CN105387435A - 一种led光源模块的散热器及led照明设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种LED光源模块的散热器，包括设置在基板上的多个散热铝片以及多条导热铜管，所述多个散热铝片平行排列设置且每个散热铝片的底边焊接在所述基板上，所述基板上设置多个横向凹槽，所述散热铝片中间设置多个穿孔，散热铝片的下边设置多个缺口。导热铜管为包括下分支和上分支的U型管，下分支放置在基板上的凹槽中并横向贯穿每个散热铝片下边的缺口，上分支横向贯穿每个散热铝片上的穿孔，所述导热铜管内壁带有毛细结构，特别适用于对体积和重量敏感的应用领域，例如捕鱼领域。

Description

一种LED光源模块的散热器及LED照明设备

技术领域

本发明涉及照明技术领域，具体而言，涉及一种适合于大功率LED光源模块的散热器的构造。

背景技术

灯具散热器的导热和散热效率对灯具功能和性能有着巨大的影响。以集鱼灯为例，由于集鱼灯在海上作业，安装在渔船上。出于对产业效能的考量，渔船对捕鱼装备的重量和能耗有着极高的要求。渔业中倾向于使用轻量化、高流明的作业灯具。因此在集鱼灯的设计中，提高散热器的导热、散热效率，降低灯具的整体体积和重量是非常重要的一个改进方向，也是该行业应用灯具极具未来发展潜力的技术发展方向。

申请人本人持有的专利zl201520208157.3(图1所示)采用导热铜管作为导热件，通过散热铝片的结构和布置实现良好的散热。这种散热器结构能够在有限的均温基板表面设置尽可能大的总散热面积(散热铝片的总散热面积)，并通过均匀分布的导热铜管将热量快速地传递到散热铝片。以传统导热铜管的热传导性能为计，例如管内容纳水等导热介质的空心铜管等，采用这种结构的散热器结构实现总功率300W散热要求时，需要约10500c㎡散热面积,即每瓦需要35c㎡的散热面积，体积约为0.0072m³。对于对重量极其敏感的渔业应用而言，这样的话，为了实现总功率300W的散热要求，无论是分开多个灯具还是集成为单个灯具，其总体重量都不令人满意。

该专利中提及导热铜管可选用传热速度快超导铜管，采用40片散热铝片实现250W集鱼灯。申请人在实践这一设想的过程中发现，这种应用了超导铜管的集鱼灯在使用过程中仍存在因热传导不良而导致的问题。实践中发现，当集鱼灯在使用中转动灯头方向时，或者说当工作中，散热器位于LED光源模块下方时，集鱼灯容易因散热不良而导致损坏。

经过大量的调试和研究发现，问题在于超导铜管的性能局限。超导铜管是在铜质片材形成的管道中填充相变介质并密封而形成。由于相变介质在工作中要发生相变，因此相变介质填充时不能填充过满，一般来讲填充度低于40％。因此超导铜管在使用中存在方向性，也就是说，当热源位于相变介质所处的一端时可以向另一端传递，但是当热源所处的一端没有相变介质时，则无法通过使相变介质发生相变而实现超导。

因此，集鱼灯在灯头转动时，特别是散热器位于LED光源模块下方时，超导铜管中的相变介质在重力作用下远离基板，使得基板上集聚的热量无法及时传递出去，从而导致灯具损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率LED光源模块的散热器，其解决两个技术问题，一是提升热传递效率、减少灯具的体积和重量，二是克服因超导铜管而带来的使用局限，使大功率LED光源模块的散热器无论灯头如何转动，都可以利用相变介质将热量快速传递到散热铝片，从而保证大功率LED光源模块的工作可靠性。

具体而言，本发明提供了一种LED光源模块的散热器，包括设置在基板上的多个散热铝片以及多条导热铜管，所述多个散热铝片平行排列设置且每个散热铝片的底边焊接在所述基板上，其特征在于，所述基板上设置多个横向凹槽，所述横向凹槽的延伸方向与所述散热铝片垂直交叉，所述散热铝片中间设置多个穿孔，散热铝片的下边设置多个缺口，所述横向凹槽的个数、所述穿孔的个数以及所述缺口的个数等于所述导热铜管的条数，导热铜管为U型管，下分支放置在基板上的凹槽中并横向贯穿每个散热铝片下边的缺口，上分支横向贯穿每个散热铝片上的穿孔，所述导热铜管内壁带有毛细结构，所述导热铜管内容纳相变介质。

