专利名称：轻质热沉及采用该轻质热沉的led灯的制作方法
技术领域：
下文涉及照明领域、灯光领域、固态照明领域、热管理领域及相关领域。
背景技术：
白炽灯、卤素灯及高强度放电(HID)光源具有相对高的操作温度，且因此，散热主要通过辐射及对流热传递路径来进行。例如，辐射放热随着温度升高至四次幂而进行，从而该辐射热传递路径随着操作温度升高而超线性地变得更为主导。因此，对于白炽灯、卤素灯及HID光源的热管理一般意味着在灯的附近提供足够的空气空间，以有效的辐射热传递及对流热传递。一般而言，在这些类型的光源中，无需增加或修改该灯的表面积来增强辐射热传递或对流热传递以达到灯的期望操作温度。另一方面，出于器件性能及可靠性的原因，基于发光二极管(LED)的灯通常工作在实质上较低的温度下。例如，典型的LED器件的结温度应低于200°C，且在一些LED器件中，应低于100°C或甚至更低。在这些低操作温度下，至周围环境的辐射热传递路径较弱，使得至周围环境的对流及传导性热传递通常占主导。在LED光源中，可通过增设热沉而增强从灯或照明装置的外表面面积的对流热传递及辐射热传递。热沉是提供用于使热量以辐射以及对流的方式而离开LED器件的大表面的组件。在典型设计中，热沉为表面面积设计得较大的相对大块金属元件，例如通过在该金属元件的外表面上设置鳍片或其他散热结构。大横截面积以及高导热率的热沉将热量从LED器件高效地传导至散热鳍片且大面积散热鳍片通过辐射及对流而提供了高效的散热。对于高功率的基于LED的灯，还已知的是，采用主动冷却，主动冷却使用风扇或合成射流或热管或热-电冷却器或经泵送冷却剂流体来增强排热。
发明内容
在本文公开为示意性示例的一些实施方式中，一种热沉，包括热沉本体及设置在该热沉本体上的导热层。在一些这种实施方式中，热沉本体为塑料热沉本体。在一些这种实施方式中，该导热层包括铜层。在本文公开为示意性示例的一些实施方式中，一种基于发光二极管(LED)的灯包括上一段落中所述的热沉；及包含一个或多个LED器件的LED模块，该LED模块与该热沉紧固且热连通。在一些这种实施方式中，该基于LED的灯具有A字形灯泡结构。在一些这种实施方式中，该基于LED的灯为MR或PAR结构。在本文公开为示意性示例的一些实施方式中，一种方法包括形成热沉本体；且在该热沉本体上设置导热层。在一些这种实施方式中，所述形成包括模塑热沉本体。在一
4些这种实施方式中，所述形成包括将所述热沉本体模塑为模塑的塑料热沉本体。在一些这种实施方式中，热沉本体包含鳍片，且所述设置包含将导热层设置在鳍片上。
图I及图2示意性地示出了采用金属热沉组件的传统热沉的热模型(图I)及本文所公开的热沉的热模型(图2)。图3及图4分别示意性地示出了适用于MR灯或PAR灯中的热沉的侧视截面图及侧视透视图。
5示意性地示出了包含图3及图4的热沉的MR灯或PAR灯的侧视截面图。
6示意性地示出了图5的MR灯或PAR灯的光学/电子模块的侧视图。
7示意性地示出了用于制造轻质热沉的合适制造过程的流程图。
8绘示了简化的“厚片”型热沉部分的涂层厚度与等效K数据的关系。
9及图10示出了块金属热沉的热性能与材料导热系数的关系。
11示意性地示出了结合有本文所公开的热沉的“A字形灯泡”灯的侧视截面图。12示意性地示出了图9的“A字形灯泡”灯的变形的侧视透视图，其中该热沉包图含鳍片。图13及图14示意性地示出了设置有鳍片的“A字形灯泡”灯的其他实施方式的侧视透视图。图15示出了如本文所公开的使用塑料热沉本体的铜电镀层所制造的PAR-38热沉的重量及材料成本的计算值与相同尺寸及形状的块铝热沉的重量及材料成本的计算值的比较。图16及17示意性地示出了热沉本体(图16)及包含热分流路径的成品热沉(图17)的侧视透视图。
具体实施例方式就白炽灯、卤素灯及HID光源(均为热发光体)而言，至灯附近的空气空间的热传递通过辐射热路径及对流热路径的设计来管理，以在光源的操作期间实现提高的目标温度。相比之下，就LED光源而言，光子并非经热激发，而是通过电子与空穴在半导体的p-n结处复合而产生。通过使LED的p-n结的操作温度最低化而不是在升高的目标温度下操作，可优化光源的性能及寿命。通过提供具有鳍片或其他增大表面面积的结构的热沉，可增强表面的对流热传递及福射热传递。参照图I，方框示意性地表示具有鳍片的金属热沉MB，且该热沉的鳍片MF由虚线椭圆示意性地指示。热量通过对流和/或辐射传递到周围环境所经由的表面在本文中被称为散热表面(例如，鳍片MF)，且应具有大面积以使散热足以维持LED器件LD处于稳定的操作状态。自散热表面MF至周围环境中的对流散热及福射散热可分别由热阻值Rconvection及Rik或等效地通过导热系数来模拟。阻值Rconvection模拟了通过自然气流或压迫气流而自该热沉的外表面至周围环境的对流。阻值Rik模拟了自该热沉的外表面至远处环境的红外(IR)福射。