CN100590353C - 耦合高效率均热/散热模块的高功率丛集发光二极管照明设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管照明设备。本发明的发光二极管照明设备包括一散热板元件、多个散热鳍片、多个二极管发光装置以及多个高导热系数的条形导热元件。该等散热鳍片自该散热板元件的表面处延伸。借由将该等导热元件紧密贴合在该散热板元件的表面上并且安置在该等散热鳍片之间，每一个二极管发光装置在运作过程中所产生的热均由该等导热元件高效率热传导作用而将热均匀分布在该散热板元件以及该等散热鳍片上，并且随后消散，致使该等二极管发光装置皆有一致性的结温，以确保其发光二极管芯片发光性能以及寿命的一致性。

Description

耦合高效率均热/散热模块的高功率丛集发光二极管照明设备

技术领域

本发明关于一种发光二极管照明设备(Light-emitting diode illuminatingequipment)，并且特别地，本发明关于一种高功率、高散热效率并且均匀分布热的结构的发光二极管照明设备。

背景技术

由于发光二极管(Light emitting diode，LED)具有如省电、耐震、反应快以及适合量产等许多优点。因此，目前以发光二极管为光源的照明设备持续被研究、发展。现有的高功率的发光二极管在持续发亮一段时间后，会有温度过高的问题，使得发光二极管本身的发光效率下降，造成亮度无法提升。因此，各种应用高功率的发光二极管的产品皆需要良好的导热、散热机制。此外，传统应用多个发光二极管的照明设备，其在运作过程热会分布不均，致使照明设备内那些长期受到热侵袭(Heat impact)的发光二极管其光电效能会因结温(Junction temperature)过高而率先衰退(Decay)，进而造成发光效率下降。此外，若照明设备散热不均，将使该照明设备内的每一个发光二极管寿命不均，间接影响照明设备整体的照明亮度。

针对此散热问题，目前有一种利用散热鳍片散热的方法。请参阅图1A，图1A为该方法的装置1示意图。该装置1包括一散热板元件(Heat-dissipatingplate device)11、多个散热鳍片(Heat-dissipating fin)12以及多个二极管发光装置(Diode light-emitting apparatus)13。该散热板元件11具有一第一表面112以及一为该第一表面112的反面的第二表面114。该散热板元件11该等二极管发光装置13设置在该第一表面112上。该等散热鳍片12成形于该第二表面114上。因此，每一个二极管发光装置13在运作过程中所产生的热由该散热板元件11以及该等散热鳍片12散热。为使均匀散热，该等散热鳍片12未端至该第二表面114的距离并不相同。如图1A所示，中间部分的散热鳍片12较长，其可较旁边部分的散热鳍片12散较多的热。此目的是要避免热点(Hot spot)产生，致使受到热侵袭的二极管发光装置13其光电效能会率先衰退，进而造成发光效率下降。然而，仅以该等散热鳍片12仍无法十分均匀散热，其温差程度可能达百分之十以上，并且散热效率亦不佳，致使仍有热点产生，前述问题仍未解决。

另一种解决方法利用蒸气腔体散热器(Vapor chamber)来散热。请参阅图1B，图1B为该方法的装置2示意图。该装置2包括一散热板元件21、多个散热鳍片22、多个二极管发光装置23以及一蒸气腔体散热器24。该散热板元件21具有一第一表面212以及一为该第一表面212的反面的第二表面214。该蒸气腔体散热器24设置在该第一表面212上。该散热板元件21该等二极管发光装置23设置在该蒸气腔体散热器24上。该等散热鳍片22成形于该第二表面214上。相较于前一种装置1，虽然该装置2解决了该等二极管发光装置23的温度分布不均的问题，但该蒸气腔体散热器24成本过高制作不易，使得该装置2不利于应用。

