CN102297352A

CN102297352A - 基于复合散热技术的led灯

Info

Publication number: CN102297352A
Application number: CN2011102429395A
Authority: CN
Inventors: 甄海威; 何永祥; 沈颖玲
Original assignee: 甄海威; 何永祥; 沈颖玲
Current assignee: Wang Liang
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: CN102297352B

Abstract

本发明公开了一种基于复合散热技术的LED灯，它包括外壳单元、灯组单元与电源单元三个部分；所述外壳单元以塑料灯头作为连接体，其上面与金属灯头连接，其下面与塑料或铝的灯壳连接，壳体四周刻有对流槽灯，外面涂有黑色纳米辐射涂料；灯组单元的陶瓷基板与铝板通过陶瓷基板的银箔与铝板的镀锡层紧密焊接，多孔铜焊接在铝板的另一面，而LED管焊在陶瓷基板另一面。由于采用陶瓷基板、多孔铜与纳米涂料等复合技术散热，充分发挥传导、对流与辐射的散热方式进行有效的散热，使LED灯功率可以做得较大。

Description

基于复合散热技术的LED灯

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，尤其涉及一种采用复合散热技术的LED灯。

背景技术

近几年来，LED作为新光源在各个领域得到广泛使用；但LED的发光需要电流驱动，输入LED的电能中，只有约15%-25%能有效转化为光能，意味着一个10W的LED灯只有2W转化为光，而其余8W将自动转化为热，所以LED发光过程中会产生热量。随着LED功率的升高，热的特性对LED的影响越来越显著，不但会使器件寿命急剧衰减，还会严重影响LED的波长，功率，光通量等参数；此外目前使用的大功率LED以及LED灯具基本都把LED管焊在铝基板上，铝基板再通过导热胶与铝散热器相粘接。由于铝基板与导热胶热阻大，许多热量不能及时散发，因此做得LED灯尤其是球泡灯功率不敢做得大，只能做到8W以下，就是因为散热不能解决。

发明内容

本发明的目的在于针对LED的散热问题，提供了一种基于复合散热技术的LED灯。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于复合散热技术的LED灯，它包括：外壳单元、灯组单元与电源单元三个部分；其中，灯组单元与电源单元均固定在外壳单元内，灯组单元与电源单元相连。

进一步地，所述外壳单元主要由金属灯头、塑料灯头、壳体和灯罩组成；其中，所述金属灯头和壳体分别通过螺纹旋接在塑料灯头的两端，灯罩通过螺纹旋接在壳体的另一端。

进一步地，所述壳体为中空的塑料壳、铝壳或铝合金壳，其外表面涂有黑色的纳米辐射涂料；壳体的四周刻有对流槽。

进一步地，所述灯组单元主要由多孔铜、铝板、陶瓷基板与LED管组成；其中，铝板的上下表面分别镀锡形成第一镀锡层与第二镀锡层，陶瓷基板的两个表面烧结形成第一银箔层与第二银箔层；多孔铜与铝板的第一镀锡层、铝板的第二镀锡层与陶瓷基板的第一银箔层、陶瓷基板的第二银箔层与LED管的金属底座均通过回流焊焊在一起，成为LED灯组单元。铝板固定在壳体上。

进一步地，所述电源单元一端通过交流输入线与金属灯头相连，另一端直流输出线与铝板的第二镀锡层相连。

本发明共有三个单元组成：外壳单元、灯组单元与电源单元。外壳单元以塑料灯头作为连接体，其上面与金属灯头连接，其下面与塑料或铝（铝合金）的灯壳连接，灯壳下面又与灯罩相连，塑料灯头与壳体均为中空，在中空的塑料灯头内部放置电源单元，在中空的灯壳内部固定灯组单元；灯组单元由多孔铜、铝板、陶瓷基板与LED管组成。陶瓷基板与铝板通过陶瓷基板的银箔与铝板的镀锡层紧密焊接，多孔铜焊接在铝板的另一面，而LED管焊在陶瓷基板另一面；交流电通过金属灯头的两端接入电源单元，经电源整流降压后的直流电，加在灯组单元的LED上使其发光。由于采用陶瓷基板、多孔铜与纳米涂料等复合技术散热，使LED灯功率做得较大，使LED球泡灯功率达到10W以上。

