TWI767847B

TWI767847B - 車用led燈複合材質散熱模組

Info

Publication number: TWI767847B
Application number: TW110136663A
Authority: TW
Inventors: 林清彬; 黃晟瑜; 林郁傑; 黃惟澤; 廖彥翔; 鍾文正
Original assignee: 淡江大學學校財團法人淡江大學
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2022-06-11
Also published as: TW202316058A

Abstract

一種車用LED燈複合材質散熱模組包含有電路基板、至少一LED燈、柱狀導熱體、鰭片散熱體與風扇。至少一LED燈，設置於電路基板上。柱狀導熱體，穿設於電路基板之內側，用以吸收至少一LED燈產生的熱能。鰭片散熱體，與柱狀導熱體接觸，以擴散柱狀導熱體所吸收的熱能。風扇，設置於鰭片散熱體之內，以排除鰭片散熱體擴散的熱能。

Description

車用LED燈複合材質散熱模組

本發明是有關於一種LED燈散熱模組，特別是關於一種車用LED燈複合材質散熱模組。

由於發光二極體(Light Emitting Diode，LED)具有高發光效率、工作電壓低、耗電量小、體積小等優點，近年來廣泛應用在車用照明系統上。

當LED燈在發光的同時會產生出大量熱能，而這些熱能若無法有效排除，往往會造成LED燈的壽命縮短、亮度減弱或效能降低。

以車用LED燈為例，在市面上有很多散熱裝置基本上皆以全銅或是全鋁來製作。然而，車用LED燈與散熱裝置之間存在有熱阻的問題，主要是因為材質特性的不同，無法將散熱效果達到最好。

在目前習知技術中，雖然有使用銅材質與鋁材質一起搭配進行散熱，但在其組裝過程中，由於零組件較複雜且多，因此，不僅組裝成本較高，且還會產生熱轉換介面過多的問題，而熱轉換介面越多，將使熱阻提高，不利於熱的傳遞，故無法有效提升散熱效率。

因此，如何能提供一種『車用LED燈複合材質散熱模組』，成為業界所待解決之課題。

本發明實施例提供一種車用LED燈複合材質散熱模組，包含有：一電路基板；至少一LED燈，設置於電路基板上；一柱狀導熱體，穿設於電路基板之內側，用以吸收至少一LED燈產生的熱能；一鰭片散熱體，與柱狀導熱體接觸，以擴散柱狀導熱體所吸收的熱能；及一風扇，設置於鰭片散熱體之內，以排除鰭片散熱體擴散的熱能。

在一些實施例中，柱狀導熱體還包含有：一集熱帽部，與至少一LED燈直接接觸，以吸收至少一LED燈產生的熱能；及一導熱部，與集熱帽部接觸，以傳導集熱帽部所吸收的熱能至鰭片散熱體。

在一些實施例中，集熱帽部為一多面體，且每一面分別與至少一LED燈直接接觸。

在一些實施例中，集熱帽部與導熱部為一體成形。

在一些實施例中，集熱帽部套設於導熱部的一端。

在一些實施例中，柱狀導熱體為銅材質，而鰭片散熱體為鋁材質。

在一些實施例中，銅材質的熱膨脹係數介於16~19ppm/K之間，而鋁材質的熱膨脹係數介於18~21ppm/K之間。

在一些實施例中，電路基板與鰭片散熱體之間還設置有一襯套，用以與一車體燈殼進行固定。

在一些實施例中，柱狀導熱體、鰭片散熱體與風扇設置於同一軸向上。

在一些實施例中，電路基板上還設置有至少一軟性電路板，以驅動至少一LED燈發亮。

為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。

為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會被擴大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋；「第一」、「第二」等序數，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。為便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參照第1圖，為本發明一實施例之結構俯視示意圖。如第1圖所示，車用LED燈複合材質散熱模組100包含有：電路基板205、LED燈104、柱狀導熱體102、襯套106、鰭片散熱體108及風扇302。

