專利名稱：輕質(zhì)熱沉及采用該輕質(zhì)熱沉的led燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
下文涉及照明領(lǐng)域、燈光領(lǐng)域、固態(tài)照明領(lǐng)域、熱管理領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
白熾燈、鹵素?zé)艏案邚姸确烹?HID)光源具有相對高的操作溫度，且因此，散熱主要通過輻射及對流熱傳遞路徑來進(jìn)行。例如，輻射放熱隨著溫度升高至四次冪而進(jìn)行，從而該輻射熱傳遞路徑隨著操作溫度升高而超線性地變得更為主導(dǎo)。因此，對于白熾燈、鹵素?zé)艏癏ID光源的熱管理一般意味著在燈的附近提供足夠的空氣空間，以有效的輻射熱傳遞及對流熱傳遞。一般而言，在這些類型的光源中，無需增加或修改該燈的表面積來增強輻射熱傳遞或?qū)α鳠醾鬟f以達(dá)到燈的期望操作溫度。另一方面，出于器件性能及可靠性的原因，基于發(fā)光二極管(LED)的燈通常工作在實質(zhì)上較低的溫度下。例如，典型的LED器件的結(jié)溫度應(yīng)低于200°C，且在一些LED器件中，應(yīng)低于100°C或甚至更低。在這些低操作溫度下，至周圍環(huán)境的輻射熱傳遞路徑較弱，使得至周圍環(huán)境的對流及傳導(dǎo)性熱傳遞通常占主導(dǎo)。在LED光源中，可通過增設(shè)熱沉而增強從燈或照明裝置的外表面面積的對流熱傳遞及輻射熱傳遞。熱沉是提供用于使熱量以輻射以及對流的方式而離開LED器件的大表面的組件。在典型設(shè)計中，熱沉為表面面積設(shè)計得較大的相對大塊金屬元件，例如通過在該金屬元件的外表面上設(shè)置鰭片或其他散熱結(jié)構(gòu)。大橫截面積以及高導(dǎo)熱率的熱沉將熱量從LED器件高效地傳導(dǎo)至散熱鰭片且大面積散熱鰭片通過輻射及對流而提供了高效的散熱。對于高功率的基于LED的燈，還已知的是，采用主動冷卻，主動冷卻使用風(fēng)扇或合成射流或熱管或熱-電冷卻器或經(jīng)泵送冷卻劑流體來增強排熱。

發(fā)明內(nèi)容
在本文公開為示意性示例的一些實施方式中，一種熱沉，包括熱沉本體及設(shè)置在該熱沉本體上的導(dǎo)熱層。在一些這種實施方式中，熱沉本體為塑料熱沉本體。在一些這種實施方式中，該導(dǎo)熱層包括銅層。在本文公開為示意性示例的一些實施方式中，一種基于發(fā)光二極管(LED)的燈包括上一段落中所述的熱沉；及包含一個或多個LED器件的LED模塊，該LED模塊與該熱沉緊固且熱連通。在一些這種實施方式中，該基于LED的燈具有A字形燈泡結(jié)構(gòu)。在一些這種實施方式中，該基于LED的燈為MR或PAR結(jié)構(gòu)。在本文公開為示意性示例的一些實施方式中，一種方法包括形成熱沉本體；且在該熱沉本體上設(shè)置導(dǎo)熱層。在一些這種實施方式中，所述形成包括模塑熱沉本體。在一
4些這種實施方式中，所述形成包括將所述熱沉本體模塑為模塑的塑料熱沉本體。在一些這種實施方式中，熱沉本體包含鰭片，且所述設(shè)置包含將導(dǎo)熱層設(shè)置在鰭片上。


圖I及圖2示意性地示出了采用金屬熱沉組件的傳統(tǒng)熱沉的熱模型(圖I)及本文所公開的熱沉的熱模型(圖2)。圖3及圖4分別示意性地示出了適用于MR燈或PAR燈中的熱沉的側(cè)視截面圖及側(cè)視透視圖。
5示意性地示出了包含圖3及圖4的熱沉的MR燈或PAR燈的側(cè)視截面圖。
6示意性地示出了圖5的MR燈或PAR燈的光學(xué)/電子模塊的側(cè)視圖。
7示意性地示出了用于制造輕質(zhì)熱沉的合適制造過程的流程圖。
8繪示了簡化的“厚片”型熱沉部分的涂層厚度與等效K數(shù)據(jù)的關(guān)系。
9及圖10示出了塊金屬熱沉的熱性能與材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。
11示意性地示出了結(jié)合有本文所公開的熱沉的“A字形燈泡”燈的側(cè)視截面圖。12示意性地示出了圖9的“A字形燈泡”燈的變形的側(cè)視透視圖，其中該熱沉包圖含鰭片。圖13及圖14示意性地示出了設(shè)置有鰭片的“A字形燈泡”燈的其他實施方式的側(cè)視透視圖。圖15示出了如本文所公開的使用塑料熱沉本體的銅電鍍層所制造的PAR-38熱沉的重量及材料成本的計算值與相同尺寸及形狀的塊鋁熱沉的重量及材料成本的計算值的比較。圖16及17示意性地示出了熱沉本體(圖16)及包含熱分流路徑的成品熱沉(圖17)的側(cè)視透視圖。