通过上述设计，导热铜管能够提供无方向性的高传热速度，并且导热铜管与基板和散热铝片之间接触关系使得三者之间的接触面积尽可能大，从基板到导热铜管再到散热铝片之间的传热通道保持畅通，使热量能够快速散发。

此外，由于采用超导铜管，采用同样的散热器结构实现总功率300W散热要求时，只需要约5973c㎡散热面积，即每瓦需要20c㎡的散热面积，体积约为0.0046m3，相对于传统导热铜管节约了42.8％的散热面积和36％的体积。这对于一些对灯具重量和体积敏感的应用场合来讲，例如集鱼灯，这样大幅度地减小体积对于其性能无疑是一次飞跃，对促进产业发展具有重要的意义。

优选地，毛细结构全部覆盖或局部覆盖导热铜管内壁表面。

优选地，所述导热铜管的毛细结构通过粉末烧结形成。

优选地，所述相变介质的传热速度达到30万瓦每米·开尔文(30万W/M·K)。

优选地，所述散热铝片的穿孔处一体形成有圆环接触壁，所述缺口处一体形成有半圆环接触壁，所述圆环接触壁和半圆环接触壁形状与所述导热铜管的外壁匹配。

优选地，所述圆环接触壁和半圆环接触壁与所述导热铜管之间通过焊接相连。

优选地，所述基板的横向凹槽形状与所述导热铜管的外壁匹配。

优选地，所述横向凹槽与所述导热铜管之间通过焊接相连。

优选地，所述每个散热铝片上开设有通风孔，排列在中间位置的数个散热铝片的上边缘设置通风缺口。

所有以上设计都使得该散热器的散热性能保持最佳状态，并且能够满足防水性能要求。

此外，一种LED照明设备，其特征在于，包括一如前述任一项所述的散热器和一LED光源模块。

附图说明

图1是现有技术中大功率LED灯的结构示意图；

图2是本发明散热器的结构示意图；

图3是本发明散热铝片的结构示意图；

图4是本发明导热铜管管道截面结构示意图；

图5是本发明大功率LED灯具结构分解示意图；

图6是本发明大功率LED灯具整体透视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面请参考附图2-6并结合实施例来详细说明本发明。

考虑到目前捕鱼灯散热效果不佳，灯具重量过重、成本过高，本发明提供了重量轻、散热快的大功率LED灯用作捕鱼灯。当然，这种灯并不局限于用作捕鱼灯。

灯具的结构构造

该大功率LED灯，包括LED发光模组和散热器，所述LED发光模组固定安装在散热器下方。所述散热器包括数个散热铝片11、数个导热铜管12和基板13，基板13优选由铝材压铸或挤压成型。

每个所述散热铝片11垂直设置在所述基板13上，散热铝片11的底边焊接在所述基板上，散热铝片11之间平行排列并相互间隔开。

所述每个导热铜管均为“U”型管，其“U”型管的上分支和下分支在安装时水平设置，上分支沿散热铝片的厚度方向横向贯穿所述多个散热铝片，下分支放置在基板13上表面开设的横向凹槽14中。凹槽14的截面形状与下分支下表面的截面形状匹配，从而使得安装时，下分支的下表面能够与凹槽内表面紧密接触，促进热传导。所述散热铝片的底边开设有与所述下分支上表面的截面形状匹配的缺口。下分支穿过这些缺口，从而上表面与所述散热铝片底边紧密接触，促进热传导。所述横向凹槽的个数以及所述缺口的个数等于所述导热铜管的条数。

散热铝片的大致中间位置包括横向布置的供多条导热铜管穿过的对应多个穿孔，所述穿孔通过冲压形成，冲孔时金属延展形成的工艺裙边经过机加工整形予以保留，形成自散热铝片的一侧表面向外延伸的多个圆环接触壁17。在导热铜管插入穿孔时，圆环接触壁17的内表面与导热铜管的外表面紧密接触，一方面增加散热铝片与导热铜管之间的接触面积，促进热传导，另一方面增大导热铜管与散热铝片之间焊接面积，提高焊接强度。同样地，散热铝片的底边的多个缺口也通过同样的冲压工艺形成工艺裙边，并经过机加工整形形成半圆环接触壁18，在导热铜管插入缺口时，半圆环接触壁18的内表面与导热铜管的外表面紧密接触，一方面增大与导热铜管的接触面积，促进热传导，另一方面增大导热铜管与散热铝片之间的焊接面积，提高焊接强度。

