TWI765445B

TWI765445B - 外延式光學模組散熱結構及其散熱調整方法

Info

Publication number: TWI765445B
Application number: TW109142649A
Authority: TW
Inventors: 沈銘秋; 周梅芬; 楊中廷; 黃晢文
Original assignee: 遠東科技大學
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2022-05-21
Also published as: TW202224543A

Abstract

一外延式光學模組散熱結構包含一散熱器，該散熱器包括一導熱塊、一基板，及複數片鰭片，該導熱塊、該基板及該等鰭片依序以一延伸方向設置，該導熱塊以該延伸方向延伸至抵到該基板，該基板包括一第一面及相反於該第一面的一第二面，該第一面至該第二面的方向為該延伸方向，該第一面與該導熱塊接觸，該等鰭片間隔設置在該第二面且以該延伸方向延伸，其中，以該基板在該延伸方向的厚度為一基準長度，該導熱塊在該延伸方向的長度為10倍的該基準長度，每一鰭片在該延伸方向的高度為3倍的該基準長度。

Description

外延式光學模組散熱結構及其散熱調整方法

本發明係關於一種外延式光學模組散熱結構及其散熱調整方法，尤指藉由調整外延式光學模組散熱結構的結構參數達到良好散熱之外延式光學模組散熱結構及其散熱調整方法。

隨著環保議題受到重視，應用於汽車的車燈已從傳統的鹵素燈泡逐漸被LED取代，LED具有耗電少、輕巧、環保、壽命長、驅動電壓低、無須暖燈時間、反應速率快與安全性高等優點，相較於傳統光源可以節省更多電力。雖然LED相較於傳統光源具有諸多優點，但由於高功率LED所輸入的額定瓦數僅約10~20%轉換成光能，其餘能量皆以廢熱型式累積於LED的封裝上，造成LED因溫度越高而導致其使用壽命與發光強度跟著降低。因此，針對LED光學模組的散熱問題在此領域越顯重要。

其中，應用於車燈的LED光學模組的散熱結構分為內置式及外延式，因為考量內置式散熱結構與LED光學模組一起封閉在車燈的燈殼內，內置式散熱結構受限於封閉的燈殼內而不易將熱傳出燈殼之外，因此，藉由外延式散熱結構部分延伸出燈殼外，以改良LED光學模組的散熱，但外延式散熱結構還是有最佳化的改善空間。

爰此，本發明人為使習用外延式散熱結構的散熱效果有更好的改善，而提出一種外延式光學模組散熱結構及其散熱調整方法。

該外延式光學模組散熱結構適用於一殼體及一光學模組，該殼體界定一容置空間，該光學模組設置在該容置空間且受控制產生一光線，該外延式光學模組散熱結構包含一散熱器。

該散熱器部分設置在該容置空間，且與該光學模組接觸，該散熱器包括一導熱塊、一基板，及複數片鰭片，該導熱塊、該基板及該等鰭片依序以一延伸方向設置，該導熱塊以該延伸方向自該容置空間朝該容置空間外延伸至抵到該基板，該基板包括一第一面及相反於該第一面的一第二面，該第一面至該第二面的方向為該延伸方向，該第一面與該導熱塊接觸，該等鰭片間隔設置在該第二面且以該延伸方向延伸，其中，以該基板在該延伸方向的厚度為一基準長度，該導熱塊在該延伸方向的長度為10倍的該基準長度，每一鰭片在該延伸方向的高度為3倍的該基準長度；複數個換氣部件，該等換氣部件分別為複數個換氣管，該殼體後方的左右二側的其中一側及上側各形成一開口，該等開口與該容置空間內外連通，該等換氣部件設置在該殼體後方，且分別對應該等開口，該容置空間內的氣體能經由該等開口及該等換氣部件與該容置空間外的氣體交換。

