CN102472600B

CN102472600B - 电子或电气元件散热器

Info

Publication number: CN102472600B
Application number: CN2010800279452A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·韦伯智; 尼古拉斯·康斯坦泰托斯; 弗朗茨·莫利
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: EP2454550B1; BE1018825A3; BR112012000713A2; JP2012533183A; CA2767555A1; WO2011006819A1; CN102472600A; EP2454550A1; US20120113597A1; US8848373B2

Abstract

本发明涉及一种电子或电气元件散热器(1)，包括：基本零件(2)，其具有适于容纳密切热接触的电子元件的第一主表面(2a)；若干伸长翅片(3)，其从与第一主表面(2a)相对的基本零件(2)的第二主表面(2b)向外凸出并设置在基本零件整个外围的周围，且翅片之间设置足够空间以允许空气循环；其特征在于，可通过在薄板上切割与所述基本零件和所述翅片相匹配的星形几何形状并相对于基本零件的平面折叠翅片获得所述空间。

Description

电子或电气元件散热器

技术领域

本发明涉及一种特别有效、易于生产且生产成本低廉的电子或电气元件散热器。该散热器可用于任何类型的电子元件如微处理器或LED灯，也可用于电气元件如变压器或电流变速器。

背景技术

众多电子元件应用于越来越多的领域。显然，我们经常提到机器或计算机中的微处理器，以及灯具中使用的半导体，俗称LED（发光二极管）。所有这些电子元件在使用过程中均会发热。遗憾的是，这些电子元件的效率和使用寿命与温度密切相关（某些作者采用阿雷尼厄斯定律来论证温度与LED聚光灯使用寿命的关系）。因此，电子元件运行过程中产生的热会降低其性能。为此，需要释放这些电子元件产生的热。可通过动态方式来实现这一目标，如利用风扇、换热器，或通过被动方式实现这一目标，如利用散热器，也称作热耗散器或散热器，本文中这些表达视为同义词。

众多型号的散热器可从市场上购得，组成这些散热器的零件均具有共同的特征，即这些零件由与释放热量的电子元件热接触的铝、钨、钛或铜等高导热材料组成，并具有适合与该元件呈一定距离释放所述热量的几何形状。例如，可引用包括基本零件的散热器，电子元件连接在基本零件上，且零件径向设置在所述基本零件周围，使得热释放到与基本零件同心的外环上。US7153004和WO2006/118457的实例中描述了所述装置。

为了弥补径向尺寸过大问题，更多散热器包括由基本零件平面外延伸的翅片或轴，从而将热量释放到电子元件后部。翅片可围绕基本零件周围设置（如WO2008/135927）或设置在基本零件的整个表面区域（如US2007/0036161、US7108055、US6826050、WO2006/017301和WO2008/005833）。翅片的形状可能为三角形至三维几何形状不等。在US2005/0257914中，基本零件与空心体连接，该空心体在相对于基本零件的垂直面上延伸，翅片连接在基本零件上。

上述散热器十分复杂，效率不等，而且价格昂贵或制作工艺复杂。实际上，它们在模中整块铸造或挤制成型，或二者选其一，需要装配各种部件。US5660461描述了一种由单个零件组成的散热器，该单个零件将组装成适于释放LED装置热量的基体。在替代实施例中，所述散热器的各个单个零件通过切割金属条并分别弯曲成相同的U形形成，从而形成与基本零件相连接的两个翅片。然后将U形装配成条或基体。这里再次涉及重要的手工作业，所述散热器仅适用于包括大量LED的特定产品。

因此，仍需要适于将电子元件温度保持在可能的最低水平、易于以各种几何结构和数量制造且制造成本低廉的电子元件散热器。

发明内容

本发明在所附的独立权利要求中详细说明。优选替代实施例在独立权利要求中详细说明。本发明涉及一种电子或电气元件散热器，包括：

—优选为扁平的基本零件，包括适于容纳密切热接触的电子或电气元件的第一主表面；

—若干伸长翅片，其从与第一主表面相对的基本零件的第二主表面向外凸出并设置在基本零件整个外围周围且在翅片之间有足够空间，以允许空气循环，翅片根据至少两个同心常规几何图形进一步设置，翅片的表面相对于所述图形正切或基本相切，翅片呈梯形，其中，短边与所述基本零件接触。

