专利名称：轻质热沉及采用该轻质热沉的led灯的制作方法
轻质热沉及采用该轻质热沉的LED灯
本申请要求于2010年4月2日提交的美国临时申请第61/320,431号的权益，通过引证将于2010年4月2日提交的第61/320，431号美国临时申请的全部内容结合于本文中。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。大块的热沉将热量从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，热沉包含导热层，该导热层包括设置在聚合物主体中的富勒烯及纳米管中的至少一个。该热沉可进一步包含热沉本体，其可以是绝热的和/或为塑料，该热沉本体上设置有导热层。该热沉本体可包含增强表面面积的散热结构，例如鳍片，且该导热层至少设置在增强表面面积的散热结构上。
在本文公开为示意性示例的一些实施方式中，基于发光二极管(LED)的灯包含如前一段落中所述的热沉 '及LED模块，该LED模块包含一个或多个LED器件，其中该LED模块与该热沉紧固一起且热连通，以形成基于LED的灯，该灯可具有A字形灯泡结构。在其他灯的实施方式中，该热沉本体包括中空的并且通常为圆锥形的热沉本体，且该热沉包括中空的且通常为圆锥形的热沉，其中，该导热层至少设置在该中空的且通常为圆锥形的热沉本体的外表面上，且基于LED的灯为基于MR或PAR的灯。
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将导热层设置在该热沉本体上，该导热层包括设置在聚合物主体中的纳米管。该形成可包括将该热沉本体模塑为模塑的塑料热沉本体。该设置可包括在该热沉本体上喷涂该导热层。 可选地，该设置可进一步包括在喷涂期间施加外部能量场，以对设置在该聚合物主体中的纳米管施加非随机定向。
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。
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。
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。
图7示意性地示出了变型的热沉实施方式及该热沉的喷涂制造方法。
图8绘示了简化的“厚片”型热沉的涂层厚度与等效K数据的关系。
图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。
图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。
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。
具体实施方式
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。加工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加工热沉，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(Ijj 1、 、 '、^thermal = ^spreader + Konduction + ]一 + ^-+ 丁 ，其中Rsink 为经由爱迪生连接器(或^ sinkconvectionIR J其他灯连接器)至“环境”电线的热量的热阻抗值;Rconvection为通过对流热传递而自散热表面传递到周围环境中的热量的热阻值；RIK为通过辐射热传递而自散热表面传递到周围环境中的热量的热阻值；且Rpreader+Rconduct ion为自LED器件穿过均热器(RspMadOT)且穿过金属热沉本体(R_duc;tim)传递到达散热表面的热量的串联热阻值。应注意，对于项I/Rsink^对应的串联热阻值并不精确等于 Rspreader+Rconduction 其原因在于，串联热路径是到达灯连接器而不是到达散热表面；然而，由于对于典型灯，穿过基座连接器的导热系数I/Rsink相当小，此误差可被忽略。实际上，完全忽略穿过该基座的散热的简化模型可写为
该简化等式表明经由热沉本体的串联热阻值R。》—为热模型的控制参数。实际上，这对于采用块金属热沉MB的传统热沉设计是合理的一热沉本体为串联热阻值R_dlKtim 贡献极低的值。鉴于上述，可认识到，期望的是实现具有低串联热阻值R_duc;tim，但同时较传统热沉重量小(且优选地，低成本)的热沉。
