专利名称：Led光纤光源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光源技术领域，具体涉及LED光纤光源装置。
背景技术：
光纤光源装置是通过光纤把光源发出的光线传播到指定区域的一种装置。光纤具有柔性传播的特点，理论上可以把光线传播到任何地方，满足了实际应用的多元性，同时，光纤对光的传导实现了光电分离，这是一个质的飞跃，不仅安全性能提高，而且极大的拓宽了光纤光源的应用领域。LED (Light Emitting Diode,发光二极管)是一种将电能转变为光能的固体光源，有可能成为替代白炽灯、荧光灯的新型固体光源，将创造照明产业的第四次革命，与现有照明灯具相比，发光效率特别是光提取效率低和散热能力差是照明用大功率LED(功率大于1W)面临的主要技术瓶颈，目前LED的发光效率仅能达到10%-20%，还有80%-90%的能量转换成了热量，为了保证器件的寿命，一般要求结点温度在110°C以下。目前制作的满足照明用大功率LED的芯片尺寸大多在1_ X Imm以上，热流密度超过了 lOOW/cm2，若不及时将热量转移，热量的聚集会导致LED结点温度升高，而结点温度直接影响到LED的出光效率、峰值、波长、器件寿命等，因此解决LED的散热成了大功率LED发展照明用的首要问题。现有的LED光纤耦合产品中，LED的功率较低，大多数处于IOW以下，而且现有产品很少考虑到LED的散热问题，导致LED工作过程中能量损耗很大，大大降低了 LED的使用寿命。现有光源装置的装配过程也存在很大问题，由于装配过程复杂，很容易对透镜产生磨损，增加了生产成本，因此研制出一种能及时解决LED散热问题的光纤光源装置迫在眉睫。
发明内容
为了解决现有光源装置散热能力差的问题，本发明提供一种成本低、散热快、发光效率高及装配过程简单的LED光纤光源装置。本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下LED光纤光源装置，该装置包括由六块面板连接成为一体的内部空心的外壳；所述外壳内部还包括固定在面板上的驱动电路板；与所述驱动电路板相连并固定在面板上的风扇；与所述风扇相连并固定在面板上的导向散热基座；与所述导向散热基座相连并固定在面板上的导向散热压块；固定在所述导向散热基座上并靠近所述导向散热压块一端的LED芯片；固定在所述导向散热基座上并通过透镜螺纹压圈压紧的聚光透镜；设置在所述导向散热压块上的第二固定件；所述外壳外部还包括
通过第一固定件固定在面板上的光纤耦合接口，所述光纤耦合接口用于插入光纤连接头；设置在所述第一固定件上的第一通风口 ；设置在所述第二固定件上并与所述第一通风口相互配合的第二通风口 ；设置在面板上的第三通风口 ；所述第一通风口、第二通风口、第三通风口与所述风扇相互配合形成风道。所述六块面板包括第一面板；与所述第一面板通过侧面连接件相连的第五面板；
与所述第五面板通过侧面连接件相连的第二面板；与所述第二面板通过侧面连接件相连的第六面板；所述第一面板、第二面板、第五面板和第六面板通过侧面连接件连接成为方形结构；与所述方形结构的两端分别通过端面紧固件相连的第三面板和第四面板。所述侧面连接件、端面紧固件、第一面板、第二面板、第三面板、第四面板、第五面板和第六面板均采用铝合金材料制成。所述LED芯片主要由6 10个LED灯焊锡在LED印制板上组成，其中的I个LED灯位于所述LED印制板中心，其余的LED灯均布在所述LED印制板圆周上。 所述LED灯的个数优选为7个。所述第三面板上设置有与所述驱动电路板相连的电源指示灯、电源开关和用于调节输出光的光通量大小的光强调节器。所述第四面板上设置有与所述驱动电路板相连的USB接口、六位接线端子和用于接入外部电源的直流电插口。所述导向散热基座上设置有光强探测器插口、引线通道和温度传感器插口。所述光纤耦合接口上设置有用于调整所述光纤连接头与聚光透镜之间距离的调节螺栓。所述风扇、导向散热基座、导向散热压块和透镜螺纹压圈均采用铝合金材料制成。本发明的有益效果是一、通过风扇与三个通风口的强迫对流，有效地控制LED芯片的温度，提高LED的发光率，延长LED的使用寿命。二、该装置的装配过程合理，安装定位时，依靠导向散热块的导向槽机械精度就可以保证，不需要精细调整，减少装配过程中聚光透镜与导向散热块的碰撞几率，降低了聚光透镜的磨损，提高成品率，减少装配时间，降低成本。三、导向散热块采用可拆分的散热结构，便于聚光透镜和LED芯片的安装和拆卸。四、该装置中外壳及导向散热块均采用铝制材料制成，具有高比热和高热传导系数，散热效率更高。五、运用温度传感器自动调节LED上的驱动电流，防止LED过热，提高了 LED的使用寿命，降低功耗。