所述圆环接触壁17或半圆环接触壁18的高度小于等于相邻两个散热铝片之间的间距。

根据需要或美观要求，可将导热铜管倾斜设置，倾斜贯穿在散热铝片上。相应地，所述圆环接触壁17和半圆环接触壁18需要通过倾斜冲孔而形成。

散热铝片是紧密焊接在基板上，故将散热铝片的下端设有弯折的焊接片16。

由于各个散热铝片平行排列，这样之间有空隙，能够形成循环对流散热的通道，由此形成冷热空气的交替，增加热对流效率，散热效果明显。

本发明制备的散热器，其散热铝片与导热铜管结合后的散热原理是热空气密度小，热空气会通过散热器铝片间隙排出，由此，冷空气通过铝片底部间隙进入散热器内部，并形成自然的冷热空气交换。

为了使所有的散热铝片能稳定固定成一个整体，在每个散热铝片的外边上，除与基板焊接的底部的边外，每条边上设有连接片15，该连接片可以是制作散热铝片时一体冲压的，也可是后续焊接的。当所述连接片15通过使散热铝片的边缘冲压折弯形成时，折弯形成连接片15的同时还形成散热铝片侧边的相应豁口19。所述连接片15的末端能够搭接到相邻散热铝片的相应豁口19。制作散热器时，借助于连接片将散热铝片之间的距离保持稳定，从而使散热器的整体结构固定稳当，不会因受到外力挤压而散乱。散热铝片一侧边的豁口19和连接片15可设有两个或多个。

为了增加整个散热器横向的通风通道，在每个散热铝片上，开设有通风孔111，可设有一个、两个或多个，该通风孔可大于导热铜管的横截面积，可设为方形、椭圆形、圆形或长方形。

为了促进散热器中心区域散热铝片的散热，排列在中间位置的数个散热铝片的上边缘设置通风缺口，从而在散热器上表面形成通风口112。

为了利于工作人员使用LED捕鱼灯方便、安全，不会因散热铝片是片状结构，有直角或锋利的尖角，不小心误伤或划伤，将每个散热铝片的上端的左、右两上边角设为弧形。

导热铜管的内部特征

本发明所用的导热铜管12是采用多种无机元素的液态混合物作为相变介质注入到铜管内腔，经密封成型后形成的具有高速传热性能的超导铜管。相变材料例如可以是钇钡铜氧材料、铊钡钙铜氧材料等，优选地，采用包含高锰酸锌、六水氯化镁、四硼酸钠、重铬酸钾、二氧化钛等成分的水基超导液体介质，例如含有高锰酸锌5份，六水氯化镁12份，四硼酸钠18份，重铬酸钾10份，氯化亚铁3份，水1000份的水基超导液体介质。当然，本发明并不对相变介质的成分做过多限制，根据申请人的实验，只要超导材料导热迅速，能够把铝板的热量以30万W/M.K的速度传递到散热铝片11即可满足本发明灯具的设计需求。

由于超导材料导热速度快，因此整体散热速度快(管脚温升＜45℃)，所需散热器的散热铝片散热面积小，重量轻。如前文所述，采用同样的散热器结构实现总功率300W散热要求，如果采用传统导热铜管，需要约10500c㎡散热面积,即每瓦需要35c㎡的散热面积，体积约为0.0072m3。而如果采用超导铜管，只需要约5973c㎡散热面积，即每瓦需要20c㎡的散热面积，体积约为0.0046m3，节约了42.8％的散热面积和36％的体积。

对于既能够满足上述导热速度需求，又能够满足灯具这一特殊应用环境的需求而言，本发明中采用的超导铜管采用如下结构实现。

如图4所示，所述导热铜管12包括薄壁121和设置在薄壁内壁的毛细结构122，从而在导热铜管12内壁均匀分布传热介质，从而无论在工作中灯头方向如何变动，导热铜管12都能将热量快速地从基板传递到散热铝片，而不会受到方向性的限制。导热铜管12的毛细结构122可以是金属丝网、微型沟槽、纤维丝或粉末烧结层构成的微细结构。图示了由金属粉末烧结层构成的毛细结构，相变传热介质分散在毛细结构中，并且全部覆盖导热铜管的整个长度方向。由图4还可以看出，导热铜管12由两个片材对接形成，可以理解的是也可以由两个片材搭接形成。

