一种带有发光二极管散热装置的路灯灯具的制作方法

专利名称：一种带有发光二极管散热装置的路灯灯具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种带有发光二极管散热装置的路灯灯具，是一种对道路 或广场进行室外照明的照明装置，是一种由多个发光二极管组合为发光光源的 照明装置，是一种对发光二极管在防水、防尘的前提下进行有效散热路灯灯具。
背景技术：
使用发光二极管作为路灯的照明光将成为路灯照明光源的主流，如何解决 大功率发光二极管在使用中的散热问题，是普及发光二极管路灯的关键。中国
专利《大功率LED路灯》(申请号200710044400.2,申请曰2007年7月31曰) 提出了一种大功率的发光二极管路灯，虽然该专利注意到了散热问题，但并没 有专门的结构解决这一问题，只是简单的叙述使用散热片进行散热。大功率发 光二极管路灯的散热主要是指发光二极管与电路板界面温度要控制在65。C以 下，因此大功率发光二极管路灯的散热主要是解决如何将发光二极管与电路板 界面产生的热量迅速传导给散热装置，所以，筒单的使用散热片是无法快速有 效的将发光二极管与电路板界面的热量迅速传给散热片的。另外，散热片棵露 在野外的空气中虽可以起到散热作用，但在实际应用不实现。因为野外的气候 条件十分复杂，普通制作的散热片适应这些复杂的条件。首先是防水的问题， 这样棵露在空气中，风吹雨打，绝缘的问题就比较难解决。在中国南方，棵露 金属的防腐性能必须较好，才能抵抗多雨的天气，这势必增加散热片的制造成 本。在中国北方多沙尘暴的气候条件下，散热片上面落的灰尘会将散热片之间的缝隙堵死，使散热片无法散热。如果散热片外面再加上一层外壳，是否能有 效的散热还是一个问题。所以既要散热还要防尘、防水是现有技术的发光二极 管路灯无法普及的原因之一。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种带有发光二极管散热装置的路灯灯具，所述 灯具有效的将大功率发光二极管工作时产生的热量快速散发到灯具外部的空气
中，使发光二极管的工作温度稳定在65° C以下，保证发光二极管的寿命达到 数万小时，并具有防水、防尘的效果。
本实用新型的目的是这样实现的 一种带有发光二极管散热装置的路灯灯 具，有一个灯具盒，灯具盒的下盒体上设置照明窗，照明窗上安装透明灯罩， 所述下盒体安装一个上盒体，其特征在于，所述下盒体内设置一个截面为拱形 的拱形骨架，所述拱形骨架下表面上安装多个发光模块，所述拱形骨架上表面 上安装散热组件；所述的发光模块包括至少一个发光二极管，该发光二极管导 热连接在快速散热金属基印刷电路板上。
本实用新型产生的有益效果是因为要保证发光二极管在工作时的散热， 所以本实用新型使用了快速散热金属基印刷电路板。该快速散热金属基印刷电
路板的金属基结构和各层快速散热的纳米材料保证将发光二极管在工作中发出 的热量迅速有效的传导给散热装置，保证发光二极管与电路板界面温度控制在 65。C以下，真正解决了大功率发光二极管散热的技术难题。本实用新型还通过 包括一系列导热性极佳的固体传导介质组成的散热组件将热量直接传播到灯具 外的空气中，使发光二级管的工作环境保持在65° C以下，保证了发光二级管 的寿命。同时包括灯具盒在内的这些固体导热介质还起到保护灯具盒内电器装置的作用，使灯具盒内电器免于风雨和灰尘的侵蚀，保证了发光二极管可以代 替现有的照明光源在室外的使用。本实用新型的灯具的使用可以起到节能、环 保的明显效果。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图l是本实用新型实施例一的路灯灯具的外形结构图2是本实用新型实施例一的路灯灯具的内结构意图，是