图I为本发明的LED光纤光源装置的结构示意图；图2为图I中的后视图；图3为图I中的剖面图；图4为本发明中的导向散热块与光纤耦合接口连接的示意图；图5为本发明中的导向散热块的结构示意图。图中1、第一面板,2、第二面板,3、第三面板,4、第四面板,5、第五面板,6、第六面板，7、驱动电路板，8、风扇，9、导向散热基座，IO、导向散热压块，11、透镜螺纹压圈，12·、聚光透镜，13、第一固定件,14、光纤连接头，15、光纤稱合接口，16、第一通风口，17、第二固定件，18、第二通风口，19、第三通风口，20、侧面连接件，21、端面紧固件，22、LED灯，23、LED印制板，24、电源指示灯，25、电源开关，26、光强调节器，27,USB接口，28、六位接线端子，29、直流电插口，30、光强探测器插口，31、引线通道，32、温度传感器插口，33、调节螺栓。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。如图I所示，本发明的LED光纤光源装置，其外壳采用机械封装外壳，主要由六块面板、侧面连接件20和端面紧固件21组成，六块面板包括第一面板I、第二面板2、第三面板3、第四面板4、第五面板5和第六面板6,其中，第一面板I与第五面板5、第五面板5与第二面板2、第二面板2与第六面板6分别通过侧面连接件20连接，由此，第一面板I、第二面板2、第五面板5和第六面板6通过侧面连接件20连接成为一体,第三面板3与第一面板I、第二面板2、第五面板5和第六面板6通过端面紧固件21连接成为一体，第四面板4与第一面板I、第二面板2、第五面板5和第六面板6通过端面紧固件21连接成为一体，由此，六块面板通过侧面连接件20和端面紧固件21连接成为一体的机械封装外壳。如图I所示，在第二面板2上用金属螺钉固定有驱动电路板7，驱动电路板7设置成L形结构，并可以在驱动电路板7上设置处理芯片，用于处理或传输来自外部设备的数据信息，在第三面板3上设置有电源指示灯24、电源开关25、用于调节输出光的光通量大小的光强调节器26、用于插入光纤连接头14的光纤耦合接口 15，其中，电源指示灯24、电源开关25和光强调节器26均与驱动电路板7相连，光纤连接头14插入光纤耦合接口 15中，可以直接和会聚的光束耦合，并通过调整光纤连接头14在光纤耦合接口 15中的横向位置，使得耦合效率达到最高，光纤耦合接口 15通过第一固定件13与第三面板3连接，第一固定件13设置成带有四角的圆盘结构，沿着圆盘结构的圆周均布有圆柱形第二通风口 18，光纤耦合接口 15设置在第一固定件13的圆盘结构中心位置。如图2所示，在第四面板4靠下一侧设置有与驱动电路板7相连的USB接口 27、六位接线端子28、用于插入外部电源的直流电插口 29，六位接线端子28位于USB接口 27与直流电插口 29之间位置，USB接口 27作为通信接口，和外部设备，如计算机等进行数据和控制指令信息的传输，支持USB2. O等全速接口 ；在第四面板4靠上一侧还设置有第一通风口 16，三组第一通风口 16均由四个等宽等长的矩形通口组成。如图3和图5所示，在第二面板2上通过金属螺钉依次安装有风扇8、导向散热基座9和导向散热压块10，风扇8、导向散热基座9和导向散热压块10的外部均设置成带有四个螺孔的方形连接面，导向散热基座9安装在风扇8和导向散热压块10之间位置，风扇8与驱动电路板7通过电源线连接；在导向散热基座9上靠近导向散热压块10 —端还安装有LED芯片，LED芯片是由七个LED灯22焊锡在LED印制板23上组成的，七个LED灯22中的一个设置在LED印制板23中心位置，剩余六个均布在LED印制板23的圆周上，如图4所示，将LED印制板23用导热胶固定在导向散热块基座9上，减少传导热阻，且增大接触面积，有效地把LED印制板23上的热量传导到装置外部；在LED印制板23上初步固定有用于汇聚光线的聚光透镜12，聚光 透镜12上设置有与七个LED灯22配合的七个孔，将导向散热压块10和导向散热基座9用金属螺钉相连接，然后用透镜螺纹压圈11将聚光透镜12进行完全固定，透镜螺纹压圈11的外螺纹与导向散热压块10的内圆柱面上的内螺纹相互配合，达到压紧聚光透镜12的目的；如图5所示，在导向散热压块10上设置有第二固定件17，第二固定件17设置成方形结构并与第一固定件13相互配合，从而使导向散热压块10上的第三通风口 19与第二通风口 18互通，第二固定件17与第一固定件13通过金属螺钉分别安装在第三面板3的内外两侧。如图5所示，主要由风扇8、导向散热基座9、导向散热压块10和透镜螺纹压圈11组成的导向散热块采用分式的结构，这种设计方案使本发明的整体装配过程更加方便快捷，同时本发明采用风扇8强迫对流，用风扇8对吹导向散热块，热量从第三通风口 19和第二通风口 18排出，降低了 LED灯22的温度，设置在第四面板4上的第一通风口 16也会排除一部分的热量，起到降低LED灯22温度的作用。