一种高效散热的相变LED灯导热柱及其散热结构的制作方法

本发明涉及一种灯具，更具体的说是涉及一种高效散热的相变LED灯散热结构。

背景技术：

在现有技术中，申请号为201610034907.9的中国专利，公开了一种高效散热LED泛光灯，包括壳体，所述壳体内设置有LED灯，所述壳体内还设置有散热器，所述LED灯与散热器贴合，所述散热器内设置有容纳腔，所述容纳腔内填充有相变液，所述散热器容纳腔内两端设置有导热管。当在倾斜使用时，相变液会离开贴合LED灯的散热器的位置，此时LED灯使用过程中，LED灯散发出热量，由于散热器上设置了导热管，导热管起到了间接传热的效果，通过导热管将LED灯的热量传递到相变液中，从而使得相变液发生相变，这样就使得即使在倾斜使用过程中也能够起到一个较好的散热效果，提高整体的散热性能，保证了LED灯的长时间使用。

但是，当发生大幅度倾斜过程中，会存在部分导热管无法实现接触到相变液的情况，无法实现三百六十度全方位调整后都能够达到较好的散热效果。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种实现三百六十度全方位调整均能起到高效散热的导热柱。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高效散热的相变LED灯用导热柱：包括吸水层，所述吸水层外包覆有碳纤维层，所述碳纤维层外包覆有石墨烯层。

作为本发明的进一步改进：所述石墨烯层上设置有透气孔。

作为本发明的进一步改进：所述吸水层为吸水棉芯或高分子吸水树脂。

作为本发明的进一步改进：所述石墨烯层为石墨烯纸。

作为本发明的进一步改进：所述碳纤维层为碳纤维布。

作为本发明的另一发明目的，提供一种实现三百六十度全方位调整均能起到高效散热的散热结构，包括散热腔，所述散热腔内填充有相变液，所述散热腔内设置有导热柱，导热柱与相变液接触。

作为本发明的进一步改进：包括围板以及设置在围板两个开口处的底板，其中一块底板贴合有LED灯，所述围板和两底板形成散热腔，所述导热柱固定在贴合有LED灯的底板上。

作为本发明的进一步改进：所述导热柱上设置有与底板贴合的弯折板，所述底板上设置有夹持板，所述弯折板被夹持在夹持板和底板之间。

作为本发明的进一步改进：所述夹持板上设置有第一安装孔，所述底板上设置有螺纹孔，所述所述弯折板上设置有第二安装孔，所述第一安装孔、第二安装孔、螺纹孔中同时穿设只有固定螺栓。

作为本发明的进一步改进：所述相变液占整个容纳腔的15~40%。

作为本发明的进一步改进：

所述高分子吸水树脂包括下列重量份组成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羟乙酯100份

四(2-羟乙基)己二酰胺5份

4-甲基苯甲酰胺2份

N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺2份

过硫酸钾1份

丙烯酰胺30份

三烯丙基磷酸酯3份

2,3-二羟基萘-6-磺酸钠：5份。

制备步骤如下：

(1)按配方量将氢氧化钠加入丙烯酸中使其中和；

(2)将丙烯酰胺与中和后的丙烯酸溶液配制成水溶液，加入丙烯酸-2-羟乙酯和剩余助剂，搅拌均匀，在70℃下聚合反应5小时，得到聚合物；

(3)将聚合物经造粒、烘干、粉碎后，制得高吸水树脂。

作为本发明的进一步改进：

所述改性石墨烯纸有下列步骤制备：

步骤一：预氧化

将石墨烯加入到浓度为30%的双氧水中进行预氧化，同时置于水浴锅中，保持温度在80℃预氧化5小时，加入5%浓度的过氧化钠，将双氧水稀释至小于5%的浓度，在水浴中保温1小时，过滤，过滤后的石墨烯加入10%浓度的酮丙二酸浸泡至30分钟后过滤，之后用去离子水冲洗过滤的到预氧化石墨烯，烘干；

步骤二：

将预氧化石墨烯置于管式炉中，通入氮气保护，直至除去管式炉内的所用空气，同时升温至500℃，之后将氮气换成二氧化碳，保温2小时，之后再将二氧化碳置换成氮气降温至室温，得到氧化石墨烯；

