TWI461635B - 具防結霜散熱結構之發光二極體燈具及其控溫方法 - Google Patents

Description

具防結霜散熱結構之發光二極體燈具及其控溫方法

本發明係關於一種發光二極體燈具，尤指一種內部散熱結構兼具快速散熱與防止結霜功能之發光二極體燈具及其控溫方法。

交通號誌燈為管制道路安全的重要公共設施，用路人均須遵守號誌燈所顯示的燈號，以確保交通安全與道路順暢。傳統號誌燈係採用白熾燈泡作為光源，白熾燈泡不僅壽命短，發光效率也相當低，其發光過程所消耗的能量有近九成係轉換為熱能散逸。因此近年來在節能減碳政策的推行下，號誌燈光源已逐漸汰換成具備發光效率高、耗電量低、使用壽命長等優異性能的發光二極體燈具。

現有之發光二極體燈具雖具有顯著的節能功效，卻可能存在著下列幾項問題：首先，搭載發光二極體的電路基板會產生工作熱能，高熱不僅將降低發光二極體的發光效能，更將縮短其壽命，因此燈具內部均須加裝鋁製散熱基板來協助快速散熱。發光二極體照度規格提高，工作熱能亦隨之增加，為提高散熱效能，只能增加散熱基板尺寸，如此將增加燈箱重量，而散熱效果亦相當有限。

再者，在高緯度或高海拔地區，燈具的燈罩往往會因氣候寒冷發生結霜或積雪現象，而發光二極體因發光過程所產生的熱能偏低，難以融化霜雪。燈罩一旦結霜積雪將導致燈具顯示燈號的能見度大幅降低，使得用路人難以辨識燈號指示訊息，而增加交通事故發生率。

因此，本發明提供一種具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，其藉由設置致冷晶片及控溫單元來控制發光單元維持在恆定溫度，並以熱擴散構件將致冷晶片熱端的熱能傳導至燈罩。

本發明並提供一種控溫方法，係適用於所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，其藉由感測發光單元的溫度，依據感測溫度與目標溫度值的溫度差值，調整對致冷晶片的供電量。

根據本發明的一種實施例，提供一種具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，包括底座、燈罩、致冷晶片、發光單元、控溫單元及熱擴散構件。底座具有出光口；燈罩之結構係配合對組於底座，以密封出光口；致冷晶片設置於底座內部，具有冷端及熱端，其中冷端係正對出光口；發光單元疊置於致冷晶片之冷端上，用以朝出光口方向投射光線；控溫單元用以對致冷晶片進行供電，控溫單元感測發光單元的溫度，並將發光單元的溫度與目標溫度值作比較，以調整對致冷晶片的供電量；熱擴散構件用以將致冷晶片之熱端的熱能傳導至燈罩。

根據本發明的一種實施例，另提供一種控溫方法，係適用於所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，用以控制控溫單元對致冷晶片的供電狀態，以對發光單元進行溫度控制。此控溫方法包括下列步驟：首先，以溫度感測模組感測發光單元的溫度，進而產生溫度訊號；其次，轉換溫度訊號為實際溫度值；其後，依據實際溫度值與目標 溫度值的溫度差值，設定對致冷晶片的供電量，進而產生控制訊號；最後，依據控制訊號，調整對致冷晶片的供電量。

因此，本發明透過上述實施例，將具有下述可能功效：藉由控溫單元及致冷晶片控制發光單元維持在恆定溫度，一旦發光單元的溫度超出目標溫度值，致冷晶片將可快速冷卻發光單元，從而可使得發光單元維持穩定的發光效能；同時，藉由熱擴散構件將致冷晶片熱端的熱能傳導至燈罩，可防止燈罩表面結霜起霧，以維持表面的乾燥度與清潔度，使得發光單元所顯示的燈號或光線清晰呈現，使發光二極體燈具具備良好的指示或照明品質。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取之方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

本發明係提出一種具防結霜散熱結構之發光二極體燈具及其控溫方法，旨在控制發光二極體燈具之發光單元維持恆定溫度，並防止燈罩表面結霜，以維持燈號或光線清晰呈現。

(一實施例)

首先，請參閱圖1至圖3，分別為一典型之交通號誌燈裝置之外觀示意圖、本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之一具體實施例之外觀示意圖及剖面示意圖。如圖1所示，多個發光二極體燈具20係裝設於一交通號誌燈 裝置10，用以投射光線以形成指示燈號。特別說明的是，本案之發光二極體燈具並非專用於交通號誌燈裝置，亦可應用於各式照明燈具，圖1係以典型之圓形號誌燈作為圖例，然其並非用以限制本發明之範圍。

