CN101021304A - 高功率发光二极管电灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率发光二极管电灯，包括一灯罩，其具有一可透光区域及一腔室；一高功率发光二极管光源装置，以发射光线，该光源装置具有一导热装置，该导热装置有一部分在该腔室中；以及一可透光的液体，填充在该腔室内接触该导热装置，以帮助该导热装置散热、扩增该电灯可照明的角度及提高其照明亮度。

Description

高功率发光二极管电灯

技术领域

本发明涉及一种电灯，特别是关于一种照明用途的高功率发光二极管电灯。

背景技术

发光二极管(LED)因为寿命长、省电及无废弃物造成环境污染等符合环保的优点，已广泛使用于装饰灯(例如水底灯)及指示灯(例如交通信号灯)，但由于单位输出功率下产生的发光亮度不足、散热效率不佳以及照明角度不足等问题，使得LED无法适用在照明的用途上。随着白光LED的改进，在单位输出功率下产生的发光亮度逐步提升，解决了亮度不足的问题，具有发光亮度超越传统白炽热灯泡发光亮度(301m/W)的白光LED已经商品化，要产出超越日光灯发光亮度(1001m/W)的商品化白光LED也是指日可待，因此，散热效率不佳及照明角度不足是目前LED应用于照明用途上的主要问题。

图1显示一典型的低功率LED100，其包括一环氧树脂透光镜片110覆盖一半导体芯片102，正极接脚106与负极接脚108经电极连接金线104连接至半导体芯片102。由于低功率LED100在工作时产生的热量小，经正极接脚106与负极接脚108将热量传导至印刷电路板(图中未示)上的铜箔达到的热传导扩散效果已足够帮助LED100散热，因此不需考虑散热的问题。此种低功率LED100主要应用于装饰灯及指示灯，其消耗功率小于0.3至0.4瓦特(W)。图2显示一公知的低功率LED电灯112，其包括一灯泡标准接头120与一外壳122接合在一起，一印刷电路板(PCB)116在外壳122中，数个低功率LED100固定在PCB116上，一灌胶层114填充在PCB116与低功率LED100之间，用来避免低功率LED100因为曝露于外在的环境而损坏，以及一电源转换驱动模块118连接在PCB116与灯泡标准接头120之间，用来驱动低功率LED100。在低功率LED电灯112中，每一个低功率LED100产生的热量经PCB116中的铜箔传导扩散，不需要额外的散热装置。外壳122的材料为金属或塑胶，当外壳122为金属材质时，大多是为了满足结构强度上的需求，而非导热或散热上的需求。

