CN103162268A - 散热装置和具有该散热装置的照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热源(A)的散热装置，该散热装置包括本体(3)和涂层(4)，其中，本体(3)具有第一部段(3a)和从第一部段(3a)延伸出的至少一个第二部段(3b)，其中，所述第一部段(3a)热源(A)具有用于以热接触的形式安装所述热源(A)的安装面并且涂层(4)涂覆在第一部段(3a)的安装面以外的表面上和至少一个第二部段(3b)的表面上，其中涂层(4)具有比本体(3)高的散热性能。此外，本发明还涉及一种具有上述类型的散热装置的照明装置。

Description

散热装置和具有该散热装置的照明装置

技术领域

本发明涉及一种散热装置。此外，本发明还涉及一种具有该散热装置的照明装置。

背景技术

诸如像MR16、PAR38、A级别以及筒灯等类型的LED替代灯越来越多地替代传统的照明装置，例如白炽灯和荧光灯。这是因为这种类型的替代灯更加节能、尺寸更小并且具有更长的寿命。随着技术的发展，LED封装本身能够实现较高的效率，例如能够获得160lm/W的冷白光和100lm/W的暖白光，并且其寿命达到五万小时。但是当LED与LED驱动器、热管理设备以及光学元件一同集成到替代灯中时，替代灯的效率和寿命高度取决于如何设计驱动器、散热装置和光学元件。在LED中，所消耗的电能转化成热能而不是光。根据美国能源部的统计，用于驱动LED的能量的75％到85％被转化成了热量，并且这些热量必须从LED芯片排导到在其下方的印刷电路板以及散热装置上。如果这些热量不能及时的排导出去，那么在短期内会降低LED的光输出性能并产生色移，长期还会缩短LED的寿命。

在LED中的热传递的主要路径通常是从结到封装的外部。LED设备制造上提供这种封装水平热管理，以使从结到封装的外部的热阻最小化。LED灯的热管理设计的核心是高效地将热量从LED封装传递到周围环境中去。首先，在封装插脚和电路板之间必须提供稳固和对散热有效的联结。这种热连接典型地穿过金属芯PCB。热量从该PCB传导给外部的散热装置。散热装置以三种形式提供将热量从LED封装传递到周围环境的路径：传导(热量从一个固体传递到另一个固体)；对流(热量从一个固体传递到移动的流体，对于大多数LED应用情况来说，该流体是空气)；以及辐射(热量通过电磁波在两个不同的表面温度的物体之间传递)。通过散热装置进行的热传递本身相关于以下因素：散热装置的材料的导热率(k)；传导面积(A)以及长度(L)(傅里叶定律Q＝k×A×ΔT/L)。对于通过散热装置的确定量的热量(Q)，导热率越高或者传导面积越大或者传导长度越小，在散热装置内的温度上升(ΔT)越小。从散热装置到周围环境的热对流相关于以下因素：表面积(A)和局部对流传热系数(h))(牛顿定律：Q＝h×A×ΔT)，这取决于散热装置的尺寸和几何形状。从散热装置的表面到周围环境的热辐射取决于以下因素：表面积(A)和表面发射系数(ε)(斯特芬-波尔兹曼定律：Q＝ε×A×σ×ΔT⁴，其中σ是斯特芬-波尔兹曼常数)。由此可见，散热装置的全部的散热能力都取决于散热装置的材料、散热装置的尺寸和几何形状以及散热装置表面的表面处理。对于散热材料而言，铝是当今广泛使用的散热材料，这是因为其具有高的导热率和相对低的成本，而陶瓷和导热塑料也在一些应用和设计中作为散热装置的材料得到应用。

对于大多数的用于LED改型灯的现有的散热装置来说，散热装置通常由铝制成，并且在一些专利中使用高导热材料和导热塑料的组合来制造散热装置，其多数情况下是出于降低重量和复杂形状的制造的目的。

专利文献WO2009/115512A1公开了一种散热装置以及生产该散热装置的工艺，该散热装置包括由包含有膨胀石墨的导热塑料材料制成的塑料体，其中该膨胀石墨相对于导热塑料的全部质量为至少20wt.％，并且具有至少7.5W/m/K的面向导热率。散热装置可以通过对导热塑料材料进行喷射模塑来制成，可选地是接下来涂覆一个涂层。散热装置与热源以彼此导热连接的方式装配在一起。

