TWI469463B - 冷卻配置、照明器具及冷卻一照明器具之方法 - Google Patents

Description

冷卻配置、照明器具及冷卻一照明器具之方法

本發明係關於用於提供一器件之冷卻之一配置，特定而言係關於包括此一冷卻配置之一照明器具。本發明亦係關於一對應的方法。

最近，在增加發光二極體(LED)之亮度方面已取得許多進展。因此，LED已變得足夠亮且不貴以作為在例如照明配置(諸如具有可調整顏色之燈)中之一光源。藉由混合不同顏色之LED可產生任意數目之顏色，例如，白色。一可調整顏色光照系統通常係藉由使用許多原色所建構，且在一實例中，使用三個原色紅、綠及藍。所產生之光之顏色係藉由所使用之該等LED以及藉由混合比率所決定。為產生「白色」，所有三個LED必須被接通。

在例如工業及消費者產品中，在諸如汽車、工業、背光顯示器及建築細部光照系統之應用中使用高功率LED取代傳統的白熾燈泡。然而，當被用於傳統的光照應用時，高功率LED遭遇一高熱負荷。諸如效率、壽命及顏色之LED之重要參數對於LED之溫度非常敏感，因而使得熱管理成為LED光照應用中之一關鍵問題，尤其在可調整顏色光照系統中，其中顏色控制對於提供一有用的應用係極為重要。當然，對白色LED(諸如例如不同類型之螢光粉塗布LED)作相同考量。

進行熱管理以減少熱負荷之一普遍方式係將LED安裝在一印刷電路板(PCB)上，且對於PCB配備一散熱器或使PCB之一金屬層之一部分專屬此目的。此類型冷卻配置通常係龐大的，因為需要相當大的散熱器以對於LED提供必要的冷卻。藉由添加在散熱座處吹風之一風扇，可使用一較小的散熱器。然而，風扇將消耗額外的功率且通常將對於光照配置添加不想要的噪音。

另外，風扇易遭受磨損，限制其等之壽命及可靠性。此外，龐大的結構妨礙優雅及光滑之光照應用的設計。在專利申請案第US 2007/0002534號中呈現包括具有一靜電調流劑之一冷卻裝置之一更有效且更光滑的冷卻配置。提供調流劑以自一風扇引導一氣流而自一器件表面提供所增加之熱之傳遞，調流劑係配置在該器件表面上。然而，甚至所引用之專利申請案之冷卻配置亦不能解決擺脫該龐大風扇的問題。

因而，需要關於冷卻一器件之一改良，且特定而言克服或至少減輕先前技術之龐大的冷卻組件之問題。

根據本發明之一態樣，上文係藉由一冷卻配置呈現，該冷卻配置包括用於產生空氣離子之一源電極、配置在離該源電極一段距離之一第一與一第二目標電極，及用於控制施加在該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電壓之控制電路，其中控制該電壓之施加使得由該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電位差所致之一氣流被配置成藉由分別在該源電極與該第一目標電極之間及該源電極與該第二目標電極之間交替施加電壓而具有交替方向。

本發明之一般概念係基於有可能可在所謂的電離子風之協助下運送空氣而使用包括一源電極及提供在該源電極下游之一第一與一第二目標電極中之至少一者的一冷卻配置之事實。請注意，有可能可(且在本發明之範圍中)使用多於該第一及該第二目標電極。較佳為，該等電極被連接至一電壓源之各自的端子，該電壓源具有一電壓，其使得在該源電極處發生一電子放電，產生空氣離子。電子放電導致空氣離子，其等與源電極具有相同的極性且亦可能充電所謂的氣溶膠，即存在於空氣中之固體顆粒或液體液滴，其中該等顆粒或液滴當與該等經充電的空氣離子碰撞時被充電。空氣離子在電場之影響下自源電極快速移動至第一與第二目標電極中之至少一者，其中空氣離子放棄其等之電荷且變成再充電空氣分子。在此移動期間，空氣離子與非充電空氣分子長久碰撞，且因此靜電力被傳遞至此等後者的空氣分子，因此以自源電極朝向目標電極之一方向牽引該等後者的空氣分子，藉此造成通過中空結構以所謂的離子風形狀之一空氣運送。

