CN104329650A - 采用金属-聚合物-热管复合的led台灯的散热结构 - Google Patents

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Abstract

采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，该结构包括LED集成光源、金属基板、金属散热器、带有微结构的聚合物散热外壳、热管组；在金属散热器与金属基板之间增加了热管，可以更有效的将热量快速的传递出去，从而有效的提高散热性能。在聚合物外壳上还根据美观性加工了微结构，不仅可以有效的增加聚合物散热器的散热面积，从而提高散热能力，而且可以使LED灯具具有更加好的外形，从而达到外形美观的目的。聚合物外壳设置有对流通孔，可以使得台灯内部的热空气更好的散发到台灯外部空气中，从而增强换热效果。聚合物外壳还具有轻便，不易受到腐蚀的优点，可以有效的提高LED灯具的寿命。本发明可以降低LED台灯工作温度，有效延长灯具的使用寿命，同时降低灯具的加工成本，提高经济效益。

Description

采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构
技术领域
本发明涉及LED的散热结构设计，具体是一种采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构背景技术。
背景技术
在当今竞争激烈的市场中能否生产出低成本、高性能效比的LED灯具关系到企业的生死存亡。散热器是LED灯具的重要组成部件，散热器散热性能的好坏关系着LED灯具的使用寿命，各个企业的科研机构都在致力于改进散热器或者提出新型的散热器，已达到提高能效，降低成本的目的。普通LED灯使用发光的同时也产生一定的热量，热量如果不及时散去，慢慢的积累，热量会上升，导致元器件烧坏或者是降低使用寿命。有些LED灯产品在灯泡周围设置铁、铜等金属片，但是为了散去热量，金属片相对于灯泡往往做的过大，使产品不美观，且重量加大，散热效果也不好。
目前市场上使用的LED灯具，散热器材料基本上都是金属和导热聚合物。采用金属一般是为了获得较高的导热系数，较常用的有铝、铜或合金等。但是金属散热器也有很多的缺点，比如金属容易腐蚀，这在很大程度上影响了散热器的散热性能。特别在一些恶劣的环境中，金属散热器因为腐蚀严重更不适用。而且金属的密度较大，单位体积的拥有更大的重量，使得LED灯具变得笨重，一定程度上也影响了其安全性。而导热聚合物制作LED散热器有金属材料无法比拟的优势，包括更大的设计自由度，更低的产品重量，更高的生产效率，无需任何后续加工过程，更低的系统成本，和更加环保等。同时聚合物散热器不容易腐蚀和结垢，可以适用于很多恶劣的环境。但是目前聚合物的导热能力跟金属相比很差，这就制约了LED灯具的散热性能。
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有极高的传热效率，当量导热系数极高，且具有很好的等温性，因此散热效果好，噪音低，使用寿命长。热管技术是一种高效率的热传导技术，主要利用蒸发制冷和管内的压力差使热量快速传导。由于热管是按照液相工质和蒸汽的质量平衡和流体的力学平衡来进行工作的，所以其中的许多限制因素造成了其传热性能的许多极限，此外在制造热管结构的过程中，生产费用也相对较高，工艺也比较复杂，这些都是限制热管的发展的因素。
LED灯具的散热必需考虑各方面的因素，既要考虑LED灯具散热器的散热性能，同时也要考虑LED灯具的生产价格和保证其外形简洁美观，质量轻。以上介绍的各种形式的散热器都无法达到这种要求，然而，同时具有以上这几种散热器优良性能的金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热器结构可以很好的满足LED灯具所需要的要求。金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热器结构可以有效的降低LED灯具的温度和提高其散热性能，有效延长灯具的使用寿命，同时降低灯具的加工成本，经济方便。
