CN1978979B - 照明模块的结构 - Google Patents

Abstract

一种照明模块的结构，由光源、多数个具高热传导系数的光源基板及具反光效果的反光结构组成，该多数个光源基板环绕形成多边形模块外围结构，其内侧壁用以承载光源，该反光结构相对于光源基板设置于模块中央，用以反射光源所发出的亮光，该照明模块的出光端可设置一具有光学折射性质的透镜以实行聚光或将光束发散的功能，该光源基板外侧壁可延伸多数个散热鳍片或搭配辅助散热组件以提高操作功率范围与发光通量，该辅助散热组件可为一置放于照明模块底部的散热风扇，或可再加装热管装置于光源基板，将废热导至后级散热鳍片以风扇强制散热。

Description

照明模块的结构

技术领域

本发明有关于一种照明模块的结构，尤指一种将传统位于中央位置的光源与环绕周围的聚光灯罩位置互换的高功率发光二极管照明模块。

背景技术

“可与爱迪生的灯炮相提并论的发明”、“能给家里提供足够的光亮，同时有着几乎无限的寿命”，这些赞叹，都不足以描述发光二极管(LED，LightEmitting Diode)对人类世界的影响，近年来，LED已从早期单纯显示功能逐渐迈向照明与显示器等消费性产品的应用光源，造成此一转变的决定性因素在于1996年业界成功研发以蓝光LED混和黄色荧光粉而发展出白光LED，至此，人类照明史进入了另一划时代境界；而以多数个LED组成的高功率LED照明模块，包含投影机、LCD-TV背光模块、汽车头灯与造景光源等领域的产品需求量更是大幅成长，以车用照明的汽车头灯为例，这块尚未实现、而众家车厂竞争激烈的新兴领域，其成长潜力更是受各车厂重视，但目前LED车头灯仍只停留于车展旋转台上所展示的未来概念车内，汽车厂也无法确认LED头灯商品化上市的具体时程，探究其原因，可发现发光效率不足、散热问题与成本过高是LED目前无法广泛应用在照明领域的主要障碍，如同半导体产品一样，照明业界乐观地认为成本过高只是时间问题，在未来大量生产且欧、日等大厂专利授权态度逐渐转向开放之后，预期高功率LED照明模块的生产成本会大幅下降，因此，当务之急在于解决亮度与散热问题。

为符合高亮度LED照明模块需求的光通量，大多使用串/并联数组(array)摆放LED的方式来封装模块，但高输出光通量亦意味着高功率电能操作，当衍生的废热无法自LED芯片(chip)带出，而温度持续高于摄氏120度时，LED发光效率与寿命就会受到严重影响，如同解决CPU(中央处理器)散热问题一样，热管理专家们提出了不同的结构与方法，包括加装散热鳍片、风扇、水冷系统甚至热管(heat pipe)都被考虑过，但重要的是不能影响照明模块原有的简单性与可靠性，并得考虑外加散热组件后，更增加了原本就对发展LED照明不利的成本因素。

再者，现行LED应用于如投影机光源，或车用头灯领域高亮度照明光源模块上，除了亮度问题，更必须能缩小体积与提高单位面积发光量，以车用头灯为例，其亮度必须大幅提高方能提供有效照明(例如汽车远光灯)，以高压氙气头灯(High Intensity Discharge，HID)为例，一颗高压氙气头灯能发出超过一般卤素灯3倍的亮度，若采用LED，其数量必须增加好几倍，才有可能比拟卤素车灯，如此一来，头灯尺寸也必须相对应加大3～4倍，HID头灯业者甚至预计，要将LED实际应用于汽车头灯上，至少还需要5～10年或更久，据此可知，缩小光源体积、提高单位面积发光量是未来高亮度LED照明模块的研发重点。

关于公知技术中的高功率LED投射灯结构，首先，请参考图1所示台湾专利“高功率发光二极管投射灯”(专利证书号M251074)，如图所示该发光组件110架构，其主要包括一导热金属罩体111，其后端的小径端具有一连接部，中央形成贯穿的中孔112，灯杯内侧壁为可集聚光线的反射面113，其外部设有多数个的散热鳍片114；一具有多数个金属接脚的发光二极管基座120，以及一具有发光二极管芯片的发光芯片组130；其特点在于该导热金属罩体111兼具反射及散热功用，利用该散热鳍片114大幅增加散热面积，以解决LED光源模块产生的散热问题；然而，该结构虽可达到散热目的，但发光芯片组130只能摆放于单一平面上，因此LED可摆放的数目受限，无法提高单位面积发光量，而导热金属罩体111设置散热鳍片114后，导致体积加大，无法达成缩小照明模块体积的目的.

