TWI411746B - 具高效率散熱功能之照明裝置 - Google Patents

Description

具高效率散熱功能之照明裝置

本發明係有關於一種具高效率散熱功能之照明裝置，尤指一種包括有一燈座、至少一發光元件、一可透光的液體、一透光罩及一散熱組件，液體填充在燈座容室中用以吸收該發光元件所產生之熱量，且燈座上接設散熱組件，利用散熱組件具有複數個呈蜂巢狀陣列的散熱管，將發光元件的熱量快速散至外界之技術。

目前台灣大量使用化石燃料，不只是經濟上的問題，二氧化碳排放才是一大問題。能源科技發展重點在提昇自主能源的比例及降低溫室氣體的排放。能源產業的發展，將攸關台灣產業的下一波國際競爭契機，同時亦是全國未來新能源運用於節能減碳的必要條件。依文獻資料，目前能源供應方面，台灣98%能源進口，原油為主要能源，76.7%原油從中東進口，並且，1985~2005年時，能源供應成長率為6.3%。目前台灣的LED照明及太陽光電等新興產業正處萌芽發展，若能善用未來能環發展之契機，跨領域資源整合，結合智慧化科技，將可擴大節能減碳效益，促成節能減碳社會與相關產業發展。

地球溫室效應的發生原因一半來自二氧化碳(CO2)。CO2的產生除來自汽、機車廢氣排放外，有部份來自石化燃燒發電。發電將產生各種有害氣體：=>燃油發電每1度電產生污染氣體：CO2=860g、SO2=3.7g、NOX=1.5g；=>燃煤發電每1度電產生污染氣體：CO2=1100g、SO2=9.0g、NOX=4.4g；照明節約用電可間接減少發電產生之二氧化碳及其他有害氣體的排放。空污防止、能源節約與生態保護之關係式為：發電1度產生之CO₂ 量=739g、發電3450度產生之CO₂ 量=種植1英畝(4047m² )樹木可吸收之CO₂ 量、發電7060度產生之CO₂ 量=移除1輛汽車一年總排放CO₂ 量、節電11度=節約消耗一加侖汽車發電。根據歐司朗估算，只要全球30%用戶轉向使用節能照明產品，即可減少約2.60億噸全球二氧化碳排放量和4,600億千瓦時用電量，這相當於印度的全年用電量，也使得節能照明的重要性更為突顯。相較於傳統光源，發光二極體(LED)挾著其高效率低耗電、長壽命低汰換率且不含汞等優勢，近年來被視為具備省電環保特質的固態照明光源人選之一，加上澳洲、歐洲許多國家陸續推出或提出禁賣與禁用白幟燈泡的政策，使得高效率LED的技術發展不但近兩年掀起一股浪潮，更是備受各方囑目。

LED是一種注入電致發光器件，由磷化稼(Gap)、磷砷化鋅(GaAsP)等半導體製成。在外加電場作用下，電子與空穴的輻射複合而發生的電致作用將一部分能量轉化為光能，即量子效應，而無輻射複合產生的晶格振盪將其餘的能量轉化為熱能。隨著藍光LED的技術成長，近十年來，白光LED的技術發展開始呈現跳躍式成長，LED效率自2000年後逐年成長並陸續超越現有照明燈具。在實驗室開發階段，國際大廠更紛紛對外不斷宣佈突破性成果；2007年，Nichia發佈了驚人的實驗室成果，169lm/W的小功率白光LED與134lm/W的高功率LED；到了2008年七月，Osram也跟進宣佈其大功率LED技術水準已突破最高效率至136lm/W。而就目前全球市場上LED的量產產品水準。由技術成長趨勢來看，人力物力的投入已經使得進展速度快於美國能源局所預測時程至少兩年，這不但是象徵LED技術的成熟性，也是一個里程碑，充分顯示了LED光源在照明應用上的替代潛力與可能性。對大於1W級的大功率LED而言，目前的電光轉換效率約為15%，剩餘的85%轉化為熱能。而晶片尺寸僅為1mm x 1mm~2.5mm x 2.5mm，意即晶片的功率密度很大。與傳統的照明器件不同，白光LED的發光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。對於單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的晶片內而不能有效散出，則會導致晶片的溫度升高，引起熱應力的非均勻分佈、晶片發光效率和螢光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數規律攀升，元件溫度每上升2℃，可靠性將下降10%。為了保證器件的壽命，一般要求PN junction的結溫在110℃以下。隨著PN junction的溫升，白光LED器件的發光波長將發生紅移。據統計資料表明，在10℃的溫度下，波長可以紅移4-9nm，從而導致YAG螢光粉吸收率下降，總的發光強度會減少白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發光強度會相應減少1%左右，當器件從環境溫度上升到120℃時，亮度下降多達35%。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。

