TW201303213A - Ｌｅｄ燈泡中的液態位移珠 - Google Patents

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Abstract

LED燈泡包括至少一設於該殼體之中的LED安裝座。至少一LED附著於該至少一LED安裝座。熱傳導液體容納在該殼體之中。該LED及該LED安裝座浸入該熱傳導液體中。複數個珠係懸浮在該熱傳導液體中。該複數個珠被建構成使預定量之熱傳導液體位移以減少該殼體之中所容納之該量的熱傳導液體。

Description

LED燈泡中的液態位移珠
本發明主要是關於液體填充LED(發光二極體)燈泡，且更明確地是關於在液體填充式LED燈泡中之複數個珠。
傳統上，照明是利用螢光及白熾光燈泡來產生的。雖然這二種型式的燈泡均能可靠地使用，但每一者均有一些缺點。例如說，白熾燈泡沒有效率，僅使用他們功率的2-3%來產生光線，而他們的功率的其餘97-98%則以熱的形式損耗掉。螢光燈泡雖然比白熾燈泡有效率，但無法產生如同白熾燈泡所產生者一樣的溫暖光線。另外，螢光燈泡內所含有的水銀會有健康及環境上的顧慮。
因此，替代的光源是需要的。替代方案之一者是一種使用LED的燈泡。LED包含一半導體接面，其可因電流流經該接面而發射出光線。相較於傳統的白熾燈泡，LED燈泡能在使用相同電力的情形下產生更多的光線。另外，LED燈泡的操作壽命長於白熾燈泡達數個數量級，例如，10,000-100,000小時相對於1,000-2,000小時。
儘管使用LED燈泡相較於白熾或螢光燈泡有許多的優點，但LED具有許多的缺點，使得他們無法廣泛地做為白熾及螢光替代品。其一項缺點在於LED是一種半導體，通常無法熱到高於約120℃。舉例來說，A型LED燈 泡僅能侷限於相當低的功率(即低於約8W)，無法產生足以做為白熾或螢光替代品的亮度。
一種減輕LED燈泡的熱問題之方案是以熱傳導液體填充LED燈泡以將熱從LED轉移至燈泡的殼體。然後熱可從殼體外被轉移進入環繞著燈泡的空氣中。然而，熱傳導液體對LED燈泡之重量是有貢獻的。此外，當熱從LED被轉移至傳導液體時，液體的溫度增加，由於熱膨脹而導致液體體積的增加。
於一範例性實施例中，LED燈泡包含至少一設於殼體之中的LED安裝座。至少一LED附著於該至少一LED安裝座。熱傳導液體被容納在該殼體之中。該LED及LED安裝座浸入該熱傳導液體中。複數個珠係懸浮在該熱傳導液體中。該複數個珠被建構成使預定量之熱傳導液體位移以減少該殼體之中所容納之該量的熱傳導液體。
以下的敘述被提出以使本技術中具有通常知識者能製造並使用各種實施例。特定裝置、技術和應用的敘述僅做為範例而被提供。在此，對範例之各種修正的敘述對本技術中具有通常知識者是顯而易見的，且在沒有脫離各種實施例的精神和範疇之前提下，在此所定義的一般原則可以應用到其它的範例和應用。因此，各種實施例並非用來限 制在此所述和所示的範例，而是符合與請求項的一致的範疇。
各種與LED燈泡有關的實施例如下所述。此處所用的“LED燈泡”指的是任何光產生裝置(例如，燈具)，其中至少一LED被用來產生光。於是，此處所用的“LED燈泡”不包括燈絲被用來產生光的光產生裝置，例如傳統的白熾光燈泡。吾人應該認知到：除了傳統白熾燈的球狀A型形狀，LED燈泡還可有各種的形狀。例如，燈泡可有管狀、球狀或類似者。本發明的LED燈泡可進一步包括任何型態的連接器；例如，旋入螺旋(screw-in)基座、雙插腳連接器、標準二或三插腳牆壁插座插頭、卡口基座、愛迪生螺旋(Edison Screw)基座、單插銷基座、多插銷基座、凹入式基座、凸緣基座、開槽基座、側基座，或類似者。
此處所用的“液體”一詞指的是可以流動的物質。還有，充當熱傳導液體的物質是液體或至少在燈泡的操作環境溫度範圍內處於液體狀態。一個範例性溫度範圍包括介於-40℃至+40℃的溫度。還有，此處所用的“被動對流(passive convective flow)”指的是在無風扇或其它驅使熱傳導液體流動之機械裝置的協助下之液體循環。
圖1顯示範例性的LED燈泡100。LED燈泡100包含殼體102及底座104。包圍體積被界定在殼體102之中，該體積被熱傳導液體填充。
如圖1所示，在本範例性實施例中，複數個珠106被 設於殼體102之中，以減少殼體102之中所容納的熱傳導液體之量(更精確地是，界定在殼體102之的包圍體積)。該複數個珠106亦被建構成使得該熱傳導液體之被動對流存在殼體102之中。
