TW201326657A - 發光二極體燈泡 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體燈泡，包括一光學部、一散熱部及一電氣部；其中光學部包括設在一基座上且包含至少一發光二極體的光源及罩蓋該光源的一上球泡；散熱部包括一管段及由一下球泡環設並密封在該管段周圍的一腔室，該管段的一端與基座接合並將該端密封，該腔室內填充有冷卻劑；電氣部包括設在背向光源端的一螺旋燈頭及設在管段內並與灌入的導熱膠固化的一電路板。

Description

發光二極體燈泡

本發明係涉及一種發光二極體燈泡，尤係關於一種具有高散熱效率的發光二極體燈泡。

傳統的照明光源能耗較大且光效甚低，而發光二極體(Light Emitting Diode, LED)以其高光效、節能、長壽、環保(不含汞)、低電壓驅動、低溫發光、啟動快、體積小、出光指向性強、耐震及抗衝擊等優點，具有廣泛取代傳統照明光源的潛力。

唯將LED應用於照明裝置必須配合高效率的散熱機構，以降低LED的溫度，才能發揮上述諸多優點。否則，LED的光效及使用壽命將大打折扣，影響所及將使採用LED光源的照明裝置的節能效果不彰，並直接衝擊該照明裝置的可靠度，引發嚴重的光衰甚至使照明裝置失效；因此，了解LED燈具發熱原因和熱傳路徑，運用合理的熱傳材料和科學的散熱解熱方案，對於推動LED照明起到一個非常重要的作用。

習知LED燈泡的散熱方式一般需將光源釋出的熱量透過較長導熱路徑傳輸至散熱器表面的較大面積，再與外界的較冷空氣接觸來散熱，為此，所使用的散熱器通常大且重，以致使LED燈泡欲小不易；再由於習知LED燈泡一般需沿導熱路徑建立較大的溫度梯度(temperature gradient)來驅動導熱以實現散熱的目的，唯此時除了會造成散熱器的負荷不均勻而無法充分利用散熱器表面的較大散熱面積外，且通常會使LED光源過熱而大幅降低光效並易導致光衰；又由於受限於普遍使用傳統燈泡的既有尺寸及既有燈座所能承載的重量，為防範過熱、過大及過重，上述習知LED燈泡的光源通常只能侷限在較小的輸出功率，也往往因此成為照明不足的LED燈泡；另外，上述習知LED燈泡一般僅偏重在LED光源的散熱卻忽略電路板的散熱，以致電路板可能因經常身處過熱狀態而對電子元件造成加速老化的致命傷害，不利於LED燈泡的壽命與穩定性；以上習知LED燈泡的諸多缺點如不能有效克服，將降低人們以LED燈泡取代傳統燈泡的意願，弱化LED燈泡的實用性。

鑒於此，有必要提供一種外觀輕巧且具有高散熱效率的高光效發光二極體燈泡。

該高效能發光二極體燈泡，包括一光學部、一散熱部及一電氣部；其中光學部包括設在一基座上且包含至少一發光二極體的光源及罩蓋該光源的一上球泡，用以提供所需的照明分佈、發光特性及對光源的保護；散熱部包括一管段及由一下球泡環設並密封在該管段周圍的一腔室，該管段的一端與基座接合並將該端密封，該腔室內填充有冷卻劑，用以提供光源與電氣部高效能的降溫散熱；電氣部包括設在背向光源端的一螺旋燈頭及設在該管段內並與灌入的導熱膠固化的一電路板，用以提供光源所需的驅動電源、控制電路及電源管理，所述以玻璃或高透光高強度塑化材質製作並結合為一體的上球泡與下球泡形成與白熾燈泡相同的外觀。

在上述發光二極體燈泡中，電路板藉由導熱膠與管段固化在一起，電路板釋出的熱量透過固化的導熱膠傳導至該管段，然後經由腔室的冷卻劑傳遞到外界，從而提高發光二極體燈泡的壽命。

