具有高散热性能的LED灯单元体及其模组化的大功率LED灯具

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具有高散热性能的LED灯单元体及其模组化的大功率LED
灯具
技术领域
[0001] 本实用发明涉及一种LED灯及其灯具，具体涉及具有高散热性能的大功率LED灯单元模块及其组成的模组化大功率LED灯具。
背景技术
[0002] LED(发光二极管)是一种利用电流顺向流通到发光半导体p-n结耦合处，促使电子在P区里跟空穴复合，并把多余的能量以光和热的形式释放出来，从而将电能转化为光与热的光源。它具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光、使用寿命长且坚固耐用等诸多优点，它可连续使用10万小时，寿命比普通白炽灯泡长100倍，因此，它已成为未来照明产品的发展方向，特别是大功率高光通LED灯的出现，加速了LED取代传统照明光源的速度。
[0003] 目前大功率LED灯具设计的主要问题是如何实现电、光、热三者之间安全、稳定、高效率的转化。在电学方面，LED的发光原理要求“横流驱动”，即稳定的电流是电学方面的关键；光学方面，除了合理的配光、色温与显色性等基本问题外，还要求更高的出光效率，即从芯片到达被照射区域损失的光能越小越好，目前由于LED灯一次封装、二次透镜再加上灯具外罩，一般需要经过三层PC或亚克力材料，光损失率一般在20～30%之间；热学方面，控制LED的结温以便延长其使用寿命是关键问题。由于目前的LED灯的光热转化效率大约为3比7，也就是说LED灯的大部分电能是被转化为热能散发出去的，如果不能有效地耗散这些热量，随之而来的热效应将会变得非常明显：①结温升高，直接减少芯片射出的光子，使取光效率降低；②温度的升高会使得芯片的发射光谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低。因此由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性。使得控制LED的结温成为稳定性能和延长使用寿命的关键问题。综上所述，在热、光、电三个领域里，目前稳定的电流是相对容易达到的，而最主要的问题是散热与配光两个方面。散热决定了LED的寿命长短，而配光决定了LED的使用性是否比其它光源更优。现在有许多种设计，在封装结构、配光方式、散热材料的选择、散热结构的设计上等等都作出了不同的尝试，但是基本上是以电路板为横断面，并在电路板的背面设置散热结构进行散热。图1所示的是现有大功率LED灯单元体的一种典型结构，它由半球形透镜1、芯片2、热沉3、电路板4、散热单元和电极、金线一次封装而成，其核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片2，散热单元采用散热片5，芯片2通过共晶焊h固定在圆饼形的热沉顶面上，热沉3的底面则与由印刷电路及其所附着构成的电路板4连接，电路板4底面的铝基板通过导热膏与散热片5的散热基板51连接，透镜1则将芯片2封装到热沉上。由于热沉3的热传导率远远高于透镜1，故芯片2产生的热量只有少部分是通过透镜1传递的，其余大部分的热量都是沿图示的箭头方向通过热沉3和散热片5的路径散发出去的，然后与空气进行热交换。这样的LED灯散热结构虽然在电的输送上稳定可靠，但在散热结构上却存在不足之处：⑴散热方向单一，在热的传导上就显得效率低下。因为LED灯芯片2的热量大部分通过热沉3传导至散热单元，再通过散热单元传导给大气，而现有的散热单元采用的散热片5一般都是由散热基板51与LED的散热面接合，散热肋片52则垂直于散热基板
51间隔排布，如图1所示，即仅限于在LED灯的导热方向上设置散热肋片52，散热面有限；
⑵热阻层数多，即LED灯芯片2散发的热量大部分是通过焊料h、热沉3、电路板4、导热胶的散热片5等多重介质才能传导至散热单元上，削弱了热的传导效率；⑶在无强制气流的情况下，其散热效率不高，特别是集合成大功率LED灯时散热效率很不均衡。因为所述的散热肋片52是顺着导热方向来设置的，在无强制气流的情况下，靠近散热基板51的区域往往是气流死角，冷空气难以补充到该区域中，从而影响散热片5的散热效率。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种具有高散热性能的大功率LED灯单元体，该LED灯单元体直接通过热沉将LED灯单元体中芯片发出的热量传导至散热单元中进行散热，减少热阻层数，从而提高散热效率，以便提高LED灯的使用寿命和可靠性。