获得所述散热器的方式：

—在薄板中切割与所述扁平基本零件和所述翅片相一致的几何形状；且

—相对于基本零件的平面弯曲翅片。

本发明也涉及一种制造电子或电气元件散热器的方法，包括以下步骤：

—切割与基本零件和若干梯形伸长翅片相一致的几何图形，其中，短边与薄板上的所述基本零件接触；

—向薄板平面外弯曲翅片，使翅片根据基本零件整个外围周围的至少两个同心常规几何图形设置，且翅片之间设置有足够空间，以允许空气循环。

本发明所述的术语梯形翅片指包括基本呈梯形几何图形的任何翅片形状，其中，短边与所述基本零件接触。

因此，随着所述图形的高度增加且空气和翅片之间的温差（ΔT）降低，梯形翅片更宽，以确保沿着所述图形整个高度充分地持续散热。所以，翅片的形状有助于最大化散热器每单位体积的热耗散。

通过足够数量的翅片和大表面积的梯形翅片最大化本发明所述的散热器的交换表面积和冷却效果。

因为此处翅片的形状，如果与基本零件接触的翅片表面有利地位于弯曲常规几何图形如椭圆形或圆形上，可从薄板将翅片切割成若干小块。

同样因为翅片的特殊形状和数量，如果与基本零件接触的所述翅片的表面在连续弯曲或依次弯曲后与同心常规图形偏移，则仅能弯曲两个相邻翅片（沿相同角），而不可部分重叠。

本发明尤其适用于发光二极管领域或LED及计算机或机器中使用的微处理器。通常，本发明所述的散热器可使电子元件如半导体的温度维持在低于多数商业散热器允许的水平，大大增加了所述元件的使用寿命。

附图说明

本发明的这些方面及其他方面将参考附图在本发明的具体实施例的详细描述中进行阐述，其中：

图1(a)至(h)显示了本发明所述的散热器，以俯视图和仰视图（无论是否为透视图）显示了从弯曲前展开状态到弯曲后其最终形成的各个生产阶段。

图2:(a)根据现有技术安装在散热器片的LED聚光灯；(b)根据本发明安装在散热器上的相同聚光灯，用于与实施例进行对比。

图3：根据本发明和现有技术安装在散热器上的LED聚光灯的图示，图中显示了温度与时间之间的函数关系。

图4显示了本发明所述的散热器翅片形状的实施例。

具体实施方式

图1a至g显示了本发明所述的散热器在其生产各个连续阶段的各种视图。散热器的生产原理相当简单，因为仅需获得导电材料如铝、铜、钨或钛或其他金属或合金制成的薄板并获得图1a中包括中心部分（其限定散热器基本零件2）的几何形状，其与翅片3形成星形，几何形状取决于想要的散热器外形的投影形状。该图也表示了两个同心圆4’和4’’，据此在下一阶段弯曲翅片3，同心圆4’’位于第一同心圆外。适于本发明的薄板在市场上容易获得且成本低廉，例如，可通过轧制生产。所述薄板可显示其表面的结构，如鼓泡、凹槽、圆凿、扭曲状结构、突出部分、隆起等，以增加翅片交换表面积。可通过所述领域的技术人员熟知的任何方式获得“星”形薄板，例如，包括冲压、激光切割或光化学加工。对于星形几何形状可进行规则变化的小生产运行特别优选激光切割。

如图1(b)和(c)所示，第一组六个非相邻翅片3’弯曲成约90°且沿着圆4’弯曲，而第二组六个非相邻翅片3’’保持在基本零件2的平面上。图1d显示了沿圆4’弯曲后的翅片3’。图1e至h表示第二组翅片3’’沿圆4’’弯曲后的散热器1。由此可见，两组翅片之间的径向偏移促进其空气循环并由此冷却翅片。成组翅片3在基本零件2周围形成一个环，就几何图形而言与WO2008/135927中所示较相似但具有密度更大的翅片，各翅片的表面积更大，并采用本发明所述的方法以更低的成本生产。特别是图1e中，可清楚地看见与基本零件2接触的翅片3（3’和3’’）的表面分别与圆4’和4’’正切。所述表面也与所述圆相切。基本零件2可能具有适于容纳单个或若干电子元件的尺寸。其通常包括与电子元件进行最佳热接触的平面横截面，但这取决于应用情况，基本零件可能同样具有三维几何形状。