再请参阅图2所示另一公知技术中的高功率LED灯具结构，台湾专利“发光二极管灯具及其散热方法”(专利证书号I225713)，该发明为一回路热管(heat pipe)装置与LED灯具230的结合，该回路热管装置具有一内含有挥发性液体的蒸发器236及一热传导效率数倍于金属的冷凝器237连通于该蒸发器236，该LED灯具230具有一设有多数个LED灯泡232的底座231及一灯罩234，该蒸发器236结合于该底座230，该冷凝器237结合于灯罩234；将LED灯泡232产生的热量透过蒸发器236及冷凝器237传送至灯罩234，借该灯罩234排热，可使热量有效地扩散到整个灯罩234，而相较于图1所示结构，该灯具230中央立体化的底座231可增加LED灯泡232摆放数目，但此结构的缺点在于需使用热管装置，因此提高了成本，而垂直摆放的LED灯泡232其内部光学反射角度不佳，会影响灯具的出光效率。

请参阅图3所示又一公知技术中的高功率LED灯具，台湾专利“发光二极管(LED)的灯具结构改良”(专利证书号M248962)，该发明包含一灯具本体310，该灯具本体310上设有若干灯座311，其外缘沿其弧缘面披覆一集光部312，于各灯座311的定位部313固设有多数个基板330，其上凸设有多数个发光二极管331，其散发灯光为该集光部312所包围，借此能令灯具具备较佳的组装结构与照明效果，由于将LED光源基板330朝外，故可增加发光二极管331摆放数目，提高整体发光通量，然此结构的散热路径需向内散逸，使得散热面积受到限制，因而降低了灯具电功率的操作范围。

综观以上几种先前技艺，可以归纳以下几个现行高功率LED照明模块的缺陷：

1.单一发光平面限制了可摆放LED的数目，使得单位面积输出的光通量受限。

2.当LED芯片组集中于单一发光平面时，高功率操作下的废热不易扩散，散热效率不佳。

3.若需额外增加热管装置协助散热，将使得成本提高，不利照明灯具普及化。

4.若将多片光源面板朝外方式摆放，虽可增加LED数目，但散热途径变成向内，使得散热面积变少。

发明内容

鉴于上述现行公知技术的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种照明模块的结构，其发明为将传统位于中央位置的光源与环绕周围的聚光灯罩位置互换，利用光学软件计算模块反光面与外侧光源基板的相对角度，可缩小照明模块体积、提高单位面积输出光通量，并增加散热面积，适用于微型化的高功率照明模块。

为达到上述目的，本发明提出一种照明模块的结构，其由光源、多数个具高热传导系数的光源基板及具反光效果的反光结构组成，该多数个光源基板环绕形成多边形构成模块外围结构，其内侧壁用以承载光源，该反光结构相对于光源基板设置于模块中央，用以反射光源所发出的亮光，该照明模块的出光端可设置一具有光学折射性质的透镜以实行聚光或将光束发散的功能，该光源基板外侧壁可延伸多数个散热鳍片或搭配辅助散热组件以提高操作功率范围与发光通量，该辅助散热组件可为一置放于照明模块底部的散热风扇，或可再加装热管装置于光源基板，将废热导至后级散热鳍片以风扇强制散热.

综上详述本发明各不同实施例技术内容，可归纳本发明具有以下优点：

1.相同发光面积下，三维照明角度基板可增加摆放光源的数目，提高单位面积输出光通量。

2.相同光源数目下，多角形立体结构可降低光源基板上摆放的光源密度，提高散热效率。

3.与相同电功率输出且同样使用灯罩散热的结构(如图2所示)相较，本发明由于光源连接环绕的散热基板，故废热可直接带至具散热功能的灯罩，不需增加热管装置来将废热导至灯罩散热，可省去热管装置成本。

4.散热基板可设计向外延伸的散热鳍片，与图3公知技术相较的向内散热路径，散热面积不会受到限制。

5.可缩小照明模块体积、提高单位面积输出光通量，并增加散热面积，适用于微型化的高输出光通量需求的照明光源或投影光源，如投影机光源、手电筒、汽车头灯、投射灯、背光源，与室内/外照明模块等应用领域。

6.借其特殊的三维照明角度基板结构，可分为以金属鳍片自然散热、增加风扇强制对流散热，或以热管将废热导出至后级散热片后以风扇散热等实施方式，以适应不同功率操作下的散热需求。

