成本優化的LED散熱片及LED照明燈制造技術

成本優化的LED散熱片及LED照明燈。本發明專利技術依據針對肋片式散熱片的自然對流傳熱實驗研究，分析散熱片的結構尺寸(肋片高h、間隙a)對對流傳熱系數的影響，以及肋片厚度b對肋效率的影響，通過優化散熱片的結構尺寸，來提高對流傳熱系數，降低散熱用鋁量，即材料成本。本發明專利技術提出的成本優化的結構尺寸為：肋片高h與肋片之間的間隙a之比(h/a)應大于2.5，小于5.0；肋片高h應小于40mm，肋片間隙應大于2.0mm，肋片長L與肋片厚度b之比(L/a)應大于20。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于LED照明
，特別涉及到LED照明燈中的散熱片結構尺寸的成本優化設計。技術背景LED照明，因其節能，長壽命而受到全球關注，被認為是下一代照明技術。但當前，由于成本造價高，制約了LED照明普及應用。導致LED照明當前成本造價高的原因是LED芯片需要散熱。LED芯片散熱包括LED芯片封裝內的導熱傳熱和散熱片的對流傳熱。肋片式擴展換熱面結構普遍地被電子器件散熱片所采用。自然對流傳熱，無機械運動、無噪音，可靠性高，是LED散熱必選的方式。但是，LED行業內以及電子行業內的專業人員，對肋片式擴展換熱面結構的散熱片中的自然對流傳熱并沒有非常清晰的認識，缺少針對性的基礎性研究，不清楚散熱片中的結構尺寸(如肋片高和間隙)對散熱的影響，特別是對對流傳熱系數的影響；缺乏提高表面對流傳熱系數，有利于減小散熱片材料成本的理念。其結果是：散熱片設計不合理，沒有優化設計理念，產品尺寸大，重量沉，成本也就高。
技術實現思路
本專利技術以針對LED散熱片中自然對流傳熱基礎性研究結果為基礎，分析散熱片的結構尺寸對對流傳熱系數的影響，以及肋片厚度對肋效率的影響，通過提高對流傳熱系數，來降低散熱用的金屬材料(鋁)的重量(即材料成本)，提出散熱片結構尺寸成本優化設計方案。本專利技術的技術方案是：散熱片采用肋片式擴展換熱面結構，包括有導熱塊和肋片，肋片從導熱塊的側面伸出，肋片伸出的平均長度大于10mm，導熱塊呈上下豎立設置，肋片也呈豎立設置，自然對流的散熱空氣由下向上穿過肋片。本專利技術的特征是：肋片平均高(即肋片在空氣穿過方向的尺寸)與肋片之間的平均間隙之比大于2.5，小于5.0；肋片之間的平均間隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm。對于肋片式散熱片，散熱過程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動(對流)將熱量帶走，空氣流量越大，能帶走的熱量(即散熱量)越大，則空氣流動(對流)暢通在散熱過程中非常重要。自然對流傳熱過程中，驅動空氣流動的動力是：空氣受熱溫度升高，比重下降而產生的浮力，驅動力非常弱。將散熱片的導熱塊上下豎立設置，肋片也豎立，使自然對流空氣由下至上流動，穿過肋片，空氣流動阻力小，有利于散熱量提高，這也就是為什么本專利技術要求導熱塊以及肋片要豎立設置。對流傳熱的計算公式Q＝P·A·ΔT，Q為傳熱量(散熱量)，P為對流傳熱系數，A為傳熱面積(散熱片的散熱面積)，ΔT為傳熱溫差(散熱片與環境空氣的溫度差)。ΔT是設計限定值，提高散熱面積A，有提高散熱量Q的一面，但對于自然對流，會產生對流傳熱系數P下降，極不利于散熱量Q的提高的因素，另外提高散熱面積A，相應地也就增加了散熱片的材料(鋁)的用量，即增加了成本。對流傳熱系數P與散熱片的結構尺寸以及對流形態等有關。提高對流傳熱系數P，如果散熱量Q不變，則就可減小散熱面積A，也就可降低散熱片材料(鋁)的用量，即降低了成本。圖1為肋片式散熱片的自然對流傳熱實驗曲線，縱坐標為對流傳熱系數P(導熱塊與環境空氣溫度差為某定值時的對流傳熱系數)，橫坐標為肋片高h與肋片之間的間隙a之比，h/a被稱為散熱片特征參數。當散熱片中的肋片高以及肋片之間的間隙不均勻時，取肋片的平均高h與肋片之間的平均間隙a之比作為散熱片特征參數。圖中三條曲線分別為三種不同的肋片高h的實驗結果，其中h3大于h2，h2大于h1。圖1中示出：隨著散熱片特征參數(h/a)增大，對流傳熱系數P下降，表現出，當特征參數h/a大于5.0時，對流傳熱系數P下降速度加快，當h/a小于2.5時，對流傳熱系數P增加量有限。另外，圖1還示出，增加肋片高h，對流傳熱系數P下降，并且隨著肋片高h的增大，對流傳熱系數P下降的速度加快。