圖2顯示範例性的LED燈泡200。然而，LED燈泡200被顯示為沒有複數個設於殼體202之中的珠，以顯示被圖1之複數個珠所遮蔽的結構。
類似於LED燈泡100(圖1)，LED燈泡200包含殼體202及底座204，並在一個以上的LED 206上方形成一包圍體積。殼體202可由任何透明或半透明之材料所製成，例如塑膠、玻璃、聚碳酸酯或類似者。殼體202可包含散佈遍及該殼體之色散材料，以分散藉由LED 206所產生之光線。該色散材料防止LED燈泡200顯現出具有一個以上的點光源。
例中，LED在某些實施例中，LED燈泡100可使用6 W以上的電功率以產生相當於40瓦白熾燈燈泡的光。在某些實施例中，LED燈泡100可使用20 W以上以產生相當於或超過75瓦白熾燈燈泡的光。當LED燈泡100被點亮時，介於4 W和16 W之間的熱能可被產生，取決於LED燈泡100的效率。
為方便起見，在本發明所提供的所有例子記載並顯示標準A型形式因子燈泡的LED燈泡200。然而，如上所述，吾人應該認知本發明可應用於具有任何形狀，如管狀燈泡、球形燈泡或類似者的LED燈泡。
如圖2所示，LED 206附著於LED安裝座208。LED安裝座208可由任何熱傳導材料、例如鋁、銅、黃銅、鎂、鋅或類似者所製成。由於LED安裝座208係由熱傳導材料所形成，藉由LED 206所產生之熱可以傳導方式傳送至LED安裝座208。如此，LED安裝座208可充當LED 206之散熱座或散熱器。
LED燈泡200被填充著熱傳導液體210以將由LED 206所產生的熱轉移至殼體130。傳導液體210可以是礦物油、矽油、乙二醇(PAG)、碳氟化合物，或其它可流動的材料。吾人希望所選的液體是非腐蝕性介電質。選擇此液體可減少液體導致短路和減少LED燈泡200之組件損壞的可能性。還有，吾人希望熱傳導液體210具有大的熱膨脹係數以促進被動對流。
如藉由圖3A-3C中之箭頭所示，熱透過被動對流從LED燈泡100中的LED 120被轉移開。特別是，圍繞著LED 120的液體單元吸收熱量，由於溫度增加而變得較不密集，並向上上升。一旦液體單元在頂部排出熱量並冷卻，它們變得較密集並下降至底部。
亦如由圖3A-3C中之箭頭所示，液體單元的運動，可以進一步被區分成往相同方向移動的液體單元之區域和死區(dead zone)302，即往相反方向移動的液體單元之間的區域。在死區302之內，在往一方向移動的液體單元和在往相反的方向移動的液體單元之間的剪力減緩死區302之內的液體對流，使得在死區140之內的液體可能沒有顯 著地參與的對流，無效率地將熱從LED 206帶走。然而，在死區302之內的熱傳導液體對於LED燈泡的總重量是有貢獻的。此外，當LED燈泡之溫度從室溫(例如，20-30℃之間)增加至操作溫度(例如，70-90℃之間)，死區302之內的熱傳導液體之熱膨脹於應該被容納。
再次參照圖1，如以上所討論，該複數個珠106被建構成使預定量的熱傳導液體位移，其減少該LED燈泡的殼體之中所容納之熱傳導液體的量。在本範例性實施例中，複數個珠106被顯示為分佈遍及該熱傳導液體。該珠106被懸浮在該熱傳導液體中，而不會附著於其他零組件或結構。該熱傳導液體之被動對流沿著藉由該複數個珠106間之空間所界定的路徑流動。以此方式，該LED能使用較小體積之熱傳導液體被冷卻。減少該熱傳導液體之量具有減少該LED燈泡之整個重量的優點。當該熱傳導液體在操作中膨脹時，減少該熱傳導液體之量亦減少將需要補償的體積之量。
該珠106之形狀可為球形。該珠106可具有比該殼體102之開口較小的尺寸，使得該珠106可被輕易地插入該LED燈泡。譬如，該珠106可具有由1毫米分佈至5毫米之尺寸。然而，那些熟諳此技術者將認知於其他形狀及尺寸中之珠同樣可被使用。於一些範例性實施例中，該複數個珠106可為單一分散的(monodisperse)，亦即它們具有相同之尺寸及形狀。於一些範例性實施例中，該複數個珠106可具有不同的尺寸及形狀。
該複數個珠106可為由堅硬的材料、例如塑膠或玻璃所製成，或它們可由可壓縮之材料所製成。由玻璃材料所製成之珠106具有比該熱傳導液體較小的熱膨脹係數，藉此減輕該體積膨脹問題。該複數個珠106可為由熱傳導材料所形成，藉此有利於由該等LED傳送熱至該殼體102及環繞該LED燈泡的空氣。該珠106較佳地係亦由對所使用之熱傳導液體為惰性的材料所製成。