专利“一种金属与导热塑料复合微换热器结构”(申请公布号CN103673739A)，公开了一种以连续的金属材料为导热单元，以聚合物微结构为散热单元，进行高导热和高散热单元的结构复合；其所属微结构阵列方式可以为正六边形、正四边形或正三边形；可广泛应用于多功能、复杂大规模集成电路中电子器件的散热。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出了一种散热效果好、具有结构美观的LED散热台灯。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，该结构包括LED集成光源2、金属基板4、金属散热器3、带有微结构的聚合物散热外壳5、热管组、对流通孔11，所述热管组由n个热管构成(n≥2)；优选n＝5，热管组包括热管a6、热管b7、热管c8、热管d9、热管e10；LED集成光源2安装在金属散热器3的顶端，金属散热器3安装在金属基板4的底端；热管组安装在金属基板4、金属散热器3、带有微结构的聚合物散热外壳5之间；所述热管a6、热管b7、热管c8、热管d9、热管e10为全封闭的真空铜管，各热管的端面分别与金属散热器3的上表面和带有微结构的聚合物散热外壳5的下表面粘合，所述各热管均匀对称布置在金属基板4的中间部分；所述带有微结构的聚合物外壳散热外壳5、聚合物盖壳1将LED集成光源2、金属基板4、金属散热器3封闭，带有微结构的聚合物外壳散热外壳5、聚合物盖壳1共同组成台灯的外壳。
所述聚合物盖壳1为通过先进挤出技术制备而成的多层复合晶体聚合物膜，具有很好的透光性，可透过光源。
所述金属基板4为铝质长方形基板。
所述金属散热器3可采用铝质材料，其由散热基底和常规尺寸金属翅片组成，为了便于安装LED集成光源，所述金属散热器3的中间没有金属翅片，安装LED集成光源2中间部分的四周对称布置有贯穿基底宽度的金属翅片，金属翅片和基底采用一体化成型；所述金属散热器翅片结构为矩形或十字形或半圆柱以获取最大的内部散热表面积。所述金属基板4与金属散热器3之间用导热胶粘贴在一起。
热管组的各热管与金属基板4、金属散热器3和带有微结构的聚合物外壳散热外壳5都相连，有效地将LED集成光源产生的热量传递到带有微结构的聚合物散热外壳5上，提高导热效率。本散热结构中金属基板4和金属散热器3中都必需设置有用于安装热管的凹槽。金属基板4和金属散热器3的圆槽与热管都必需有较好的配合，保证它们之间有着良好的接触，从而减少热阻。所述热管组的各热管为直热管或环形热管或U形热管或折弯热管。
所述热管组与金属基板4，热管与金属散热器3之间采用钎焊进行连接，并在接触面上做成扁平状处理；热管组与带有微结构的聚合物散热外壳5的连接方式为导热硅胶液粘接。带有微结构的聚合物散热外壳5与金属基板4之间用导热硅粘贴在一起。
所述带有微结构的聚合物散热外壳5上设有多组对流通孔11。所述的对流通孔11可以使得台灯内部与外部的空气更好的流通，从而使得台灯内部的热空气更好的散发到台灯外部空气中。
所述带有微结构的聚合物散热外壳5为无盖长方体聚合物壳，在其底面上加工有微结构，微结构形式有半球形、矩形槽和四面体微结构尺寸在50-200微米范围内变化，增大散热表面积，提高散热效率。聚合物外壳由导热系数为2.5-3W/(M·K)的材料通过精密挤出、微压印、连续挤出微压印以及激光切割方式加工而成。
所述金属散热器3与带有微结构的聚合物散热外壳5相结合，在瞬态时，可以利用铝的快速导热将LED集成光源2产生的瞬时热量快速的散发出去，稳态时，可以利用金属散热器和带有微结构的聚合物散热外壳5共同散热，有效减低LED芯片的温度。而且金属散热器与LED集成光源一起形成了热量的内循环，带有微结构的聚合物散热外壳5形成了热量的外循环，因此可以更有效的将LED集成光源产生的热量散发到空气中。
