TW201522856A - 用於天井ｌｅｄ裝置的散熱片、天井ｌｅｄ裝置及彼等之使用方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種散熱片，其包含一基底、該基底上及自該基底垂直延伸之主要散熱凸片及該基底上之一無散熱凸片區。該等主要散熱凸片各具有一第一臂、與該第一臂相接以形成一主要散熱凸片底部之一第二臂及延伸遠離該主要散熱凸片底部之一柄。該散熱片特定言之適用於一天井LED裝置，其中散熱片上具有一分子扇形塗層。

Description

用於天井LED裝置的散熱片、天井LED裝置及彼等之使用方法
散熱片為用於被動熱耗散之裝置。散熱片典型地與其中基本裝置之熱耗散不足以將溫度維持在所要範圍內的電子裝置一起使用。發光二極體(light emitting diode；LED)、尤其用於室內及室外照明之彼等者需要散熱片用於最佳運行。
散熱片對LED之運行可具有顯著影響。LED之接面溫度的變化可影響LED之壽命及能效，其中低溫延長壽命且增加能效。此外，由於LED之效率增加，LED之平衡亮度將亦隨著接面溫度降低而更大。
用於LED或其他電子裝置之典型散熱片經設計以最大化表面積以便最大化自電子裝置至周圍空氣之熱傳遞。熱藉由傳導至散熱片中而抽離電子裝置。接著散熱片主要藉由對流將熱耗散至周圍空氣中。典型散熱片之設計因此使用高導熱材料用於散熱片本體，且最大化表面積以最大化與周圍空氣的接觸。此外，散熱片之形狀將典型地包括垂直排列型銷、散熱凸片或槽，其將允許與散熱片接觸的暖空氣上升且自該電子裝置流走。儘管散熱片將亦藉由輻射來耗散熱，但在設計中通常忽略此因素，因為咸信，藉由在正常溫度(0℃至100℃)下輻射來耗散熱與藉由對流耗散熱相比通常較少。
分子扇形物為可塗覆至表面以增加基板表面發射率且因此藉由輻射提高「主動」熱耗散之塗層。該等塗層描述於美國專利第 7,931,969號(Lin，2011年4月26日)及第8,545,933號(Lin，2013年10月1日)中。分子扇形物利用由不同振動狀態之間的轉變產生的離散分子(與延伸固體相反)之紅外線中的高發射率。分子扇形物將包括奈米粒子以增加表面積、及功能化奈米材料以在塗層之表面上提供離散分子，當離散分子在不同振動狀態之間轉變時將輻射紅外光。在固化時硬化的乳液亦包括於分子扇形塗層材料中以使奈米粒子及功能化奈米材料黏附於裝置或散熱片之表面上。分子扇形塗層提供良好的表面硬度，提供耐指紋性，抑制腐蝕且易於清潔。
將分子扇形物塗覆至典型散熱片之表面上將增加熱耗散。然而，典型散熱片經設計以藉由對流而非輻射來最大化熱耗散，且包括遠離裝置或散熱片不輻射之表面，允許輻射被再吸收。因此，將分子扇形物塗覆至典型的散熱片之該等表面上並不顯著改進自彼等表面的熱耗散。
在第一態樣中，本發明包括一種散熱片，其包含一基底、該基底上及自該基底垂直延伸之主要散熱凸片及該基底上之無散熱凸片區。該等主要散熱凸片各具有一第一臂、與該第一臂相接以形成一主要散熱凸片底部之一第二臂及遠延伸離該主要散熱凸片底部之一柄。
在第二態樣中，本發明包括一種複合散熱片，其包含一基底、該基底上及自該基底垂直延伸之主要散熱凸片及該基底上之複數個無散熱凸片區。該等主要散熱凸片各具有一第一臂、與該第一臂相接以形成一主要散熱凸片底部之一第二臂及延伸遠離該主要散熱凸片底部之一柄。該等主要散熱凸片中之至少一者具有22.5°至45°之開度角，且該等主要散熱凸片安置於無散熱凸片區周圍，其中各主要散熱凸片之柄朝該等無散熱凸片區中之一者定向。