該珠106可具有比該熱傳導液體較低的比重，藉此減少該LED燈泡之整體重量。然而，該珠106可具有與該熱傳導液體大約相同或較高的比重。雖然該LED燈泡之整個重量未被減少，該珠106確實減少所需要之熱傳導液體的量，其的確可做為減輕該體積膨脹問題的一範例。
該珠106可為透明、半透明、或反射性的。該珠106可被著色或塗佈著一材料，以改變該LED燈泡之光輸出的光譜。譬如，該珠106可包含一個以上磷光質粒子。
珠106可執行一光散射功能。譬如，該珠106可包含具有高折射率之散射粒子；譬如，二氧化鈦可被使用，其具有超過2.0之折射率。另一選擇係，該等散射之粒子可被懸浮在該熱傳導液體中；然而，這可僅只將該熱傳導液體限制於極性液體，因非極性液體通常無法使粒子充分懸浮。在該珠106能施行該光散射功能的方面來說，熱傳導液體之選擇將不再被限制於極性液體，藉此允許熱傳導液體之使用，該等熱傳導液體為更惰性，或具有大的熱膨脹係數，以有利於被動對流。
額外地，該珠106之折射率及該熱傳導液體的折射率能被選擇，以控制散射及光學損失之量。譬如，該珠106可為由一材料所製成，該材料之折射率大約與該熱傳導液體的折射率相同，以使散射及光學損失減至最小。如此，當該珠106之折射率及該熱傳導液體的折射率係大約相同時，行進經過該珠106及該熱傳導液體的光中之任何變化可為人類所不能感知的，且如此造成該珠106顯現為在該熱傳導液體之中看不見的。藉由增加該珠106之折射率及該熱傳導液體的折射率間之差異，該散射及光學損失能被增加。譬如，該珠106之折射率可為比該熱傳導液體的折射率至少0.05較大或較少。
珠106可進一步用作液體體積補償器，以當該溫度上昇時補償該熱傳導液體之體積膨脹。譬如，該複數個珠106可為由含有顯微氣泡之彈性體聚合物發泡材料所製成，其不會在受到壓縮時漏出。當該熱傳導液體加熱及膨脹時，該珠106可被壓縮，因為其氣泡係可壓縮的。該氣泡可具有接近光之波長的尺寸，使得該氣泡可用作該光散射粒子，且無需額外之散射材料(例如二氧化鈦)。
如圖4A及4B所顯示，該複數個珠106可分別為實心的珠402或中空的珠404。如果該珠比較於空氣或該熱傳導液體具有一較高的熱傳導性，實心的珠402可傳送更多熱離開該LED。在另一方面，中空的珠404能以更少之材料位移較大量的熱傳導液體，其可轉換成用於該LED燈泡之較低的成本及較低的重量。
圖4C顯示又另一範例性之複數個珠406。該複數個珠406具有複數個位在其表面上之凸出部408、亦即小的尖端或突出部份。如圖5所示，如果在一珠406上之凸出部408接觸在另一珠406上之凸出部408，則該二珠406可被進一步隔開，提供用於該熱傳導液體之額外的流動路徑，以由該LED熱源遷移至該殼體。如果在一珠406上之凸出部408接觸另一珠406之平坦表面，則該二珠406可被較接近在一起地隔開，位移更多液體及減少該LED燈泡之整個重量。再次參考圖4C，該等凸出部408可使該珠406及該LED燈泡的其他零組件間之表面接觸減至最小，該等零組件包含該等LED、該殼體、該LED安裝座或類似者。應被認知的是具有該複數個凸出部408之珠406可為實心的或中空的，且具有各種形狀及尺寸。
再次參考圖2，LED燈泡200可包含一連接器底座218。該連接器底座218可被建構成接配於電插座之中及與該電插座造成電接觸。可設計該電插座之尺寸，以承納白熾燈泡、CFL、或其他標準電燈泡，如在該技術中所習知者。於一範例性實施例中，該連接器底座218可為包含一系列螺絲螺紋220及一底座接腳222的旋入式底座。該旋入式底座經過其螺絲螺紋220及其底座接腳222與該交流電源造成電接觸。然而，應被認知的是該連接器底座218可為任何型式之連接器。
LED燈泡200可包含散熱器底座216。該散熱器底座216可為熱耦接至該殼體202、LED安裝座208、及該熱 傳導液體210的一個以上，以便將藉由該等LED所產生之熱傳導至該散熱器底座216而被消散。該散熱器底座216可為由任何熱傳導材料、例如鋁、銅、黃銅、鎂、鋅等所製成。
雖然僅只某些範例性實施例已在上面被詳細地敘述，那些熟諳此技術者將輕易地了解於該範例性實施例中之很多修改係可能的，而不會實質地脫離本發明之新穎教導及優點。譬如，上面所揭示之實施例的態樣能被組合於其他組合中，以形成額外之實施例。據此，所有此等修改係意欲被包含在本發明之範圍內。
100‧‧‧LED燈泡
102‧‧‧殼體
104‧‧‧底座
106‧‧‧珠
200‧‧‧LED燈泡
202‧‧‧殼體
204‧‧‧底座
206‧‧‧LED
208‧‧‧安裝座
210‧‧‧熱傳導液體
