CN112835253A - 一种低热阻投影光源散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低热阻投影光源散热装置，包括LED光源、扩热片、压板、型材散热器、散热风扇；所述LED光源、扩热片和型材散热器依次相贴合设置；所述压板与所述扩热片相贴合，所述压板与所述LED光源位于同侧且位置相错开；所述散热风扇设于所述型材散热器的一侧。通过扩热片，显著提升了型材散热器的整体导热速度，从而改善了LED光源的散热速度，有效降低了LED光源的晶片温度，对延长LED光源的使用寿命、提高投影机亮度输出等诸多方面，都有显著的积极作用，同时本发明仍具有单纯采用型材散热器的耐用且廉价特性，本发明相比于现有单纯采用型材散热器成本增加极少。

Description

一种低热阻投影光源散热装置

技术领域

本发明涉及投影机领域，尤其涉及一种低热阻投影光源散热装置。

背景技术

现有投影机的光源散热装置包括：散热风扇和散热器，散热器直接与LED光源连接，LED光源产生的热量直接传导至散热器上，再通过散热风扇将散热器上的热量吹至投影机壳体外部，实现LED光源散热的目的，现有散热器一般采用型材散热器(常见的如图4所示直肋型材)或者热管散热器(较大功率时会采用如图5所示双头循环的热管散热器)。

现有型材散热器一般为6063等铝、铝合金材料通过挤压而获得，型材散热器虽耐用，但具体应用时受外形尺寸、厚度等因素影响，导致型材散热器成本虽低，但导热、扩热等性能都较差。热管散热器散热效果好，但高品质的热管散热器价格相对较高(比型材散热器成本高约10倍左右)，多数国产投影机都无法承受其成本；而廉价的热管散热器(比型材散热器成本高约2-4倍左右)，不仅其自身品质不可靠(如容易漏液失效)，而且穿于热管上的肋片普遍存在和热管接触不良的现象，从而导致热管散热器寿命短且品质离散性大。故在现有中低价位的投影机上，人们还是选择采用型材散热器对LED光源进行散热，不仅型材散热器耐用，而且还能有效降低投影机的成本，尽管型材散热器散热效果不佳。

上述6063等铝、铝合金材料的型材散热器，其材料导热系数约200W/(m·k)，且各向导热性相同，导热和扩热性能低，不利于LED光源快速散热，如何设计一种导热和扩热性能更高，且成本相比于现有型材散热器又增加不明显的光源散热装置，此成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种耐用且成本低的低热阻投影光源散热装置，本发明能有效改善LED光源的散热速度，有效降低LED光源的晶片温度。

本发明提供的一种低热阻投影光源散热装置，包括LED光源、扩热片、压板、型材散热器、散热风扇；所述LED光源、扩热片和型材散热器依次相贴合设置；所述压板与所述扩热片相贴合，所述压板与所述LED光源位于同侧且位置相错开；所述散热风扇设于所述型材散热器的一侧；

所述型材散热器的吸热面为平面结构，所述扩热片沿水平方向上的导热系数≥1000W/(m·k)，所述扩热片采用导热石墨片或石墨烯导热片。

优选地，所述吸热面的尺寸和面积大于所述LED光源的基板的尺寸和面积；所述扩热片的尺寸和面积大于所述LED光源的基板的尺寸和面积。

本发明的有益效果：本发明扩热片采用导热石墨片或石墨烯导热片，而导热石墨片或石墨烯导热片相当轻薄，厚度≤0.1mm，又扩热片水平方向具有极高的导热能力，因此LED光源的热量能快速传导至扩热片，经扩热片传导至型材散热器上，在扩热片作有下，显著提升了型材散热器的整体导热速度，从而有效改善了LED光源的散热速度，有效降低了LED光源的晶片温度，对延长LED光源的使用寿命、提高投影机亮度输出、降低散热风扇运行噪音等诸多品质，都有显著的积极作用。同时本发明仍具有单纯采用型材散热器的耐用且廉价特性，本发明相比于现有单纯采用型材散热器成本增加极少，且又提高了LED光源的散热速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的立体图，图中未显示散热风扇；

图2为图1的分解图；

图3为LED光源对流散热图；

图4为现有型材散热器的立体图；

图5为现有热管散热器的立体图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3所示，本发明提供的一种低热阻投影光源散热装置，包括LED光源1、扩热片2、压板3、型材散热器4、散热风扇5；所述LED光源1、扩热片2和型材散热器3依次相贴合设置；所述压板3与所述扩热片2相贴合，所述压板3与所述LED光源1位于同侧且位置相错开；所述散热风扇5设于所述型材散热器4的一侧；