所述金属散热器3的常规尺寸金属翅片与带有微结构的聚合物散热外壳5的微结构相结合,使得整个灯具结构更加的合理。金属散热器3上的常规尺寸翅片可以将热量的一部分散发出去，减少了整个聚合物散热外壳的体积；反过来微结构使得金属翅片的用量减少，从而减少了金属铝的使用量，从而减少了整个散热器的重量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
本发明金属—热管—聚合物有机结合在一起而形成的LED灯具散热器，同时具有聚合物散热器、金属散热器、热管散热器三者的优点。在散热器与金属基板之间增加了热管，可以更有效的将热量快速的传递出去，从而有效的提高了散热器的散热性能。本发明中LED集成热源与金属散热器紧密的接触，从而LED灯具产生的热量可以通过具有良好导热能力的金属传递到热管和聚合物外壳上，而聚合物外壳上的微结构可以很快的将热量传递到空气中。聚合物外壳的加工是通过精密挤出、微压印、连续挤出微压印以及激光切割等方式加工而成。这几种加工技术不但能够成型复杂、微型的结构，还能提高生产效率降低LED灯具的制造成本。本发明与只是通过增加金属片相比，可以有效的降低LED灯具的重量，而且具有使产品美观，散热效果也好的优点。在聚合物外壳上还根据美观性加工了微结构，不仅可以有效的增加聚合物散热器的散热面积，从而提高散热能力，而且可以使LED灯具具有更加好的外形，从而达到外形美观的目的。聚合物外壳还具有轻便，不易受到腐蚀的优点，可以有效的提高LED灯具的寿命。本发明可以降低LED台灯工作温度，有效延长灯具的使用寿命，同时降低灯具的加工成本，提高经济效益。
附图说明
图1为本发明结构主视图的剖面图。
图2为俯视视图剖面图。
图3为左视图剖面图。
图4为台灯LED集成光源的温度迭代结果曲线。
图5为台灯金属散热器的温度迭代结果曲线。
图6为带有微结构聚合物散热外壳的温度迭代结果曲线。
图中：1、聚合物盖壳；2、LED集成光源；3、金属散热器；4、金属基板；5、带有微结构的聚合物散热外壳；6、热管a；7、热管b；8、热管c；9、热管d；10、热管e；11、对流通孔。
具体实施方式
如图1-3所示，该结构包括LED集成光源2、金属基板4、金属散热器3、带有微结构的聚合物散热外壳5、热管组、对流通孔11，所述热管组由n个热管构成(n≥2)；优选n＝5，热管组包括热管a6、热管b7、热管c8、热管d9、热管e10；LED集成光源2安装在金属散热器3的顶端，金属散热器3安装在金属基板4的底端；热管组安装在金属基板4、金属散热器3、带有微结构的聚合物散热外壳5之间；所述热管a6、热管b7、热管c8、热管d9、热管e10为全封闭的真空铜管，各热管的端面分别与金属散热器3的上表面和带有微结构的聚合物散热外壳5的下表面粘合，所述各热管均匀对称布置在金属基板4的中间部分；所述带有微结构的聚合物外壳散热外壳5、聚合物盖壳1将LED集成光源2、金属基板4、金属散热器3封闭，带有微结构的聚合物外壳散热外壳5、聚合物盖壳1共同组成台灯的外壳。
所述聚合物盖壳1为通过先进挤出技术制备而成的多层复合晶体聚合物膜，具有很好的透光性，可透过光源。
所述金属基板4为铝质长方形基板。
所述金属散热器3可采用铝质材料，其由散热基底和常规尺寸金属翅片组成，为了便于安装LED集成光源，所述金属散热器3的中间没有金属翅片，安装LED集成光源2中间部分的四周对称布置有贯穿基底宽度的金属翅片，金属翅片和基底采用一体化成型；所述金属散热器翅片结构为矩形或十字形或半圆柱以获取最大的内部散热表面积。所述金属基板4与金属散热器3之间用导热胶粘贴在一起。
热管组的各热管与金属基板4、金属散热器3和带有微结构的聚合物外壳散热外壳5都相连，有效地将LED集成光源产生的热量传递到带有微结构的聚合物散热外壳5上，提高导热效率。本散热结构中金属基板4和金属散热器3中都必需设置有用于安装热管的凹槽。金属基板4和金属散热器3的圆槽与热管都必需有较好的配合，保证它们之间有着良好的接触，从而减少热阻。所述热管组的各热管为直热管或环形热管或U形热管或折弯热管。