216‧‧‧散熱器底座
218‧‧‧連接器底座
220‧‧‧螺絲螺紋
222‧‧‧底座接腳
302‧‧‧死區
402‧‧‧珠
404‧‧‧珠
406‧‧‧珠
408‧‧‧凸出部
藉由參考以下敘述連同隨附圖式，本申請案可被清楚地了解，圖式中類似的元件可以類似的數字指示。
圖1顯示複數個設於一範例性LED燈泡之珠。
圖2顯示一範例性LED燈泡，其未設有上圖所示之複數個珠。
圖3A-3C分別顯示直立、側向及巔倒定位的範例性LED燈泡之之中中的被動對流。
圖4A顯示一範例性實心珠。
圖4B顯示一範例性中空珠。
圖4C顯示另一範例性珠。
圖5顯示複數個彼此毗連的範例性珠。
100‧‧‧LED燈泡
102‧‧‧殼體
104‧‧‧底座
106‧‧‧珠

Claims (18)

  1. 一種LED(發光二極體)燈泡，包括：底座；殼體，連接於該底座；至少一LED安裝座，設於該底座之中；至少一LED，附著於該至少一LED安裝座；熱傳導液體，其被容納在該殼體之中，其中該LED及該LED安裝座浸入該熱傳導液體中；以及複數個珠，懸浮在該熱傳導液體中，其中該複數個珠被建構成使預定量之熱傳導液體位移以減少該殼體之中所容納之該量的熱傳導液體。
  2. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該複數個珠被建構成使該熱傳導液體通過該複數個珠之間的空間從該LED安裝座被動地對流至該殼體的之中表面。
  3. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠之形狀為球形。
  4. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠之尺寸被設計成可通過該殼體之開口。
  5. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠為透明的、半透明的、或反射性的。
  6. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠被著色或塗佈著一材料以改變該LED燈泡之光線輸出的光譜。
  7. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠為實 心的。
  8. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠為中空的。
  9. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠具有位在該珠的表面上之凸出部。
  10. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠含有散射劑，以散射光線。
  11. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠是可壓縮的，且其中該珠回應於該熱傳導液體之膨脹而被壓縮。
  12. 如申請專利範圍第11項之LED燈泡，其中該複數個珠具有氣泡，該氣泡不會在受到壓縮時漏出。
  13. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠是由一材料所形成，該材料之折射率大約與該熱傳導液體的折射率相同。
  14. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠是由一材料所形成，該材料之折射率至少大於或小於該熱傳導液體之折射率達0.05。
  15. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠之比重大約與該熱傳導液體的比重相同。
  16. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠之比重大於或小於該熱傳導液體的比重。
  17. 如申請專利範圍第1項之LED燈泡，其中該珠包括一個以上磷光質粒子。
  18. 一種製造具有一個以上LED的LED燈泡之方法，包括：以熱傳導液體填充該LED燈泡之殼體；以及在該LED燈泡的殼體之中插入複數個珠，其中該複數個珠被建構成使預定量之熱傳導液體位移以減少該殼體之中所容納之該量的熱傳導液體。
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