图1的A-A剖面
图3是本实用新型实施例一的路灯灯具中的电路板上的铜箔分布示意图； 图4是本实用新型实施例二所述快速散热金属基印刷电路板的截面结构示 意图5是本实用新型实施例五所述发光二极管在印刷电路板上正交排列的示 意图6是本实用新型实施例六所述发光二极管在印刷电路板上交错排列的示 意图7是本实用新型实施例七所述的拱形骨架的结构图8本实用新型实施例十所述散热组件的空气循环结构示意图9本实用新型实施例十一所述散热组件的液体循环结构示意图。
具体实施方式实施例一
本实施例是一种带有发光二极管散热装置的路灯灯具，灯具外形如
图1所示，内部结构如图2所示。本实施例有一个灯具盒，灯具盒的下盒体2上设置 照明窗3，照明窗上安装透明灯罩。下盒体安装一个上盒体l，上盒体和下盒体 可以用铰链连接在一起，在关闭状态下用一个锁紧装置锁紧，也可以用螺钉紧 固在一起，或者用弹性卡子，卡在一起。上盒体和下盒体使用导热性能良好的 金属材料，例如铝合金、不锈钢、黄铜等等，以便盒中的热量可以有效的散热 到盒外。下盒体内设置一个截面为拱形的拱形骨架5，这个拱形骨架是整个灯具 的中心，所有零部件都安装在这个拱形骨架上。拱形骨架的两边有两块挡板封 闭，使挡板、拱形骨架、下盒体安装有透明灯罩的部分形成一个相对封闭的空 间。设置挡板的作用一方面为了美观，另一方面也将这一部分空间与灯具盒的 其他部分隔开，为灯具盒的其他部分的散热提供条件。拱形骨架同样使用导热 性能良好的金属材料。拱形骨架下表面上安装多个发光模块4，这些发光模块是 由快速散热金属基印刷电路板41和上面整齐排列的发光二极管42构成。所述 发光模块至少安装了 一个发光二极管。该发光二极管导热连接在快速散热金属 基印刷电路板的铜箔上。拱形骨架上表面安装散热组件6，这个散热组件可以有 许多种形式，其主要目的是有效的散热。
由于白炽灯、钠灯和汞灯存在众所周知的问题，人们开始考虑使用其他电
光源代替白炽灯、钠灯和汞灯作为路灯的照明用光源。近年来，高光效、长寿 命的发光二极管越来越受到人们的重视。传统电光源的寿命通常只有数千小时， 拿较好的钠灯来说平均寿命在6000至7000小时，而发光二极管的寿命平均都 在5万小时以上。特别是近年的技术进步使发光二极管在功率上有了长足的进 展，单个发光二极管的功率由几毫瓦发展到数瓦的水平，亮度也由几流明提高 提高到一百流明以上。多个大功率发光二极管的组合已经可以胜任大面积照明。 在同等照明要求的情况下，大功率发光二极管所消耗的电能相对其他电光源要少得多。大功率发光二极管的还有一个特点是色温高，显色性好，接近自然光， 人眼在发光二极管的光照下不易疲劳，这是任何一种传统电光源所无法比拟的。 但是，如同其他大功率电光源一样，大功率发光二极管在工作时也会产生多余
热量，而大功率发光二极管与电路板界面温度必须控制在65° C以下的工作环 境中，否则发光二极管的寿命将大打折扣。发光二极管本身的价格较高，但其 数倍于其他灯具的长寿命有力的弥补了这一缺陷。如果不能保证发光二极管与 电路板界面温度控制在65° C以下的工作环境LED灯就不能保证长寿，就无法 与其他灯具竟争。要保证发光二极管与电路板界面65。 C以下的工作温度，散 热极为重要。
基于以上理由本实施例采用了一种特殊的散热措施。这种特殊的散热措施 有两个关键。 一个是发光模块，另一个是散热组件。