電路基板205為多面體所構成。所述多面體的每一表面朝向不同。所述多面體可以例如是三角形、矩形、正多邊形等。電路基板205的外觀結構可根據LED發光角度需求進行對應的設計、調整與變化。電路基板205的外側用以承載軟性電路板208。電路基板205的內側用以容納柱狀導熱體102。電路基板205具有孔洞205a(如第3圖所示)，用以安裝LED燈104。

LED燈104設置於電路基板205上。LED燈104由軟性電路板208驅動而發亮。實際上，軟性電路板208可以例如是柔性印刷電路板(Flexible Printed Circuit，FPC)。另外，軟性電路板208透過第一固定件202固定於電路基板205上。第一固定件202可以例如是螺絲、鉚釘等。

柱狀導熱體102穿設於電路基板205之內側。柱狀導熱體102用以吸收LED燈104發光時或熄滅後產生的熱能。在本實施例中，柱狀導熱體102為實心且單一材質結構。舉例而言，柱狀導熱體102為銅材質。所述銅材質的熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)介於16~19ppm/K之間。

請參照第2圖為本發明一實施例之結構組合示意圖。如第2圖所示，襯套106設置於電路基板205與鰭片散熱體108之間。襯套106用以與一車體燈殼進行固定。另外，襯套106具有耐高溫的特性。在一些實施例中，襯套106可以被省略。

鰭片散熱體108的一端與柱狀導熱體102接觸。鰭片散熱體108用以擴散柱狀導熱體102所吸收的熱能。鰭片散熱體108的另一端具有一凹槽結構，用以容納風扇302。藉此，可縮小車用LED燈複合材質散熱模組100的體積。鰭片散熱體108的整體外觀大致上為輻射狀的四邊形所構成。在一些實施中，鰭片散熱體108的外觀也可以是輻射狀的三邊形、圓形或多邊形所構成。鰭片散熱體108為鋁材質。所述鋁材質的熱膨脹係數介於18~21ppm/K之間。

值得說明的是，柱狀導熱體102與鰭片散熱體108具有不同的熱膨脹係數。但因兩者的熱膨脹係數相差不大，故可以透過將柱狀導熱體102與鰭片散熱體108接觸部分的尺寸加厚，以使柱狀導熱體102與鰭片散熱體108可以達到緊密配合。在一些實施例中，且柱狀導熱體102與鰭片散熱體108的接觸面之間，可填補低熱阻之散熱膠，來減少介面熱阻，並提升散熱效率。

風扇302，設置於鰭片散熱體108之內。換言之，風扇302內嵌於鰭片散熱體108的凹槽中。風扇302利用強制對流來加快鰭片散熱體108的熱擴散，並用以排除鰭片散熱體108擴散的熱能。藉此，風扇302可縮短散熱的時間，減少熱的累積，也可以提高LED燈104的效能與壽命。實際上，風扇302可以例如是軸流風扇。另外，風扇蓋204透過第二固定件206鎖固於風扇302上，用以固定風扇302。第二固定件206可以例如是螺絲、鉚釘等。

在本實施例中，柱狀導熱體102、鰭片散熱體108與風扇302設置於同一軸向(例如，Z軸)上。藉此，風扇302產生的對流可快速將LED燈104產生的熱能有效排除，並配合柱狀導熱體102與鰭片散熱體108的組合結構，快速將LED燈104產生的熱能吸收、導熱、擴散與排除。

請參照第3圖，為本發明一實施例之結構分解示意圖。如第3圖所示，柱狀導熱體102包含有集熱帽部102a與導熱部102b。由Z軸方向觀看柱狀導熱體102，集熱帽部102a的表面略凸出於導熱部102b的表面。

集熱帽部102a的外觀大致上呈現長條狀。集熱帽部102a與LED燈104直接接觸(如第1圖所示)。集熱帽部102a用以吸收LED燈104產生的熱能。由於集熱帽部102a與LED燈104為直接接觸，因此可快速吸收LED燈104產生的熱能。在一些實施例中，集熱帽部102a與LED燈104的接觸面之間，可填補低熱阻之散熱膠，來減少介面熱阻，並提升散熱效率。