以下參照圖1至圖4，對本發明發光二極體燈泡予以進一步說明。

圖1與圖2係分別為本發明發光二極體燈泡較佳實施例的組裝剖面圖與圖1中光引擎的組裝剖面圖；該發光二極體燈泡主要包括一光學部1、一散熱部2及一電氣部3。

光學部1係設置在散熱部2與電氣部3前方，包括一光源10a及一上球泡20a，該上球泡20a為將光源10a罩設於內的透光罩蓋，用以提供所需的照明分佈、發光特性及對光源10a的保護；該光源10a包括由導熱性佳材質製作的ㄧ基板12及設在該基板12上的至少一發光二極體11，其中所述發光二極體11係由至少一發光二極體晶片經透明封裝形成，該光源10a的基板12與散熱部2的基座22a之間塗抹ㄧ層熱界面材料(TIM)並使二者緊密熱接觸；該光源10a的發光可由一組電線33a分別連接光學部1的光源10a輸入端與電氣部3的電路板31輸出端，及由另一組電線33b分別連接該電路板31的輸入端與連接外部電源的螺旋燈頭32達成。

散熱部2包括設在光學部1後端中央的一管段21及由與上球泡20a結合的下球泡20b，該下球泡20b環設並密封在該管段21周圍形成一密封的腔室24；其中該管段21的一端與由導熱性佳材質製作的ㄧ基座22a接合並將該端密封，該管段21的外周面緊密貼設有多孔隙毛細結構28，該毛細結構28由多層緊密堆疊的緻密金屬網線交錯形成，亦可由金屬粉沫燒結形成，或在管段21的外壁面製作複數微細溝槽形成，或該等形成毛細結構28方式的組合；該腔室24漸縮的底端係由該下球泡20b與管段21底端的底板23接合密封，該腔室24漸擴的頂端則由一呈圓環錐面的隔板27分別以其內孔接合於管段21的頂端，並以該隔板27外緣接合於該下球泡20b的頂端，從而該隔板27將光學部1與散熱部2隔絕，並在該下球泡20b與管段21之間形成一環狀的密封空間，而該下球泡20b成為與外界較冷空氣接觸的腔室24外殼；該毛細結構28內填充有液態冷卻劑26，用以提供光源10a與電氣部3高效能的降溫散熱，為達較佳的散熱效果，該腔室24還可抽至一定的真空度。

電氣部3包括設在背向光源10a端的一螺旋燈頭32及設在管段21內的一電路板31，用以提供光源10a所需的驅動電源、控制電路及電源管理；在電路板31與管段21之間的空隙用導熱性佳的電絕緣封膠29填實並予以固化，以使電路板31的發熱量透過該封膠29傳導至管段21；在該管段21的底端以一直徑較大的底板23密封，使該底板23的外緣略凸出於該管段21的底端，該電路板31以二組電線33a,33b分別與光源10a及螺旋燈頭32連接，當該螺旋燈頭32螺鎖於連通外部電源的燈座(圖未示)時實現對光源10a的供電；該上球泡20a與下球泡20b結合成為和習知燈泡的整體外形相同，其中上球泡20a為將光源10a罩設於內的透光罩蓋，下球泡20b的最小末端直接與燈頭32密封接合，從而下球泡20b成為散熱部2的腔室24外殼。

