一种采用铝基平板热管传热的LED灯的制作方法

一种采用铝基平板热管传热的led灯
技术领域
1.本发明涉及led照明技术领域，具体是一种采用铝基平板热管传热的led灯。


背景技术：

2.led照明由于其诸多优点得到了广泛的使用，但是对于大功率led照明，尤其是采用cob光源时，热量的快速转移和散热成为制约led照明发展的技术瓶颈。
3.在公开号为cn112664862a的中国专利中公开了一种led集鱼灯系统，采用铝型材散热方式，该种方式难以将led光源的热快速分散开，因而散热效果不佳，而且led灯头的重量重，采用螺口连接方式时不得不采用吊环穿绳悬挂在架子上，以减轻螺口的承重。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种采用铝基平板热管传热的led灯，旨在解决现有技术中大功率led灯具散热效果不佳、重量重的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用铝基平板热管传热的led灯，包括第一平板热管、第二平板热管、led光源；所述第一平板热管和第二平板热管的表面均包括平面部分；所述第一平板热管和第二平板热管中包括多个子热管，子热管腔壁上设置有沟槽，平板热管腔体及子热管腔壁上的沟槽一起由铝或铝合金一体挤压成型；所述第一平板热管表面的平面与led光源的热源直接或间接接触，所述第二平板热管表面的平面与第一平板热管表面的平面直接或间接接触；所述第一平板热管和第二平板热管中子热管的轴线，相对于与第一平板热管和第二平板热管中子热管接触的热源点，朝水平向和/或朝上方直线延伸和/或弯曲延伸；所述第二平板热管的表面设置有散热装置。
6.本发明的进一步的技术方案为，所述沟槽包括凸起沟槽，所述凸起沟槽是由设置在平板热管中子热管腔壁上两个相邻的凸起围合而成，所述两相邻凸起的间距d满足0.2mm≤d≤1.2mm。
7.本发明的进一步的技术方案为，所述凸起的底边长l满足0.2mm≤l≤1.2mm。
8.本发明的进一步的技术方案为，所述凸起的高度h满足0.2mm≤h≤1.2mm。
9.本发明的进一步的技术方案为，所述两相邻凸起的间距d满足0.2mm≤d≤1.2mm，凸起的底边长l满足0.2mm≤l≤1.2mm，凸起的高度h满足0.2mm≤h≤1.2mm。
10.本发明的进一步的技术方案为，所述凸起与腔壁的夹角β满足92
°
≤β≤122
°
。
11.本发明的进一步的技术方案为，所述沟槽包括设置在子热管腔壁上形状近似圆形的圆洞沟槽，所述圆洞沟槽设有与子热管腔体连通的开口，所述圆洞沟槽的直径φ满足0.3mm≤φ≤1.2mm。
12.本发明的进一步的技术方案为，第二平板热管中子热管的轴线，部分轴线为直线，部分轴线呈折弯上升状。
13.本发明的有益效果是：由于采用了具有特定结构特征的铝基平板热管，能够将led光源产生的热快速分
散开，并通过翅片散热，相比于传统通过增厚铝型材热沉来增强散热的方式，不仅大大提高了散热效果，而且减轻了led灯具散热机构的重量。
附图说明
14.图1本发明中铝基平板热管led灯实施例1的结构示意图；图2本发明中铝基平板热管led灯实施例1的散热结构截面图；图3本发明中铝基平板热管led灯实施例1两个平板热管布置关系图；图4本发明中铝基平板热管led灯实施例1两个平板热管布置关系图；图5本发明中铝基平板热管led灯实施例1平板热管结构图；图6本发明中铝基平板热管led灯实施例1平板热管中子热管结构图；图7本发明中铝基平板热管led灯实施例2的结构示意图；图8本发明中铝基平板热管led灯实施例2的散热结构截面图；图9本发明中铝基平板热管led灯实施例2两个平板热管关系图；图10本发明中铝基平板热管led灯实施例2平板热管结构图；图11本发明中铝基平板热管led灯实施例2平板热管中子热管结构图；图12为本发明中热管传热性能测试装置示意图。
