CN101825240B - Led灯及其灯具 - Google Patents

Abstract

本发明依据针对肋片式结构的自然对流传热基础实验研究结果，提出了散热片尺寸和结构优化的LED灯，指出肋片高h和间隙a之比不大于10.0，间隙a不小于1.7mm。通过增设对流罩(4)，进一步提高散热量，可达到每瓦散热用铝不到4克的水平。为实现标准化，将散热片与LED芯(1)和导热芯(12)构成的LED灯芯分开，散热片为固定在灯具中的部件，并提出了解决导热芯(12)与散热片之间传热的具体方案。

Description

LED灯及其灯具

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，特别涉及到LED灯中的散热片结构和尺寸的优化设计。技术背景

LED照明，因其节能，长寿命而受到全球关注，被认为是下一代照明技术。但其散热问题是当今LED照明技术发展中的一大障碍，并且占LED灯相当部分成本，而制约LED照明普及应用就是整个灯的成本价高。自然对流传热，无机械运动、无噪音，可靠性高，是LED散热必选的方式。但是，LED行业内以及电子行业内的专业人员，对肋片式结构的散热片中的自然对流传热并没有非常清晰的认识，缺少针对性的基础性研究，不清楚散热片中的肋片高和间隙对散热的影响，其结果是：散热片设计不合理，没有优化设计理念，产品尺寸大，重量沉，成本也就高，比如：100W的LED路灯，散热器用铝达十多公斤，还有的甚至采用高成本的热管技术。发明内容

本发明以针对LED散热片中自然对流传热基础性研究结果为基础，提出散热片尺寸和结构优化设计方案，并提出强化自然对流传热结构，将显著地降低散热用铝量，即成本。

本发明的技术方案是：LED灯包括有散热片和LED芯，散热片包括有导热块和肋片，肋片从导热块的侧面伸出，肋片伸出的平均长度大于10mm，导热块呈上下竖立设置的，肋片也呈竖立设置，散热空气由下向上穿过肋片，LED灯芯产生的热量，通过导热块导热传热，传到肋片，再以自然对流传热的方法，从肋片表面传到穿过肋片的空气中散出。本发明的特征是：肋片平均高(即肋片在空气穿过方向的尺寸)与肋片之间的平均间隙之比不大于10.0，不小于2.0；肋片之间的平均间隙大于1.7mm，肋片的平均高不大于40mm。

散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动(对流)将热量带走，空气流动(对流)在散热过程中非常重要，空气流量越大，能带走的热量(即散热量)越大。将散热片的导热块上下竖立设置，肋片也竖立，使自然对流空气由下至上流动，穿过肋片，空气流动阻力小，有利于散热量提高，这也就是为什么本发明要求导热块以及肋片要竖立设置。

自然对流传热过程中，驱动空气流动的动力是：空气受热温度升高，比重下降而产生的浮力，浮力与体积以及空气的温差(散热片中的空气温度与环境空气温度之差)成正比，也就是说散热片中的空气温度越高，浮力越大，空气自然对流量也就越大。但是散热肋片与空气的对流传热却与肋片温度和散热片中的空气温度之差成正比、与肋片面积(散热面积)成正比，而散热片所产生的空气流动阻力与空气流经的距高(即肋片高)以及肋片密度成正比，肋片高和肋片密度表现出散热面积。这些分析说明，在肋片式结构中的自 然对流传热中，通过增加肋片高或肋片密度(减小肋片之间的间隙)来增加散热面，以达到提高散热量，存在相反的、矛盾的因素，因而散热量提高有限，甚至有可能是降低散热量，得到相反的结果。

图1为肋片式散热片的自然对流传热实验曲线，纵坐标为散热量Q(导热块与环境空气温度差为某定值时的散热量)，横坐标为肋片高h与肋片之间的间隙a之比，h/a被称为散热片特征参数，此为无量纲参数。由于散热片中的肋片高以及肋片之间的间隙不一定是均匀的，因而取肋片的平均高h与肋片之间的平均间隙a之比为散热片特征参数。图中三条曲线分别为三种不同的肋片间隙的实验结果，其中a₁大于a₂，a₂大于a₃。

图1中说明：当间隙a一定时，存在一最佳肋片高h^*，如果肋片高h大于h^*时，增加肋片高h(也就增加散热面积)，散热量非但没有提高，反而下降；只有当肋片高h小于h^*时，增加肋片高h(加大散热面积)，才有利于提高散热量；增加肋片间隙a有利于提高得到最大散热量，但相应地加大了肋片高(即散热片的尺寸)。通过许多实验数据整理得出，最佳散热片特征参数(h/a)^*在5.0至7.0之间，6.0左右。