因此，有必要提供一种具高功率、高散热效率以及均匀散热的发光二极管照明设备。

发明内容

本发明的一范畴在于提供一种具高功率、高散热效率以及均匀散热的发光二极管照明设备。

根据一较佳具体实施例，本发明的发光二极管照明设备包括一散热板元件、多个散热鳍片、N个第一二极管发光装置、M个第二二极管发光装置以及多个高导热系数的条形导热元件(Heat-conducting device)。N为一大于或等于3的整数。M为一自然数。该散热板元件具有一第一表面以及一为该第一表面的反面的第二表面。该等散热鳍片自该散热板元件的第二表面处延伸。该N个第一二极管发光装置设置在该散热板元件的第一表面上并且围成一区域。该等第一二极管发光装置中的每一个第一二极管发光装置将一电能(Electric energy)转换成一第一光线(Light)。该M个第二二极管发光装置设置在该散热板元件的第一表面上并且排列在该区域内。该等第二二极管发光装置中的每一个第二二极管发光装置将该电能转换成一第二光线。该等高导热系数的条形导热元件紧密贴合在该散热板元件的第二表面上并且安置在该等散热鳍片之间，致使于每一个第一二极管发光装置以及每一个第二二极管发光装置在运作过程中所产生的热均匀分布在该散热板元件以及该等散热鳍片上，并且随后由该散热板元件以及该等散热鳍片散热，导致第一表面上该等二极管发光装置皆有一致性的结温，以确保其发光二极管芯片的发光性能以及寿命的一致性。

因此，本发明的发光二极管照明设备具有高功率、高散热效率特性，并且能使热均匀分布以维持二极管发光装置的发光性能以及寿命的一致性。

关于本发明的优点与精神可以借由以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1A为利用散热鳍片散热的方法的装置示意图。

图1B为利用蒸气腔体散热器的方法的装置示意图。

图2示出根据本发明的一第一较佳具体实施例的发光二极管照明设备。

图3为沿图2中X-X线的剖面图。

图4为该较佳具体实施例的二极管发光装置配置示意图。

图5示出根据本发明的一第二较佳具体实施例的发光二极管照明设备的剖面图。

主要元件符号说明

1：发光二极管照明设备    2：发光二极管照明设备

3：发光二极管照明设备    11：散热板元件

12：散热鳍片             13：二极管发光装置

21：散热板元件           22：散热鳍片

23：二极管发光装置       24：蒸气腔体散热器

31：散热板元件           32：散热鳍片

33：第一二极管发光装置   34：第二二极管发光装置

35：高导热系数的条形导热元件

36：罩体元件             37：绝热环

38：密封空间             112：第一表面

114：第二表面            212：第一表面

214：第二表面            312：第一表面

314：第二表面            S：区域

具体实施方式

请参阅图2以及图3，图2示出根据本发明的一第一较佳具体实施例的发光二极管照明设备。图3为沿图2中X-X线的剖面图。根据该第一较佳具体实施例，本发明的发光二极管照明设备3包括一散热板元件31、多个散热鳍片32、N个第一二极管发光装置33、M个第二二极管发光装置34、多个高导热系数的条形导热元件35、一罩体元件(Shield device)36和一绝热环(Heat-isolating ring)37。N为一大于或等于3的整数。M为一自然数。

该散热板元件31具有一第一表面312以及一为该第一表面312的反面的第二表面314。该等散热鳍片32自该散热板元件31的第二表面314处延伸。该散热板元件31具有N个形成在该第一表面312上的第一凹穴(Cavity)3122以及M个形成在该第一表面312上的第二凹穴3124。每一个第一二极管发光装置33对应该N个第一凹穴3122中一个第一凹穴3122，设置在该对应的第一凹穴3122内，并且围成一区域S(未显示于图2中)。每一个第二二极管发光装置34对应该N个第二凹穴3124中一个第二凹穴3124，设置在该对应的第二凹穴3124内，并且排列在该区域S内。该等高导热系数的条形导热元件35紧密贴合在该散热板元件31的第二表面314上并且安置在该等散热鳍片32之间。