[0005] 本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
[0006] 一种具有高散热性能的大功率LED灯单元体，包括透镜、芯片、电极、电路板、热沉和散热单元，其特征在于：所述热沉包括一绝缘基板和一柱形的导热杆，所述绝缘基板连接于所述导热杆顶端构成“T”字形结构，散热单元则安装在热沉的导热杆上；所述芯片、电极和金丝共晶焊接于所述绝缘基板顶面上，电路板中部具有容纳芯片的通孔，以便使电路板围括在芯片周围并与芯片一样直接安装在绝缘基板顶面上，并与绝缘基板上的电极电联接，从而能够让所述芯片发出的热量无需通过电路板就能直接通过所述绝缘基板传导至下方的导热杆，再由散热单元散发出去。
[0007] 作为上述LED灯单元体的一种改进：所述导热杆与绝缘基板之间还设有一层导热盘，所述导热盘与导热杆一体制成，所述导热圆盘的外廓尺寸接近或者大于所述绝缘基板，所述绝缘基板连接于所述导热盘上，以便加大导热面并使该导热盘起到承托绝缘基板的作用。
[0008] 本发明推荐的实施例之一是所述绝缘基板采用陶瓷绝缘基板，所述导热杆为铝质的导热杆。
[0009] 本发明还可以做以下的改进：所述散热单元的结构为中部呈柱状体，沿该柱状体的中轴线设有与所述热沉的导热杆配合的安装孔，用于将所述散热单元与所述热沉连接为一体，在柱状体外壁上分布有多个散热鳍片。
[0010] 本发明还可以进一步做以下的改进：所述散热单元的散热鳍片平行于所述柱状体中轴线竖向排列在该柱状体的外壁上，从而形成散热鳍片是围绕热沉的导热杆呈放射状排列。其优点不仅是可以通过放射状排列散热鳍片将导热杆的热量直接向四周散发，大大扩大了热沉的散热面积和散热空间，故能有效地提高LED灯单元体的散热效率；而且竖向排列的散热鳍片所形成的竖向通道容易让外部气流流通，避免形成气流死角，能进一步提高散热单元的散热效率；同时还有利于将多个LED灯单元体模组化为大功率LED灯时形成蜂窝状散热结构，即在大功率LED灯的结构中能够形成一个或一个以上的与热沉导热杆平行的垂直式散热孔，使大功率LED灯中部散热与外缘散热同样基本均衡，很好地解决了大功率LED灯散热效率低下及不均衡的问题。
[0011] 本发明的另一个目的在于将前述LED灯单元体进行模组化设计，将多个LED灯单元体集群封装成具有高散热性的大功率LED灯具。
[0012] 本发明的另一个目的可通过以下的技术措施来实现：
[0013] 一种由前述LED灯单元体模组化构成的大功率LED灯具，其特征在于：包括至少二个LED灯单元体、与LED灯单元体数量一致的散热单元、电路板和灯壳；
[0014] 所述电路板上设有与所述LED灯单元数量一致的灯孔，所述电路板通过所述灯孔与LED灯单元体的绝缘基板位置对应并安装于所述绝缘基板上，所述电路板与所述LED灯单元体的电极电连接，从而为所述LED灯单元体提供电源；
[0015] 所述灯壳包括可相互扣接的上壳体和下壳体，所述下壳体上开设有与所述LED灯单元体数量一致的灯孔，所述LED灯单元体以及电路板安装于所述灯壳内，且所述LED灯单元体的导热杆由所述灯孔处伸出下壳体外；
[0016] 所述相邻的散热单元之间设有空隔，且所述上壳体与下壳体上开设有与所述空隔相对应的散热间隔孔，使整个LED灯具形成上下贯通的通道。从而，所述芯片通电后产生的热量通过所述热沉传到所述导热杆上，再通过导热杆传导至散热单元，最后通过所述散热鳍片以及散热单元之间的空隔散发出去。
[0017] 所述上壳体和下壳体呈碗型且边缘对接，所述对接面上设有沟槽，所述沟槽内设有防漏橡胶垫圈。
[0018] 所述上壳体与下壳体的散热间隔孔的边缘对接，所述散热间隔孔的对接面上设有沟槽，沟槽内设有防漏橡胶垫圈。
[0019] 所述导热圆盘与所述下壳体的灯孔之间设有橡胶垫。橡胶垫圈和橡胶垫将整个灯壳内的LED灯单元体密封起来，起到很好的防水防漏作用。
[0020] 所述上壳体为PC透明材质。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明的LED灯通过LED灯单元体的导热杆将LED灯单元体芯片所发出的热量传导至下方的散热单元中进行散热，从而实现了电热分离的结构；