進一步，該外延式光學模組散熱結構還包含複數個換氣部件，每一換氣部件的透氣率介於47.5%至52.5%之間。

進一步，該等鰭片以一間隔方向間隔地設置在該第二面，每一鰭片在該間隔方向的厚度為0.4倍的該基準長度。

進一步，該導熱塊為朝該延伸方向延伸的一圓柱，該導熱塊的直徑為8倍的該基準長度。

該外延式光學模組散熱結構之散熱調整方法適用於一外延式光學模組散熱結構，該外延式光學模組散熱結構包含一散熱器，該散熱器部分與一光學模組設置在一殼體的容置空間內，該光學模組受控制產生一光線，該散熱器包括一導熱塊、一基板，及複數片鰭片，該導熱塊、該基板及該等鰭片依序以一延伸方向設置，該導熱塊以該延伸方向自該容置空間朝該容置空間外延伸至抵到該基板，該基板包括一第一面及相反於該第一面的一第二面，該第一面至該第二面的方向為該延伸方向，該第一面與該導熱塊接觸，該等鰭片間隔設置在該第二面且以該延伸方向延伸，該外延式光學模組散熱結構之散熱調整方法包含：設該基板在該延伸方向的厚度為一基準長度；調整該導熱塊在該延伸方向的長度為10倍的該基準長度；調整每一鰭片在該延伸方向的高度為3倍的該基準長度；在該殼體後方的左右二側的其中一側及上側各開設一開口，該等開口與該容置空間內外連通；及該等換氣部件分別選用複數個換氣管，將該等換氣部件設置在該後殼，且分別對應該等開口，該容置空間內的氣體能經由該等開口及該等換氣部件與該容置空間外的氣體交換。

進一步，該外延式光學模組散熱結構還包含複數個換氣部件，該外延式光學模組散熱結構之散熱調整方法還包含調整每一換氣部件的透氣率介於47.5%至52.5%之間。

進一步，該等鰭片以一間隔方向間隔地設置在該第二面，該外延式光學模組散熱結構之散熱調整方法還包含調整每一鰭片在該間隔方向的厚度為0.4倍的該基準長度。

進一步，該導熱塊為朝該延伸方向延伸的一圓柱，該外延式光學模組散熱結構之散熱調整方法還包含調整該導熱塊的直徑為8倍的該基準長度。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.藉由調整該導熱塊在該延伸方向的長度、每一鰭片在該延伸方向的高度，及該基板在該延伸方向的厚度之間的比例關係，使該外延式光學模組散熱結構在與該光學模組接觸時達到最佳的散熱效果，以延長該光學模組的使用期限而更環保。

2.藉由調整每一換氣部件的透氣率、該等換氣部件的數量、設置位置及選用種類，及每一鰭片在該間隔方向的厚度、該導熱塊的直徑與該基板在該延伸方向的厚度之間的比例關係，也能影響該外延式光學模組散熱結構的散熱效果。