步骤三：

取质量分200份氧化石墨烯，加入1.5份(甲氧基甲基)三甲基硅烷、1份三乙酰氧基乙基硅烷，同时加入N-甲基吡咯烷酮100份，在80℃，1.5MPa下反应1小时，得到改性石墨烯；

步骤四：将100质量份上述干燥后的改性石墨烯粉、5份硅化钼加入到模具中，在5MPa、200℃条件下，模压5~30分钟，得到的石墨烯纸。

本发明的有益效果在于：

在使用过程中，导热柱是位于散热腔中的，与散热腔中的相变液接触，导热柱使用过程中，由于中间吸水层的设置有能够吸收液体，这样就可以使得在使用过程中，导热柱是浸入到整个相变液中的，这样就可以把相变液吸到整个导热柱的中间，原理类似于酒精灯、煤油灯的灯芯。在LED灯正常使用过程中，产生热量，会传到散热腔中，这样会使得散热腔升温。在升温后，位于散热腔中的相变液以及被吸水层吸上来的相变液都会挥发，通过相变液的蒸发，能够起到一个较好的散热效果。特别是被吸至吸水层中的相变液，由于吸水层毛细力的作用下，能够起到在任意角度转动都能够保证吸水层中能够吸收到吸水层中。之后在吸水层外包覆一层碳纤维，碳纤维具有较好的吸水性的同时，还具有较好的导热性，能够一边吸水一边导热，从而将位于吸水层中的相变液挥发，从而起到传热散热效果。

在导热柱的最外侧包覆有石墨烯层，主要是起到传热作用，石墨烯层的作为最外侧能够起到较好的传热效果，有效传到热量。

最终，热量通过石墨烯层、碳纤维层进入到吸水层中，将相变液蒸发，通过循序渐进的传热方式，石墨烯层起到传热，碳纤维层兼顾吸水和传热，内部的吸水层主要起到吸水作用，这样就能够最大限度保证热量不会损耗，如果没有碳纤维层的设置，石墨烯本身吸水性较差，只能通过接触传热，而大部分热量会传递到吸水层上，而不是直接与相变液进行直接传热，而碳纤维层的设置恰恰就能够使得大量热量在传递到碳纤维时，碳纤维本身就带有相变液，相变液之间就能够相互传热，大大提高的传热效率，同时也提高了散热效率，有效提高散热效果30%~80%。

附图说明

图1为本实施例的整体结构图；

图2为本实施例的导热柱结构图；

图3为本实施例的导热柱透气孔示意图。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

参照图1至3所示，本实施例的一种高效散热的相变LED灯15用导热柱1：包括吸水层2，所述吸水层2外包覆有碳纤维层3，所述碳纤维层3外包覆有石墨烯层4。

作为改进的一种具体实施方式，所述石墨烯层4上设置有透气孔5。

作为改进的一种具体实施方式，所述吸水层2为吸水棉芯或高分子吸水树脂。

吸水棉芯和高分子吸水树脂作为常见的吸水材料被广泛应用。容易获得，同时成本较低。

作为改进的一种具体实施方式，所述石墨烯层4为石墨烯纸。

作为改进的一种具体实施方式，所述碳纤维层3为碳纤维布。

一种实现三百六十度全方位调整均能起到高效散热的散热结构，包括围板7以及设置在围板7两个开口处的底板8，其中一块底板贴合有LED灯15，所述围板7和两底板8形成散热腔6，所述导热柱1固定在贴合有LED灯15的底板8上。

作为改进的一种具体实施方式，包括围板7以及设置在围板7两个开口处的底板8，所述围板7和两底板8形成散热腔6，所述导热柱1固定在底板8上。

作为改进的一种具体实施方式，所述导热柱1上设置有与底板8贴合的弯折板9，所述底板8上设置有夹持板10，所述弯折板9被夹持在夹持板10和底板8之间。

作为改进的一种具体实施方式，所述夹持板10上设置有第一安装孔11，所述底板8上设置有螺纹孔13，所述所述弯折板9上设置有第二安装孔12，所述第一安装孔11、第二安装孔12、螺纹孔13中同时穿设只有固定螺栓14。