可实现此目的的一种方式为增强通过基座的散热Rsink,使得增强此路径以提供10 瓦特以上的散热率。然而，在LED灯用于替代传统白炽灯或卤素灯或荧光灯或HID灯的改造型光源应用中，LED替代灯安装在初始针对白炽灯、卤素灯或HID灯而设计的传统类型基座或灯座或照明器中。针对此连接，至建筑基础设施或远处环境(例如，地面)的热阻值Rsink 相较艮。__或Rik大，从而使得通过对流及辐射至周围环境的热路径占主导。
另外，由于LED组件的相对较低的稳定状态操作温度，辐射路径通常由对流路径占主导(也就是说，R_—〈〈RIK)。因此，典型的基于LED的灯的主导热路径为包括R_du。一及尺。_;。《。11的串联热电路。因此，需要提供低串联热阻值同时减小热沉的重量(且优选，降低成本)。
本发明的发明人从第一原理的观点仔细考虑了在基于LED的灯中的热去除问题。 本文认识到，在通常认为极具重要性的参数(热沉体积、热沉重量对导热系数的比率、热沉表面面积及通过基座的传导性热移除及散热)中，两个主要的设计要素为LED与热沉之间的路径的导热系数(即，Rconduction)及用于使热对流传递及辐射传递至周围环境的热沉的外表面面积(其影响IUraitim和M。
可通过排除处理进行进一步分析。热沉体积仅在其影响热沉质量及热沉表面面积范围内是至关重要的。热沉质量在瞬时情形下相当重要，但不会严重影响稳定状态热移除性能，而热移除性能在连续操作灯中是至关重要，除非金属热沉本体提供一定程度低的串联阻值R。—。穿过可替换灯(例如PAR或MR或反射器或A字形灯)的基座的散热路径对于低功率灯而言极其重要；然而，爱迪生基座的导热系数仅足以提供约I瓦特的散热至周围环境(且其他类型的基座(例如销型基座)很可能具有相当的或甚至更低的导热)，且因此不期望通过基座至周围环境的传导性散热对各种市售的基于LED的灯具有原则上的重要性，预期这种灯在稳定状态下产生高达几个数量级以上的热负荷。
参照图2，根据上文所述，本文公开了一种改进的热沉，包括轻质热沉本体LB，其不必导热；及导热层CL，设置在热沉本体上以限定散热表面。热沉本体并非热电路的一部分(或可选地，可为实现热沉本体的导热率的微小组件)；然而，热沉本体LB限定导热层CL 的形状，导热层CL限定散热表面。例如，热沉本体LB可具有涂覆有导热层CL的鳍片LF。 由于热沉本体LB并非热电路的一部分(如图2所示)，其可针对可制造性及性质(诸如结构稳健性及重量小)而设计。在一些实施方式中，热沉本体LB为模塑塑料组件，其包括绝热或具有相对较低导热率的塑料。
设置在轻质热沉本体LB上的导热层CL执行散热表面的功能，且其关于使热量消散至周围环境的性能(由热阻值艮。_。 。 及Rik的热阻值量化)与图I中模型化的传统热沉的性能实质上相同。然而，此外，导热层CL限定自LED器件至散热表面的热路径(由串联阻值艮。-。_量化)。这也在图2中示意性地示出。为了实现充分低的R_dutim值，导热层CL 应具有充分大的厚度(因为Rrandutim随着厚度增加而降低)且应具有充分低的材料导热系数 (因为R_dutim也随着材料导热系数增加而降低)。本文中公开了通过适当地选择导热层CL 的材料及厚度，包括轻质(且可能绝热)的热沉本体LB及设置在热沉本体上且限定散热表面的导热层CL的热沉可具有与近似大小和形状的块金属热沉相比相同或甚至更好的散热性能，同时相较等效的块金属热沉更轻质，且制造成本更低。又，不仅用于辐射/对流散热至周围环境的表面面积决定该热沉的性能，而且由散热层限定的与周围环境热连通的外表面上的热量的热传导(即，对应于串联阻值R_durtim)也起决定作用。较高的表面导热率促使热量在整个散热表面面积上更有效地分布且因此促进辐射以及对流散热至周围环境中。
鉴于上文，本文所公开的热沉实施方式包括热沉本体及设置在热沉本体上且至少位于(且限定)热沉的散热表面上的导热层。热沉本体的材料的导热率比导热层的材料的导热率低。实际上，热沉本体甚至可绝热。另一方面，导热层应具有(i)面积及(ii)厚度且(iii)由具有充分导热系数的材料制成，使得其提供足以将基于LED的灯的LED器件的p-n 半导体结保持在指定最大温度以下的至周围环境的辐射/对流散热，指定最大温度一般低于200°C且有时低于100°C。
