专利名称：液胆风筒式led灯的制作方法
液胆风筒式LED灯
技术领域：
本发明涉及一种LED照明灯具，具体涉及一种液胆风筒式LED照明灯。本发明属于节能环保照明灯具领域。
背景技术：
LED照明是新兴绿色照明高科技产业，LED光源产品具有绿色环保、高效节能特点，已得到广泛应用。不同于其它人造电光源，要获得LED光源器件稳定高效工作，需要将LED芯片工作温度控制在一定的范围之内。研究表明LED结温每上升10度，其发光效率大约下降3% ;如果超过LED结温的极限值，将会导致LED失效，甚至造成LED光源器件永久性损坏。目前，基于LED照明光源的应用产品，其主流散热设计方案是依靠导热系数较好的材料将LED芯片发出的热量尽快地导向基板再导向散热外壳。至于外壳散热部分，一方面采用导热系数好的材料制造形状各异的散热灯壳，通过其周边空气对流实现散热；另一方面，除了传统技术手段，采用特种涂料或薄膜，增强受热外壳的热辐射能力，实现加快降 温的目的。此外，采用热管装置、强制风冷等方案，也屡见不鲜，可谓八仙过海各显其能。依靠不同材料和各种造型的LED灯外壳进行自然散热，对于功率较小的LED照明灯，在某种程度上似乎可以满足其散热要求，但高亮度、超高亮度LED光源功耗大，其散热要求异常严峻，甚至难以满足基本散热要求。为满足大功率LED光源散热要求，常见的设计思路是，加大散热器尺寸和重量，有些则增加电风扇进行强制风冷。基于LED管芯封装而成的LED光源基板，以热阻尽可能低的方式，将LED芯片在通电发光时所产生热量的绝大部分，尽快地传导到基板。通常的散热结构设计是将基板以尽可能低热阻的方式安装到散热器/壳上，使得LED被基板导出的热量尽快传给散热器/壳，借助其散热方式，为LED光源基板、进而为LED芯片降温。这样设计，如果不是增加风扇，而是依靠自然冷却降温，在相同铝合金材料和类似结构造型情况下，散热效果就简单地取决于尺寸和重量尺寸大些则有效散热面积大些，重量重些则热容量大些，大些重些散热效果可能就好些。然而作为照明灯具，其尺寸、重量并不是没有限制的，而散热灯壳变大变重，非但形象劣化，还势必造成总成本增加，尤其会导致使用不便而遭市场拒绝。目前用于LED照明灯具的散热器，普遍采用铝合金制造或压铸成形，或挤压成型材再机加工成型。这种基于铝合金的LED灯壳/散热器，散热性能较好，加工成型度高，产品一致性好；但同时也具有明显缺点，包括I重量偏重2成本偏高，特别是当国际有色金属市场价格波动，对成本影响较大。然而其最为致命的缺点在于金属材料是电的良导体，用金属材料制作LED电光源散热外壳，有漏电触电甚至遭到雷击的隐患存在！从散热角度分析，即便采取前述各种措施，但对功率较大尤其是功率密度较高的LED照明灯具，其散热状况仍然是步履蹒跚困难重重，很难在高效散热和低成本制造两方面兼得鱼和熊掌。至于铝合金散热器导电的安全隐患，则一时还无暇顾及，真是“路漫漫其修远兮”。针对这种状况，“吾将上下而求索”。本发明采用‘液胆风筒式LED灯’技术方案，给出合理而简洁的结构设计、较低成本加工制造，从而较好地解决了这一困扰业界的应用难题。
发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、制造工艺成熟、满足大功率/高功率密度LED光源散热要求、既安全可靠又成本低廉、性能优异的LED照明灯具散热结构设计方案。本‘液胆风筒式LED灯’技术方案，正是达到这一目标的途径之一。LED照明光源普遍采用铝合金加工部件用于散热，例如太阳花铝型材，本设计方案的说明文字虽基于太阳花铝合金型材作为主要散热部件之一，LED光源板紧贴安装在太阳花铝型材下端，但压铸铝合金散热器以及其它金属或非金属散热器也具备散热效果，处理方式与太阳花铝型材略有不同，但实质效果类似。为便于讨论，在文中一些地方，并不具体指明是基于何种材料，而统称为‘金属散热器’或‘散热器’。