根据本发明，翅片3具有梯形，其中，短边与基本零件2接触，使得三角形开口插入两翅片之间，以实现空气循环（见图1）。相应的翅片实施例可见图4。

显然，也可采用其他实施例。例如，翅片的侧边不一定是直的，可能包括至少一个弯曲横截面。同样，可沿翅片设置开口，以促进空气循环并降低散热器的热量。

而且，翅片可能具有向内或向外弯曲的上部，以减少翅片尺寸，由此增加每单位体积的散热器能力。

可手动弯曲翅片，但有利的是采用包括具有适当几何形状的腔的工具，将切割成星形的薄板放置在翅片顶部，并采用活塞将构成基本零件(2)的星形中心朝腔底部压，由此将翅片(3)升至想要的角度。翅片弯曲角优选0-120°，更优选30-90°，角度的选择通常取决于电子元件所在位置的几何结构。90°角使装置能反转插入圆柱形腔内。LED灯中经常见到这种结构。然而，如果元件安装模式允许，角度低于90°能更有效地释放热，因为各个翅片与其相邻翅片分开，不再受到其热量影响。角度高于90°尽管使翅片更紧密，但（例如）可促进电源电缆至原件的通路冷却。角度低于30°虽然不利于空气循环（自然对流），但可能具有美学效益。

除了翅片3，可能在相对于翅片3的相同或不同方向进一步设置冷却装置。

在薄板上切割基本零件2和翅片3后，本发明所述的方法可包括以下步骤：

—将翅片3分成n组非相邻翅片，n为大于或等于2的整数；

—将翅片3分组按顺序向薄板平面外弯曲，首先，沿第一椭圆形4’弯曲第一组翅片3’；其次，沿第二同心椭圆形4’’向第一椭圆形外弯曲第二组翅片3’’；最后，沿第n同心椭圆形向之前的椭圆形外弯曲第n组翅片。

该方法的实施例可见图1a至h，其中，椭圆为环形且n等于2。

弯曲后，进一步扭曲翅片，以放置在想要的结构上。

该生产方法实现了用于制造本发明所述的散热器的方法的自动化，同时还能使生产率高于大多数现有技术的散热器生产方法的生产率。此外，该操作所需的工具比铸模更便宜。

使用期间得以释放产生热量的电子元件可通过所属领域的技术人员熟知的任何手段集成在基本零件2的第一主表面2a；而接触则能提供足够热传导，以便产生的热转移到散热器。例如，电子元件可用适合的高热传导粘合剂粘合。或者，可通过焊接或锡焊、螺钉、激光或任何其他已知技术将元件连接到基本零件2，注意不要因连接时的过热而损坏元件。

需要通过特定方法释放产生热量的电子或电气元件可连接到本发明所述的散热器，特别是用作任何类型计算机或机器中微处理器的半导体。本发明所述的散热器特别有益的一个应用领域为LED灯领域。若未采取释放LED使用期间产生的热量的特殊措施，LED温度可能达到100℃以上，会对LED造成不可逆转的损害并由此大大降低LED的使用寿命。

实施例1

对标有OSRAM的两盏COINlight-OSTAR CO06A聚光灯进行如下测试。第一盏聚光灯，标为"OSRAM"，接通电源并安装在购买时随聚光灯一起提供的原散热器上（见图2（a））。第二盏聚光灯，标为"INV"，接入与"OSRAM"聚光灯相同的电源（OSRAM OT75/220-240/24），且包括本发明所述的散热器，如图1(a)和2(b)所示。用各个聚光灯上两点定位的热电偶测量温度：在Pt1点上，使其与LED模块接触，在Pt2点上，位于通风槽之间，恰好在基本零件2的第二表面(2b)上方。在下午1点与4点之间在阳台上进行测试，并在聚光灯前50cm处测量环境温度。该测试结果如下表所示并在图3中用图形表示。

可以看出，若采用本发明所述的散热器，Pt1和Pt2点的温度比采用所测试的聚光灯的原装散热器约低7.5℃，最重要的是观察到采用本发明所述的散热器的LED（Pt1）达到的最大温度几乎不超过90℃，而采用原散热器温度达到97.1℃，在一个半小时后温度超过95℃。温度显著降低使聚光灯的使用寿命大大延长。