依據目前所知，一般LED係包括一環氧樹脂透光鏡片覆蓋一半導體晶粒，正極接腳與負極接腳經電極連接金線連接至半導體晶粒。由於低功率LED在工作時產生的熱量小，經正極接腳與負極接腳將熱量傳導至印刷電路板上的銅箔達到的熱傳導擴散效果已足夠幫助LED散熱，因此不需考慮散熱的問題。此種低功率LED主要應用於裝飾燈及指示燈，其消耗功率小於0.3至0.4瓦特(W)。習知的低功率LED電燈，其包括一燈泡標準接頭與一外殼接合在一起，一印刷電路板在外殼中，數個低功率LED固定在PCB上，一灌膠層填充在PCB與低功率LED之間，用來避免低功率LED因為曝露於外在的環境而損壞，以及一電源轉換驅動模組連接在PCB與燈泡標準接頭之間，用來驅動低功率LED。在低功率LED電燈中，每一個低功率LED產生的熱量經PCB中的銅箔傳導擴散，不需要額外的散熱裝置。外殼的材料為金屬或塑膠，當外殼122為金屬材質時，大多因為結構強度上的需求，而非導熱或散熱上的需求。

此外，習知高功率LED，其正極接腳與負極接腳經電極連接金線與連接至半導體晶粒，並藉一封裝樹脂固定在一散熱墊片上，此結構容置於一塑膠外殼中，以及一光學鏡片覆蓋在封裝樹脂並與塑膠外殼嵌合在一起。此種高功率LED的消耗功率大於0.4W，且由於其在工作時產生的熱量大，因此在使用上需考慮散熱的問題，以避免高功率LED因為過熱而損壞。由於該習知結構之熱量傳導路徑較短的緣故，所以熱導管能迅速地將高功率LED產生的熱量經散熱鰭片發散出去，不過這種背散熱式電燈必須在具有良好空氣流通的環境下，才能使散熱鰭片達到較佳的自然對流散熱效果。當背散熱式高功率LED電燈應用於照明用途時，例如嵌入式或繫頂式燈具，其裝設的環境並不具有良好的空氣流通，因而導致散熱效果大幅下降。

為改善前述高功率LED所產生的缺失，相關業者已經開發出一種如本國發明第I270631『高功率發光二極體電燈』的習用結構，其包括一燈罩、一高功率發光二極體光源裝置及一可透光的液體，燈罩具有一可透光區域及一腔室，高功率發光二極體光源裝置用以發射光線，並具有一導熱裝置，導熱裝置有一部份在該腔室中，可透光的液體填充在腔室內並接觸導熱裝置，藉以幫助導熱裝置散熱、擴增電燈可照明的角度及提高其照明亮度。

該習用結構雖然具有液態封裝設置以提升LED散熱的冷卻效果，惟，其外部之導熱裝置並非以蜂槽式陣列佈置，致使其無法有效均勻地擴大散熱面積，所以在對流通風的情況下仍然可達到散熱作用，但是在無風的情況下則無法達到散熱的作用，因而使得LED燒毀機率大幅提升，故而該習用結構確實有再改良的必要性。

本發明目的之一，在於解決高功率LED燈具因散熱效果不佳所產生缺失進行改善的一種具高效率散熱功能之照明裝置，主要係結合液冷封裝LED技術與蜂巢式散熱結構，藉以解決光學重疊影像、提高散熱量以及可使環境照度均勻化，因而可以使散熱面積得以有效均勻地擴大，進而大幅提升LED燈具的散熱效果。達成上述目的之本發明技術手段，係包括一燈座、一燈架、至少一發光元件、一可透光的液體及一散熱組件，而其特徵係該散熱組件包括有複數個等長度且叢聚並立而呈陣列的散熱管，該複數個散熱管一端接設在該燈座的該第二端上，以該複數個散熱管輔助吸收該發光元件的熱量，並藉由該複數個散熱管的導熱功能而將該熱量散至外界。

本發明目的之二，在於提供一種可提升照明光度的具高效率散熱功能之照明裝置。達成上述目的之本發明技術手段，透光罩上凹設有至少一延伸筒，延伸筒的末端延伸至容室內並接近該發光元件，且末端面設有透鏡，透鏡供該發光元件之光線穿透，藉由延伸筒的導光，以減少液體的光阻，故而可提升整個照明裝置的光度。

