CN103968277A - 发光二极管灯泡 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种发光二极管灯泡，包括：一灯帽；一散热座，是设置于该灯帽上，其包括一散热本体及涂布于该散热本体表面的一黑体辐射层；一灯架，是设置于该散热座顶部；一发光单元，是设置于该灯架表面，且该发光单元是通过该灯架及该散热座而电性连接至该灯帽；以及一灯罩，是罩设于该灯架及该发光单元外侧，其中，该发光单元所产生的传导热是通过该灯架传导至该散热座，并通过该黑体辐射层将传导热转换成辐射热而散逸。
Description
技术领域
本发明是关于一种发光二极管灯泡，尤指一种利用黑体辐射层将传导热转变为辐射热散逸的发光二极管灯泡。
背景技术
近年来，由于发光二极管的发光效率获得大幅提升，发光二极管已逐渐用以取代白炽灯而作为一标准照明设备。然而，已知发光二极管并不如白炽灯般，具有360度的出光角度，发光二极管的出光强度是随着出光角度而逐渐降低，而呈现照度不均匀的问题。再者，因白炽灯是通过加热灯丝至白炽状态而发光，是以在发光的过程中，所产生的能量约有70％会以辐射热的方式逸散，仅有约不到5％的能量以光的形式呈现，且有约25％的能量会以传导热的形式呈现；然而，不同于白炽灯，因发光二极管灯泡的发光原理乃是通过电子电洞再结合时，能量乃以光子的形式发散，约有35％的能量以可见光形式呈现，且不会有辐射热产生，但却会有将近65％的能量会以传导热的方式呈现，再加上发光二极管所产生的传导热仅能传导至散热元件上，无法以辐射热形式将热量散发至空气中。是以，如图1所示，已知在设计发光二极管灯泡1’时，一般需增加散热座12’的表面积，以提高其散热效率。然而，往往这样的设计会导致多数光线更仅能朝前方或侧面照射，相较于传统白炽灯而言，其照度显然不足。
为了解决这般问题，一般已知技术所采用的方式是使用高功率发光二极管增加亮度，但此一作法并无法从根本解决传导热累积于散热元件中，而无法有效逸散的问题，也没有解决发光二极管灯泡不具有全方向性光照度的问题。是以虽有各种已知技术尝试以各种散热方式，或设计各种形状的散热元件提高发光二极管散热效率，然而，皆无法由根本解决上述散热 问题，并同时达到提高照度的效果。更甚者，只见产品设计越来越复杂，显然不符合产品设计与产业进步的目的。
据此，提出一能够由根本解决发光二极管灯泡散热问题，并且能够缩小其散热元件，进而达到提高照度的发光二极管灯泡设计乃有其所需。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种发光二极管灯泡，以便能通过一黑体辐射层将其产生的传导热转换为辐射热，加速其热量的逸散，从而达到缩小散热元件尺寸，进而提高发光二极管灯泡的照度。
为达成上述目的，本发明的一态样是提供一种发光二极管灯泡，包括：一灯帽；一散热座，设置于该灯帽上，其包括一散热本体及涂布于该散热本体表面的一黑体辐射层；一灯架，设置于该散热座顶部；一发光单元，设置于该灯架表面，且该发光单元通过该灯架及该散热座而电性连接至该灯帽；以及一灯罩，罩设于该灯架及该发光单元外侧。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，发光单元所产生的热主要可有两种形式，其中，所产生的辐射热可通过该灯罩而散逸；而该发光单元所产生的传导热则可通过该灯架传导至该散热座，并通过该黑体辐射层将传导热转换成辐射热而散逸。因此，本发明的发光二极管灯泡不需要具有大表面积的散热元件，便可快速逸散发光单元所产生的热量，从而达到缩小散热元件并进而提高照度的目的。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，该黑体辐射层可为一扭曲非晶碳(distorted amorphous carbon)，其是为具有sp3及sp2键结的碳材料，例如，石墨、金刚石、类金刚石等。而为使该黑体辐射层可较佳地发挥快速散热的功能，基于sp3及sp2键结的总数量，该扭曲非晶碳的sp3键结数量可为66％至100％。于本发明的一具体态样中，该黑体辐射层可为一类金刚石。而考虑本发明发光二极管灯泡的工作温度，该黑体辐射层在100℃下的辐射率可为0.01至0.20W/cm2，从而优化其散热效果。于本发明的一具体态样中，该黑体辐射层在100℃下的辐射率较佳可为0.1W/cm2。