藉由本發明之此態樣，有可能可提供一器件(諸如一照明器具)之冷卻，其具有類似或比一習知的散熱器及風扇系統更好的性能，但具有一較小尺寸與重量以及可寂靜操作。由於靠近熱源(例如照明器具之光源)產生一經濃縮氣流之可能性，有可能亦可減少對散熱器、風扇、熱膠等之需要。較佳為，源電極為一電暈電極。因此，電子放電係一產生空氣離子之一電暈放電。

源電極與第一及第二目標電極中之至少一者之間的距離應係大於電擊穿發生處之距離。在一實施例中，源電極(例如電暈電極)與第一及第二目標電極中之至少一者之間的電位差足以電離在電暈電極處之周圍空氣中之分子，且隨後空氣自該電極朝向目標電極流動。較佳為，在一低電壓操作中驅動冷卻配置，藉此增加提供一安全且可靠配置之可能性。

可能以不同的方式配置源電極及第一與第二目標電極。在一實施例中，電極被配置在一承載部件上，沒有限制例如由具有一殼體之一中空結構代表。在此一情況下，電極可被塗布在中空結構之內側。例如，源電極與第一及第二目標電極中之至少一者可被配置在中空結構之殼體之內側(例如，作為該殼體之內側上之一塗層)。在另一實施例中，源電極與第一及第二目標電極中之至少一者可替代地(或同時)被配置至一基板(在此情況下代表該承載部件)上，例如被固定在中空結構之一第一與一第二部分之間。較佳為，源電極、第一與第二目標電極及/或殼體之內表面可使用一貴金屬塗布，其將減少且可能分解可在源電極處產生之臭氧。

在一實施例中，中空結構包括一入流部與一出流部。同時，可配置中空結構使得該中空結構包括至少一開口，該開口具有朝向中空結構之內側之一圓錐形空氣入口以提供一文土里效應(Venturi effect)。下文將進一步討論關於本發明之文土里效應。較佳為，將開口配置成與需要冷卻之器件(諸如例如一光源)緊密連接。

在本發明之一有利實施例中，冷卻配置係與一光源一起配置，藉此形成一照明器具。為實現一高能量效率，光源較佳為選自包括發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、聚合發光二極體(PLED)、無機LED、冷陰極螢光燈(CCFL)、熱陰極螢光燈(HCFL)、電漿燈之一群組。如上文所提及，LED與習知的電燈泡比較具有更高的能量效率，LED大致以光的形式遞送最多約6%之使用之其等之電力。熟習的技術人士將瞭解當然將可能使用一標準的白熾光源，諸如一氬、氪及/或氙光源。在一甚至更佳的實施例中，光源可包括複數個不同顏色之LED以提供一具有可調整顏色之照明器具，或替代為一白色LED，諸如例如不同類型之螢光粉塗布LED(例如，遠離螢光粉LED)。

在照明器具之一可能的實施方案中，中空結構中面朝向中空結構之外側的圓錐形空氣入口之側部可包括一反射部件。例如當將圓錐形開口配置成與光源連接時，可提供此一反射部件作為用於照明器具之光源的一反射器。請注意，包括一反射部件之一圓錐形開口可具備本發明之冷卻配置之上文所討論之實施例之任一者。

根據本發明之另一態樣，其提供一種冷卻一照明器具之方法，該方法包括提供一承載部件、於該承載部件上配置一源電極以產生空氣離子、於該承載部件上配置一第一與一第二目標電極，其中該第一及該第二目標電極被配置在離該源電極一段距離之處，控制施加在該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間之一電壓，其中控制該電壓使得由該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電位差所致之一氣流被配置成藉由分別在該源電極與該第一目標電極之間及該源電極與該第二目標電極之間交替施加電壓而具有交替方向。