具體實施例方式就白熾燈、鹵素?zé)艏癏ID光源(均為熱發(fā)光體)而言，至燈附近的空氣空間的熱傳遞通過輻射熱路徑及對流熱路徑的設(shè)計來管理，以在光源的操作期間實現(xiàn)提高的目標(biāo)溫度。相比之下，就LED光源而言，光子并非經(jīng)熱激發(fā)，而是通過電子與空穴在半導(dǎo)體的p-n結(jié)處復(fù)合而產(chǎn)生。通過使LED的p-n結(jié)的操作溫度最低化而不是在升高的目標(biāo)溫度下操作，可優(yōu)化光源的性能及壽命。通過提供具有鰭片或其他增大表面面積的結(jié)構(gòu)的熱沉，可增強表面的對流熱傳遞及福射熱傳遞。參照圖I，方框示意性地表示具有鰭片的金屬熱沉MB，且該熱沉的鰭片MF由虛線橢圓示意性地指示。熱量通過對流和/或輻射傳遞到周圍環(huán)境所經(jīng)由的表面在本文中被稱為散熱表面(例如，鰭片MF)，且應(yīng)具有大面積以使散熱足以維持LED器件LD處于穩(wěn)定的操作狀態(tài)。自散熱表面MF至周圍環(huán)境中的對流散熱及福射散熱可分別由熱阻值Rconvection及Rik或等效地通過導(dǎo)熱系數(shù)來模擬。阻值Rconvection模擬了通過自然氣流或壓迫氣流而自該熱沉的外表面至周圍環(huán)境的對流。阻值Rik模擬了自該熱沉的外表面至遠(yuǎn)處環(huán)境的紅外(IR)福射。另外，導(dǎo)熱路徑(在圖I中由阻值Rspreader及Rconductor指示)串聯(lián)在LED器件LD與散熱表面MF之間，表示自LED器件LD至散熱表面MF的熱傳導(dǎo)。該串聯(lián)熱傳導(dǎo)路徑的高導(dǎo)熱系數(shù)確保自LED器件經(jīng)由散熱表面至附近空氣的散熱不會受限于串聯(lián)導(dǎo)熱系數(shù)。這通常通過將該熱沉MB構(gòu)造成具有鰭片或以其他方式的增強的表面面積MF (其限定散熱表面)的相對大塊的金屬一該金屬熱沉本體提供LED器件與散熱表面之間的期望高的導(dǎo)熱系數(shù)來實現(xiàn)。在此設(shè)計中，該散熱表面本身是連續(xù)的并且與提供高導(dǎo)熱系數(shù)路徑 的該金屬熱沉本體緊密的熱接觸。因此，基于LED的燈的傳統(tǒng)散熱包含熱沉MB，該熱沉MB包括金屬(或金屬合金)塊，使大面積散熱表面MF暴露至附近的空氣空間。該金屬熱沉本體在LED器件與該散熱表面之間提供高導(dǎo)熱系數(shù)路徑Rconductor。圖I中的阻值Rconductor模擬了經(jīng)由金屬熱沉本體MB的傳導(dǎo)。LED器件安裝在金屬基電路板或包含均熱器(spreader)的其他支撐件上，且來自LED器件的熱量通過該均熱器而傳導(dǎo)至熱沉。這由阻值Rspreader來模擬。除了經(jīng)由散熱表面(阻值Rconvection及Rik)散熱至周圍環(huán)境之外,還存在經(jīng)由愛迪生基座或其他燈連接器或燈基座LB (圖I中的模型中由虛線圓而示意性地指示)來進(jìn)行一些排熱(即，散熱)。經(jīng)由該燈基座LB進(jìn)行的排熱在圖I的示意性模型中由阻值Rsink表示，其表示經(jīng)由固體或熱管至遠(yuǎn)處環(huán)境或建筑基礎(chǔ)設(shè)施的傳導(dǎo)。然而，本文認(rèn)識到，在愛迪生型基座的通常情形下，基座LB的導(dǎo)熱系數(shù)限度及溫度限度將限制經(jīng)由該基座的熱通量為約I瓦特。相比之下，對于意在為內(nèi)部空間(例如，房間)照明或戶外照明提供照明的基于LED的燈，要消散的熱輸出通常為約10瓦特以上。因此，本文中認(rèn)識到，燈基座LB無法提供主要散熱路徑。相反，來自LED器件LD的熱量主要經(jīng)由穿過金屬熱沉本體至熱沉的外散熱表面的傳導(dǎo)而排出，在此情形下，熱量通過對流(Rconvection)及(較小程度)福射(Rik)而消散到周圍環(huán)境。該散熱表面可具有鰭片(例如，圖I中的示意性鰭片MF)或以其他方式修改為增加其表面面積由此來增加散熱。這種熱沉具有一些缺點。例如，由于包括熱沉MB的大體積金屬或金屬合金而導(dǎo)致熱沉沉重。沉重的金屬熱沉?xí)蚧盁艨谑┘訖C械壓力，此會造成故障，且在一些故障模式中，可能發(fā)生電氣危險。這種熱沉的另一問題在于制造成本高。制造塊金屬熱沉組件成本高，且根據(jù)所選擇的金屬，材料的成本也可能相當(dāng)高。