如圖2及圖3所示，發光二極體燈具20包括底座21、燈罩22、發光單元23、致冷晶片25、熱擴散構件26，及控溫單元(該圖未示)。底座21用以放置零組件，其具有出光口210及電控室219。燈罩22為透光罩體，可使光線穿透射出。燈罩22之結構係配合對組於底座21，以密封出光口210。底座21內部設有一或多個組裝板212，組裝板212將底座21大致分隔為二區域，一個為上方區域，另一個為下方區域，上方區域用以設置發光單元23、致冷晶片25及熱擴散構件26，下方區域則為呈空腔狀態之電控室219，用以設置電源供應器、控溫單元、光源控制單元等電控組件(圖中未示)。

如圖3所示，發光單元23係由一或多枚發光二極體230與電路基板232共同組成，電路基板232可選用金屬基板(例如：鋁基板、銅基板)、陶瓷基板或軟性基板，電路基板232上方佈設有傳輸線路，而發光二極體230係搭載於電路基板232上。

致冷晶片25(或稱熱電致冷器，Thermoelectric cooler)係由半導體組成，呈片狀結構，頂面與底面為分別由陶瓷板所構成的冷端250及熱端252。致冷晶片25接受供電後，其冷端250便會快速降溫，而熱端252則會產生熱能。藉由控制輸出至致冷晶片25的供電量(例如：控制電流值或電壓值)，便可控制冷端250及熱端252的冷卻與加熱 能力。

如圖3所示，致冷晶片25設置於底座21內部，更具體來說，致冷晶片25是設置在組裝板212上，致冷晶片25的冷端250係正對出光口210。發光單元23疊置於致冷晶片25的冷端250上，用以朝向出光口210的方向投射光線，發光單元23在發光過程中將產生工作熱能。經由對致冷晶片25供電，即可驅動其冷端250降溫，進而使接觸冷端250的發光單元23快速冷卻，如此一來，發光二極體230將可維持恆定溫度，進而具備穩定的發光效能。基於致冷晶片25之快速冷卻能力，燈具結構設計時，將可刪減散熱基板的使用，以減輕燈箱的重量與體積負擔。

另一方面，熱擴散構件26可將致冷晶片25之熱端252的熱能傳導至燈罩22，以防止燈罩22產生結霜現象。如圖3所示，熱擴散構件26係抵接於致冷晶片25的熱端252與組裝板212的內壁214之間，並進一步向上延伸接觸燈罩22的內壁220。藉此，熱端252的熱能可經由熱擴散構件26傳導至燈罩22，使燈罩22的溫度提高，以防止其表面結霜，並維持燈罩22表面乾燥度與清潔度，使得發光單元23所顯示的燈號及光線清晰呈現。

所述之熱擴散構件26可選用具有高導熱性的絕緣材料製品，例如：鋁金屬、特殊塑膠及矽膠材料等。於一具體實施例，熱擴散構件26可採用導熱片(Thermal pad)來實施，例如：矽膠導熱片、陶瓷導熱片、石墨導熱片等。至於熱擴散構件26的結構，可依燈罩22的透光需求，依條狀、網狀等鏤空結構佈設於燈罩22的內壁220，並選用適當的固定方式(例如：鎖合、嵌合、卡合)與內壁214、220 相互連接。

繼續說明本案之控溫模式，請參閱圖4，本發明之控溫單元之一具體實施例之系統架構示意圖。控溫單元28係由電源供應器27供應運作所需電力，並耦接於致冷晶片25，以對致冷晶片25進行供電。控溫單元28包括溫度感測模組280、控制模組282以及驅動模組284。驅動模組284耦接於致冷晶片25，控制模組282耦接於驅動模組284及溫度感測模組280。溫度感測模組280包括溫度感測器2800，用以感測發光單元23的溫度，進而產生溫度訊號輸出至控制模組282。控制模組282接收溫度感測模組280輸出之溫度訊號，並將溫度訊號轉換為實際溫度值，再依據實際溫度值與目標溫度值的溫度差值，設定對致冷晶片25的供電量，進而依據供電量的設定值產生控制訊號。控制模組282將控制訊號輸出至驅動模組284，驅動模組284依據控制訊號對致冷晶片25進行供電。藉此將可使發光單元23的溫度趨近目標溫度值，使得發光二極體230的溫度恆定而維持穩定的發光效能。

