CN1328746C - 导热车灯反射镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导热车灯反射镜(10)，其可将来自反射镜(10)内的光源(20)的热散发掉。该反射镜组件(10)包括壳(12)，其表面上有金属化层(16)。该壳(12)由这样的组合物制造：包括大约30%到大约80%体积比的基础聚合物基质以及大约20%到大约70%体积比的导热填料。该反射镜(10)具有大于3W/m°K以及优选大于22W/m°K的热导率。该反射镜(10)可用在汽车头灯、手电筒以及其它照明器件上。本发明还提供了制造这种车灯反射镜的方法。

Description

导热车灯反射镜
发明领域
本发明总体上涉及车灯反射镜以及用于制造这种反射镜的方法。具体地说，该反射镜由导热聚合物组合物制造，该导热聚合物组合物可将反射镜内产生热量的光源引起的热量散发。该反射镜可用于汽车头灯、手电筒及其它照明设施。
背景技术
过去，用于汽车头灯及其它照明装置的反射镜罩都是通过将金属片冲压成想要的形状而形成。一层铝真空沉积到成型金属上，以形成高光泽度的反射面。该金属冲压工艺生产出具有优良机械强度的头灯，但是只能生产出有限数量的简单形状。随着汽车头灯的设计发生变化，增强了对具有更复杂空气动力学结构的反射镜的需要。
目前，用于汽车头灯的反射镜罩常常由热固化或者热塑的组合物制造，这些组合物可以模制成各种形状。一般地，这些组合物包含提高模制罩的强度和尺寸稳定性的树脂和增强材料。
例如，Weber的第5,916,496号美国专利中公开了一种用含有大量纤维和矿物填料的组合物模塑车灯反射镜的方法。该方法制造了总体上为无机内核外覆有机物表层的车灯反射镜。不用底漆，铝层可真空沉积到有机物表层上。
Baciu等人的第4,617,618号美国专利中公开了一种通过共注塑模工艺制造的头灯反光镜。反射镜内核由含聚烷撑对苯二酸酯(polyalkyleneterephthalate)和赤铁矿(重量为85％到95％的三氧化二铁)颗粒的组合物制得，其中赤铁矿的颗粒尺寸小于70μm。玻璃纤维、微珠(microbeads)及其它填料可以加到组合物中。
Withoos等人的第4,188,358号美国专利中公开了一种制造镀金属的塑料反射镜的方法。纤维材料薄膜或者织物(例如，玻璃或者碳纤维)设置在模子的凸面上，并用热硬化合成树脂充满纤维材料。在该树脂部分硬化后，液态金属颗粒层喷射到该树脂上。支撑层设置在金属层上面，该支撑层包括用纤维材料(例如，聚酯或者尼龙)增强的合成树脂。
汽车头灯中的光源及其它反射镜器件可产生极大热量。这些器件必须在其包围的反光区域内(在反射镜和透镜组之间的区域)维持不大于190℃的工作温度。许多反射镜器件由作为热不良导体的模制塑料制造。因此，热量滞留在该反光区域，而且温度可快速增高到190℃以上。此过热现象常常发生在水下手电筒中，其中整个光照结构用塑料制成，并密封以阻止水流的渗透。
本行业已经试图通过各种途径来解决该过热问题。一种工艺是关于把较大的切割铝散热片模制到汽车头灯反光镜后面。这些散热片常常与热管一起使用，以把热量从反射镜后面传送到位于组件远处的其它散热片上。另一个工艺是关于用金属片制造反射镜。例如，铝片可碾压或者旋绕成需要的反射镜形状。然而，这些制造工艺是昂贵的，而且用这种工艺制造具有复杂形状的反射镜非常麻烦。
存在一种对导热灯光反射镜的需求，它可以将发热灯组件中的热量有效地散发掉，这些组件例如为汽车头灯、水下手电筒等等。本发明提供了这种导热的反射镜。
发明内容
本发明涉及导热的车灯反射镜，它包括表面涂有金属反光层的壳。该壳由含有基本聚合物基质和导热填料的组合物制成。该壳的表面可以用铝层金属化。包含聚硅氧烷、二氧化硅或者丙烯酸树脂的保护层可以涂覆在铝涂层上面。该反射镜具有大于3W/m°K最好为大于22w/m°K的热导率。
选自下列物质的热塑性聚合物：聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸树酯、乙烯聚合物、以及碳氟聚合物可用于形成基质。优选，采用液晶聚合物。或选择使用热固性聚合物例如合成橡胶、环氧树脂类、聚酯、聚酰亚胺和丙烯腈。填料选自下列的物质，包括：铝、矾土、铜、镁、黄铜、碳、四氮化三硅、氮化铝、一氮化硼、氧化锌、玻璃、云母以及石墨。填料可以是颗粒、纤维或任何其它合适形式。该聚合物基质优选占组合物体积的大约30％到大约80％的比例，而导热的填料优选占组合物体积的大约20％到大约70％的比例。