大功率发光二极管的发光点是二极管的PN节，PN节通常只有几毫米大小， 在这几毫米大小的体积内集中的数瓦的能量，其发热量相对可观。因此将发光 二极管PN节这个点热源的热量迅速的扩散是保证发光二极管工作的第一个关 键。点热源的热量可以向四面八方扩散，通过良导热介质可以加快扩散的速度。 本实施例所述的发光模块是由发光二极管和与其紧密结合在一起的一种具有极 佳导热性的固体介质构成，使用一种精心设计的可以快速扩散热量的印刷电路 板。这种具有极佳导热性的固体介质即快速散热金属基印刷电路板，可以将发 光二极管PN节产生的点热量温度场迅速扩大。由于这种固体介质有极佳导热性， 工作时热源点与周围的温度梯度较小，热量分布均匀，热量可以很快扩散，达 到保持发光二极管工作温度的要求。发光模块是本实施例的最重要的部分，只 有发光模块设计的好，保持发光二极管与印刷电路板界面之间65° C以下的工 作环境，才能达到保证发光二极管长寿的要求。本实施例使用的发光二极管导热连接在快速散热印刷电路板的铜箔上。快速散热印刷电路板的铜箔即可以散 热也可以导电。铜的导热性能好，铜箔是直接敷在快速散热印刷电路板上的， 从发光二极管上传出的热量可以通过铜箔很快的扩散开，并很快传导到快速散 热印刷电路板上。在设计快速散热印刷电路板的导电线路的时候，本实施例保
留大量不传导任何电流的铜箔在快速散热印刷电路板上，如图3所示。图中不 导电的导热铜箔4112与发光二极管(图中虚线方型的部分是发光二极管的晶片) 以面的方式直接导热接触，形成良好的导热通道。图中左右的两条较窄铜箔是 导电铜箔4111，用于连接发光二极管与电源的正负两极。如图所示热量沿箭头 的方向进入铜箔宽阔的部位，再通过这些宽阔的部位将热量传导到快速散热金 属基印刷电路;f反的其他结构层中。
虽然发光模块将热量扩散在发光模块中，如果不能将这些热量散发出去， 发光模块中的热量聚集过多，同样会影响发光二极管的使用寿命。如何将发光 模块中的热量散发到灯具外的空气中是本实施例的另一个关键。本实施例采取 的是一套散热组件，这套散热组件安装在连接发光模块的拱形骨架上，将发光 模块上的热量通过各种介质传导到上盒体，上盒体将这些热量传导到野外的空 气中。发光模块是形状平直的板型，而上盒体的外形浑圆、美观，不易沉淀灰 尘，两者之间要产生有效的热传导就须使用本实施例的关键部件散热组件。本 实施例所述的散热组件可以采用多个传导路径 一个是刚性散热片。刚性散热 片通常是近似垂直于拱形骨架平面，成组并排安装在拱形骨架上，刚性散热片 的底部尽可能的多接触拱形骨架平面，以便导热良好。使用刚性散热片将热量 散发到上盒体和拱形骨架所包围的灯具空间中，利用这部分空间中的空气传导 热量，把热量传给上盒体的内表面。仅仅使用空气为介质的传热方法是远远不 够的，所以本实施例同时还采用了另一个途径的导热方法柔性散热片。柔性散热片是一种由金属丝编织的金属网。将金属网叠为数层，如同刚性散热片一 样将柔性散热片垂直安装在拱形骨架上。柔性散热片向上延伸的长度较长，当 上盒体盖紧的时候，柔性散热片与上盒体的内面产生了面接触。热量可以十分 顺畅的通过柔性散热片传导到上盒体上。上盒体本身也是有导热良好的金属制 成，其宽大光滑的表面将热量很快的散发到了野外的空气中。本实施例还可以 使用人工循环的方法使刚性散热片和柔性散热片周围的空气快速的流动，加快 散热。或者更进一步将拱形骨架和上盒体之间进行水密，其中充满液体冷却介 质，并使用循环泵将其中的液体介质强行循环，取得更佳的散热效果。
实施例二
本实施例是实施例一所述快速散热印刷电路板的改进。本实施例所述快速 散热金属基印刷电路板的截面示意图如图4所示。本实施例所述的快速散热金 属基印刷电路板41包括与发光二极管42导热连接的具有即可以散热也可以 导电的铜箔形成的铜箔层411、与所述铜箔层结合的吸热纳米涂层412、与所述 吸热纳米涂层结合的绝缘层413、与所述绝缘层结合的作为印刷电路板的基板的 金属基层414、与金属基层结合的热辐射纳米涂层415。