藉由本發明之此態樣，其(以如上文參考本發明之第一態樣而描述之一類似及類比的方式)可能提供一器件(諸如一照明器具)之冷卻，其具有類似或比一習知的散熱器及風扇系統更好的性能，但具有一較小尺寸與重量以及可寂靜操作。由於靠近熱源(例如照明器具之光源)產生一經濃縮氣流之可能性，有可能亦減少對散熱器、風扇、熱膠等之需要。另外，此態樣亦提供使用不同類型承載部件(諸如具有一殼體之一中空結構，或諸如例如一PCB之一基板)之可能性。當然其他實施方案之特定解決方法亦係可行的。

當研究所附申請專利範圍及以下描述時，本發明之其他特徵與優點將變得明顯可知。熟習的技術人士瞭解在無違本發明之範圍之情況下可組合本發明之不同特徵以產生不同於以下所描述之實施例之實施例。

自以下詳細描述與附圖將輕易瞭解本發明(包含其特定特徵與優點)之各種態樣。

以下參考附圖，現將更完全地描述本發明，圖式中顯示本發明之當前較佳實施例。然而，可以許多不同的形式體現本發明，且其等不應被認為係對本文所闡述之該等實施例的限制；更確切些，徹底且完整地提供此等實施例並且完全傳達本發明之範圍至熟習的技術人士。貫穿圖式相似的參考字元指的是相似的元件。

現參考圖式且特定而言圖1，其描繪根據本發明之一當前較佳實施例之一冷卻配置之一示意性繪示。圖1a顯示冷卻配置100之分離部分，冷卻配置100包括以一電暈電極102之形式之一源電極、一第一目標電極104及一第二目標電極106。另外，冷卻配置100分別包括一第一與一第二封閉體108與110，其等經調適以配合在電暈電極102及目標電極104、106上並對於冷卻配置100提供一殼體。各自的封閉體較佳為包括對於氣流進氣口與排氣口形成之端部。在圖1b中，顯示冷卻配置100之功能，其指示當一電位差被施加在電暈電極102與目標電極104、106之間時，冷卻配置100之一氣流方向。作為一實例，在圖1b中於電暈電極102與目標電極106之間提供一電位差，而另一目標電極104與電暈電極102保持在基本上相同的電壓電位。因此，且如上所討論，尤其為了安全原因應保持盡可能低的電暈電極102與目標電極106之間的電位差。然而，在一例示但非限制實施例中，在電暈電極102與目標電極106之間的電位差之該電位差為至少7kV，且較佳為大於10kV，可能產生一在約1至3m/s之氣流。在相同實施例中，擇電暈電極102與目標電極104之間的距離可經選擇而約為大致7mm。

藉由提供電位差，在電暈電極102處將發生一電子放電，其從而將產生空氣離子。即，電子放電導致空氣離子，其具有與電暈電極102相同的極性且亦可能充電所謂的氣溶膠，即存在於空氣中之固體顆粒或液體液滴，其中該等顆粒或液滴當與該等經充電的空氣離子碰撞時被充電。空氣離子在電場之影響下自電暈電極102快速移動至目標電極106，其中空氣離子放棄其等之電荷且變成再充電之空氣分子。在此移動期間，空氣離子與非充電空氣分子長久碰撞，且因此靜電力被傳遞至此等後者的空氣分子，因此以自源電極朝向目標電極之一方向牽引該等後者的空氣分子，藉此造成以一離子風形狀通過封閉體108、110之一氣流。在最靠近目標電極106之封閉體110之端點處將存在如由一箭頭指示之一出流，然而在最靠近另一目標電極104之封閉體108之端點處將存在一入流。在圖1c中電位差被改變，在此情況下使得電位差被施加在電暈電極102與第一目標電極104之間，造成以與圖1b相反之方向之一氣流。類似地，在第二目標電極106處之電壓電位可與在電暈電極102處之位準保持於基本上相同的一位準。另外，為最小化可能之臭氧產生，可能適於使用一貴金屬(諸如例如金或銀)覆蓋、電鍍或製造電暈電極102及/或目標電極104、106。