本发明的有益效果是：由于采用复合技术，LED灯组所产生的热量通过陶瓷基板良好的传导性能传送到铝板，又能通过多孔铜与涂有黑色纳米辐射涂料的外壳，进行有效地对流与辐射散热。目前极大部分LED灯组采用铝基板导热，由于铝基板与散热器通过导热胶粘结，热量散热途径有铝基板中的环氧树脂与导热胶的阻挡，它们的导热系数分别是0.2W/mK与1W/mK，散热效果差，而本发明使用的陶瓷基板与铝都是直接焊接，不仅热阻小，而且坚固，不易脱落，陶瓷基板与铝的导热系数分别是24W/mK与240W/mK，是铝基板的几百倍；所以目前普通的LED球泡灯只能做到8W以下，而本发明的基于复合散热技术的LED灯，其功率可以做到10W以上。

附图说明

图1是本发明LED灯的结构示意图；

图2是本发明LED灯的结构剖视图；

图3是多孔铜的结构示意图；

图4是多孔铜焊接示意图；

图5是是本发明LED灯的正视图；

图6是LED灯电路图；

图中，金属灯头1、塑料灯头2、电源单元3、壳体4、对流槽5、灯罩6、多孔铜7、铝板8、陶瓷基板9、LED管10、铝板的固定螺孔11、电源单元的交流输入线12、铝板的第一镀锡层13、铝板的第二镀锡层14、陶瓷基板的第一银箔层15、陶瓷基板的第二银箔层16、LED金属底座17、螺丝18、电源单元的直流输出线19。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明基于复合散热技术的LED灯包括：外壳单元、灯组单元与电源单元三个部分。其中，灯组单元与电源单元均固定在外壳单元内，灯组单元与电源单元相连。外壳单元包括：金属灯头1、塑料灯头2、壳体4、灯罩6。而灯组单元包括多孔铜7、铝板8、陶瓷基板9与LED管10。电源单元包括电源3、电源交流输入线12、电源直流输出线19。本发明利用复合技术，通过外壳、陶瓷基板9和多孔铜7，充分应用传导、对流与辐射的散热方式进行有效地散热，使LED灯泡能在大功率情况下工作。

1、外壳单元：主要由金属灯头1、塑料灯头2、壳体4和灯罩6组成。图1中金属灯头1和壳体4分别通过螺纹旋接在塑料灯头2的两端，灯罩6通过螺纹旋接在壳体4的另一端。壳体4为中空的塑料或铝（铝合金）壳，其外表面涂有黑色的纳米辐射涂料。壳体4的四周刻有对流槽5，使灯组单元的发出热量可以通过对流槽5发到外界。在中空的塑料灯头2内部放置电源单元3。金属灯头可采用E27的标准灯头，也可采用其他能与电源相连的B、GU、MR、PAR等灯头，金属灯头1紧密旋紧在塑料灯头2上，并加压固定，见图2，金属灯头1的金属两端为取交流电用，交流电经电源单元的交流输入线12输入到电源单元后成直流电流，直流电源经过直流输出线19，穿过铝板8焊在陶瓷基板9的第二银箔上（第二银箔为银制的印刷电路），见图5。壳体4的材料可以为塑料、铝或铝合金，如可采用PBT塑料，PBT是结晶型热塑性聚酯，具有高耐热性、韧性、耐疲劳性，自润滑、低摩擦系数，耐候性、吸水率低的特点，也可采用PC、ABS等塑料；壳体4也可由铝或铝合金通过压铸或挤压而成，壳体4外部喷涂黑色纳米纳米辐射涂料；通过以上方式制备的壳体4表面是黑色与粗糙的。灯罩6经磨砂处理，使LED发出的光经过磨砂灯罩而均匀无眩光。