導熱部102b的外觀大致上呈現圓柱狀。導熱部102b與集熱帽部102a接觸。導熱部102b用以傳導集熱帽部102a所吸收的熱能至鰭片散熱體108。在本實施例中，集熱帽部102a與導熱部102b為一體成形的結構。藉此，集熱帽部102a與導熱部102b沒有熱轉換介面的問題。

在本實施例中，所述一體成形的結構可以利用擠型或鍛造的製造方式來進行加工。另外，集熱帽部102a的外觀結構可配合LED燈104的數量與發光角度需求進行設計與變化，以搭配著不同的LED燈104數量去安裝，達到了節能且散熱的目標。

請參照第4圖，為本發明另一實施例之結構俯視示意圖。如第4圖所示，車用LED燈複合材質散熱模組600的柱狀導熱體610包含有集熱帽部604與導熱部602。柱狀導熱體610為銅材質。所述銅材質的熱膨脹係數(CTE)介於16~19ppm/K之間。

集熱帽部604的外觀大致上呈現長條狀。集熱帽部604與LED燈104直接接觸(如第4圖所示)。集熱帽部604用以吸收LED燈104產生的熱能。由於集熱帽部604與LED燈104為直接接觸，因此可快速吸收LED燈104產生的熱能。在一些實施例中，集熱帽部604與LED燈104的接觸面之間，可填補低熱阻之散熱膠，來減少介面熱阻，並提升散熱效率。

導熱部602的外觀大致上呈現圓柱狀。導熱部602與集熱帽部604接觸。導熱部602用以傳導集熱帽部604所吸收的熱能至鰭片散熱體108。在本實施例中，集熱帽部604與導熱部602並非一體成型結構，而集熱帽部604是套設於導熱部602的一端。

請參照第5圖，為本發明另一實施例之柱狀導熱體結構分解示意圖。如第5圖所示，柱狀導熱體610包含有集熱帽部604與導熱部602。集熱帽部604為一多面體，且每一面的朝向不同，並與LED燈104直接接觸。藉此，集熱帽部604的外觀可根據LED發光角度需求進行對應的設計、調整與變化。集熱帽部604和導熱部602的結構也可以透過摩擦焊接的加工方式來使集熱帽部604和導熱部602進行接合的動作，同時透過摩擦焊接的方式可以減少介面熱阻。在一些實施例中，也可以配合LED燈104的形狀去設計集熱帽部604的外觀。

接下來，請參照第6圖，為本發明另一實施例之柱狀導熱體沿第4圖的線V-V’切斷的剖面圖。如第6圖所示，集熱帽部604的外表面直接接觸LED燈104，而集熱帽部604的內表面直接接觸導熱部602。實際上，集熱帽部604可以利用鑄造、鍛造、沖壓、壓鑄等方式製造。其中鍛造的效果會較佳，因在經鍛造敲打的過程可以使工件的強度提升，且有利於後續的加工。

請參照第7圖為本發明實施例與習知技術之散熱溫度變化實驗數據圖。如第7圖所示，橫軸為時間，縱軸為溫度。習知技術採用單一材質(例如，全銅或全鋁)散熱模組，其散熱結構與本發明實施例不同。在30秒時，習知技術(標示為虛線)的車用LED燈的溫度約39℃，而本發明實施例(標示為實線)之車用LED燈的溫度約32℃。在120秒時，習知技術的車用LED燈的溫度約62℃，而本發明實施例之車用LED燈的溫度約48℃。在180秒時，習知技術的車用LED燈的溫度約66℃，而本發明實施例之車用LED燈的溫度約50℃。在240秒時，本發明實施例之車用LED燈達到平衡溫度51.2℃。在390秒時，習知技術的車用LED燈達到了平衡溫度約71℃。由實驗結果可得知，採用本發明實施例之複合材質散熱模組的車用LED燈可以更快速的達到散熱目標，同時擁有較低的飽和溫度。相較於習知技術而言，本發明實施例的散熱效率提升約27%。

