CN103032721A - Led光引擎及led照明灯 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种便于实现LED照明设备的标准模块——LED光引擎，包括有LED光源(3)和散热片，散热片采用太阳花式结构，主要特征是肋片(1)上开有横流沟槽(5)，肋片(1)被分割成数段短肋(4)，解决了当散热片轴线水平横置时，空气流通性差，散热性能严重恶化的问题；LED光源(3)与外电源的连接采用插接结构，便于装配及维修。本发明还提出有优化结构尺寸，以及新结构的LED球泡灯，可实现更低的造价，更高的散热效果。

Description

LED光引擎及LED照明灯

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，特别涉及采用太阳花式散热片的LED照明装置。

技术背景

由于节能和环保的优势，LED被认为是人类下一代照明技术。但由于昂贵的造价，以及可靠性性低，阻碍着LED照明普及应用。价高和不可靠的主要原因是LED散热问题所致。

LED工作温度不高，100℃以下，因而其散热主要靠对流传热，辐射传热所占比例非常小。对流传热过程最终是空气流动将热量带走，因而保证空气流动畅通非常重要，特别是自然对流传热(LED灯所采用的散热方法)，但是该基本原理，并不被LED照明行业所重视。

太阳花式散热片(肋片从导热柱侧面伸出的结构)，由于制造容易(可采用铝挤出工艺制造)，被广泛应用。在散热片轴线竖立设置时，自然对流空气由下向上顺着肋片表面流动，空气流通性好，散热性能最佳。但当散热片轴向水平横置时，散热空气不易流经肋片表面，存在许多空气流动死区，流通性差，因而散热性能明显下降。现公开的产品和技术，没有显示出能解决该问题的方案。

发明内容

本发明的目的就是针对上述问题，提出一种改进型的太阳花式散热片，只需增加简单加工，就可有效降低，当散热片轴线水平横置时，散热片性能严重下降的问题，为实现LED照明设备的标准模块——LED光引擎，提出一种有效可行的方案。本发明还提出有优化结构尺寸，以及全新结构的LED球泡灯，实现更低的造价，更高的散热效果。

本发明的技术方案：部件包括有LED光源和散热片，散热片采用铝挤出工艺制造出的太阳花式结构，散热片中央的导热柱为空心式结构，散热片的平均肋长大于10mm。本发明的特征有：在散热片上开有横流沟槽，横流沟槽宽大于2mm，其中最深的横流沟槽深大于二分之一的肋长，沿着散热片轴线(也是肋片高度方向)，肋片被横流沟槽分割成数段短肋，短肋的平均高小于4倍的肋片平均间隙；LED光源与外电源的连接采用插接式结构，LED光源的电源插头或插座设置在导热柱内、或从导热柱内伸出。

所谓横流沟槽就是：开在肋片上，与散热片轴线方向成夹角的沟槽，该夹角应取大于45度角，最好是垂直角。散热片轴线水平横置时，自然对流向上的空气流，就可顺着横流沟槽，横穿散热片，更加直线地向上流动，大大地减小了气流绕流距离，流动更加畅通；空气流动死区减小，提高了散热空气有效流经肋片表面的面积，因而，有效降低，当散热片轴线水平横置时，散热性能恶化程度。

散热片轴线横置时，流经肋片表面的散热空气，都集中从横流沟槽流出，因而横流沟槽宽要足够宽，本发明提出大于2mm，横流沟槽的深度也要足够深，最深的横流沟槽深应大于肋长的一半，以保证散热片轴线水平横置时，自然对流散热空气流动畅通，减少空气流动死区。为了保证横置时，散热空气能有效地流经整个肋片表面，被横流沟槽分割成的短肋片的高度不能太长，短肋的平均高度应小于4倍肋片的平均间隙，一般取3～8mm之间更为合适。本发明中提出：散热片的平均肋长大于10mm，是基于当散热肋片肋长足够长，大于10mm时，采用横流沟槽结构，才能明显改善横置情况下的散热性能。

本发明中提出，散热片的导热柱为空心结构的原因有：LED光源的电源插头或插座可以设置在导热柱内、或从导热柱内伸出，使得LED光源与插头或插座能设计成一体式部件，这样便于LED光源与散热片的装配，还有整体结构简洁，便于外接电源线的插头或插座防脱落，防水密封等。