2、灯组单元见图3，主要由多孔铜7、铝板8、陶瓷基板9与LED管10组成。图4中铝板8经镀锡处理形成上面的第一镀锡层13与下面的第二镀锡层14，陶瓷基板经过烧结形成上面的第一银箔层15与下面的第二银箔层16。多孔铜7与铝板8的第一镀锡层13，铝板8的第二镀锡层14与陶瓷基板9的第一银箔层15，陶瓷基板9的第二银箔层16与LED管10的金属底座17都通过回流焊焊在一起，成为LED灯组单元。在中空的灯壳4上有螺孔，能与铝板的固定孔11相对应。把LED灯组电源用螺丝18固定在壳体4底部的螺孔内，见图5。

3、电源单元3一端通过交流输入线12与金属灯头1相连，另一端直流输出线与印刷电路14相连，如图5所示，电源单元见图6，该单元包括XL5002集成片一个、7个二极管、1个稳压管、3个电阻、5个电容、1个三极管和1个电感。其中XL5002集成片可以采用上海芯龙半导体有限公司的产品，4个二极管D1-D4组成全波整流电路，全波整流电路的输入端与金属灯头1相连，整流电路的正输出端分别与电容C1的一端、二极管D7的负极、三极管Q1的集电极，电阻R1的一端和XL5002集成片的电压输入端（管脚5、6，VIN)相连，整流电路的负输出端分别与二极管D5的正极、电容C2的一端、稳压管D8的正极和电容C5的一端相连；电容C1的另一端分别与二极管D5的负极和二极管D6的正极相连，二极管D6的负极分别与二极管D7的正极和电容C2的另一端相连，三极管Q1的基极分别与电阻R1的另一端和XL5002集成片的启动端（管脚1，START)相连,三极管Q1的发射极与XL5002集成片的基准电压引脚（管脚2，VREG)及电容C3的一端相连，而C3另一端与XL5002集成片的电流检测负极（管脚7、8，CSN)以及与电阻R2、电感L1的一端相连；电阻R2的另一端与XL5002的功率输出端（管脚4，SW）、稳压管D8的负极，电阻R3与电容C4的一端相连，电阻R3与电容C4的另一端相连后与XL5002的电流检测正极（管脚3，CSP）相连；电感L1的另一端与电容C5的另一端相连后作为直流电源的正极输出到LED的正极，而电容C5与整流电路的负输出端作为直流电源的负极输出到LED管的负极。

图6中，D1、D2、D3、D4为整流二极管，经整流后为310V左右的直流电加在C1、D5及C2、D7两端，中间有D6与这两组电路相连，该电路称“填谷”电路，能把全被整流后的波谷通过电容C1与C2的充放电尽量填平。它是一种无源PFC电路，其作用提高功率因数至0.85；D7与C1的上端相连为电源的正极，又与电压调整管Q1、调整电阻R1与XL5002的5、6直接相连。C2的下端与D5的正极端相连为电源负极，又与稳压管D8、滤波电容C5以及LED的负极直接相连。经整流的310V直流高压加在XL5002的5、6及L1、R2以及LED管中。XL5002管脚3与R3、C4相连，其作用是利用稳压管D8的标准电压，检测输出电压大小，通过调整R1与R3的大小，调整输入与输出的电压。XL5002的管脚7、8与R2、L1相连，可通过为检测输出电流R2的电流，调整R2可控制输出电流的大小，管脚4为功率开关输出，输出恒流经过L1的滤波，推动LED管发光。C3为消振电容，C4为旁路电容；L1与C5组成滤波电路，滤除电路中的杂波部分，使产生稳定的恒流电流供LED使用。该电路LED可以从1个至10个串联，电流为350mA左右。LED的直接输出功率可从1W至10W变化。

例如：安装9W的球泡灯，在陶瓷基板上安装4颗LED管，管子应该对称，使其出光均匀。见图5，LED采用飞利浦的Luxeon Rebel管子，型号为 LXML-PW31，色温为6500K的白光管，该管电流可从350mA至700mA，功率从1W至3W。本次电流调到550mA，实际输出功率单管为3.3V*0.55mA，即为1.82W，输出功率为1.82*4为7.3W，考虑电源效率是0.85，总功率为7.3W/0.85约为9W。