作为改进的一种具体实施方式，所述相变液占整个容纳腔的15~40%。

本发明的有益效果在于：

在使用过程中，导热柱1是位于散热腔6中的，与散热腔6中的相变液接触，导热柱1使用过程中，由于中间吸水层2的设置有能够吸收液体，这样就可以使得在使用过程中，导热柱1是浸入到整个相变液中的，这样就可以把相变液吸到整个导热柱1的中间，原理类似于酒精灯15、煤油灯15的灯15芯。在LED灯15正常使用过程中，产生热量，会传到散热腔6中，这样会使得散热腔6升温。在升温后，位于散热腔6中的相变液以及被吸水层2吸上来的相变液都会挥发，通过相变液的蒸发，能够起到一个较好的散热效果。特别是被吸至吸水层2中的相变液，由于吸水层2毛细力的作用下，能够起到在任意角度转动都能够保证吸水层2中能够吸收到吸水层2中。之后在吸水层2外包覆一层碳纤维，碳纤维具有较好的吸水性的同时，还具有较好的导热性，能够一边吸水一边导热，从而将位于吸水层2中的相变液挥发，从而起到传热散热效果。

在导热柱1的最外侧包覆有石墨烯层4，主要是起到传热作用，石墨烯层4的作为最外侧能够起到较好的传热效果，有效传到热量。

最终，热量通过石墨烯层4、碳纤维层3进入到吸水层2中，将相变液蒸发，通过循序渐进的传热方式，石墨烯层4起到传热，碳纤维层3兼顾吸水和传热，内部的吸水层2主要起到吸水作用，这样就能够最大限度保证热量不会损耗，如果没有碳纤维层3的设置，石墨烯本身吸水性较差，只能通过接触传热，而大部分热量会传递到吸水层2上，而不是直接与相变液进行直接传热，而碳纤维层3的设置恰恰就能够使得大量热量在传递到碳纤维时，碳纤维本身就带有相变液，相变液之间就能够相互传热，大大提高的传热效率，同时也提高了散热效率。

通过透气孔5的设置，在受热的时候，提供散热挥发出去的通道，使得相变后气体散发出去的通道更多，同时也增加了相面也进入到吸水层2的通道，进一步提高了散热效率。同时，透气孔5的设置，也提供了吸水层和碳纤维层的膨胀空间。

石墨烯纸和碳纤维布容易成型，易于成型和加工。

在作为LED灯15使用的时候，LED灯15安装在底板8上，LED灯15上的热量直接散发到底板8上，通过底板8的传热，将热量传导到散热腔6内部。导热柱1一端与安装LED灯15的安装板连接，这样就可以使先最快时间与热源接触，从而起到导热、相变的作用。

在安装过程中，首先将弯折板9放置在底板8上，之后放入夹持板10，通过将第一安装孔11、第二安装孔12、螺纹孔13对准后直接拧入螺栓14即可完成固定，实现整个安装结构。这样子安装结构比较稳定，方便加工操作。

作为改进的一种具体实施方式，提供一种用于吸水层的高分子吸水树脂的实施例：

该吸水树脂包括下列重量份组成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羟乙酯100份

四(2-羟乙基)己二酰胺5份

4-甲基苯甲酰胺2份

N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺2份

过硫酸钾1份

丙烯酰胺30份

三烯丙基磷酸酯3份

2,3-二羟基萘-6-磺酸钠：5份。

制备步骤如下：

(1)按配方量将氢氧化钠加入丙烯酸中使其中和；

(2)将丙烯酰胺与中和后的丙烯酸溶液配制成水溶液，加入丙烯酸-2-羟乙酯和剩余助剂，搅拌均匀，在70℃下聚合反应5小时，得到聚合物；

(3)将聚合物经造粒、烘干、粉碎后，制得高吸水树脂。

在上述高分子吸水树脂中，以丙烯酸和丙烯酸-2-羟乙酯为主体，在反应前加入与丙烯酸相等物质量的氢氧化钠进行中和，在完成中和后，加入四(2-羟乙基)己二酰胺、4-甲基苯甲酰胺、N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺作为交联剂，使得在反应过程中，能够以丙烯酸为基体，形成三维网状结构，同时四(2-羟乙基)己二酰胺、4-甲基苯甲酰胺、N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺的复配使用，能够在完成交联的后，使得在交联的聚合物表面带有吸水性的活性基团，这样就能够大幅度提高整体的吸水效果。同时四(2-羟乙基)己二酰胺、4-甲基苯甲酰胺、N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺带有的基团在于丙烯酸树脂在交联时，具有较好的相容性，使得在混合能够十分均匀，最后吸水性能上能够更加均匀和稳定。