导热层的厚度及材料导热系数共同限定导热层的片导热率，其类似于片导电率(或者，在相反的情形中，片电阻率)。可以将片导热率定义为A其中P为材料d ，的热阻率且σ为材料的导热率，且d为导热层的厚度。取倒数则得到片导热率Ks=O · d0 因此，可在导热层的厚度d与材料导热率之间做出权衡。对于高导热率材料，则可使该导热层较薄，从而使重量减轻、体积减小且成本降低。
在本文所公开的实施方式中，导热层为碳纳米管(CNT)层，其包括设置在聚合物主体中的碳纳米管。举例而言，一些合适的CNT层公开于2009年4月23日公布的、Elhard等人的国际专利申请第WO 2009/052110A2号中，通过弓I证将其全部内容结合于本文中，且还公开于2008年7月17日公布的、Heintz等人的国际专利申请第WO 2008/085550A2号中， 通过引证将其全部内容结合于本文中。已知碳纳米管沿管具有极高的导热率，且沿管具有高导电率。在WO 2009/052110A2及WO 2008/085550A2中公开的CNT层包括设置在聚合物主体中的随机定向碳纳米管，其中这些纳米管足够靠近以使得跨相邻纳米管之间的导电率也极高。因此，CNT层材料具有极高的导电率。
为了说明在CNT构造中可实现极高的导热率，参考Berber等人的"Unusual Iy High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes〃，PhysicalReview Letters vol. 84no. 20，p4613_16 (2000)，其全部内容通过引证结合于本文中。在Berber等人发表的文中还报告了各种碳纳米管的复合特性。例如，Berber等人所公开的，图2示出了 CNT导热率随温度的变化，且发现在温度为100K时达到37000W/m*K的峰值，超过该温度，导热率逐渐降低。在室温时，导热率为约6600W/m · K。Berber等人所公开的图3示出了在200K至 400K的温度下，碳纳米管(10，10)与所约束的石墨单层的比较及与AA石墨的基面比较的导热率数据。这些数据表明，单独的纳米管与假设性单独的石墨烯单层相比具有极其类似的热传导行为。Berber等人的文献中所报告的资料说明对于包括设置在聚合物主体中的碳纳米管的CNT层，可达成高导热率；应理解，预测特定的CNT层的精确热特性取决于各种参数，例如聚合物主体中纳米管密度及定向(例如，随机或具有一些优选定向)、纳米管的类型 (例如，单壁相对于多壁)等。
使用CNT原料(例如单壁纳米管(SWNT)或石墨化多壁纳米管(MWNT))所构造的CNT 层具有极高的导热率，例如在被形成为CNT垫(其中该“垫(mat)”包括CNT材料股)时高达 σ =2000ff/m*K以上。更一般而言，设想在聚合物主体中形成具有包括富勒烯(例如，碳纳米管、也被称为“巴基球”的巴克敏斯特富勒烯、二十面体富勒烯等)的富勒烯层的导热层，其中在聚合物主体中，富勒烯具有充分高的密度，以提升跨相邻富勒烯的极有效的热传导。
热沉本体(S卩，不包含导热层的热沉)并不严重影响热移除，除非其限定执行热散布(由图2中的热模型中的串联热阻值R_du。一量化)的导热层的形状且限定散热表面(由图2中的热模型中的R_vertim&RIK量化)。由热沉本体提供的表面面积影响后续的通过辐射及对流的热移除。因此，可对该热沉本体加以选择，以实现所需的特性，例如重量小、成本低、结构刚性或强固性、热强固性(例如，热沉本体应耐受操作温度而不因此发生熔化或过度软化)、易于制造、表面面积最大(继而控制导热层的表面面积)等。在本文所公开的一些示意性实施方式中，热沉本体为模塑塑料组件，例如，由聚合材料(例如聚(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、热塑性塑料等)制成。热沉本体可被模塑成具有鳍片或其他热辐射/对流/表面面积增强结构。
下文将描述一些示意性实施方式。
参照图3及图4，热沉10具有适用于MR或PAR类型的基于LED的灯的构造。热沉 10包含上文已描述的由塑料或另一合适材料制成的热沉本体12 ;及导热层14，其包括设置在热沉本体12上的CNT层。更一般而言，导热层14可为包含设置在聚合物主体中的富勒烯(例如，碳纳米管、也被称为“巴基球”的巴克敏斯特富勒烯、二十面体富勒烯等)的富勒烯层。
如在图4中可见，热沉10具有鳍片16以增强最终的辐射热移除及对流热移除。也可使用其他表面面积增强结构来替代所示的鳍片16，例如多区段鳍片、杆、微/纳米级表面及体积特征等。示意性热沉本体12将热沉10限定为中空的且通常为圆锥形的热沉，其具有内表面20及外表面22。在图3所不的实施方式中，导热层14设置在内表面20及外表面 22 二者上。可替换地，导热层可仅设置在外表面22上，如图7中的可替换的实施方式热沉 10’所示。