图3显示一公知的高功率LED124，其中正极接脚138与负极接脚140经电极连接金线132与133连接至半导体芯片130，并由一封装树脂128固定在一散热垫片136上，此结构容置于一塑胶外壳134中，以及一光学镜片126覆盖在封装树脂128上并与塑胶外壳134嵌合在一起。此种高功率LED124的消耗功率大于0.4W，且由于其在工作时产生的热量大，因此在使用上需考虑散热的问题，以避免高功率LED124因为过热而损坏。图4显示一种帮助高功率LED124散热的结构142，其包括一金属心塑胶电路板(MCPCB)144与散热垫片136贴合，以及一散热鳍片146贴合金属心塑胶电路板(MCPCB)144。高功率LED124工作时产生的热量经散热垫片136传导至MCPCB144，再传导至散热鳍片146，在此因为空气的自然对流而将热量散逸至空气中。散热垫片136的材料具有良好的导热性，这些材料有金属、石墨、碳素纤维、陶瓷或其复合材料。图5显示一公知的前散热式高功率LED电灯148，其包括由高导热金属制成的反射杯150，其外部具有环状的散热鳍片158，玻璃或塑胶制成的光学镜片152固定在反射杯150的杯口上，一高功率LED124安置在反射杯150的底部，以及一电源转换驱动模块154连接在高功率LED124与灯泡标准接头156之间，用来驱动高功率LED124。高功率LED124产生的光线在反射杯150中反射后穿过光学镜片152成为投射光，而高功率LED124产生的热量经反射杯150传导至散热鳍片158并由空气的自然对流而散逸。在此高功率LED电灯148中，虽然散热鳍片158增加了对流散热的面积，但是热传导的路径长，高功率LED124产生的热量无法迅速传导至散热鳍片158，容易导致高功率LED124过热。为解决此过热的问题，发展出背散热式的灯体结构，如图6所示，一背散热式高功率LED电灯160包括一光学镜片162覆盖在高功率LED124上，以及一热导管(heat pipe)164连接在高功率LED124与电源转换驱动模块168之间，热导管164上具有许多散热鳍片166，电源转换驱动模块168具有一对电源输入端170。高功率LED124工作时产生的热量直接进入热导管164，再由散热鳍片166通过空气的自然对流散热。由于热量的传导路径短，热导管164能迅速地将高功率LED124产生的热量经散热鳍片166发散出去，不过这种背散热式电灯160必须在具有良好空气流通的环境下，才能使散热鳍片166达到较佳的自然对流散热效果。当背散热式高功率LED电灯160应用于照明用途时，例如嵌入式或吸顶式(繫顶式)灯具，其装设的环境并不具有良好的空气流通，因而导致散热效果大幅下降。图7为背散热式高功率LED电灯160应用于嵌入式灯具的示意图，高功率LED电灯160位于一灯罩172中，灯罩172介于楼板174与天花板176之间。由于高功率LED电灯160包覆在灯罩172中，因此空气的对流受到灯罩172的限制，散热效果有限。图8为背散热式高功率LED电灯160应用于吸顶式灯具的示意图，高功率LED电灯160固定在楼板174与天花板176之间，因此其自然对流的散热效果受到楼板174与天花板176之间的狭小空间的限制。当吸顶式灯具的灯盏数量增加时，其累积的温升造成散热效果下降。此外，在热带或亚热带地区，天花板176与楼板174之间的空气温度常超过35℃，亦限制了高功率LED电灯160的散热效果。

热量的传递可以利用传导、对流及辐射等方式进行，但是前述的高功率LED电灯148及160仅利用高导热材料传导热量，以及增加发热体与空气接触的面积提高室温下的自然对流散热。以相同的散热面积而言，自然对流散热能够散掉的热量是强制对流散热(例如风扇)的1/4至1/10，而且为了达到理想的散热效能，自然对流散热的散热鳍片间隔通常较大，造成自然对流散热装置的体积相对于强制对流散热装置要庞大许多。至于强制对流散热则因考虑风扇的寿命及可靠度相对于高功率LED的长效可靠度而不可行，因此随着LED功率的逐渐提高以因应照明的实际需求，散热问题也变得更加棘手难解。

由于高功率LED的工作温度需低于120℃，以避免高功率LED因过热而损坏，而且高功率LED的发光亮度(流明值)及其使用寿命皆与工作温度成反比，因此如何提升高功率LED的散热效率以降低其工作温度，成为高功率LED应用于照明用途上的基础。图9为高功率LED的发光亮度比率与工作温度的关系图，显示在理想状态下，高功率LED的工作温度必须低于80℃，以保持至少60％的发光亮度比率。图10为高功率LED的使用寿命与工作温度的关系图，显示在理想状态下，高功率LED的工作温度必须低于80℃，以保持至少30千小时(khr)的使用寿命。

高功率LED电灯148的另一项缺点是光损失高，这是因为高功率LED124发出的光线在反射杯150内多次反射后，有一部分无法成为投射光，而在光线穿透镜片152时，又有一部分被反射回到反射杯150内，因而造成高功率LED电灯148的有效光利用率降低。

图11为传统白炽热灯泡的配光曲线图，显示其发光亮度比率在60％以上的照明角度为280°，而图12为典型的高功率LED的配光曲线图，显示其发光亮度比率在60％以上的照明角度为110°，因此高功率LED应用于照明用途上的另一待解决的问题为照明角度不足，无法达到环境照明(ambient lighting)要求光线广泛而均匀的条件，亦即需在光学设计上，解决照明角度不足的问题，才能开创高功率LED应用于照明用途的新契机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种改善散热、增加照明角度及提高照明亮度的高功率LED电灯。

