TWI525288B - Lighting device - Google Patents

Description

照明裝置

本發明涉及照明裝置，特別是包括抑制發光元件溫度上升的散熱裝置的照明裝置。

包括有發光元件並用發光元件發散的可見光進行照明的裝置稱為照明裝置。

一般來說，發光元件是指發光二極體(LED)這樣的固態發光元件，但在本說明書中，是指所有把電能轉換成可見光並發出的裝置。因此，在本說明書中，發光元件也包含白熾燈、螢光燈。另外，不限定本發明的照明裝置的使用場所、照明對象。

如上述定義的，發光元件是把電能轉換成可見光的裝置，但其轉換效率並不是100%。若向發光元件通電，則不能忽視的比例的電能被轉換成熱，發光元件的溫度上升。發光二極體是轉換效率較高的發光元件，儘管如此仍會產生不能忽視的量的熱。另外，若發光元件的溫度上升，則發光元件的性能與壽命將下降。

為了解決該問題，已知有準備了散熱片或其他熱發散部件來冷卻發光元件的照明裝置。

例如，在專利文獻1中，公開了這樣一種照明裝置，把LED發光單元安裝在冷卻板的一個面上，並且在該冷卻板的另一個面上設置中空部，將一水管與該中空部相連以冷卻LED發光單元。

另外，在專利文獻2中，公開了這樣一種照明裝置，其包括與LED光源接觸並積蓄在該LED光源產生的熱的蓄熱部、以及對積蓄在蓄熱部上的熱進行散熱的散熱片。該照明裝置的蓄熱部和散熱片為鋁的平板，散熱片豎立設置在安裝了蓄熱部的LED光源的一表面的相反表面上。

在先專利文獻：

專利文獻1 日本特開2011-54529號公報

專利文獻2 日本特開2011-29205號公報

在專利文獻1和專利文獻2中公開的照明裝置用水或者空氣冷卻發光元件，所以能防止發光元件的損壞或性能下降。另外，能夠高亮度發光。換句話說，能夠實現高照度的照明裝置。

然而，專利文獻1的照明裝置存在這樣的問題，由於冷卻水流過通水管，設置時較花費人力、成本。另外，存在這樣的問題，在一次性使用冷卻水，即把吸收了發光元件發出的熱而升溫的冷卻水就直接丟棄的情況下，冷卻水的消耗量較大。不過，如果包括把冷卻水吸收的熱發散到環境中的裝置(例如散熱器)並使冷卻水循環利用，則雖然能減小冷卻水的消耗量，但裝置整體變大，並且成本進一步升高。

另一方面，專利文獻2的照明裝置包括散熱片，由 於用空氣冷卻發光元件，不會產生上述的問題。然而，發光元件發出的熱的向散熱片的輸送利用了固體中的熱傳導，所以傳熱性能存在極限。另外，由於沒有特別考慮散熱片周圍的空氣流動，散熱性能也存在極限。因此，會產生這樣的問題，如果想得到所希望的冷卻能力，冷卻裝置的外形變大。

另外，包含了冷卻裝置的照明裝置的外形尺寸受安裝場所的條件的限制，所以不能無限制地加大。結果，照明裝置的亮度受到安裝場所的條件的限制。也就是說，在專利文獻1或者專利文獻2中公開的現有技術中，存在這樣的問題，在狹窄場所中，不能設置可高亮度發光的照明裝置。

本發明是鑒於以上那樣的背景而做出的，其目的在於提供一種小型、重量輕且可以高亮度發光的照明裝置。

為了達到上述目的，本發明的照明裝置包括：發光元件；熱擴散部件，其與上述發光元件傳熱地接觸，擴散從上述發光元件傳來的熱；熱輸送部件，其一端與上述熱擴散部件傳熱地接觸，把熱從上述一端輸送到另一端；以及熱發散部件，其與上述熱輸送部件的另一端傳熱地接觸，把從上述熱輸送部件傳來的熱發散到環境中。