在第三態樣中，本發明包括一種天井LED裝置，其一包含LED、 與該LED熱耦合之一散熱片、圍繞該LED之一透鏡及圍繞該透鏡之一反射器。基底之無散熱凸片區位於LED的正上方。
在第四態樣中，本發明包括一種天井LED裝置，其包含多個LED，與該等LED熱耦合之一散熱片、圍繞該等LED之一透鏡及圍繞該透鏡之一反射器。基底之無散熱凸片區位於各LED的正上方。
在第五態樣中，本發明包括一種產生光之方法，其包含施加電流至天井LED裝置。
定義
「天井LED裝置」意謂藉由LED產生光用於廣角照明之裝置。該裝置可在AC或DC電流上運行。
「散熱片」意謂用於自諸如LED之電子裝置被動耗散熱之裝置。
本申請案中所用的描述散熱片及天井LED裝置之不同部件及其相對定向之方向及定向為關於散熱片之基底朝地面之定向，其中散熱凸片自基底垂直向上上升，且LED在基底下方，向下投射光。在實際使用中，散熱片及天井LED裝置可在任何方向上定向。
10‧‧‧第一散熱片
20‧‧‧主要散熱凸片
22‧‧‧次要散熱凸片
24‧‧‧基底
26‧‧‧基底對流孔
28‧‧‧次要散熱凸片對流孔
30‧‧‧主要散熱凸片對流孔
32‧‧‧第一臂
34‧‧‧第二臂
36‧‧‧柄
38‧‧‧主要散熱凸片底部
40‧‧‧基底之無散熱凸片區
42‧‧‧開口端
43‧‧‧外端
44‧‧‧主要散熱凸片之開度角
46‧‧‧次要散熱凸片角
48‧‧‧主要散熱凸片之臂之長度
49‧‧‧次要散熱凸片之長度
50‧‧‧天井LED裝置
52‧‧‧反射器
54‧‧‧托架
56‧‧‧透鏡
58‧‧‧散熱片
60‧‧‧導熱膏
62‧‧‧連接器
100‧‧‧第二散熱片
200‧‧‧第三散熱片
此等及其他特徵件自以下參考附圖之描述將變得更顯而易見，該等圖式僅出於說明之目的且並不意欲以任何方式為限制性，其中：圖1說明第一散熱片之透視圖。
圖2說明用於散熱片之主要散熱凸片。
圖3說明第一散熱片之俯視圖。
圖4說明天井LED裝置之透視圖。
圖5說明圖4之天井LED裝置之分解圖。
圖6說明第二散熱片之透視圖。
圖7說明第二散熱片之俯視圖。
圖8說明第三散熱片之透視圖。
圖9說明第三散熱片之俯視圖。
圖10至圖13展示了各種具有本申請案之散熱片或比較例散熱片、塗佈有或未塗佈有分子扇形物之天井LED裝置之接面溫度(Tj)之實驗結果。用於此等實例的散熱片之設計及其他特徵件展示於該等圖的右側中。
本發明利用對於當分子扇形塗層存在時藉由輻射最佳利用熱耗散，同時仍維持藉由對流顯著熱耗散且傳導熱遠離電子裝置之散熱片形狀之發現。散熱片形狀利用由塗佈於散熱片表面上之分子扇形物提供的高發射率。當與天井LED裝置中之LED熱耦合時，實現能效之急劇增加，連同在裝置壽命一起增加。此外，裝置之平衡亮度增加且重量實質上降低。例如，如圖10中所示，100W的LED裝置之裝置重量自1.57kg降至0.86kg，且如圖12中所示，300W的LED裝置之裝置重量自4.76kg降至3.14kg。本申請案之散熱片可不僅適合用於天井LED裝置，且亦適合用於其他諸如PAR 38與MR 16之LED裝置以及其他諸如CPU與圖形加工單元(graphics processing unit；GPU)之電子裝置。
散熱片包括(i)基底，(ii)LED正上方之基底的無散熱凸片區；及(iii)複數個主要散熱凸片，各主要散熱凸片自基底垂直地延伸且包括第一臂與第二臂，及在散熱凸片之基底處與臂相接之柄，其中第一臂與第二臂亦相接。視情況，散熱片亦可包括以下特徵件之1個、2個或3個：(iv)複數個次要散熱凸片，各次要散熱凸片具有片形形狀且自基底垂直地延伸；(v)於基底中之對流孔，且在主要散熱凸片下方延伸；及(vi)於主要散熱凸片及/或次要散熱凸片中之對流孔。