本发明的技术解决方案是：一种高功率发光二极管电灯，其包括：

一灯罩，具有一腔室，该灯罩有一可透光区域；

一高功率发光二极管光源装置，以发射光线，该光源装置具有一导热装置，且该导热装置有一部分在该腔室中；以及

一可透光的液体，填充在该腔室中与该导热装置接触，以帮助该导热装置散热，以及将该光线转变为照明用的光线。

本发明的特点和优点是：本发明的高功率发光二极管电灯的可透光的液体，填充在该腔室内接触该导热装置，可以帮助该导热装置散热、扩增该电灯可照明的角度及提高其照明亮度。在该高功率LED电灯中，该液体内的对流可以帮助该导热装置快速地发散热量，而且其成本仅为公知金属散热鳍片的1/5至1/10；该光线进入该液体后遭受的光扩散作用可以扩增照明的角度，该光线在该液体与灯罩之间的全反射可以达到良好的聚光效果及增加照明亮度，从而克服了现有技术的缺陷，不仅提供了一种应用于照明用途的低成本的高功率LED电灯，而且其还具有提高散热效果、增加照明角度、提高照明亮度的功效。

附图说明

图1为公知的低功率LED；

图2为公知的低功率LED电灯；

图3为公知的高功率LED；

图4为公知的高功率LED的辅助散热结构；

图5为公知的前散热式高功率LED电灯；

图6为公知的背散热式高功率LED电灯；

图7为公知的背散热式高功率LED电灯应用于嵌入式灯具的示意图；

图8为公知的背散热式高功率LED电灯应用于吸顶式灯具的示意图；

图9为高功率LED发光亮度比率与工作温度的关系图；

图10为高功率LED使用寿命与工作温度的关系图；

图11为传统白炽热灯泡的配光曲线图；

图12为典型高功率LED的配光曲线图；

图13为根据本发明的高功率LED电灯；

图14为图13的分解图；

图15为密封盖的剖面图；

图16为悬浮染料微粒辅助侧向照明的示意图；

图17为本发明应用于环境照明的一个实施例；

图18为本发明应用于环境照明的一个实施例；以及

图19为本发明应用于超高功率环境照明的一个实施例。

附图标号说明：

100  低功率LED       102  半导体芯片

104  电极连接金线    106  正极接脚

108  负极接脚        110  环氧树脂透光镜片

112  低功率LED电灯   114  灌胶层

116  PCB             118  电源转换驱动模块

120  灯泡标准接头    122  外壳

124  高功率LED       126  光学镜片

128  封装树脂        130  半导体芯片

132  电极连接金线    133  电极连接金线

134  塑胶外壳        136  散热垫片

138  正极接脚        140  负极接脚

142  散热结构        144  金属心塑胶电路板

146  散热鳍片        148  前散热式高功率LED电灯

150  反射杯          152  光学镜片

154  电源转换驱动模块156  灯泡标准接头

158  散热鳍片        160  背散热式高功率LED电灯

162  光学镜片        164  热导管

166  散热鳍片        168  电源转换驱动模块

170  电源输入端      172  灯罩

174  楼板            176  天花板

200  高功率LED电灯   202  灯罩

203  腔室                204  液体

206  高功率LED           207  高功率LED

208  封装胶层            210  金属心塑胶电路板

212  载具                214  定位环圈

216  密封盖              218  密封胶层

220  电源转换驱动模块    222  电源线

224  灯泡标准接头        226  电源线

228  反射区              230  投光区

232  斜面                234  凹槽

236  光线                238  染料微粒

240  高功率LED电灯       242  连络管

244  圆锥体载具          246  高功率LED电灯

248  电源供应装置        250  圆管型区段

252  反射杯              253  反射杯

254  高功率LED电灯       256  散热片

258  光学镜片            260  灯罩

262  散热鳍片            264  载具

具体实施方式