已知可用于提高发光二极管灯泡散热效率的散热元件可包含使用高热导率的金属，如：铝(热导率＝275W/mK)，然而，铝的热发射率(heat emissivity)仅有1％，是以其辐射系数(radiation factor)约为275，并不利于快速移除发光单元所产生的废热。另一方面，亦可涂布分子风扇(molecular fans)(例如，石墨烯)，通过其热发射率将近100％的特性，移除发光单元所产生的废热。然而，分子风扇的热导率仅有10W/mK，是以其辐射系数约为1,000，因此，发光单元所产生的废热仍无法快速移除，亦不利于发光二极管灯泡的散热。因此，于上述本发明的发光二极管灯泡中，是通过一种同时具有高热传导率及高热发射率的黑体辐射层快速移除产生于发光二极管灯泡中的废热。该黑体辐射层的热发射率可为70至100％，其热导率可达500W/mK，据此，该黑体辐射层的黑体辐射系数可远高于分子风扇，可为40,000至60,000。于本发明的一具体态样中，该黑体辐射层的黑体辐射系数较佳可为50,000。在本文中，“黑体辐射系数”一词是指一物质的热导率及热发射率的乘积。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，该黑体辐射层因其兼具高热导率及高热发射率的特性，其仅需涂布于该散热座表面就可达到其功效。是以，于本发明的一态样中，该黑体辐射层的厚度可为0.1微米至10微米，较佳可为0.5微米至5微米，更佳可为1微米。再者，可通过预先以如喷砂处理(sand blasting)等的方法处理该散热本体表面，使得该散热本体表面形成一粗糙化表面，从而使得涂布于该散热本体表面的该黑体辐射层可具有一纳米级的粗糙化表面。据此，该黑体辐射层便能够通过尖端放热的方式加速移除发光二极管灯泡所产生的废热。此外，本发明的发光二极管灯泡亦不需大表面积的散热座来提高其散热效果，因此，本发明发光二极管灯泡的照度可因其散热座尺寸的缩减而获得提高。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，该黑体辐射层的涂布方式亦不特别限制，只要能够将该黑体辐射层的材料固定于该散热本体的表面即可。举例而言，可使用电弧淀积法(arc deposition)、离子镀着法(ion plating)、溅镀法(sputtering)或射频电浆化学气相沉积法(radio-frequency chemical vapor deposition，RFCVD)等，将该黑体辐射层的材料涂布于该散热本体的表面，本发明并不仅限于此。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，为提高其照度，该发光单元可视需要而设计为多角形柱状外型或圆柱外型，从而提高该发光二极管灯泡的 照度。于本发明中，该发光单元可包括一基板及一设置于该基板上的发光二极管芯片，其中，该基板可为一个或多个，或者该发光二极管芯片可为一个或多个。。应了解的是，只要能提高该发光二极管灯泡的照度，各种材质的基板皆可使用。举例而言，该基板可为玻璃基板、蓝宝石基板、或铝基板，本发明并不仅限于此。此外，发光二极管芯片的位置亦可根据其需求而设置，例如，于本发明的一态样中，该发光二极管芯片可设置于该发光单元的顶部或侧面。该发光二极管芯片所发射光线的波长并无特别限制，本领域的技术人员可根据其所需选择该发光二极管芯片发射的光线波长范围，例如，于本发明的一态样中，其波长范围可介于200纳米至800纳米波长。此外，所述发光二极管芯片上可包括一含有荧光粉的封装树脂，据此，可通过所述发光二极管芯片所发射的光线激发所述荧光粉产生荧光，从而获得一混合波长的光线，但本发明并不以此为限。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，灯架的外型并无特别限制，只要其能够提高该发光二极管灯泡的照度即可。例如，于本发明的一态样中，该灯架侧面可为一曲面外型，且该曲面外型是为一柱状结构、一锥状结构、或一具有多个延伸部的分支结构。于本发明的一具体态样中，该灯架可为一柱状结构，且该底部截面积实质上等于该顶部的截面积。于本发明的另一具体态样中，该灯架可为一锥状结构，且该底部的截面积实质上大于该顶部的截面积。于本发明的再一态样中，该灯架更可为一具有多个延伸部的分支结构，其是用以设置多个发光单元，以提高发光二极管灯泡的照度及发光角度。再者，该灯架的表面可为一反射面，从而达到提高该发光二极管灯泡照度的目的。该灯架的材质亦不特别限制，只要其能够有效地传导发光单元产生的废热至散热座即可。于本发明的一态样中，该灯架可由铜、铝、银、铬、锆、或其合金所制成。于本发明的一具体态样中，该灯架可由铝所制成，从而同时兼具反射光线提高照度及高热导率的目的。