在作为集鱼灯或其他灯具使用时，上述毛细结构对灯具的性能有着显著的影响。因此在灯具使用过程中，灯头常常会需要转动。如果没有毛细结构，我们知道，为了满足相变材料相变的空间需求，在导热铜管中只有一部分空间填充有相变材料，如果灯头转动超过一定角度，与基板相接触的导热铜管部分如果没有了相变材料，则基板的热量无法及时被相变材料带走，因此会在基板上产生显著的热量堆积，这对瞬间产生大量热负载的大功率LED灯而言将带来严重的损坏。

通过在导热铜管内部设置毛细结构，相变材料可以相对均匀分布在导热铜管的长度方向上，因此无论灯头方向如何转动，导热铜管与均温铝板相接触的部位总会有传热介质存在，或者通过毛细作用将其他部位的液相相变材料补充到相应部位。因此传热介质接收到均温铝板传递过来的热量后迅速发生相变而将热量快速导向导热铜管的其他部位，继而借助于散热铝片将热量散发出去。

本发明制备的LED捕鱼灯，工作状态下，LED发光模组紧贴散热器的基板，基板起到均温作用，导热铜管紧贴铝板，把铝板的热量以30万W/M.K传热速度迅速的将热量传给散热铝片，而整个散热铝片总是保持着高温并均温状态，而且传热速度不会因灯头转动而受到影响。

光源模块的结构

本发明采用的LED光源模块，包括光源板(即LED发光模组)5’、防水圈6’和整体阵列式透镜7’。光源板5’背面固定连接在散热器的基板上，在LED光源板5’与散热器4基板之间涂有导热材料，LED光源板5’可以为陶瓷、铝基或铜基等导热材质，正面安装整体式透镜，光源板与整体式透镜边框之间垫有防水胶圈。所述透镜组的若干个透镜通过注塑形成一体，将以往多个单颗透镜合并为两块透镜，去掉了带玻璃的面框和固定透镜用的胶水，这样装配效率显著提高，可靠性更好，成本更低，防水性能更好。

在使用过程中，需要将LED捕鱼灯固定安装，或手提捕鱼灯，将LED捕鱼灯设有安装支架。安装支架包括固定支架3和提把手1，固定支架固定连接所述基板的两侧边，提把手1借助于安装铰链铰接在所述固定架上。为了便于通风，固定支架垂直于散热铝板的方向设置。

为了便于手持LED捕鱼灯时，可左右调节LED捕鱼灯照射光线的方向，并且不会使捕鱼灯旋转过度，在固定支架上设有半圆弧的轨道凹槽，提把手上设有卡合半圆弧轨道凹槽的凸起，该凸起可随着提把手的左右转动而在半圆弧轨道凹槽内滑动，但不会脱离该凹槽。为了做工方便，可将凹槽设为镂空状态。LED捕鱼灯借助于提把手1的安装铰链和所述凸起与半圆弧轨道凹槽的配合而使其转动角度可调节并可停留在某个角度。

本发明制备的LED捕鱼灯可采用电源线供电，也可采用使用更加灵活方便的电池组供电。LED光源的驱动电源2可固定安装在固定支架的上方。

本发明一优选的实施例中，散热铝片的厚度设为0.5mm，散热铝片为40片，散热铝片间隙设为7mm；采用10根导热铜管，直径设为8mm，导热铜管可选用的传热速度为30万W/M.K的超导铜管，制备的250W的LED捕鱼灯。

LED灯及其散热器的制造方法

本发明的散热器在制作时，首先制作导热铜管并折弯形成U形构造；通过冲压形成散热铝片及其上的细部结构，可以想见，散热铝片也可以通过压铸成型；通过挤压拉伸模制作基板；将基板背面进行保护；对铝基板和散热铝片进行表面预处理，去除毛刺；对散热铝片、导热铜管和基板进行化学镀镍工艺；将化学镀镍后的散热铝片、导热铜管和基板按照装配关系安装进行组装形成散热器整体结构；对散热器整体结构进行回流焊；对散热器整体进行电泳处理和喷粉处理。

本发明采用的化学镀镍是在不加外在电流的情况下，利用还原剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到镍层，所得到的Ni—B合金的熔焊能力更好，共晶温度高，内应力较小。化学镀镍的工艺流程为：①清洗金属化瓷件；②去离子水冲洗；③活化液浸泡；④冲净；⑤还原液浸泡；⑥浸入镀液并不时调节pH值；⑦自镀液中取出；⑧冲净；⑨去离子水煮；⑩烘干。

