CN102748737B

CN102748737B - Led灯及其热管

Info

Publication number: CN102748737B
Application number: CN201210219764.0A
Authority: CN
Inventors: 陈德华; 欧文; 束红运; 贺建稳
Original assignee: DONGGUAN CLED OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: DONGGUAN CLED OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: CN102748737A

Abstract

本发明提供了一种属于LED光源领域的热管和含有该热管的LED灯。该热管包括管壳，管壳包括普通材质层和纳米散热层，纳米散热层形成于普通材质层的外表面，纳米散热层的材料是水性有机－无机杂化树脂、或者是水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体，水性有机－无机杂化树脂以金属烷氧化物和纳米溶胶为无机前驱体，以带有功能团的三烷氧基硅烷为有机前驱体，在特定条件下经水解和缩合而形成的；其中，水性有机－无机杂化树脂的数均分子量为1000～30000，固含量为45-55%，金属烷氧化物、纳米溶胶与所述带有功能团的三烷氧基硅烷的重量比为1:1～5:2～10。较现有LED灯的热管而言，本发明的热管导热率提高40倍以上。

Description

LED灯及其热管

技术领域

本发明涉及一种LED（Light Emitting Diode，发光二极管）光源，尤其涉及一种LED灯及其热管。

背景技术

随着全球能源问题的日益突出，强化传热在能源的开发和节约中起着至关重要的作用，对热交换***的高效低阻紧凑等性能指标的要求也越来越高。

高亮度发光二极管（LED）具有耗电量小、寿命长、响应速度快、体积小、无污染、易集成化等特点，是引起照明革命和传统照明产业升级换代的新一代光源。特别是在节能减排、保护环境成为主题的今天，半导体照明更是成为新的经济增长点，因而受到各国政府与产业界的高度重视。

美国市场调研公司StrategiesUnlimited预计，到2010年，高亮度LED市场将达到83亿美元，比2005年的总数超过2倍。近年来，随着大功率LED应用于照明的形式逐渐形成，解决散热问题已成为大功率LED应用的先决条件，对于现有的LED光效水平而言，输入电能的70%～80%转变成为无法借助辐射释放的热量，而且LED芯片尺寸很小，如果散热不良，则会使芯片温度升高，引起热应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光粉激射效率下降。

研究表明：当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，器件温度每上升2e，可靠性则下降10%。若多个大功率LED芯片密集排列构成白光照明***，热量的耗散问题更为严重。因此，如何提高封装散热能力是现阶段照明级大功率LED亟待解决的关键技术之一。

而采用高性能散热涂料来强化电子器件的散热不失为一种较好的方法。例如，专利CN101659829A公开了一种红外辐射复合散热涂料。专利采用双层涂料，底层为炭黑涂料，面层为高辐射纳米复合涂料，利用面层涂料高辐射率达到散热降温的目的。但这种涂料施工工艺复杂，同时又要求高的涂层厚度来实现散热降温，因此成本较高。专利CN101070448A涉及了一种有氮化硼填料和结合剂制成散热涂料的制备方法。其方法是通过30-70%的氮化硼和30-70%的结合剂反应制得，然后采用喷涂和80℃下加热烘烤制得，涂层的散热效果明显。经表面积测试发现：与光板比较，涂层的微观表面积增加了约154倍。专利CN101993621A涉及一种喷涂凝结散热膜的组合物，其组成为耐热铁氟龙树脂和碳化硅粉末。由于是一种溶剂型涂料，对环境污染较大。专利CN101942270A涉及一种LED散热涂料，其使用了毒性较大的氧化铍和价格较贵的氮化铝来提高涂层的散热效果。

以上报道的散热涂料大多是传统溶剂型涂料，无论在制造过程或施工应用过程中均有大量的有毒有害废气、废水的排放，对环境、大气以及水资源造成污染，同时也造成资源和能源的浪费。另外，成膜后的涂层大多由有机物组成，容易燃烧，对环境造成安全隐患。因此，基于水性有机-无机杂化技术、具有无机和有机物协同效应的高性能涂层材料引起人们广泛关注，成为当今表面功能材料研究开发的主要方向之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管，其可将LED光源的热量传递到散热体，以解决现有技术存在的LED芯片产生的大量热量难以及时向外散发的问题。

本发明的另一目的在于提供一种含有上述热管的LED灯。

本发明提供的热管，包括管壳，所述管壳包括普通材质层和纳米散热层，所述纳米散热层形成于普通材质层的外表面，所述纳米散热层的材料是水性有机－无机杂化树脂、或者是水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体，

所述水性有机－无机杂化树脂以金属烷氧化物和纳米溶胶为无机前驱体，以带有功能团的三烷氧基硅烷为有机前驱体，在特定条件下经水解和缩合而形成的。所述水性有机－无机杂化树脂的数均分子量为1000～30000，固含量为45-55%，所述金属烷氧化物、纳米溶胶与所述带有功能团的三烷氧基硅烷的重量比为1:1～5:2～10。