整流管D1、D2、D3、D4采用安森美Onsemi公司的型号为MRA4007T3G的二极管；IC为上海芯龙半导体有限公司的XL5002；电容C1与C2采用日本红宝石(rubycon)的铝电解，规格为4.7uF/200V；三极管Q1采用汤姆逊ST公司的13001管子；D5稳压管为安森美Onsemi公司的MURA160T3G；C3与C4采用日本黑金刚公司即NCC 的规格为2.2uF/35V 与100pF的贴片陶瓷电容；R1、R2、R3采用台湾的国巨公司Yageo生产的贴片电阻，规格分为1M、0.47Ω、2K；L1采用美商线艺coilcraft公司的规格为2.2mH/0.5A电感。

本发明所述的复合散热技术具体包括以下三种散热方式：

1、多孔铜7的对流散热：多孔铜是多孔金属材料的一种，是当前材料科学中发展较为迅速的一种新材料，目前生产多孔金属，内部为相通的三维立体网格，孔隙率在90％以上，通孔率可高达97％以上，多孔铜应用在过滤器、吸热器、催化剂等领域，尤其是作为散热材料。因为大功率发光二极管由于使用时温升高，功率只能做到3瓦，而功率3瓦按计算就需要80平方厘米以上的散热面积，采用刻槽加鳍来增加散热面的效果已经不大，而且今后大功率发光二极管多管芯的模块组合将达到100瓦，而面积要求更小，在1平方厘米中要做到几十瓦功率，散热将提出更高要求。另外现有的大功率发光二极管要采用大量的铜或铝材料，导致成本高，这些因素都严重地制约了半导体照明的发展。而多孔铜能极地增加散热面积（实际增加约200-1000倍以上），所以有利于大功率发光二极管的散热。据推算，采用普通散热器，5瓦大功率发光二极管散热面积需200平方厘米，而10瓦大功率发光二极管散热面积需500平方厘米，这在实际应用中肯定不现实，而多孔铜只需几个平方厘米的实际面积，就能用于10瓦左右的大功率发光二极管散热，散热效果非常明显。热对流时在固体表面与流体之间传递热量的流热传递可表示为：φ= hA ( tw – tf )，A为固体的表面积，tw 为固体的表面温度，tf为流体温度，h为热传递率或传递系数，其单位为W/(℃m2 )。这一关系式称为牛顿冷却公式。从中可知热量传递的对流的效果主要是由热源与空气接触的表面积的大小有关，有效接触面积越大，温度差越高，所能带走的热量也就越多。而采用多孔铜作为散热装置，与同样体积的铜相比，多孔铜表面积是原先的200-1000倍，也就是说原先就是说原先散热面；是说原先散热面积要200平方厘米，现在只要1平方厘米就可以了，

2、纳米涂料的辐射散热：辐射是一种有效散热的方式，当高温物体置于低温环境时，该物体不需介质就能放出热量，这种现象称为热辐射。辐射出来的热量是电磁波，其波长范围为o．1μ m到15μ m，可见光也包含这一范围内。辐射率等于l的物质是理想辐射，称为黑体。辐射散热降温涂料是一种新兴涂料，辐射散热降温涂料是一种辐射能带走物体热量并隔热防水的涂料，涂料直接涂刷在要散热降温的物体表面，辐射散热降温涂料能够以8-13.5μm红外波长向大气空间自动辐射走所涂刷在物体上的热量，降低物体表面和内部温度，散热降温明显。涂料在起到辐射降温的同时，也有很好的自洁性、绝缘性、防腐性、防水性、抗酸碱、施工方便的特点。辐射热传递是物体不通过中介物质所进行的热量授受行为，纳米涂料可以采用中科院唐山高新技术研究与转化中心的产品，但不限于此。