借助于化学镀镍的上述技术特点，在散热器的制作工艺中，先采用化镍再进行回流焊的工艺使导热铜管和铝基板可靠地焊接在一起，能够在灯具使用过程中经受反复高温。一般的焊接工艺在反复高温的使用环境下很快会出现因金属膨胀系数不同而导致的形变和焊缝开裂，保证铜和铝之间的焊接强度和可靠性。借助于化学镍的工艺，弱化了焊点对铜铝两种不同材料对热负载的不同反应，从而在反复高温、以及恶劣的外部环境下，如潮湿、高盐、高腐蚀性环境下，能够长时间稳定工作，而不容易出现焊点的开裂等问题。并且采用这种工艺，导热铜管与均温铝板之间接触面更大，减少热阻，能够降低制造成本、提高灯具使用寿命和防腐蚀性能。

在焊接过后，散热器整体进行表面处理，特别是进行电泳和喷粉处理后，散热器整体具有强防腐蚀性能，经过长达500小时的盐雾测试，没有出现不良现象；抗UV测试3000多小时，没有不良现象。

在将散热器与发光模组安装在一起时，为了加强散热性，在LED光源板5’与散热器4之间涂有导热材料，导热材料可选用导热硅脂、导热硅胶等。采用螺栓把LED光源板5’固定在散热器4基板的下方。将防水胶圈6’、整体阵列式透镜7’用螺栓固定在散热器4的基板的下方，再将驱动电源2用螺栓固定在固定支架3上，最后将提把手1用螺栓固定在固定支架3上，此时灯具安装完毕，其立体图如4所示。

上述制备的250W的LED捕鱼灯，其体积小巧，重量轻小于5.2KG。这样的排列能更有效的与空气进行冷热交换，能保证LED的热量以最大限度的散发到空气当中，避免LED产生的热量堆积，提高了散热效率。

本发明的改进基础来自于现有的集鱼灯(或捕鱼灯)所存在的技术缺陷，但并不意味着本发明中的散热器和灯具结构仅限用于集鱼灯。本领域技术人员根据散热器和灯具结构可以直接、毫无疑义确定，这些结构并非针对集鱼或捕鱼的特殊设计，同样也适合于非捕鱼目的的LED灯具，特别是大功率LED灯具。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。例如：用不同的数量的超导铜管和铝片，组成不同尺寸的散热器。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED光源模块的散热器，包括设置在基板上的多个散热铝片以及多条导热铜管，所述多个散热铝片平行排列设置且每个散热铝片的底边焊接在所述基板上，其特征在于，

所述基板上设置多个横向凹槽，所述横向凹槽的延伸方向与所述散热铝片垂直交叉，所述散热铝片中间设置多个穿孔，散热铝片的下边设置多个缺口，所述横向凹槽的个数、所述穿孔的个数以及所述缺口的个数等于所述导热铜管的条数，

导热铜管为U型管，其包括上分支和下分支，所述下分支放置在所述基板上的凹槽中并横向贯穿每个散热铝片下边的缺口，上分支横向贯穿每个散热铝片上的穿孔，

所述导热铜管内壁带有毛细结构，所述导热铜管内容纳相变介质。

2.如权利要求1所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，毛细结构全部覆盖或局部覆盖导热铜管内壁表面。

3.如权利要求1所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，所述导热铜管的毛细结构通过粉末烧结形成。

4.如权利要求1所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，所述导热铜管的传热速度达到30万W/M·K。

5.如权利要求1所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，所述散热铝片的穿孔处一体形成有圆环接触壁，所述缺口处一体形成有半圆环接触壁，所述圆环接触壁和半圆环接触壁形状与所述导热铜管的外壁匹配。

6.如权利要求5所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，所述圆环接触壁和半圆环接触壁与所述导热铜管之间通过焊接相连。

7.如权利要求1所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，所述基板的横向凹槽形状与所述导热铜管的外壁匹配。

8.如权利要求7所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，所述横向凹槽与所述导热铜管之间通过焊接相连。

9.如权利要求1所述的LED光源模块的散热器，其特征在于，所述每个散热铝片上开设有通风孔，排列在中间位置的数个散热铝片的上边缘设置通风缺口。

10.一种LED照明设备，其特征在于，包括一如前述任一权利要求所述的散热器和一LED光源模块。