圖1說明第一散熱片10之透視圖。該散熱片包括6個主要散熱凸片20、12個次要散熱凸片22、基底24、4個基底對流孔26、各次要散熱凸片中的次要散熱凸片對流孔28及各主要散熱凸片中的2個主要散 熱凸片對流孔30。在此說明以及許多其他說明中，出於明晰之目的，已將編號應用於該等圖中之各特徵件之僅一個實例。
包括基底、主要散熱凸片及視情況選用之次要散熱凸片之散熱片由導熱材料、較佳例如銅、鋁及其合金之金屬製成。該等部件可由相同或不同材料製成。較佳使用鋁合金，因為重量輕且成本低。可分別製造基底、主要散熱凸片及視情況選用之次要散熱凸片且接著將其黏結、用螺栓栓或焊接在一起。替代地，整個結構可澆鑄或焊接為單個單片。
圖2說明散熱片之主要散熱凸片20。該主要散熱凸片包括第一臂32及第二臂34，該等臂在主要散熱凸片底部38處相接，較佳形成拋物線形狀。主要散熱凸片亦包括柄36，其延伸遠離主要散熱凸片底部。第一臂與第二臂均具有開口端42。如此圖中所說明，主要散熱凸片之主要第一臂及第二臂為鏡像，且具有相同長度，但不必為此狀況；如將展示於圖6至圖9中的複合散熱片，主要散熱凸片之各臂之形狀及長度可非常不同。較佳地，主要散熱凸片具有恰好兩個臂，但額外臂可存在。
圖3說明第一散熱片10之俯視圖。除了圖1及圖2中所示的彼等特徵件之外，此圖亦展示了基底之無散熱凸片區40(由點線定界)。次要散熱凸片具有外端43。次要散熱凸片之長度49為沿著端之間的次要散熱凸片之長度的距離，而主要散熱凸片之臂之長度48為沿著自主要散熱凸片底部延伸至臂之開口端的臂之長度的距離。主要散熱凸片之開度角44為由起始於基底之無散熱凸片區之中心且在第一臂及第二臂之開口端處結束的兩條線形成的角。該角中之次要散熱凸片角46由起始於基底之無散熱凸片區之中心、一條在最接近主要散熱凸片之第一臂或第二臂之開口端處結束且另一條在次要散熱凸片之外端處結束的兩條線形成。儘管並未在圖中編號，散熱凸片之高度為散熱凸片自基底 垂直延伸的最大距離。在此散熱片中，主要散熱凸片及次要散熱凸片延伸超出基底。替代地，可形成主要散熱凸片及/或次要散熱凸片以致其不延伸超出基底。
在一個態樣中，散熱片較佳地包括4個、5個、6個、7個或8個主要散熱凸片，且該等主要散熱凸片較佳地在各主要散熱凸片中具有相同長度的第一臂及第二臂，及在所有主要散熱凸片中具有相同長度的第一臂及第二臂。較佳地，各散熱凸片徑向安置於無散熱凸片區附近，其中各主要散熱凸片之柄朝無散熱凸片區定向。主要散熱凸片中之一或多者之開度角較佳為至少22.5°、至少25°或至少30°，包括22.5°至40°。主要散熱凸片之臂較佳不為平行的，因此減少自散熱凸片發射的輻射之吸收。在圖1及圖3中，主要散熱凸片均具有相同開度角，但在其他態樣中此不為必需的。在一個態樣中，散熱片較佳地具有2倍、3倍、4倍、5倍或6倍旋轉對稱性。各主要散熱凸片之高度較佳為20mm至200mm，包括30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm及100mm。
