CN102003650A - 一种基于热管散热的模块化大功率led灯具组件 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体照明技术领域，涉及一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，每个模块包括光源模块、热管模块和肋片式散热模块，模块间利用镂空的安装板进行连接，可灵活装配出各种面型、环形、线形等出光造型的LED灯具成品。本发明具有安装灵活，易装卸，便于灯具的二次光学设计，可装配出各种面型、线型等常用的LED灯具成品，从而实现不同功能和外形设计以及应用场合下的应用组合。

Description

一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件

技术领域

本发明涉及具备良好散热性能、可实现灵活安装的LED灯具组件，尤其涉及一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，属于半导体照明技术领域。

背景技术

大功率LED(Light Emitting Diode)与传统光源相比，具有十分显著的性能优势和节能环保意义，其应用领域不断扩展，已经成为21世纪最具发展前景的高新技术领域之一。为实现LED光源替代传统灯具从而开启庞大的通用照明市场，则须不断提高LED的输入电功率，从而具备更高的发光亮度。然而照明用LED器件输入功率的不断提高，使得LED结温(芯片有源区温度)大幅攀升而导致其工作性能退化，严重影响了灯具的可靠性、稳定性、使用寿命等优势性能。因此有效解决散热问题并最大限度地降低LED结温，已经成为大功率LED灯具实现大规模产业化应用的先决条件。

针对大功率LED灯具的散热难题，国内外普遍采用的方法是改变金属散热器的材质与结构，以及配合采用被动或主动风冷技术将LED产生的热量排散到周围环境中。在散热器的材质相同时，被动方式下散热效果的提升往往依赖于散热面积的显著增加，使得金属的耗材量剧增，不仅增加了制造成本，而且导致灯具重量及体积超标，严重限制了成品灯具的应用领域；与被动方式相比，主动方式能成倍地提高对流换热系数，从而实现在较小的散热面积下而显著提升散热效果，但是作为动力部件的风扇仍需要耗能，降低了灯具整体的节能性，且其寿命很短，若维护或更换不及时，将导致灯具迅速老化甚至彻底损毁。

近年来的研究表明，应用热管的高效传热特性制作出的新型散热装置，其散热效果远远优于传统的金属散热器，使LED散热可靠性得到了显著提高。但从目前已公开的专利中可以看出，基于热管散热的大功率LED应用尚处于起步阶段，其设计与安装并没有统一的规范可循，致使不同LED灯具生产厂家不能针对性地选取自己所需的散热器及其它灯具组件，而往往依赖于反复的应用和验证性实验，或者寻求温度场有限元软件的模拟性参考，大大增加了研发成本和设计周期，甚至还会延误上市时机。与此同时，由于大功率LED灯具应用领域的扩展，在许多场合都需要将其密封在一个密闭的壳体内，以防止外界环境中的灰尘、腐蚀性气体、雨水等对LED器件的侵害，这更增加了散热器设计的难度。此外，应用领域的扩展也使得大功率LED灯具需要具备易于系统集成化、外形小巧而多样化、功能齐全化等特点，相应地要求散热器的设计也应具有散热效率高、可靠性强、结构紧凑、安装灵活等性能。因此，必须研究和开发具备良好散热性能、可实现灵活安装的LED灯具组件，以适应LED灯具成品在不同应用场合、功能和外形设计等要求下高热流密度的散热需求。

发明内容

本发明目的之一是提供一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，能克服目前金属型材散热器的技术缺陷，显著降低LED芯片结温，从而保证LED灯具的各种工作性能，且易于组装成灯具成品，能大幅降低制造成本，符合大批量工业化生产的要求。

本发明目的之二是提供一种该模块化灯具组件的应用方法，能指导灯具生产厂家根据自身产品的外形设计，选配适宜的组件，装配出各种面型、线型等常用的LED灯具成品，从而实现不同功能和外形设计以及应用场合下的组合式灵活安装。

本发明目的之一主要通过以下技术方案实现：

所述的基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件主要包括：光源模块、热管模块和肋片式散热模块。

所述的光源模块由2～15颗LED器件(灯珠)组成。每颗LED器件工作功率为0.5～2W，光源模块总功率为1～30W。

所述的电源驱动模块由铝基印制电路板(PCB)和LED电源组成。其中，PCB上的电路连接为串联或并联或串并混合方式，且PCB与LED底座间采用回流焊或填充高导热硅脂并焊接引脚等方式进行安装。所有LED沿PCB长度方向呈直线型排列，每颗LED的中心间距相等，且为15～60mm；位于PCB两端的LED距离PCB端点的长度为上述间距的1/2。此外，PCB的宽度与LED中心间距相等，使每颗LED对应分配的PCB形状为正方形，从而在多个LED灯具组件实施面型或线型拼装后，保证在正交二维轴方向上，所有LED的间距近似相等，以方便灯具成品的二次光学设计。

