斜散热器件21加热，获得动能并从热空气出气口16流出。在灯具右部分，散热翅片有效散热密度大，故该区域散热功率大，流经该区域的气流前后温差大而获得大的流动速率。由于该位置气流快速流动而降低该位置气体压力，气压相对高的左方气流被带动向该区域流动。因此，该灯具获得强化自然对流效果。

实施例4

如图4所示，本实施例中，该半导体光源发热装置两侧均设有与其热连通的第三、第四散热器件23，半导体光源发热装置的上方也设有与其热连通的第五散热器件24，该灯具外壳14下表面设有两组与第三、第四散热器件23相对应的冷空气入气口15，上表面设有与第五散热器件24相对应的热空气出气口16，且该灯具外壳14呈三角形状。两冷空气入气口15分别通过第三、第四散热器件23后，再通过第五散热器件24及热空气出气口16，分别形成两个气流通道。

本实施例中，为了加强灯具内的气流对流效果，该第五散热器件24的散热面积与第三、第四散热器件23均不同，该第三、第四散热器件23为散热面积较大且密度较高的散热翅片，该第五散热器件24为散热面积较小且密度较低的散热翅片，且所有散热翅片通过热管13与散热基座12热连通。

半导体光源发热装置产生的热量通过热管13传导至左右两侧及上方的散热翅片。冷空气从冷空气入气口进入灯具内，被散热翅片加热，获得向上运动的动能加速将灯具内部流动。热空气在半导体光源发热装置上方再次被加热，并快速的从灯具顶部的热空气出气口排出。

上述呈三角形状的灯具外壳为根据传热学及流体力学设计出的利于形成良好换热气流的结构。

实施例5

本实施例与实施例4近似，其区别在于，利用加热装置替代了第五散热器件。

如图5所示，该半导体光源发热装置两侧均设有与其热连通的第三、第四散热器件23，半导体光源发热装置的上方设有一加热装置22，该灯具外壳14下表面设有两组与第三、第四散热器件23相对应的冷空气入气口15，上表面设有与加热装置22相对应的热空气出气口16。该加热装置22包括若干加热元件、设于加热元件上的热量转移器件、感应加热元件温度的温度传感器及根据温度传感器信号控制加热元件工作的控制电路。其中，该加热元件可为加热丝、陶瓷加热片或半导体致冷器。

加热装置22通过独立加热器件加热可以迅速提升该区域气体温度，从而加快气体从热空气出气口16流出速率，从而加快冷空气从冷空气入气口15进入的速率，提高灯具的散热效果。

实施例6

本实施例提出了另外一种半导体照明灯具散热结构的实施方式，如图6所示，其包括灯具外壳14及设于灯具外壳14内的半导体光源发热装置，该半导体光源发热装置的一侧设有与其热连通的散热器件，散热器件位于灯具外壳14内，该灯具外壳14下表面对应设有冷空气入气口15，上表面对应设有热空气出气口16，该散热器件包括散热元件26及半导体制冷元件25，其中，半导体制冷器件25的冷端与半导体光源发热装置热连通，热端及散热元片26热连通。

本实施例中，可以通过控制输入半导体制冷元件25的电流方向及电流大小来控制半导体制冷器25热、冷两端的热流方向及热流大小，也即可以控制热管13的冷凝段温度。而冷凝段温度能够敏感的控制热管13的工作性能，因此，可以通过驱动半导体制冷器25而控制该热管13的导热功率，即控制该区域的散热功率密度。从而进一步控制半导体光源发热装置的散热效果，即控制半导体光源发热装置的温度。

Claims (6)

1.一种半导体照明灯具散热结构，包括灯具外壳及设于灯具外壳内的半导体光源发热装置，其特征在于：该半导体光源发热装置的至少一侧设有与其热连通的散热器件，散热器件位于灯具外壳内，该灯具外壳下表面对应设有冷空气入气口，上表面对应设有热空气出气口；

该半导体光源发热装置两侧均设有与其热连通的第一、第二散热器件，且第一散热器件与第二散热器件的散热面积不同，两散热器件均为散热翅片，且两散热翅片通过热管与半导体光源发热装置热连通。

2.根据权利要求1所述的半导体照明灯具散热结构，其特征在于：该灯具外壳下表面设有与第一、第二散热器件相对应的第一、第二冷空气入气口，上表面也设有与第一、第二散热器件相对应的第一、第二热空气出气口，该第一冷空气入气口、第一散热器件及第一热空气出气口形成第一气流通道，该第二冷空气入气口、第二散热器件及第二热空气出气口形成第二气流通道，该第一、第二散热器件形成有第三气流通道。

3.根据权利要求2所述的半导体照明灯具散热结构，其特征在于：通过改变第一、第二散热器件的散热面积改变该第一、第二、第三气流通道的气流流动速率。

4.根据权利要求2所述的半导体照明灯具散热结构，其特征在于：该热管为一回路热管，该半导体光源发热装置的一端通过该热管依次与第一散热器件及第二散热器件热连通，并最后连通至半导体光源发热装置的另一端，形成一闭合导热回路。

5.根据权利要求1所述的半导体照明灯具散热结构，其特征在于：该半导体光源发热装置上方设有与其热连通的斜散热器件，第二散热器件的位置较第一散热器件的位置高，该灯具外壳下表面设有与第一、第二散热器件相对应的第一、第二冷空气入气口，上表面设有与位置较高的第二散热器件相对应的热空气出气口，该第二冷空气入气口、第二散热器件及热空气出气口形成一气流通道，第一冷空气出气口、第一散热器件、斜散热器件及热空气出气口形成另一气流通道。

6.根据权利要求1至5任一项所述的半导体照明灯具散热结构，其特征在于：该半导体光源发热装置包括大功率LED管、集成大功率LED管的电路基板及紧贴于电路基板上的散热基座，该散热基座与散热器件热连通。

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