CN102803846A - 用于半导体发光元件的冷却体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却半导体发光元件(8)的冷却体(2)，该冷却体具有安装空隙(3)，该安装空隙用于至少部分地容纳用于驱动半导体发光元件的电子控制元件(4)。灯(1)配备了这样一种冷却体，其中电子控制元件(4)至少部分地容纳在安装空隙中。本发明还涉及一种用于制造灯的方法，该方法至少包括以下步骤：将电子控制元件(4)至少部分地插入安装空隙(3)中；在安装空隙中至少部分地填充至少一种导热界面材料(19)；并且将至少一个半导体发光元件(8)固定在冷却体(2)上。

Description

用于半导体发光元件的冷却体
技术领域
本发明涉及：一种用于至少一个半导体发光元件、特别是至少一个发光二级管的冷却体；一种具有这种冷却体的LED灯；和一种用于制造灯的方法。
背景技术
在具有高功率发光二极管的LED灯中，除了(多个)发光二极管的冷却，还需要对用于驱动LED灯或其(多个)发光二极管的电子控制元件进行足够的冷却。到目前为止，电子控制元件是用焦油包封在传统灯中的。低功率LED的LED驱动器可以通过风桥冷却。
EP 1 047 903 B1公开了一种LED灯，具有柱、与柱一端相连的灯头和与柱的另一端相连且配备多个LED的基板，其中该基板包括一个具有至少四个面的规则的多面体，其中，该多面体的各个面配备至少一个LED，它在灯运行时具有至少5lm的光通量，并且其中柱配有散热物质，散热物质将基板和灯头互相连在一起。
EP 1 503 139 A2公开了一种紧凑型LED光源，它可以提供一种便于散热的LED定位方法。可以使用一块导热板制造LED光源，该导热板携带多个安装在板上且与板之间有热接触的LED。另外，这块板还携带电路，该电路提供与LED之间的电连接。热转换控制轴机械地支撑该板，并且可以提供一条从LED处离开的导热路径。于是能容易地高度集中地安装LED，并且能为提高了的光学系统强度在周围准备好LED，同时为随之提高的热量集中程度提供散热路径。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种特别有效的、紧凑的并且易于制造的可能性，用于冷却一个使用半导体发光元件工作的灯的电子控制元件。
该目的通过根据各个独立权利要求所述的一种冷却体、一种灯和一种方法来实现。优选的实施方式能特别由从属权利要求中得出。
冷却体设计用于冷却至少一个半导体发光元件、特别是LED，并且具有安装空隙，该安装空隙用于至少部分地容纳用于灯运行的电子控制元件。因此，灯的冷却体同时还可以用于冷却发光二极管和电子控制元件。
这样，电子控制元件就能够得到冷却，而无需在灯中再装入其它构件。由此可以节省空间和成本。尤其是，利用无论如何都不用于对流冷却且对于分散热量来说不必要的冷却体内部空间，可以有效地达到缩小结构体积的目的。除此之外，位于冷却体空腔内的所有侧面上的、并且在两侧都被装配的电路板的情况下尤其是在两侧两个被装配的侧面上能够与冷却体接触的电子控制元件能够得到更好的冷却。由此可以大大延长电子控制元件的电子构件、特别是电解电容的寿命。
至少一个半导体发光元件可以具有一个或多个发光二极管。由此可以提供相对价廉并且可靠的光源。特别地，至少一个发光二极管可以具有一个高功率发光二极管，例如功率为2瓦特。“发光二极管”是指每个可以安装在冷却体上的LED单元，例如一个LED芯片、一个浇注的发光二极管、一个LED组件(通过压焊(丝焊，倒装芯片压焊等)与一个或多个LED芯片连接的壳体或基板)或一个LED模块(通过传统连接方法(钎焊等)与一个或多个LED芯片或LED组件连接的壳体或基板)，而且具有或没有光学元件。
电子控制元件，特别是对于至少一个LED，可以作为驱动器或作为另一个控制装置，例如基于电压调节或功率调节来设计。