依据实验结果分析，以及综合其他因素，本发明提出，设计LED散热片时，散热片特征参数h/a取值应不大于10.0，不小于2.0，肋片之间的平均间隙a大于1.7mm；肋片平均高取不大于40mm，是两方面的考虑：一、散热片的肋化效率方面，如h取42mm，(h/a)取6.0，则间隙a为7.0mm，间隙过大，肋化效率低，散热用材(一般为铝材)高，即成本高；二、散热片所占空间尺寸大，导热块内的导热距离远。本发明中提出，肋片的平均长应大于10.0mm，也是从肋化效率方面考虑，还有如果肋片的平均长过小，本发明提出的优化结构及尺寸所致的优越性将被降低。

肋片厚(平均厚)是散热片的一重要尺寸，从节省材料和增加空气流通面积方面考虑，肋片厚应尽可能薄，由于自然对流传热的强度不高，即使肋片厚薄到为0.5mm，肋片长为20mm，采用铝材，分析可得出，肋效率可达95％，考虑到一般采用铝材挤压工艺制造散热片，肋片平均厚应取0.4～1.2mm。

散热片更为合理的设计是：散热片特征参数(h/a)取不小于3.5，不大于7.0，肋片之间的平均间隙a应大于2.2mm。

太阳花式散热片结构：中心是导热柱，也就是导热块，肋片围着导热柱伸出。LED芯(也就是发热源)设置在导热柱的端面上，发热源到肋片根部的距离短，则导热热阻低，LED芯集中在中心导热柱端面，导热柱和LED芯所占的面积小，而空气的流通面积大，有利于自然对流传热。以上说明太阳花式散热片对于LED芯散热是最为合理的结构。

本发明还提出一种LED灯具，散热片为灯具中的部件，LED芯设置在导热芯上，LED芯与导热芯构成LED灯芯，可设计制造成系列标准部件，实现标准化。导热芯采用锥形结构、或螺柱结构或锥形螺柱结构，散热片采用太阳花式结构，导热柱开有与前所述的导热芯相配的孔。散热片特征参数h/a取值应不大于10.0，不小于2.0，肋片之间的平均间隙a大于1.7mm；肋片平均高取不大于40mm，肋片平均厚应取0.4～1.2mm。 附图说明

图1是肋片式散热片的自然对流传热实验曲线，纵坐标为散热量Q(导热块与环境空气温度差为某定值时的散热量)，横坐标为肋片高h与肋片之间的间隙a之比。

图2是一种LED芯设置在导热块侧面的LED灯的特征示意图，图中a为肋片之间的间隙，h为肋片的高，箭头表示空气流动方向。

图3是一种LED灯芯设置在导热块下端的LED灯的特征示意图。

图4是一种外边缘为六边形的太阳花式散热片示意图。

图5是一种外边缘为矩形的太阳花式散热片特征示意图。

图6是一种外边缘为圆形，并且肋片为弧形的太阳花式散热片特征示意图。

图7是一种本发明的LED灯的散热片的特征结构示意图，是由数个太阳花散热片拼合成的，为蜂窝形结构。

图8是一种本发明的LED灯的特征结构示意图。

图9是一种本发明的LED灯的特征结构示意图，LED芯在散热片的上侧。

图10是一种本发明的LED灯的特征结构示意图，对流罩内设有反射镜，可以向四周水平照射。

图11是一种本发明的LED灯的特征结构示意图，对流罩内设有反射镜，可单方向水平照射，对流罩侧壁上端开有排气窗。

图12是一种本发明的LED灯的特征结构示意图，LED芯设有灯芯罩。

图13是一种本发明的LED灯的特征结构示意图，LED芯设在导热芯上，导热芯为锥形植入散热片中。

图14是一种本发明的LED灯的特征结构示意图，导热芯为螺纹植入散热片中，LED芯设有灯芯罩。

图15是一种本发明的LED灯芯的特征结构示意图，导热芯为圆锥螺纹结构，并带灯芯罩。

图16是一种本发明的LED灯的特征结构示意图，散热片采用了蜂窝形的拼合结构，可用于道路照明。

图中：1.LED芯；2.导热柱；3.肋片；4.对流罩；5.对流腔；6.表示光线的箭头；7.反射镜；8.排气窗；9.导热块；10.灯芯罩；11.前透镜；12.导热芯；13.螺钉；14.对流腔栅格。具体实施方式