1:殼體

11:前殼

12:後殼

13:開口

2:外延式光學模組散熱結構

21:散熱器

211:傳導件

2111:第一傳導面

2112:第二傳導面

2113:鰭部

212:導熱塊

213:基板

2131:第一面

2132:第二面

214:鰭片

22:換氣部件

L:延伸方向

P:間隔方向

S01:調整導熱塊直徑步驟

S02:調整導熱塊長度步驟

S03:調整基板厚度步驟

S04:調整鰭片高度步驟

S05:調整鰭片厚度步驟

S06:選擇換氣部件種類步驟

S07:調整換氣部件位置及數量步驟

S08:調整換氣部件透氣率步驟

[第一圖]是一部分立體分解圖，說明本發明外延式光學模組散熱結構的一實施例裝設在一車燈內。

[第二圖]是一立體圖，說明該外延式光學模組散熱結構裝設在該車燈內。

[第三圖]是一立體圖，說明該外延式光學模組散熱結構裝設在該車燈內。

[第四圖]是一立體圖，說明該實施例的一散熱器的結構。

[第五圖]是一平面圖，說明該內置式光學模組散熱結構的換氣部件裝設在該車燈的位置。

[第六圖]是一流程圖，說明該實施例實行的一散熱調整方法。

[第七圖]是一側視圖，說明該實施例的結構。

綜合上述技術特徵，本發明外延式光學模組散熱結構及其散熱調整方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖至第三圖，本發明外延式光學模組散熱結構能裝設於一車燈內，該車燈包含一殼體1及一光學模組(圖未示)。該殼體1界定一容置空間，且包括一前殼11及一後殼12，該前殼11與該後殼12可分離地結合在一起，該後殼12開設複數個開口13，該等開口13與該容置空間內外連通。該光學模組設置在該容置空間且受控制產生一光線，該光線自該前殼11射出。該光學模組為一LED光學模組。該車燈為可滿足1000流明(lm)及歐規ECE R112(Economic Commission of Europe，Regulation No.112)需求的一車規LED。該LED光學模組發出12瓦特之亮度，總光通量可達1150流明(lm)。該外延式光學模組散熱結構2包含一散熱器21及複數個換氣部件22。

參閱第一圖、第四圖及第五圖，該散熱器21部分設置在該容置空間，且包括一傳導件211、一導熱塊212、一基板213及複數片鰭片214。

該傳導件211、該導熱塊212、該基板213及該等鰭片214依序以一延伸方向L設置。該傳導件211設置在該容置空間內且與該光學模組接觸。該傳導件211包括一第一傳導面2111、一第二傳導面2112及複數片鰭部2113，該第一傳導面2111與該第二傳導面2112位於該傳導件211的相反二面，該第一傳導面2111至該第二傳導面2112的方向為該延伸方向L，該第一傳導面2111與該光學模組的部分結構貼合，該等鰭部2113設置在部分的該第二傳導面2112上。該導熱塊212為以該延伸方向L自該容置空間朝該容置空間外延伸的一圓柱，該導熱塊212一端與該第二傳導面2112及該等鰭部2113接觸，該導熱塊212另一端抵到該基板213。該基板213包括一第一面2131及一第二面2132，該第一面2131與該第二面2132位於該基板213的相反二面，該第一面2131至該第二面2132的方向為該延伸方向L，該第一面2131與該導熱塊212接觸。該等鰭片214以一間隔方向P間隔地設置在該第二面2132，且以該延伸方向L延伸。該間隔方向P垂直該延伸方向L。

該等換氣部件22設置在該後殼12，且分別對應該等開口13。該容置空間內的氣體能經由該等開口13及該等換氣部件22與該容置空間外的氣體交換。

參閱第一圖、第四圖及第六圖，該外延式光學模組散熱結構2之散熱調整方法包含一調整導熱塊直徑步驟S01、一調整導熱塊長度步驟S02、一調整基板厚度步驟S03、一調整鰭片高度步驟S04、一調整鰭片厚度步驟S05、一選擇換氣部件種類步驟S06、一調整換氣部件位置及數量步驟S07，及一調整換氣部件透氣率步驟S08。須注意的是，上述步驟並無執行順序的限制。

該調整導熱塊直徑步驟S01為以該基板在該延伸方向的厚度為一基準長度，調整該導熱塊212為該圓柱的直徑為8倍的該基準長度，該導熱塊212的直徑介於3.8公分至4.2公分之間。

該調整導熱塊長度步驟S02為調整該導熱塊212在該延伸方向L的長度為10倍的該基準長度，該導熱塊212在該延伸方向L的長度介於4.75公分至5.25公分之間。

該調整基板厚度步驟S03為調整該基板213在該延伸方向L的厚度介於0.475公分至0.525公分之間，在本例設為該基準長度。

該調整鰭片高度步驟S04為調整每一鰭片214在該延伸方向L的高度為3倍的該基準長度，每一鰭片214在該延伸方向L的高度介於1.425公分至1.575公分之間。

該調整鰭片厚度步驟S05為調整每一鰭片214在該間隔方向P的厚度為0.4倍的該基準長度，每一鰭片214在該間隔方向P的厚度介於0.19公分至0.21公分之間。

該選擇換氣部件種類步驟S06為將該等換氣部件22分別選用複數個換氣管。

該調整換氣部件位置及數量步驟S07為在該後殼12後方的左右二側的其中一側及上側各開設一所述開口13，且將該等換氣部件22設置在該後殼12，且分別對應該等開口13。在本例中，其中一所述開口13是開設在該後殼12從該容置空間外以相反於該延伸方向L看該後殼12時，位於該後殼12的左側。