专利文献US2003/0183379A1公开了一种用于复合式散热装置，该散热装置使用高导热基座和低导热翅片。基座优选由各项异性石墨材料制成，而翅片优选由导热塑料材料制成。在较低轮廓的散热装置的情况下，翅片的高度不超过15mm，这种复合式结构提供非常好的冷却效果的同时还比具有同样尺寸的传统的全铝散热装置更轻。

专利文献US2007/0272400A1公开了一种具有锥形几何轮廓的散热装置，其提高了被动冷却效率。在散热装置热扩散部件之间的锥形几何轮廓降低了允许被动流动的冷却空气被加热后的阻力。因此，锥形的热扩散部件实现了气体的高的流动率并提高了散热装置的冷却效果。可选的是，散热装置可有导热聚合物制成，其允许使用喷射注塑工艺将散热装置制成具有复杂的形状。

陶瓷也可以使用作为导热材料。专利文献WO2010/136985A1公开了一种照明装置，其包括用于产生光线的光源，设置用于支承光源的本体。此外，该本体与封壳热接触并且本体和封壳都由陶瓷材料制成。该发明的优点在于，提供了一种具有良好的热传递的照明装置。

然而，上述发明的缺点在于，在采用铝作为制造散热装置的材料时，散热装置的重量相对较大，形状设计和制造受到限制。在一些应用和设计中，导热塑料材料具有与铝类似的导热性能，并且具有重量相对较低，设计更加自由和更加容易制造的优点，但是材料成本相对较高。陶瓷具有相对良好的导热率，但是其较重并且易碎

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种散热装置，该散热装置在提供良好的散热性能的同时还具有成本低廉、重量较小、良好的设计自由度的优点。此外，本发明还提出了一种具有上述类型的散热装置的照明装置。

本发明的第一个目的通过一种散热装置由此实现，即该散热装置包括本体和涂层，其中，本体具有第一部段和从第一部段延伸出的至少一个第二部段，其中，第一部段具有用于以热接触的形式安装热源的安装面并且涂层涂覆在第一部段的安装面和至少一个第二部段的表面上，其中涂层具有比本体高的散热性能。根据本发明的散热装置是一种复合式散热装置。由于本体的散热性能可以相对较差，也就是导热率相对较低，因此在选择制造本体的材料时，有更大的选择范围。本体可以采用成本低廉，容易加工制造的材料制成，而涂层可以具有相对较大的导热率。这样就能够确保散热装置具在有相对较低的制造成本的同时，还能具有良好的散热性能，并且具有复杂的构型。

优选的是，涂层由具有大于5W/m/K的导热率的涂料制成。

进一步优选的是，涂料中混合有镍、银、石墨、纳米碳、二氧化钛、三氧化二铝、氮化硼、尖晶石构成的组中的一种。混合到涂层中的这些材料可以进一步提高涂层的导热率，并进而提高整个散热装置的散热性能。在本发明的设计方案中，用于制成涂层的涂料可以是具有电绝缘性的导热涂料，如添加氮化硼，尖晶石，二氧化钛、三氧化二铝等的无机涂料(以水溶性硅酸盐系、硅溶胶系、有机硅及无机聚合物系等为基料)和有机涂料(是有机溶剂或有机水性(水溶型或水乳型)溶剂的涂料)，可选地是，用于制成涂层的涂料可以是不具有电绝缘性的导热涂料，如添加银，镍，碳等的无机涂料和有机涂料。

有利的是，涂层具有200-500微米的厚度，从而确保能够良好地将热量从本体中排导出去。

根据本发明提出，本体由导热率小于1W/m/K低导热塑料制成。优选的是，低导热塑料是导热率在0.1-0.3W/m/K之间的PBT、POM、PA或者ABS材料。进一步优选的是，第一部段和第二部段通过喷射注塑工艺一体模制而成。上述材料通常作为灯具的壳体使用，与传统的铝材料、陶瓷材料相比成本更加低廉，并且可以利用喷射注塑工艺构造出复杂的构型。