實務上，溫度感測器2800可選用熱敏電阻、白金電阻、熱電耦等溫度感測器等溫度感測元件。溫度感測模組280更包括訊號放大器等電路單元，用以將感測訊號轉換為溫度訊號。如圖3所示，溫度感測器2800可設置於電路基板232上，以感測發光單元23的溫度變化。控制模組282可選用適當之微控制器，內部記憶體儲存有溫度訊號處理程序、目標溫度值與對應溫度差值之控制訊號模式等各項數據與控制程序。上述對應溫度差值之控制訊號模式係指依照溫度差值大小設定對致冷晶片25的供電量，由控制模組 282輸出相對應之控制訊號至驅動模組284，以控制驅動模組284輸出相對應的供電量至致冷晶片25。此對應溫度差值之控制訊號模式應依致冷晶片25的規格、燈具結構等因素而建立。驅動模組284可選用電壓調變模組、電流調變模組，或脈寬調變模組等電路模組，以接受控制訊號，改變對致冷晶片25的輸出功率。

當控制模組282判斷出實際溫度值超出目標溫度值時，即啟動驅動模組284對致冷晶片25供電，同時，控溫單元28輸出至致冷晶片25的供電量可為正比於實際溫度值超出目標溫度值的溫度差值。當實際溫度值超出目標溫度值的溫度差值越大，表示發光單元23之發光二極體230的溫度過高，控制模組282控制驅動模組284輸出至致冷晶片25的供電量越大，以便快速控制發光單元23降溫。反之，當實際溫度值超出目標溫度值的溫度差值較小，控制模組282則可控制驅動模組284降低對致冷晶片25的供電量。

接著說明本發明之控溫方法，其適用於所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具20，用以控制控溫單元28對致冷晶片25的供電狀態，以對發光單元23進行溫度控制。請參閱圖5，本發明之控溫方法之一具體實施例之步驟流程圖，其中相關之系統架構請參閱圖3及圖4。如圖5所示，所述之控溫方法包括下列步驟： 首先，以溫度感測模組280感測發光單元23的溫度，進而產生溫度訊號，並輸出溫度訊號至控制模組282(步驟S101)；其次，控制模組282將溫度訊號轉換為實際溫度值(步驟S103)；其後，控制模組282計算實際溫度值與目標 溫度值的溫度差值，並依據溫度差值，設定對致冷晶片25的供電量，進而產生控制訊號輸出至驅動模組284(步驟S105)；其後，驅動模組284依據控制訊號，調整對致冷晶片25的供電量(步驟S107)。之後，重複步驟S101，以持續進行控溫程序。

步驟105中，控制模組282係於計算出實際溫度值高於目標溫度值時，啟動驅動模組284對致冷晶片25供電。此外，驅動模組284對致冷晶片25的供電量是正比於實際溫度值超出目標溫度值的溫度差值。

經由重複上述步驟，將可促使發光二極體燈具20之發光單元23的溫度趨近於目標溫度值，而維持穩定的發光效能。同時，發光二極體燈具20的燈罩22可接收致冷晶片25之熱端252的熱度而維持在高溫，而防止燈罩22表面產生起霧與結霜積雪的現象。如此一來，即便位於高緯度或高海拔地區，發光二極體燈具20亦可發揮良好的指示與照明品質。

(另一實施例)

請參閱圖6，本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之另一具體實施例之剖面示意圖。發光二極體燈具30中，發光單元33疊置於致冷晶片35的冷端350上，熱擴散構件36抵接於致冷晶片35的熱端352與底座31之組裝板312的內壁314間，並向上延伸與燈罩32的內壁320接觸。本實施例與前一實施例的差異在於發光單元33為內部封裝有發光二極體與電路基板之高功率發光二極體模組，而溫度感測器3800則設置在發光單元33上，以感測發光 單元33的溫度變化。

(另一實施例)

請參閱圖7，本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之再一具體實施例之剖面示意圖。此實施例之發光二極體燈具40為前一實施例之變化例，發光二極體燈具40包括散熱器46，設置於致冷晶片35的熱端352與組裝板312之間，以協助快速傳導出致冷晶片35的工作熱能。圖7之散熱器46具有多枚鰭片，鰭片頂端抵接於底座31之組裝板312的內壁314上。熱擴散構件36抵接於散熱器46與組裝板312的內壁314之間，並向上延伸與燈罩32的內壁320接觸。

最後說明的是，發光二極體燈具之底座組裝架通常開設有多枚螺孔，以配合鎖固致冷晶片、發光單元、熱擴散構件、散熱器等組件，本案利用號誌燈作為所述發光二極體燈具之簡明圖示，以闡述主要技術概念，由於燈具結構組裝之細節並非本案所欲呈現之技術重點，且具多種變化態樣，因此並未多作贅述。

(實施例的可能功效)

根據本發明實施例，上述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具及其控溫方法將可控制發光單元維持恆定溫度，以維持穩定的發光效能。同時，燈罩接收致冷晶片之熱端的熱能而具備較高溫度，將可防止燈罩表面結霜積雪，維持表面的乾燥度與清潔度，使得發光單元所顯示的燈號及光線能清晰呈現，而具備良好的指示或照明品質。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

