CN103807830A - 成本优化的led散热片及led照明灯 - Google Patents

Abstract

成本优化的LED散热片及LED照明灯。本发明依据针对肋片式散热片的自然对流传热实验研究，分析散热片的结构尺寸(肋片高h、间隙a)对对流传热系数的影响，以及肋片厚度b对肋效率的影响，通过优化散热片的结构尺寸，来提高对流传热系数，降低散热用铝量，即材料成本。本发明提出的成本优化的结构尺寸为：肋片高h与肋片之间的间隙a之比(h/a)应大于2.5，小于5.0；肋片高h应小于40mm，肋片间隙应大于2.0mm，肋片长L与肋片厚度b之比(L/a)应大于20。

Description

成本优化的LED散热片及LED照明灯

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，特别涉及到LED照明灯中的散热片结构尺寸的成本优化设计。

技术背景

LED照明，因其节能，长寿命而受到全球关注，被认为是下一代照明技术。但当前，由于成本造价高，制约了LED照明普及应用。导致LED照明当前成本造价高的原因是LED芯片需要散热。LED芯片散热包括LED芯片封装内的导热传热和散热片的对流传热。

肋片式扩展换热面结构普遍地被电子器件散热片所采用。自然对流传热，无机械运动、无噪音，可靠性高，是LED散热必选的方式。但是，LED行业内以及电子行业内的专业人员，对肋片式扩展换热面结构的散热片中的自然对流传热并没有非常清晰的认识，缺少针对性的基础性研究，不清楚散热片中的结构尺寸(如肋片高和间隙)对散热的影响，特别是对对流传热系数的影响；缺乏提高表面对流传热系数，有利于减小散热片材料成本的理念。其结果是：散热片设计不合理，没有优化设计理念，产品尺寸大，重量沉，成本也就高。

发明内容

本发明以针对LED散热片中自然对流传热基础性研究结果为基础，分析散热片的结构尺寸对对流传热系数的影响，以及肋片厚度对肋效率的影响，通过提高对流传热系数，来降低散热用的金属材料(铝)的重量(即材料成本)，提出散热片结构尺寸成本优化设计方案。

本发明的技术方案是：散热片采用肋片式扩展换热面结构，包括有导热块和肋片，肋片从导热块的侧面伸出，肋片伸出的平均长度大于10mm，导热块呈上下竖立设置，肋片也呈竖立设置，自然对流的散热空气由下向上穿过肋片。本发明的特征是：肋片平均高(即肋片在空气穿过方向的尺寸)与肋片之间的平均间隙之比大于2.5，小于5.0；肋片之间的平均间隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm。

对于肋片式散热片，散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动(对流)将热量带走，空气流量越大，能带走的热量(即散热量)越大，则空气流动(对流)畅通在散热过程中非常重要。自然对流传热过程中，驱动空气流动的动力是：空气受热温度升高，比重下降而产生的浮力，驱动力非常弱。将散热片的导热块上下竖立设置，肋片也竖立，使自然对流空气由下至上流动，穿过肋片，空气流动阻力小，有利于散热量提高，这也就是为什么本发明要求导热块以及肋片要竖立设置。

对流传热的计算公式Q＝P·A·ΔT，Q为传热量(散热量)，P为对流传热系数，A为传热面积(散热片的散热面积)，ΔT为传热温差(散热片与环境空气的温度差)。ΔT是设计限定值，提高散热面积A，有提高散热量Q的一面，但对于自然对流，会产生对流传热系数P下降，极不利于散热量Q的提高的因素，另外提高散热面积A，相应地也就增加了散热片的材料(铝)的用量，即增加了成本。对流传热系数P与散热片的结构尺寸以及对流形态等有关。提高对流传热系数P，如果散热量Q不变，则就可减小散热面积A，也就可降低散热片材料(铝)的用量，即降低了成本。

图1为肋片式散热片的自然对流传热实验曲线，纵坐标为对流传热系数P(导热块与环境空气温度差为某定值时的对流传热系数)，横坐标为肋片高h与肋片之间的间隙a之比，h/a被称为散热片特征参数。当散热片中的肋片高以及肋片之间的间隙不均匀时，取肋片的平均高h与肋片之间的平均间隙a之比作为散热片特征参数。图中三条曲线分别为三种不同的肋片高h的实验结果，其中h₃大于h₂，h₂大于h₁。

图1中示出：随着散热片特征参数(h/a)增大，对流传热系数P下降，表现出，当特征参数h/a大于5.0时，对流传热系数P下降速度加快，当h/a小于2.5时，对流传热系数P增加量有限。另外，图1还示出，增加肋片高h，对流传热系数P下降，并且随着肋片高h的增大，对流传热系数P下降的速度加快。

