CN101228393B - 散热器，灯及制造散热器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却发光元件的散热器(1)。该散热器(1)具有适于调节该发光元件的热传导内部分(2)。该散热器(1)还具有热传导外部分(3)，其至少在一个平面中围绕该内部分。该至少一个发光元件从热传导内部分。该内部分(2)和该外部分(3)可通过至少一个热传导桥接(4)，以这样一种方式相互连接，即在该内部分(2)和该外部分(3)之间具有至少一个开口(5)。

Description

散热器，灯及制造散热器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于冷却发光元件的散热器，该散热器包括：
-适于调节该至少一个发光元件的热传导内部分；
-至少在一个平面中围绕该内部分的热传导外部分。
如果该发光元件的寿命依赖于使用时的温度，这种类型的冷却是尤其重要的。在较高工作温度下寿命缩短。能够发现这种关系的发光元件的一个例子是发光二极管(LED)，其具有高发光，例如通常所述的功率LED。
背景技术
德国实用新型申请DE 202004004570公开了一种用于一种照明设备的发光装置，该照明设备具有在其中容纳至少一个LED的外壳。为了散发热量，该LED被放置在连接到该外壳的冷却部分上。在一实施例中，该冷却部分是以冷却销的形式。热量通过该冷却销被传导到该外壳，从而发散到周围。当使用功率LED，其能在例如由电网提供的例如230V电压下工作，取代在大约12V的电压下工作的“普通”LED时，外壳的电绝缘是不能保证的。在使用时，触碰该发光装置可能导致触电，这是不期望的。
日本专利申请JP 2001243809公开了一种电灯，其具有部件装配用于散发由许多LED产生的热量。这些LED安装在板上，从而它们形成好的热连接，其板又连接到该灯的散热部件。产生的热量由该板的良好热传导传导至该散热部件，并以辐射的形式散发到周围。虽然这种装置有助于散热，但在一定环境下这还是不够的。
发明内容
本发明目的是要提供更加有效的散热，其中通常的例如230V的电网电压的使用不会导致使用者触电。为了实现该目的，根据本发明的散热器的特征在于该至少一个发光元件被电镀保护免受热传导内部分的危害。通过将该至少一个发光元件电镀保护免受该热传导部分的危害，使得电传导到该外部分的机会最小化。
在一实施例中，该内部分和外部分的至少一个由阳极氧化铝制成。该材料不仅仅具有低的电传导系数，还具有合适的热传导系数，并还相当易于机械加工。
优选地，该散热器具有用于固定到灯头和/或灯罩的固定装置。
在一实施例中，该外部分具有一直径可变的圆柱形结构，该内部分可被夹到该外部分中。通过选择合适的材料用于该内部分和该外部分的连接，可产生好的热连接，虽然两部分被电镀分离。
在一实施例中，该内部分包括具有至少一个同心槽结构的圆盘。该同心槽结构增加了该内部分的辐射表面面积，从而在使用时能够散发较多的热量。
在一实施例中，该外部分具有至少一个孔。借助该至少一个孔，由于该一侧的内部分与另一侧的周围空气之间的热量差异，可产生热流，其提供额外的散热。
在另一实施例中，该散热器进一步包括至少一个热传导桥接，其将该内部分和外部分以这样的方式连接以便在该内部分和外部分之间具有至少一个开口。由于一侧的散热器和另一侧的周围空气之间的热量差异，在散热器的至少一个开口中产生对流，其提供额外的散热。
在另一实施例中，该内部分是大致的圆盘，且该外部分是围绕该内部分的环。由于其对称形状，该实施例有助于均匀散热。此外，该形状特别适于连接到标准灯头。
在另一实施例中，该内部分的***和该外部分的内围中的至少一个具有波纹表面图案。由于这种图案的存在，该散热器和开口中存在的空气之间的接触表面被扩大，从而较大的散热对流是可能的。
优选地，该内部分、外部分以及至少一个桥接元件整体地形成。这防止了在不同部分之间的边界处的不希望的热梯度变化，并使得制造简单，例如有助于热压。