继续参照图3及图4且进一步参照图5及图6，示意性中空且通常为圆锥形的热沉10包含中空顶部26。LED模块30 (图6中示出)适于设置在顶部26 (如图5所示)，以限定出基于MR或PAR的灯。LED模块30包含一个或多个(在该示意性实施方式中为三个) 发光二极管(LED)器件32，其安装在包含均热器36的金属基印刷电路板(MCPCB) 34上，例如包括MCPCB 34的金属层。示意性LED模块30进一步包含螺纹口爱迪生基座40 ;然而， 诸如接合销式基座或猪尾电子连接件的其他类型基座可替换爱迪生基座40。该示意性LED 模块30进一步包含电子器件42。电子器件可包括如图所示的封闭电子器件单元42，或可为设置在热沉10的中空顶部26中而不具有独立壳体的电子组件。电子器件42可适宜地包括供电电路，以将A.C.电力(例如，110伏特，美国居民生活用电；220伏特，美国工业或欧洲用电等)转换成适于操作LED器件32的(一般较低的)DC电压。电子器件42可可选地包含其他组件，例如静电放电(ESD)保护电路、保险丝或其他安全电路、调光电路等。
本文中所使用的术语“LED器件”应理解为涵盖无机LED或有机LED的裸半导体芯片；无机或有机LED的封装半导体芯片；LED芯片“封装件”，其中在该封装件中，LED芯片安装在一个或多个中间元件(例如子镶嵌芯片(sub-mount)、引线框、表面安装支撑件等)上； 包含波长转换荧光体涂层的无机LED或有机LED且具有或不具有密封剂的半导体芯片(例如，涂敷有黄色、白色、琥珀色、绿色、橙色、红色或设计为协作地产生白光的其他荧光体的紫外或紫色或蓝色LED芯片)；多芯片无机LED器件或有机LED器件(例如，白色LED器件， 其包含三个LED芯片，该三个LED芯片分别发射红光、绿光及蓝光，且可能发出其他颜色的光，从而共同作用而产生白光)等。一个或多个LED器件32可以被构造为针对给定照明应用共同发射白光束、带黄光束、红光束或实质上任何其他感兴趣的颜色的光束。还可设想， 一个或多个LED器件32包含发射不同颜色光的LED器件，且电子器件42包含合适的电路来独立地操作不同颜色的LED器件，以提供可调整光输出。
均热器36提供自LED器件32至导热层14的热连通。可以以各种方式实现均热器36与导热层14之间的良好热连通，例如通过焊接、导热粘合剂、借助于LED模块30与热沉10的顶部26之间的高导热率焊盘的牢固机械配合等。尽管本文并未阐明，但可设想，将导热层14设置在顶部26的内直径表面上，以提供或增强均热器36与导热层14之间的热耦合。
参照图7，阐述一种制造方法。在此方法中，首先通过合适的方法(例如，通过模塑) 形成热沉本体12 (图中未示出该操作)，对于热沉本体12包括塑料或其他聚合材料的实施方式，模塑法更便于形成热沉本体12。形成热沉本体12的其他方法包含铸塑、挤压(例如， 在制造圆柱形热沉的情形下)等。采用喷涂50 (图中用箭头示意性地示出)来使外表面22 涂覆有包括富勒烯(例如设置在聚合物主体中的碳纳米管)的导热涂层14。也可采用其他涂敷方法，例如掩模浸溃涂敷法或刷式涂布等。结果为得到经修改的热沉10’，热沉10’与图 3及图5中的热沉10的不同之处在于，内表面20’并不涂敷有导热涂层14。若设置在外表面22 (其可选地包含鳍片或其他表面面积增强结构)上的导热涂层14提供充分的最终辐射 /对流散热，则此可接受。在这种实施方式中，内表面20可选地涂敷有反射涂层52，以形成 MR或PAR或反射式灯的聚光反射器。还可理解，MR或PAR或反射式灯可包含其他光学组件 (未示出)，例如一个或多个菲涅尔透镜或其他透镜、一个或多个漫射器元件等。
如果需要在内表面20 (通过图3及图5的热沉10的示意性示例方式示出)上另外设置导热涂层14，可重复图7的喷涂，其中内表面22面向喷涂器(即，图7中所示的热沉翻转180° )。可替换地，可使用诸如涂刷的另一涂敷方法，其允许在内表面20及外表面22 二者上进行涂覆。