壹‧本發明基本技術特徵

請參看第一至三圖所示，本發明設計一種具高效率散熱功能之照明裝置。為達前述功效，本發明的基本具體實施方式，係包括一燈座10、一燈架20、至少一發光元件21、一可透光的液體30、一透光罩40及一散熱組件50。其燈座10具有相反朝向的一第一端、一第二端及一中空容室11，容室11一端延伸至燈座10之第一端而形成一開口12，容室11另一端延伸至燈座10之第二端而呈封閉。其燈架20設置在燈座10之容室11內。其至少一發光元件21係裝置於燈架20上。其可透光的液體30填充在容室11中用以吸收發光元件21所產生之熱量。其透光罩40覆設在燈座10之第一端的開口12，以使透光液體30封閉於容室11內部。其散熱組件50設置在燈座10上，用以對發光元件21輔助散熱。

本發明的基本技術特徵在於：該散熱組件50包括有複數個等長度且叢聚並立而呈陣列的散熱管51，該複數個散熱管51一端接設在該燈座10的該第二端上，並使該散熱管51的縱軸線與該燈座10之縱軸線平行，以該複數個散熱管51輔助吸收該發光元件21的熱量，並藉由該複數個散熱管51的導熱功能而將該熱量散至外界。

貳‧本發明具體實施例

如圖1至3所示，本發明具高效率散熱功能之照明裝置的具體實施例，係包括一燈座10，其具有相反朝向的一第一端、一第二端及一中空容室11，該容室11一端延伸至該燈座10之該第一端而形成一開口12，該容室11另一端延伸至該燈座10之該第二端為封閉；一燈架20，其設置在該燈座10之該容室11內；至少一發光元件21，該發光元件21裝置於該燈架20上；一可透光的液體30，該液體30填充在該容室11中用以吸收該發光元件21所產生之熱量；一透光罩40，該透光罩40覆設在該燈座10之該第一端的該開口12，以使該透光液體30封閉於該容室11內部；及一散熱組件50，其設置在該燈座10上，用以對該發光元件輔助散熱；其中，散熱組件50包括有複數個等長度且叢聚並立而呈陣列的散熱管51，該複數個散熱管51一端接設在該燈座10的該第二端上，以該複數個散熱管51輔助吸收該發光元件21的熱量，並藉由該複數個散熱管51的導熱功能而將該熱量散至外界。

請參看圖3所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該燈座10具導熱性，該燈座10直接吸收該發光元件所產生之熱量，再轉傳至該散熱組件50。

請參看圖3所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該發光元件21設置於該燈座10之該容室11中，該液體30覆蓋該發光元件21。

請參看圖3所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該發光元件21為高功率發光二極體。

請參看圖3所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該複數個散熱管51由一金屬塊體製成為一體。

請參看圖1所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該散熱管51至少一端呈開口52。

請參看圖1所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該散熱管51二端呈開口52。

請參看圖3、4所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，燈座10之該第二端的橫斷面呈一第一矩形60，容室11內壁之橫斷面呈一第二矩形64，第一矩形60與第二矩形64之各對應邊平行，且各對應邊之間距小於1公分。散熱組件50之每一散熱管51的內壁橫斷面呈正六邊形，該複數個散熱管51共壁相連而組成蜂巢狀，且該複數個散熱管51的壁厚均相等，該蜂巢狀的兩個相對之第一邊分別由一第一組依序相鄰排成一直線的散熱管51組成，且每一該第一組散熱管51的該正六邊形的一頂點為最突出點，該第一組散熱管51之該最突出點連成一第一端邊61，而另兩個相對之第二邊分別由一第二組依序相鄰排成一直線的散熱管51組成，且每一該第二組散熱管51的該正六邊形的一頂邊為最突出邊，該第二組散熱管51之該最突出邊連成一第二端邊62，二該第一端邊61及二該第二端邊62圍成一第三矩形63，該第三矩形63相配合地容納於該第一矩形60範圍內，第一矩形60與第三矩形63的各邊相對應且平行，第一矩形60與第三矩形63的相對應邊之間距小於1公分。

請參看圖6所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該散熱組件50包括有設在燈座10外周面的複數個鰭片53，每二相鄰的該鯺片53之間形成一與該燈座10之軸向平行延伸的導氣流道54，每一該導氣流道54的中央縱軸線，分別與對應的該第一組散熱管51及該第二組散熱管51之二相鄰該散熱管51之間的一凹陷55之中央縱軸線位在該燈座10的一縱斷面上。