10‧‧‧交通號誌燈裝置

20、30、40‧‧‧發光二極體燈具

21、31‧‧‧底座

210‧‧‧出光口

212、312‧‧‧組裝板

214、314‧‧‧內壁

219‧‧‧電控室

22、32‧‧‧燈罩

220、320‧‧‧內壁

23、33‧‧‧發光單元

230‧‧‧發光二極體

232‧‧‧電路基板

25、35‧‧‧致冷晶片

250、350‧‧‧冷端

252、352‧‧‧熱端

27‧‧‧電源供應器

28‧‧‧控溫單元

280‧‧‧溫度感測模組

2800、3800‧‧‧溫度感測器

282‧‧‧控制模組

284‧‧‧驅動模組

26、36‧‧‧熱擴散構件

46‧‧‧散熱器

S101~S107‧‧‧各個步驟流程

圖1為一典型之交通號誌燈裝置之外觀示意圖。

圖2為本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之一具體實施例之外觀示意圖。

圖3為圖2之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之具體實施例之剖面示意圖。

圖4為本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之控溫單元之一具體實施例之系統架構示意圖。

圖5為本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之控溫方法之一具體實施例之步驟流程圖。

圖6為本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之另一具體實施例之剖面示意圖。

圖7為本發明之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具之再一具體實施例之剖面示意圖。

20‧‧‧發光二極體燈具

21‧‧‧底座

210‧‧‧出光口

212‧‧‧組裝板

214‧‧‧內壁

219‧‧‧電控室

22‧‧‧燈罩

220‧‧‧內壁

23‧‧‧發光單元

230‧‧‧發光二極體

232‧‧‧電路基板

25‧‧‧致冷晶片

250‧‧‧冷端

252‧‧‧熱端

26‧‧‧熱擴散構件

2800‧‧‧溫度感測器

Claims (6)

1. 一種具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，包括：一底座，具有一出光口；一燈罩，其結構係配合對組於該底座，以密封該出光口；一致冷晶片，設置於該底座內部，該致冷晶片具有一冷端及一熱端，其中該冷端係正對該出光口；一發光單元，疊置於該致冷晶片的該冷端上，該發光單元用以朝該出光口方向投射光線；一控溫單元，用以對該致冷晶片進行供電，該控溫單元感測該發光單元的溫度，並將該發光單元的溫度與一目標溫度值作比較，以調整對該致冷晶片的供電量，而該控溫單元包括一控制模組及一耦接於該致冷晶片及該控制模組的驅動模組；以及一熱擴散構件，用以將該致冷晶片之該熱端的熱能傳導至該燈罩；其中，該控制模組係於一實際溫度值高於該目標溫度值時，啟動該驅動模組對該致冷晶片供電，而該控溫單元輸出至該致冷晶片的供電量係正比於該實際溫度值超出該目標溫度值的溫度差值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，其中該燈罩具有一內壁，該熱擴散構件係連接於該致冷晶片之該熱端與該燈罩的該內壁。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，更包括一散熱器，且該燈罩具有一內壁，該致冷晶片係疊置於該散熱器上，該熱擴散構件係連接 於該散熱器與該燈罩的該內壁。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，其中該熱擴散構件係為一導熱片。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，其中該控溫單元包括：一溫度感測模組，用以感測該發光單元的溫度，進而產生一溫度訊號；其中，該控制模組耦接於該溫度感測模組，該控制模組接收該溫度感測模組輸出之該溫度訊號，並將該溫度訊號轉換為一實際溫度值，再依據該實際溫度值與該目標溫度值的溫度差值產生一控制訊號，該驅動模組係依據該控制訊號，調整輸出至該致冷晶片的供電量。
6. 一種控溫方法，係適用於如申請專利範圍第1項所述之具防結霜散熱結構之發光二極體燈具，用以控制該控溫單元對該致冷晶片的供電狀態，以對該發光單元進行溫度控制，該控溫方法包括下列步驟：以該溫度感測模組感測該發光單元的溫度，進而產生一溫度訊號；轉換該溫度訊號為一實際溫度值；依據該實際溫度值與該目標溫度值的溫度差值，設定對該致冷晶片的供電量，進而產生一控制訊號；以及依據該控制訊號，調整對該致冷晶片的供電量；於該實際溫度值高於該目標溫度值時，該控制模組啟動該驅動模組對該致冷晶片供電，而該控溫單元輸 出至該致冷晶片的供電量係正比於該實際溫度值超出該目標溫度值的溫度差值。