为了实现特别简单地电子控制元件，空隙或者至少是冷却体部分之一，特别是冷却体的每个部分，可以具有用于固定电子控制元件的紧固件，例如用于固定电子控制元件的电路板的狭槽。
为了达到特别有效的冷却效果、实现小巧的结构形式并避免外部负载，可以将整个电子控制元件完全容纳在安装空隙中。
可以按照材料消耗少和从而质量轻的原则来确定安装空隙的形状。特别是，安装空隙也可以具有白炽灯的形状作为基本形状。特别是冷却体核心(外围没有冷却肋片的冷却体)的壁厚可以设计成基本上固定不变或者严格地讲始终不变的。可替换地，壁厚可以设计成不小于最小厚度。为了优化重量与导热之间的关系，可以优选地通过增大与LED之间的距离来减小壁厚。
特别是安装空隙的形状和电子控制元件的形状可以相互匹配，从而使得在电子控制元件的至少一个电子构件和安装空隙的一个壁之间调节预定的间距。通过与电子控制元件相匹配的安装空隙形状和小的间距，由于热量可以更好地传递到冷却体上，因此能够加强对特别是关键电子构件的冷却。
为了保持电子构件与用于有效冷却电子构件的安装空隙的壁之间的大面积的固定间距，安装空隙的壁的至少一个壁区域可以相对于电子构件的一个对面的表面以平行平面的方式成形。
另外，壁的相对于电子构件的一个相对的表面以平行平面的方式成形的至少一个壁区域可以在安装空隙的突出部或凹槽上成型。由此也可以使不同高度的关键构件也得到有效冷却。因此，安装空隙的壁可以具有至少一个用来容纳电子控制元件的一个电子构件(特别是一个变压器)的凹槽。
冷却体可以设计为由多部分组成，特别是由两部分组成，其中，冷却体的至少两部分分别具有安装空隙的一个壁的一部分。冷却体由多部分组成能使得安装空隙的制造更加简单，并且能够在空间上很好地与电子控制元件匹配，从而能改进冷却效果。除此之外，还可以使电子控制元件和一种导热界面材料的安装更容易、更具有局部准确性。冷却体由多部分组成还使电线能够在各部分之间穿过，以便于降低生产费用(电线“穿过”孔)。
冷却体尤其可以沿着与冷却体的一条对称轴、特别是纵轴平行的平面分开。其围绕一个容纳对称轴的中分面。为了简化制造和存放，可以将冷却体设计为由两部分组成，具有两部分的镜像对称的基本形状。特别是可以将冷却体按镜像对称的方式沿垂直方向分开。
为了改善从电子元件到冷却体的导热，并从而冷却电子元件，冷却体还可以在电子控制元件的至少一个电子构件和冷却体之间具有至少一种导热界面材料，TIM(“Thermal Interface Material导热界面材料”)。
可以通过同时并且有针对性地使用各种不同的TIM材料来实现极佳的价格/功率-比。
要达到特别好的导热效果，可以在电子控制元件的至少一个电子构件和冷却体之间插入一种导热性至少为5W/(m·K)的、特别是以导热垫片的形式的导热界面材料。
灯配备有一个或多个发光二极管和至少一个这种冷却体，其中，电子控制元件至少部分地容纳在安装空隙中。
特别是将灯设计为改型灯，也就是说，它可以借助于标准灯头(E12，E14，E26，E27，GU10...)作为对于例如白炽灯的替代品而投入使用。外形和外观大多模仿白炽灯并且符合规范，例如外部尺寸规范。
用于制造这种灯的方法至少包括以下步骤：
-将电子控制元件至少部分地插入安装空隙中；
-在安装空隙中至少部分地填充至少一种能流动的导热界面材料；
-将至少一个半导体发光元件、特别是至少一个发光二极管固定在冷却体上。
将电子控制元件插入安装空隙中的步骤可以包括将电子控制元件插入冷却体部分的安装空隙部分中的步骤。通过插入这个“打开的”安装空隙部分，使制造过程大大简化，并且使几何布局变得灵活。所以例如不需要将电子控制元件推入安装空隙中，而是能穿过打开的一侧从侧面插入。
在插入电子控制元件的步骤之前可以实施的一个步骤是，将不能流动的(固体)导热界面材料、特别是TIM垫片安装在电子控制元件的至少一个构件上，特别是在构件的一个区域上，该构件设计用于相对于一个与其平行平面的安装空隙平面进行定位，也就是说，优选地应在电子控制元件和冷却体部分之间热跨接一条窄缝。例如可以通过涂覆或粘合固体TIM材料进行安装。