所述金属烷氧化物中的烷基为C_1-8烷基，金属为硅、钛、锆或铝。所述金属烷氧化物优选为正硅酸乙酯、锆酸正丙酯和钛酸四丁酯中的一种或多种。

所述纳米溶胶是纳米钛溶胶、纳米硅溶胶、纳米铝溶胶和纳米锆溶胶中的一种或多种。

所述带有功能团的三烷氧基硅烷是甲基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和三甲基一乙氧基硅烷中的一种或多种。

所述纳米散热层的材料是水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体时，所述微纳米散热粉体为金属或者非金属的碳化物、金属或非金属氧化物、以及金属或非金属氮化物中的一种或多种。所述碳化物选自纳米碳化钨、碳化硅、碳化锆、碳化铝和碳化钛中的一种或者多种。所述氧化物选自氧化硼、氧化钠、氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化钙、过渡金属氧化物和稀土氧化物中的一种或多种的混合物。所述氮化物选自纳米氮化硅镁、纳米氮化铝、纳米氮化硼、有规则取向结构的纳米氮化硅、纳米氮化钒和纳米氮化钛中的一种或者几种的混合物。

当所述纳米散热层的材料为水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体的混合物时，水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体的重量比为100：0.3～3.5。

所述微纳米散热粉体优选是经过表面改性处理的。

本发明提供的LED灯，含有上述热管。

本发明的有益效果：本发明的热管的管壳涂覆有纳米散热层，其散热层可提高LED灯的散热性能，较现有的用于LED灯的热管而言，本发明的热管导热率提高40倍以上，其用于大功率LED灯时可明显提高灯具的使用寿命。另外，本发明热管的管壳上涂覆的纳米散热层具有耐酸、碱、盐的防腐性能，采用GB/T1763-89标准检测方法对涂覆有纳米散热层的热管进行检测，分别将其浸于10%硫酸、10%的氢氧化钠溶液和30g/L的盐水中30d，不起泡、不变色、不脱落、无锈蚀。

附图说明

图1是本发明的LED灯的主视图。

图2为本发明的LED灯的内部结构示意图。

图3为本发明的光源、灯台以及热管之间的放大结构示意图。

图4为本发明的热管的壁部结构示意图。

附图标记：1第一散热体、2上下壳体扣锁、3第二散热体、4下壳体、5玻璃罩、10热管、11管壳、12LED光源、13、散热器、16灯台、110普通材质层、120纳米散热层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

本发明以具有两级散热的LED灯具为例加以说明，具体结构说明如下：

如图1所示，本发明的模组型两级散热LED路灯灯具，包括灯壳体、LED光源、玻璃罩5，其中灯壳体是在下壳体4上设置有第一散热体1和第二散热体（上壳体）3的结构，2为下壳体4与上壳体3的锁定结构（上下壳体扣锁）。LED光源12通过设在光源底部的热管10与第一散热体1连接构成一级散热，另外，LED光源12通过灯台16与第二散热体3连接形成二级散热。

热管10与灯台16均为将热源12的热传递到第一散热体1和第二散热体3的中间桥梁，如图所示，两个灯台中，共计6根热管，其中有4根热管与光源12（实际为承载光源12的基板）直接相切。即承载光源12的基板不仅与热管10的一部分相接触，还与灯台16直接接触。另外热管10的另一端插到散热器13的圆孔中。

热管10的管壳11包括普通材质层110和纳米散热层120，该纳米散热层120形成于普通材质层110的外表面。

普通材质层110一般为铜，也可根据不同需要采用不同的材料，如铝钢、碳钢、不锈钢、铁镍钛等及其合金或导热性高分子材料，也可以为木材、塑料等。

此外，作为纳米散热层120的材料，可以是水性有机－无机杂化树脂，还可以是微纳米散热粉体，也可以是二者的混合物。下面对其一一进行论述。

用作涂层的有机-无机杂化树脂，可以是代表无机部分的金属烷氧化物如硅烷氧化物、锆烷氧化物、钛烷氧化物等，和纳米溶胶；以及代表有机部分的带有功能团的三烷氧基硅烷通过水解和缩合制得的水性有机-无机杂化树脂，GPC（凝胶渗透色谱)测试该水性有机-无机杂化树脂的数均分子量为1000～30000，固含量为45-55%，所述金属烷氧化物、纳米溶胶与所述带有功能团的三烷氧基硅烷的重量比为1:1～5:2～10。