本发明提出：散热片特征参数h/a取大于2.5，小于5.0，以及肋片高h小于40mm，就是依据图1所示的实验结果而确定优化参数，当h/a大于5.0时，增加肋片密度，对流传热系数P下降过快，则导致：当散热量Q不变时，散热面积加速增加，即散热片肋片数量(即材料用量)加速增加，也就是材料成本的加速增加；当h/a小于2.5时，减小肋片密度，对流传热系数P基本上没有有效的增加，则肋片的材料成本减小有限，但是要保持散热量Q不变，散热片的尺寸要加大，则导热块的尺寸加大或肋片长度L加大，又将导致材料成本增加；依据图1，肋片高度h增加，对流传热系数降低，当h大于40mm时，对流传热系数P下降速度加快，又当采用太阳花式散热片时，肋片高度h过高，散热片内的导热距离过大，将产生不利的影响。依据实验，h/a＝2.5时比h/a＝5.0，对流传热系数P提高可达15％，h＝30mm比h＝40mm，对流传热系数高出达10％。

对于LED照明的自然对流散热，对流传热系数P最高也就是10W/m²℃左右，如果肋片长L为30mm，肋片厚b为1.2mm，肋效率就达95％，肋效率已非常高，如果再加厚肋片，散热量增大微小，但肋片材料用量(即材料成本)迅速增加，因而本发明提出肋片厚b(厚度不均匀时，取平均值)不大于1.2mm。设计散热片肋片时，应取肋片长度L(长度不均匀时，取平均长度)与肋片厚度b之比大于20，这样可有效控制肋片厚度过大，控制材料成本增加。本发明中提出肋片长度应大于10mm是因为，当肋片长度小于10mm时，本发明提出的成本优化方案的效果不显著。考虑到尘埃污染，肋片之间的间隙太小，容易堵塞，因而本发明提出肋片间隙a大于2.0mm。

太阳花式散热片结构：中心是导热柱，也就是导热块，肋片围着导热柱伸出。LED光源(也就是发热源)设置在导热柱的端面上，导热热阻低，空气的流通面积大，有利于自然对流传热，说明太阳花式散热片是LED散热最为合理的结构。

附图说明

图1是肋片式扩展换热面结构的散热片的自然对流传热实验曲线，纵坐标为对流传热系数P(导热块与环境空气温度差为某定值时的对流传热系数)，横坐标为肋片高h与肋片之间的间隙a之比。

图2是一种LED光源设置在导热块侧面的LED照明灯的特征立体示意图，图中a为肋片之间的间隙，h为肋片的高，b为肋片厚，L为肋片长度，箭头表示空气流动方向。

图3是一种LED光源设置在导热块下端的LED照明灯的特征立体剖视示意图。

图4是一种外边缘为矩形的太阳花式散热片特征示意图。

图5是一种外边缘为圆形，并且肋片为弧形的太阳花式散热片特征示意图。

图6是一种本发明的LED照明灯的特征结构示意图，箭头表示空气流动方向。

图7是一种本发明的LED照明灯的特征结构示意图，LED光源在导热芯上，导热柱为空心式。

图8、9、10分别是三种本发明的LED散热片特征示意图。

图11是一种本发明的LED照明灯的特征结构示意图，导热芯采用锥形结构。

图12是一种本发明的LED照明灯的特征结构示意图，导热芯采用锥形螺纹结构。

图13、14分别是两种本发明的LED照明灯的特征结构示意图，设有前灯罩。

图中：1、LED光源，2、导热块，3、肋片，4、导热芯，5、导热柱，6、外圈肋片，7、螺钉，8、电源接插头，9、前灯罩，10、翻边，11、流线，12、肋片前端，13、空气通道，14，套筒。

具体实施方式

图2所示的LED照明灯，LED光源1设置在导热块2的侧面，肋片3从导热块9另一侧伸出，伸出的长度L为肋片长度。图中导热块2呈竖立设置，肋片3也为竖立设置，图中箭头表示空气流动，自然对流空气由下向上穿过肋片3，肋片高h也就是空气穿过肋片方向上的尺寸，肋片之间的间隙a为两相邻肋片之间的空间距离，b为肋片厚。

图3所示的LED照明灯，LED光源1设置在导热芯4上，有两散热片，两散热片的导热块2夹着导热芯4，LED光源1的热量通过导热芯4传到导热块2上。

图4、5分别示出了两种太阳花式散热片的特征示意图。它们结构特征(也就是太阳花结构特征)：肋片3从导热柱5(也就是导热快)的柱面伸出，导热柱有实心和空心之分，图3中为实心式，图4中为空心式。

图6示出了一种本发明的LED照明灯结构特征示意图，散热片采用太阳花式结构，导热柱5为实心式，LED光源1朝下，设置在导热柱5的下端面，自然对流散热空气由下而上(如图中箭头所示)穿过肋片3。图7所示的本发明LED照明灯，散热片为太阳花式，但导热柱5为空心式，LED光源1设置在导热芯4上，导热芯4插入导热柱5内，采用这样的结构，可以将LED光源1和导热芯4设计制造成一整体结构的标准化的部件。