另外，导热路径(在图I中由阻值Rspreader及Rconductor指示)串联在LED器件LD与散热表面MF之间，表示自LED器件LD至散热表面MF的热传导。该串联热传导路径的高导热系数确保自LED器件经由散热表面至附近空气的散热不会受限于串联导热系数。这通常通过将该热沉MB构造成具有鳍片或以其他方式的增强的表面面积MF (其限定散热表面)的相对大块的金属一该金属热沉本体提供LED器件与散热表面之间的期望高的导热系数来实现。在此设计中，该散热表面本身是连续的并且与提供高导热系数路径 的该金属热沉本体紧密的热接触。因此，基于LED的灯的传统散热包含热沉MB，该热沉MB包括金属(或金属合金)块，使大面积散热表面MF暴露至附近的空气空间。该金属热沉本体在LED器件与该散热表面之间提供高导热系数路径Rconductor。图I中的阻值Rconductor模拟了经由金属热沉本体MB的传导。LED器件安装在金属基电路板或包含均热器(spreader)的其他支撑件上，且来自LED器件的热量通过该均热器而传导至热沉。这由阻值Rspreader来模拟。除了经由散热表面(阻值Rconvection及Rik)散热至周围环境之外,还存在经由爱迪生基座或其他灯连接器或灯基座LB (图I中的模型中由虚线圆而示意性地指示)来进行一些排热(即，散热)。经由该灯基座LB进行的排热在图I的示意性模型中由阻值Rsink表示，其表示经由固体或热管至远处环境或建筑基础设施的传导。然而，本文认识到，在爱迪生型基座的通常情形下，基座LB的导热系数限度及温度限度将限制经由该基座的热通量为约I瓦特。相比之下，对于意在为内部空间(例如，房间)照明或户外照明提供照明的基于LED的灯，要消散的热输出通常为约10瓦特以上。因此，本文中认识到，灯基座LB无法提供主要散热路径。相反，来自LED器件LD的热量主要经由穿过金属热沉本体至热沉的外散热表面的传导而排出，在此情形下，热量通过对流(Rconvection)及(较小程度)福射(Rik)而消散到周围环境。该散热表面可具有鳍片(例如，图I中的示意性鳍片MF)或以其他方式修改为增加其表面面积由此来增加散热。这种热沉具有一些缺点。例如，由于包括热沉MB的大体积金属或金属合金而导致热沉沉重。沉重的金属热沉会向基座及灯口施加机械压力，此会造成故障，且在一些故障模式中，可能发生电气危险。这种热沉的另一问题在于制造成本高。制造块金属热沉组件成本高，且根据所选择的金属，材料的成本也可能相当高。此外，热沉有时还用作电子器件的壳体，或作为爱迪生基座的安装点，或作为LED器件电路板的支撑件。这些应用需要以一定精度制造热沉，这又将增加制造成本。发明人已经使用图I中所示的简化热模型而对这些问题予以分析。图I的热模型可以以代数方式表达为热阻抗的串联并联电路。在稳定状态下，所有的瞬时阻抗(例如灯自身的热质量或周围环境中的物体(例如灯连接器、电线及结构性安装件)的热质量)可视为热电容。在稳定状态下，可忽略瞬时阻抗(即，热电容)，正如在DC电路中忽略电容，且仅需考虑电阻。LED器件与环境之间的总热阻值Rthmial可写成
权利要求
1.一种热沉，包括热沉本体；以及设置在所述热沉本体上的导热层。
2.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述导热层的厚度为500微米以下，且导热系数为50W/m · K以上。
3.根据权利要求2所述的热沉，其中，所述导热层的厚度为至少100微米。
4.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述导热层的片导热率为至少O.025W/K。
5.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述导热层的片导热率为至少O.05W/K。
6.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述导热层的片导热率为至少O.0025W/K。
7.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述热沉本体不包含任何金属或导电填料。
8.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述热沉本体包含表面面积增强散热结构，且所述导热层至少设置在所述表面面积增强散热结构上。
9.根据权利要求8所述的热沉，其中，所述表面面积增强散热结构包括散热鳍片。
10.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述热沉本体具有粗糙表面，且设置在所述粗糙表面上的所述导热层与所述粗糙表面共形。