本技术方案改进之处在于1在金属散热器中部空腔，即所述LED灯内胆处，灌注冷却液体，既可利用液体受热流动，大量带走LED光源板热量，迅速传递给金属散热器；又可将密封腔抽成负压，依靠液体相变冷却；实现低成本高效率降温效果。2根据烟囱抽风原理，在金属散热器外层包裹/嵌套风筒式绝缘外壳，用电既安全又迫使周边空气从风筒下部裙边进气孔进入金属散热器散热鳍片底部，向上流经散热鳍片表面，充分发挥散热鳍片表面积大、便与空气热量交换特点，实现强制风冷/准强制风冷最佳散热效果。一种液胆风筒式LED灯，其特征是在LED灯金属散热器密封内胆腔中灌注液体，在金属散热器外面安装烟囱抽风式绝缘外罩——风筒。所述液体即冷却液，首选普通水/水溶液，取材方便成本低。为降低其冷凝温度，可适当掺入防冻剂如甲醇、乙醇或其它。另可选其它液体如甲醇、乙醇及其它液体或其溶液也可。一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述液体主要成分优选水，可按降低冷凝点温度设定掺入适量防冻剂；其它如甲醇或乙醇也可选用。构成内胆密封腔主要部件有三I中空式散热器，如太阳花铝型材2下部LED光源板，或可安装LED光源板的刚性导热底板3上部密封上盖。考虑到I冷却液温度变化体积随着改变，刚性结构密封腔难以承受大幅温差产生巨大应力而可能导致密封失效。散热器和底板是刚性部件，只有密封上盖具备柔性才能吸收温变应力，最简密封上盖是平板型，为便于工艺监控，最好由透明或半透明橡胶制造并配注水口，上盖透明有助于观察液体状况。2虽然液体多热容大，有利于平抑光源板温升梯度，但会影响灯具整体效果。为实现可靠密封并确保高效导热又尽量少用液体，我们用形似婴儿奶瓶奶嘴的柔性密封部件。其形状也像老式礼帽或其它造型，用橡胶或其它柔性密封材料制造。为叙述方便，统称‘密封上盖’。将密封上盖形如婴儿奶嘴的头部插入冷却液中，将其末端密封裙边用刚性密封垫圈或密封盖板压紧安装在散热器如太阳花型材上端，如同将奶嘴反过来装入奶瓶再盖紧类似。插入奶嘴型密封上盖占据密封腔内空间，液体用量减少灯具重量下降。只要密封上盖造型合理，受热液体流动顺畅，就可确保高效率传递热量，有利于LED光源板快速降温。同时，对于冷却液因温度变化而导致体积变化所产生的应力，则靠密封上盖部件形变以柔克刚地化解，确保密封效果万无一失。密封上盖部件的形状可以有多种设计，除了简单的平板型外，既可如同老式礼帽，边沿直楞直角，或将其过于生硬的边角部分适当倒角变得圆滑一些；也可以像婴儿奶嘴，转角圆滑线条流畅。此外，还可以沿其轴向或横向生出褶皱，如同‘皮老虎’易于折叠变形，以便更好地吸收液体温度变化体积改变所产生的应力。作为密封上盖柔性设计的延伸，该部件也可以用刚性材料制造，例如金属材料或塑料等。但刚性材料部件在设计和制造时必须考虑到化解温变产生的应力，结构上可增加折叠或沟渠。也可刚柔结合所成部件的一部分采用刚性材料，例如安装法兰盘及其上圆管部分，另一部分用弹性好又密封的柔性材料，例如用橡胶指套取代婴儿奶嘴型柔性部件顶部奶嘴头部分。总之形状多样，主要功能是1密封2吸收温变应力；附属功能是减少液体用量以降低灯具重量。一种液胆风筒式LED灯，其特征是位置对应于密封安装的LED光源板、在所围成的金属散热器内胆密封腔的另一端，以平铺或插入方式安装密封上盖部件 ，该部件为柔性、刚性或刚柔结合而成，部件形状为平板型或形如婴儿奶嘴及其变形。一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述密封上盖部件由刚、柔两部分或几部分组成刚性部分主要用作部件成型,柔性部分主要用于吸收应力。所述密封上盖柔性部件的制造材料，应该具有弹性/柔性，可以选用橡胶、塑料、尼龙以及其它原材料，例如选用三元乙丙，性能可靠、原料充足、成本低廉。为了更进一步降低制造成本，还可以选用柔性纤维骨料成型再敷以密封材料制造。一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述密封上盖柔性部件，其制造材料具弹性或柔性可透明，首选橡胶如三元乙丙，次选塑料、尼龙、硅胶等。在这一设计方案中，密封上盖部件起到很好的双重效果I液体温度改变导致应力改变而密封效果不变；2减少冷却液使用量，降低灯具重量。再一种液胆风筒式LED灯冷却方案依据负压制冷技术原理。负压应用方案中构成液胆密封腔的密封上盖为刚性，形状为平板型或上凸型例如钢盔或圆塔顶部，上面安装抽气嘴。抽气嘴可类似自行车轮胎气门嘴、汽车轮胎气门嘴、钢珠密封气嘴等形式，也可一次抽气永久封闭。密封腔内注入冷却液用量较少，只要LED光源板在工作时，冷却液能始终将其有效覆盖即可。