图2所示的LED灯，LED芯1设置在导热块9的侧面，肋片3从导热块9另一侧伸出，伸出的长度L为肋片长度。图中导热块9呈竖立设置，肋片3也为竖立设置，图中箭头表示空气流动，自然对流时，空气由下向上穿过肋片3，肋片高h也就是空气穿过肋片方向上的尺寸，肋片之间的间隙a为两相邻肋片之间的空间距离。

图3所示的LED灯，LED芯1设置在导热块9的下端面，有两散热片，LED芯1 的导热芯12被两散热片的导热块9夹着，LED灯芯1的热量通过导热芯12传到导热块9上。

图4、5、6分别示出了三种太阳花式散热片的特征示意图。它们结构特征(也就是太阳花结构特征)，导热块就是中心的导热柱2(导热柱有实心和空心之分，图中为实心)，肋片3从导热柱2的柱面伸出，导热柱的作用就是将LED芯的热量由导热柱的端面(也可称横截面)以导热的方式，传到柱面上的肋片上。太阳花结构的优点：导热部分(即导热柱)体积小，截面积小，导热路径短。

单个太阳花散热片的散热量有限，对应的单个LED芯的功率(即光照度)也就有限，对于像路灯这类大功率照明灯，可以采用类似图7所示的方案。采用数多太阳花式散热片通过连接装置或互连机构拼合成一体，每个太阳花散热片带有LED芯，这就可以根据需要拼合成多种光照度(功率)的照明灯。图7所示的单个太阳花式散热片为等六边形外形，整个散热片拼合结构为蜂窝型结构。

在散热片的上方设置对流罩，利用烟囱抽吸原理，提高空气流经散热片的流量，得到散热量的提高。对流罩的抽吸强度与对流罩内的有效容积成正比，外观尺寸表现为与对流罩的高度成正比。

图8、9示出两种典型的带对流罩的LED灯的特征结构。图8中的LED芯1设置在导热柱2的下端面(散热片的下侧)，图9中的LED芯1设在导热柱2的上端面(散热片的上侧)，但它们共同的特点是在散热片的上方设置有对流罩4，在散热片的上方形成空腔，成为对流腔5。对流罩4的高度(也就是指对流腔5的高度)越高，对流腔5的容积就越大，所产生的抽吸越强，流经肋片3的空气流量也就越大，散热量就得到提高。对流罩要足够高，才能明显提高散热，设计时，对流罩高应不小于40mm。

加有对流罩后，肋片式散热片的自然对流传热特性还保持着图1所示的特性，散热量Q提升了，但最佳散热片特征参数(h/a)^*还是在6.0左右，5.0～7.0之间。设计散热片时，(h/a)还应取不大于10.0、不小于2.0，间隙a大于1.7mm，肋片高h取不大于40mm，肋片厚还应取0.4～1.2mm。更为合理的设计还是：(h/a)取大于3.5、不大于7.0，间隙a大于2.2mm。

对流罩高取120mm、肋片长取25mm、高h取17mm，间隙a取2.8mm、肋片平均厚取0.65mm的太阳花式散热片，当导热柱与环境空气温差为30℃时，可得到每瓦散热用铝不到4克的水平，和现产品每瓦100多克用铝水平相比，本发明提高的水平非常显著，可以说：LED散热成本不应再考虑了。

当散热片平放，对流罩竖立设置时，对流罩的抽吸作用最有效，但LED芯只朝上或朝下。图10、11所示的本发明LED灯，就解决了灯光平射问题，LED芯1设置在散热片的上侧，LED芯1朝上，对流罩4内设置有反射镜7，对流罩4的侧壁采用了透明材料制成，从LED芯1发出的朝上光线，经反射镜7反射成平射，如果对流罩4内的反射镜7的角度可调动，则就可调动照明灯的平射角(偏上或者偏下)。图11所示的LED照明灯是单侧平射，而图10所示的为两侧，或四周平射。图11中，对流罩4上加有盖，在侧壁上端开有排气窗8。

图12中的LED芯1加设有灯芯罩10，灯芯罩10内表面可作为反光镜，LED芯1前还设有前透镜11，灯芯罩10和前透镜11保护着这LED芯1。对于室外用的LED照明灯，要注意防止雨水长期流经前透镜，减少前透镜表面生成水垢，灯芯罩设计成其下边缘或下边缘凸起应低于前透镜，图12中所示的灯芯罩10的下边缘凸起低于前透镜，这样的结构使得下雨时，水都从灯芯罩的下边缘流下，没有雨水流经前透镜。

图13、14示出的本发明的两种LED照明灯中，导热柱中有导热芯12，LED芯1设置在导热芯12上，导热芯12植入散热片中，导热芯为导热柱中的一部分，LED芯1产生的热量经导热芯12再传导到散热片上。