为了通过从该内部分到该外部分的传导促进散热，该内部分可具有用于促进热传导的装置，例如通常所述的“热导管”。
在一实施例中，该桥接元件由阳极氧化铝制成。该材料具有合适的热传导系数，低的电导系数并还较适于机械加工。
本发明不但涉及根据这些实施例之一的散热器，还涉及一种灯，其包括用于定位该灯并将该灯连接到电源的灯头，以及具有发光侧和固定侧的至少一个发光元件，该至少一个发光元件的固定侧与该散热器的内部分结合。
在一实施例中，该至少一个发光元件是发光二极管(LED)。通常所说的功率LED，也就是具有高功率，通常是1-5瓦特的LED，尤其适合本发明的实施例。
在另一实施例中，这里的至少一个发光元件的固定侧通过陶瓷层结合到该散热器的内部分。该陶瓷层在电屏蔽方面提供了改进。优选地，该陶瓷层具有100-500μm的厚度。合适的陶瓷材料包括氧化铝和氮化铝。
优选地，该灯具有透明保护体，其保护该发光元件的发光侧上的至少一个发光元件。这种保护体不仅仅保护该发光元件，还防止使用者触电。
该灯的所有实施例可提供给在具有顶篷灯的至少一个发光元件的发光侧上。可借助这种顶篷灯获得散射光。
本发明还涉及一种用于从基底材料制造散热器的方法，包括：
-在封闭空间中提供基底材料；
-在所述封闭空间一侧提供具有合适图案的挤压模具；
-加热所述基底材料至预定温度；
-通过在压力下挤压所述基底材料通过所述挤压模具而挤压所述基底材料，以便形成挤压伸长的物体；
-将所述挤压伸长的物体再分成预定尺寸，从而形成与散热器相应的部分。
附图说明
本发明将参照下列附图作进一步的说明。这些附图不用于限制本发明的范围，而是作为其说明。附图中：
图1示出了根据本发明实施例的散热器；
图2示出了具有根据本发明的散热器的灯的第一实施例；
图3示出了具有根据本发明的散热器的灯的第二实施例；
图4a-c示出了具有根据本发明的散热器的灯的第三实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的散热器1。该散热器1包括内部分2和外部分3，这些部分通过一个或多个桥接元件4相互结合。该内部分被装配成容纳发光元件，例如发光二极管(LED)，并优选地具有凹部。该发光元件可以这样的方式设置在该内部分2上，以便在发光元件和内部分之间产生好的热连接，例如通过使用合适的热传导固定化合物。该内部分2还包括具有高热传导系数的材料，例如铝。通过传导散热的一种改进可通过使用装置促进热传导来获得。例如，该内部分2可设置有散热薄膜层，例如Novel Concepts Inc.的美国专利US 6158502中所说明的。通常所说的“热导管”，也就是说在内部具有提供快速热传导的液体的封闭管，也可固定在该内部分2上或里面。通过使用装置来促进散热，可实现内部分2和外部分3之间的小的温度差异，其有益于散热速度。
在使用中，该发光元件产生的一些热量必须被除去。由于发光元件和内部分之间的良好热连接以及从内部分2至外部分3的合适的热连接，热量可通过一个或多个桥接元件4从内部分2传到与周围环境相邻的外部分3。桥接元件4的宽度和数量依赖于要传到外部分3的热量的量。热量可通过外部分散发。然而，还会发生。由于内部分2、外部分3和一个或多个桥接元件4的顺序，在内部分2和外部分3之间存在开口5。因为使用中所有元件2-4的温度高于环境温度，一个或多个开口5中的空气会被暖化。这导致在开口5中增加空气流动，其对于对流工作非常好。从而更多的热量被散发而不是单独辐射冷却。
如图1所示，优选地，散热器1是圆形对称的。也就是说，内部分2是圆盘，而外部分3是围绕该内部分的环，盘和环的中心同心。通过这种配置，热量可均匀散发，并且在散热器中可有一些“热点”，其可影响有效的冷却。
优选地，内部分2的外壁和/或外部分3的内壁上设置有波纹图案，例如在水平方向，如图1所示。该波纹表面图案提供了元件2-4与开口5中的空气之间的接触表面面积。结果，实现在元件2-4和开口5中的空气之间更加好的热传递。除了波纹图案外，还可用其它图案来增加表面面积，例如矩形齿状图案。