在一个实施例中，该组合物包括：i)大约30％到大约60％体积比的聚合物基质；ii)大约25％到大约60％体积比的具有10∶1或更大长径比(aspectratio)的第一导热填料；以及iii)大约10％到大约15％体积比的具有5∶1或更少长径比的第二导热填料。
本发明此外还包括制造导热车灯反射镜的方法。
附图说明
在附属的权利要求中指出了作为本发明特征的新颖结构。然而，通过参考下列与附图相关的详细说明，可以更清楚的理解本发明的优选实施例、以及进一步的目的和相关优势，其中：
图1为本发明车灯反射镜的平面剖视图；以及
图2为先有技术车灯反射镜与本发明车灯反射镜相比，灯泡温度随时间变化的图象。
具体实施方式
本发明涉及导热的车灯反射镜以及制造这种反射镜的方法。
一种导热的组合物用来制造本发明的车灯反射镜。此组合物含有基本聚合物基质和导热的填料。热塑性聚合物如聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸树脂、乙烯树脂和碳氟聚合物可用于形成该基质。或选择热固性聚合物，如合成橡胶、环氧树脂类、聚酯、聚酰亚胺和丙烯腈用作基质。例如，适当的合成橡胶包括：苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯丁二烯、丁腈橡胶、丁基橡胶、聚硫化橡胶、乙烯-丙烯三元共聚物、聚硅氧烷(silicones)和聚氨酯。液晶聚合物由于它们的高结晶性质和能力而优先采用，以为填料提供良好的基质。液晶聚合物的实例包括热塑芳香族聚酯。优选，聚合物基质占组合物大约30％到大约80％的体积。
导热的填料加入聚合物基质中。例如，合适的填料包括：铝、矾土、铜、镁、黄铜、碳、四氮化三硅、氮化铝、一氮化硼、氧化锌、玻璃、云母、石墨等等。这些填料的混合物也是合适的。填料优选占组合物大约20到大约70％的体积。更优选，聚合物基质占组合物的40％以上，而填料占组合物的60％以下。在一个实施例中，聚合物基质为液晶聚合物，占60％的组合物体积，而填料为沥青基质的碳纤维，占大约40％的组合物体积。
填料可以是粒状粉末、颗粒、须晶、纤维或者任何其它合适形式。颗粒可以具有各种结构。例如，该颗粒可具有薄片、板、大米、串、六角形或者球形。填料可具有大约10∶1或更大的较高长径比率(长度与厚度比)。例如，可采用长径比约为50∶1的基于沥青的碳纤维。也可选用，填料具有大约5∶1或更小的相对较低的长径比。例如，可采用具有大约4∶1长径比的氮化硼颗粒。优选，低长径比和高长径比的填料都可加到聚合物基质中，正如McCullough的第6,251,978号和第6,048,919号美国专利中描述的那样，这两个专利公开的内容在本文引入作为参考。
在一个优选实施例中，聚合物组合物包括：i)大约30％到大约60％体积比的聚合物基质；ii)大约25％到大约60％体积比的具有10∶1或更大长径比的第一导热填料；以及iii)大约10％到大约15％体积比的具有5∶1或更少长径比的第二导热填料。
更优选，该组合物包括：i)大约50％体积比的聚合物基质；ii)大约35％体积比的具有至少10∶1长径比的第一导热填料；以及iii)大约15％体积比的具有5∶1或更少长径比的第二导热填料。
填料与非导热聚合物基质充分混合以形成导热的组合物。加入填料为聚合物组合物提供了导热性。如果需要的话，混合物可以含如抗氧化剂、增塑剂、非传导性的填料、稳定剂、分散助剂以及脱模剂的添加剂。混合物可以利用在该领域中已知的技术制备。优选，各成分在低剪切力状态下混合，以免破坏导热的填料的结构。
重要的是，用于制造本发明反射镜组件的聚合物组合物具有大于3W/m°K的热导率，并优选大于22w/m°K的热导率。这些热传导性对于制造可较好地从发热光源散热的改进车灯反射镜是很重要的。
