[发明专利]成本优化的LED散热片及LED照明灯

说明书

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，特别涉及到LED照明灯中的散热片结构尺寸的成本优化设计。

技术背景

LED照明，因其节能，长寿命而受到全球关注，被认为是下一代照明技术。但当前，由于成本造价高，制约了LED照明普及应用。导致LED照明当前成本造价高的原因是LED芯片需要散热。LED芯片散热包括LED芯片封装内的导热传热和散热片的对流传热。

肋片式扩展换热面结构普遍地被电子器件散热片所采用。自然对流传热，无机械运动、无噪音，可靠性高，是LED散热必选的方式。但是，LED行业内以及电子行业内的专业人员，对肋片式扩展换热面结构的散热片中的自然对流传热并没有非常清晰的认识，缺少针对性的基础性研究，不清楚散热片中的结构尺寸(如肋片高和间隙)对散热的影响，特别是对对流传热系数的影响；缺乏提高表面对流传热系数，有利于减小散热片材料成本的理念。其结果是：散热片设计不合理，没有优化设计理念，产品尺寸大，重量沉，成本也就高。

发明内容

本发明以针对LED散热片中自然对流传热基础性研究结果为基础，分析散热片的结构尺寸对对流传热系数的影响，以及肋片厚度对肋效率的影响，通过提高对流传热系数，来降低散热用的金属材料(铝)的重量(即材料成本)，提出散热片结构尺寸成本优化设计方案。

本发明的技术方案是：散热片采用肋片式扩展换热面结构，包括有导热块和肋片，肋片从导热块的侧面伸出，肋片伸出的平均长度大于10mm，导热块呈上下竖立设置，肋片也呈竖立设置，自然对流的散热空气由下向上穿过肋片。本发明的特征是：肋片平均高(即肋片在空气穿过方向的尺寸)与肋片之间的平均间隙之比大于2.5，小于5.0；肋片之间的平均间隙大于2.0mm，肋片的平均高不大于40mm。

对于肋片式散热片，散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动(对流)将热量带走，空气流量越大，能带走的热量(即散热量)越大，则空气流动(对流)畅通在散热过程中非常重要。自然对流传热过程中，驱动空气流动的动力是：空气受热温度升高，比重下降而产生的浮力，驱动力非常弱。将散热片的导热块上下竖立设置，肋片也竖立，使自然对流空气由下至上流动，穿过肋片，空气流动阻力小，有利于散热量提高，这也就是为什么本发明要求导热块以及肋片要竖立设置。

对流传热的计算公式Q＝P·A·ΔT，Q为传热量(散热量)，P为对流传热系数，A为传热面积(散热片的散热面积)，ΔT为传热温差(散热片与环境空气的温度差)。ΔT是设计限定值，提高散热面积A，有提高散热量Q的一面，但对于自然对流，会产生对流传热系数P下降，极不利于散热量Q的提高的因素，另外提高散热面积A，相应地也就增加了散热片的材料(铝)的用量，即增加了成本。对流传热系数P与散热片的结构尺寸以及对流形态等有关。提高对流传热系数P，如果散热量Q不变，则就可减小散热面积A，也就可降低散热片材料(铝)的用量，即降低了成本。

图1为肋片式散热片的自然对流传热实验曲线，纵坐标为对流传热系数P(导热块与环境空气温度差为某定值时的对流传热系数)，横坐标为肋片高h与肋片之间的间隙a之比，h/a被称为散热片特征参数。当散热片中的肋片高以及肋片之间的间隙不均匀时，取肋片的平均高h与肋片之间的平均间隙a之比作为散热片特征参数。图中三条曲线分别为三种不同的肋片高h的实验结果，其中h₃大于h₂，h₂大于h₁。

图1中示出：随着散热片特征参数(h/a)增大，对流传热系数P下降，表现出，当特征参数h/a大于5.0时，对流传热系数P下降速度加快，当h/a小于2.5时，对流传热系数P增加量有限。另外，图1还示出，增加肋片高h，对流传热系数P下降，并且随着肋片高h的增大，对流传热系数P下降的速度加快。