所用冷却液体优选水，可掺入甲醇或乙醇，既防冻又降低汽化温度。通过抽气嘴将密封腔内抽成负压，如初始为大气压十分之一，水基冷却液约50°C就开始汽化并携带等量液体5224倍热量逸出离开。随着液体汽化，密封腔内负压逐渐减弱，汽化温度点逐渐升高；同时水汽释放热量被金属散热器迅速带走，热交换后水汽液化再回流于内胆底部LED光源板处，循环补充汽化逃逸的冷却液体，终会达成动态平衡，并实现‘钳温’效果在工作时LED光源板温度被钳制在特定汽化温度点，只要LED光源板处始终保持有冷却液体，其温度就不可能再升高。本方案关键原理是‘相变能’:相变能量是液体比热容量的数千倍！一种液胆风筒式LED灯，其特征是在金属散热器内胆密封腔上端安装平板型或上凸型刚性密封上盖；密封腔内灌注适量相变冷却液，并根据汽化温度参数将密封腔抽成所需负压。这一方案，必须考虑构成密封腔各零部件承受负压的能力，特别是LED光源板，其面积大，压力作用于其最脆弱的正面，因此在光源基板选材和制造工艺上必须充分论证，确定合理的技术指标；如果LED光源基板强度不够，可以辅助安装强化支架或衬板。更直接的方案是先按照前述要点制作负压冷却装置，再将LED光源板直接贴在制冷处即可。在负压制冷的技术方案应用中，除了水基冷却液外，还可以选取诸如异戊烷(27. 9 °C )、乙醚(34. 6 °C )、戊烷(36. I °C )、丙酮(56. 2 °C )、甲醇(64. 9 °C )、庚戊烷(68. 9°C)等有机溶剂制作冷却液，成本虽高，但负压要求不苛刻，工艺易于实现。有的材料有毒，使用要注意，结合工程实践，以安全环保低廉高效为准，具体细节在此不赘述。本技术方案的另一项创新是在金属散热器如太阳花型材外安装引导气流的风筒，强制规划热场优化散热通道，迫使灯具周边冷空气沿设定路线进入风筒流动，与太阳花散热器鳍片表面充分接触高效热交换，带走太阳花铝型材所携带热量。实际上，风筒就是‘抽风烟 ’或称‘拔火筒’，利用金属散热器传递热量加热空气使其体积膨胀，在风筒内部形成上升气流，气流产生抽力，在风筒底部形成负压迫使周边空气从风筒下部裙边预留气隙源源不断进入风筒，再沿着太阳花散热器表面向上流动带走热量。气流速度与风筒截面积成反比，随着风筒上部口径逐渐收紧，受热膨胀空气形成气流的上升速度逐渐加快，动能逐渐增加，惯性随之加大，抽风效果更加明显。上升气流所获得的能量最终来自 LED光源芯片，当芯片温度升高时，上升气流温度也变高，热能增加流动速度变快，带走的热量就增加，从而遏制芯片温度进一步上升；反之当LED芯片温度下降，上升气流速度减缓，带走热量减少。于是乎很自然地在LED芯片温度和抽风气流速度之间达到动态平衡，具有典型的自适应温控效果。室外应用时，考虑到风霜雨雪尘酸毒等因素，应予做防护措施，包括出风口处加盖防雨罩或改变出风口造型等。精确设计与精密制造风筒结构，可适应LED功率变化，安静长久确保LED光源板工作温度在安全范围之内。由于上升气流能量是气流惯性与风筒抽力的根本，因此为保障上升气流抽风效果，必须尽量减少其能量无谓损失，减少其在风筒内能量耗散。要做到这点，除了在风筒结构设计方面要注意尽量使气流不产生或少产生湍流，方法之一是在密封上盖处加装形如圆形宝塔顶部向上逐渐收紧的上凸型‘汇流罩’之外，在选择风筒制造材料时，必须选热阻大的隔热材料，减少气流热量损耗，优选材料是塑料。塑料易于加工成型，成本低廉，同时具备绝缘特性，还兼有丰富色彩，利于市场推广。为安全起见，风筒部件注塑时原料中应添加阻燃剂，确保不会发生火灾危险。在结构设计方面，也可采取附加措施，如采用夹层结构隔热效果更好。一种液胆风筒式LED灯，其特征是在密封上盖处加装形如圆形宝塔顶部向上逐渐收紧的上凸型汇流罩。为了风筒抽风更有力、散热效果更好，就必须加高风筒的抽风管部分，使气流获得更多动能和惯性。但风筒过长不便包装和运输。解决方案是采用环套结构将其分解为多段类似圆台形状的空心环，大环套中环，中环套小环，小环套更小环，如此环环收缩相套，减小包装体积。使用时从最小环向上拎起形成风筒，再层层嵌扣锁紧完成拼装，各环台锥度相吻合，紧密嵌套确保密封不漏气。设计参考实例是一种塑料旅行杯，出门携带时压‘扁’，使用时向上一拉‘变’成杯子，各环台锥度结构确保杯子牢固不漏水。为使嵌套好的整体风筒安全牢固，可在各环嵌套接口处预留锁扣位，利用塑料弹性形变卡位锁住不再跑位。也可采用螺纹旋扭安装扣紧方式。在吊灯应用情况下，可把吊钩安装在风筒上端最小环套上，灯具重力就可确保风筒不会‘散架’，无需锁扣也可保障风筒安全，而且吊装更简单。