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，散热本体的材质并不特别限制，只要其能够有效地传导发光单元产生的废热至涂布于其表面的黑体辐射层即可。于本发明的一态样中，该散热本体可为一金属、一陶瓷、或一导热塑料，其中，该金属可至少一选自由铜、铝、银、铬、锆、及其合金所组成的群组；该陶瓷可至少一选由氧化铝、氮化铝、及其混合物所组成的 群组。于本发明的一较佳态样中，该散热座可由铝所制成。而于本发明的一具体态样中，为优化传导发光单元所产生的废热至该散热座，该散热本体及该灯架可制成一体成型。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，各种电性连接该发光单元及该灯帽的方式皆可使用，只要其能使该发光单元可导通至该灯帽且不造成短路或漏电的问题，本发明并不特别以此为限。更详细地说，该发光单元可通过设置于该灯架及该散热座中的线路电性连接至该灯帽。
于上述本发明的发光二极管灯泡中，该灯罩可为一透光玻璃或一塑料外壳。此外，灯罩表面亦可经过雾化处理，从而达到柔和光线的效果，本发明亦不特别限制。
本发明的有益效果是：其可通过一黑体辐射层将其产生的传导热转换为辐射热，加速其热量的逸散，从而达到缩小散热元件尺寸，进而提高发光二极管灯泡的照度。
附图说明
以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更，其中：
图1是已知的发光二极管灯泡立体示意图。
图2是本发明实施例1的发光二极管灯泡立体示意图。
图3是本发明实施例1的发光二极管灯泡的剖视图。
图4是本发明实施例2的发光二极管灯泡的剖视图。
图5A是本发明实施例3的发光二极管灯泡的剖视图。
图5B是本发明实施例3的发光二极管灯泡的黑体辐射层表面剖视图。
图6A是未涂布类金刚石的散热座于不同电流下的温度变化图。
图6B是已涂布类金刚石的散热座于不同电流下的温度变化图。
图7是本发明实施例4的发光二极管灯泡立体示意图。
具体实施方式
本发明的实施例中所述附图均为简化的示意图。惟所述图标仅显示与本发明有关的元件，其所显示的元件非为实际实施时的态样，其实际实施时的元件数目、形状等比例为一选择性的设计，且其元件布局型态可能更复杂。
实施例1
请参考图2，是此实施例1的发光二极管灯泡1立体示意图，其包括，一灯帽11；一散热座12，是设置于该灯帽11上，其包括一散热本体(图未显示)及涂布于该散热本体表面的一黑体辐射层121；一灯架13，是设置于该散热座12顶部；一发光单元14，是设置于该灯架13表面，且该发光单元14是通过该灯架13及该散热座12而电性连接至该灯帽11；以及一灯罩15，是罩设于该灯架13及该发光单元14外侧。请一并参考图3，是此实施例1的发光二极管灯泡1的剖视图，其中，该散热本体及该灯架13是由铝所制成；该类金刚石是通过一溅镀法涂布于该散热本体表面形成为一具有光滑表面的黑体辐射层121；该发光单元14是包括基板(图未显示)、以及多个发射波长为200纳米至800纳米光线的发光二极管芯片141，且该发光单元14是为一多角形柱状外型(例如，五角形、六角形等)或圆柱外型，在此实施例中，该发光单元14是为一圆柱状外型，且发光二极管芯片141是同时设置于发光单元14的顶部及侧面。据此，由发光单元14所产生的废热是通过该铝制灯架13传导至该铝制散热本体，并通过涂布于该散热本体表面的黑体辐射层121将传导热转换为辐射热而快速逸散。此外，该灯架13是为一柱状结构且该底部的截面积实质上等于该顶部的截面积，其侧面则具有一曲面外型，并且，该灯架13的表面更为一反射面131，据此，该灯架13可进一步提高此实施例1的发光二极管灯泡1的照度。
请比较图1及图2，由于本实施例1的黑体辐射层121同时具有高热导率及高热发射率，因此，能够快速将发光单元14所产生的传导热转换为辐射热并快速逸散。是以，相较于已知发光二极管灯泡的设计，本发明的发光二极管灯泡不需要具有大表面积的散热座。通过缩小散热座的尺寸，本发明即能同时从根本解决发光二极管的照度问题。
实施例2
请参考图4，是此实施例2的发光二极管灯泡2的剖视图。此实施例2的结构与实施例1大致类似，所不同处仅在于，此实施例2的灯架23是为一锥状结构，且该底部的截面积实质上大于该顶部的截面积。因此，此实施例2的灯架23能提供更多反射面以提高该发光二极管灯泡2的照度。
