CN105987365A - 用于高景led装置的散热片、高景led装置及其使用方法 - Google Patents

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CN105987365A CN201510042512.9A CN201510042512A CN105987365A CN 105987365 A CN105987365 A CN 105987365A CN 201510042512 A CN201510042512 A CN 201510042512A CN 105987365 A CN105987365 A CN 105987365A
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Abstract

本发明涉及用于高景LED装置的散热片、高景LED装置及其使用方法。本发明涉及一种散热片，其包含基底、在所述基底上并且从自所述基底垂直延伸的主要翅片和所述基底上的无翅片区。所述主要翅片各具有第一臂、与所述第一臂相接以形成主要翅片底部的第二臂和远离所述主要翅片底部延伸的阀杆。所述散热片具体来说适用于高景LED装置，其中散热片上具有分子扇形涂层。

Description

用于高景LED装置的散热片、高景LED装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及用于高景LED装置的散热片、高景LED装置及其使用方法。
背景技术
散热片为用于被动热耗散的装置。散热片一般与其中基本装置的热耗散不足以将温度维持在所要范围内的电子装置一起使用。发光二极管(light emitting diode；LED)、尤其用于室内和室外照明的那些需要散热片用于最佳运行。
散热片对LED的运行可具有显著影响。LED的接面温度的变化可影响LED的寿命和能效，其中低温延长寿命并且增加能效。此外，由于LED的效率增加，LED的平衡亮度也将随着接面温度降低而更大。
用于LED或其它电子装置的典型散热片经设计以最大化表面积以便最大化从电子装置至周围空气的热传递。热通过传导至散热片中而抽离电子装置。接着散热片主要通过对流将热耗散到周围空气中。典型散热片的设计因此使用高导热材料用于散热片本体，并且最大化表面积以最大化与周围空气的接触。此外，散热片的形状将一般包括垂直排列型销、翅片或槽，其将允许与散热片接触的暖空气上升并且从所述电子装置流走。尽管散热片也将通过辐射来耗散热，但在设计中通常忽略此因素，因为相信，通过在正常温度(0℃至100℃)下辐射来耗散热与通过对流耗散热相比通常较少。
分子扇形物为可涂覆到表面以增加基板表面发射率并且因此通过辐射提高“主动”热耗散的涂层。所述涂层描述于美国专利第7,931,969号(林(Lin)，2011年4月26日)和第8,545,933号(林，2013年10月1日)中。分子扇形物利用由不同振动状态之间的转变产生的离散分子(与延伸固体相反)的红外线中的高发射率。分子扇形物将包括纳米粒子以增加表面积，和功能化纳米材料以在涂层的表面上提供离散分子，当离散分子在不同振动状态之间转变时将辐射红外光。在固化时硬化的乳液也包括在分子扇形涂层材料中以使纳米粒子和功能化纳米材料粘附于装置或散热片的表面上。分子扇形涂层提供良好的表面硬度，提供耐指纹性，抑制腐蚀并且易于清洁。
将分子扇形物涂覆到典型散热片的表面上将增加热耗散。然而，典型散热片经设计以通过对流而非辐射来最大化热耗散，并且包括远离装置或散热片不辐射的表面，允许辐射被再吸收。因此，将分子扇形物涂覆到典型的散热片的所述表面上并不显著改进那些表面的热耗散。
发明内容
在第一方面中，本发明包括一种散热片，其包含基底、在所述基底上并且从所述基底垂直延伸的主要翅片和所述基底上的无翅片区。所述主要翅片各具有第一臂、与所述第一臂相接以形成主要翅片底部的第二臂和远离所述主要翅片底部延伸的阀杆。
在第二方面中，本发明包括一种复合散热片，其包含基底、在所述基底上并且从所述基底垂直延伸的主要翅片和所述基底上的多个无翅片区。所述主要翅片各具有第一臂、与所述第一臂相接以形成主要翅片底部的第二臂和远离所述主要翅片底部延伸的阀杆。所述主要翅片中的至少一者具有22.5°至45°的开度角，并且所述主要翅片安置于无翅片区周围，其中各主要翅片的阀杆朝所述无翅片区中的一者定向。