一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述风筒为一整体，可分段制造、环环相套、整体安装，环套个数为N，N > I，环套接口处可留锁扣或螺纹旋扣。一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述风筒采用隔热材料制造，优选材料是工程塑料；添加阻燃剂为好。在一些照明灯具应用场合，不适合安装过高抽风筒时，可在风筒出口或其内部安装微型风扇强制风冷。电风扇增加功耗，却能保障LED光源板安全工作温度，由于所选微型风扇功耗很小，寿命数万小时，对LED照明灯具整体光效和使用寿命影响不太大。一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述风筒内或其出风口处安装微型风扇强制风冷。对于光源照射方向并非正直向下的应用，可调整LED光源板法线方向，扩展刚性导热底板并适当变形以便与LED光源板保持良好热量传导，这样会改变部分结构但 设计原理不变。本发明的关键点和优越点在于I.液体冷却是关键点之一,也是优越点之一I. I.常压方案I. I. I.液体具有比热容大、受热易于流动特性，可携带大量热量高效传递给金属散热器。I. I. 2.液体直接接触LED光源板背面，对LED芯片降温效果最好；如果LED光源板基板采用陶瓷制作则效果更好。I. 1.3.采用婴儿奶嘴型柔性部件，既减少了冷却液用量，降低灯具总重量，更完美解决了温差应力造成的密封风险。刚柔结合的婴儿奶嘴型密封上盖设计也具有实用价值。I. 2.负压方案I. 2. I.利用冷却液汽化的相变能数千倍于液体比热容量的原理，钳制LED光源板工作于较低温度，确保其安全可靠长寿命运行。I. 2. 2.使用液体少,重量轻。I. 2. 3.可适用于大功率/超大功率LED照明灯具。2.外套抽风筒是关键点之一,也是优越点之一2. I.风筒结构强制改变了 LED灯具内部热通道分布，优化了冷却气流路径，使其与金属散热器鳍片之间有效接触面极大增加，充分提高了热交换效率，改善了冷却效果。2. 2.抽风筒环环收缩的套装结构，有助减少包装体积和运输费用，有利于降低总体成本。2.3.自然抽风结构将LED热量变害为宝，且具有自适应抽风冷却效果，无噪声，不‘罢工’，安全可靠，成本低廉。2.4.加装微型风扇的应用，适合在安装使用空间要求严酷的场合。优点是冷却效果好，结构紧凑，缺点增加能耗和失效率，有音频噪声，参数和选型恰当可降低缺陷。
本文件下列附图不是工程设计图，未标注尺寸，介绍方案未涉及的部分零部件在图中省略。
图I是本发明液胆风筒式LED灯常压方案的侧视装配简图，省略了诸如透光灯罩、电源驱动器及电源引线等部件。图中标识符号I是LED光源基板，2是太阳花铝合金散热器，3是柔性礼帽型密封上盖，4是刚性密封垫圈，5是风筒。图2是本发明液胆风筒式LED灯负压方案的侧视装配简图，省略了诸如透光灯罩、电源驱动器及电源引线等部件。图中标识符号6是LED光源基板，7是太阳花铝合金散热器，8是刚性钢盔型上凸密封上盖，9是抽气密封气嘴，10是风筒。图3是一种风筒造型，其下部裙边进气缝隙开叉，便于注塑加工时脱模工艺，提高效率。图4是一种柔性密封上盖造型，类似礼帽，顶部经过圆角处理。图5是采用多级环套结构的、嵌套组装成的风筒，图中抽风筒部分被适当矮化以便观察。 图6是采用负压液体相变+风冷技术的吸顶灯，省略透光罩、弹簧卡、驱动器、导线等部件。图7图8是图6的立体截面图，图标11指向LED光源基板背面的负压空间，LED光源基板背面是相变冷却液体存留处；12是太阳花铝型材散热器；13是刚性密封上盖，形状类似钢盔或圆形寺塔顶部，覆盖负压空间；14是密封抽气嘴处；15是风筒。图9图10是采用常压液体传导+风冷技术的吸顶灯立体截面图，图标16是LED光源板上部冷却液体密封腔；17是奶嘴型柔性密封上盖；18是刚性汇流罩，用于改善热气流特性。图11是采用负压液体相变冷却+自然抽风冷却技术的大功率LED厂矿吊灯，亮度高节能明显。