請參看圖5所示，本發明之具高效率散熱功能之照明裝置一種具體實施例中，該透光罩40上凹設有至少一延伸筒41，該延伸筒41的末端延伸至該容室11內並接近該發光元件21，且該末端面設有透鏡42，該透鏡42供該發光元件21之光線穿透，藉由該延伸筒41的導光，以減少液體的光阻，提升整個照明裝置的光度。

參．本發明之特性

本發明所設計之蜂槽型散熱組件，係由複合金屬材料所經真空壓鑄一體成型以具多數蜂槽角孔狀的散熱體，並在周邊形成多個呈連續凹、凸狀的邊面，且在每一角孔相鄰面係為薄小輕的薄面；可將該散熱組件以單獨、多數集合形態的結合在燈具及電氣產品中的電路版、電子元件上，如此地藉由該散熱體在有限空間的位置情形下、利用本身所具多數蜂槽角孔設計下，以為相當快速地將所產生的熱溫予以排散開，如此以達到不佔空間、可自由增加散熱面積、快速散熱及可變化造型外觀來搭配做結合、並具美觀的實用功效者。

基於蜂槽型散熱體之特性及在LED自然對流散熱應用上之優點，本發明液冷封裝高功率LED照明燈具，可應用於不同液體封裝及使用角度之燈具。通常LED燈具設計必須考慮到散熱、造型、驅動控制技術、耐候性及燈具光學遠場光學特性。另外，在燈具的光學性能測試中光強分佈曲線是一項重要指標，它是照明設計中必不可少的光學參數。光源包括LED有兩種配光曲線：即發光強度的空間分佈和光譜分佈。發光強度的空間分佈是一個三維圖形，而作為其中的一個剖面的配光曲線則是一個二維圖形，且一般都採用極座標表示。

常見一般照明應用上，自然對流與輻射散熱是最常被考慮的方法。以鋁擠型散熱鰭片的設計為例，在鰭片散熱器最高溫度、均溫性與重量等多重反應變數(Respollse)的設計規格限制下，考慮底板厚度、鰭片厚度、鰭片數目、LED分佈與材料熱傳導性能等設計因子對於散熱器性能的影響程度。一般傳統的設計習慣採用一次只變動一個設計因子(One Factor at a Time,OFAI)，而將其餘的設計因子維持在固定之條件下，來得到所想要觀察的反應變數。OFAT方法雖然簡單易懂，卻沒有辦法觀察到多個設計因子之間的交互作用，對反應變數所造成的消長現象導致誤判。尤其現今產品已經面臨到多重反應變數，要同時滿足多重設計規格，多重反應變數之間又不時有互相牴觸，而必須折衷妥協(Trade-off)。本發明液冷封裝高功率LED照明之燈具設計，將一創新設計之蜂槽式散熱熱結構應用於高功率LED照明上，以提高照明模組之散熱量，達到最小散熱體積最大散熱量，同時降低LED接點溫度及提高可靠度與壽命。分析模擬主要針對整體燈具設計進行熱傳導與自然對流分析，並求得總熱阻值。實驗量測部分則是自行設計組裝乙套自然對流實驗機構進行自然對流流場、溫度場、熱阻及不同角度影響等之實驗量測，希望獲得不同角度下之實驗量測值來驗證分析模擬結果之準確性。利用反應曲面法來進行液冷封裝高功率LED照明燈具設計中包括LED材料、光學、散熱等問題在內之最佳化設計，找出熱阻最佳值，並與實驗量測不同自然對流條件與傾斜角度下之結果互相比對印證，接著再進行光學量測來找出本項燈具設計之性能。最後，將模擬分析與實驗量測結果作一比對驗證，並且提出經驗公式，作為後續應用於其他液冷封裝LED照明設計之用。

參．結論

本發明之設計，係結合液冷封裝LED與蜂槽式散熱熱結構兩項設計之優點，提供一項解決高亮度LED照明散熱或其他光機電系統高熱通量散熱之方法，具體重要性如下：

1.新型液冷封裝高功率LED照明搭配蜂槽型散熱體可以任意變化角度，而且體積小、重量輕，因此適用於需要調整照明之場所，如檯燈產品等。

2.本項照明燈具搭配蜂槽型散熱體來提供大量散熱面積，解決自然對流條件下之不易散熱問題，因此即使燈具是安裝在天花板等無法通風對流之場所，藉由本身特別之散熱結構仍然可以保持LED照明更低之操作溫度與良好散熱特性，不至於有長期使用可靠度不佳之問題。