该等第一二极管发光装置33中的每一个第一二极管发光装置33将一电能(Electric energy)转换成一第一光线(Light)。该等第二二极管发光装置34中的每一个第二二极管发光装置34将该电能转换成一第二光线。并且，该N个第一二极管发光装置33中的一个第一二极管发光装置33包括至少一个发光二极管芯片(Light-emitting diode chip)或至少一个激光二极管芯片(Laserdiode chip)。该M个第二二极管发光装置34中的一个第二二极管发光装置34包括至少一个发光二极管芯片或至少一个激光二极管芯片。

该罩体元件36以该绝热环37与该散热板元件31的一周围衔接，以形成一容纳该等第一二极管发光装置33以及该等第二二极管发光装置34的密封空间(Sealed space)38。该罩体元件36具有一透明罩(Transparent shield)可使由每一个第一二极管发光装置33以及每一个第二二极管发光装置34发射出的光线穿透。

因为该等高导热系数的条形导热元件35紧密贴合在该散热板元件31的第二表面314上并且安置在该等散热鳍片32之间，所以每一个第一二极管发光装置33以及每一个第二二极管发光装置34在运作过程中所产生的热可均匀分布在该散热板元件31上，并且随后由该散热板元件31以及该等散热鳍片32散热。每一个高导热系数的条形导热元件35可为一热管(Heat Pipe)或一蒸气腔体散热器。

须注意的是，该等第一二极管发光装置33围成的该区域S呈现一凸面形，并且该等第一二极管发光装置33在该区域S的边界，而该等第二二极管发光装置34则落于该区域S中，形成丛集的配置，如图4所示。在此种情形，虽然可使整个照明亮度增加，但是在该区域S中的该等第二二极管发光装置34因周围也有其他热源，也就是其他的二极管发光装置33、34，容易形成热点造成该等第二二极管发光装置34的芯片结温过高而使寿命缩短，影响发光效率，间接地影响该发光二极管照明设备3的照明亮度。然而，根据该第一较佳具体实施例，本发明的发光二极管照明设备3是直接将该等二极管发光装置33、34置于该散热板元件31的第一表面312上，增加热传导效率。此外，该发光二极管照明设备3将该等高导热系数的条形导热元件35紧密贴合在该散热板元件31的第二表面314上并且安置在该等散热鳍片32之间，使热均匀散布，并且使得热得以迅速地由该散热板元件31以及该等散热鳍片32散热出去。

根据该第一较佳具体实施例，该发光二极管照明设备3进一步包括一电路板。该电路板固定在该第一表面312上并且具有多个焊垫(Bond pad)以及多个孔洞(Hole)，其中该等第一二极管发光装置33以及该等第二二极管发光装置34中的每一个二极管发光装置33、34对应该等孔洞中的一个孔洞并且穿过孔洞设置在该散热板元件31的第一表面312上，并且该等焊垫是用以提供该等第一二极管发光装置33以及该等第二二极管发光装置34中的每一个二极管的电极接线之用。

该发光二极管照明设备3进一步包括一控制电路(Control circuit)。该控制电路分别地电性连接至该等第一二极管发光装置33以及该等第二二极管发光装置34，并且用以控制该等第一二极管发光装置33以及该等第二二极管发光装置34的发光。其中该控制电路可设置在该密封空间38内，或是在该密封空间38外。

请参阅图5，图5示出根据本发明的一第二较佳具体实施例的发光二极管照明设备的剖面图。根据该第二较佳具体实施例，本发明的发光二极管照明设备4包括一散热板元件41、多个散热鳍片42、N个二极管发光装置43、多个导热元件44、一罩体元件45和一绝热环46。N为一大于或等于3的整数。

该散热板元件41具有一第一表面412以及一为该第一表面412的反面的第二表面414。该等散热鳍片42自该散热板元件41的第二表面414处延伸。该散热板元件41具有N个形成在该第一表面412上的第一凹穴4122。每一个二极管发光装置43对应地设置在一凹穴4122内。该导热元件44紧密贴合在该散热板元件41的第二表面414上并且安置在该等散热鳍片42之间。并且，该N个二极管发光装置43中的一第三二极管发光装置43包括一发光二极管芯片或至少一个激光二极管。