較佳為，圖1b與1c中所繪示之操作將可能循序地發生且發生複數次，因而造成一交替氣流，其可適於冷卻例如一照明器具。為控制電暈電極102與第一目標電極104及第二目標電極106中之至少一者之間的一電位差的此一交替應用，可使用例如一控制電路(未顯示)。控制電路可包含一微處理器、微控制器、可程式數位信號處理器或另一可程式器件。控制電路亦可(或替代地)包含一特定應用積體電路、一可程式閘極陣列可程式陣列邏輯、一可程式邏輯器件或一數位信號處理器。在控制電路包含諸如上文提及之微處理器或微控制器之一可程式器件之情形下，該處理器可進一步包含控制可程式器件之操作之電腦可執行碼。另外，控制電路可包括用於接收來自配置在意欲藉由冷卻配置100冷卻之物體(諸如一LED或照明器具)附近之一感測器之一溫度指示之一輸入，藉此提供額外的控制能力。

現參考圖2，其中繪示根據本發明之另一當前較佳實施例之一冷卻配置200之一示意性繪示。提供與一基板(諸如一印刷電路板(PCB))結合之冷卻配置200，一第一電暈電極202、一第二電暈電極204、一第一目標電極206及一第二目標電極208被配置至該PCB上。此外，另外提供一光源(諸如一發光二極體(LED)210)於該PCB上。在操作LED 210期間，使用一散熱片212以運送所產生之熱遠離LED 210並將熱散布在一更大的空間。

一類似配置亦可被提供於該PCB之相反側上。藉此在PCB之兩側上可有效地發生電離。將僅在尖銳的帶正電電極或電暈電極處發生電離。因此，每半相位空氣將僅自LED之一側位移至另一側。在使用一高電壓AC發電機之例示情況中空氣移動之方向將在下一個半相位改變。因此，氣流之方向改變等於AC頻率。

因此，在冷卻配置200之操作期間，在一第一相位期間，一電位差將被施加在第一電暈電極202與第一目標電極206之間。該操作類似於結合圖1b所描述之操作。即，一氣流將開始以自第一電暈電極202朝向第一目標電極206之一方向流動。在一第二相位期間，電位差將替代地被施加在第二電暈電極204與第二目標電極208之間，因而造成以一基本上相反方向之一氣流。圖2中亦提供第一電暈電極202之一區段之一詳細視圖。該詳細視圖繪示第一電暈電極之一例示實施方案，其包含四個用於電暈電極202之定尺寸之長度/寬度指示L₁ 至L₄ 。在一非限制實施例中，長度L₁ 與L₂ 可經選擇而在自1至5mm之範圍中，而一電暈電極部之寬度L₃ 可被保持約為大致0.25mm，在開放端可能具有一特別三角形邊緣。另外，兩不同電暈電極部之間的距離可經選擇而自1至3mm。然而，熟習的技術人士瞭解可例如取決於施加在一電暈電極與一目標電極之間的電位差選擇不同的長度寬度。上文描述之實施例僅併入一冷卻配置200，但應瞭解可僅使用一中心高電壓發電機建構此等單元之一陣列。