在第三方面中，本发明包括一种高景LED装置，其包含LED、热耦接到所述LED的散热片、围绕所述LED的透镜和围绕所述透镜的反射器。基底的无翅片区位于LED的正上方。
在第四方面中，本发明包括一种高景LED装置，其包含多个LED，热耦接到所述LED的散热片、围绕所述LED的透镜和围绕所述透镜的反射器。基底的无翅片区位于各LED的正上方。
在第五方面中，本发明包括一种产生光的方法，其包含施加电流到高景LED装置。
定义
“高景LED装置”意指通过LED产生光用于广角照明的装置。所述装置可在交流(AC)或直流(DC)电流上运行。
“散热片”意指用于从例如LED的电子装置被动耗散热的装置。
本申请案中所用的描述散热片和高景LED装置的不同部件和其相对定向的方向和定向为关于散热片的基底朝地面的定向，其中翅片从基底垂直向上上升，并且LED在基底下方，向下投射光。在实际使用中，散热片和高景LED装置可在任何方向上定向。
附图说明
这些和其它特征从以下参考附图的描述将变得更显而易见，所述图式仅出于说明目的并且并不意欲以任何方式进行限制，其中：
图1说明第一散热片的透视图。
图2说明用于散热片的主要翅片。
图3说明第一散热片的俯视图。
图4说明高景LED装置的透视图。
图5说明图4的高景LED装置的分解图。
图6说明第二散热片的透视图。
图7说明第二散热片的俯视图。
图8说明第三散热片的透视图。
图9说明第三散热片的俯视图。
图10至图13展示了各种具有本申请案的散热片或比较例散热片、涂布有或未涂布有分子扇形物的高景LED装置的接面温度(Tj)的实验结果。用于这些实例的散热片的设计和其它特征展示于所述图的右侧中。
具体实施方式
本发明利用对于当分子扇形涂层存在时通过辐射最佳利用热耗散同时仍维持通过对流显著热耗散并且远离电子装置传导热的散热片形状的发现。散热片形状利用由涂布于散热片表面上的分子扇形物提供的高发射率。当热耦接到高景LED装置中的LED时，在能效方面实现急剧增加，连同在装置寿命方面一起增加。此外，装置的平衡亮度增加并且重量实质上降低。例如，如图10中所示，100W的LED装置的装置重量从1.57kg降到0.86kg，并且如图12中所示，300W的LED装置的装置重量从4.76kg降到3.14kg。本申请案的散热片可不仅适合用于高景LED装置，并且也适合用于其它例如PAR 38与MR 16的LED装置以及其它例如CPU与图形处理单元(graphics processing unit；GPU)的电子装置。
散热片包括(i)基底，(ii)LED正上方的基底的无翅片区；和(iii)多个主要翅片，各主要翅片从基底垂直地延伸并且包括第一臂与第二臂，和在翅片的基底处与臂相接的阀杆，其中第一臂与第二臂也相接。任选地，散热片还可包括以下特征的1个、2个或3个：(iii)多个次要翅片，各次要翅片具有片形形状并且从基底垂直地延伸；(iv)在基底中并且在主要翅片下方延伸的对流孔；和(v)主要翅片和/或次要翅片中的对流孔。
图1说明第一散热片10的透视图。所述散热片包括6个主要翅片20、12个次要翅片22、基底24、4个基底对流孔26、各次要翅片中的次要翅片对流孔28和各主要翅片中的2个主要翅片对流孔30。在此说明以及许多其它说明中，出于明晰的目的，已将编号应用于所述图中的各特征的仅一个实例。
包括基底、主要翅片和任选的次要翅片的散热片由导热材料、优选例如铜、铝和其合金的金属制成。所述部件可由相同或不同材料制成。优选使用铝合金，因为重量轻并且成本低。可分别制造基底、主要翅片和任选的次要翅片并且接着将其粘结、用螺栓栓或焊接在一起。替代地，整个结构可浇铸或焊接为单个单片。
图2说明散热片的主要翅片20。所述主要翅片包括第一臂32和第二臂34，所述臂在主要翅片底部38处相接，优选形成抛物线形状。主要翅片还包括阀杆36，其远离主要翅片底部延伸。第一臂与第二臂均具有开口端42。如此图中所说明，主要翅片的主要第一臂和第二臂为镜像，并且具有相同长度，但不必为此状况；如将展示于图6至图9中的复合散热片，主要翅片的各臂的形状和长度可非常不同。优选地，主要翅片具有恰好两个臂，但额外臂可存在。