該調整換氣部件透氣率步驟S08為調整每一換氣部件22的透氣率介於47.5%至52.5%之間。

將該外延式光學模組散熱結構2設置在該車燈且進行模擬，且使用一熱流分析套裝軟體進行模擬。模擬環境為固定在攝氏溫度50度，由於是考慮穩態之結果，在固體之熱物性中僅有熱傳導係數需被考慮，因此採用的物件規格為該散熱器21使用編號A6063之鋁合金材料，其熱傳導係數為154W/m-K(瓦．公尺-1克耳文-1)，該光學模組的一LED晶片，材料為氮化鋁(AlN)，其熱傳導係數為180W/m-K，該LED晶片下的導熱板則為純銅(Cu)，其熱傳導係數為390W/m-K，該LED晶片上的材料則為環氧樹脂(EPOXY)，其熱傳導係數為0.2W/m-K，該光學模組的一透鏡是使用壓克力材料之聚甲基丙烯酸甲酯 (Poly(methyl methacrylate),PMMA)，其熱傳導係數為0.22W/m-K，該殼體1、該光學模組其餘部分是使用聚碳酸脂(Polycarbonate，PC)，其熱傳導係數為0.2W/m-K。

在本案中，該LED光學模組的規格上限為攝氏溫度130度以下，由於品質特性的量測值(或是其平均值)通常不適合直接用來做為品質的指標，取而代之是使用訊號雜訊比(Signal-to-Noise ratio)來做為品質特性的代表，訊號雜訊比通常將可預測的部分稱為訊號(Signal)，而不可預測的部分則稱為雜訊(Noise)，透過訊號雜訊比的差異性，可以得知該外延式光學模組散熱結構2的結構設計參數對於整體散熱的影響。若品質特性具有一個規格上限，且為非負數值，其訊號雜訊比的值越小越好的特性則稱之為望小品質特性。因此，本案結構設計參數使用望小特性來分析。望小特性之訊號雜訊比可表示為以下公式一：

其中，η表示訊號雜訊比，n表示量測值的數量，y表示輸出回應的量測值，

表示n個量測值的平均值，s _n表示n個量測值的標準差。

配合參閱第七圖，模擬變化的參數分別為該導熱塊212的直徑、該導熱塊212在該延伸方向L的長度、該基板213在該延伸方向L的厚度、每一鰭片214在該延伸方向L的高度、每一鰭片214在該間隔方向P的厚度、該等換氣部件22的種類、該等換氣部件22的設置位置及數量，及每一換氣部件22的透氣率，為方便說明，分別表示為參數A、參數B、參數C、參數D、參數E、參數F、參數G及參數H。參考表一，參數A模擬兩個變化狀態，該導熱塊22的直徑分別是4公分及6公分，參數B模擬三個變化狀態，該導熱塊22在該延伸方向L的長度分別是1公分、3公分及5公分，參數C模擬三個變化狀態，該基板213在該延伸方向L的厚度分別是0.1公分、0.3公分及0.5公分，參數D模擬三個變化狀態，每一鰭片214在該延伸方向L的高度分別是0.1公分、0.3公分及0.5公分，參數E模擬三個變化狀態，每一鰭片214在該間隔方向P的厚度分別是0.2公分、0.4公分及0.6公分，參數F模擬三個變化狀態，該等換氣部件22的種類分別是一種排氣塞、一種換氣管及一種不織布，參數G模擬三個變化狀態，該等換氣部件22的設置位置及數量分別是在該後殼12的左、右側各安裝一換氣部件22、在該後殼12左、上側各安裝一換氣部件22，及在該後殼12左、右、上側各安裝一換氣部件22，參數H模擬三個變化狀態，每一換氣部件22的透氣率分別是10%、30%及50%。