具体实施方式
15.本发明是一种采用铝基平板热管传热的led灯，具有散热性能好、重量轻的优点，具有很大的应用潜力。
16.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
17.本发明实施例1，如图1、图2、图3、图4所示，是一款路灯，可以水平布置，优选的路灯向上方稍微倾斜安装。包括第一平板热管11、第二平板热管12、第一折叠翅片13、第二折叠翅片14、led光源15、灯罩16、螺口灯头17；第一平板热管11为平面状，向上倾斜，led光源15贴合在第一平板热管的底部，即第一平板热管11的较低端，中间使用导热膏类物质减少界面热阻；第二平板热管12是由长方形平板状的平板热管折弯制成，包括平面部分121和曲面部分122，其中平面部分121可焊接贴合在第一平板热管11上，也可采用导热胶或通过导热性能好的材料间接贴合在第一平板热管11上，曲面部分122向上弯曲。第二平板热管12有两种布置形式，一种是如图3所示，第二平板热管12的两端位于平板热管11的表面，且两端与平板热管11接触面积大致相当，这种布置，可使得第二平板热管12中任何一个子热管轴线相对于作为第二平板热管12热源点的第一平板热管11均呈水平向和向上延伸，第二平板热管12的曲面部分122中所有子热管中的液态相变传热工质均可在重力和表面张力的双重作用下快速回流至热源点处，表现出更好的传热性能,如图3中a虚线，示出了第二平板热管12中子热管的腔体轴线，即该轴线具有水平部分以及向上弯曲的部分；另一种布置形式如图4所示，第二平板热管12中间的平面部分121位于第一平板热管11的表面，第二平板热管12两端位于第二平板热管12弯曲弧形的顶部,这种布置也可使得平板热管12中任何一个子热管轴线相对于作为第二平板热管12热源点的第一平板热管11均呈水平向和向上延伸，平板热管12的曲面部分122中所有子热管中的液态相变传热工质均可在重力和表面张力的双重作用下快速回流至热源点处，表现出更好的传热性能。需要指出的是，第二平板热管12相
对于第一平板热管11的热源点并非指同一点，准确地讲第二平板热管12的热源位置是指是第二平板热管12中各子热管的热源点，即各子热管与第一平板热管11接触的位置，如图4中b虚线所示，示出了第二平板热管12的腔体轴线，即该轴线具有水平部分以及向上弯曲的部分。在灯罩16上设有开孔161，以便于空气的对流，采用螺口接头17连通电源。本发明不对散热装置的类型进行限制，本实施例1采用的是铝折叠翅片形式，也可采用铝型材挤压或其他方式的翅片，铝折叠翅片的优点在于可以与第一平板热管11和/或第二平板热管12围合形成风道，散热性能更好。在本实施例1种，第一翅片13通过焊接或导热胶贴合在第二平板热管的外曲面上，第二翅片14通过焊接或导热胶贴合在第二平板热管的内曲面上及平面部分。
18.led灯通电工作后，led灯发出的热首先传导给第一平板热管11，第一平板热管11中的相变传热工质发生液相
→
汽相的转变，由于第一平板热管是倾斜向上布置，汽相的相变传热工质由于密度低，会快速向热管腔体的上方运动，释放热量给第一平板热管11的腔壁并热传导到第二平板热管12的腔壁，一方面第一平板热管11内的相变传热工质发生汽相
→
液相的转变，在重力及毛细力的作用下回流至led热源15处的第一平板热管11腔体处，开始下一循环的传热过程；另一方面，第二平板热管12腔壁吸热后，热传导给第二平板热管12中的相变传热工质，发生液相
→
汽相的转变，汽相传热工质沿着第二平板热管12的曲面122部分，向上运动，释放热量转变为液相，回流至第二平板热管12的底部，同时第二平板热管122部分的腔壁吸收热量后热传导给翅片13和14，与空气发生热交换，完成散热过程。本实施例1的路灯方案，重量仅有铝型材挤压或铝材压铸的20%，而且散热能力远远优于铝型材挤压或铝材压铸散热器。