根据本发明提出，至少一个第二部段是从第一部段上延伸出的至少一个散热翅片。这些散热翅片能够提高整个散热装置的散热面积，从而提高整个散热装置的散热性能。

进一步优选的是，在第一部段和至少一个第二部段中开设有至少一个热孔，其中第一部段中的热孔横向于第一部段的延伸方向延伸，并且至少一个第二部段中的热孔横向于至少一个第二部段的延伸方向延伸。热孔提高了散热装置的散热性能，缩短了热量在涂层和本体之间的热传递路径。进一步优选的是，热孔的中填充有与形成所述涂层的材料相同的材料。这进一步提高了散热装置的散热性能。

本发明的另一个目的通过一种LED照明装置实现，该LED照明装置具有上述类型的散热装置。该LED照明装置的成本低廉，散热性能较好。

优选的是，热源包括电路板和设置在电路板上的LED芯片。

进一步优选的是，电路板设计为非电绝缘金属芯印刷电路板或者电绝缘陶瓷印刷电路板。在本发明的设计方案中，电路板与本体模制在一起或者电路板通过热介面材料贴附在本体的第一部段的安装面上。在此，电路板可以作为热扩散器来使用，因此，来自热源也就是LED芯片的热量可以通过作为热扩散器的电路板均匀的分散到散热装置的本体上，并进而通过涂层排散到周围环境中。这显著地提高了散热装置的散热性能，延长了LED照明装置的使用寿命。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出：

图1是根据本发明的散热装置的第一实施例的示意图；

图2是根据本发明的散热装置的第二实施例的示意图；

图3是根据本发明的散热装置的涂层的不同的导热率的情况下的散热性能曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的散热装置的第一实施例的示意图。从图1中可见，该散热装置包括本体3和涂层4。在本实施例中，本体3是由低导热塑料例如导热率在0.1-0.3W/m/K之间的PBT、POM、PA或者ABS材料制成的，并且涂层4由具有大于5W/m/K的导热率的涂料制成，在涂料中混合有镍、银、石墨、纳米碳、二氧化钛、三氧化二铝、氮化硼、尖晶石构成的组中的一种，其厚度在200-500微米的范围内。在本发明的设计方案中，用于制成涂层的涂料可以是具有电绝缘性的导热涂料，如添加氮化硼，尖晶石，二氧化钛、三氧化二铝等的无机涂料(以水溶性硅酸盐系、硅溶胶系、有机硅及无机聚合物系等为基料)和有机涂料(是有机溶剂或有机水性(水溶型或水乳型)溶剂的涂料)，可选地是，用于制成涂层的涂料可以是不具有电绝缘性的导热涂料，如添加银，镍，碳等的无机涂料和有机涂料。

从图中进一步可见，本体3具有第一部段3a和从第一部段3a延伸出的至少一个第二部段3b，其中，第一部段3a具有用于以热接触的形式安装所述热源A的安装面并且涂层4涂覆在第一部段3a的安装面和至少一个第二部段3b的表面上。第一部段3a和所述第二部段3b通过喷射注塑工艺一体模制而成。此外，在所述第一部段3a和至少一个第二部段3b中开设有至少一个热孔5，第一部段3a中的热孔5横向于所述第一部段3a的延伸方向延伸，并且至少一个第二部段3b中的热孔5横向于至少一个第二部段3b的延伸方向延伸，并且在热孔5的中填充有与形成所述涂层4的材料相同的材料。此外，在图1中还示出了作为热源A的LED光源，该LED光源包括电路板2和设置在电路板2上的LED芯片1。在本发明的设计方案中，电路板2设计为非电绝缘金属芯印刷电路板或者电绝缘陶瓷印刷电路板，其同时作为热扩散器使用。

在本实施例中，本体3具有两个第二部段3b，其形成两个散热翅片6。这两个散热翅片6与热源A安装在本体3的同一侧，并对称地形成在热源A的两侧。

图2示出了根据本发明的散热装置的第二实施例的示意图，其与图1中示出的第一实施例的区别仅仅在于，本体3具有多个形成为散热翅片6的第二部段3b，图中示出了八个散热翅片6，并且这些散热翅片6与热源A分别形成在第一部段3a的两侧。