在下一步骤中，可以将各个冷却体部分组合成一个整体冷却体。
整个(单块或组合的)冷却体的安装空隙可以填充至少一种或另一种导热界面材料、特别是一种能流动的TIM材料。“能流动的材料”既指一种能单独流动的材料，又指一种只在外界影响下才能流动的材料。此外，能流动的材料还包括凝胶、泡沫和膏。
通过冷却体核心内位于安装空隙与外侧面之间的穿通部、例如电线穿通部10，能够在冷却体不可分的情况下，在插入能流动的一种TIM材料或多种TIM材料时，能够通过下方的开口更好地排出空气，这是因为堵在安装空隙中的空气可以经过穿通部逸出。
附图说明
在以下附图中借助实施例对本发明进行示意性的更详细的描述。其中为了更加简明的目的可以使用相同的参考标号来表示相同的或作用相同的元件。
图1示出具有冷却体的LED灯的横截面图，该冷却体具有用于容纳电子控制元件的安装空隙；
图2示出图1中LED灯的散热体的散热体部分的斜视图；
图3更加详细地示出图1中的LED灯的横截面图，该灯具有装入空隙中的电子控制元件；
图4示出冷却体的斜后方视图；
图5示出图2至图4中所示的具有冷却体的LED灯的结构设计的分解斜视图。
具体实施方式
图1示出具有冷却体2的LED灯1的基本结构，该冷却体具有用于容纳电子控制元件4的安装空隙3。冷却体2由全容积的冷却体核心5构成，在该冷却体核心中将安装空隙3安装在底面6上，而其顶面7处装有功率为2瓦特或更高的高功率发光二极管8。在冷却体核心5的侧面(旁边)完整地连接有以垂直(z方向)对齐的冷却肋片9形式的冷却元件。发光二极管8通过穿过冷却体核心5的电线穿通部10与安装空隙3连接，目的是为LED 8与电子控制元件4之间的至少一条连接电路提供一条安装通道。冷却体1由两个基本上镜像对称的冷却体部分组成，详情见图2。图1所示的截面图也可以(在没有LED 8和电子控制元件的情况下)相应于在冷却体部分的打开的一侧上的侧视图。
因此电子控制元件4就可以得到冷却，而不必再在LED灯1中引入另一个构件。与不具有安装空隙的传统冷却体2相比，并没有占用更多的空间。另外，电子控制元件4的寿命可以明显延长，这是因为电子控制元件4的所有侧面都可以与冷却体2接触，从而能够更好地得到冷却。此外，冷却体2还可以作为保护外壳，用于保护电子控制元件4免受机械负载和用于(在使用适当的冷却体的或导热界面材料的电绝缘材料时)使电子元件与外界电绝缘。
在LED灯2运行时，由LED 8产生的热量和由电子控制元件4产生的热量由冷却体核心5吸收并分散到各个冷却肋片9。在冷却肋片9处，可以借助(自由或强制的)热对流，以已知的方式将热量散发到外界。
图2借助冷却体部分11示出图1中LED灯1的冷却体2的一种可能的结构实施方式的斜视图，该冷却体部分基本上是冷却体2的一半，图中示出的是穿过图1中垂直的x-z平面的截面图。冷却体核心5和安装空隙3都不是沿z方向直线型设计的(例如圆柱形或圆柱管形)，而是从底面6到顶面7逐渐扩大。安装空隙3的这种形状能通过冷却体部分11非常容易实现并且能通过多种形式实现，其中该冷却体部分具有安装空隙3的壁12的一部分，也就是说，安装空隙3以打开状态位于其中。特别是与只能从下方进入的安装空隙相比，在进入和加工时没有限制。为了得到完整的冷却体2，图中所示的冷却体部分11与另一个基本上镜像对称的冷却体部分在打开的平面处组合成一个整体。在其下方的开口或边缘处，安装空隙3具有延长部24，用于安装绝缘体，见以下图5的说明。