所述热管组与金属基板4，热管与金属散热器3之间采用钎焊进行连接，并在接触面上做成扁平状处理；热管组与带有微结构的聚合物散热外壳5的连接方式为导热硅胶液粘接。带有微结构的聚合物散热外壳5与金属基板4之间用导热硅粘贴在一起。
所述带有微结构的聚合物散热外壳5上设置有多组对流通孔11，可以使得台灯内部的热空气更好的散发到台灯外部空气中，从而增强换热效果。对流通孔11设置在带有微结构的聚合物散热外壳5的左端与右端，而且对流通孔11均匀的进行布置，从而使得空气流通更加均匀。
所述带有微结构的聚合物散热外壳5为无盖长方体聚合物壳，在其底面上加工有微结构，微结构形式有半球形、矩形槽和四面体微结构尺寸在50-200微米范围内变化，增大散热表面积，提高散热效率。聚合物外壳由导热系数为2.5-3W/(M·K)的材料通过精密挤出、微压印、连续挤出微压印以及激光切割方式加工而成。
所述金属散热器3与带有微结构的聚合物散热外壳5相结合，在瞬态时，可以利用铝的快速导热将LED集成光源2产生的瞬时热量快速的散发出去，稳态时，可以利用金属散热器和带有微结构的聚合物散热外壳5共同散热，有效减低LED芯片的温度。而且金属散热器与LED集成光源一起形成了热量的内循环，带有微结构的聚合物散热外壳5形成了热量的外循环，因此可以更有效的将LED集成光源产生的热量散发到空气中。
所述金属散热器3的常规尺寸金属翅片与带有微结构的聚合物散热外壳5的微结构相结合,使得整个灯具结构更加的合理。金属散热器3上的常规尺寸翅片可以将热量的一部分散发出去，减少了整个聚合物散热外壳的体积；反过来微结构使得金属翅片的用量减少，从而减少了金属铝的使用量，从而减少了整个散热器的重量。
实施例
本实施例中，聚合物盖壳1为尺寸200mm×64mm的盖壳，厚度为2mm，所述金属散热器3为铝质，其左右端布置有贯穿基底宽度的翅片，左右端的翅片数量都为15片，翅片长为50mm，高为3mm，厚度为0.8mm，间距为1.2mm。在安装LED集成光源的前面和后面都布置有翅片，数量为120片，翅片长为7mm，高为3mm，厚度为0.8mm，间距为1.2mm。所述金属基板4为尺寸120mm×50mm的铝质基板。所述带有微结构的聚合物散热外壳5为尺寸200mm×64mm×14mm的长方体无盖聚合物壳，壁厚为2mm。优先的其底部均匀布置有半球形微结构，微结构紧密的连接在一起，间距为0mm，半球微结构的直径为5mm，半球微结构数量为360个。优先的其左右两端均匀的布置有对流通孔，通孔的间距为3mm，通孔直径为2mm。所述热管组的各热管直径为10mm。
将建好的台灯模型导入热分析软件FLOEFD中，设置好各种参数后，得到了台灯的LED集成光源的温度迭代结果曲线、台灯金属散热器的温度迭代结果曲线、带有微结构聚合物散热外壳的温度迭代结果曲线，如图4、图5、图6所示。从图4可以看出，当台灯工作稳定是，芯片处的温度为48.6℃，达到了LED灯具的温度使用要求。由图4、5、6可以看出台灯结构的温度分布、芯片、金属散热器的温度分布都比较均匀，聚合物散热器外壳与外界空气的温度分布也比较合理，温度梯度基本保持在比较小的范围内，对流换热效果也比较好。
台灯散热器结构各测点的平均温度值如下表1所示。
这是因为金属基板和热管具有很好的导热性能，可以将LED集成光源产生的热量快速的传到金属散热器和聚合物散热器中，而聚合物散热器可以很快的将热量散发到空气中。因此本申请专利的台灯散热器结构具有很好的散热效果，有效的改善了大功率LED灯的散热性能，使LED灯具具有更长的寿命。
表1台灯散热器结构各测点的平均温度值
LED集成光源平均温度℃ 金属散热器平均温度℃ 聚合物外壳平均温度℃
47.53 48.48 46.23

Claims (9)