同时加入的丙烯酰胺能够调节整体分子结构，使得丙烯酸树脂具有较好的稳定性，易于成型，不会太软而无法成型，同时本身带有的基团能够促进整体的吸水性能的提升。

三烯丙基磷酸酯的加入，一方面促进在反应过程中熔融状态原料之间的流动性，同时进一步提高聚丙烯树脂的吸水性能。

过硫酸钾的加入则作为整个反应的引发剂，使得整个反应得以发生。

2,3-二羟基萘-6-磺酸钠作为改性剂加入，能够与四(2-羟乙基)己二酰胺、4-甲基苯甲酰胺、N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺产生协同作用，一方面对整体材料起到了补强作用，另一方面，还能够提高吸水性能。

吸水树脂对比例一：

该吸水树脂包括下列重量份组成:

丙烯酸200份

过硫酸钾1份

丙烯酰胺30份

制备步骤如下：

(1)按配方量将氢氧化钠加入丙烯酸中使其中和；

(2)将丙烯酰胺与中和后的丙烯酸溶液配制成水溶液，剩余助剂，搅拌均匀，在70℃下聚合反应5小时，得到聚合物；

(3)将聚合物经造粒、烘干、粉碎后，制得高吸水树脂。

吸水树脂对比例二：

该吸水树脂包括下列重量份组成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羟乙酯100份

四(2-羟乙基)己二酰胺5份

4-甲基苯甲酰胺2份

N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺2份

过硫酸钾1份

丙烯酰胺30份；

制备步骤如下：

(1)按配方量将氢氧化钠加入丙烯酸中使其中和；

(2)将丙烯酰胺与中和后的丙烯酸溶液配制成水溶液，加入丙烯酸-2-羟乙酯和剩余助剂，搅拌均匀，在70℃下聚合反应5小时，得到聚合物；

(3)将聚合物经造粒、烘干、粉碎后，制得高吸水树脂。

吸水树脂对比例三：

该吸水树脂包括下列重量份组成:

丙烯酸200份

丙烯酸-2-羟乙酯100份

四(2-羟乙基)己二酰胺5份

4-甲基苯甲酰胺2份

N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺2份

过硫酸钾1份

丙烯酰胺30份。

制备步骤如下：

(1)按配方量将氢氧化钠加入丙烯酸中使其中和；

(2)将丙烯酰胺与中和后的丙烯酸溶液配制成水溶液，加入丙烯酸-2-羟乙酯和剩余助剂，搅拌均匀，在70℃下聚合反应5小时，得到聚合物；

(3)将聚合物经造粒、烘干、粉碎后，制得高吸水树脂。

高吸水树脂测试：

(1)吸水量

在2000mL容积的烧杯中，将吸水性树脂粒子0.5g分散在离子交换水1500g中，搅拌30分钟使其充分膨润。使用事先测定了重量Wa(g)的网眼38μm(400目)的标准筛，过滤包含膨润凝胶的离子交换水，倾斜筛，使其以相对于水平成约30度左右的倾斜角的状态放置30分钟，从膨润凝胶中除去剩余水分。之后，测定包含膨润凝胶的筛的重量Wb(g)，根据式：

〔吸水量(g/g)〕＝(Wb-Wa)÷0.5

求出吸水量(g/g)。

(2)吸水速度

往内容积100mL容积的烧杯中，事先放入0.9重量％生理盐水50g，将液温调节到25℃，使用搅拌器(长30mm、直径8mm)，以转数600rpm的速度进行搅拌。边搅拌边在该烧杯内加入吸水性树脂粒子2g，测量吸水性树脂粒子通过凝胶化而使液表面的漩涡消失为止所需的时间，该时间为吸水速度。

作为办法吗的进一步改进，还提供一种改性石墨烯纸的实施例：

步骤一：预氧化

将石墨烯加入到浓度为30%的双氧水中进行预氧化，同时置于水浴锅中，保持温度在80℃预氧化5小时，加入5%浓度的过氧化钠，将双氧水稀释至小于5%的浓度，在水浴中保温1小时，过滤，过滤后的石墨烯加入10%浓度的酮丙二酸浸泡至30分钟后过滤，之后用去离子水冲洗过滤的到预氧化石墨烯，烘干；