该聚合物组合物可以利用熔化-挤出、注射-模制、浇铸或者其它合适的工艺模制成车灯反射镜。注射模制工艺尤其优选。此工艺通常涉及把组合物的小球装填到料槽内。该料槽将小球引入加热的挤压机内，其中小球受热并形成熔化的组合物(液态塑料)形式。该挤压机把熔化组合物送到含注射柱塞的腔内。活塞迫使熔化组合物进入模具之内。(一般地，该模具有两个模制部分，这两个部分以两者间存在模腔或者空穴的方式互相对准)。材料在高压下保持在模具中，直到冷却。然后将成形的反射镜从该模具上取出。
参见图1，图中示出了本发明的车灯反射镜组件10的一个实施例。在图1中，车灯反射镜壳12具有附加在其上的塑料或者玻璃透镜14。该车灯反射镜壳12由如上所述的导热组合物制造。车灯反射镜壳12的表面可以用可反射的类似镜子的层16来金属化。一般地，铝用于形成该光亮的反射层16。利用已知的真空-沉积方法、电镀或者任何其它的适用技术，金属化表层16可以通过把液态金属铝喷涂到反射镜壳12的表面上而形成。防护涂层18可以应用在涂铝的层上。例如，二氧化硅层或者聚硅氧烷层可以是真空沉积上的，或者丙烯酸树脂可以喷射到涂铝层16上。此外，如灯泡的光源20设置在内腔22内。在图1中，示出的车灯反射镜壳12具有抛物线状，不过可以理解的是，壳可以具有各种形状。例如，壳12可以具有圆锥的形状。
本发明的车灯反射镜壳12具有几个有利的特性。特别是，该反射镜壳12具有大于3W/m°K，优选为大于22W/m°K的热导率。这些传热特性使反射镜把热从组件10的易于很快聚集热量的内腔22中散掉。该反射镜可有效地散热，并防止此封闭区产生过热。反射镜独特的组合物使该区域内温度保持在140℃以下并在UL要求的标准以下。此外，车灯反射镜壳12可以包括许多散热部件24，以通过增加车灯反射镜壳12的表面积提高传热。图中示出的散热部件24为直立的柱销形状。然而它们也可以具有如翅片的其它结构。
此外，本发明的车灯反射镜是通过网状模制的。这意味着反射镜的最终形状由模制部分的形状决定。不需要额外的工艺或者工具来形成该反射镜的最后形状。该模制工艺使散热部件24直接合并到该车灯反射镜壳12上。
通过下面的实例来进一步描述本发明，然而不应认为这些实例是对本发明范围的限制。
实例
实例1
导热的组合物模制成抛物线形的车灯反射镜壳，其中的组合物包括60％体积比的液晶聚合物和40％体积比的基于沥青的碳纤维。该车灯反射镜重2.9克。该车灯反射镜的表面没有用反射层金属化。该车灯反射镜配有供给4.8V和0.38A的灯泡。对封闭反射区内的温度监控四(4)小时的时间。该结果在图2的图表中用参考数字1来表示。
实例2
导热的组合物模制成整个罩子，然后机械加工成圆锥形状的车灯反射镜壳，所说的组合物包括60％体积比的液晶聚合物和40％体积比的基于沥青的碳纤维，而其中车灯反射镜壳重4.6克。该车灯反射镜的表面没有用反射层金属化。该车灯反射镜配有供给4.8V和0.38A的灯泡。对封闭反射区内的温度监控四(4)小时的时间。该结果在图2的图表中用参考数字2来表示。
对比例A
一种商业上可得到的目前生产的车灯反射镜由铝制造，该车灯反射镜配有供给4.8V和0.38A的灯泡。该反射镜的表面没有用反射层金属化。对封闭反射区内的温度监控四(4)小时的时间。该结果在图2的图表中用参考字母A来表示。
对比例B
商业上可得到的原型的车灯反射镜具有圆锥形状铝壳，该车灯反射镜配有供给4.8V和0.38A的灯泡。该铝壳的表面没有用反射层金属化或抛光。对封闭反射区内的温度监控四(4)小时的时间。该结果在图2的图表中用参考字母B来表示。
对比例C
导热的组合物模制成圆锥形状的车灯反射镜，所说的组合物中包括50％体积比的铝和50％体积比的尼龙。该车灯反射镜的表面用铝金属化来形成反射层。该车灯反射镜配有供给4.8V和0.38A的灯泡。对封闭反射区内的温度监控四(4)小时的时间。该结果在图2的图表中用参考字母C来表示。
鉴于上述情况，提供了一种改进灯组件10，该组件带有改进灯壳12，此灯壳具有可选用的散热部件24。利用本发明，在灯组件内的温度可以降低，从而延长其中光源的寿命。
如图2中的曲线所示，根据本发明制造的该车灯反射镜，如曲线1和2所示，与目前生产的车灯反射镜相比，该车灯反射镜具有改进的灯泡温度曲线。具体地说，本发明车灯反射镜的整体温度比传统的反射镜温度低。此外，需要花费较少时间使本发明的车灯反射镜冷却。