为使审查员对于本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，配合附图详细说明。

附图说明

图1至图3为三种公知技术LED灯具专利的结构示意图；

图4为本发明的一实施例的外观立体图；

图5为图4的实施例的俯视图；

图6为图4的实施例的侧视图；

图7为反光结构的另一实施例示意图；

图8及图9为光源不同设置方式的实施例示意图；

图10至图13为本发明搭配不同辅助散热组件的实施例示意图。

其中，附图标记：

110     发光组件          111      导热金属罩体

112     中孔              113      反射面

114     散热鳍片          120      发光二极管基座

130     发光芯片组        230      LED灯具

231     底座              234      灯罩

236     蒸发器            237      冷凝器

232     LED灯泡           310      灯具本体

311     灯座              312      集光部

313     定位部            330      基板

331     发光二极管

1、1a、1b、1c    照明模块

2       光源              3        光源基板

31      内侧壁            32       外侧壁

321     散热鳍片          33       通路

4       反光结构          41、41a  反光面

42      柱状结构          43       挖空部

5       透镜              6        散热风扇

61      隔板              7        外壳

71      空间              8        热管装置

81      后级散热鳍片      82       后级散热风扇

θ、θ1 相对角度

具体实施方式

以下将参照附图来描述本发明为达成目的所使用的技术方案与功能，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，为了审查员的了解，但本案的技术手段并不限于所列举附图。

请参阅图4至图6所示本发明的一实施例，该照明模块1主要由光源2、光源基板3、反光结构4及透镜5所组成，该光源2可为发光二极管，亦可为发光二极管与固态光源、白热灯或气体放电灯等类型光源的任意组合，依照明模块1尺寸不同或使用光源种类的不同决定该光源2的设置方式及其数量，如本实施例所示，该光源2为发光二极管，且以多个数组方式设置于该光源基板3上，至于发光二极管的种类可采用高功率的白光发光二极管芯片(LED chip)，该类发光二极管芯片具有体积迷你的优点，更适合实施于本发明；

该光源基板3为具有高热传导系数的材料，如铜、铝、铁等金属材料，或如硅等半导体材质，或如陶瓷、凝胶等复合材料，其以环绕方式形成多边形而构成该照明模块1的外围结构，其内侧壁31用以承载光源2，该光源基板3内侧可制作电性线路(图中未示出)，该电性线路连接设置于光源基板3内侧的光源2，以提供光源2电性来源，由于该光源基板3为具有高热传导系数的材料，故亦具有可将光源2产生的废热经由该光源基板3散逸至照明模块1外的功能，至于该光源基板3的设置数量，则依实际需要的尺寸或搭配的光源2不同而异；该反光结构4相对于光源基板3设置于该照明模块1的中央位置，其材质可为表面镀设反光镀膜的半导体材料、高分子材料、复合材料等非金属材质，或为具反光效果的金属材质，用以反射光源2所发出的亮光，至于该反光结构4的反光面41与光源基板3的内侧壁31的相对角度θ，可利用光学软件计算以获得最佳输出光通量，例如图7所示的照明模块1a的另一实施例，该反光面41a呈凹弧面，因反光面积、光源2数量，以及与内侧壁31相对角度θ1等等元素不同，因此也会使照明模块1a形成异于照明模块1的输出光通量；

该透镜5设置于该照明模块1的出光端，其具有光学折射特性以实现聚合或发散光源2所发出的亮光的功能，可于前述该光源基板3内侧壁涂布反光材料，当光束由光源2发出后，可同时由反光面41与光源基板3的内侧壁31反光，再经由透镜5折射发出，以增加出光效率.

上述本发明的光源2的实施方式多数个数组设置于光源基板3的内侧壁31，然依据光源2种类及尺寸的不同，或光源基板3设置数量及尺寸不同，不限于四边形，可为三角形、五边形、六边形等等，相对地，该照明模块1可利用的空间大小亦有不同，可以所需增减该光源2数量，如图8所示，该照明模块1b将光源2设置于反光结构4的反光面41围绕构成的柱状结构42的顶部，亦可如图9所示该照明模块1c将柱状结构42挖空，于该挖空部43内设置光源2，另亦可将光源2设置于反光结构4的反光面41上(图中未示出)，其实施方式具有多样性，依光源基板3与反光结构4组合构成照明模块1实施态样的不同而异，可充分利用此结构增加光源2数目，达成提升单位面积光通量的目的。

请参阅图10至图13所示将照明模块1搭配辅助散热组件以提高操作功率范围与发光通量的不同实施例。

如图10所示，该实施例以图4的架构为基础，于该照明模块1的光源基板3的外侧壁32延伸形成多数个散热鳍片321以增加散热面积，由于该光源基板3为具有高热传导系数的材料，故可将光源2产生的废热经由该光源基板3传导至散热鳍片321快速散热，至于该散热鳍片321的外型可依实际所需而形成，并不限于附图的立体矩形。