[0022] 2、该模组化LED灯中的每个LED灯单元体不仅有各自的散热单元进行散热，且相邻的LED灯单元体的散热单元之间由于设有上下贯通的空隔，形成蜂窝状的散热结构进行散热，因此该模组化LED灯不仅可以通过散热鳍片在水平四周方向上散热，而且可以通过散热单元之间的间隔在垂直方向上散热，实现了全方位的散热，提高了散热效率；
[0023] 3、该LED灯单元体的绝缘基板上直接焊接LED灯芯片等，而电路板是直接与基板上焊接的LED灯的电极相连，从而，芯片发出的热量直接通过下方的绝缘基板传导至下方的导热杆上，相比传统的LED灯减少热阻层数，例如减少了印刷电路、导热膏等层次，更有效率地实现热传导与散热；
[0024] 4、该模组化大功率LED灯具实现了多个LED灯单元体的模组化，只要按照需要制作出相应的灯壳，并配上相应数量的LED灯单元体以及散热单元，进行组装，即可实现模组化，从而适用于各种不同的应用需求，另外，具有更换方便的特点，如果其中一个LED灯单元体损坏，只要更换该LED灯单元体即可；
[0025] 5、该模组化大功率LED灯具的灯壳内设有橡胶垫及橡胶垫圈，能够将LED灯单元体封装于灯壳内，防止漏水漏电。
附图说明
[0026] 图1是普通LED灯的结构示意图；
[0027] 图2是本发明实施例一具有高散热性能的模组化的大功率LED灯具的整体结构示意图（图中上壳体为透明，未示出）；
[0028] 图3是图2LED灯具的爆炸示意图；
[0029] 图4是图2LED灯具的剖视图；
[0030] 图5是图4的A处放大图；
[0031] 图6是本发明实施例一和实施例三LED灯具中的LED灯单元体的结构示意图；
[0032] 图7是本发明实施例一LED灯具的安装示意图a；
[0033] 图8是本发明实施例一LED灯具的安装示意图b；
[0034] 图9是本发明实施例一LED灯具的安装示意图c；
[0035] 图10是本发明实施例一LED灯具的安装示意图d；
[0036] 图11是本发明实施例二具有高散热性能的模组化的大功率LED灯具的整体结构示意图（图中上壳体为透明，未示出）；
[0037] 图12是本发明实施例三具有高散热性能的大功率LED灯单元体的结构示意图；
[0038] 图13是本发明LED灯单元体呈三角形排列方式的示意图；
[0039] 图14是本发明LED灯单元体呈六边形排列方式的示意图。
具体实施方式
[0040] 实施例一
[0041] 图2至图10示出了本发明具有高散热性能的大功率LED灯单元体及其模组化的大功率LED灯具的实施例一以及该LED灯具的安装过程。现有的大型LED灯具设计的核心问题是散热，而散热的基本原则是从芯片到空气结构层越少越好，层的厚度越薄越好，层的面积越大越好，材料的热导系数越高越好。
[0042] 该发明的LED灯具可由多个LED灯单元体15组成一个模组化的大功率LED灯具，该LED灯具包括多个LED灯单元体15。每个LED单元体15包括透镜141及芯片14、电极
151、金丝（图中未标出）、热沉，该热沉包括一圆台型的陶瓷制的绝缘基板152和一圆柱型的铝制的导热杆154，在本实施方式中，该圆柱型导热杆154顶端还设有一铝制导热圆盘153，导热圆盘153与导热杆154一体成型设计，绝缘基板152焊接于导热杆154的顶端的导热圆盘153上，该导热圆盘153的直径略大于绝缘基板152，起到承托绝缘基板152的作用；
透镜141及芯片14、电极151和金丝则共晶焊接于绝缘基板152上。每个LED灯单元体15都配有一个散热单元18，该散热单元18内设有与LED灯单元体15的导热杆154紧密配合的散热孔，散热孔外壁上设有散热鳍片181，相邻的散热单元之间设有空隔，散热单元18与导热杆154紧密连接安装，从而，当透镜141中的芯片通电后产生的热量通过热沉传到导热杆154上，再通过导热杆154传导至散热单元18，最后通过散热鳍片181散发出去。该散热鳍片181采用竖向排列且围绕热沉座外壁呈放射状排列。当然也可以采用其它排列形式，如图12所示的三角形排列方式以及如图13所示的六边形排列方式。
[0043] 使用上述的LED灯单元体15和散热单元18可以组装模组化的大功率LED灯具，本实施例中展示了一个由9个LED灯单元体15和9个散热单元18所组成的LED灯具，该LED灯具还包括灯壳和电路板12，该灯壳包括上壳体11和下壳体17，上述的9个LED灯单元体15以及电路板12则安装于灯壳内。上壳体可采用PC透明材质，从而有利于光线发散出去。