图3更加详细地示出图1中LED灯1及容纳在空隙3中的在两侧被装配的电子控制元件4的横截面图。壁12具有平坦的表面区域15，这些表面区域与电子控制元件4的电子构件17的紧邻的平坦的表面16相匹配。更准确地说，壁12的表面区域15相对于紧邻的电子构件17的对应的表面16平行平面地设置。由此，能在电子控制元件4或电子构件17与冷却体2之间形成一段很小的固定间距d。但是，并非所有的电子构件都需要靠近冷却体2定位，而是只有关键的、例如特别有过热危险的构件17应这样的布局。对于其它(尤其是非关键的)构件18，例如对温度不敏感的电阻反而应设置更大的间距。要为所有关键构件17实现小间距d，安装空隙3的壁12不再是纯粹平坦的，而是也具有向内侧扩展的突出部14，这些突出部利用相应的平坦表面15向电子构件17的对应的平坦表面16的方向突起，并且因此在构件17高度不同的情况下也能够实现小间距d。间距优选地小于1mm，特别是小于0.5mm。
为了更好地将热量从电子控制元件4传递到冷却体2，使用至少一种能导热的材料19，20将在其之间的空间尽可能完全填充。可替换地，例如只有关键构件17应通过一种能导热的材料19热连接到冷却体2。在此，在关键构件17与壁12之间的相应的间距d借助插入导热性至少为5W/(m·K)的导热垫片19进行热跨接，例如是借助6或11W/(m·K)的富士高(Fujipoly)Sarcon型GR-m或XR-e导热垫片或5W/(m·K)的贝格斯(Berquist)Gap Pad 5000S35。与之相反，对于剩余的空间可以使用一种易于注入的、特别是能流动的导热性系数较小的填料20，例如膏状/凝胶状稠度3.6W/(m·K)的填料贝格斯Gap Filler 3500S3。
如果电子控制元件4的装备布局是已知的，则冷却体2能容易地匹配于特别需要冷却的电子构件17的位置和几何形状。由此，电子控制元件4能够达到最佳冷却效果，同时实现紧凑的结构并且易于生产。可替换地或附加地，在设计电子控制元件4的电路时，可以尽可能使关键电子构件17的布局与可实现的安装空隙3相适应。在设计安装空隙3和电子控制元件4时，在用于这一实施方式的分开的冷却体2的情况下，不需要注意电子控制元件4是否能够推入安装空隙3中。
为了制造LED灯1，当存在多个(在此：两个)具有安装空隙3的相应部分的冷却体部分11时，为电子控制元件4、首先是关键构件17加衬导热垫片19，然后将电子控制元件4安装到冷却体部分11之一的一个安装空隙部分3中。这对于打开式的安装空隙部分3来说特别简单，这是因为容易装入。为了定位并固定电子控制元件4，可以在这里使用未示出的紧固件，如凹槽、接片、定位元件等。随后使用至少一种能流动的导热界面材料填充安装空隙部分3；此处的填充也能非常容易地进行。接下来组装各个冷却体部分11，从而形成完整的冷却体2。然后，将发光二极管8固定在冷却体2上，即固定在LED固定区域13上。在未组装的状态中，LED固定区域13也分配到各个冷却体部分11上。
图4从斜后方示出冷却体2的背面或者说底面6。冷却体2基本上沿其纵轴L角对称。
图5示出根据图2至图4的具有冷却体2的LED灯1的一种结构设计的分解斜视图，并且没有电子控制元件4。该LED灯1还在附属的电路板上具有LED 8以及用于LED 8的透光的保护盖21。保护盖21固定在冷却体2的顶面7上。在冷却体2的底面6上，塑料绝缘件22的较宽的部段25被推入安装空隙的延长部分24中。用于供电的灯头23被绝缘件22的较窄的部段26所覆盖。灯头23设计为标准灯头(例如E12，E14，E26，E27，GU10等)，所以LED灯可以作为例如白炽灯的替代品直接投入使用(也称为“改型灯”)。外形(例如围绕纵轴旋转对称)和外观大多情况下模仿白炽灯并符合要求。
当然，本发明不局限于图中所示的实施例。
所以，本发明也能用于具有一个或多个低功率LED的灯，或者具有其它种类的光源(如激光二极管或紧凑型发光管)的灯。
灯可以具有一个或多个发光二极管。它们可以作为(多个)单二极管和/或作为(多个)LED模块而存在，其中，一个带有多个LED芯片的LED模块装配在一个共同的子装配件上。发光二极管可以发出单色或多色的光。发光二极管尤其是可以分别发出白色或不同颜色的光并产生一种白色的混合光。发出不同颜色光的发光二极管特别是能够呈现出RGB、RGBA、RGBW、RGBAW等组合，其中，一种颜色的亮度也可以通过控制这种颜色的发光二极管的数量来进行调节。单发光二极管和/或模块可以配备适当的光学元件进行射束导向，例如菲涅耳透镜、平行光管等等。代替或除了无机发光二极管，例如在InGaN或AlInGaP的基础上，一般还可以使用有机LED(OLED)。也可以使用例如二极管激光器。