1.采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：该结构包括LED集成光源(2)、金属基板(4)、金属散热器(3)、带有微结构的聚合物散热外壳(5)、热管组、对流通孔(11)，所述热管组由n个热管构成，n≥2；优选n＝5，热管组包括热管a(6)、热管b(7)、热管c(8)、热管d(9)、热管e(10)；LED集成光源(2)安装在金属散热器(3)的顶端，金属散热器(3)安装在金属基板(4)的底端；热管组安装在金属基板(4)、金属散热器(3)、带有微结构的聚合物散热外壳(5)之间；所述热管a(6)、热管b(7)、热管c(8)、热管d(9)、热管e(10)为全封闭的真空铜管，各热管的端面分别与金属散热器(3)的上表面和带有微结构的聚合物散热外壳(5)的下表面粘合，所述各热管均匀对称布置在金属基板(4)的中间部分；所述带有微结构的聚合物外壳散热外壳(5)、聚合物盖壳(1)将LED集成光源(2)、金属基板(4)、金属散热器(3)封闭，带有微结构的聚合物外壳散热外壳(5)、聚合物盖壳(1)共同组成台灯的外壳。
2.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：所述聚合物盖壳(1)为通过先进挤出技术制备而成的多层复合晶体聚合物膜。
3.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：所述金属基板(4)为铝质长方形基板。
4.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：所述金属散热器(3)采用铝质材料，其由散热基底和常规尺寸金属翅片组成；所述金属散热器(3)的中间没有金属翅片，安装LED集成光源(2)中间部分的四周对称布置有贯穿基底宽度的金属翅片，金属翅片和基底采用一体化成型；所述金属散热器翅片结构为矩形或十字形或半圆柱以获取最大的内部散热表面积；所述金属基板(4)与金属散热器(3)之间用导热胶粘贴在一起。
5.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：热管组的各热管与金属基板(4)、金属散热器(3)和带有微结构的聚合物外壳散热外壳(5)都相连；本散热结构中金属基板(4)和金属散热器(3)中都必需设置有用于安装热管的凹槽；金属基板(4)和金属散热器(3)的圆槽与热管都必需有较好的配合；所述热管组的各热管为直热管或环形热管或U形热管或折弯热管。
6.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：所述热管组与金属基板(4)，热管与金属散热器(3)之间采用钎焊进行连接，并在接触面上做成扁平状处理；热管组与带有微结构的聚合物散热外壳(5)的连接方式为导热硅胶液粘接；带有微结构的聚合物散热外壳(5)与金属基板(4)之间用导热硅粘贴在一起。
7.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：所述带有微结构的聚合物散热外壳(5)上设置有多组对流通孔(11)。
8.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：所述带有微结构的聚合物散热外壳(5)为无盖长方体聚合物壳，在其底面上加工有微结构，微结构形式有半球形、矩形槽和四面体微结构尺寸在50-200微米范围内变化，增大散热表面积，提高散热效率；聚合物外壳由导热系数为2.5-3W/(M·K)的材料通过精密挤出、微压印、连续挤出微压印以及激光切割方式加工而成。
9.根据权利要求1所述的采用金属-聚合物-热管复合的LED台灯的散热结构，其特征在于：所述金属散热器(3)与带有微结构的聚合物散热外壳(5)相结合。
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