优选地，所有元件2-4由相同的材料制成。这防止了材料变换导致的散热器中温度梯度的变化。
已经证明如图1中所示的具有约151mm高度，以及具有约50mm直径的外部分3的散热器适于充分冷却具有6-10瓦特耗散的LED灯。
图2示出了具有根据本发明的散热器的灯的第一实施例。再次示出具有内部分2、外部分3和桥接元件4的散热器1。与图1中的散热器1相反，该内部分2的表面有一些凹部。具有固定侧和发光侧的发光元件10固定在该表面上。散热器1结合到灯头11上，在这种情况下这种灯固定用于灯泡。散热器1优选地以这样的方式装配，其可固定到灯头11，例如通过设置螺纹或具有能够夹住该灯头的尺寸。可选地，内部分2的一部分在灯头11的一侧可具有一些凹部，从而将灯头11仅仅固定到内部分2的凹部部分中。通过使用例如强力胶水的粘合剂可使得这种结合更加稳定。
用于正确控制一个或多个发光元件10所需的电子元件可容纳在灯头11中。内部分2可具有孔，以使得用于一个或多个发光元件10的电线来自灯头11。
透明保护板，其可将发光元件10从周围环境电屏蔽，能够设置在发光元件10的发光侧上，以保护一个或多个发光元件10。
此外，优选地，散热器1由一种或多种具有低导电率(高电绝缘)的材料制成，以防止使用时触碰到而触电。
图3示出了具有根据本发明的散热器的灯的第二实施例。在该图中，除了散热器1和灯头11外，该灯还包括以灯罩15。尽管图2中的灯可以是聚光灯，然而由于灯罩15的存在使得图3中灯的更适于产生散射光。通过改变灯罩15的特性，例如改变宽或窄波长区域的透明度，还可分别获得较多/较少的散射，以及特殊颜色的光。
在图3中，灯的三个基本元件被分别示出。为了将灯罩15可拆卸地固定到散热器1上，灯罩15设置有外螺纹16，而散热器1相应地具有内螺纹(未示出)。在图3所示的实施例中，灯头11具有上升边缘17，其可在凸纹(未示出)后被夹到散热器中。除了这里所示的螺纹和夹持，一方面，还可有用于散热器1和灯头11之间的连接，另一方面，还可有用于在散热器1和灯罩15之间的连接的其它结合方式选择。例如，该灯罩15可具有通常所说的卡口接头，而散热器1具有合适的卡口保持器。灯头11和散热器1之间的连接可通过例如，使得该灯头11具有一个或多个凹部来实现，以一个或多个桥接元件4被固定到这些凹部中的方式而确定凹部的大小。
上文中已经说明了散热器1优选地由具有好的热传导和差的电传导的材料制成。此外，如果在制造过程中，优选易于在机械加工步骤中进行处理的材料。满足所有这些要求的合适材料是阳极氧化铝。
图4a-c示出了具有根据本发明散热器的灯的第三实施例。在该实施例中，散热器1包括内部分20和外部分22。外部分22是具有可变直径的圆柱形，例如图4b中所示的形状。在图4a中再现的可能的实施例的内部分20，其形状被形成为可被夹在外部分22中。图4c示出了散热器1的横截面，其中内部分20被夹在外部分22中。内部分20的被夹位置可通过使用支撑结构27而更加稳定，该支撑结构27例如是适于固定至灯装置中的管。内部分20可设置有一个或多个用于保持该支撑结构27的孔30，因此该支撑结构27可具有一个或多个相应的销31。
该内部分20适于容纳至少一个发光元件26。该至少一个发光元件26的固定侧可通过热传导陶瓷层25结合至内部分20。用于热传导陶瓷层25的合适的材料包括氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)。该陶瓷层25尤其适合用于提高至少一个发光元件26和内部分20之间的击穿电压，例如到至少7000V的值。陶瓷层25优选具有100-500μm的厚度，最佳厚度部分地取决于用于至少一个发光元件26的电压和用于陶瓷层25的所选材料。
内部分20还可设置有至少一个槽形同心结构24。该槽形同心结构24增大了内部分20的辐射表面面积，从而可增加使用中的散热。
为了进一步冷却，外部分22可设置有一个或多个孔29。尽管一方面，由于内部分22和周围空气之间的热量差异，然而另一方面通过该至少一个孔，可产生热流带来额外的散热。