此外，熱沉有時還用作電子器件的殼體，或作為愛迪生基座的安裝點，或作為LED器件電路板的支撐件。這些應(yīng)用需要以一定精度制造熱沉，這又將增加制造成本。發(fā)明人已經(jīng)使用圖I中所示的簡化熱模型而對這些問題予以分析。圖I的熱模型可以以代數(shù)方式表達(dá)為熱阻抗的串聯(lián)并聯(lián)電路。在穩(wěn)定狀態(tài)下，所有的瞬時阻抗(例如燈自身的熱質(zhì)量或周圍環(huán)境中的物體(例如燈連接器、電線及結(jié)構(gòu)性安裝件)的熱質(zhì)量)可視為熱電容。在穩(wěn)定狀態(tài)下，可忽略瞬時阻抗(即，熱電容)，正如在DC電路中忽略電容，且僅需考慮電阻。LED器件與環(huán)境之間的總熱阻值Rthmial可寫成
權(quán)利要求
1.一種熱沉，包括熱沉本體；以及設(shè)置在所述熱沉本體上的導(dǎo)熱層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層的厚度為500微米以下，且導(dǎo)熱系數(shù)為50W/m · K以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層的厚度為至少100微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層的片導(dǎo)熱率為至少O.025W/K。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層的片導(dǎo)熱率為至少O.05W/K。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層的片導(dǎo)熱率為至少O.0025W/K。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述熱沉本體不包含任何金屬或?qū)щ娞盍稀?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述熱沉本體包含表面面積增強散熱結(jié)構(gòu)，且所述導(dǎo)熱層至少設(shè)置在所述表面面積增強散熱結(jié)構(gòu)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱沉，其中，所述表面面積增強散熱結(jié)構(gòu)包括散熱鰭片。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述熱沉本體具有粗糙表面，且設(shè)置在所述粗糙表面上的所述導(dǎo)熱層與所述粗糙表面共形。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層具有粗糙外表面，所述粗糙外表面的粗糙與所述熱沉本體的表面不共形。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述熱沉本體與所述導(dǎo)熱層之間的聚合物層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱沉，其中，所述聚合物層的厚度介于2微米至10微米之間，并包括2微米和10微米。
14.根據(jù)權(quán)利要求I中任一項所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層包括銅層，設(shè)置為鄰近所述熱沉本體；以及鈍化金屬層，設(shè)置在所述銅層上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱沉，其中，所述鈍化金屬層選自由鎳層、鉻層及鉬金層組成的組中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱沉，其中，所述銅層的厚度為至少150微米，且所述鈍化金屬層的厚度不超過10微米。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述導(dǎo)熱層上的粉末涂層、涂料、涂漆及聚合物中的至少一個。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述導(dǎo)熱層含有銅。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述熱沉本體絕熱。
20.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉,其中,所述熱沉本體為塑料熱沉本體。