如图5所示，导向散热基座9上设置有用于插入可见光光强探测器的光强探测器插口 30、主要用于穿插可见光光强探测器的电源线和信号线的引线通道31和用于插入温度传感器的温度传感器插口 32，可见光光强探测器插入到光强探测器插口 30后，与LED印制板23接触，然后将检测到的信号经过处理后，和当前设定的输出光通量比较，按照降低二者偏差的方向，调节LED灯22的驱动电流，从而实现输出光通量的闭环控制；温度传感器插入温度传感器插口 32后，与LED印制板23接触并检测LED印制板23的温度，若当前测量得到的温度值超过LED灯22允许的最大值时，则自动降低LED灯22的驱动电流，避免LED灯22因温度过高而损坏。当直流电插口 29接通电源通电后，打开电源开关25，驱动电路板7通电并向LED印制板23和风扇8提供稳定的额定工作电流，风扇8将LED灯22产生的热量通过对流方式散发出去；LED印制板23通电后驱动7个LED灯22发光，发出的发散光经过聚光透镜12后，在聚光透镜12的出射表面会聚成光束，光束通过光纤耦合接口 15耦合到8 14mm光纤束中，然后经过光纤连接头14进入光纤中，形成高质量、高强度的光纤光源，在光纤耦合接口 15上设置的调节螺栓33可对光纤连接头14与聚光透镜12之间的距离进行调整，最终使光纤连接头14的位置定格在光纤汇聚点处。本发明中的电源采用OlOOmA恒流源，首先将220VAC交流电源经过AC-DC变换后，输出24VDC直流电源，再经过电压/电流变换后，输出可调的(T700mA恒流源。上述的侧面连接件20、端面紧固件21、第一面板I、第二面板2、第三面板3、第四面板4、第五面板5、第六面板6、风扇8、导向散热基座9、导向散热压块10和透镜螺纹压圈11均采用铝合金材料制成，铝合金材料有良好的导热性能，可以通过热传导方式向外部散发热量，大大提高了装置的散热性能。整个机械封装外壳并不是作为主要散热器，但是考虑要增大散热的效果所以采用铝合金材料，厚度为2_，为减少装置成本，机械封装外壳表面无需进行任何处理。如图4和图5所示，将导向散热块基座9与导向散热块压块10的内部通道对齐，保证了气流在整个装置中的流通；对于普通的风冷散热器一般选择金属作为散热器的材料，同时希望具有高比热和高热传导系数，在综合考虑铜和铝两种材料的各方面的性能对比铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大，且铜制散热器热容量较小，而且容易氧化；另一方面纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，所以在本发明中采用铝合金材料，采用的铝合金材料的热传导系数为226W/mK。本发明中采用强迫冷却方式，采用风冷散热，由于结构尺寸的限制，所以将导向散热块设计成导向和散热于一体，既能定位导向，又能快速散热。如图I所示，第一通风口 16与第二通风口 18相互对应，第二通风口 18与风扇8的吹风位置对应，以保证直通风道，避免气流转弯。风道的设计主要遵循以下原则在尽量采用直通风道，避免气流的转弯；尽量避免骤然扩展和骤然收缩；进、出风口尽量远离，防 止气流短路；在装置的六个面板没有特别要求一般不要开通风孔，防止气流短路；保证空气流通并能够以较大的风速流过较热的区域等一系列系统风道设计的基本原则的前提下，设计整体的风道。对于风冷散热，是通过风扇8的强制对流来加快热量的散发，而风扇8的好坏对于散热效果也起着决定性的作用。风扇8的选择主要是从风量、转速、噪音、使用寿命长短、采用何种扇叶轴承等方面来决定。本发明中采用的风扇8的参数进口双滚珠轴承，超长的使用寿命，长达100000小时；超大风量，高达27. 55CFM，具备充足的散热风量和风压；尺寸为6. OcmX6. OcmX 2. 5cm ;转速为5，000 RPM±10% ;噪音为40. O±10% ;环境温度为-1(T+70°C ;电压为24V;电流为O. 14±0.01 A。采用吹风的方式，对吹散热块。风扇8安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风口常常会受到各种阻挡，其性能曲线会发生变化，保证风扇8的进出风口最好与阻挡物有20 40mm的距离。采用Icepak热学仿真软件进行热分析，来模拟这个结构的传热和通风情况。将装置整体简化，设定LED灯22的最大功率为3W，设定各种材料的导热系数，风扇8的特性曲线，环境温度，模拟出风量，各结构的温度，模拟量输入I飞VDC，对应光功率输出为0 100%，数字量输入为OV或5V，其中OV输入时，LED灯22输出关闭；5V输入时，LED灯22输出开启，利用Icepak热学仿真软件进行仿真分析和实验结果对比，有效地说明本发明的LED光纤光源装置的散热效果可以控制在50度以内。
权利要求