本專利技術提出：散熱片特征參數h/a取大于2.5，小于5.0，以及肋片高h小于40mm，就是依據圖1所示的實驗結果而確定優化參數，當h/a大于5.0時，增加肋片密度，對流傳熱系數P下降過快，則導致：當散熱量Q不變時，散熱面積加速增加，即散熱片肋片數量(即材料用量)加速增加，也就是材料成本的加速增加；當h/a小于2.5時，減小肋片密度，對流傳熱系數P基本上沒有有效的增加，則肋片的材料成本減小有限，但是要保持散熱量Q不變，散熱片的尺寸要加大，則導熱塊的尺寸加大或肋片長度L加大，又將導致材料成本增加；依據圖1，肋片高度h增加，對流傳熱系數降低，當h大于40mm時，對流傳熱系數P下降速度加快，又當采用太陽花式散熱片時，肋片高度h過高，散熱片內的導熱距離過大，將產生不利的影響。依據實驗，h/a＝2.5時比h/a＝5.0，對流傳熱系數P提高可達15％，h＝30mm比h＝40mm，對流傳熱系數高出達10％。對于LED照明的自然對流散熱，對流傳熱系數P最高也就是10W/m2℃左右，如果肋片長L為30mm，肋片厚b為1.2mm，肋效率就達95％，肋效率已非常高，如果再加厚肋片，散熱量增大微小，但肋片材料用量(即材料成本)迅速增加，因而本專利技術提出肋片厚b(厚度不均勻時，取平均值)不大于1.2mm。設計散熱片肋片時，應取肋片長度L(長度不均勻時，取平均長度)與肋片厚度b之比大于20，這樣可有效控制肋片厚度過大，控制材料成本增加。本專利技術中提出肋片長度應大于10mm是因為，當肋片長度小于10mm時，本專利技術提出的成本優化方案的效果不顯著。考慮到塵埃污染，肋片之間的間隙太小，容易堵塞，因而本專利技術提出肋片間隙a大于2.0mm。太陽花式散熱片結構：中心是導熱柱，也就是導熱塊，肋片圍著導熱柱伸出。LED光源(也就是發熱源)設置在導熱柱的端面上，導熱熱阻低，空氣的流通面積大，有利于自然對流傳熱，說明太陽花式散熱片是LED散熱最為合理的結構。附圖說明圖1是肋片式擴展換熱面結構的散熱片的自然對流傳熱實驗曲線，縱坐標為對流傳熱系數P(導熱塊與環境空氣溫度差為某定值時的對流傳熱系數)，橫坐標為肋片高h與肋片之間的間隙a之比。圖2是一種LED光源設置在導熱塊側面的LED照明燈的特征立體示意圖，圖中a為肋片之間的間隙，h為肋片的高，b為肋片厚，L為肋片長度，箭頭表示空氣流動方向。圖3是一種LED光源設置在導熱塊下端的LED照明燈的特征立體剖視示意圖。圖4是一種外邊緣為矩形的太陽花式散熱片特征示意圖。圖5是一種外邊緣為圓形，并且肋片為弧形的太陽花式散熱片特征示意圖。圖6是一種本專利技術的LED照明燈的特征結構示意圖，箭頭表示空氣流動方向。圖7是一種本專利技術的LED照明燈的特征結構示意圖，LED光源在導熱芯上，導熱柱為空心式。圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自然對流散熱式LED散熱片，散熱片采用了肋片式擴展換熱面結構，包括有導熱塊(2)和肋片(3)，肋片(3)從導熱(2)塊的側面伸出，肋片(3)伸出的平均長度大于10mm，導熱塊(2)呈上下豎立設臂，肋片(3)也呈豎立設置，自然對流散熱空氣由下向上穿過肋片(3)，其特征在于：肋片平均高與肋片之間的平均間隙之比大于2.5，小于5.0；肋片之間的平均間隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm，肋片平均厚度不大于1.2mm。

【技術特征摘要】
1.一種自然對流散熱式LED散熱片，散熱片采用了肋片式擴展換熱面結構，包括有導熱塊
(2)和肋片(3)，肋片(3)從導熱(2)塊的側面伸出，肋片(3)伸出的平均長度大
于10mm，導熱塊(2)呈上下豎立設臂，肋片(3)也呈豎立設置，自然對流散熱空氣
由下向上穿過肋片(3)，其特征在于：肋片平均高與肋片之間的平均間隙之比大于2.5，
小于5.0；肋片之間的平均間隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm，肋片平均厚度
不大于1.2mm。
2.根據權利要求1所述的LED散熱片，其特征在于：肋片平均長度與肋片平均厚度之比大
于20。
3.根據權利要求1或2所述的LED散熱片，其特征在于：散熱片采用了肋片(3)從導熱
柱(5)柱面伸出的太陽花式結構。
4.根據權利要求3所述的LED散熱片，其特征在于：圍著散熱片設置有外圈肋片(6)，外
圈肋片(6)與肋片(3)以及導熱柱(5)為鋁擠出成型的一體結構。
5.根據權利要求3所述的LED散熱片，其特征在于：肋片(6)尖處折彎構成圍著散熱片
外圈的外圈肋片(6)。
6.根據權利要求4或5所述的LED散熱片，其特征在于：導熱柱(5)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：秦彪，
申請(專利權)人：秦彪，
類型：發明
國別省市：廣東;44