綜上所述，本發明之車用LED燈複合材質散熱模組，利用一體化的柱狀導熱體減少熱轉換介面，並降低熱阻的問題。另外，由於銅材質的柱狀導熱體具有良好的熱傳導性，而鋁材質的鰭片散熱體具有良好的熱擴散性，搭配內嵌式的風扇設計，可快速且有效效地排除LED燈產生的熱能。

根據本發明實施例之柱狀導熱體可採用一體成型結構，除了減少熱轉換介面，並降低熱阻的問題外，由於柱狀導熱體直接與LED燈接觸的關係，故可快速吸收LED燈產生的熱能，並導往鰭片散熱體與風扇排除熱能。

根據本發明另一實施例之柱狀導熱體採用非一體成型結構，在製造與加工上較為方便，相對可降低車用LED燈複合材質散熱模組的製造成本。

根據本發明實施例之鰭片散熱體具有凹槽結構，用以容納風扇。藉此，可縮小車用LED燈複合材質散熱模組的體積，符合輕薄短小的設計趨勢。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100,600:車用LED燈複合材質散熱模組 102,610:柱狀導熱體 102a,604:集熱帽部 102b,602:導熱部 104:LED燈 106:襯套 108:鰭片散熱體 202:第一固定件 205:電路基板 205a:孔洞 204:風扇蓋 206:第二固定件 208:軟性電路板 302:風扇

第1圖為本發明一實施例之結構俯視示意圖。第2圖為本發明一實施例之結構組合示意圖。第3圖為本發明一實施例之結構分解示意圖。第4圖為本發明另一實施例之結構俯視示意圖。第5圖為本發明另一實施例之柱狀導熱體結構分解示意圖。第6圖為本發明另一實施例之柱狀導熱體沿第4圖的線V-V’切斷的剖面圖。第7圖為本發明實施例與習知技術之散熱溫度變化實驗數據圖。

102:柱狀導熱體

102a:集熱帽部

102b:導熱部

104:LED燈

106:襯套

108:鰭片散熱體

202:第一固定件

205:電路基板

205a:孔洞

204:風扇蓋

206:第二固定件

208:軟性電路板

302:風扇

Claims

一種車用LED燈複合材質散熱模組，包含：一電路基板；至少一LED燈，設置於該電路基板上；一柱狀導熱體，穿設於該電路基板之內側，用以吸收該至少一LED燈產生的熱能；一鰭片散熱體，與該柱狀導熱體接觸，以擴散該柱狀導熱體所吸收的熱能；及一風扇，設置於該鰭片散熱體之內，以排除該鰭片散熱體擴散的熱能；其中該柱狀導熱體具有一集熱帽部，與該至少一LED燈直接接觸，以吸收該至少一LED燈產生的熱能；及一導熱部，與該集熱帽部接觸，以傳導該集熱帽部所吸收的熱能至該鰭片散熱體。
如請求項1所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該集熱帽部為一多面體，且每一面分別與該至少一LED燈直接接觸。
如請求項1所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該集熱帽部與該導熱部為一體成形。
如請求項1所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該集熱帽部套設於該導熱部的一端。
如請求項1所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該柱狀導熱體為銅材質，而該鰭片散熱體為鋁材質。
如請求項5所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該銅材質的熱膨脹係數介於16~19ppm/K之間，而該鋁材質的熱膨脹係數介於18~21ppm/K之間。
如請求項1所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該電路基板與該鰭片散熱體之間還設置有一襯套，用以與一車體燈殼進行固定。
如請求項1所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該柱狀導熱體、該鰭片散熱體與該風扇設置於同一軸向上。
如請求項1所述之車用LED燈複合材質散熱模組，其中該電路基板上還設置有至少一軟性電路板，以驅動該至少一LED燈發亮。