实施例2

就交换表面积而言，比较根据本发明的散热器与根据现有技术具有相同高度的矩形翅片的散热器，它们在具有沿相等表面积的基本零件周围弯曲。本发明所述的散热器的翅片占据60%以上区域。

由此可得出结论，本发明所述的散热器包括以下优点：

—高散热效率，这大大增加了电子元件的使用寿命；

—因散热器每单位体积高热耗散能力产生的高度紧凑设计；

—散热器轻巧，大大节省了材料；

—薄板形式的原材料适于低价销售且不限数量；

—简单、低廉的生产方法无需特别昂贵的设备，既适于大规模生产也适于小规模生产；

—根据应用的需求和观察到的空间限制，在散热器设计上给予了相当大的自由。

—可防止气泡，自然绝热，可用于大多数模制或挤制铝元件。

Claims

1.电子或电气元件散热器（1），包括：

—基本零件（2），其包括适于容纳密切热接触的电子或电气元件的第一主表面（2a）；

—若干伸长翅片（3），其从与第一主表面（2a）相对的基本零件（2）的第二主表面（2b）向外凸出并设置在基本零件整个外围的周围，翅片之间有足够空间，以允许空气循环；

其特征在于：

—根据至少两个同心常规几何图形（4’,4’’）进一步设置翅片，翅片的表面与所述几何图形正切或基本相切；

—翅片呈梯形，其中，短边与所述基本零件（2）接触，且其中

—散热器通过下列步骤获得：

—相对于基本零件的平面弯曲翅片。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，将翅片弯曲成0-120°角。

3.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于所述角为30-90°。

4.根据上述任一权利要求所述的散热器，其特征在于，可通过弯曲后扭曲翅片（3）获得。

5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的散热器，其特征在于，所述至少两个同心常规几何图形（4’,4’’）为椭圆形或圆形。

6.根据权利要求1-3中任一条所述的散热器，其特征在于，所述至少两个同心常规几何图形（4’,4’’）为多边形。

7.根据权利要求1-3任一权利要求所述的散热器，其特征在于，翅片（3）的上部向内或向外弯曲。

8.根据权利要求1-3任一权利要求所述的散热器，其特征在于，可通过轧制生产薄板。

9.根据权利要求1-3任一权利要求所述的散热器，其特征在于，薄板由铝、钨、钛或铜制作而成。

10.根据权利要求1-3任一权利要求所述的散热器，包括与基本零件（2）的第一主表面（2a）密切热接触的电子或电气元件，所述电子元件一般从半导体特别是微处理器和发光二极管（LED）中选择，电气元件从变压器和电流变速器中选择。

11.制造电子或电气元件散热器（1）的方法，包括以下步骤：

—切割与基本零件（2）和若干梯形伸长翅片（3）相一致的几何形状，其中，梯形的短边在薄板上与所述基本零件（2）接触；

—向薄板平面外弯曲翅片（3），使翅片根据基本零件整个外围周围的至少两个同心常规几何图形设置，翅片之间设置足够空间，以允许空气循环。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将翅片弯曲成0—120°角。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述角为30—90°。

14.根据权利要求11至13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在薄板上切割所述几何形状后，包括以下步骤：

—将翅片分成n组非相邻翅片，n为大于或等于2的整数；

—将翅片（3）分组按顺序向薄板平面外弯曲，首先，沿第一椭圆形（4’）弯曲第一组翅片（3’）；其次，沿第二同心椭圆形（4’’）向第一椭圆形外弯曲第二组翅片（3’’）；最后，沿第n同心椭圆形向之前的椭圆形外弯曲第n组翅片。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，n等于2。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，椭圆形（4’,4’’）为环形。

17.根据权利要求11至13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，包括弯曲后扭曲翅片（3）这一步骤。

18.根据权利要求11至13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过冲压、激光束或光化学加工进行切割步骤。

19.根据权利要求11至13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过将切割好的薄板放置在具有想要的几何形状的腔上并利用活塞冲压所述腔，将基本零件压至腔底部，由此将翅片升至想要的角度来进行弯曲步骤。