据此，此实施例2的发光二极管灯泡2，包括：一灯帽21；一散热座22，是设置于该灯帽21上，其包括一散热本体(图未显示)及涂布于该散热本体表面的一黑体辐射层221；一灯架23，是设置于该散热座22顶部；一发光单元24，是设置于该灯架23表面，且该发光单元24是通过该灯架23及该散热座22而电性连接至该灯帽21；以及一灯罩25，是罩设于该灯架23及该发光单元24外侧，其中，该散热本体及该灯架23是由铝所制成；该类金刚石是通过一溅镀法涂布于该散热本体表面形成为一具有光滑表面的黑体辐射层221；且该发光单元24是包括基板(图未显示)以及多个发射波长为200纳米至800纳米光线的发光二极管芯片241。据此，由发光单元24所产生的废热是通过该铝制灯架23传导至该铝制散热本体，并通过涂布于该散热本体表面的黑体辐射层221将该传导热转换为辐射热而快速逸散。此外，该灯架23是为一锥状结构且该底部的截面积实质上大于该顶部的截面积，其侧面则具有一曲面外型，并且，该灯架23的表面亦为一反射面231，据此，该灯架23更能提高此实施例2的发光二极管灯泡2的照度。
实施例3
请参考图5A，是此实施例3的发光二极管灯泡3的剖视图。请一并参考图5B，是为图5A中A部分的放大示意图。此实施例3的结构与实施例1大致类似，其差异是在于，此实施例3的散热本体(图未显示)是先经一喷砂处理以形成粗糙化表面，接着，黑体辐射层321再以电弧淀积法涂布于该散热本体表面，从而使得该黑体辐射层321的表面形成为一纳米级粗糙化表面。是以，经由灯架33及散热本体(图未显示)传导至该黑体辐射层321的传导热，便能通过该纳米级粗糙化表面产生尖端放热的效果，达到快速移除发光单元34产生的废热的目的。
据此，此实施例3的发光二极管灯泡3，包括：一灯帽31；一散热座32，是设置于该灯帽21上，其包括一散热本体(图未显示)及涂布于该散热本体表面的一黑体辐射层321；一灯架33，是设置于该散热座32顶部；一发光单元34，是设置于该灯架33表面，且该发光单元34是通过该灯架33及该散热座32而电性连接至该灯帽31；以及一灯罩35，是罩设于该灯架33及该发光单元34外侧，其中，该散热本体及该灯架33是由铝所制成；该类金刚石是通过一电弧法涂布于该散热本体表面形成为一具有纳米级粗糙化表面的黑体辐射层321；且该发光单元34是包括基板(图未显示)以及多个发射波长为200纳米至800纳米光线的发光二极管芯片341。据此，由发光单元34所产生的废热是通过该铝制灯架33传导至该铝制散热本体，并通过涂布于该散热本体表面的黑体辐射层321将该传导热转换为辐射热并通过其纳米级粗糙化表面而快速逸散。此外，该灯架33是为一锥状结构且该底部的截面积实质上大于该顶部的截面积，其侧面则具有一曲面外型，并且，该灯架33的表面亦为一反射面331，据此，该灯架33能提高此实施例3的发光二极管灯泡3的照度。
试验例
本发明的重要技术特征在于通过黑体辐射层的高热导率及高热辐射率的特性，将发光二极管灯泡所产生传导热转换为辐射热，从而达到快速散热的目的。据此，本试验例是通过比较已涂布或未涂布黑体辐射层的散热座温度变化，以确定黑体辐射层的散热效率。与上述实施例1相同，该散热本体同样由铝所制成，黑体辐射层则由类金刚石所制成并以电弧法涂布于该散热本体上。于本试验例中，是通过通以不同安培数的电流以增加基板的温度。请参考图6A，是为未涂布类金刚石的散热座于不同电流下的温度变化图，其中横轴为电流(mA)，纵轴为该散热座的温度(℃)，图中的每一曲线是表示于同一散热座上任选位置所测得的温度。如图6A所示，未涂布类金刚石的散热座温度变化于241mA后逐渐趋于平缓，所测得的最高温度可达75℃，最低温度则为50℃。请参考图6B，是为已涂布类金刚石的散热座于不同电流下的温度变化图，其中横轴为电流(mA)，纵轴为该基板的温度(℃)，图中的每一曲线是表示于同一散热座上任选位置所测得的温度。如图6B所示，该散热座的温度变化于145mA后逐渐趋于平缓， 所测得的最高温度仅达50℃，最低温度则仅有为35℃。据此，由图6A及6B结果的比较可知，已涂布有类金刚石的散热座确实能通过将基板的传导热转换为辐射热，而达到快速散热的效果。
实施例4
请参考图7，是此实施例4的发光二极管灯泡4立体示意图，此实施例4的结构与实施例1大致类似，所不同处仅在于，该发光二极管灯泡4是包括一灯架43及三个设置于该灯架上的发光单元44，其中，该灯架43是包括三个延伸部431，其是用于设置该发光单元44，其中，该发光单元44可视需要而设置于该延伸部431的一侧面或两侧面。此外，该发光单元44是包括多个基板442以及多个设置于该基板442上的发光二极管芯片441。因此，此实施例4的发光二极管灯泡4可提供更广的发光角度及更高的照度。