替代用于控制组件的壁中的安装空隙上的突出部，也可以在安装空隙的壁中预设凹槽。
参考标号表
1LED灯
2冷却体
3安装空隙
4电子控制元件
5冷却体核心
6底面
7顶面
8高功率发光二极管
9冷却肋片
10电线穿通部
11冷却体部分
12安装空隙的壁
13LED固定区域
14安装空隙的壁的突出部
15平坦的壁区域
16电子构件的表面
17关键电子构件
18非关键电子构件
19能导热的材料
20能导热的材料
21透光保护盖
22绝缘件
23灯头
24安装空隙的延长部分
25绝缘件的较宽的部段
26绝缘件的较窄的部段
d间距

Claims (12)

1.一种用于至少一个半导体发光元件(8)、特别是发光二极管的冷却体(2)，所述冷却体具有安装空隙(3)，所述安装空隙用于至少部分地容纳用于驱动所述至少一个半导体发光元件(8)的电子控制元件(4)。
2.根据权利要求1所述的冷却体(2)，其中，所述电子控制元件(4)完全容纳在所述安装空隙(3)中。
3.根据权利要求1或2所述的冷却体(2)，其中，所述安装空隙(3)的形状和所述电子控制元件(4)的形状相互匹配，从而使得在所述电子控制元件(4)的至少一个电子构件(17)和所述安装空隙(3)的一个壁(12)之间存在小的间距(d)。
4.根据权利要求3所述的冷却体(2)，其中，所述壁(12)的至少一个壁区域(15)相对于所述电子构件(17)的一个相对的表面(16)以平行平面的方式成形。
5.根据权利要求4所述的冷却体(2)，其中，所述壁(12)的相对于所述电子构件(17)的一个相对的表面(16)以平行平面的方式成形的至少一个壁区域(15)在所述安装空隙(3)的突出部(14)或凹槽上成形。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却体(2)，其中，所述冷却体(2)设计为由多部分组成，特别是由两部分组成，其中，冷却体(11)的至少两部分(11)分别具有所述安装空隙(3)的一个壁(12)的一部分。
7.根据权利要求6所述的冷却体(2)，所述冷却体设计为由两部分组成，具有两部分(11)的镜像对称的基本形状。
8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却体(2)，还在所述电子控制元件(4)的至少一个电子构件(17，18)和所述冷却体(2)之间具有至少一种导热界面材料，TIM，(19，20)。
9.根据权利要求8所述的冷却体(2)，其中，在所述电子控制元件(4)的至少一个电子构件(17)和所述冷却体(2)之间插入一种导热性至少为5W/(m·K)的、特别是以导热垫片的形式的导热界面材料(19)。
10.一种灯(1)，具有根据前述权利要求中任一项所述的冷却体(2)，其中，电子控制元件(4)至少部分地容纳在安装空隙(3)中。
11.一种用于制造根据权利要求10所述的灯(1)的方法，至少包括以下步骤：
-将电子控制元件(4)至少部分地插入安装空隙(3)中；
-在所述安装空隙(3)中至少部分地填充至少一种能流动的导热界面材料(20)；
-将至少一个半导体发光元件(8)固定在冷却体(2)上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在将所述电子控制元件(4)至少部分地插入所述安装空隙(3)中的步骤之前实施的一个步骤是：
-将不能流动的导热界面材料、特别是TIM垫片安装在所述电子控制元件(4)的至少一个构件(17)上。
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