该罩体元件45以该绝热环46与该散热板元件41的一周围衔接，以形成一容纳该N个二极管发光装置43的密封空间47。该罩体元件45具有一透明罩可使由该N个二极管发光装置43发射出的光线穿透。

因为该等导热元件44紧密贴合在该散热板元件41的第二表面414上并且安置在该等散热鳍片42之间，所以每一个二极管发光装置43在运作过程中所产生的热可均匀分布在该散热板元件41上，并且随后由该散热板元件41以及该等散热鳍片42散热。该等导热元件44中的一个导热元件44可为一热管或一蒸气腔体散热器。并且，当该N个二极管发光装置43中的一第一二极管发光装置43与一第二二极管发光装置43以电流驱动发光时，该第一二极管发光装置43以及该第二二极管发光装置43的温度差可控制在一定的范围内。该范围的决定是由该等导热元件44如何布置于该散热板元件41的第二表面414上决定。在一般的情况下，可控制在10℃左右以内；若配合散热模拟，更可控制在5℃或更小的温度范围内。

值得一提的是，根据该第二较佳具体实施例，发光二极管芯片的温度控制影响其发光性及寿命，并且温度控制的检验需要依赖温度测量，然而芯片实际的结温并不容易以目前的技术测量，为了温度控制的实施可行性，本发明中该N二极管发光装置的表面温度可以为封装后的表面温度、或是二极管发光装置与散热板元件41的接面温度。其次，该N二极管发光装置封装后的表面温度亦可使用热电偶、红外线或其他可直接或间接测量得该表面温度的装置。此外，替代结温的温度不限以二极管发光装置的表面，其他与结温有直接或间接相关关系的温度亦可；若允许的话，在发光二极管的制程中可加入温度测量线路亦是可行的。

根据该第二较佳具体实施例，该发光二极管照明设备4进一步包括一电路板。该电路板固定在该第一表面412上并且具有多个焊垫以及N个孔洞，其中每一个二极管发光装置43一个孔洞，并且该等焊垫是用以提供该N个二极管发光装置43导电之用。

该发光二极管照明设备4进一步包括一控制电路(Control circuit)。该控制电路分别地电性连接该N个二极管发光装置43，并且用以控制该N个二极管发光装置43发光。其中该控制电路可设置在该密封空间47内，或是在该密封空间47外。

因此，根据该等较佳具体实施例，本发明的发光二极管照明设备不但具有高功率照明，并且也有高效率的均热以及散热，并且该等二极管发光装置皆有一致性的结温，其温差可控制在一定的范围内，以确保其发光二极管芯片的发光性能以及寿命的一致性。

此外，该等高导热系数的条形导热元件35、44在该散热板元件31、41的第二表面上314、414的配置不限图中所示。其配置应依实际产品来设计。因此该等高导热系数的条形导热元件35、44呈现辐射状或是依实验而得的特定形状均有可能。

借由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明的范畴内。

Claims (18)

1.一种发光二极管照明设备，包括：

一散热板元件，该散热板元件具有一第一表面以及一为该第一表面的反面的第二表面；

多个散热鳍片，该等散热鳍片自该散热板元件的第二表面处延伸；

N个第一二极管发光装置，N为一大于或等于3的整数，该N个第一二极管发光装置设置在该散热板元件的第一表面上并且围成一区域；

M个第二二极管发光装置，M为一自然数，该M个第二二极管发光装置设置在该散热板元件的第一表面上并且排列在由该N个第一二极管发光装置所围成的区域内；

多个高导热系数的条形导热元件，该等高导热系数的条形导热元件紧密贴合于该散热板元件的第二表面上并且位于该多个散热鳍片之间，每一个高导热系数的条形导热元件为一热管；以及

一罩体元件，与该散热板元件的周围接触，以形成一容纳该等第一二极管发光装置以及该等第二二极管发光装置的密封空间，该罩体元件具有一透明罩可使由每一个第一二极管发光装置以及第二二极管发光装置发射出的光线穿透，该透明罩呈平板状。