由于开有横流沟槽，解决了散热性能最差姿态——水平横置时，散热严重恶化问题，使得散热片在各中姿态下，具有高的散热性能。因而依照以上所述的本发明技术方案，设计的不带驱动电源的LED光引擎，通用性高，可设计出系列标准模块化的LED光引擎，比如：3W、5W、......15W、20W的LED光引擎，下游厂商就可简单地拼组成各种样式，各种功率的LED照明灯，比如一盏100W的LED灯，可用5个20W的标准LED光引擎拼组成，这样就可大大地降低成本。采用插接式结构与外电源连接，使得装配以及维修简单、高效。

依据以上所述本发明技术方案，本发明还提出一种LED照明灯，包括有：灯头、电源板、散热片、护网和LED光源，散热片采用了铝挤出工艺制造的太阳花式结构，外接电源的电极在灯头上，其特征有：在散热片上开有横流沟槽；护网套在散热片的外侧周圈；灯头与和护网为一体的结构件固定连接、或护网采用了和灯头部分结构件为一体的结构，即灯头与护网为固定连接成一体的结构件。

附图说明

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。

图1、2、3分别为三种太阳花式散热片横截面特征示意图，图中e为肋片之间的间隙。

图4为一种本发明的LED光引擎的特征结构剖面示意图，示出了本发明的结构特征。D-散热片外径(肋片尖处的直径)，d-肋片根处的直径，L-肋长，c-横流沟槽深，a-横流沟槽宽，h-短肋高，H-散热片高。

图5为一种本发明的LED光引擎的特征结构剖面示意图，采用了柱形导热芯。

图6为一种本发明的LED光引擎的特征结构立体剖视图。采用了空心柱形导热芯。

图7为一种本发明的LED光引擎的特征结构剖面示意图，采用了空心柱形导热芯，设置有灯杯和灯罩。

图8为一种轴芯式插头的特征结构剖面示意图。

图9为一种同轴式插头的特征结构剖面示意图。

图10为一种本发明的LED球泡灯的立体剖视图。

图11为一种本发明的PAR灯的特征结构剖面示意图。

图中：1、肋片，2、导热柱，3、LED光源，4、短肋，5、横流沟槽，6、插头或插座，7、导热芯，8、灯杯，9、灯罩，10、电极A，11、绝缘体，12、电极B，13、中轴电极，14、弹性电极，15、护网，16、通气口，17、灯头，18、电源板，19、面板。

具体实施方案

图1、2、3示出了三种外形不同的太阳花式散热片，肋片1从导热柱2侧面伸出，散热片中央的导热柱2为空心式结构。采用铝挤出方法，就可制造出其型材，经裁切就可制成太阳花式散热片，制造成本低，再由于肋化效率高(省材)，内导热热阻低，则为LED散热首选。

图4所示的本发明，肋片1被横流沟槽5(开有两横流沟槽)分成三段，三段短肋4，短肋高h取3～8mm之间最为合适。图中示出的横流沟槽深c大于前面叙述到的二分之一肋长L，设计时，横流沟槽5应尽可能深，有利于横置时，散热空气贯穿散热片，最好选取横流沟槽深c大于三分之二的肋长L。对于外形为圆形、导热柱也为圆形的太阳花式散热片，肋长自然就是散热片的外形直径减导热柱直径，再除2，即L＝0.5×(D-d)。如果散热片外形以及导热柱不是圆形，则D和d的取值为按面积计算的当量直径，比如散热片外形为40×40mm矩形，面积当量直径就可计算为

自然对流散热，驱动空气对流的动力是空气受热升温而产生的浮力，驱动力有限。通过加密肋片，增加散热面积，有提高散热量的因素，但还存在有负面因素：肋片密度增加，流动阻力增加，导致散热空气减小，为散热性能下降的因素。因而肋片密度不宜太密，存在一散热量最大的优化值，通过大量实验数据分析可得，设计产品时，取散热片的肋高与肋片之间的间隙之比为大于2，小于8，当散热片肋片间隙不均匀时，应取平均间隙，肋高不均匀时应取平均高度。应注意肋高取值应是轴线方向肋片的实际高度，以图4所示为例，肋高不应是H，而是H减去2个横流沟槽宽a，也就是三个短肋高h之和。