當該發光二極體燈泡朝上出光時，由光源10a釋出的熱量透過基座22a傳導至管段21，由電路板31釋出的熱量透過固化的封膠29亦傳導至該管段21，所述管段21的外壁為佈設毛細結構28的蒸發區40，使蘊含在毛細結構28中的液相冷卻劑26吸收上述熱量而迅速汽化升壓，成為攜帶蒸發潛熱(latent heat)的高熱焓(enthpy)飽和蒸汽，並快速膨脹而充滿腔室24中具有較低壓與低流阻的環狀蒸汽通道41，由於該飽和蒸汽隨吸熱量的大小會在腔室24中形成對應的飽和蒸汽壓，從而使充滿飽和蒸汽的腔室24內迅速而均勻地達到對應的飽和溫度，並透過該下球泡20b的外周壁面與外界較低溫空氣接觸而散熱，使該下球泡20b的內壁面形成腔室24中較所述飽和溫度為低的冷凝區42，以使腔室24內的飽和蒸汽與較低溫的該冷凝區42接觸時迅速將所述蒸發潛熱釋放至大氣，並將該飽和蒸汽冷凝成為具有飽和溫度的液相冷卻劑26，隨即在重力導引下沿腔室24中該下球泡20b的內壁面逐漸滑落至漸縮的腔室24，並被毛細結構28吸附，在上述重力導引的過程中液相冷卻劑26繼續降溫以釋出顯熱(sensible heat)成為低於飽和溫度的次冷(subcooled)液相冷卻劑26，並透過毛細結構28所提供足以抗衡重力的毛細力，將已降溫的液相冷卻劑26再度輸送至具有較高溫的管段21外壁面，以吸收光源10a與電路板31所釋出的熱量。

本發明發光二極體燈泡透過所述腔室24中的相變化(phase change)現象，使其中的冷卻劑26自發(passive)產生蒸發與冷凝的交替循環機制，並透過在腔室24外殼的外周壁面上冷熱空氣間的密度差所產生的自然對流，以將光源10a與電路板31所釋出的熱量一併散至大氣，達到週而復始地持續進行高速且高效的傳熱與散熱循環，以致整個腔室24中恆常維持在近乎零溫度梯度(zero temperature gradient)的均勻低溫狀態，從而實現同時解決光源10a與電路板31兩大熱源的散熱問題，確保本發明發光二極體燈泡的高光效、低光衰、恆穩定及長壽命。

相較於習知發光二極體燈泡的散熱方式，通常是將光源貼近散熱器的基座，並將釋出的熱量傳導至基座周邊較大散熱面積的鰭片，唯上述傳統的散熱方式一般需經由較長導熱路徑才能將光源的熱量傳導至鰭片，因此必須以較高的溫度梯度作為導熱的驅動力，導致必須在熱源建立較高的溫度，當該溫度超過發光二極體或電氣元件的工作容許值，將加速引發光衰而大幅縮短壽命。

相較於未抽真空的液冷散熱方式，由於液態冷卻劑26的熱焓值較蒸汽低許多，且腔室24中的其餘空間因充滿高熱阻的空氣，該空氣除阻礙液態冷卻劑26與外殼壁面的散熱面積外，更因即使產生部分蒸汽亦因充滿高熱阻的空氣而無法均勻充滿整個腔室24，以致大幅降低散熱效率。

顯然，前述將發光二極體燈泡朝上出光時是散熱效果最差的狀況，在實際應用中一般多為朝下出光，由於此時液態冷卻劑26透過毛細力與重力的雙重導引，以及在腔室24中靠近光學部1的下球泡20b內側朝向基座22a的隔板27設置成匯聚的錐面，可導引冷凝液回流至基座22a與管段21的交界處，及時被毛細結構28吸附而就近發揮相變化冷卻散熱效果，從而可在腔室24內建立更低的均勻操作溫度。

本實施例的所述上球泡20a、下球泡20b、管段21、底板23及隔板27的材質可以是玻璃或聚碳酸樹酯（LEXAN R)，以便透過玻璃熔接工藝或膠合工藝達到較佳的結合與密封效果，上述材質製成的上球泡20a、下球泡20b及隔板27具有較佳的透光性，除可克服習知發光二極體燈泡的出光範圍遠較白熾燈泡為窄的缺點外，又由於習知發光二極體燈泡通常需使用金屬散熱器，且在該散熱器與燈頭32之間的接合還必需設置由電絕緣材質製成的接合件，顯然本發明發光二極體燈泡兼具重量輕、體積小、製程簡、成本低等優點；尤其因聚碳酸樹酯具有良好的成形性、安定的化性、耐溫性及遠優於玻璃與亞克力的耐衝擊性，可優化燈體的整體結構；另外，為使光源10a與電路板31的發熱量得到較佳的傳導至管段21的表面，該管段21的材質亦可採用導熱性佳的金屬或多孔隙的燒結材質；其中以多孔的燒結材質作成的管段21還可以省略在管段21外周面緊密套設一由緻密金屬網線交錯形成的毛細結構28，由於多孔隙的燒結材質所產生的毛細力遠優於緻密金屬網線交錯形成的毛細結構28，從而可使發光二極體燈泡進一步擴充光源10a的輸出功率以強化照明需求。