所述的热管模块可由至少一根热管与一套集热板组成，并且热管可分为三段：蒸发段、光管段(无肋片)和冷凝段(有肋片)。其中，热管的蒸发段与集热板进行嵌套焊接，集热板一般为预设凹槽的导热性好的金属板，如铜板或铝板；热管在光管段弯曲，使整根热管的冷凝段与蒸发段平行，管体外形呈“U”型；热管冷凝段与肋片式散热模块相连，一般采用过盈连接或焊接等方式。

所述的热管外径规格为

管壳材质为铜或铝等高导热性金属，且内壁紧密贴附金属丝网或烧结粉体等吸液芯结构。热管蒸发段与冷凝段的长度均与PCB长度相同。光管段弯曲后呈直线形、半椭圆形或半圆形，使蒸发段与冷凝段的平行距离为20～60mm。

所述的一套集热板由底板和压板构成，二者的长、宽尺寸均与PCB相同，并且在各自的一个表面内加工出截面呈“半圆形”的凹槽，其直径大于热管外径0～1mm。由于底板要与PCB连接，须降低结构热阻，其凹槽底部至无凹槽面的厚度应尽量小，可为0～3mm；而压板需要提供足够的机械支撑力，其凹槽底部至无凹槽面的厚度应尽量大，可为3～8mm。

所述的PCB、集热板上长边的边缘均对称设置安装螺孔，能将其用螺栓紧密连接。为减小界面热阻，在紧固前，应在安装面间填充高导热硅脂。

所述的肋片式散热模块为一组由热管从中心处垂直穿过的高导热性金属薄板，如铜板或铝板。其中，单个肋片的表面形状优选为矩形，其宽度与PCB宽度相同，长度的1/2小于蒸发段与冷凝段的平行距离5～16mm，厚度为0.2～2mm。肋片间距优选为等间距排列，可选范围为1.5～15mm。为了增加肋片式散热模块的机械强度，以及避免热管在安装和使用过程中遭受折断损坏，在集热板或平板蒸发器的每一对称安装螺孔处，将热管套装具有一定刚性金属夹板，并能安装在螺孔处。

本发明目的之二主要通过以下技术方案实现：

所述的该模块化灯具组件的应用方法，主要包含由多个组件装配成面型、线型等常用LED灯具成品的一般性方法，涉及固定方式、拼接方式、防水措施和防碰撞措施等。

所述的固定方式为：在成品灯具外壳的内部设置一块镂空的安装板，镂空区域的数量与所需安装的灯具组件数量一致，镂空区域的尺寸小于PCB，且每一镂空边缘均加工有与PCB一致的安装孔。

所述的拼接方式为：将所有镂空区域可沿宽度方向呈直线形排成一列或多列，形成矩形面出光造型；镂空区域也可以由长度方向为径向，而呈放射状圆形排列，从而形成放射状圆形面出光造型；若镂空区域沿长度方向呈直线形、曲线形、圆形等线性地排列，则形成多种线型或环形出光造型；当然，单个的LED灯具组件同样也可以装配成一个直线形灯具成品。

所述的防水措施为：在灯具组件与镂空的安装板进行安装时，二者之间夹装一层防水垫圈，以防止雨水或水汽侵入安装板以下而损害光源模块。

所述的防碰撞措施为：采用侧面及顶面均开设尽量大通风孔的板材防护罩，或由刚性金属条焊接并冲压成型的防护网，对整个灯具的散热部分加以保护，且能与安装板边缘用螺栓紧固安装。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明基于高效传热性的热管，对大功率LED灯具组件实施了更加合理地模块化设计，克服了目前金属型材散热器的技术缺陷，能显著降低LED芯片结温，从而保证LED灯具的各种工作性能，并使单一组件的输入电功率得到进一步提高。

(2)本发明提供的模块化灯具组件结构简单，外形规整，易于组装灯具成品，并方便完成二次光学设计，能大幅降低制造成本，符合大批量工业化生产的要求。

(3)本发明提供的模块化灯具组件的应用方法，能指导灯具生产厂家根据自身产品的外形设计，灵活选配适宜的灯具组件，装配出各种面型、线型等常用的LED灯具成品，丰富自有产品类型，并大幅缩短上市时间。