也可以是，上述熱擴散部件具有與上述發光元件相 對的中央部，包圍上述中央部的一部分或全部的周緣部，上述熱輸送部件在上述周緣部與上述熱擴散部件傳熱地接觸。

另外，也可以是，上述熱發散部件設置為與上述熱擴散部件隔開一間隙，且空氣通過上述間隙流入上述熱發散部件的下方再通過上述熱發散部件，然後從上述熱發散部件的上方流出。

並且也可以是，上述熱發散部件包括多個冷卻片列，其中每個冷卻片列包括間隔排列的多個冷卻片，並且上述多個冷卻片列呈上下層疊設置。

並且，也可以是，把上述多個冷卻片列設置成從上方觀察的情況下，相鄰的二個冷卻片列的一個冷卻片列的冷卻片與另一個冷卻片列的冷卻片交叉。

並且，也可以是，上述多個冷卻片列設置成相鄰的二個冷卻片列的一個冷卻片列的排列軸相對於另一個冷卻片列的排列軸成為“扭轉”的關係。

或者，也可以是，上述相鄰的二個冷卻片列的排列軸設置成相互正交。

並且，也可以是，上述冷卻片至少在一個側緣上包括切口，上述相鄰的冷卻片列的一個冷卻片列的冷卻片的上述切口與另一個冷卻片列的冷卻片的上述切口嵌合。

並且，也可以是，上述相鄰的冷卻片的面積互不相同。

另外，也可以是，上述發光元件安裝在基板上，並且上述基板與上述熱擴散部件面接觸。

另外，也可以是，該照明裝置還包括與上述熱擴散部件面接觸的基座，並且上述熱輸送部件的一端與上述基座結合。

一種照明裝置其是由多個上述任一照明裝置組合起來。

根據本發明，照明裝置包括熱擴散部件、熱輸送部件、以及熱發散部，高效地把發光元件產生的熱發散到環境中，所以能使照明裝置小型化、輕重量化。另外，照明裝置能夠高亮度發光。因此，即便在狹窄的場所，也能設置可高亮度發光的照明裝置。

下面，參照附圖說明用以實施本發明的最佳實施方式。

圖1是表示本發明實施方式的照明裝置1的外形圖。把冷卻單元3安裝在發光單元2上構成照明裝置1。發光單元2是包括有發光元件可發出照明光的單元，冷卻單元3是與發光單元2傳熱地接觸，冷卻發光單元2的單元。此外，在本說明書中，稱“A與B傳熱地接觸”的情況下，是指A與B直接或間接地接觸，所以熱可以在A與B之間移動。因此，在A與B之間存在輸送熱的物質或裝置的情況也屬於“傳熱地接觸”。

如圖2所示，發光單元2的基板4的一個表面上安裝有多個發光二極體(LED)5。另外，基板4的另一表面，即未安裝發光二極體5的表面與冷卻單元3物理地接觸(參照圖1的(b))。另外，選擇具有導熱性的材料作為基板4的材料。因此，在發光二極體5產生的熱通過基板4流動到冷卻單元3。也就是說，發光二極體5與冷卻單元3傳熱地接觸。

如圖1所示，冷卻單元3由導熱板6(heat spreader)和散熱單元7構成，散熱單元7包括基座8、熱管9、下部冷卻片列10以及上部冷卻片列11。

導熱板6是一種平板狀熱管，在銅制的框體的內部包括有從框體的中央部朝向周緣部延伸的多條製冷劑流路，並封入有在製冷劑流路的內部作為製冷劑起作用的流體(例如水、乙醇、甲醇、丙酮等)。參閱圖1與圖6，換言之，上述導熱板6具有與上述發光二極體5相對的中央部，包圍上述中央部的一部分或全部的周緣部，上述熱管9在上述周緣部與上述導熱板6傳熱地接觸。此外，由於導熱板6的具體結構已經是公知的，故省略詳細說明。如果需要，可參照例如日本特許第4047918號公報。

如圖3所示，基座8是具有大致呈“口”字形的平面形狀的實心金屬部件，並開設有安裝熱管9的孔8a。

如圖4所示，冷卻單元3包括8根熱管9。全部熱管9都形成為“L”字形，且一個端部9a安裝在基座8的孔8a (參照圖3)中，垂直地豎起，並在中途折彎成大致直角，插入穿過下部冷卻片列10或上部冷卻片列11(參照圖1的(b))，與下部冷卻片列10或上部冷卻片列11傳熱地接觸。也就是說，熱管9插入穿過構成下部冷卻片列10或上部冷卻片列11的冷卻片10a或冷卻片11a(參照圖5)的每一個，並在插入穿過位置傳熱地接觸。由於這樣的結構，能利用熱管9把熱從基座8輸送到下部冷卻片列10或上部冷卻片列11。

此外，熱管9是管狀的熱輸送部件，其工作原理與導熱板6相同。也就是說，在用例如銅這樣的導熱性較高的材料製成的管中，熱管9封入例如水、乙醇、甲醇、丙酮等製冷劑，並且在上述管的內部形成有製冷劑蒸汽流過的蒸汽流路與液化的製冷劑流過的液體流路。此外，液體流路可以僅是管路，也可以是利用毛細現象的流路。如果能利用毛細現象，則無論熱管9的方向如何，都能使液體移動。例如能逆著重力(從下往上)使液體移動。由於熱管9已經是眾所周知的裝置，能在市場上買到，所以省略熱管9的結構、構成等的詳細說明。