在本发明的设计方案中，为了获得良好的散热效果，需要提供较大的散热面积，并且散热翅片之间的位置，以及散热翅片的形状都可以根据散热的需要进行不同的调整。附图中示出的散热翅片的数量和形状仅仅是示例性的，其不应对本发明的设计方案产生限制。

图3示出了根据计算流体力学和热模拟计算出的根据本发明的散热装置的涂层4的不同的导热率的情况下的散热性能曲线图，其中，假设热源A产生两瓦的热量，并且本体3由PBT材料制成，并具有0.2W/m/K的导热率。涂层4的厚度为200微米。作为热扩散器的电路板2设计为非电绝缘金属芯印刷电路板或者电绝缘陶瓷印刷电路板，并具有30W/m/K的导热率。从图3中可见，在使用不同的涂层4的情况下，根据本发明的散热装置的散热性能发生了显著的变化。如果涂层4的导热率为7W/m/K，那么根据本发明的散热装置的散热性能与由具有1W/m/K的纯导热塑料制成的散热装置的散热性能相当。如果涂层4的导热率为40W/m/K，那么根据本发明的散热装置的散热性能与由具有5W/m/K的纯导热塑料制成的散热装置的散热性能相当。由此可见，仅仅通过提高涂层的导热率即可显著地提高散热装置的散热性能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考标号

1    LED芯片

2    电路板

3    本体

3a   第一部段

3b   第二部段

4    涂层

5    热孔

6    散热翅片

A    热源

Claims (16)

1.一种用于热源(A)的散热装置，其特征在于，包括本体(3)和涂层(4)，其中，所述本体(3)具有第一部段(3a)和从所述第一部段(3a)延伸出的至少一个第二部段(3b)，其中，所述第一部段(3a)具有用于以热接触的形式安装所述热源(A)的安装面并且所述涂层(4)涂覆在所述第一部段(3a)的安装面以外的表面上和所述至少一个第二部段(3b)的表面上，其中所述涂层(4)具有比所述本体(3)高的散热性能。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述涂层(4)由具有大于5W/m/K的导热率的涂料制成。

3.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述涂料中混合有镍、银、石墨、纳米碳、二氧化钛、三氧化二铝、氮化硼、尖晶石构成的组中的一种。

4.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述涂层(4)具有200-500微米的厚度。

5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述本体(3)由导热率小于1W/m/K的低导热塑料制成。

6.根据权利要求5所述的散热装置，其特征在于，所述第一部段(3a)和所述第二部段(3b)通过喷射注塑工艺一体模制而成。

7.根据权利要求6所述的散热装置，其特征在于，所述低导热塑料是PBT、POM、PA或者ABS材料。

8.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述至少一个第二部段(3b)是从所述第一部段(3a)上延伸出的至少一个散热翅片(6)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的散热装置，其特征在于，在所述第一部段(3a)和所述至少一个第二部段(3b)中开设有至少一个热孔(5)。

10.根据权利要求9所述的散热装置，其特征在，所述第一部段(3a)中的所述热孔(5)横向于所述第一部段(3a)的延伸方向延伸，并且所述至少一个第二部段(3b)中的所述热孔(5)横向于所述至少一个第二部段(3b)的延伸方向延伸。

11.根据权利要求10所述的散热装置，其特征在于，所述热孔(5)的中填充有与形成所述涂层(4)的材料相同的材料。

12.一种照明装置，具有根据权利要求1至11中任一项所述的散热装置。

13.根据权利要求12所述的照明装置，其特征在于，所述热源(A)包括电路板(2)和设置在所述电路板(2)上的LED芯片(1)。

14.根据权利要求13所述的照明装置，其特征在于，所述电路板(2)设计为非电绝缘金属芯印刷电路板或者电绝缘陶瓷印刷电路板。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的照明装置，其特征在于，所述电路板(2)与所述本体(3)模制在一起。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的照明装置，其特征在于，所述电路板(2)通过热介面材料贴附在所述本体(3)的所述第一部段(3a)的所述安装面上。

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