图4中LED光源3的电源插头或插座6设置在空心结构的导热柱2内，可利用导热柱2的内壁，固定外接电源线的插座或插头，以及防水密封措施。LED光源的电源插头或插座6还可设计成从导热柱内伸出，比如通过软导线，直接插接到外接电源上。

图5所示的本发明中的散热片，是由3个短肋太阳花散热片套在空心导热柱2上构成，每两短肋太阳花散热片之间留有间隙，该间隙就构成的横流沟槽5。图中示出，LED光源3设置在导热芯7的前端面上，导热芯7的另一头插入导热柱2内，LED光源3的热量传到导热芯7，再经导热芯7的侧面与导热柱2的内壁面之间的接触传热，传到散热片上，因而导热芯7的侧面与导热柱2的内壁面之间的要紧配合，降低接触传热热阻，图中所示的导热芯7为柱形结构，如果采用锥形导热芯，更容易消除接触传热问题。

图5中，LED光源3的电源插头或插座6穿过导热芯7伸出，也可以将导热芯7设计成部分空心结构，电源插头或插座6全部或部分留在导热芯7内，这样的结构，可利用导热芯加强插头或插座6的固定，使其更稳固。将LED光源3、插头或插座6以及导热芯7设计成一整体部件，并使其标准化，这样有利于大规模生产，提高生产效率，降低成本。

图6为一种本发明LED光引擎的立体剖视图，可以更清楚地看出横流沟槽5的结构。图中的横流沟槽5与轴线垂直，周圈贯通，可采用车床切削加工成型，图中开有三个横流沟槽5，将肋片1分成四段短肋4，采用了柱形导热芯7，并且是空心结构，插头或插座6穿过导热芯7伸出。

图7所示的本发明，设置有灯杯8，该灯杯的杯底呈筒形，导热芯7插入灯杯8的杯底中，杯底又插入导热柱2内，杯底被夹在导热芯7和导热柱2内壁之间，LED光源3的热量要经过杯底，因而灯杯应采用金属材料，最好采用铝材，可用铝质板材，经冲压、拉伸制造成型，这时灯杯8的外表面就利用来增加散热面积。光杯8的作用还有：利用光杯8的内侧表面，作光反射面，起着配光作用；保护LED光源3的灯罩9的固定作用，如图7中所示。为了防止水气等进入，接触到LED光源，灯罩与灯杯之间应采用水密封结构，比如采用密封胶密封、橡胶圈密封，图7中所示的水密封结构为橡胶圈密封结构。

采用本发明设计的LED光引擎，单个功率不应太大，不要超过20W，这是从LED光源内的传热和散热片内的传热，以及散热片的生产制造等方面综合考虑的结果。实际应用中功率有上百瓦，上千瓦的照明灯，可设计由许多颗LED光引擎拼组而成，一个电源给许多颗LED光引擎供电，通常采用串联式。为了保证串联时，少数LED光引擎中的LED光源失效断开情况下，不影响其它正常的LED光源引擎工作，LED光源引擎内应设置开路保护电路，也可以在外接电源的插头或插座内设置开路保护电路。

图8所示的插头为轴芯式结构，两电极(电板A10和电极B12)一前一后，都在同一插杆上，通过绝缘体11隔开两电极，图9所示的插头为同轴式结构。这两种插头应用非常普遍，本发明中的LED光源的电源插头或插座最好是采用轴芯式或同轴式结构，其优点是两电极方向无区别，便于快捷高效、无差错地组装。

散热片上的肋片，被横流沟槽分割成数段短肋片，短肋片的强度低，受力易变形，应采取保护措施，本发明提出在散热片外圈设置护网，护网可采用塑料或金属，网孔要尽可能大，比如栅栏式结构、网状结构，使得散热片无论轴线竖立，还是横置，都不影响空气流经散热肋片内，保证良好的空气通透性。护网还有阻挡树叶、纸屑等掉入并夹在肋片中，影响散热。

球泡灯、PAR灯等，带有灯头，有螺扣式灯头和卡扣式灯头，与外输入电连接的电极在灯头上。采用本发明，并设置有护网，可采用以下结构：灯头与和护网为一体的结构件固定连接、或护网采用了和灯头部分结构件为一体的结构，即护网与灯头为固定连接成一体的结构件，护网可设计成承重和承受外力的结构件，散热片等部件就可靠护网固定。