本实施例的所述的铜箔层与普通的印刷电路板的铜箔层基本相同，但除了 具有导电的功能外，本实施例所述的铜箔层还有散热的作用。铜材本身是一种 导热性能良好的材料，本实施例中发光二极管直接安装在这层铜箔层上，与铜 箔层紧密连接，形成良好的导热路径，发光二极管产生的热量首先传到铜箔层 上。铜箔层可以迅速的将热量传导出去。铜箔层的下面是吸热纳米涂层。现代 纳米技术的发展可以产生许多过去不可想象的材料。这种吸热纳米涂层实际是 一种可以快速将热量吸收并传导给其他结构层的涂料。这种涂料可以采用已有 技术，可以在市场上购买到。吸热纳米涂层的下面是绝缘层，因为铜箔是要导电的，是接通发光二极管电源的途径。本实施例中作为快速散热金属基印刷电 路板基板的是金属基层，是一种可以导电的金属板，而不是一般印刷电路板使 用可以绝缘的环氧树脂纤维板，所以必须用绝缘层将铜箔层和金属基层隔离开 来，以保证电路的畅通。这个绝缘层也必须有良好的导热性能。在绝缘层的下 面是金属基层。本实施例所述的金属基层是一种导热性能良好的金属板，金属 基层是印刷电路板的基板。普通印刷电路板的基板使用是环氧树脂纤维板，这 种环氧树脂纤维板是热的不良导体。如果使用环氧树脂纤维板作为发光模块印 刷电路板的基板，很难将发光二极管在工作中发出的热量扩散开来并M出去。 所以本实施例采用金属板作为印刷电路板的基板，采用金属这种热的良导体可 以保证将发光二极管产生的热量迅速的传导出去。本实施例所述的金属基层可 以采用钢板、合金铝板，铜板，其他合金板等等，条件是导热性能优良。金属 基层的下面是热辐射纳米层。这种热辐射纳米层是一种可以将热量迅速吸收并 快速的传导到空气中或其他固体介质中的纳米涂层。这种热辐射纳米层也可以 采用已有技术，可以在市场上购买到这种热辐射纳米层的涂料产品。精心挑选 散热性能良好的印刷电路板基板和涂抹纳米导热层，使本实施例所述的印刷电
路板的热导率能达到了 29W/m2K。而普通印刷电路板的热导率通常只能达到 15W/m2K,增大近一倍，有效的保证了发光二极管在65。 C以下的工作环境。 实施例三
本实施例是实施例二所述发光模块的改进，所述的发光模块上的快速散热 金属基印刷电路板的金属基层的改进。本实施例所述的快速散热金属基印刷电 路板的金属基层的金属使用的是以铁为主要成分的钢质板材。
实施例四
本实施例是实施例二所述发光模块的改进，所述的发光模块上的快速散热金属基印刷电路板的金属基层的改进。所述的快速散热金属基印刷电路板的金 属基层使用的金属是铝合金板材。快速散热金属基印刷电路板的金属基层的金 属也可以使用铜质板材。铝合金和铜材都是良好的导热材料，但价格较高。
实施例五
本实施例是实施例二所述发光模块的改进，所述的发光模块上的多个发光 二极管的排列方式，本实施例所述多个发光二极管在快速散热金属基印刷电路 板上的排列是正交的方式。即多个发光二极管的排列是横平竖直的排列在快速 散热金属基印刷电路板上，如图5所示。这样的排列使各个发光二极管之间的 距离完全相等，对快速散热金属基印刷电路板上发光二极管的散热十分有利。 这种安排方式对具有较大空间的路灯灯具比较适宜。
实施例六
本实施例是实施例二所述发光模块的改进，所述的发光模块上的多个发光 二级管成横向对齐纵向交错状排列在快速散热金属基印刷电路板上，如图6所 示。这样的排列使两排发光二极管之间的距离缩小，但没有缩小两个发光二极 管之间的距离。这种安排方式对具有空间有限的路灯灯具比较适宜。
实施例七
本实施例是实施例五或六的改进，是实施例五或六所述的拱形骨架的改进， 如图7所示的拱形骨架的截面图。所述拱形骨架上有一块上板51，在上板的两 侧各连接一块倾斜中板52 ，两块中板各连接一块倾斜的边板5 3,上板和中板之 间的夹角为145。 ~155° ;上板和边板之间夹角的角度为115° ~ 125° 。这样 安排拱形骨架是为了光照均勻。发光二极管所发出的光线类似于射灯，指向性 较强，照射出的光柱扩散的角度较小。为此， 一个灯具中通常安排几个发光模 块，各个模块以不同的角度向外照射，如图中所示，所获得的结果是将一片面积照亮。