2.根据权利要求1所述的发光二极管照明设备，其中每一个热管安置在该等散热鳍片的其中两个散热鳍片之间。

3.根据权利要求1所述的发光二极管照明设备，其中该散热板元件具有N个形成在该第一表面上的第一凹穴以及M个形成在该第一表面上的第二凹穴，每一个第一二极管发光装置对应该N个第一凹穴中一个第一凹穴并且设置在该对应的第一凹穴内，每一个第二二极管发光装置对应该M个第二凹穴中一个第二凹穴并且设置在该对应的第二凹穴内。

4.根据权利要求1所述的发光二极管照明设备，其中该N个第一二极管发光装置中的一个第一二极管发光装置包括至少一个发光二极管芯片或至少一个激光二极管芯片，并且该M个第二二极管发光装置中的一个第二二极管发光装置包括至少一个发光二极管芯片或至少一个激光二极管芯片。

5.根据权利要求4所述的发光二极管照明设备，进一步包括一电路板，该电路板固定在该第一表面上，该电路板具有多个焊垫以及多个孔洞，其中该等第一二极管发光装置以及该等第二二极管发光装置中的每一个二极管发光装置对应该等孔洞中的一个孔洞并且穿过孔洞设置在该散热板元件的第一表面上，并且该等焊垫是用以提供该等第一二极管发光装置以及该等第二二极管发光装置中的每一个二极管的电极接线之用。

6.根据权利要求1所述的发光二极管照明设备，其中一绝热环设置于该罩体元件与该散热板元件的该周围之间。

7.根据权利要求1所述的发光二极管照明设备，进一步包括一控制电路，该控制电路分别地电性连接该等第一二极管发光装置以及该等第二二极管发光装置，用以控制该等第一二极管发光装置以及该等第二二极管发光装置的发光。

8.根据权利要求7所述的发光二极管照明设备，其中该控制电路设置在该密封空间内。

9.根据权利要求7所述的发光二极管照明设备，其中该控制电路设置在该密封空间外。

10.一种发光二极管照明设备，包括：

一散热板元件，该散热板元件具有一第一表面以及一第二表面；

多个散热鳍片，该等散热鳍片自该散热板元件的第二表面处延伸；

N个二极管发光装置，N为一大于或等于3的整数，该N个二极管发光装置以二维分布设置在该散热板元件的第一表面上；

多个导热元件，该多个导热元件贴合在该散热板元件的第二表面上并且位于该多个散热鳍片之间，其中该N个二极管发光装置中的一第一二极管发光装置与一第二二极管发光装置发光时，该第一二极管发光装置与该第二二极管发光装置的温度差小于10℃，所述多个导热元件中的一个为一热管；以及

一罩体元件，与该散热板元件的周围衔接，以形成容纳该N个二极管发光装置的一密封空间，该罩体元件具有一透明罩可使由该N个二极管发光装置发射出的光线穿透，该透明罩呈平板状。

11.根据权利要求10所述的发光二极管照明设备，该散热板元件在该第一表面上包括N个凹穴，其中每一个二极管发光装置对应地设置在一凹穴内。

12.根据权利要求10所述的发光二极管照明设备，其中该N个二极管发光装置中的一个二极管发光装置包括一发光二极管芯片或一激光二极管芯片。

13.根据权利要求12所述的发光二极管照明设备，进一步包括一电路板，该电路板具有多个焊垫以及N个孔洞，其中每一二极管发光装置对应一个孔洞，且该等焊垫是用以提供该N个二极管发光装置导电之用。

14.根据权利要求10所述的发光二极管照明设备，其中一绝热环设置于该罩体元件与该散热板元件的该周围之间。

15.根据权利要求10所述的发光二极管照明设备，进一步包括一控制电路，该控制电路分别地电性连接该N个二极管发光装置，用以控制该N个二极管发光装置发光。

16.根据权利要求15所述的发光二极管照明设备，其中该控制电路设置在该密封空间内。

17.根据权利要求15所述的发光二极管照明设备，其中该控制电路设置在该密封空间外。

18.根据权利要求10所述的发光二极管照明设备，该每一导热元件贴合在该散热板元件的第二表面上并且安置在该等散热鳍片的其中两个散热鳍片之间。

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