19.在本实施例1中，第一平板热管11、第二平板热管12的截面结构如图5、图6所示，二者大致相同，包括第一平板热管壳体111、子热管112、凸起113、凸起沟槽114、圆洞沟槽115。热管壳体111、凸起113、圆洞沟槽115一起由铝或铝合金一体挤压成型。在本实施例1中的第一平板热管11和第二平板热管12包括六个子热管112，本发明不对平板热管中子热管的数量进行限制，可以是1个或2个或3个或更多，子热管的数量取决于平板热管11或12的宽度、产品均温性要求及其他需求。本发明也不对子热管112在平板热管11或12中是否均匀分布进行限制，可以均匀，也可以不均匀，有时为满足开螺孔需要，需要在子热管112之间或第一平板热管11的侧边增大实心部分，有时为满足抗弯性需要，需要在子热管112之间增加圆洞，在圆洞里面插入坚硬的材料，譬如不锈钢。在本实施例1中，平板热管11和12端口的密封采用激光焊接方式，本发明不对平板热管端口的密封方式进行限定，也可以是压焊、钎焊、锡焊中的一种或多种组合。在本实施例1及本发明中，平板热管11和12中各子热管112之间是独立工作的，独立工作的含义是子热管112中的相变传热工质是互相隔绝的。在本实施例1中，子热管112中的相变传热工质为乙醇，本发明不对相变传热工质进行限定，也可以是去离子水或丙酮或氨水或复合工质等。在子热管112中布置铝/铝基合金/铜/铜合金丝或网或其他材料，可进一步提高液态相变传热工质的回流能力，但在本实施例1中，没有布置金属丝或金属网。
20.在本实施例1中，第一平板热管11和第二平板热管12中子热管112的截面如图6示，子热管112腔壁截面呈四边形，本发明不对子热管112腔壁截面的形状进行限制，子热管112腔壁截面也可呈三角形、五边形、六边形或其他曲面形状。在子热管112腔壁的腔壁上设置
圆洞沟槽115，可以进一步增强汽相传热工质与腔壁的热交换面积，同时增强液相传热工质的回流，但本发明不对在子热管112腔壁上是否设置圆洞沟槽、圆洞沟槽位置及数量进行限制，可以在子热管112腔壁上的任何一个位置设置（包括但不限于腔壁的拐角），也可以不设置，可以设置一个，也可以设置多个，依据需要而定。在本实施例1中，子热管112四边形腔壁的两个腔壁上均设置了4个凸起113，本发明不对在腔壁上设立凸起的位置和数量进行限制，也可以在子热管112的一个或三个或四个腔壁上设置，也可以在一个腔壁上只设置两个凸起或三个凸起，由于只设置一个凸起不能形成沟槽，因此若设置凸起沟槽，需要至少设置两个相邻凸起。
21.热管腔壁上凸起的形状、尺寸和间距对热管性能有重要影响，影响来自两个方面，一方面是汽相传热工质与热管腔壁热交换面积的变化，另一方面是液相传热工质在腔壁上表面张力的变化，对液相传热工质的回流速度带来影响，进而影响了热管的传热性能。因此，对热管中凸起形状、凸起尺寸和凸起分布对热管传热性能的影响进行评估是很有必要的。
22.首先定义本发明中与凸起形状、凸起尺寸、凸起分布、圆洞沟槽尺寸相关的参数h、β、l、d、φ，这些参数的具体解释是，如图6、图11所示：d为热管腔壁横截面上两个相邻凸起的两个相邻侧边拟合延长线与腔壁拟合延长线两个交点之间的距离。
23.h为热管腔壁横截面上凸起高点与凸起处腔壁拟合延长线的垂直距离。
24.l为热管腔壁横截面上凸起的两个侧边拟合延长线与凸起处腔壁拟合延长线两个交点之间的距离。
25.β为热管腔壁横截面上凸起侧边拟合延长线和凸起处腔壁拟合延长线交点处的切线与凸起侧边拟合延长线的夹角。
26.φ为热管腔壁横截面上近似圆形的圆洞沟槽直径，系指与圆洞沟槽拟合度最高圆洞的直径。
27.按照下面的实验原理进行实验设计，就h、β、l、d参数对热管性能的影响进行研究分析：实验原理：如图12所示为热管31传热性能测试的布置示意图，包括热管31、热源32、三个测温点（t1、t2、t3）。热管长度、热源位置、测温点位置如图9所示，l1=250mm，l2=200mm，l3=25mm，l4=5mm。t1温度点靠近热源，是热管传热性能测试系统是否符合测试规范的参考温度点。热管传热性能越好，则热管长度方向的均温性就越好，即t2和t3之间的温差δt就越小。因此，可以通过测量热管表面的δt，来比较热管的传热能力。