图10所示的本发明LED照明灯，是一款球泡灯，散热片外周圈设置有护网15。图中所示的灯头17为螺扣式，护网15为栅栏式结构，可采用注塑成型的塑料结构，灯头与和护网为一体的结构件固定连接，散热片可采用卡扣方式固定在护网上，LED光源3前设置有灯罩9，呈球面，还开有通气口16，可通过钩扣与护网15固定连接，这样的结构简洁，装配生产效率高。

图10还示出，设置有电源板18，与LED光源3的电源插头6相配的插座直接设置在电源板18上，电源板18上设置有与灯头17的金属壳接触的弹性电极14，灯头17上的中轴电极13与电源板18的电的连接采用插接式结构。弹性电极14依靠弹性，保证弹性电极14与灯头17的金属壳接触可靠，即实现电源板18上的一电极与灯头17上的一电极(金属壳)的电的连通。采用以上所述结构，优点有：便于实现自动化装配。

图11所示的本发明，是一种称为PAR灯的LED照明灯。面板19上开有通气口16；灯头17为一种卡扣式结构，护网15可采用金属板材，经冲孔拉伸成型的金属结构；灯头17上的两电极与电源板18采用插接式连接。

特别声明：本发明中所述的LED光源还包括了OLED光源。

Claims (10)

1.一种LED光引擎，包括有：LED光源(3)和散热片，散热片采用了铝挤出工艺制造的太阳花结构，散热片中央的导热柱(2)为空心式结构，散热片的平均肋长大于10mm，其特征在于：在散热片上开有横流沟槽(5)，其中最深的横流沟槽(5)深大于二分之一的肋长，被横流沟槽(5)分割成的短肋(4)的平均高小于4倍的肋片间隙；LED光源(3)与外电源的连接采用插接式结构，LED光源(3)的电源插头或插座(6)设置在导热柱(2)内或从导热柱(2)内伸出。

2.根据权利要求1所述的LED光引擎，其特征在于：散热片的平均肋高与肋片之间的平均间隙之比大于2，小于8；横流沟槽宽大于2mm，最深的横流沟槽(5)深大于三分之二的肋长，短肋(4)的平均高在3～8mm之间。

3.根据权利要求1、或2所述的LED光引擎，其特征在于：LED光源(3)的电源插头或插座(6)采用了轴芯式结构或同轴式结构。

4.根据权利要求1、或2所述的LED光引擎，其特征在于：LED光源(3)设置在柱形或锥形导热芯(7)的前端面上，导热芯(7)的另一头插入导热柱(2)内，LED光源(3)的电源插头或插座(6)穿过导热芯(7)伸出、或全部或部分留在导热芯(7)内。

5.根据权利要求4所述的LED光引擎，其特征在于：设置有金属灯杯(8)，该灯杯的杯底呈筒形，导热芯(7)插入杯底内，杯底又插入导热柱(2)内。

6.根据权利要求5所述的LED光引擎，其特征在于：灯杯(8)上设置有灯罩(9)，灯罩(9)与灯杯(8)之间采用了水密封结构。

7.根据权利要求1、或2所述的LED光引擎，其特征在于：在散热片外圈设置有护网(15)。

8.根据权利要求1、或2所述的LED光引擎，其特征在于：设置有开路保护电路。

9.一种LED照明灯，包括有：灯头(17)、电源板(18)、散热片、护网(15)和LED光源(3)，散热片采用了铝挤出工艺制造的空心式太阳花结构，其特征在于：在散热片上开有横流沟槽(5)，护网(15)套在散热片的外周圈；灯头(17)与护网(15)为固定连接成一体的结构件；LED光源(3)与电源板(18)的电的连通采用插接式结构，LED光源(3)的电源插头或插座(6)设置在导热柱(2)内、或从导热柱(2)内伸出。

10.根据权利要求9所述的LED照明灯，其特征在于：灯头(17)为螺扣式，电源板(18)上设置有与灯头(17)的金属壳接触的弹性电极(14)，灯头(17)上的中轴电极(13)与电源板(18)的电的连通采用插接式结构。

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