3、陶瓷基板9的传导散热：热是一种能量，而温度表所表示的能量的平均状态。热量从温度为t₁的面，穿过厚度为L面积为A的均质平板，到达温度为t₂的面时，单位时间所流过的热量称为热流。热流φ(W)与温度差（t₂-t_l）及面积A成正比，与厚度L成比，可用傅里叶传导定律表示：φ=-λA（t₂-t_l）／L，比例常数λ称为该物体的热传导系数，其单位为W/(m .℃)。平常的铝基板尽管有铝，但内部为了与铜箔板绝缘必须有环氧树脂隔开，而环氧树脂热传导系数只有0.2W/(m .℃).采用陶瓷基板其热传导系数为24W/(m .℃)，是铝基板的100多倍，所以散热效果更好。陶瓷基板是一种新型的发热元件的工作载体，目前有氧化铝、氮化铝以及低温共烧陶瓷LTCC三种。陶瓷基板具有优良电绝缘性能，高导热特性，抗腐蚀与紫外线。并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的电流载流能力。因此陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料，其导热系数为24W/mK，而氮化铝甚至高达200W/mK ，已经与铝的导热系数接近。本发明就是用我们用自己制作的烧结银的陶瓷基板代替铝基板，收到很好的传热效果。陶瓷的厚膜烧结可以把银箔烧制在陶瓷上。其过程有丝网涂感光胶、制电路板、丝网曝光、冲洗、涂银浆膏、印刷、送陶瓷烧结炉烧结银箔。

Claims

1.一种基于复合散热技术的LED灯，其特征在于，它包括：外壳单元、灯组单元与电源单元三个部分；其中，灯组单元与电源单元均固定在外壳单元内，灯组单元与电源单元相连。

2.根据权利要求1所述基于复合散热技术的LED灯，其特征在于，所述外壳单元主要由金属灯头（1）、塑料灯头（2）、壳体（4）和灯罩（6）等组成；其中，所述金属灯头（1）和壳体（4）分别通过螺纹旋接在塑料灯头（2）的两端，灯罩（6）通过螺纹旋接在壳体（4）的另一端。

3.根据权利要求1和2所述基于复合散热技术的LED灯，其特征在于，所述壳体（4）为中空的塑料壳、铝壳或铝合金壳，其外表面涂有黑色的纳米辐射涂料；壳体（4）的四周刻有对流槽（5）。

4.根据权利要求1所述基于复合散热技术的LED灯，其特征在于，所述灯组单元主要由多孔铜（7）、铝板（8）、陶瓷基板（9）与LED管（10）等组成；其中，铝板（8）的上下表面分别镀锡形成第一镀锡层（13）与第二镀锡层（14），陶瓷基板（9）的两个表面烧结形成第一银箔层（15）与第二银箔层（16）；多孔铜（7）与铝板（8）的第一镀锡层（13）、铝板（8）的第二镀锡层（14）与陶瓷基板（9）的第一银箔层（15）、陶瓷基板（9）的第二银箔层（16）与LED管（10）的金属底座（17）均通过回流焊焊在一起，成为LED灯组单元；铝板（8）固定在壳体（4）上。

5.根据权利要求1所述基于复合散热技术的LED灯，其特征在于，所述电源单元（3）一端通过交流输入线（12）与金属灯头（1）相连，另一端通过直流输出线（19）与铝板的第二镀锡层（14）相连。

6.根据权利要求1所述基于复合散热技术的LED灯，其特征在于，所述电源单元包括：1个XL5002集成片、7个二极管、1个稳压管、3个电阻、5个电容、1个三极管和1个电感等；其中，4个二极管D1-D4组成全波整流电路，全波整流电路的输入端与金属灯头1相连，整流电路的正输出端分别与电容C1的一端、二极管D7的负极、三极管Q1的集电极、电阻R1的一端和XL5002集成片的电压输入端相连，整流电路的负输出端分别与二极管D5的正极、电容C2的一端、稳压管D8的正极和电容C5的一端相连；电容C1的另一端分别与二极管D5的负极和二极管D6的正极相连，二极管D6的负极分别与二极管D7的正极和电容C2的另一端相连，三极管Q1的基极分别与电阻R1的另一端和XL5002集成片的启动端相连,三极管Q1的发射极与XL5002集成片的基准电压引脚及电容C3的一端相连，而电容C3另一端与XL5002集成片的电流检测负极以及与电阻R2、电感L1的一端相连；电阻R2的另一端与XL5002的功率输出端、稳压管D8的负极，电阻R3与电容C4的一端相连，电阻R3与电容C4的另一端相连后与XL5002的电流检测正极相连；电感L1的另一端与电容C5的另一端相连后作为直流电源的正极输出到LED的正极，而电容C5与整流电路的负输出端作为直流电源的负极输出到LED管（10）的负极。