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

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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
Figure BSA00000593796000031
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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