再如图11所示，该实施例以图10的架构为基础，除具有可增加散热面积的散热鳍片321外，再于照明模块1底部设置一散热风扇6，该散热风扇6旋转产生的风力，对散热鳍片321进行强制对流以降低光源2的温度，为提高散热效率，故于该散热风扇6外设置一隔板61，该隔板61可由该散热鳍片321的边缘延伸而出，亦可另设，利用该隔板61的设置可集中散热风扇6的风力，再者，该光源基板3外设置有通路33，使散热鳍片321与光源基板3之间形成非封闭的接触面，因此可利用散热风扇6将热量经由该通路33快速送出照明模块1外部，以提高对流效率。

再如图12所示，该实施例以图11的架构为基础，于照明模块1外部罩设一外壳7，该外壳7与隔板61间形成一空间71，该空间71与光源基板3外侧壁32与散热鳍片321之间设置的通路33相连通，该空间71的功能在于区隔冷热空气，形成对流以提升散热效率，利用该隔板61的设置可集中散热风扇6的风力，散热风扇6将热量经由通路33送入空间71再排出照明模块1外，由于冷热空气被区隔，故可对散热鳍片32进行强制对流，使对流效率再获得提升。

再如图13所示，该实施例以图10具有散热鳍片321的架构为基础，该散热鳍片321连接一热管装置8，该热管装置8内可流通冷空气或冷却液等冷却媒体以将照明模块1的废热导出，于热管装置8的末端设有后级散热鳍片81用以接收热管装置8导出的废热，该后级散热鳍片81再具有一散热风扇82，用以对该后级散热鳍片81强制对流散热。

必须说明的是，本发明所公开的具高功率的照明模块结构，其光学结构经过光学仿真软件ASAP以光束追迹法(Ray Tracing)分析后，计算而得模块有效出光效率为81％，因光学结构内部反射或被组件界面吸收的光量损耗仅为19％；若放置圆形档板于本发明30度角与45度发散角处，可分别测得其光通量为34％与71％，由此数据显示本发明所公开的照明模块结构经光学软件计算验证具有可实施性，并能获致良好出光效率。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的普通技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围.

Claims (18)

1.一种照明模块的结构，其特征在于，包含有：

光源，用以发出光线；

多个光源基板，该多个光源基板环绕组成多边形，该光源基板的外侧壁为该照明模块的外围结构，该光源设置于该光源基板内侧壁；以及

至少一反光结构，相对于该光源基板设置，用以反射该光源所发出的光线，该反光结构相对于该光源基板设置于该照明模块的中央位置。

2.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源选自发光二极管、固态光源、白热灯、气体放电灯其中之一或其组合。

3.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源为多个并以数组方式设置于该光源基板上。

4.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源基板为具有高热传导系数的材料制成。

5.根据权利要求4所述的照明模块的结构，其特征在于，该具有高热传导系数的材料选自金属材料、半导体材料和复合材料中的一种或多种，该金属材料包括铜、铝、铁或合金，该半导体材料包括硅，该复合材料包括陶瓷或凝胶。

6.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该反光结构选自表面镀设反光镀膜的非金属材料或者具有反光效果的金属材料，该非金属材料包括半导体材料、高分子材料或复合材料。

7.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该反光结构的反光面为一垂直面。

8.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该反光结构的反光面为一弧面。

9.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源为多个，设置于该光源基板内侧壁以及该反光结构的顶部。

10.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源为多个，设置于该光源基板内侧壁以及该反光结构的反光面上。

11.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源为多个，设置于该光源基板内侧壁以及该反光结构挖空的内部。

12.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，还包含一具有光学折射性质的透镜，该透镜设置于该照明模块的出光端。

13.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源基板的外侧壁延伸多个散热鳍片。

14.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源基板的外侧壁延伸多个散热鳍片，于该散热鳍片底部设有一散热风扇。

15.根据权利要求14所述的照明模块的结构，其特征在于，该光源基板的外侧壁与该散热鳍片之间设置有通路，使该散热鳍片与该光源基板之间形成非封闭的接触面。

16.根据权利要求15所述的照明模块的结构，其特征在于，还包含：

一隔板，设置于该散热鳍片外；

一外壳，其罩设于该照明模块外，且与该隔板间形成一空间，该空间与该光源基板外侧壁与该散热鳍片之间设置的通路相连通.

17.根据权利要求16所述的照明模块的结构，其特征在于，该隔板由该散热鳍片的边缘延伸而出。

18.根据权利要求1所述的照明模块的结构，其特征在于，还包含：

至少一热管装置，用以将该照明模块的废热导出；

至少一后级散热鳍片，设置于该热管装置的末端，用以接收该热管装置导出的废热；

至少一后级散热风扇，用以对该后级散热鳍片强制对流散热。

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