步骤二：

将预氧化石墨烯置于管式炉中，通入氮气保护，直至除去管式炉内的所用空气，同时升温至500℃，之后将氮气换成二氧化碳，保温2小时，之后再将二氧化碳置换成氮气降温至室温，得到氧化石墨烯；

步骤三：

取质量分200份氧化石墨烯，加入1.5份(甲氧基甲基)三甲基硅烷、1份三乙酰氧基乙基硅烷，同时加入N-甲基吡咯烷酮100份，在80℃，1.5MPa下反应1小时，得到改性石墨烯；

步骤四：将100质量份上述干燥后的改性石墨烯粉、5份硅化钼加入到模具中，在5MPa、200℃条件下，模压5~30分钟，得到的石墨烯纸。

在石墨烯纸实施例中，以石墨烯为主体，首先通过双氧水的预氧化，这样就使得石墨烯表面积凹陷增多，且带有活性基团，同时在预氧化后，加入过氧化钠溶液进行稀释，能够较为缓和地逐渐降低氧化活性，保证了在之后清洗过程中，不会有双氧水残留在石墨烯的缝隙中，之后通过酮丙二酸的浸泡清洗，能够有效去除残留的预氧化液，这样就能够保证在后续二氧化碳氧化过程中，不会受到预氧化液影响。

二氧化碳高温氧化过程中，主要靠气体在高温下烧结石墨烯表面，现有技术中，一般直接用二氧化碳氧化，但是，石墨烯本身表面积不大的前提下，经过二氧化碳烧结后的氧化面积增长并不大。如果直接采用化学氧化，则氧化的均匀度难以控制。但是预氧化过程中很容易残留预氧化液，选用本发明的预氧化过程首先能够在二氧化碳烧结前就能够增大石墨烯表面积，之后通过二氧化碳烧结，这样就能够使得氧化石墨烯结构更加均匀。

在完成氧化后，通过加入 (甲氧基甲基)三甲基硅烷、三乙酰氧基乙基硅烷、N-甲基吡咯烷酮能够使得活性基团支接在氧化石墨烯表面，通过(甲氧基甲基)三甲基硅烷和三乙酰氧基乙基硅烷活性基团引入，通过引入的活性基团能偶与N-甲基吡咯烷酮发生反应，与之交联在一起。特别是在模压步骤中加入硅化钼，能偶促进改性石墨烯之间发生更加充分的交联，硅化钼作为催化剂使用，能够在短时间内形成石墨烯纸，同时使得石墨烯纸具有较好的力学强度。

改性石墨烯纸测试：

1mm厚的改性石墨烯纸，拉伸强度为：780Mpa；弹性模量为82Gpa。

整体实施例一：

通过本发明制造的LED灯，散热腔底面积为半径为5cm的圆，散热腔高为20cm，散热腔内填充40%溶剂的相变液，相变液选用乙醇。

整体对比例一：

与整体实施例一相比，整体对比例一导热柱就选用空心铜管。

关于空心铜管和导热柱选择直径为0.5cm的空心柱体，均设置六根，以散热腔底面为圆心呈环形等距阵列分布，柱体离圆心距离为2.5cm。

试验：对相变液第一实施例、第二实施例、第三实施例以及第一对比例、第二对比例在LED灯点亮时的温度。

表一：水平放置

表二：倾斜45°放置

原料清单：

丙烯酸 永华化学科技(江苏)有限公司

丙烯酸-2-羟乙酯 山东诺贝特化工科技股份有限公司

四(2-羟乙基)己二酰胺 上海药合生化科技有限公司

4-甲基苯甲酰胺 百灵威科技有限公司

N-[4-(磺酰胺)苯基]丙烯酰胺 石家庄斯迪亚诺精细化工有限公司

过硫酸钾 阿法埃莎（中国）化学有限公司

丙烯酰胺 上海麦克林生化科技有限公司

三烯丙基磷酸酯 上海迈瑞尔化学技术有限公司

2,3-二羟基萘-6-磺酸钠 梯希爱(上海)化成工业发展有限公司

双氧水 上海迈瑞尔化学技术有限公司

酮丙二酸 上海永叶生物科技有限公司

三乙酰氧基乙基硅烷 上海迈瑞尔化学技术有限公司

N-甲基吡咯烷酮 上海阿拉丁生化科技股份有限公司

硅化钼 上海迈瑞尔化学技术有限公司。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。