图13显示本发明的高功率LED电灯200，图14为其分解图。在高功率LED电灯200中，灯罩202具有一腔室203，其中注满可透光的液体204；一高功率LED光源装置包括例如消耗功率大于0.4W的LED206装设在具有电源线222的MCPCB210上，封装胶层208将高功率LED206及MCPCB210固定于一载具212中且形成水密结构；载具212的一端置入定位环圈214及密封盖216中；密封胶层218在密封盖216上封闭灯罩202的管口；以及一电源转换驱动模块220连接在该高功率LED光源装置与一灯泡标准接头224之间，由此，从电源线226引入的电源转换成直流定电流，经电源线222驱动该高功率LED206。密封盖216的剖面如图15所示，其具有斜面232及凹槽234，让密封胶层218达到较佳的密封效果。载具212由热良导体制成，当作导热装置使用，其有一部分在腔室203中与液体204接触，高功率LED206工作时产生的热量经MCPCB210传导至载具212，液体204的对流作用直接从载具212的表面快速且大量地移走热量，而灯罩202与环境空气之间的接触面积大，空气中的自然热对流帮助液体204散热，因此达到降低高功率LED206工作温度的目的。可以依照LED206的发热功率选用灯罩202，增加其与空气接触的表面积，而且灯罩202的平滑表面有利于空气的流通，达到快速散热的效果。由于液体204及灯罩202的折射率皆大于空气的折射率，当高功率LED206产生的光线穿过液体204及灯罩202向外照射时，在反射区228产生全反射的现象，因此不必在灯罩202的内壁上镀上反射薄膜或金属抛光镜面，即可使光线产生全反射，因而在投光区230产生聚光的效果。由于液体204的存在，高功率LED206与灯罩202之间无空气介质的干扰，减少内反射现象，增加照明的亮度。

灯罩202的材料可选用玻璃、塑胶或其他可透光的材料，载具212的材料可选用金属、石墨、碳素纤维、陶瓷或其复合材料或其他高导热性的材料，液体204可选用无色、无毒、低黏度的透明或半透明物，例如水、橄榄油、石蜡油或低黏度润滑油。在环境温度为-30℃至35℃的寒带地区，液体204可选用水为基础液体，并在其中添加甲醇、乙醇、乙二醇或其他防冻剂以防止水结冰。在环境温度为20℃至50℃的热带地区，液体204可选用油类为基础液体。

在不同的实施例中，液体204中可含有微量的染料，如图16所示，当光线236穿过液体204向外照射时，悬浮于液体中的染料微粒238使光线236产生反射与绕射现象，辅助侧向照明，扩大照明角度，同时可避免眼睛直视LED206时产生眩光刺眼的情形。添加在液体204中的微量染料可依不同的光线颜色选用不同的颜色，例如在白光及多彩变化光的照明用途上，选用白色染料，而在红、蓝、绿、橙、黄等其他光线颜色的应用时，则选用与LED206的光线颜色相同颜色的染料，以增艳丰富色光的显示。若高功率LED206产生的光线为紫外光，可在液体204中添加荧光粉或以荧光液作为液体204，利用荧光物质吸收紫外光后会释放出可见光的特性，配合不同的荧光粉或荧光液，成为发出不同颜色的荧光灯。在使用上，可依需求在液体204中添加界面活性剂，使染料或荧光粉能均匀分布在液体204中。

图13的电灯200可应用于聚光灯(投射灯)或环境照明。当电灯200应用于聚光灯时，液体204选用透明液体且不添加染料，灯罩202在反射区228的部分以反射性材料(例如金属)制成，或在该区域的内壁上镀上反射层，在投光区230以透光材料(例如玻璃或塑胶)制成。还可以在高功率LED206前增加光学镜片以引导光线。当电灯200应用于环境照明时，投光区230的投光角度设计为大于110°，同时灯罩202在反射区228及投光区230的部分皆以透光材料(例如玻璃或塑胶)制成，且在液体204中添加微量的染料，以辅助侧向照明，扩大照明角度。

图17为应用于环境照明的一个实施例，电灯240包括一灯罩202，其具有一腔室203注满可透光的液体204；光源装置包含数个高功率LED206固定在高导热性的圆锥体载具244上，一与圆锥体载具244接合的连络管242被定位环圈214固定住，圆锥体载具244连同高功率LED206位于灯罩202内；一密封盖216封闭灯罩202的管口；以及一电源转换驱动模块220连接在高功率LED206与一灯泡标准接头224之间，产生直流定电流经连络管242中的电源线驱动高功率LED206。圆锥体载具244斜面上平均分布的多个高功率LED206及圆锥体斜面的角度设计，使每一个高功率LED206产生的光线彼此互补成为均匀化的全照域光源装置。圆锥体载具244在此当作导热装置，与液体204接触，因此有较佳的散热效果。连络管242还可包括高导热材料，以进一步提高散热效率。在本实施例中，灯罩202是使用透光材料制成的球形灯罩，同时液体204含有微量的染料，以避免眼睛直视LED206时产生眩光刺眼的情形。在不同的实施例中，前述LED206可以选用不同发光颜色的高功率LED，同一时间点亮全部或一部分的LED。