本發明中的冷卻劑26係採用具有易汽化、低沸點及高潛熱的環保流體，例如酒精、冷凍劑、純水等，如將該腔室24抽至適當的真空更可實現在低溫時即可使該冷卻劑26產生相變化，從而在腔室24中可隨光源的輸出功率或操作溫度的變化而自發產生對應的蒸汽量，藉由相變化的潛熱交換達到高效熱傳的功效，從而可實現燈泡的輕巧化及恆常維持在均勻的低溫下運作。

本實施例較佳的組裝方式之一為：首先，將設有發光二極體11的基板12固定在基座22a的一側上，並以光源10a的該基座22a另一側嵌裝密封在管段21頂端的預定位置，且在管段21的外周面緊密套設一由緻密金屬網線交錯形成的毛細結構28；在將電路板31裝入該一端已封口的管段21前，先將欲在隨後連接至基板12上的一組電線33a連接至電路板31，並將欲在隨後連接至螺旋燈頭32的另一組電線33b連接至電路板31後從該底板23沿對應通孔伸出；在將電路板31裝入管段21的過程中，先將該組電線33a沿貫通基座22a與基板12的預設對應通孔朝光學部伸出後，再將底板23上的電路板31推入管段21內，直到該底板23與管段21的開口端面接觸並使底板23的凸緣34卡入管段21的內壁；然後由底板23上預設的通孔(圖未示)將封膠29注滿管段21內並予以固化，隨即將該組電線33a焊接在基板12的電極(圖未示)，使光源10a結合內設電路板31外設毛細結構28的管段21成為一光引擎25；然後，將該光引擎25以光源10a朝上由下球泡20b的小開口端裝入，直到該底板23周緣的凹槽35卡入下球泡20b的小開口端，再將隔板27的中心孔套接並密合在管段21靠近基座22a的端緣，同時使隔板27的外緣與下球泡20b的大開口端接合，以使下球泡20b與光引擎25的管段21之間形成ㄧ環狀的密封腔室24，再自隔板27預留的孔洞(圖未示)將腔室24注入定量的液態冷卻劑26後封閉，亦可利用同一孔洞將腔室24抽至真空後再予以封閉；再則，以傳統白熾燈泡的相同製程工藝將已連接電路板31的一組電線33b分別封焊在所述螺旋燈頭32上，並將該螺旋燈頭32的開口端封焊在下球泡20b的小開口端，在此過程中該電線33b亦可用銅裸線取代，以便採用與傳統白熾燈泡相同的製程工藝將該銅裸線被覆在玻璃柱中以達到支撐光引擎25及銅裸線間的電絕緣保護；最後，將上球泡20a罩設在出光側並與下球泡20b結合，以完成本發明的發光二極體燈泡。

在上述燈泡組裝過程中，銜接光引擎25、下球泡20b及燈頭32係由電絕緣材質製成的底板23達成；其中除了底板23上的凸緣34作為組裝光引擎25時將管段21定位，底板23上的凹槽35作為將光引擎25進一步與下球泡20b組裝的定位外，在底板23上還分別留有管段21、下球泡20b及燈頭32之間的防短路及觸電的安全間距，使得下球泡20b與管段21除可使用前述的玻璃或聚碳酸樹酯等透光性佳的電絕緣材質外，亦可使用導熱性佳的金屬材質，以進一步強化散熱能力。尤其，當該管段21採用多孔隙金屬燒結材質時，不但可省略在管段21外周面緊密套設一毛細結構28而可簡化製程、降低成本、實現輕巧化外，且由多孔隙燒結材質所產生較強的冷卻液輸送毛細力而可使發光二極體燈泡進一步擴充光源10a的輸出功率以強化照明需求。