如圖5所示，下部冷卻片列10和上部冷卻片列11分別是把多個冷卻片10a、11a相互平行地間隔排列而構成的熱發散部件。下部冷卻片列10與上部冷卻片列11上下為層疊設置，下部冷卻片列10的排列軸X(連接構成冷卻片列的冷卻片的幾何學中心的軸)與上部冷卻片列11的排列軸Y相互正交。因此，排列軸X與排列軸Y處於 相互“扭轉”的關係。此外，冷卻片10a、11a的材料為鋁的平板，但只要是具有導熱性的材料(例如金屬材料、高導熱性塑膠、工程塑料、石墨等)可以是任何材料。另外，如圖1的(b)所示，下部冷卻片列10與基座8呈分離設置。此外，下部冷卻片列10和上部冷卻片列11分別包括12片冷卻片10a、11a，但為了避免繁瑣，在圖5中，僅在其中的一片上附加了附圖標記。

發光單元2、導熱板6以及基座8如圖6所示結合在一起。即，發光單元2位於導熱板6的一個表面上，發光二極體5接觸安裝在導熱板6的中央附近。下面，為了方便說明，把與導熱板6的發光單元2接觸的部位稱為“接觸部”。另外，基座8位在導熱板6的另一表面，與導熱板6的周緣直接接觸地安裝。下面，為了方便說明，把與導熱板6的基座8接觸的部位稱為“擴散部”。若俯視導熱板6，則以包圍接觸部的方式設置擴散部。

由於這樣的構成，從發光單元2起通過接觸部流入導熱板6的熱被輸送到擴散部並流到基座8。因此，抑制了接觸部的溫度上升。換句話說，接觸部不會變得過熱(不產生過熱點)。因此，發光單元2與導熱板6之間的熱阻減少。

流入基座8的熱通過熱管9，被輸送到下部冷卻片列10和上部冷卻片列11(下面，在總稱二者的情況下稱為“冷卻片列”)，於是熱被擴散發散到環境中。這時，空氣(冷卻空氣)以圖7所示方式流動。即，冷卻空氣從基座8 與下部冷卻片列10之間的“間隙”流入，進入冷卻片列之中的、吸收了冷卻片列的熱(也就是說升溫)的冷卻空氣的密度變小，所以在冷卻片列之中上升，並從上部冷卻片列11的上面排出。這樣，由於在冷卻片列發散的熱產生了冷卻空氣的流動。

這樣，冷卻空氣在下部冷卻片列10的下方流入，一邊從冷卻片10a吸取熱，一邊在冷卻片10a之間上升，但在這期間冷卻片10a之間的冷卻空氣的溫度邊界層發展。也就是說，溫度邊界層變厚。當溫度邊界層變厚，由於熱較難傳到溫度邊界層外的溫度比較低的冷卻空氣中，冷卻片10a的散熱效率下降。但是，由於上部冷卻片列11的排列軸Y相對於下部冷卻片列10的排列軸X正交，所以當從下部冷卻片列10(冷卻片10a)逃出的冷卻空氣進入上部冷卻片列11，位於下部冷卻片列10的溫度邊界層外的溫度比較低的空氣與冷卻片11a直接接觸。因此，冷卻片11a可以高效地散熱。

這樣，照明裝置1能高效地把在發光二極體5產生的熱發散到環境中，有效地冷卻發光二極體5。因此，發光二極體5可高亮度發光。另外，如果亮度與以往的照明裝置相同，則能把照明裝置1構成為小型、輕重量。

此外，上述實施方式是表示本發明實施方式的一示例，本發明的技術範圍不由上述實施方式限定。在權利要求書記載的技術思想的範圍內，能自由地應用、變形或改良實施本發明。

例如，照明裝置1的形狀、尺寸為例示，並不限定於各個附圖示出的內容。導熱板6的平面形狀也可以是矩形以外的多角形，也可以是圓形。冷卻片10a、11a的平面形狀也不限定於矩形。

另外，基板4或基座8是任意的構成元件，也可以省去這些部件。例如，發光二極體5也可直接安裝在導熱板6上。另外，熱管9也可直接安裝在導熱板6上。

另外，照明裝置1也可追加在上述實施方式中未例示的構成。例如也可包括框體、燈罩、透鏡、反射板等。另外，也可內建用以點亮發光二極體5的電源電路、控制電路。

另外，在上述實施方式中，雖然例示了導熱板6作為熱擴散部件的具體例，但熱擴散部件不限定於導熱板6。也就是說，不限定於利用被密封在容器中的製冷劑的相變的熱擴散部件。也可以是利用固體的熱傳導的部件，例如銅或鋁的板或塊。不過，如果包括導熱板6作為熱擴散部件，不言而喻的是，與包括銅或鋁的板或塊作為熱擴散部件的情況相比，提高了照明裝置1的冷卻能力。