本模擬為在每一參數在一變化狀態下，模擬該LED光學模組LED封裝上位置的溫度設為輸出回應的量測值，並代入公式一計算，以獲得每一參數在一變化狀態的訊號雜訊比，並計算每一參數在一變化狀態的訊號雜訊比的平均值及每一參數在該等變化狀態的訊號雜訊比的比，以獲得該等參數影響該外延式光學模組散熱結構2的散熱效果排序，結果如表二所示。

參考表二，從表二可看出，該導熱塊212的直徑在4公分為最佳狀態，該導熱塊212在該延伸方向的長度在5公分為最佳狀態，該基板213在該延伸方向的厚度在0.5公分為最佳狀態，每一鰭片214在該延伸方向L的高度在1.5公分為最佳狀態，每一鰭片214在該間隔方向P的厚度在0.2公分為最佳狀態，該等換氣部件22的種類為該等換氣管為最佳狀態，該等換氣部件22使用的數量為二個且分別設置在該後殼12左、上側位置為最佳狀態，每一換氣部件22的透氣率在50%為最佳狀態。調整參數B、參數D、參數C及參數H影響該外延式光學模組散熱結構2的散熱效果最明顯。

更進一步，將最佳化參數組合的該外延式光學模組散熱結構2進行實測，首先，先將該外延式光學模組散熱結構2與模擬設定相同廠牌型號與功率之該LED光學模組組裝，組裝方式是以導熱膏塗抹或具厚度之導熱墊片放置於兩者接觸面上，並且使用螺絲與均溫基座鎖緊，減小接觸熱阻的影響，由於是採用車燈廠對於燈具耐熱測試的方式來進行驗證，並且採用車燈廠進行雷諾日產之連續點燈試驗規範測試所使用的一對流循環式高溫試驗機，來做為相關溫度量測及散熱設計可行性的實驗驗證之環境系統，並搭配一福祿克廠牌之多點式溫度計錄器，針對試驗過程進行溫度記錄，實驗過程燈具都是放置在該對流循環式高溫試驗機的一試驗槽中間的位置，且將該試驗槽溫度控制在50±1℃進行散熱性能測試，又使用一溫度感測器以點焊的方式設置在與模擬相同的封裝位置。將模擬結果與實測進行比對，比對結果如表三所示。

從表三可看出實際量測值與模擬值存在著2.8℃左右之溫度差，其誤差值相當小，則模擬結果是具有參考價值的。由此結果可以得知，調整該導熱塊212的直徑介於3.8公分至4.2公分之間為最佳狀態的範圍內，調整該導熱塊212在該延伸方向L的長度介於4.75公分至5.25公分之間為最佳狀態，調整該基板213在該延伸方向L的厚度介於0.475公分至0.525公分之間為最佳狀態的範圍內，調整每一鰭片214在該延伸方向L的高度介於1.425公分至1.575公分之間為最佳狀態的範圍內，調整每一鰭片214在該間隔方向P的厚度介於0.19公分至0.21公分之間為最佳狀態的範圍內，該等換氣部件22的種類為該等換氣管為最佳狀態，該等換氣部件22使用二個且分別設置在該後殼12的左、上側位置為最佳狀態，每一換氣部件22的透氣率介於47.5%至52.5%之間為最佳狀態的範圍內。

綜上所述，藉由調整該導熱塊212在該延伸方向L的長度、每一鰭片214在該延伸方向L的高度，及該基板213在該延伸方向L的厚度之間的比例關係，使該外延式光學模組散熱結構2在與該光學模組接觸時達到最佳的散熱效果，還能藉由調整每一換氣部件22的透氣率、該等換氣部件22的數量、設置位置及選用種類，及每一鰭片214在該間隔方向P的厚度、該導熱塊212的直徑與該基板213在該延伸方向L的厚度之間的比例關係，也能影響該外延式光學模組散熱結構2的散熱效果。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。