視情況選用之次要散熱凸片較佳地置放於主要散熱凸片之臂之間及/或主要散熱凸片之間。較佳地，次要散熱凸片具有小於主要散熱凸片之第一臂或第二臂之長度的長度，包括主要散熱凸片之第一臂或第二臂之長度的3/4、長度的1/2、長度的1/3或長度的1/4。次要散熱凸片之高度可與主要散熱凸片之高度相同或小於主要散熱凸片之高度，包括主要散熱凸片之高度的3/4、高度的1/2、高度的1/3或高度的1/4，諸如主要散熱凸片之高度的1/4至3/4。例如，各次要散熱凸片之高度可為10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm及50mm。次要散熱凸片可徑向置放於無散熱凸片區附近。次要散熱凸片角可與主要散熱凸片角相同或小於主要散熱凸片角，包括主要散熱凸片角之3/4、1/2、1/3或1/4，諸如主要散熱凸片 角之1/4至3/4。例如，次要散熱凸片角可為11.25°、12.5°、15°、20°、22.5°、25°或30°；次要散熱凸片角在散熱片內可相同或不同。
較佳地，散熱片基底包括1個或1個以上基底對流孔，例如1個、2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個或10個基底對流孔。基底對流孔可為任何形狀，但較佳存在於主要散熱凸片下方且較佳不存在於無散熱凸片區中。較佳地，各主要散熱凸片及/或次要散熱凸片亦包括1個或1個以上散熱凸片對流孔，更佳1個次要散熱凸片對流孔及2個主要散熱凸片對流孔(主要散熱凸片之各臂中具有一個)。較佳地，各散熱凸片對流孔與基底對流孔鄰接。
較佳地，散熱片具有分子扇形塗層。該等塗層描述於美國專利第7,931,969號(Lin，2011年4月26日)及第8,545,933號(Lin，2013年10月1日)中。分子扇形物將包括奈米粒子以增加表面積、及功能化奈米材料以在塗層之表面上提供離散分子，當離散分子在不同振動狀態之間轉變時其輻射紅外光。在固化時硬化的乳液亦包括於分子扇形塗層材料中以使奈米粒子及功能化奈米材料黏附於裝置或散熱片之表面上。可將其他組份添加至塗層以改進其他特性，諸如耐腐蝕性、黏附性、耐指紋性、易於清潔及著色。其他類型之塗層為可能的，諸如黑色塗層，以提高發射率，但其並不如分子扇形塗層有效。分子扇形塗層為「主動」熱耗散技術，其幾乎不佔據空間且不需要功率。
圖4說明天井LED裝置50之透視圖。天井LED裝置包括散熱片10、反射器52及視情況選用之易於安裝天井LED裝置之托架54。可自天花板懸掛所說明之天井LED裝置以為辦公室或工廠或為包括花、果實及香草植物之農產品之水培生長提供光。
圖5說明圖4之天井LED裝置之分解圖。除了圖4中所示的彼等特徵件之外，天井LED裝置亦包括：圍繞LED之透鏡56，用於經由廣角擴散由LED發射的光；與散熱片58熱耦合之LED，該LED具有習知的 導熱膏60以改進熱傳遞且減少對散熱片的熱歐姆效應；及視情況選用之連接器62，用於將散熱片連接至其他特徵件。該透鏡圍繞LED且反射器圍繞該透鏡。若多個LED存在於裝置中，則該透鏡圍繞所有LED。
除了散熱片之外，所說明之所有組件為習知、市售或可由客戶要求供使用的。各種瓦特數之LED為可用的，包括50W、70W或100W。將散熱片置放於天井LED裝置內以致無散熱凸片區在LED正上方。透鏡及反射器輔助在天井LED裝置下方LED光分佈於廣角度。
圖6說明第二散熱片100之透視圖。此為複合散熱片，意欲與複數個LED(在此情況下，3個LED)一起使用，用於單個天井LED裝置。該複合散熱片包括18個主要散熱凸片20、9個次要散熱凸片22、基底24、7個基底對流孔26、及許多主要散熱凸片中的主要散熱凸片對流孔30。
圖7說明第二散熱片之俯視圖。除了圖6中所說明之彼等特徵件之外，此圖亦展示了基底之無散熱凸片區40(由點線定界；此實例中存在3個)。亦展示了主要散熱凸片之開度角44。較佳地且在此散熱片中，主要散熱凸片延伸超出基底以提高對流用於更大熱耗散。因此，圖6及圖7中所示的散熱片(其中主要散熱凸片延伸超出基底)較佳優於圖8及圖9之彼等者(其中主要散熱凸片並未延伸超出基底)。