3.本項設計外型簡潔具有設計美感，可以搭配許多產品來應用。

4.本發明可應用於液冷封裝高功率LED照明裝置，其係由一多晶封裝LED或將數個LED同時排列封裝在同一基板上時，利用一金屬外殼當成散熱基本結構，並且於外殼內充填透光且不導電之流體，以達到解決光學重疊影像、提高散熱量及使環境照度均勻化等功能。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

10．．．燈座

11．．．容室

12．．．開口

20．．．燈架

21．．．發光元件

30．．．液體

40．．．透光罩

41．．．延伸筒

42．．．透鏡

50．．．散熱組件

51．．．散熱管

52．．．開口

53．．．鯺片

54．．．導氣流道

55．．．凹陷

60．．．第一矩形

61．．．第一端邊

62．．．第二端邊

63．．．第三矩形

64．．．第二矩形

圖1係本發明之分解立體示意圖；

圖2係本發明之組合立體示意圖；

圖3係本發明組合暨局部斷面示意圖；

圖4係本發明自一端面觀察之示意圖；

圖5係本發明於燈座周面設有鯺片之實施例示意圖；及

圖6係本發明於燈罩之另一種實施例示意圖。

10．．．燈座

11．．．容室

12．．．開口

50．．．散熱組件

51．．．散熱管

52．．．開口

Claims (7)

1. 一種具高效率散熱功能之照明裝置，包括：一燈座，其具有相反朝向的一第一端、一第二端及一中空容室，該容室一端延伸至該燈座之該第一端而形成一開口，該容室另一端延伸至該燈座之該第二端為封閉；一燈架，其設置在該燈座之該容室內；至少一發光元件，該發光元件裝置於該燈架上；一可透光的液體，該液體填充在該容室中用以吸收該發光元件所產生之熱量；一透光罩，該透光罩覆設在該燈座之該第一端的該開口，以使該透光液體封閉於該容室內部；及一散熱組件，其設置在該燈座上，用以對該發光元件輔助散熱；其特徵在於：該散熱組件包括有複數個等長度且叢聚並立而呈陣列的散熱管，該複數個散熱管一端接設在該燈座的該第二端上，並使該散熱管的縱軸線與該燈座之縱軸線平行，以該複數個散熱管輔助吸收該發光元件的熱量，並藉由該複數個散熱管的導熱功能而將該熱量散至外界，該散熱組件更包括有設在燈座外周面的複數個鰭片，每二相鄰的該鯺片之間形成一與該燈座之軸向平行延伸的導氣流道，該透光罩上凹設有至少一延伸筒，該延伸筒的末端延伸至該容室內並接近該發光元件，且該末端面設有透鏡，該透鏡供該發光元件之光線穿透。
2. 如請求項1之具高效率散熱功能之照明裝置，其中，該發光元 件為高功率發光二極體。
3. 如請求項1之具高效率散熱功能之照明裝置，其中，該複數個散熱管由一金屬塊體製成為一體。
4. 如請求項1之具高效率散熱功能之照明裝置，其中，該散熱管至少一端呈開口。
5. 如請求項4之具高效率散熱功能之照明裝置，其中，該散熱管二端均呈開口。
6. 如請求項1之具高效率散熱功能之照明裝置，其中，該燈座之該第二端的橫斷面呈一第一矩形，該容室內壁之橫斷面呈一第二矩形，該第一矩形與該第二矩形之各對應邊平行，且各對應邊之間距小於1公分，該散熱組件之每一該散熱管的內壁橫斷面呈正六邊形，該複數個散熱管共壁相連而組成蜂巢狀，且該複數個散熱管的壁厚均相等，該蜂巢狀的兩個相對之第一邊分別由一第一組依序相鄰排成一直線的散熱管組成，且每一該第一組散熱管的該正六邊形的一頂點為最突出點，該第一組散熱管之該最突出點連成一第一端邊，而另兩個相對之第二邊分別由一第二組依序相鄰排成一直線的散熱管組成，且每一該第二組散熱管的該正六邊形的一頂邊為最突出邊，該第二組散熱管之該最突出邊連成一第二端邊，二該第一端邊及二該第二端邊圍成一第三矩形，該第三矩形相配合地容納於該第一矩形範圍內，該第一矩形與該第三矩形的各邊相對應且平行，該第一矩形與該第三矩形的相對應邊之間距小於1公分。
7. 如請求項1之具高效率散熱功能之照明裝置，其中，每一該導 氣流道的一中央縱軸線，分別與對應的該第一組散熱管及該第二組散熱管之二相鄰該散熱管之間的一凹陷之一中央縱軸線位在該燈座的一縱斷面上。