图3说明第一散热片10的俯视图。除了图1和图2中所示的那些特征之外，此图也展示了基底的无翅片区40(由点线定界)。次要翅片具有外端43。次要翅片的长度49为沿着端之间的次要翅片的长度的距离，而主要翅片的臂的长度48为沿着从主要翅片底部延伸至臂的开口端的臂的长度的距离。主要翅片的开度角44为由起始于基底的无翅片区的中心并且在第一臂和第二臂的开口端处结束的两条线形成的角。所述角中的次要翅片角46由起始于基底的无翅片区的中心、一条在最接近主要翅片的第一臂或第二臂的开口端处结束并且另一条在次要翅片的外端处结束的两条线形成。尽管并未在图中编号，翅片的高度为翅片从基底垂直延伸的最大距离。在此散热片中，主要翅片和次要翅片延伸超出基底。替代地，可形成主要翅片和/或次要翅片以致其不延伸超出基底。
在一个方面中，散热片优选地包括4个、5个、6个、7个或8个主要翅片，并且所述主要翅片优选地在各主要翅片中具有相同长度的第一臂和第二臂，和在所有主要翅片中具有相同长度的第一臂和第二臂。优选地，各翅片径向安置于无翅片区附近，其中各主要翅片的阀杆朝无翅片区定向。主要翅片中的一或多者的开度角优选为至少22.5°、至少25°或至少30°，包括22.5°至40°。主要翅片的臂优选不为平行的，因此减少从翅片发射的辐射的吸收。在图1和图3中，主要翅片均具有相同开度角，但在其它方面中此不为必需的。在一个方面中，散热片优选地具有2倍、3倍、4倍、5倍或6倍旋转对称性。各主要翅片的高度优选为20mm至200mm，包括30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm和100mm。
任选的次要翅片优选地放置于主要翅片的臂之间和/或主要翅片之间。优选地，次要翅片具有小于主要翅片第一臂或第二臂的长度，包括主要翅片第一臂或第二臂的长度的3/4、长度的1/2、长度的1/3或长度的1/4。次要翅片的高度可与主要翅片的高度相同或小于主要翅片的高度，包括主要翅片高度的3/4、高度的1/2、高度的1/3或高度的1/4，例如主要翅片高度的1/4至3/4。例如，各次要翅片的高度可为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm和50mm。次要翅片可径向放置于无翅片区附近。次要翅片角可与主要翅片角相同或小于主要翅片角，包括主要翅片角的3/4、1/2、1/3或1/4，例如主要翅片角的1/4至3/4。例如，次要翅片角可为11.25°、12.5°、15°、20°、22.5°、25°或30°；次要翅片角在散热片内可相同或不同。
优选地，散热片基底包括1个或1个以上基底对流孔，例如1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个基底对流孔。基底对流孔可为任何形状，但优选存在于主要翅片下方并且优选不存在于无翅片区中。优选地，各主要翅片和/或次要翅片还包括1个或1个以上翅片对流孔，更优选1个次要翅片对流孔和2个主要翅片对流孔(主要翅片的各臂中具有一个)。优选地，各翅片对流孔与基底对流孔邻接。
优选地，散热片具有分子扇形涂层。所述涂层描述于美国专利第7,931,969号(林，2011年4月26日)和第8,545,933号(林，2013年10月1日)中。分子扇形物将包括纳米粒子以增加表面积、和功能化纳米材料以在涂层的表面上提供离散分子，当离散分子在不同振动状态之间转变时其辐射红外光。在固化时硬化的乳液亦包括于分子扇形涂层材料中以使纳米粒子和功能化纳米材料粘附于装置或散热片的表面上。可将其它组份添加至涂层以改进其它特性，例如耐腐蚀性、粘附性、耐指纹性、易于清洁和着色。其它类型的涂层为可能的，例如黑色涂层，以提高发射率，但其并不如分子扇形涂层有效。分子扇形涂层为“主动”热耗散技术，其几乎不占据空间并且不需要功率。
图4说明高景LED装置50的透视图。高景LED装置包括散热片10、反射器52和任选的易于安装高景LED装置的托架54。可从天花板悬挂所说明的高景LED装置以为办公室或工厂或为包括花、果实和草本植物的农产品的水培生长提供光。