—般而言，在导热涂层14中，富勒烯随机定向在聚合物主体中。此为常见构造，且为在WO 2009/052110A2及WO 2008/085550A2中所公开的CNT层中的情形，这两个申请通过引证结合于本文中。然而，在各向异性富勒烯(例如碳纳米管)的情形下，也可设想成将导热涂层14形成为其中碳纳米管偏向平行于导热层14的平面的选定定向的CNT层。这种定向使横向导热系数相比于“穿层(through layer)”导热系数增强。导热系数成为具有平面内值σ u及“穿层”值σ ±的张量。对于偏向被定向在导热层14的平面中的碳纳米管， σ U〉。±及片导热率变为& = σ n · d0另外，若碳纳米管偏向平行于导热层14的平面的选定定向，则该张量具有进一步分量(即，该平面内值σ u被分解成不同平面内方向的不同值)，且若选定的定向平行于期望的热流方向，则可进一步增强最终辐射/对流散热的效率。 实现碳纳米管的这种较佳定向的方式为在喷涂期间施加电场E (在图中以用虚线绘制的大箭头示意性地示出)。更一般而言，可在喷涂期间施加外部能量场，以对设置在聚合物主体中的碳纳米管赋予非随机定向。实现碳纳米管的较佳定向的另一方式为使用涂刷在热沉本体12上设置导热层14，且沿着优选的定向拖拉涂抹笔刷，以使得以机械方式使碳纳米管偏向较佳定向。
在一些实施方式中，在热沉本体12上设置导热层14之后，适宜地通过加热、紫外线光曝光等来固化导热层14。在这种实施方式中，可采用与在一些液晶装置中形成聚酰亚胺“配向层”类似的方式施加电场或进行机械抛光，以对纳米管施加较佳的定向。
参照图8，示出了用于使材料导热系数为4000W/m · K的导热层的厚度优化的模拟数据。在该模拟中，热沉本体的材料导热系数为2W/m*K，但已发现，结果仅在很小程度上取决于此值。图8的值是关于长度为O. 050m、厚度为O. 0015m且宽度为O. Olm的简化“厚片” 热沉，其中导热材料涂敷在厚片的两面。可以看出，对于约15微米至20微米以上导热层厚度，等效阻值仅在很小程度上取决于厚度。因此，薄至数十微米以下的层足以提供与热传导及后续经由辐射及对流而将热量移除至环境相关的稳定状态性能，其与块金属热沉的性能是可媲美的。
一般而言，导热层14的片导热率应足够高以确保来自LED器件32的热量均匀地散布在整个热辐射/对流表面区域上。在由发明人执行的模拟中(例如图8所示的模拟)， 已发现，性能随着导热层14的厚度(对于给定材料导热系数)增加而得到改善，但一旦厚度超过一定水平就会变平(或更准确地说，性能对厚度曲线大约呈指数形式衰减)。在不受任何特定操作理论限制的情形下，认为这是由于至周围环境的散热在材料具有较大厚度的情形下受限于辐射/对流热阻值R_vertim及RIK，而非受限于经由导热层的热传递的热阻值 R—。换句话说，在层厚度较大的情形下，串联热阻值R。。—相较及Rik变得可以忽略。
参照图9及图10，在块金属热沉的热模拟中，可以看到随着材料导热系数增加，出现的是类似的性能趋平。图9示出了通过对于四个不同材料导热系数(20W/m*K ；40ff/m -K ； 60ff/m ·Κ及80W/m ·Κ)模拟体热沉的热成像而获得的结果。图9中绘制了针对每个模拟的 LED板(“芯片上电路板”，即CoB或Tboard)温度。可以看出，CoB温度下降在80ff/m · K时开始趋平。图10绘制了在导热系数不超出600W/m · K的情形下，CoB温度与体热沉材料材料导热系数的关系，其示出在100W/m · K至200W/m · K范围内，基本上性能趋平。在不受任何特定操作理论限制的情形下，认为这是由于在更高(块)材料导热系数的情形下，至周围环境的散热受限于辐射/对流热阻值R_vec;tim及RIK，而非限于通过导热层的热传递R_du。一的热阻值。换句话说，在高(块)材料导热系数下，串联热阻值Rrandurtim相比R_—及Rir 可忽略。
基于上文，在一些设想的实施方式中，导热层14的厚度为500微米以下，且导热系数为50W/m*K以上。然而，由于CNT层的导热系数可超过50W/m*K量级值(例如，参见上文 Berber等人的文献)，可使用实质上较薄的CNT层。例如，铝的(体)导热系数一般为约100W/ m ·Κ。从图8中可以看出，对于厚度为约20微米以上的导热系数为4000W/m ·Κ的CNT层，可实现散热性能超过块铝热沉的散热性能。根据片导热率来按比例调整Ks= σ ·(!，(在此示例中，σ =4000W/m · K，且d=20微米，从而得出Ks=O. 08W/K)，对于厚度为约80微米的 IOOOff/m · K的CNT层或厚度为约100微米的800W/m · K的CNT层或厚度为约200微米的 400ff/m · K的CNT层，可实现散热性能超过块铝热沉的散热性能。对于给定的CNT层厚度， 增加该CNT层的导热系数(例如，通过增加该层中的碳纳米管的密度，或通过使用各个具有更高导热系数的碳纳米管)可增强散热性能。类似地，对于给定的CNT层的导热系数，增加该CNT层厚度可增强散热性能。