1.LED光纤光源装置，该装置包括 由六块面板连接成为一体的内部空心的外壳； 其特征在于，所述外壳内部还包括 固定在面板上的驱动电路板(7)； 与所述驱动电路板(7 )相连并固定在面板上的风扇(8 ); 与所述风扇(8)相连并固定在面板上的导向散热基座(9)； 与所述导向散热基座(9)相连并固定在面板上的导向散热压块(10); 固定在所述导向散热基座(9)上并靠近所述导向散热压块(10) —端的LED芯片； 固定在所述导向散热基座(9)上并通过透镜螺纹压圈(11)压紧的聚光透镜(12)； 设置在所述导向散热压块(10)上的第二固定件(17); 所述外壳外部还包括 通过第一固定件(13)固定在面板上的光纤耦合接口(15)，所述光纤耦合接口(15)用于插入光纤连接头(14); 设置在所述第一固定件(13)上的第一通风口( 16); 设置在所述第二固定件(17)上并与所述第一通风口(16)相互配合的第二通风口(18)； 设置在面板上的第三通风口(19)； 所述第一通风口( 16)、第二通风口( 18)、第三通风口( 19)与所述风扇(8)相互配合形成风道。
2.根据权利要求I所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述六块面板包括第一面板(I); 与所述第一面板(I)通过侧面连接件(20)相连的第五面板(5); 与所述第五面板(5)通过侧面连接件(20)相连的第二面板(2); 与所述第二面板(2 )通过侧面连接件(20 )相连的第六面板(6 ); 所述第一面板(I)、第二面板(2)、第五面板(5)和第六面板(6)通过侧面连接件(20)连接成为方形结构； 与所述方形结构的两端分别通过端面紧固件(21)相连的第三面板(3)和第四面板(4)。
3.根据权利要求2所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述侧面连接件(20)、端面紧固件(21)、第一面板(I)、第二面板(2)、第三面板(3)、第四面板(4)、第五面板(5)和第六面板(6)均采用铝合金材料制成。
4.根据权利要求I所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述LED芯片主要由6 10个LED灯(22)焊锡在LED印制板(23)上组成，其中的I个LED灯(22)位于所述LED印制板(23)中心，其余的LED灯(22)均布在所述LED印制板(23)圆周上。
5.根据权利要求4所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述LED灯(22)的个数为7个。
6.根据权利要求2所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述第三面板(3)上设置有与所述驱动电路板(7)相连的电源指示灯(24)、电源开关(25)和用于调节输出光的光通量大小的光强调节器(26)。
7.根据权利要求2所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述第四面板(4)上设置有与所述驱动电路板(7)相连的USB接口(27)、六位接线端子(28)和用于接入外部电源的直流电插口(29)。
8.根据权利要求I所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述导向散热基座(9)上设置有光强探测器插口( 30 )、引线通道(31)和温度传感器插口( 32 )。
9.根据权利要求I所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述光纤耦合接口(15)上设置有用于调整所述光纤连接头(14)与聚光透镜(12)之间距离的调节螺栓(33)。
10.根据权利要求I所述的LED光纤光源装置，其特征在于，所述风扇(8)、导向散热基座(9 )、导向散热压块(10 )和透镜螺纹压圈(11)均采用铝合金材料制成。
全文摘要
LED光纤光源装置，涉及光纤光源技术领域，解决了现有光源装置散热能力差的问题。该装置包括由六块面板连接成为一体的内部空心的外壳；外壳内部的驱动电路板；与驱动电路板相连的风扇；与风扇相连的导向散热基座；与导向散热基座相连的导向散热压块；固定在导向散热基座上并靠近导向散热压块一端的LED芯片；固定在导向散热基座上并通过透镜螺纹压圈压紧的聚光透镜；设置在导向散热压块上的第二固定件；设置在外壳外部并通过第一固定件固定在面板上的光纤耦合接口；第一固定件上的第一通风口、第二固定件上的第二通风口、外壳外部的第三通风口与风扇相互配合形成风道。本发明的装置散热效率高，功耗低，寿命长，装配时间短，成本低。
文档编号F21S2/00GK102927470SQ20121042830
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者刘华, 卢振武 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所