所述型材散热器4的吸热面为平面结构，所述吸热面的尺寸和面积大于所述LED光源1的基板的尺寸和面积；所述扩热片2的尺寸和面积大于所述LED光源1的基板的尺寸和面积；所述扩热片2沿水平方向上的导热系数≥1000W/(m·k)，所述扩热片2采用导热石墨片或石墨烯导热片。

本发明扩热片2采用导热石墨片或石墨烯导热片，而导热石墨片或石墨烯导热片相当轻薄，厚度≤0.1mm，又扩热片2水平方向具有极高的导热能力，因此LED光源1的热量能快速传导至扩热2片，经扩热片2传导至型材散热器4上，在扩热片作有下，显著提升了型材散热器4的整体导热速度，从而有效改善了LED光源1的散热速度，有效降低了LED光源1的晶片温度，对延长LED光源1的使用寿命、提高投影机亮度输出、降低散热风扇运行噪音等诸多品质，都有显著的积极作用。

本发明仍具有单纯采用型材散热器4耐用且廉价的特性，本发明相比于现有单纯采用型材散热器4成本增加极少，且又提高了LED光源1的散热速度。

本发明扩热片2在LED光源1安装区域之外的部分贴合有压板3，以在压板3作用下，使得扩热片2和型材散热器4吸热面有效紧密贴合，使得扩热片2能将热量快速传导至型材散热器4上；其中压板3可以为一个或者多个。具体地，LED光源1、扩热片2、压板3和型材散热器4之间通过螺钉(图上未画出)锁紧贴合在一起。

如下以具体实施例进行进一步说明：

型材散热器4吸热面的面积为120mm(长)*71mm(宽)；扩热片2的面积为120mm(长)*71mm(宽)，LED光源1的基板的面积为40mm*47mm，其中40mm方向和扩热片2的120mm方向平行；压板3为相同的两个，尺寸各为宽38mm、长71mm、厚1-1.5mm，材料为镀锌板，且压板3和LED光源1并列安装；扩热片2选择水平方向导热系数约1500W/(m·k)的天然导热石墨片，厚度为0.05mm-0.1mm，不带背胶。

型材散热器4为直肋结构，肋高20mm，肋顶厚0.7mm，肋根(肋基)厚1mm，在肋顶和肋根设有微小R值的圆角处理(利于挤压)，在71mm(宽)方向均匀分布24片肋，吸热面到肋基的厚度为3mm，材料为6063。上述20mm、24片、3mm三个数值，根据常识，数值越大型材散热器4肯定越好。

如图3所示，LED光源1直接安装在型材散热器4的吸热面上，LED光源1的发光部和型材散热器4的吸热面的中心重合，在LED光源1和型材散热器4的配合缝隙内涂有导热硅脂[导热系数约0.5-2W/(m·k)]。型材散热器4的吸热面的中心定义为c点，a、b和d、e点对称分布在c点两侧，ab、bc、cd、de间距相等，a、e点距离型材散热器4的侧面为5mm。LED光源1的焦耳热约35W。在型材散热器4的一侧，设有一台散热风扇5，散热风扇5的出风口和型材散热器4的一侧相对，距离约5-8mm，强迫风流从型材散热器4的另一侧流出，对散热风扇5的出风口到型材散热器4的出风的一端之内的这段风道，进行密封处理(散热风扇5和型材散热器4等使用时都是安装于投影机壳体内的)，上述换热主要是依赖于强迫对流实现。

点亮LED光源1，散热风扇5运转，此时a、b、c、d、e点上各挂接的温度计读数分别为Ta5、Tb5、Tc5、Td5和Te5开始从环境值逐步爬升，当进入稳态后(可类似理解为学术上的“一维稳态导热”，但要根据具体实际设置边界条件)，温度读数从大到小分别为Tc5、Td5、Te5、Tb5、Ta5，其中，Td5和Te5考虑测量误差，温度值可认为基本一样(表计读数差额不足0.5℃，在环境温度约10℃情况下)。需要说明的是，LED光源1和型材散热器4相接触的面，由于填充的导热硅脂极薄，所以可以理解为没有温度差(即热阻极小)，Tc5的温度，既是型材散热器4吸热面中心的温度，也是LED光源1与发光部相对的基板背部的温度，Tc5越小，可以认为LED光源1晶片的温度也越低，因为LED光源1的晶片到上述基板背部的热阻，一定温度范围内，是几乎趋于恒定的。

根据能量守恒原则，进入稳态后，发热量和散热量相等，散热能力的根本体现，就是Tc5的温度大小，或Tc5比环境温度高多少。

Td5和Te5差额极小，原因是风流经ac段加热后，在de段的换热能力已经远远不及ab段的换热能力，因而在de段任一位置截取一个微元段，其传热系数都已经明显小于型材散热器4材料的导热系数。