图18为应用于环境照明的一个实施例，在电灯246中，灯罩包含在一圆管型区段250的两端彼此面对面的二反射杯252及253；光源装置包含高功率LED206及207分别位于反射杯252及253中；在灯罩的腔室203内充满含有微量染料的可透光液体204；以及一电源供应装置248连接高功率LED206及207。圆管型区段250是可透光的，高功率LED206及207产生的光线受到反射杯252及253的聚光作用，在圆管型区段250中全反射行进，液体204中的悬浮染料微粒使行进中的光线产生反射及绕射，导致均匀化的光线从圆管型区段250的管壁漫射出来，达到照明的目的。在本实施例中，反射杯252及253由具有高导热性的金属制成，除了使光线在圆管型区段灯罩250中全反射行进外，亦可当作高功率LED206及207的散热装置，增加与液体204的接触面积，以增加对流散热的效率。LED206及207可以同时点亮或只点亮其中一个。本实施例与目前作为主要照明用途的日光灯灯体结构彼此相容，为符合现有市场需求的商品化设计。

图19为应用于超高功率环境照明的一个实施例，在电灯254中，光源装置包括数个高功率LED206，并由数个载具264固定在散热片256上，散热片256具有散热鳍片262，数个光学镜片258分别位于高功率LED206之前，以产生想要的发光角度；以及一灯罩260与散热片256密合形成一腔室203，其中充满可透光的液体204。高功率LED206、光学镜片258以及载具264位于腔室203内。在本实施例中，载具264、散热片256及散热鳍片262由高导热材料(例如金属)制成，光学镜片258由塑胶或玻璃材料制成。载具264当作导热装置，可将热量传导至液体204，高功率LED206工作时产生的热量经散热鳍片262与液体204进行复合的散热作用，达到有效降低高功率LED206工作温度的目的，使电灯254能应用在例如街道、厂房或展示空间等场合的超高功率照明。本实施例中，腔室203内的液体204不添加染料，以增加照明亮度。

在上述各实施例中，高功率LED皆浸泡在液体中，并将载具当作散热片使用，但在其他的实施例中，可以不让高功率LED浸泡在液体中，而将光源装置的载具或其他导热装置引入腔室中接触液体，达到改善散热的目的。

本发明可根据使用上的需求，通过改变可透光液体的种类以及灯罩与载具的材料及几何结构，例如大小或形状，产生具有快速散热及符合照明光学的灯体结构，使高功率LED应用于各种照明用途。

虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖的范畴。

Claims (18)

1.一种高功率发光二极管电灯，其特征在于，包括：

一灯罩，具有一腔室，该灯罩有一可透光区域；

一高功率发光二极管光源装置，以发射光线，该光源装置具有一导热装置，且该导热装置有一部分在该腔室中；以及

一可透光的液体，填充在该腔室中与该导热装置接触，以帮助该导热装置散热，以及将该光线转变为照明用的光线。

2.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该灯罩包括一塑胶或玻璃材料。

3.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该灯罩包括一反光区域。

4.如权利要求3所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该反光区域包含金属。

5.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该灯罩包括一球体。

6.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该灯罩包括设置于一圆柱形区段的两端而彼此面对面的二反射杯。

7.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该光源装置包括数个高功率发光二极管。

8.如权利要求7所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该数个高功率发光二极管包括数种不同发光颜色的二极管。

9.如权利要求7所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，每一该高功率发光二极管的消耗功率大于0.4瓦特。

10.如权利要求7所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该数个高功率发光二极管包括两个朝向不同方向的发光二极管。

11.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该光源装置包括一引导该光线的光学镜片。

12.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该光线包括可见光或不可见光。

13.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该导热装置包括金属、石墨、碳素纤维、陶瓷或其复合材料。

14.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该导热装置包括一散热鳍片。

15.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该液体包括水、橄榄油、石蜡油、低黏度润滑油或荧光液。

16.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该液体包括一抗冻剂。

17.如权利要求16所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该抗冻剂包括甲醇、乙醇或乙二醇。

18.如权利要求1所述的高功率发光二极管电灯，其特征在于，该液体包括一界面活性剂与水、油、染料或荧光粉。

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