实施例/\:
本实施例是实施例二的改进，实施例二所述的散热组件的改进，见图2。所 述散热组件包括多片与所述拱形骨架上表面基本垂直的由金属片构成的刚性散 热片组61，所述散热组件还包括多片由金属丝网构成的柔性散热片组61,所述 柔性散热片 一端固定安装在拱形骨架上，另 一端向上延伸与上盒体内表面接触。
刚性散热片组是由多片与拱形骨架基本上垂直的金属片组成，这些金属片 的根部紧密的连接在拱形骨架上，使拱形骨架上的热量可以迅速的传导到这些 金属片上，由于这些金属片与灯具内的空气接触，热量可以迅速的传播到灯具 内空间的空气中。灯具内的空气将热量传导给罩在散热组件的上盒体上。另一 方面，在拱形骨架上面还安装有柔性散热片组。柔性散热片组是一些由金属丝 编织的类似与纱窗上使用的金属窗纱。但与窗纱最大的不同是编织柔性散热片 组的材料是导热性能良好的金属材料。导热网是由多层金属丝编织物叠加而成， 形成片状，片状的柔性散热片组与拱形骨架相对垂直的安装在拱形骨架上，柔 性散热片组的底部与拱形骨架紧密接触，以便导热。柔性散热片组向上延伸的 长度超过刚性散热片组的高度，也超过拱形骨架到上盒体的高度，(参见图2) 由于柔性散热片组是柔性的，当上盒体放下与下盒体结合时，柔性散热片组被 压下，伸长的部分与上盒体的内壁接触形成导热的一条路径。由于柔性散热片 组是固体并且是良好的导热介质，可以将拱形骨架上大部分的热量传导到上盒 体上，有效的散发了发光二极管产生的热量。柔性散热片组的结构不会影响灯 具内空气的流通，散热效果更佳。
实施例九
本实施例是实施例八的改进，是实施例八所述拱形骨架和散热组件的材料的改进。
本实施例的拱形骨架和散热组件的刚性散热片组和柔性散热片组使用不锈 钢材料，或者所述骨架和刚性散热片组使用不锈钢材料或铝合金材料，柔性散 热片组使用铜材料。或者可以组合使用其他导热性能良好的材料，关键是导热 良好，同时考虑价格的因素。
实施例十
本实施例是实施例一的改进，是实施例一所述散热组件的改进。为进一步 改进灯具盒内的散热条件本实施例使用了人工空气循环的方法，散热组件还包 括设置在下盒体前部的散热进气孔64和设置在下盒体后部的散热排气孔63，如 图8所示。为有效散热将刚性散热片组和柔性散热片组设置在散热进气孔和散 热排气孔之间，为促进空气流动在散热进气孔或散热排气孔处设置风扇65。为 避免进水，将散热进气孔和散热排气孔都布置在下盒体上，在散热进气孔和散 热排气孔最好安装空气过滤装置，防止过多的灰尘进入灯具中。
实施例十一
本实施例是实施例六所述的散热组件的改进。为进一步改进灯具盒内的散 热，本实施例在拱形骨架与上盒体之间进行密封，使两者组成水密的液体散热 室，液体散热室与部分灯杆7连接在一起，并使用一个管路71形成循环通道。 在液体散热室及其部分灯杆中充有液体冷却介质69,为促进液体冷却介质的循 环还可以设置循环泵68，如图9所示。循环泵将冷却介质v^人所述的液体散热室 推进部分灯杆中并通过循环通过回到所述的封闭空间中。由于有部分灯杆的加 入，使冷却介质与外部空气的接触面积增大，冷却效果更加明显。
实施例十二
本实施例是实施例十、十一的改进，是散热组件的改进。本实施例在灯具盒体内设置温度传感器67,传感器通过控制器66与风扇或循环泵电连接。为精 确有效的控制灯具盒内的温度，设置温度传感器测量灯具内的温度，通过控制 器开启或关闭风扇或循环泵，控制传热介质的流动，节能环保。温度传感器可 以安装在发光模块上，也可以安装在拱形骨架上，或者安装在刚性散热片组。 或设置多个传感器，分别测量各个点的温度，获得更精确的控制。传感器可以 是普通的热电偶，或者是双金属片温度感应器等通用的温度传感器。在单个传 感器并且控制精度不高的情况下，可以不使用控制器。在多个传感器的情况下， 或要求控制精度较高的情况下在使用控制器。控制器可以使用通用的分立元件 的控制器，也可以使用单片机等大规模集成电路的控制器。