所述金属烷氧化物中的烷基可以是C_1-8烷基，金属可以是硅、钛、锆、铝。比如，所述硅烷氧化物可以是正硅酸乙酯；所述锆烷氧化物可以是锆酸正丙酯；所述钛烷氧化物可以是钛酸四丁酯。

所述纳米溶胶可以是纳米钛溶胶、纳米硅溶胶、纳米铝溶胶和纳米锆溶胶中的一种或多种。优选二氧化钛、二氧化硅、二氧化铝或纳二氧化锆的质量百分比浓度为20-40%。

所述带有功能团的三烷氧基硅烷可以是甲基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和三甲基一乙氧基硅烷中的一种或多种。

上述水性有机-无机杂化树脂的制备方法如下：

（1）纳米溶胶的制备：将市售纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米二氧化铝或纳米二氧化锆粉体通过超声波分散于有机溶剂中形成相应的纳米溶胶；

（2）水性有机-无机杂化树脂的制备：按上述配比将金属烷氧化物和带有功能团的三烷氧基硅烷混合均匀，然后按上述配比将纳米溶胶匀速加入，溶液变混浊，继续搅拌同时滴加磷酸作为催化剂，直至溶液透明，从而得到有机-无机杂化树脂。

下面列举几个例子。

实施例1

步骤一，将市售纳米二氧化钛粉体（粒径30nm）通过超声波分散于乙酸丁酯中形成质量百分比浓度为30%的硅溶胶；

步骤二，将30mLγ-氨丙基三乙氧基硅烷与5mL份正硅酸乙酯通过磁力搅拌混合均匀，然后将15mL份步骤一制得的钛溶胶匀速加入，溶液变混浊，继续搅拌同时滴加0.2mL磷酸作为催化剂，溶液透明，从而得到水性有机-无机杂化树脂。GPC测试该水性有机-无机杂化树脂的数均分子量为11400，固含量为50%。

实施例2

步骤二，将20mL甲基三乙氧基硅烷与5mL份正硅酸乙酯通过磁力搅拌混合均匀，然后将15mL份步骤一制得的硅溶胶匀速加入，溶液变混浊，继续搅拌同时滴加0.1mL磷酸作为催化剂，溶液透明，从而得到水性有机-无机杂化树脂。GPC测试该水性有机-无机杂化树脂的数均分子量为3400，固含量为45%。

作为微纳米散热粉体之一，可以是金属或者非金属的碳化物，比如纳米碳化钨。当然也可以是碳化硅、碳化锆、碳化铝或碳化钛等其它金属或者非金属的纳米碳化物。

之所以选中碳化钨作为微纳米散热粉体，是因为：与钢铁材料相比，碳化钨硬质合金具有特殊的化学及物理性能，例如，碳化钨的导热性比钢铁材料高2～4倍，且其具有与高速钢相等的高强度及高韧性，而且在600℃时，其高温硬度仍超过高速钢的常温硬度，1000℃时仍超过碳钢的常温硬度。

单个碳化钨颗粒只有10～100nm左右，BET表面积1～50m²/g，非常有助于提高其散热性能，特别是其作为填料来加入到上述杂化树脂构成的涂层中时，能够充分利用纳米功能填料的体积效应来填充常规涂层无法避免的结构孔（孔径在1nm以上），形成无孔的致密层，杜绝各种腐蚀介质的渗入，实现散热与防腐的一体化。

作为碳化钨的制备方法：工业上常用的有用钨元素和碳元素直接反应，或者三氧化钨与碳在惰性气氛中反应，也可以采用利用钨酸基无机－有机混杂层状化合物为单源前驱物制备碳化钨纳米粉体的制备方法（中国专利CN101780982B）。

作为微纳米散热粉体，还可以是金属或非金属氧化物，比如氧化硼、氧化钠、氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化钙、过渡金属氧化物或稀土氧化物中的一种或多种的混合物。

作为微纳米散热粉体，还可以是金属或非金属氮化物，比如纳米氮化硅镁、纳米氮化铝、纳米氮化硼、纳米氮化硅（有规则取向结构）、纳米氮化钒或纳米氮化钛等多种超高导热填料中的一种或者几种的混合物。经研究，这些微纳米散热粉体均为高导热绝缘复合粉体。

使用多种氮化物的混合物作为散热粉体时，可以根据每种材料的粒径和形态、表面易润湿性、掺杂分数、自身导热性能的不同，使用粒径不同的粒子，让填料间形成最大的堆砌度，使体系中的导热网络最大程度上形成而达到有效的热传导（也即形成几乎无孔的致密层），获得高导热体系，导热系数甚至可达到400W/MK以上，而且绝缘性很好，电阻率在10的16次方以上，且可耐1800度高温。非常适合用于大功率LED灯的散热。

当作为纳米散热层120的材料是上述水性有机－无机杂化树脂和上述微纳米散热粉体的混合物时，上述水性有机－无机杂化树脂固体物和上述微纳米散热粉体的重量比为100：0.3～3.5，优选为100：1。