另外，如以下实例3-8所描述，采用了其它的导热组合物制造根据本发明的车灯反射镜。在下面的实例中，各种颗粒用作导热的填料。平均粒度大约15μm，不过有时采用具有高达500μm粒度的颗粒。根据本发明，现已发现应该采用具有例如大约15μm的相对小粒度的颗粒，因为这些较小颗粒有助于为车灯反射镜提供光滑表面。该光滑表面可以电镀金属反射层。在电镀及其它辅助加工后，该表面保持光滑并且没有任何小坑或者柑皮状缺陷。
实例3
导热的组合物模制成车灯反射镜壳，其中的组合物包括80％体积比的聚碳酸酯和20％体积比的石墨颗粒，该石墨颗粒具有大约15μm的平均粒度和2.1g/cc的密度。
实例4
导热的组合物模制成车灯反射镜壳，其中的组合物包括50％体积比的聚碳酸酯和50％体积比的石墨颗粒，该石墨颗粒具有大约15μm的平均粒度和2.1g/cc的密度。
实例5
制备包括聚酯(PET)和矾土颗粒的导热组合物。聚酯量在大约60％到80％体积比的范围内变化，而矾土颗粒的量在大约20％到大约40％体积比的范围变化。该矾土颗粒具有大约15μm的的平均粒度和3.9g/cc的密度。该组合物模制成车灯反射镜壳。
实例6
制备包括聚酯(PET)和玻璃颗粒的导热组合物。聚酯量在大约60％到80％体积比的范围内变化，而玻璃颗粒量在大约20％到大约40％体积比的范围变化。玻璃杯颗粒具有大约15μm的平均粒度和2.6g/cc的密度。该组合物模制成车灯反射镜壳。
实例7
制备包括聚酯(PET)和云母颗粒的导热组合物。聚酯量在大约60％到80％体积比的范围内变化，而云母颗粒量在大约20％到大约40％体积比的范围内变化。云母颗粒具有大约15μm的平均粒度。该云母颗粒用来试验和降低组合物的热膨胀系数。该组合物模制成车灯反射镜壳。
实例8
制备包括聚酯和石墨颗粒的导热组合物。聚酯量在大约60％到80％体积比的范围内变化，而石墨颗粒量在大约20％到大约40％体积比的范围内变化。石墨颗粒具有大约15μm的平均粒度和2.1g/cc的密度。该组合物模制成车灯反射镜壳。
本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明精神的情况下，可对举出的实施例进行各种变化和修改。所有这些修改和变化都被所附权利要求包含。

Claims (10)

1.一种导热的车灯反射镜，具有大于3W/m°K的热导率，该反射镜包
括：
具有表面的壳；以及
在该壳表面上的金属化层；
所述的壳包括大约30％到大约80％体积比的液晶聚合物基质和大约20％到大约70％体积比的导热沥青基质的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的车灯反射镜，其中该金属化层包括铝。
3.根据权利要求1所述的车灯反射镜，其中保护层选自聚硅氧烷、丙烯酸树酯和二氧化硅，该保护层涂覆在金属化层上面。
4.一种导热的车灯反射镜，具有大于3W/m°K的热导率，该反射镜包括：
具有表面的壳；以及
在该壳表面上的金属化层；
所述壳包括：i)大约30％到60％体积比的液晶聚合物基质；ii)具有10∶1或更大长径比的大约25％到大约60％体积比的第一导热填料，iii)具有5∶1或更少长径比的大约10％到大约15％体积的第二导热填料，其中第一导热填料是沥青基质的碳纤维。
5.根据权利要求4所述的车灯反射镜，其中该反射镜具有大于22w/m°K的热导率。
6.根据权利要求4所述的车灯反射镜，其中该金属化层包括铝。
7.根据权利要求4所述的车灯反射镜，其中该第一导热填料包含约50∶1长径比的碳纤维，以及第二导热填料包含约4∶1长径比的氮化硼颗粒。
8.一种制造导热车灯反射镜的方法，该反射镜具有大于3W/m°K的热导率，该方法包括的步骤为：
模制一个壳，该壳具有内表面，其中该壳包括大约30％到大约80％体积比的液晶聚合物基质和大约20％到大约70％体积比的导热沥青基质的碳纤维；以及
在该壳内表面上沉积金属化材料层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中该金属化材料是铝。
10.根据权利要求8所述的方法，其中保护层选自包括聚硅氧烷、丙烯酸树酯和二氧化硅的化合物，该保护层涂覆在该金属化层上面。
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