複合散熱片可視為複數個散熱片，其中主要散熱凸片及次要散熱凸片延伸出至圍繞裝置之中心的較大環之邊緣。該等複合散熱片可用於製成2個、3個、4個、5個或6個LED。在此等複合散熱片中，僅主要散熱凸片之一子集將具有相同尺寸、形狀及直臂。
圖8說明第三散熱片200之透視圖。此為複合散熱片，意欲與複數個LED(在此情況下，3個LED)一起使用，用於單個天井LED裝置。該複合散熱片包括18個主要散熱凸片20、9個次要散熱凸片22、 基底24、7個基底對流孔26、及許多主要散熱凸片中的主要散熱凸片對流孔30。
圖9說明第三散熱片之俯視圖。除了圖8中所說明之彼等特徵件之外，此圖亦展示了基底之無散熱凸片區40(由點線定界；此實例中存在3個)。亦展示了主要散熱凸片之開度角44。在此散熱片中，主要散熱凸片並未延伸超出基底。
實例 實例1
對包括100W的LED及具有9mm的基底厚度、具有與不具有分子扇形塗層之典型設計的散熱片(其不包括主要散熱凸片亦不包括無散熱凸片區)之天井LED裝置與使用本申請案之具有8mm的基底厚度且具有分子扇形塗層之散熱片的另外相同的天井LED裝置進行比較。量測接近LED接面的各裝置之溫度且在圖10中說明。
如圖中所示，儘管典型設計之散熱片具有幾乎兩倍的表面積，經分子扇形物塗佈之散熱片的平衡溫度為83℃，且未經塗佈之散熱片的平衡溫度為80℃。相比之下，本申請案之塗佈有分子扇形物的散熱片具有71.5℃之平衡溫度。資料說明散熱片之設計對由分子扇形塗層產生的熱耗散方面之改進具有顯著影響。在圖10中，本申請案之散熱片僅重0.86kg，而典型設計的散熱片重1.57kg。
實例2
對三個包括100W的LED及本申請案之具有8mm、10mm或11mm的基底厚度且具有分子扇形塗層、不同分子扇形塗層及不具有塗層之散熱片之天井LED裝置進行比較。量測接近LED接面的各裝置之溫度且在圖11中說明。
如圖中所示，8mm(具有分子扇形塗層)、10mm(具有不同分子扇形塗層)或11mm(不具有塗層)之平衡溫度分別為71.5℃、75.6℃及 86.3℃。圖10及圖11中的資料均說明當分子扇形塗層不存在時本申請案之散熱片對熱耗散不如典型設計的彼等者有效，但在分子扇形塗層存在時顯著更優。
實例3
對包括三個100W的LED及具有與不具有分子扇形塗層之典型設計的散熱片(其不包括主要散熱凸片亦不包括無散熱凸片區)之天井LED裝置與使用本申請案之散熱片且具有分子扇形塗層之另外相同的天井LED裝置進行比較。量測接近LED接面的各裝置之溫度且在圖12中說明。
如圖中所示，儘管典型設計之散熱片具有幾乎兩倍的表面積，經分子扇形物塗佈之散熱片的平衡溫度為84℃，且未經塗佈之散熱片的平衡溫度為82℃。相比之下，本申請案之塗佈有分子扇形物的散熱片具有63.4℃之平衡溫度。資料說明散熱片之設計對由分子扇形塗層產生的熱耗散方面之改進具有顯著影響。在圖12中，本申請案之散熱片僅重3.14kg，而典型設計的散熱片重4.76kg。
實例4
對兩個包括三個100W的LED及本申請案之散熱片且具有分子扇形塗層與不具有塗層之天井LED裝置進行比較。量測接近LED接面的各裝置之溫度且在圖13中說明。
資料說明分子扇形塗層對本申請案之散熱片之熱耗散具有的顯著影響。市售散熱片(或典型散熱片)提供「被動」熱耗散，且通常用於實現的LED裝置之平衡溫度為約80℃或更高。除了典型散熱片之外，還需要機械扇形物用以移除大功率及高亮度LED裝置中之餘熱。分子扇形物提供「主動」熱耗散。使用如圖10至圖13中所示之具有分子扇形塗層的本申請案之散熱片使100W的LED裝置之平衡溫度降至71.5℃，且使300W的LED裝置之平衡溫度降至63.4℃。