另外，可以对所述微纳米散热粉体进行表面改性处理，从而引入有机反应官能团，这样的话，一方面可以提高微纳米散热粉体在涂层材料中的分散性，另一方面在成膜过程中使被引入的有机反应官能团与树脂发生化学接枝反应，从而提高散热层致密性、硬度、抗冲击以及与底材的附着力。比如上述氮化物，如果经过特殊表面处理，引入有机反应官能团后，其表面含氧量极低，从而可以成功的应用到环氧树脂、聚氨酯、导热硅胶、导热硅脂、塑料中，由于其导热性能极强，一般添加比例为1%（质量比）左右，即可使高分子树脂达到3W左右的导热系数。

下面列举微纳米散热粉体表面改性的一个例子。

实施例3二氧化硅粉体改性

正硅酸乙酯溶解于一定量的无水乙醇中，再向体系中加入定量的1mol/L的盐酸，调节pH值为2，然后按照正硅酸乙酯：γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷为1：4（摩尔比）向反应体系中加入γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷以及计量的蒸馏水，78℃下反应6h；反应结束后，将副产物抽去，将反应体系密封陈化，得到均质透明的改性二氧化硅溶胶。

另外，根据上述论述可知，作为本发明图3中的热管10的管壳11，也可以只包括普通材质层110，只不过该普通材质层110是由参杂有0.5-3wt%的上述氮化物、氧化物和者碳化物者中的一种或多种的塑料形成，而普通的塑料因为添加有上述添加物，所以其导热率从原来的0.1提高到2.0，导热率提高了20倍。实现了既能导热又减轻LED路灯的重量的作用。

作为将散热纳米粉体材料涂布到热管管壳上去的方法，可以通过喷涂的方法，也可以通过电泳的方法（CN102181212A），也可以是熔射法等各种方法。

纳米碳化钨可添加于陶瓷或者高分子材料等粘结剂或稳固剂中，混合后涂覆在该普通材质层110的外壁表面。

另外，上述纳米散热涂层除了形成于热管外，还可以在上下壳体上形成。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种热管，包括管壳，所述管壳，包括普通材质层和纳米散热层，所述纳米散热层形成于普通材质层的外表面，

所述普通材质层的材质选自铜、铝钢、碳钢、不锈钢、铁镍钛合金和导热性高分子材料中的一种，

所述纳米散热层的材料是水性有机－无机杂化树脂、或者是水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体，

其特征在于，所述水性有机－无机杂化树脂以金属烷氧化物和纳米溶胶为无机前驱体，以带有功能团的三烷氧基硅烷为有机前驱体，在特定条件下经水解和缩合而形成的；其中，所述水性有机－无机杂化树脂的数均分子量为1000～30000，固含量为45-55%，所述金属烷氧化物、纳米溶胶与所述带有功能团的三烷氧基硅烷的重量比为1:1～5:2～10。

2.根据权利要求1所述的热管，其特征在于，所述金属烷氧化物中的烷基为C1-8烷基，金属为钛、锆或铝；所述纳米溶胶是纳米钛溶胶、纳米硅溶胶、纳米铝溶胶和纳米锆溶胶中的一种或多种；所述带有功能团的三烷氧基硅烷是甲基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和三甲基一乙氧基硅烷中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的热管，其特征在于，所述金属烷氧化物是锆酸正丙酯和/或钛酸四丁酯。

4.根据权利要求1所述的热管，其特征在于，所述纳米散热层的材料是水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体时，所述微纳米散热粉体为金属或者非金属的碳化物、金属或非金属的氧化物、以及金属或非金属的氮化物中的一种或多种的混合物；其中，所述碳化物选自纳米碳化钨、碳化硅、碳化锆、碳化铝和碳化钛中的一种或者多种的混合物；所述氧化物选自氧化硼、氧化钠、氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化钙、过渡金属氧化物和稀土氧化物中的一种或多种的混合物；所述氮化物选自纳米氮化硅镁、纳米氮化铝、纳米氮化硼、有规则取向结构的纳米氮化硅、纳米氮化钒和纳米氮化钛中的一种或者多种的混合物。

5.根据权利要求4所述的热管，其特征在于，所述微纳米散热粉体是经过表面改性处理的。

6.根据权利要求1所述的热管，其特征在于，所述纳米散热层的材料是水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体时，所述纳米散热层的材料中的水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体的重量比为100：0.3～3.5。

7.根据权利要求6所述的热管，其特征在于，所述纳米散热层的材料中的水性有机－无机杂化树脂和微纳米散热粉体的重量比为100：1。

8.一种LED灯，其特征在于，包含权利要求1-7任一所述的热管。