内部分20和外部分22二者可由阳极氧化铝制得。如前所述，该材料具有好的热传导和差的电传导。结果，至少一个发光元件26可从该内部分20电屏蔽，确保多重绝缘，甚至在没有使用陶瓷层25时。应当明白，图4a-c所示的实施例中，具有散热器的该灯还可具有盖元件，例如图3所示的灯罩，其可以前述方式固定。
可使用挤压来获得散热器1，其中所有元件2-4由相同材料制成，甚至还制成整体。通过该技术，加热合适的材料，例如铝，至400-500℃之间的温度，开通过挤压模具施压。结果获得具有实质上恒定截面的拉长的物体，其可具有实心、空心或实质上任何期望的图案。通过使用通常所说的冲击挤压可避免在最后移除金属材料。用于散热器1的合适的基本结构可通过使用合适的模具并在挤压后再将拉长物体划分成合适尺寸的盘来获得。除了开口5，该模具还可在内部分2中形成开口，其可用于连线至少一个发光元件10。为了获得图1-3中所示的具体实施例，该基本结构可借助已知的机械技术进一步加工，例如打磨和车削。
上述说明的仅仅是本发明的一些实施例。容易理解，可设想到本发明的许多变形实施方式，这些都落在本发明的范围内。这由所附权利要求来限定。

Claims (16)

1.用于冷却至少一个发光元件(10；26)的散热器，该散热器包括：
-热传导内部分(2；20)，适于容纳所述至少一个发光元件(10；26)；
-热传导外部分(3；22)，在至少一个平面内围绕所述内部分；
特征在于所述至少一个发光元件(10；26)是发光二极管且与所述热传导内部分(2；20)电屏蔽，并且所述外部分(22)具有沿轴向直径变化的圆柱形结构，且所述内部分(20)可夹在所述外部分(22)中。
2.根据权利要求1所述的散热器，特征在于所述内部分(2；20)和所述外部分(3；22)中的至少一个由阳极氧化铝制成。
3.根据前述权利要求中任一项所述的散热器，特征在于所述内部分(2；20)包括用于固定至灯头(11)的固定装置(17)。
4.根据权利要求1或2所述的散热器，特征在于所述内部分(2；20)包括用于可拆卸地固定至灯罩(15)的第二固定装置(16)。
5.根据权利要求1或2所述的散热器，特征在于所述内部分(20)包括盘，该盘具有至少一个同心槽形结构(24)。
6.根据权利要求中1或2所述的散热器(1)，特征在于所述外部分(22)设置有至少一个孔(29)。
7.根据权利要求1或2所述的散热器，特征在于所述内部分和所述外部分形成热连接，虽然这两部分被电镀分离。
8.根据权利要求1所述的散热器，特征在于所述散热器还包括热传导陶瓷层，其用于将所述至少一个发光二极管从所述内部分电屏蔽。
9.根据权利要求8所述的散热器，特征在于所述陶瓷层包括氧化铝Al2O3和氮化铝AlN中的至少一个。
10.根据权利要求8或9所述的散热器，特征在于所述陶瓷层具有100-500μm的厚度。
11.灯，包括：
-灯头(11)，用于定位所述灯并将所述灯连接至电源；
-至少一个发光元件(10；26)，具有发光侧和固定侧；和
-根据前述权利要求中任一项所述的散热器(1)，所述至少一个发光元件(10；26)的所述固定侧连接至所述散热器(1)的所述内部分(2；20)。
12.根据权利要求11所述的灯，特征在于所述至少一个发光元件的所述固定侧通过热传导陶瓷层(25)而结合至所述散热器(1)的所述内部分(2；20)。
13.根据权利要求12所述的灯，特征在于所述热传导陶瓷层(25)具有100-500μm的厚度。
14.根据权利要求12或13所述的灯，特征在于所述热传导陶瓷层(25)包括选自氧化铝和氮化铝中的至少一种陶瓷材料。
15.根据权利要求11-13中任一项所述的灯，特征在于所述灯还包括透明保护体，其在所述发光元件(10；26)的所述发光侧将所述至少一个发光元件(10；26)屏蔽。
16.根据权利要求11-13中任一项所述的灯，特征在于所述灯还包括灯罩(15)，该灯罩(15)位于所述至少一个发光元件(10；26)的所述发光侧。
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