图4、5所示的散热片，肋片3的肋尖尖锐，易产生划伤；为了减少材料用量，肋片要尽可能薄，铝材是最佳的散热片材料，但铝的强度又底，因而肋片的强度低。图8、9、10所示的本发明LED散热片中，围着散热片外圈设有外圈肋片6，就能解决以上所述问题，同时散热片的外形也整洁。图8、9中，采用铝挤出工艺制造成型，外圈肋片6与肋片3，以及导热柱5为一体结构，外圈肋片6不仅增加了散热面积，还有提高对流换热系数的作用。图8中的外圈肋片6为一连续的环，导热柱5为实心式；图9中的外圈肋片6则为一段段，每段与肋片3连为一体，导热柱5为空心式。图10中，肋片3尖处折弯构成围着散热片外圈的外圈肋片6，导热柱5为空心式。采用图8、9、10所示的外圈肋片结构，计算肋片长L时，应加上外圈肋片6的长度。

图11、12示出了解决导热芯4与散热片(导热柱5)之间的接触热阻问题。图11中示出，导热芯4采用锥形结构，只要小的推挤力，就可得到被放大数十倍的导热芯柱面与导热柱之间的接触压力，有利于减小接触热阻。圆锥孔和圆锥柱面容易加工成型，配合精度容易保证，因而应该首选圆锥形结构的导热芯。图11所示，导热芯4通过螺钉7，将导热芯4紧紧插入导热柱5中。

螺纹结构能够增加接触面积，有利于减小接触热阻。图12中，导热芯4采用了圆锥螺纹结构，因而具有圆锥结构和螺纹结构所具有的优点之和：接触压力大，接触面积大，另外还有便于安装的优点。

图13、14所示的两种本发明LED照明灯中，采用空心导热柱式太阳花散热片，在散热片前端(LED光源1的一端定义为前端)设置有大口朝前(LED光源1照射的方向定义为前)的一头大一头小的前灯罩9，肋片前端12与前灯罩9壁之间留有空气能从肋片前端12进入肋片3内的空气通道13，如图12中示出的流线11所示。图13、14中示出，LED光源1的电源接插头8穿过导热芯4。

图13、14中的前灯罩9采用金属板材(最好是铝材)加工制造，比如冲压拉伸工艺，前灯罩9的底部采用了翻边结构(如图13所示)，或套筒结构(如图14所示)，翻边10或套筒14套在导热芯4上，热量通过导热芯4与翻边10或套筒14之间的接触传热，传到前灯罩9散出，因而，前灯罩不仅可起着保护LED光源1以及反射配光作用，还有提高散热量的作用。翻边结构和套筒结构类似，只是翻边结构中的翻边10高度小，套筒结构中的套筒14高度大，则和导热芯4一起插入导热柱5内。图14中的导热芯4采用了锥形结构。

特别说明：本发明中的LED光源包括了OLED光源。

Claims (9)

1.一种自然对流散热式LED散热片，散热片采用了肋片式扩展换热面结构，包括有导热块(2)和肋片(3)，肋片(3)从导热(2)块的侧面伸出，肋片(3)伸出的平均长度大于10mm，导热块(2)呈上下竖立设臂，肋片(3)也呈竖立设置，自然对流散热空气由下向上穿过肋片(3)，其特征在于：肋片平均高与肋片之间的平均间隙之比大于2.5，小于5.0；肋片之间的平均间隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm，肋片平均厚度不大于1.2mm。

2.根据权利要求1所述的LED散热片，其特征在于：肋片平均长度与肋片平均厚度之比大于20。

3.根据权利要求1或2所述的LED散热片，其特征在于：散热片采用了肋片(3)从导热柱(5)柱面伸出的太阳花式结构。

4.根据权利要求3所述的LED散热片，其特征在于：围着散热片设置有外圈肋片(6)，外圈肋片(6)与肋片(3)以及导热柱(5)为铝挤出成型的一体结构。

5.根据权利要求3所述的LED散热片，其特征在于：肋片(6)尖处折弯构成围着散热片外圈的外圈肋片(6)。

6.根据权利要求4或5所述的LED散热片，其特征在于：导热柱(5)为空心式。

7.一种LED照明灯，包括有LED光源(1)，散热片采用了肋片(3)从导热柱(5)柱面伸出的太阳花式结构，肋片(3)伸出的平均长度大于10mm，导热柱(5)呈上下竖立设置，肋片(3)也呈竖立设置，自然对流散热空气由下向上穿过肋片(3)，其特征在于：肋片平均高与肋片之间的平均间隙之比大于2.5，小于5.0；肋片之间的平均间隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm，肋片平均厚度不大于1.2mm，肋片平均长度与肋片平均厚度之比大于20。

8.根据权利要求7所述的LED照明灯，其特征在于：导热柱(5)为空心式，LED光源(1)设置在导热芯(4)上，导热芯(4)插入导热柱(5)内，导热芯(4)采用了圆锥形结构或锥形螺柱结构。

9.根据权利要求8所述的LED照明灯，其特征在于在散热片前端设置有大口朝前的一头大一头小的前灯罩(9)，肋片前端(12)与前灯罩壁之间留有空气能从肋片前端(12)进入肋片(3)内的空气通道(13)，前灯罩(9)采用金属板材加工而成，前灯罩(9)底部采用了翻边结构或套筒结构，翻边(10)或套筒(14)套在导热芯(4)上。

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