图5说明图4的高景LED装置的分解图。除了图4中所示的那些特征之外，高景LED装置还包括：围绕LED的透镜56，用于在宽广角度内扩散由LED发射的光；热耦接到散热片58的LED，所述LED具有常规的导热膏60以改进热传递并且减少对散热片的热欧姆效应；和任选的连接器62，用于将散热片连接至其它特征。所述透镜围绕LED并且反射器围绕所述透镜。若多个LED存在于装置中，则所述透镜围绕所有LED。
所说明的所有组件为常规、市售或可按照客户要求使用的，除了散热片。各种瓦特数的LED为可用的，包括50W、70W或100W。将散热片放置于高景LED装置内以致无翅片区在LED正上方。透镜和反射器辅助在高景LED装置下方在宽广角度内分布LED光。
图6说明第二散热片100的透视图。此为复合散热片，意欲与多个LED(在此情况下，3个LED)一起使用，用于单个高景LED装置。所述复合散热片包括18个主要翅片20、9个次要翅片22、基底24、7个基底对流孔26、和许多主要翅片中的主要翅片对流孔30。
图7说明第二散热片的俯视图。除了图6中所说明的那些特征之外，此图也展示了基底的无翅片区40(由点线定界；此实例中存在3个)。也展示了主要翅片的开度角44。优选地并且在此散热片中，主要翅片延伸超出基底以提高对流用于更大热耗散。因此，图6和图7中所示的散热片(其中主要翅片延伸超出基底)比图8和图9的那些(其中主要翅片并未延伸超出基底)优选。
复合散热片可视为多个散热片，其中主要翅片和次要翅片延伸出至围绕装置的中心的较大环的边缘。所述复合散热片可用于制成2个、3个、4个、5个或6个LED。在这些复合散热片中，仅主要翅片的子集将具有相同尺寸、形状和直臂。
图8说明第三散热片200的透视图。此为复合散热片，意欲与多个LED(在此情况下，3个LED)一起使用，用于单个高景LED装置。所述复合散热片包括18个主要翅片20、9个次要翅片22、基底24、7个基底对流孔26、和许多主要翅片中的主要翅片对流孔30。
图9说明第三散热片的俯视图。除了图8中所说明的那些特征之外，此图也展示了基底的无翅片区40(由点线定界；此实例中存在3个)。也展示了主要翅片的开度角44。在此散热片中，主要翅片并未延伸超出基底。
实例
实例1
对包括100W的LED和具有9mm的基底厚度、具有与不具有分子扇形涂层的典型设计的散热片(其不包括主要翅片也不包括无翅片区)的高景LED装置与使用本申请案的具有8mm的基底厚度并且具有分子扇形涂层的散热片的另外相同的高景LED装置进行比较。测量接近LED接面的各装置的温度并且在图10中说明。
如图中所示，尽管典型设计的散热片具有几乎两倍的表面积，经分子扇形物涂布的散热片的平衡温度为83℃，并且未经涂布的散热片的平衡温度为80℃。相比的下，本申请案的涂布有分子扇形物的散热片具有71.5℃的平衡温度。数据说明散热片的设计对由分子扇形涂层产生的热耗散方面的改进具有显著影响。在图10中，本申请案的散热片仅重0.86kg，而典型设计的散热片重1.57kg。
实例2
对三个包括100W的LED和本申请案的具有8mm、10mm或11mm的基底厚度并且具有分子扇形涂层、不同分子扇形涂层和不具有涂层的散热片的高景LED装置进行比较。测量接近LED接面的各装置的温度并且在图11中说明。
如图中所示，8mm(具有分子扇形涂层)、10mm(具有不同分子扇形涂层)或11mm(不具有涂层)的平衡温度分别为71.5℃、75.6℃和86.3℃。图10和图11中的数据均说明当分子扇形涂层不存在时本申请案的散热片对热耗散不如典型设计的那些有效，但在分子扇形涂层存在时显著更优。
实例3
对包括三个100W的LED和具有与不具有分子扇形涂层的典型设计的散热片(其不包括主要翅片也不包括无翅片区)的高景LED装置与使用本申请案的散热片并且具有分子扇形涂层的另外相同的高景LED装置进行比较。测量接近LED接面的各装置的温度并且在图12中说明。
如图中所示，尽管典型设计的散热片具有几乎两倍的表面积，经分子扇形物涂布的散热片的平衡温度为84℃，并且未经涂布的散热片的平衡温度为82℃。相比的下，本申请案的涂布有分子扇形物的散热片具有63.4℃的平衡温度。数据说明散热片的设计对由分子扇形涂层产生的热耗散方面的改进具有显著影响。在图12中，本申请案的散热片仅重3.14kg，而典型设计的散热片重4.76kg。