要提升整个散热装置的散热速度(即降低Tc5的温度)，主要有以下一些办法：加大环境(空气温度)和型材散热器4的换热面(肋的表面)的温差、加大散热风扇5的功率(增加风量)、增加肋片的数量(增加换热面积)、降低LED光源1的焦耳热、增加型材散热器4吸热面到肋基的厚度以降低吸热面中心到边缘的传导热阻等等。

而这几个举措，在实际产品上，都是很难实现的，因为环境温度一定时，增加环境和型材散热器4的换热面的温差，就必然要提升LED光源1的温度，这和散热的本质刚好是南辕北辙的；加大散热风扇5的功率，会增加噪音，并非没有限度，这也是行不通的；增加肋片的数量，要么让肋片的间距更密，这会受挤压工艺的制约，也是有限度的，要么增加型材散热器4的外形体积，这在具体产品上，也多半是不大可能的；增加型材散热器4吸热面到肋基的厚度以降低从吸热面的中心到边缘的传导热阻，这会受成本的制约，另外即便不考虑成本和重量，如前述肋基厚度由3mm增加一倍到6mm，改善的效益也并不大，而将型材散热器4的铝材、铝合金换为导热系数更高的材料如紫铜、银等，受工艺等影响这也是根本不可能的。

上述增加型材散热器4吸热面到肋基的厚度，白白大幅增加成本、重量不说，也并没有什么明显效果，主要原因是6063材料内部的各向导热系数一样，如上述3mm厚度增加到6mm，c点到a、e点由厚度增加一倍使得热阻降低了一半，但型材散热器4吸热面到肋基的热阻，因为厚度增加了一倍，又相应增加了一倍，当强迫对流时，对应于廉价投影机一般的光源焦耳热范围(30-50W)产生的积极效果，是非常有限的。

然而应用本发明，参见图1所示，采用在图3上a-e点同样的位置，测量图1中扩热片2(和LED光源1的基板相邻的面)上的温度对应分别为Ta1、Tb1、Tc1、Td1和Te1，相对Ta5-Te5，Tc1比Tc5降低了2.5-3℃，这说明本发明散热装置对LED光源1的散热性能有明显的效果改善(如上述光机电和环境条件，Tc1约42℃，Tc5有45℃)，其余Ta1、Tb1等4点的温度，相对同位置的Ta5、Tb5等有升有降。

而进一步测量图1中型材散热器4和上述a-e点相对应点的温度Ta1’-Te1’，Tc1’的温度比Tc1低0.2-0.3℃，这说明导热石墨片垂直方向较低的导热性能[导热系数约15-20W/(m·k)]，在热流量最集中的区域，带来了不良的影响，不过因为导热石墨片厚度较薄，总体上影响不大，仍然是显著改善了现有单纯采用型材散热器的散热效果，而其余Ta1’、Te1’等相对于对应的Ta1、Te1四个点，温度差不多相同，这说明导热石墨片垂直方向较低的导热性，对垂直方向热阻并无影响。

图1中，扩热片2选用石墨烯导热片，厚度约0.05，水平方向的导执热系数为3000W/(m·k)，产生的效果就更加显著，Tc1相对Tc5，有3.5-4℃的改善，不过成本比导热石墨片也高一些，接近前述廉价热管散热器的成本，仍然比廉价热管散热器有品质意义。

总体上，扩热片2在水平方向极高的导热能力，改善了型材散热器4相应方向的传热速度，从而提高了散热装置整体的对流换热能力，降低了LED光源1的晶片温度，进而发光效率更高，输入同样的电功率，焦耳热也更低；而投影机输出同样的亮度，在同样的LED光源1的情况下，可以一定程度降低电功率输入，焦耳热也进一步降低。这些都是提升产品品质的具体细节，都有利于从本质上提升投影机的核心竞争力。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种低热阻投影光源散热装置，其特征在于，包括LED光源(1)、扩热片(2)、压板(3)、型材散热器(4)、散热风扇(5)；所述LED光源(1)、扩热片(2)和型材散热器(4)依次相贴合设置，所述压板(3)与所述扩热片(2)相贴合，所述压板(3)与所述LED光源(1)位于同侧且位置相错开；所述散热风扇(5)设于所述型材散热器(4)的一侧；

所述型材散热器(4)的吸热面为平面结构，所述扩热片(2)沿水平方向上的导热系数≥1000W/(m·k)，所述扩热片(2)采用导热石墨片或石墨烯导热片。

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