在上述實施方式中，雖然示出了設置在導熱板6的周緣部的擴散部呈“口”字形包圍設置在導熱板6的中央部的接觸部的例子，但只要擴散部位於導熱板6的周緣部，其平面形狀不限定於“口”字形。例如，也可以是，在導熱板6的周緣部的一部分存在沒有設置擴散部的部分。 也就是說，擴散部的平面形狀也可以是“”字形或“二”字形。

另外，在上述實施方式中，作為熱發散部件的具體範例，示出了下部冷卻片列10和上部冷卻片列11，但熱發散部件的形態或形狀不限定於這些。例如，冷卻片列可以只包括一層，也可以包括三層以上。或者，也可交替地改變排列軸的方向，堆疊三層以上的冷卻片列。

例如，如圖8所示，也可把四組散熱單元7設置成“田”字形，把發光單元2(在圖8中未圖示)隔著導熱板6(在圖8中未圖示)安裝到各散熱單元7上構成照明裝置1(在圖8中未圖示)。另外，在各個散熱單元7上，冷卻片列12~15堆疊成四層設置，且冷卻片列12、14的排列軸與冷卻片列13、15的排列軸的方向相互成直角，相鄰的排列軸處於“扭轉”關係。

另外，在圖1的實施方式中，例如針對一個下部冷卻片列10，包括兩組以相互面對面的方式折彎的一對熱管9，即共計四根熱管9，但在圖8的實施方式中，針對一個冷卻片列12，包括一組以相互面對面的方式折彎的一對熱管9，即共計兩根熱管9。同樣地，針對各冷卻片列13、14、15，包括一組熱管9，即共計兩根熱管9。這樣，冷卻片列12、13、14、15堆疊四層設置成的散熱單元7包括合計8根熱管9。

另外，如圖9所示，也可相互重疊地設置冷卻片列12~15的一部分。也就是說，也可在構成冷卻片列的冷 卻片上設置切口，在該切口上插入相鄰的其他冷卻片列，降低散熱單元7的高度。

此外，雖然在圖1和圖8的實施方式說明的熱管9作為整體形成為“L”字狀，在圖9的實施方式中，如圖10所示，把兩根直管狀的熱管9相對於基座8設置在垂直方向和水平方向。另外，使用接頭部件9b連結這兩根熱管9，並形成在垂直方向和水平方向上延伸的連結型熱管。此外，圖10是表示從圖9示出的照明裝置的一組散熱單元7除去冷卻片的狀態的透視圖。

另外，雖然在圖10中示出的散熱單元7由基座8、與該基座8傳熱地接觸並在垂直方向上延伸的四根熱管9、與冷卻片列傳熱地接觸並在水平方向上延伸的四根熱管、以及把這些熱管9相互連接起來的四個接頭部件9b形成，但熱管9、接頭部件9b的數量不限定於上述數量。總而言之，基座8與冷卻片列10~15經由熱管傳熱地連接即可。

另外，雖然在圖9和圖10中，在從外側用固定部件8c夾住熱管9的狀態下把熱管9固定在形成於基座8側壁的凹部8b中，但熱管9與基座8還可以用任何方法連接，只要它們是熱連接在一起。

另外，在圖8和圖9中示出的冷卻片列12~15的相鄰的冷卻片的面積不同。具體而言，在圖8和圖9的散熱單元7的冷卻片列12中，相鄰的冷卻片12a的面積沿著冷卻片的排列軸逐漸減小。由此，如圖8所示，若設 置四組散熱單元7，則照明裝置1的整體形狀形成為圓柱狀，結果能使照明裝置1小型化和輕量化。此外，如圖8和圖9所說明，其他冷卻片列13~15與冷卻片列12同樣地構成。

另外，雖然在上述實施方式中，示出了下部冷卻片列10的排列軸X與上部冷卻片列11的排列軸Y相互正交的例子，由於排列軸X與排列軸Y處於相互“扭轉”的關係就足夠，也可以其他角度相交。總而言之，只要設置成在流過下部冷卻片列10期間生成的位於溫度邊界層的外側的空氣碰到上部冷卻片列11就足夠了。