圖3繼續繪示包括根據本發明之一例示冷卻配置200之一照明器具300之一示意性繪示。初始地，在圖3a中提供一照明器具300之一概念透視側視圖，基於PCB之冷卻配置200可被配置在該照明器具300之內側。對比圖1中所繪示之冷卻配置100，圖3a之冷卻配置300亦包含兩個封閉部302與304，該冷卻配置300經調適以例如藉由一按扣配合而固定PCB 200。另外，照明器具300包括在封閉部302、304之至少一者中之一圓錐形開口306。在操作照明器具300內側之冷卻配置200期間，開口306將作為一文土里開口，其容許實現一文土里效應。文土里效應係流體壓力，例如空氣壓力，其在一不可壓縮流體流過管路之一縊縮區段時產生。因此，文土里效應可自白努利原理與連續方程之一組合導出。即，通過縊縮之氣流之速度必須增加以滿足連續方程，而其壓力由於能量守恆而必須降低：動能之增益係藉由壓力之一下降或一氣壓梯度力而提供。因而，以一第一方向之一氣流將造成在PCB之兩側上之一壓力下降，造成空氣將通過開口306且可能在照明器具300之相反側上之一另外開口處吸入。此係類似於噴流衝擊，其中差別在於通過開口之氣流係藉由在開口之出口處之一壓力下降而造成，而非在開口之入口處之一壓力增加而造成。

較佳為，開口306可被配置在靠近LED 210之附近，諸如圖3b中所繪示，且亦可係藉由一反射塗層覆蓋以容許該開口亦作為LED 210之一反射器。圖3b亦進一步繪示將一開口308用在照明器具300之相反側上。另外，圖3b藉由箭頭顯示流動通過照明器具300之空氣之交替方向。類似於圖1之冷卻配置100，封閉部302與304之端部係開放以容許一自由氣流，藉此形成空氣進氣口/排氣口。然而，可提供不同的結構，包含例如配置在空氣入口/出口內之一過濾器部件。

最後，在圖4a至4c中，分別顯示包括根據本發明之一不同實施例之一冷卻配置之一照明器具400之另一實施例之一斷面圖、一透視俯視圖及一側視圖。照明器具400進一步包括一LED 402、鄰近該LED 402配置之一散熱層(例如銅散熱層)404、一電暈電極406及一目標電極408，其等一起形成照明器具400之一「頂部區段」。另外，照明器具400包括複數個配置在一「底部區段」上之間隔元件410及一中心定位的噴嘴412(例如，一空氣入口/出口開口)。頂部與底部區段可藉由例如黏膠、熔融、按扣配合或任何其他適合的方法連接在一起。

照明器具400之功能類似於關於圖2及3所描述之實施例。然而，一不同處在於照明器具400不使用文土里效應，但藉由一電暈風而藉由在體積之內側中心處產生一壓力下降而直接造成一噴流衝擊冷卻效應，該體積係由在底部區段及頂部區段上之複數個間隔元件410形成。在此情況下，冷空氣係通過噴嘴412吸入，藉由在PCB上之散熱表面加熱且以一徑向方式自一中心朝外吹出。

概述而言，根據本發明可能提供一冷卻配置，其包括一源電極，配置在離該源電極一段距離之一第一與一第二目標電極，具有一殼體之一中空結構及用於控制施加在該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電壓之控制電路。控制該電壓使得由該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電位差所致之一氣流被配置成具有交替方向。藉由本發明有可能可提供一器件之冷卻，該器件具有類似或比一習知的散熱器及風扇系統更好的性能，但具有一較小尺寸與重量以及寂靜的。

儘管參考其之特定例示實施例已描述本發明，但許多不同的交替、修改及其類似物對於熟習此項技術者將變得明顯可知。例如，離子驅動冷卻可被應用在大LED陣列系統，諸如背光、修整LED燈、LED嵌燈等。同時，大致已使用電暈電極與一目標電極之間的一電位差之應用而描述以上冷卻配置。當然可藉由一AC與一DC電壓中之任一者提供一電位差之應用。另外，熟習的技術人士在實踐所主張之發明中自研究圖式、揭示內容及所附申請專利範圍可瞭解及實現所揭示實施例之變體。在申請專利範圍中，字詞「包括」不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」不排除複數個。一單一處理器或其他單元可履行申請專利範圍中所列舉之若干項之功能。在互不相同之附屬請求項中列舉某些措施之純粹事實不指示此等措施之一組合不可被用作優點。