28.实验方法：准备5种不同腔壁结构的热管，并对热管腔壁进行钝化处理。热管腔体呈四边形，腔壁设有凸起，凸起尺寸见表1，热管外形尺寸7mm
×
7mm
×
250mm，壁厚0.5mm。相变传热工质为去离子水复合传热工质。试验用热源为恒温热源，热源的试验温度为55℃，温控精度
±
1℃，采用热电偶对t1、t2、t3三个测温点进行测温，测温精度
±
0.1℃。
29.实验解释：热管腔体内抽真空并灌注传热工质后，在常温下热管内为负压，由于铝合金强度不高，因此，铝热管横截面的尺寸不能太大，否则，热管的腔壁会因为负压而下凹，再考虑到
需要测试不同凸起高度h、不同凸起底边长l、不同凸起间距d以及实验测试规范的需要，铝热管横截面的尺寸也不能太小，因此，确定实验热管的外观尺寸为7mm
×
7mm
×
250mm，热管壁厚为0.5mm。在设计热管腔壁凸起参数时，由于目前型材挤压水平的极限工艺精度为0.2mm，因此将h、d、l的最小尺寸选择在0.2mm。又由于热管腔壁的边壁上至少要设置两个凸起，才能形成提升液体表面吸附力的沟槽，因此对外观尺寸为7mm
×
7mm
×
250mm、壁厚为0.5mm的热管，凸起最大间距只能为1.2mm，否则在热管腔壁的边壁上就不能形成凸起沟槽，因此将h、d的最大尺寸确定在1.2mm，l的最大尺寸参照h、d进行调整，也基本在1.2mm附近。依据经验确定β角的取值范围为90～120
°
，在确定了h、d、l、β的最大、最小值后，又选定了两组中间数据。如表1所示，将未设立凸起的热管5#作为对照组。
30.测试数据见表1，未设立凸起结构的热管5#，δt为23.60℃，远远大于对热管传热性能的评价标准（δt≤5℃），这说明热管5#在水平使用工况下，传热能力很差。通过对热管1#、热管2#、热管3#、热管4#的实验数据可以看出，该几种腔壁结构的热管δt≤5℃，说明均能满足热管传热性能的评价标准。热管2#的δt=1.20℃，δt值最小，说明最佳腔壁结构的参数位于热管1#和热管3#之间。样品4#的δt=4.8℃，非常接近热管性能的最低标准5.0℃，说明超过热管4#腔壁的结构参数将不能满足应用需求。另外，在生产过程中发现，当β=90
°
时，不利于型材挤出。依据上面的测试数据分析和生产过程中积淀的经验，可基本确定描述热管凸起形状、尺寸、分布参数的h、β、l、d的最佳取值区间：0.2mm≤h≤1.2mm、0.2mm≤l≤1.2mm、0.2mm≤d≤1.2mm、92
°
≤β≤122
°
。依据上述的实验数据，也可推断出圆洞沟槽的直径φ的上限尺寸为1.2mm时，液相传热工质获得的表面张力最大，液相传热工质的回流速度最快，传热性能最好，又由于铝或铝合金热管壳体和圆洞沟槽一起一体挤压成型时，φ的直径小于0.3mm，目前的工艺水平难以实现，因此圆洞沟槽直径φ的下限尺寸为0.3mm，故而圆洞沟槽直径φ的最佳取值区间为0.3mm≤φ≤1.2mm。
31.表1：热管腔壁结构参数与传热性能数据表在本实施例1中，β为115
°
， l为0.6mm，h为0.6mm， d为0.6mm，φ为0.6mm。在本实施例1实际应用工况下，第二平板热管的平面部分112的轴线非常接近水平状态，绝大多数情况下与水平面的夹角＜1
°
，若子热管112中未设凸起123，或凸起123的形状、尺寸和分布参数选择不当，液相工质回流速度很慢，传热效果差。正是由于参照了上述经过实验优选出的凸起的形状、尺寸、分布参数来设置平板热管11和12中各热管中的凸起，使得子热管112中的液相传热工质在水平态回流时能获得足够的毛细力。
32.在本发明实施例2，如图7所示，为一款集鱼灯，大致竖直方向设置，包括第一平板