10‧‧‧第一散熱片
20‧‧‧主要散熱凸片
22‧‧‧次要散熱凸片
24‧‧‧基底
26‧‧‧基底對流孔
28‧‧‧次要散熱凸片對流孔
30‧‧‧主要散熱凸片對流孔

Claims (21)

  1. 一種散熱片，其包含：一基底，主要散熱凸片，其在該基底上且自該基底垂直地延伸，及該基底上之一無散熱凸片區，其中該等主要散熱凸片各具有一第一臂，一第二臂，其與該第一臂相接以形成一主要散熱凸片底部，及一柄，其延伸遠離該主要散熱凸片底部。
  2. 如請求項1之散熱片，其中該等主要散熱凸片徑向安置於該無散熱凸片區周圍，其中各主要散熱凸片之該柄朝該無散熱凸片區定向。
  3. 如請求項1之散熱片，其中：該散熱片包含4個至8個主要散熱凸片，該等主要散熱凸片各具有22.5°至45°之開度角，及該等主要散熱凸片徑向安置於該無散熱凸片區周圍，其中各主要散熱凸片之該柄朝該無散熱凸片區定向。
  4. 如請求項3之散熱片，其進一步包含次要散熱凸片。
  5. 如請求項4之散熱片，其中該等次要散熱凸片各具有該等主要散熱凸片之1/4至3/4之高度的高度。
  6. 如請求項5之散熱片，其中該等次要散熱凸片徑向安置於該無散熱凸片區周圍。
  7. 如請求項3之散熱片，其中該基底及該等主要散熱凸片形成一單體結構。
  8. 如請求項6之散熱片，其進一步包含：於該基底中之對流孔，及於該等主要散熱凸片之各臂中的一對流孔，其中該等主要散熱凸片之各臂中的各對流孔與該基底中的對流孔鄰接。
  9. 如請求項8之散熱片，其中該基底、該等主要散熱凸片及該等次要散熱凸片形成一單體結構。
  10. 如請求項1之散熱片，其進一步包含一分子扇形塗層。
  11. 一種複合散熱片，其包含：一基底，主要散熱凸片，其在該基底上且自該基底垂直地延伸，及該基底上之複數個無散熱凸片區，其中該等主要散熱凸片各具有一第一臂，一第二臂，其與該第一臂相接以形成一主要散熱凸片底部，及一柄，其延伸遠離該主要散熱凸片底部，及該等主要散熱凸片中之至少一者具有22.5°至45°之開度角，及該等主要散熱凸片安置於該等無散熱凸片區周圍，其中各主要散熱凸片之該柄朝該等無散熱凸片區中之一者定向。
  12. 如請求項11之複合散熱片，其進一步包含次要散熱凸片。
  13. 如請求項12之複合散熱片，其中該基底、該等主要散熱凸片及該等次要散熱凸片形成一單體結構。
  14. 如請求項11之複合散熱片，其進一步在該基底中包含一對流孔。
  15. 如請求項11之複合散熱片，其進一步包含一分子扇形塗層。
  16. 一種天井LED裝置，其包含： 一LED，如請求項1或8之散熱片，其與該LED熱耦合，一透鏡，其圍繞該LED，及一反射器，其圍繞該透鏡，其中該基底之該無散熱凸片區位於該LED的正上方。
  17. 如請求項16之天井LED裝置，其進一步包含與該LED接觸且與該散熱片接觸之一導熱塗層。
  18. 一種天井LED裝置，其包含：複數個LED，如請求項11或14之複合散熱片，其與該等LED熱耦合，一透鏡，其圍繞該等LED，及一反射器，其圍繞該透鏡，其中該基底之該等無散熱凸片區位於各LED的正上方。
  19. 一種產生光之方法，其包含施加電流至如請求項16或18之天井LED裝置。
  20. 如請求項1之散熱片，其中該第一臂及該第二臂延伸超出該基底。
  21. 如請求項11之複合散熱片，其中該第一臂及該第二臂延伸超出該基底。
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