本發明提供一種具有高效散熱循環結構的發光二極體燈泡，透過光引擎25一併將光源10a與電路板31的熱量快速導引至腔室24的冷卻劑26，以使腔室24中持續產生液/汽雙相變化的潛熱交換循環，實現燈泡持續在均勻低溫下運作，發揮高光效、低光衰、恆穩定、長壽命效益。

本發明提供一種具有隨功率調變而迅速自發調整散熱能力的發光二極體燈泡，透過冷卻劑26持續在腔室24中的高效潛熱交換循環，實現自動調節腔室24中的相變化程度，以滿足不論在分段或無段的智能調光應用，並發揮高效散熱的節能減排效益。

本發明提供一種適量產、輕巧化及降成本的發光二極體燈泡，透過整合基座22a至管段21的導熱、腔室24的均熱及毛細結構的冷卻液輸送功能，實現簡化製程、輕巧外觀、擴充光源功率、精簡成本的效益。

圖3與圖4分別為本發明發光二極體燈泡中另一種光源10b,10c的組裝示意圖；其與前述實施例的主要區別在於：提供一立體光源10b,10c，該光源10b,10c包括由導熱性佳材質製作的ㄧ平截頭四菱錐體(frustum of a square pyramid)的基座22b,22c以取代前述圓盤狀的基座22a，該基座22b,22c朝向上球泡20a的矩形頂面與四個梯形傾斜面分別貼設一基板12，各基板12上至少貼設一發光二極體11，該基座22b,22c背向上球泡20a的圓盤狀底座具有與前述基座22a相同的形狀與尺寸，以該底座嵌入管段21的一端使該底座的周邊密貼於管段21的內壁，以便藉由基座22b,22c吸納光源10b,10c的熱量並傳導至管段21，透過腔室24中冷卻劑26的相變化持續移除該光源10b,10c發光時釋出的熱量，從而使所述立體光源10b,10c所發出由不同位置與角度的光線形成ㄧ範圍較廣且更接近傳統白熾燈泡的照明分佈。

上述立體光源10b還可依據不同的照明與配光需求，將該基座22b,22c設置成其他形狀的多面體(polyhedron)，如菱錐體(pyramid)、菱柱體(prism)等。

本發明提供ㄧ種包含多面體基座之立體光源，該基座的複數傾斜面係朝向上球泡20a，並於該傾斜面上貼設至少一發光二極體11，從而使該立體光源由不同方位發出的光線在光學部1先進行立體配光，再透過具有配光功能的上球泡20a射出，發揮多重配光的功效，以達到更靈活多元的照明配光。

由上述的實施方式已進一步清楚說明本發明的技術特徵及達成之功效，包括：

1)本發明提供一種結合玻璃或塑膠工藝製造的發光二極體燈泡，實現不同功率的LED燈泡具有與傳統燈泡相似的外觀。

2)本發明提供一種具有高效散熱結構的發光二極體燈泡，實現持續在均勻低溫下運作，發揮高光效、恆穩定及長壽命效益。

3)本發明提供一種具有隨功率調變而自發調整散熱能力的發光二極體燈泡，滿足智能調光應用，發揮節能減排效益。

4)本發明提供一種大發光角的發光二極體燈泡，克服習用發光二極體燈泡小發光角的缺點，實現均勻出光的通用照明要求。

5)本發明提供一種適量產、造價低、輕巧化的發光二極體燈泡，實現簡化製程、擴充光源功率及精簡成本的效益。

綜上所述，本發明確已符合發明專利要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明的較佳實施例，自不能以此限制本案的申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝人士援依本發明的精神所作的等效修飾或變化，皆應涵蓋於本案的申請專利範圍內。