21.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱沉，其中，所述熱沉本體包含由設(shè)置在所述熱沉本體上的所述導(dǎo)熱層涂敷的通道以限定出熱分流路徑。
22.—種基于發(fā)光二極管(LED)的燈,包括熱沉，所述熱沉包含熱沉本體，以及導(dǎo)熱層，設(shè)置在所述熱沉本體上；以及包含一個或多個LED器件的LED模塊，所述LED模塊與所述熱沉緊固且熱連通。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的基于LED的燈，其中，所述熱沉的所述導(dǎo)熱層含有銅。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的基于LED的燈，其中，所述熱沉本體包括塑料熱沉本體。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的基于LED的燈，其中，所述塑料熱沉本體包括選自由以下組成的組中的聚合材料 聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龍、聚乙烯、環(huán)氧樹脂、聚異戊二烯、丁苯熱塑橡膠、聚雙二環(huán)戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚苯醚、硅烷樹脂、聚酮以及熱塑性塑料。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的基于LED的燈，其中，所述基于LED的燈具有A字形燈泡結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的基于LED的燈，其中，所述基于LED的燈具有MR或PAR結(jié)構(gòu)。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的基于LED的燈，其中，所述熱沉本體包含由設(shè)置在所述熱沉本體上的所述導(dǎo)熱層涂敷的通道以限定出熱分流路徑，所述熱分流路徑使所述LED模塊與所述熱沉的散熱表面熱連接。
29.—種方法,包括形成熱沉本體；以及在所述熱沉本體上設(shè)置導(dǎo)熱層。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述形成包括模塑所述熱沉本體。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述形成包括將所述熱沉本體模塑為模塑的塑料熱沉本體。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述熱沉本體包含鰭片，且所述設(shè)置包括將所述導(dǎo)熱層設(shè)置在所述鰭片上。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述設(shè)置包括將導(dǎo)熱材料無電鍍在所述熱沉本體上；以及將導(dǎo)熱材料電鍍在經(jīng)無電鍍的導(dǎo)熱材料上。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述無電鍍形成厚度不超過10微米的銅層，且所述電鍍形成厚度至少為140微米的銅層。
全文摘要
一種熱沉包括熱沉本體，其在一些實施方式中為塑料熱沉本體；及設(shè)置在所述熱沉本體上的導(dǎo)熱層。在一些實施方式中，所述導(dǎo)熱層包括銅層?；诎l(fā)光二極管(LED)的燈包括上述熱沉及LED模塊，所述LED模塊包含一個或多個LED器件，其中所述LED模塊與所述熱沉緊固且熱連通。一些這種基于LED的燈可具有A字形燈泡結(jié)構(gòu)或MR或PAR結(jié)構(gòu)。所公開的方法實施方式包括形成熱沉本體并將導(dǎo)熱層設(shè)置在所述熱沉本體上。所述形成可包括模塑可為塑料的所述熱沉本體。在一些方法實施方式中，所述熱沉本體包含鰭片，且所述設(shè)置包含將所述導(dǎo)熱層設(shè)置在所述鰭片上。
文檔編號F21Y101/02GK102918323SQ201180027205
公開日2013年2月6日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者阿什法克·I·喬杜里, 加里·R·艾倫 申請人:Ge照明解決方案有限責(zé)任公司