权利要求1. 一种带有发光二极管散热装置的路灯灯具，有一个灯具盒，灯具盒的下盒体上设置照明窗，照明窗上安装透明灯罩，所述下盒体安装一个上盒体，其特征在于，所述下盒体内设置一个截面为拱形的拱形骨架，所述拱形骨架下表面上安装多个发光模块，所述拱形骨架上表面上安装散热组件；所述的发光模块包括至少一个发光二极管，该发光二极管导热连接在快速散热金属基印刷电路板上。
2. 根据权利要求1所述的路灯灯具，其特征在于，所述的快速散热金属基 印刷电路板从上至下依次设置与发光二级管导热连接的铜箔层、与所述铜箔 层结合的吸热纳米涂层、与所述吸热纳米涂层结合的绝缘层、与所述绝缘层结 合的金属基板层、与金属基板层结合的热辐射纳米涂层。
3. 根据权利要求2所述的路灯灯具，其特征在于，所述的金属基板层使用 钢质板材。
4. 根据权利要求2所述的路灯灯具，其特征在于，所述的金属基板层使用 铝合金板材、铜质板材中的一种。
5. 根据权利要求2所述的路灯灯具，其特征在于，所述的发光模块中的多 个发光二级管在快速散热金属基印刷电路板上成正交排列。
6. 根据权利要求2所述的路灯灯具，其特征在于，所述的发光模块中的多 个发光二级管在快速散热金属基印刷电路板上成交错状排列。
7. 根据权利要求2所述的路灯灯具，其特征在于，所述的拱形骨架有一块 上板，在所述上板的两侧各连接一块倾斜中板，所述的两块中板各连接一块倾 斜的边板，所述的上板和中板之间的夹角为145° ~155° ;所述的上板和边板 之间的夹角度为115° ~125。。
8. 根据权利要求2所述的路灯灯具，其特征在于，所述散热组件包括多片与所述拱形骨架上表面基本垂直的由金属片构成的刚性散热片组，所述刚性散 热片组的金属片的底部安装在骨架上，所述散热组件还包括多片由金属丝网构 成的柔性散热片组，所述柔性散热片底端安装在拱形骨架上，另一端向上延伸 与所述上盒体内表面导热连接。
9. 根据权利要求8所述的路灯灯具，其特征在于，所述拱形骨架、散热组 件的刚性散热片组和柔性散热片组使用不锈钢材料、铝合金材料、铜材中的一 种。
10. 根据权利要求8所述的路灯灯具，其特征在于，所述散热组件还包括 设置在下盒体前部的散热进气孔和设置在下盒体后部的散热排气孔，所述的刚 性散热片组和柔性散热片组设置在散热进气孔和散热排气孔之间，在所述散热 进气孔或散热排气孔处设置有促进空气流动的风扇。
专利摘要本实用新型涉及一种带有发光二极管散热装置的路灯灯具，是一种对道路或广场的照明装置。本实用新型有一个灯具盒，灯具盒的下盒体上设置照明窗，照明窗上安装透明灯罩，下盒体连接一个上盒体，下盒体内设置一个截面为拱形的拱形骨架，拱形骨架下表面上安装多个发光模块，拱形骨架上表面上安装散热组件。发光模块的发光二极管导热连接快速散热金属基印刷电路板。本实用新型使用了快速散热金属基印刷电路板，从结构和材料上保证将发光二极管在工作中发出的热量迅速有效的传导给散热装置。本实用新型还通过一系列导热性极佳的固体传导介质组成的散热组件将热量直接传播到室外的空气中，固体导热介质保护灯具盒内的电器免于风雨和灰尘的侵蚀。
文档编号F21V17/00GK201228952SQ200820108880
公开日2009年4月29日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者孙顺姬, 张政权, 宾 曹, 黄永某 申请人:北京紫兴离照明科技有限公司