参照图11及图12，所公开的热沉方面可结合在各种类型的基于LED的灯中。
图11示出了适于改造白炽灯A字形灯泡的“A字形灯泡”灯的侧视截面图。热沉本体62形成结构性基础，且可适合地制成为模塑塑料元件，例如，由聚合材料(例如聚(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、热塑性塑料等)制成。包括CNT层的导热层 64设置在热沉本体62上。更一般而言，导热层64可为包括设置在聚合物主体中的富勒烯 (例如，碳纳米管、也被称为“巴基球”的巴克敏斯特富勒烯、二十面体富勒烯或此类物)的富勒烯层。导热层64可以以与图3至图5及图7中的MR/PAR灯的实施方式的导热层14的制造方式相类似的方式制造。
灯基座部66与热沉本体62紧固一起以形成灯本体。灯基座部66包含螺旋口爱迪生基座70，其类似于图3至图5及图7的实施方式的MR/PAR灯的实施方式的爱迪生基座 40。在一些实施方式中，热沉本体62和/或灯基座部66限定中空区域71，其容纳用于将在该爱迪生基座70接收到的电力转换为适于驱动LED器件72的操作电力的电子器件(图中未示出)，其中LED器件72提供灯光输出。LED器件72安装在金属基印刷电路板(MCPCB) 或与导热层64热连通的其他均热支撑件73上。均热器73与导热层64之间的良好热耦合可以可选地通过焊接、导热粘合剂等来增强。
为了在大立体角范围(例如，至少2JI球面度)内提供基本上全方向光输出，在LED 器件72上设置漫射器74。在一些实施方式中，漫射器74可包含(例如，涂敷有)波长转换荧光体。对于产生基本为朗伯光输出的LED器件72而言，漫射器74为基本上球形且LED 器件72位于漫射器74的周边的所示配置可增强输出照明的全方向性。
参照图12，示出了变形“A字形灯泡”灯，其包含具有爱迪生基座70的基座部66 以及图11的灯的漫射器74，且还包含LED器件72 (在图12的侧视图中不可见)。图12的灯包含热沉80，其类似于图11的灯的热沉62、64，且具有热沉本体(在图12的侧视图中不可见)，热沉本体涂敷有导热层64 (在图12的侧视透视图中用交叉影线所指示)，导热层64 包括设置热沉本体上的CNT层。图12灯与图11中的灯的不同之处在于，热沉80的热沉本体的形状被成形为限定在漫射器74的部分之上延伸的鳍片82。替换示意性鳍片82，热沉本体可被模塑成具有其他热辐射/热对流/热表面面积增大的结构。
在图12的实施方式中，可预想到，热沉80的热沉本体及漫射器74包括单个整体性的模塑塑料元件。然而，在此情形下，单个整体的模塑塑料元件应由光学透明或半透明材料(使得该漫射器74可透射光)制成。此外，如果CNT层64光学上吸收灯光输出，则如图12 所示，CNT层64应仅涂敷热沉80，而不涂覆该漫射器74。这可通过在喷涂期间对漫射器表面进行合适的掩模来实现。
图13及图14示出了与热沉80基本上相同的可替代热沉80’、80〃，不同之处在于， 鳍片并不延伸远至漫射器74之上。在这些实施方式中，漫射器74及热沉80’、80〃的热沉本体可以是分离注塑(或以其他方式分离制造)的元件，可简化将CNT层64设置在热沉本体上的处理。
以上已经示出并描述了优选实施方式。明显地，一旦阅读和理解之前的详细描述， 修改和替换是可行的。目的在于，本发明被构建为包括所有这种修改和替换，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内即可。
权利要求
1.一种装置，包括包含导热层的热沉，所述导热层包括设置在聚合物主体中的富勒烯及纳米管中的至少一个。
2.根据权利要求I所述的装置，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I所述的装置，其中，所述导热层的厚度为200微米以下，且导热系数 为400W/m · K以上。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述导热层的厚度为100微米以下。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述导热层的厚度为80微米以下。