据此，此实施例4的发光二极管灯泡4，包括：一灯帽41；一散热座42，是设置于该灯帽41上，其包括一散热本体(图未显示)及涂布于该散热本体表面的一黑体辐射层421；一灯架43，是设置于该散热座42顶部；多个发光单元44，是设置于所述灯架43上，且所述发光单元44是通过所述灯架43及该散热座42而电性连接至该灯帽41；以及一灯罩45，是罩设于该灯架43及该发光单元44外侧，其中，该散热本体及所述灯架43是由铝所制成；该类金刚石是通过一溅镀法涂布于该散热本体表面形成为一具有光滑表面的黑体辐射层421；且所述发光单元44是包括多个基板442及多个发射波长为200纳米至800纳米光线的发光二极管芯片441。据此，由发光单元44所产生的废热是通过该铝制灯架43传导至该铝制散热本体，并通过涂布于该散热本体表面的黑体辐射层421将该传导热转换为辐射热而快速逸散。由于本发明的发光二极管灯泡具有可快速散热的黑体辐射层，是以此实施例4的发光二极管灯泡4便可通过设置多个发光单元44，提供更广的发光角度及更高的照度。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (16)
1.一种发光二极管灯泡，其特征在于，包括：
一灯帽；
一散热座，设置于该灯帽上，其包括一散热本体及涂布于该散热本体表面的一黑体辐射层；
一灯架，设置于该散热座顶部；
一发光单元，设置于该灯架表面，且该发光单元通过该灯架及该散热座而电性连接至该灯帽；以及
一灯罩，罩设于该灯架及该发光单元外侧。
2.根据权利要求1所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该发光单元所产生的辐射热通过该灯罩而散逸。
3.根据权利要求1所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该发光单元所产生的传导热通过该灯架传导至该散热座，并通过该黑体辐射层将传导热转换成辐射热而散逸。
4.根据权利要求3所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该黑体辐射层为一扭曲非晶碳，且基于sp3及sp2键结的总数量，该扭曲非晶碳的sp3键结数量是为66至100％。
5.根据权利要求3所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该黑体辐射层在100。℃下的辐射率为0.01至0.20W/cm2。
6.根据权利要求3所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该黑体辐射层具有一纳米级的粗糙化表面。
7.根据权利要求3所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该黑体辐射层的热发射率为70至100％。
8.根据权利要求3所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该黑体辐射层的厚度为0.1微米至100微米。
9.根据权利要求3所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该黑体辐射层的厚度为0.5微米至5微米。
10.根据权利要求1所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该灯架侧面为一曲面外型，且该曲面外型为一柱状结构、一锥状结构、或一具有多个延伸部的分支结构。
11.根据权利要求1所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该散热本体为一金属、一陶瓷、或一导热塑料。
12.根据权利要求1所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该发光单元包括一基板及一设置于该基板上的发光二极管芯片。
13.根据权利要求12所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该基板为玻璃基板、蓝宝石基板、或铝基板。
14.根据权利要求12所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该发光二极管芯片发射介于200纳米至800纳米波长的光线。
15.根据权利要求12所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该发光二极管芯片设置于该发光单元的顶部或侧面。
16.根据权利要求1所述的发光二极管灯泡，其特征在于，其中，该灯罩为一透光玻璃或一塑料外壳。
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