实例4
对两个包括三个100W的LED和本申请案的散热片并且具有分子扇形涂层与不具有涂层的高景LED装置进行比较。测量接近LED接面的各装置的温度并且在图13中说明。
数据说明分子扇形涂层对本申请案的散热片的热耗散具有的显著影响。市售散热片(或典型散热片)提供“被动”热耗散，并且通常用于实现的LED装置的平衡温度为约80℃或更高。除了典型散热片之外，还需要机械扇形物用以去除大功率和高亮度LED装置中的余热。分子扇形物提供“主动”热耗散。使用如图10至图13中所示的具有分子扇形涂层的本申请案的散热片使100W的LED装置的平衡温度降到71.5℃，并且使300W的LED装置的平衡温度降到63.4℃。

Claims (21)

1.一种散热片，其包含：
基底，
主要翅片，其在所述基底上并且从所述基底垂直地延伸，和
所述基底上的无翅片区，
其中所述主要翅片各具有
第一臂，
第二臂，其与所述第一臂相接以形成主要翅片底部，和
阀杆，其远离所述主要翅片底部延伸。
2.根据权利要求1所述的散热片，其中所述主要翅片径向安置于所述无翅片区周围，其中各主要翅片的所述阀杆朝所述无翅片区定向。
3.根据权利要求1所述的散热片，其中：
所述散热片包含4个至8个主要翅片，
所述主要翅片各具有22.5°至45°的开度角，和
所述主要翅片径向安置于所述无翅片区周围，其中各主要翅片的所述阀杆朝所述无翅片区定向。
4.根据权利要求3所述的散热片，其进一步包含次要翅片。
5.根据权利要求4所述的散热片，其中所述次要翅片各具有所述主要翅片的1/4至3/4高度的高度。
6.根据权利要求5所述的散热片，其中所述次要翅片径向安置于所述无翅片区周围。
7.根据权利要求3所述的散热片，其中所述基底和所述主要翅片形成整体结构。
8.根据权利要求6所述的散热片，其进一步包含：
所述基底中的对流孔，和
所述主要翅片的各臂中的对流孔，
其中所述主要翅片的各臂中的各对流孔与所述基底中的对流孔邻接。
9.根据权利要求8所述的散热片，其中所述基底、所述主要翅片和所述次要翅片形成整体结构。
10.根据权利要求1所述的散热片，其进一步包含分子扇形涂层。
11.一种复合散热片，其包含：
基底，
主要翅片，其在所述基底上并且从所述基底垂直地延伸，和
所述基底上的多个无翅片区，
其中所述主要翅片各具有
第一臂，
第二臂，其与所述第一臂相接以形成主要翅片底部，和
阀杆，其远离所述主要翅片底部延伸，和
所述主要翅片中的至少一者具有22.5°至45°的开度角，和
所述主要翅片安置于所述无翅片区域周围，其中各主要翅片的所述阀杆朝所述无翅片区域中的一者定向。
12.根据权利要求11所述的复合散热片，其进一步包含次要翅片。
13.根据权利要求12所述的复合散热片，其中所述基底、所述主要翅片和所述次要翅片形成整体结构。
14.根据权利要求11所述的复合散热片，其进一步包含在所述基底中的对流孔。
15.根据权利要求11所述的复合散热片，其进一步包含分子扇形涂层。
16.一种高景LED装置，其包含：
LED，
根据权利要求1或8所述的散热片，其热耦接到所述LED，
透镜，其围绕所述LED，和
反射器，其围绕所述透镜，
其中所述基底的所述无翅片区位于所述LED的正上方。
17.根据权利要求16所述的高景LED装置，其进一步包含与所述LED接触并且与所述散热片接触的导热涂层。
18.一种高景LED装置，其包含：
多个LED，
根据权利要求11或14所述的复合散热片，其热耦接到所述LED，
透镜，其围绕所述LED，和
反射器，其围绕所述透镜，
其中所述基底的所述无翅片区位于各LED的正上方。
19.一种产生光的方法，其包含施加电流到根据权利要求16或18的高景LED装置。
20.根据权利要求1所述的散热片，其中所述第一臂和所述第二臂延伸超出所述基底。
21.根据权利要求11所述的复合散热片，其中所述第一臂和所述第二臂延伸超出所述基底。
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