(4)本发明提供的模块化灯具组件的应用方法，使成品灯具易于装拆、组合，维护方便，且具备防雨水和抗冲击等性能，适应性好、可靠性高。

(5)本发明提供的模块化灯具组件及其应用方法，有助于LED灯具相关标准的制订，尤其是促进基于热管散热的LED灯具组件的设计与安装工作的规范化。

附图说明

图1为一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件的结构示意图；

图2为一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件的组装示意图；

图3为一种符合模块化大功率LED灯具组件应用方法的正方面型照明灯具的结构示意图；

图4为一种符合模块化大功率LED灯具组件应用方法的正方面型照明灯具的组装示意图(隐藏了透光灯罩12的显示)。

具体实施方式

如图1、2所示，一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件主要包括：光源模块、热管模块和肋片式散热模块。以上模块主要的组装过程简述如下：

首先，将光源模块中的LED器件1与电源驱动模块中的PCB 2之间以填充高导热硅脂并焊接引脚的方式进行安装。其次，热管模块采用一根热管，该管体的冷凝段8与一组矩形的薄铝板肋片9采用过盈冲压连接，在光管段7处将热管管体弯曲成“U”型，使冷凝段8与蒸发段5的长度相等并相互平行。随后，在集热板的底板4、压板6的凹槽及压合面上涂覆高导热硅脂，并将热管管体的蒸发段5压合在凹槽内。最后，在PCB 2的安装面上涂覆高导热硅脂，并通过定位安装孔3，由螺栓11将PCB 2、底板4、压板6和金属夹板10整体紧固，形成完整的大功率LED灯具组件。

如图3、4所示，一种模块化LED灯具组件的一般性应用方法，将通过由5个组件装配成一件正方面型照明灯具的过程加以展现，其中涉及固定方式、拼接方式、防水措施和防碰撞措施等。照明灯具成品的装配过程简述如下：

首先，在开设大面积通风孔14、并排冲压镂空安装孔16的板材灯壳15的内部，将5个LED灯具组件19与镂空安装孔16用螺栓紧固安装，且二者间夹装一层防水垫圈18，并将LED电源17安装在底板上。随后，将开设有大面积通风孔21的盖板20与灯壳15通过螺钉紧固安装，并保证盖板20顶部的通风孔21与灯具组件19中的肋片方向一致，以便在肋片间形成良好的自然对流效果。最后，将塑料材质的透光灯罩12与灯壳15采用螺钉紧固安装，且二者间夹装防水垫圈13，形成一件完整的照明灯具。该灯具中25颗LED器件1所形成的二维出光面上，所有LED沿正交轴向的间距均相等，方便灯具成品的二次光学设计。

尽管参照实施例对所公开的涉及一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件及其应用方法进行了特别描述，而以上描述的实施例是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，每个模块包括光源模块、热管模块和肋片式散热模块，模块间利用镂空的安装板进行连接，可灵活装配出各种面型、环形、线形等出光造型的LED灯具成品。

2.根据权利要求1所述的一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，光源模块中所有LED沿PCB长度方向呈直线型排列，每颗LED的中心间距相等，且为15～60mm；位于PCB两端的LED距离PCB端点的长度为上述间距的1/2；PCB的宽度与LED中心间距相等，每颗LED对应分配的PCB形状为正方形。

3.根据权利要求1所述的一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，热管的冷凝段与蒸发段平行，平行距离为20～60mm，光管段弯曲后呈直线型、半椭圆形或半圆形，管体呈“U”型，热管的冷凝段与肋片式散热模块以过盈连接或焊接方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，热管蒸发段与冷凝段的长度均与PCB长度相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，肋片底边缘于集热板压板上表面留有一定间距，集热板底板的凹槽底部至无凹槽面的厚度尽量小，为0～3mm；压板的凹槽底部至无凹槽面的厚度应尽量大，为3～8mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，单个肋片的表面形状为矩形，宽度与PCB宽度相同，长度的1/2小于蒸发段与冷凝段的平行距离5～16mm，厚度为0.2～2mm，肋片呈等间距排列，间距为1.5～15mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，集热板或平板蒸发器的每一对对称安装螺孔处的肋片设计成具有一定刚性的金属夹板，并能安装在螺孔处。

8.根据权利要求1所述的一种基于热管散热的模块化大功率LED灯具组件，其特征在于，灯具外壳的内部设置一块镂空的安装板，PCB固定在镂空的位置上。

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