图13、14示出了解决导热芯12与散热片(导热柱)之间的接触热阻问题。图13中示出，导热芯12为锥形。采用锥形植入散热片中的结构，只要小的推挤力，就可得到被放大数十倍的导热芯柱面与散热片之间的接触压力，有利于减小接触热阻。圆锥孔和圆锥柱面容易加工成型，配合精度容易保证，因而应该首选圆锥形结构的导热芯。图13所示，导热芯12靠旋转螺钉13，将导热芯12紧固植入散热片中。

图14示出导热芯12采用螺纹植入散热片(导热柱)中的结构，由于螺纹柱面的表面积被放大，接触传热面积就被放大，比如采用普通的60°三角牙螺纹，其表面积为圆柱的两倍。导热芯采用螺纹植入散热片中的结构还有一优点：便于安装，可以无需工具就可以将导热芯植入散热片中。图14中的LED芯1带有灯芯罩10和前透镜11，前透镜11成凹形，使得灯芯罩10的下边缘低于前透镜11。

图15示出了一种本发明的LED灯，导热芯12采用了圆锥螺纹结构，因而具有圆锥结构和螺纹结构所具有的优点之和：接触压力大，接触面积大，便于安装。

采用图13至15所示结构，LED芯1和导热芯12可构成单独部件——LED灯芯，采用这样的结构优点有：一、便于LED芯1和导热芯12的封装与装配，便于解决其内的导热问题；二、便于整个LED灯的装配；三、便于LED灯芯的维修和更换；四、更重要的是便于实现标准化。LED灯芯为系列标准通用部件，散热片与LED灯芯分开，散热片为灯具中的部件，只要灯具中散热片的导热柱开有与锥形结构、或螺柱结构或锥形螺柱结构的LED导热芯相配的孔，就可实现标准LED灯芯与品种繁多的灯具相配。

图16示出了一种采用本发明的路灯，散热片为10个等六边形太阳花式散热片拼合成。导热芯12采用了圆锥螺纹结构，每个LED芯1带有灯芯罩10和前透镜11，前透镜11成凹形，灯的后外壳凸起，构成了对流罩4，内空腔就是对流腔，顶盖开有由数多小孔组成的排气窗8。在对流腔内设置有对流腔栅格14，将对流腔分成数多个小的子对流腔，每个子对流腔对应一个散热片(也可对应多个散热片)，其目的是：消除(或减小)每个散热片之间的干扰，比如某个散热片上的LED灯坏了，不发热，则只影响该散热片所对应的子对流腔内的空气温度，而不影响其他子对流腔的空气温度(即抽吸能力)。

特别说明：本发明中的LED芯包括了OLED芯。

Claims (8)

1.一种LED灯，包括有散热片和LED芯(1)，散热片包括有导热块(9)和肋片(3)，肋片(3)从导热块(9)侧面伸出，肋片伸出平均长度大于10mm，当导热块(9)竖立设置时，肋片(3)呈竖立设置，散热空气由下向上穿过肋片(3)，其特征在于：肋片平均高与肋片之间的平均间隙之比不大于10.0，不小于2.0；肋片的平均高不大于40mm，肋片之间的平均间隙大于1.7mm。

2.根据权利要求1所述的LED灯，其特征在于：肋片平均高与肋片之间的平均间隙之比不大于7.0、不小于3.5，肋片之间的平均间隙大于2.2mm。

3.一种LED灯具，LED灯具包括有散热片，其特征在于：散热片采用了中心是导热柱(2)，肋片(3)围着导热柱(2)伸出的太阳花式结构；肋片平均高与肋片之间的平均间隙之比不大于10.0，不小于2.0，肋片平均高不大于40.0mm，肋片之间的平均间隙大于1.7mm。

4.根据权利要求3所述的LED灯具，其特征在于：肋片平均高与肋片之间的平均间隙之比不大于7.0、不小于3.5，肋片之间的平均间隙大于2.2mm。

5.根据权利要求3或4所述的LED灯具，其特征在于：散热片的上方设置有对流罩(4)。

6.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于：LED芯(1)设置在导热柱的端面，LED芯(1)与对流罩设置在导热柱端面的相同侧，对流罩(4)侧壁采用了透明材料制成，对流罩(4)内设置有反射镜(7)。

7.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于：对流罩(4)高不小于40mm。

8.根据权利要求3或4所述的LED灯具，其特征在于：数个太阳花式结构的散热片拼装构成的散热片组件，散热片组件的上方设置有对流罩(4)，对流罩(4)内设置有对流腔栅格(14)。