1．．．光學部

10a,10b,10c．．．光源

11．．．發光二極體

12．．．基板

2．．．散熱部

20a．．．上球泡

20b．．．下球泡

21．．．管段

22a,22b,22c．．．基座

23．．．底板

24．．．腔室

25．．．光引擎

26．．．冷卻劑

27．．．隔板

28．．．毛細結構

29．．．封膠

3．．．電氣部

31．．．電路板

32．．．燈頭

33a、33b．．．電線

34．．．凸緣

35．．．溝槽

40．．．蒸發區

41．．．蒸汽通道

42．．．冷凝區

圖1係本發明第一實施例的組裝剖面圖。

圖2係圖1中光引擎的組裝剖面圖。

圖3係本發明另一種光源的組裝剖面圖。

圖4係本發明又一種光源的組裝剖面圖。

1．．．光學部

10a．．．光源

2．．．散熱部

20a．．．上球泡

20b．．．下球泡

21．．．管段

23．．．底板

24．．．腔室

25．．．光引擎

26．．．冷卻劑

27．．．隔板

28．．．毛細結構

3．．．電氣部

31．．．電路板

32．．．燈頭

33a、33b．．．電線

34．．．凸緣

35．．．凹槽

40．．．蒸發區

41．．．蒸汽通道

42．．．冷凝區

Claims (18)

1. 一種發光二極體燈泡，包括一光學部、一散熱部及一電氣部；其中光學部包括設在一基座上且包含至少一發光二極體的光源及罩蓋該光源的一上球泡，用以提供所需的照明分佈、發光特性及對光源的保護；散熱部包括一管段及由一下球泡環設並密封在該管段周圍的一腔室，該管段的一端與基座接合並將該端密封，該腔室內填充有冷卻劑，用以提供光源與電氣部高效能的降溫散熱；電氣部包括設在背向光源端的一螺旋燈頭及設在該管段內並與灌入的導熱膠固化的一電路板，用以提供光源所需的驅動電源、控制電路及電源管理。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中所述上球泡與下球泡以玻璃或聚碳酸樹酯製作並結合為一體，從而形成與白熾燈泡相同的外觀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中所述管段的材質為玻璃或聚碳酸樹酯。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中所述管段的材質為導熱性佳的金屬。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中所述管段的材質採用多孔隙的燒結材質。
6. 如申請專利範圍第3項至第4項任意一項所述之發光二極體燈泡，其中該管段的外周面緊密貼設有多孔隙毛細結構。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體燈泡，該多孔隙毛細結構由多層緊密堆疊的緻密金屬網線交錯形成，或由金屬粉沫燒結形成，或在管段的外壁面製作複數微細溝槽形成，或上述毛細結構的組合。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中該管段的底端由一底板密封，底板的外緣略凸出於該管段的底端。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體燈泡，其中該底板與管段的接觸面設置有一凸緣，該凸緣卡入管段的內壁面以實現管段與底板之間的定位。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體燈泡，其中該底板的周緣進一步設置有凹槽，該凹槽卡入下球泡的下開口端以實現下球泡與底板之間的定位。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體燈泡，其中該底板由電絕緣材質製成，以使管段、下球泡與底板之間實現電性絕緣。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中該冷卻劑包括酒精、冷凍劑或者純水。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中該基座為平截頭多面菱錐體形狀，該基座朝向上球泡的頂面與多個梯形傾斜面分別貼設一基板，各基板上至少貼設一發光二極體。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中，該基座為菱錐體或菱柱體。
15. 如申請專利範圍第13項或第14項任意一項所述之發光二極體燈泡，其中，該基座具有背向上球泡的圓盤狀底座，該底座嵌入管段的一端使該底座的周邊密貼於管段的內壁。
16. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中該腔室漸縮的底端係由該下球泡與管段底端接合密封，該腔室漸擴的頂端則由一呈圓環錐面的隔板分別以其內孔接合於管段的頂端，並以該隔板外緣接合於該下球泡的頂端，從而使該隔板將光學部與散熱部隔絕，並在該下球泡與管段之間形成一環狀的密封空間，而該下球泡成為與外界較冷空氣接觸的腔室外殼。
17. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中該腔室為真空腔室。
18. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體燈泡，其中該光源包括基板及設在該基板上的至少一發光二極體，該光源的基板與基座之間塗抹ㄧ層熱界面材料並使基板及基座形成緊密熱接觸。