[0044] 该电路板12和下壳体17上都开设有与LED灯单元体对应的灯孔，其中，电路板12通过该灯孔121与LED灯单元体15的绝缘基板152位置对应并安装于绝缘基板152上，同时，电路板12与绝缘基板152上的电极151电连接，从而为LED灯单元体15提供电源。此外，下壳体17上开设有的灯孔171可供LED灯单元体的导热杆154由该灯孔171处伸出下壳体17外。散热单元与伸出到下壳体17外的导热杆154紧密连接安装。
[0045] 上述灯壳与电路板上还设有与散热单元之间的间隔相对应的散热间隔孔，上壳体
11上开设有4个散热间隔孔111，下壳体17上开设有4个散热间隔孔172，电路板12上开设有4个散热间隔孔122。上述的散热间隔孔与散热单元之间的间隔上下对应，使整个LED灯具形成上下贯通的通道。从而，所述芯片通电后产生的热量通过热沉传到导热杆154上，再通过导热杆154传导至散热单元18，最后通过所述散热鳍片181以及散热单元18之间的空隔散发出去。
[0046] 上壳体11和下壳体17呈碗型且边缘对接，上壳体11与下壳体17的散热间隔孔的边缘对接，接面上设有沟槽，沟槽内设有防漏橡胶垫圈13。此外，导热圆盘153与下壳体
17的灯孔171之间设有橡胶垫16，该橡胶垫16上同样设置与散热空隔以及LED灯单元体导热杆通过的灯孔161和散热间隔孔162。橡胶垫圈13和橡胶垫16将整个灯壳内的LED灯单元体密封起来，起到很好的防水防漏作用。
[0047] 综上所述，该单元模组化LED灯具是类似于活字印刷的结构方式，其组装过程如图7至图10所示的步骤a至d。步骤a：将橡胶垫16装入下壳体17内，使相应的孔洞位置对应；步骤b：将LED灯单元体安装于下壳体17中，使每个导热杆都伸出下壳体外，再将散热单元安装于下壳体下方伸出的导热杆上，使LED灯单元体、下壳体以及散热单元紧密连接起来；步骤c：将线路板12对应的放置于LED灯单元体上方，并使每个LED灯单元体的电极151与电路板上的相应孔洞位置对应相接形成通路；步骤d：将橡胶垫圈13置于上壳体
11的边缘的沟槽内再将上壳体11盖于已经安装好的LED灯具上方并使其与下壳体17紧密扣接，即组装完成如图2所示的整个LED灯具结构。
[0048] 实施例二
[0049] 如图11所示为本发明具有高散热性能的大功率LED灯单元体及其模组化的大功率LED灯具的实施例二，本实施例二与实施例一的不同之处在于：本实施例展示了一个由4个LED灯单元体15和4个散热单元18所组成的LED灯具，上壳体11采用PC透明材质（故图11中未示出），从而有利于光线发散出去。上壳体11上开设有1个散热间隔孔111（图
11中未示出），下壳体17上开设有1个散热间隔孔172，电路板12上开设有1个散热间隔孔122，对应设置线路板12、橡胶垫圈13和橡胶垫16的孔洞，用于对应装入上壳体11和下壳体17中。上述的散热间隔孔与散热单元之间的间隔上下对应，使整个LED灯具形成上下贯通的通道。从而，所述芯片通电后产生的热量通过热沉传到导热杆154上，再通过导热杆
154传导至散热单元18，最后通过所述散热鳍片181以及散热单元18之间的空隔散发出去，同样可提高散热效率。
[0050] 实施例三
[0051] 如图6、图12所示为本发明具有高散热性能的大功率LED灯单元体的一个具体实施例，本实施例三与实施例一的不同之处在于：本实施例为一个LED灯单元体15，包括透镜
141及芯片14、电极151、金丝（图中未标出）、热沉，该热沉包括一圆台型的陶瓷制的绝缘基板152和一圆柱型的铝制的导热杆154，在本实施方式中，该圆柱型导热杆154顶端还设有一铝制导热圆盘153，导热圆盘153与导热杆154一体成型设计，绝缘基板152焊接于导热杆154的顶端的导热圆盘153上，该导热圆盘153的直径略大于绝缘基板152，起到承托绝缘基板152的作用；透镜141及芯片14、电极151和金丝则共晶焊接于绝缘基板152上。该LED灯单元体15都配有一个散热单元18，该散热单元18内设有与LED灯单元体15的导热杆154紧密配合的散热孔，散热孔外壁上设有散热鳍片181，当透镜141中的芯片通电后产生的热量通过热沉传到导热杆154上，再通过导热杆154传导至散热单元18，最后通过散热鳍片181散发出去。
[0052] 本发明的实施方式不限于此，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，例如可根据LED灯具体积大小的需要，将LED灯单元体15和散热单元18的数量设为一个或一个以上其它相应的个数，对应设置散热间隔孔，同样可提高散热效率，这些变更均可实现本发明目的。