11.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述导热层具有粗糙外表面，所述粗糙外表面的粗糙与所述热沉本体的表面不共形。
12.根据权利要求I所述的热沉，进一步包括设置在所述热沉本体与所述导热层之间的聚合物层。
13.根据权利要求12所述的热沉，其中，所述聚合物层的厚度介于2微米至10微米之间，并包括2微米和10微米。
14.根据权利要求I中任一项所述的热沉，其中，所述导热层包括铜层，设置为邻近所述热沉本体；以及钝化金属层，设置在所述铜层上。
15.根据权利要求14所述的热沉，其中，所述钝化金属层选自由镍层、铬层及钼金层组成的组中。
16.根据权利要求14所述的热沉，其中，所述铜层的厚度为至少150微米，且所述钝化金属层的厚度不超过10微米。
17.根据权利要求I所述的热沉，进一步包括设置在所述导热层上的粉末涂层、涂料、涂漆及聚合物中的至少一个。
18.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述导热层含有铜。
19.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述热沉本体绝热。
20.根据权利要求I所述的热沉,其中,所述热沉本体为塑料热沉本体。
21.根据权利要求I所述的热沉，其中，所述热沉本体包含由设置在所述热沉本体上的所述导热层涂敷的通道以限定出热分流路径。
22.—种基于发光二极管(LED)的灯,包括热沉，所述热沉包含热沉本体，以及导热层，设置在所述热沉本体上；以及包含一个或多个LED器件的LED模块，所述LED模块与所述热沉紧固且热连通。
23.根据权利要求22所述的基于LED的灯，其中，所述热沉的所述导热层含有铜。
24.根据权利要求22所述的基于LED的灯，其中，所述热沉本体包括塑料热沉本体。
25.根据权利要求24所述的基于LED的灯，其中，所述塑料热沉本体包括选自由以下组成的组中的聚合材料 聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龙、聚乙烯、环氧树脂、聚异戊二烯、丁苯热塑橡胶、聚双二环戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚苯醚、硅烷树脂、聚酮以及热塑性塑料。
26.根据权利要求22所述的基于LED的灯，其中，所述基于LED的灯具有A字形灯泡结构。
27.根据权利要求22所述的基于LED的灯，其中，所述基于LED的灯具有MR或PAR结构。
28.根据权利要求22所述的基于LED的灯，其中，所述热沉本体包含由设置在所述热沉本体上的所述导热层涂敷的通道以限定出热分流路径，所述热分流路径使所述LED模块与所述热沉的散热表面热连接。
29.—种方法,包括形成热沉本体；以及在所述热沉本体上设置导热层。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述形成包括模塑所述热沉本体。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述形成包括将所述热沉本体模塑为模塑的塑料热沉本体。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述热沉本体包含鳍片，且所述设置包括将所述导热层设置在所述鳍片上。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述设置包括将导热材料无电镀在所述热沉本体上；以及将导热材料电镀在经无电镀的导热材料上。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述无电镀形成厚度不超过10微米的铜层，且所述电镀形成厚度至少为140微米的铜层。
全文摘要
一种热沉包括热沉本体，其在一些实施方式中为塑料热沉本体；及设置在所述热沉本体上的导热层。在一些实施方式中，所述导热层包括铜层。基于发光二极管(LED)的灯包括上述热沉及LED模块，所述LED模块包含一个或多个LED器件，其中所述LED模块与所述热沉紧固且热连通。一些这种基于LED的灯可具有A字形灯泡结构或MR或PAR结构。所公开的方法实施方式包括形成热沉本体并将导热层设置在所述热沉本体上。所述形成可包括模塑可为塑料的所述热沉本体。在一些方法实施方式中，所述热沉本体包含鳍片，且所述设置包含将所述导热层设置在所述鳍片上。
文档编号F21Y101/02GK102918323SQ201180027205
公开日2013年2月6日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年4月2日
发明者阿什法克·I·乔杜里, 加里·R·艾伦 申请人:Ge照明解决方案有限责任公司