6.根据权利要求I所述的装置，其中，所述导热层包括设置在聚合物主体中的碳纳米管。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述碳纳米管随机定向在所述聚合物主体中。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述碳纳米管偏向平行于所述导热层的平面的 选定定向。
9.根据权利要求I所述的装置，其中，所述热沉进一步包含热沉本体，所述导热层设置在所述热沉本体上。
10.根据权利要求9所述的装置，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。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述表面面积增强散热结构包括散热鳍片。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述热沉本体具有相对较低的导热率，且所述 导热层具有相对较高的导热率。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述热沉本体是绝热的。
14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述热沉本体为塑料热沉本体。
15.根据权利要求9所述的装置，进一步包括发光二极管(LED)模块,所述发光二极管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以形成基于LED的灯。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述基于LED的灯具有A字形灯泡结构。
17.根据权利要求15所述的装置，其中所述热沉本体包括中空的且通常的圆锥形热沉本体，且所述热沉包括中空的且通常的 圆锥形热沉，其中所述导热层至少设置在所述中空且通常的圆锥形热沉本体的外表面上； 并且所述LED模块设置在所述中空的且通常的圆锥形热沉的顶部，以将所述基于LED的灯 限定为基于MR或PAR的灯。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述导热层仅设置在所述中空的且通常的圆 锥形热沉本体的外表面上。
19.根据权利要求17所述的装置，进一步包括聚光反射器，所述聚光发射器包括设置在所述中空的且通常的圆锥形热沉的内表面上 的反射层。
20.—种方法,包括形成热沉本体；以及将导热层设置在所述热沉本体上，所述导热层包括设置在聚合物主体中的纳米管。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述纳米管包括碳纳米管。
22.根据权利要求20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。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述设置包括在所述热沉本体上喷涂所述导热层。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述设置进一步包括在所述喷涂期间施加外部能量场，以对设置在所述聚合物主体中的所述纳米管赋予非随机定向。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，所述设置包括在所述热沉本体上涂刷所述导热层，其中所述涂刷对设置在所述聚合物主体中的所述纳米管赋予非随机定向。
全文摘要
一种热沉(10)包含导热层(14)，所述导热层包括设置在聚合物主体中的富勒烯及纳米管中的至少一个。所述导热层可设置在热沉本体上，所述热沉本体可绝热和/或为塑料，且可包含表面面积增强散热结构，例如鳍片(16)，所述导热层至少设置在所述表面面积增强散热结构上。基于发光二极管(LED)的灯的实施方式包含所述热沉及包含一个或多个LED器件(32)的LED模块(30)，所述LED模块与所述热沉紧固且热连通。方法实施方式包含形成所述热沉本体并将所述导热层设置在所述热沉本体上。所述设置可包括喷涂。在喷涂期间可施加外部能量场，以对所述聚合物主体中的纳米管赋予非随机定向。
文档编号F21V29/00GK102939501SQ201180027211
公开日2013年2月20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