具体实施方式
实施例一、带微型电风扇强制风冷的15W轨道LED灯本实施例20W轨道LED灯核心部分结构如图I所示。内胆密封腔注有2%甲醇溶剂水溶液用于冷却。由于安装空间常暴露于视线范围内，对灯具外观造型要求较苛刻，不便使用过长抽风管，故选用风管较短、内置微型电风扇技术方案。实施例二、负压相变钳温抽风自然冷却式LED吸顶灯本实施例如图2、图6所示，初始负压IOkPa, 2%甲醇水溶液，太阳花高度50mm，根据LED功耗选择不同高度的抽风筒配件，LED功耗适用范围10 100W。实施例三、LED大功率高空吊灯本实施例选用自然抽风方案，适用于100W及以上的大功率、超大功率LED光源，特别是集成化LED光源板。LED光源冷却方案采用流动液体冷却和负压相变制冷两种方案都可以，前者稍重，后者成本稍高。均安静可靠。
权利要求
1.一种液胆风筒式LED灯，其特征是在LED灯金属散热器密封内胆腔中灌注液体，在金属散热器外面安装烟囱抽风式绝缘外罩——风筒。
2.根据权利要求I所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述液体主要成分优选水，可按降低冷凝点温度设定掺入适量防冻剂；其它如甲醇或乙醇也可选用。
3.根据权利要求I所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是位置对应于密封安装的LED光源板、在所围成的金属散热器内胆密封腔的另一端，以平铺或插入方式安装密封上盖部件，该部件为柔性、刚性或刚柔结合，部件形状为平板型或形如婴儿奶嘴及其变形。
4.根据权利要求3所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述密封上盖部件由刚、柔两部分或几部分组成刚性部分主要用作部件成型，柔性部分主要用于吸收应力。
5.根据权利要求3所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述密封上盖柔性部件，其制造材料具弹性或柔性可透明，首选橡胶如三元乙丙，次选塑料、尼龙、硅胶等。
6.根据权利要求I所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是在金属散热器内胆密封腔上端安装平板型或上凸型刚性密封上盖；密封腔内灌注适量相变冷却液，并根据汽化温度参数将密封腔抽成所需负压。
7.根据权利要求I所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述风筒为一整体，可分段制造、环环相套、整体安装，环套个数为N，N > 1，环套接口处可留锁扣或螺纹旋扣。
8.根据权利要求7所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述风筒采用隔热材料制造，优选材料是工程塑料；添加阻燃剂为好。
9.根据权利要求I所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是所述风筒内或其出风口处安装微型风扇强制风冷。
10.根据权利要求I所述的一种液胆风筒式LED灯，其特征是在密封上盖处加装形如圆形宝塔顶部向上逐渐收紧的上凸型汇流罩。
全文摘要
本发明公开了一种LED灯金属散热器内空腔与LED光源板和密封上盖构成密封内胆灌注液体；安装柔性密封上盖确保密封效果，插入式密封上盖减少液体用量；安装刚性密封上盖并将密封腔抽成负压，用液体相变能钳制LED光源板温度；LED光源板背面冷却液体拔走热量快速传给金属散热器；散热器之外包裹/嵌套热阻大的烟囱式抽风筒，与散热器鳍片充分接触高效热交换的空气在风筒内形成上升抽风气流，内置汇流罩改善气流运行，必要时加风扇。本发明优越之处在于液体高效吸收传导热量，利用相变能钳制温度，自适应抽风散热安静安全节能，微风扇辅助，改善中、大功率LED照明产品性能。
文档编号F21Y101/02GK102818238SQ20121024737
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者吕大明 申请人:吕大明