热管11、第二平板热管12、第一折叠翅片13、第二折叠翅片14、led光源15、灯罩16、螺口灯头17；第一平板热管11为平面状，竖直方向设置，led光源15贴合在第一平板热管11的底部，中间使用导热膏类物质减少界面热阻；如图8、图9所示，第二平板热管12包括平面部分121和曲面部分122，平面部分121采用焊接或导热胶贴合在第一平板热管11上，曲面部分122向上螺旋弯曲。灯罩16上设有开孔161，以便于空气的对流，采用螺口接头17连通电源。本发明不对翅片13和14的类型进行限制，本实施例1采用的是铝折叠翅片形式，也可采用铝型材挤压方式的翅片。在本实施例1种，第一翅片13通过焊接或导热胶贴合在第二平板热管的外曲面上，翅片14通过焊接或导热胶贴合在第二平板热管的内曲面上及平面部分。在实施例2中，第一平板热管11中与led光源热源15接触面的上端，可以增设散热装置，以增大散热面积，提升散热效果。本实施例2和实施例1的传热过程相同，这里不再赘述。
33.如图9所示，实施例2和实施例1的不同点在于：（1）实施例2的第二平板热管12呈螺旋上升状，第二平板热管12中子热管的轴线呈水平和/或螺旋上升状，该形状使得相对于作为第二平板热管12热源点的第一平板热管11，第二平板热管12中各子热管中任何位置处的液态相变传热工质的回流均不需要克服重力，甚至借助于重力的作用回流，呈现出极佳的传热性能，而实施例1本身的向上弯曲形状，第二热管12中各子热管的轴线均呈水平向和向上延伸状，液态相变传热工质的回流就可借助重力，因而不需要螺旋上升的设计，图9中c虚线示出了该第二平板热管12腔体的轴线包括水平直线部分以及连接在水平直线部分一端且螺旋上升的螺旋线部分；（2）实施例2中第一和第二平板热管的截面结构如图10和11所示，二者大致相同，子热管112腔壁上未设置圆洞。
34.在本发明的实施例1和实施例2中，第一平板热管和/或第二平板热管中子热管的轴线可以布置的方式有多种，该轴线相对于子热管的热源点可以朝向水平方向延伸，作为优选的，第一平板热管和/或第二平板热管中子热管的轴线以热源点为起点，朝向上方直线延伸或弯曲延伸或其两种结合在一起（即朝向上方直线延伸和弯曲延伸），这样子热管就具有较低端和较高端，热源点设置在较低端，液体传热工质聚集在热源点的位置并吸收热源点产生的热量成为汽态并朝向子热管的较高端上升，汽态传热工质在子热管的较高端放热成为液态时，在重力和毛细力的作用下重新回流至子热管的较低端（即热源点的位置），如此循环，散热效果更好，即第一平板热管和/或第二平板热管中子热管的轴线也可以仅朝向水平方向延伸或朝上方直线延伸或弯曲延伸，也可以是上述三种延伸方式中的两种或三种组合在一起延伸。
35.值得一提的是：本发明描述的路灯或集鱼灯的两个实施例中，散热装置的实施方式是在第二平板热管12的内外表面均设置散热翅片，也可以在第一平板热管11上增设散热装置，即在第一平板热管和第二平板热管上均设置散热翅片，而且现有的其他各种形状的散热翅片（例如板状的散热翅片）也可以用于本发明中，都在本发明的保护范围之内，而且散热装置也可以采用型材散热器或其他散热壳体。
36.在本发明描述中，腔壁系指切除凸起和/或填平圆洞沟槽后，按照凸起和圆洞沟槽之外的腔体表面特性，拟合得到切除凸起和/或填平圆洞沟槽后区域得到的虚拟表面，与未切除和/或填平的区域一起构成腔壁。
37.在本发明描述中，热管和平板热管外观长度方向的水平、近似水平、大致水平的含义系指与水平面的夹角η满足-5
°
≤η≤5
°
。平板热管的子热管轴线的水平、近似水平、大致
水平的含义系指与水平面的夹角θ满足-5
°
≤θ≤5
°
。
38.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
40.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。