100．．．冷卻配置

102．．．電暈電極

104．．．第一目標電極

106．．．第二目標電極

108．．．第一封閉體

110．．．第二封閉體

200．．．冷卻配置

202．．．第一電暈電極

204．．．第二電暈電極

206．．．第一目標電極

208．．．第二目標電極

210．．．發光二極體

212．．．散熱片

300．．．照明器具

302．．．封閉部

304．．．封閉部

306．．．開口

308．．．開口

400．．．照明器具

402．．．LED

404．．．散熱層

406．．．電暈電極

408．．．目標電極

410．．．間隔元件

412．．．噴嘴

圖1a、1b與1c係根據本發明之一當前較佳實施例之一概念冷卻配置之一示意性繪示；

圖2係根據本發明之另一當前較佳實施例之一冷卻配置之一示意性繪示；

圖3a與3b係根據本發明之包括一例示冷卻配置之一照明器具之一示意性繪示；及

圖4a、4b與4c係根據本發明之包括一例示冷卻配置之一不同的照明器具之一示意性繪示。

100．．．冷卻配置

102．．．電暈電極

104．．．第一目標電極

106．．．第二目標電極

108．．．第一封閉體

110．．．第二封閉體

Claims (15)

1. 一種冷卻配置(arrangement)，其包括：用於產生空氣離子之一源電極；配置在離該源電極一段距離處之一第一及一第二目標電極；及用於控制施加在該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電壓之控制電路，其中控制該電壓之該施加使得由該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電位差所致之一氣流(airflow)被配置成藉由分別在該源電極與該第一目標電極之間及該源電極與該第二目標電極之間交替施加該電壓而具有交替方向。
2. 如請求項1之冷卻配置，其進一步包括具有一殼體之一中空結構，其中該源電極與該第一及該第二目標電極被配置在該中空結構之內側。
3. 如請求項1與2中任一項之冷卻配置，其中該源電極係一電暈電極。
4. 如請求項1或2之冷卻配置，其中該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一距離係大於在該電壓發生電擊穿處之該距離。
5. 如請求項1或2之冷卻配置，其中該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的該電位差係足以電離在該電暈電極處之該周圍空氣中之諸分子，且隨後空氣自該電極朝向該目標電極流動。
6. 如請求項1或2之冷卻配置，其中該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者被配置至一基板上。
7. 如請求項6之冷卻配置，其中該中空結構包括一第一與一第二部，且該基板被固定在該第一與該第二部之間。
8. 如請求項1或2之冷卻配置，其中該源電極與該第一及該第二目標電極係使用一貴金屬塗布。
9. 如請求項2之冷卻配置，其中該中空結構包括一入流部與一出流部。
10. 如請求項2之冷卻配置，其中該中空結構包括至少一開口，該開口具有朝向該中空結構之該內側之一圓錐形以提供一文土里效應(Venturi effect)。
11. 一種照明器具，其包括一光源及如請求項1之一冷卻配置。
12. 如請求項11之照明器具，其中該光源包括至少一發光二極體(LED)。
13. 如請求項11與12中任一者之照明器具，其中該中空結構包括至少一開口，該開口具有朝向該中空結構之該內側之一圓錐形，且面向該中空結構外面之該圓錐之該內側包括一反射部件。
14. 一種用於冷卻一照明器具之方法，其包括：提供一承載部件(carrying member)；於該承載部件上配置一源電極以產生諸空氣離子；於該承載部件上配置一第一與一第二目標電極，其中該第一及該第二目標電極被配置在離該源電極一段距離 之處；控制施加在該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電壓，其中控制該電壓使得由該源電極與該第一及該第二目標電極中之至少一者之間的一電位差所致之一氣流被配置成藉由分別在該源電極與該第一目標電極之間及該源電極與該第二目標電極之間交替施加該電壓而具有交替方向。
15. 如請求項14之方法，其中該源電極係一電暈電極。