另外，雖然在上述實施方式中，例示了發光二極體5作為發光元件的具體例，但本發明的技術範圍不限定於把發光二極體作為光源的照明裝置。也可以把其他固態發光元件，例如EL(Electroluminescence：電致發光)元件作為光源。另外，也可以把白熾燈泡或放電(螢光)燈作為光源。也就是說，發光元件也可以是白熾燈泡或放電(螢光)燈。另外，也可以把將來出現的新的光源作為發光元件。

原本，本發明的目的在於，在包括發光二極體等的照明裝置1中可高亮度發光，並且使照明裝置1小型、輕量化，但高亮度發光與小型輕量化是矛盾的，在把白熾燈泡或放電(螢光)燈使用作為光源的照明裝置1中也同樣如此。因此，在這樣的照明裝置1中應用本發明是很有意義的。另外，雖然在上述實施方式的說明中， 沒有特別提及結合各構成元件的手段，但能夠利用各種公知的手段，例如鉚接、焊接、錫焊、螺紋緊固。另外，在熱管與散熱片的接合時，例如能使用壓入、粘結、焊錫、焊接、焊結等手段。

1‧‧‧照明裝置

2‧‧‧發光單元

3‧‧‧冷卻單元

4‧‧‧基板

5‧‧‧發光二極體

6‧‧‧導熱板

7‧‧‧散熱單元

8‧‧‧基座

8a‧‧‧孔

8b‧‧‧凹部

8c‧‧‧固定部件

9‧‧‧熱管

9a‧‧‧端部

9b‧‧‧接頭部件

10‧‧‧下部冷卻片列

10a‧‧‧冷卻片

11‧‧‧上部冷卻片列

11a‧‧‧冷卻片

12‧‧‧冷卻片列

12a‧‧‧冷卻片

13‧‧‧冷卻片列

14‧‧‧冷卻片列

15‧‧‧冷卻片列

X‧‧‧排列軸

Y‧‧‧排列軸

圖1是表示本發明的一實施方式的照明裝置的外形圖，其中，(a)為透視圖，(b)為從(a)中箭頭B的方向觀察到的視圖。

圖2是表示發光單元的外形的透視圖。

圖3是表示基座的外形的透視圖。

圖4是表示熱管的外形的透視圖。

圖5是表示下部冷卻片列和上部冷卻片列的外形的透視圖。

圖6是表示發光單元、導熱板以及基座的位置關係的圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為沿(a)中的BB'線切斷的剖視圖。

圖7是表示照明裝置周圍的冷卻空氣的流動的圖。

圖8是表示照明裝置的一變形例的透視圖。

圖9是表示照明裝置的另一變形例的透視圖。

圖10是表示從圖9示出的照明裝置的一組散熱單元除去冷卻片的狀態的透視圖。

1‧‧‧照明裝置

2‧‧‧發光單元

3‧‧‧冷卻單元

6‧‧‧導熱板

7‧‧‧散熱單元

8‧‧‧基座

9‧‧‧熱管

10‧‧‧下部冷卻片列

11‧‧‧上部冷卻片列

Claims (10)

1. 一種照明裝置，包括：發光元件；熱擴散部件，其與上述發光元件傳熱地接觸，擴散從上述發光元件傳來的熱，上述熱擴散部件的尺寸大於上述發光元件的尺寸，其中，上述熱擴散部件具有一與上述發光元件相接觸的中央部以及一包圍上述中央部的一部分或全部的周緣部；熱輸送部件，具有一第一端及一第二端，上述第一端與上述熱擴散部件傳熱地接觸，以將熱從上述第一端輸送到上述第二端，上述第一端連接於上述周緣部且僅延上述周緣部與上述熱擴散部件傳熱地接觸；以及熱發散部件，其與上述熱輸送部件的第二端傳熱地接觸，把從上述熱輸送部件傳來的熱發散到環境中。
2. 根據申請專利範圍第1或2項所述的照明裝置，其中，上述熱發散部件設置為與上述熱擴散部件隔開一間隙，且空氣通過上述間隙流入上述熱發散部件的下方再通過上述熱發散部件，然後向上流出上述熱發散部件。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的照明裝置，其中，上述熱發散部件包括多個冷卻片列，其中每個冷卻片列包括間隔排列的多個冷卻片，並且上述多個冷卻片列呈上下層疊設置。
4. 根據申請專利範圍第3項所述的照明裝置，其中，把上述多個冷卻片列設置成從上方觀察的情況下，相鄰的二個冷 卻片列的一個冷卻片列的冷卻片與另一個冷卻片列的冷卻片交叉。
5. 根據申請專利範圍第4項所述照明裝置，其中，上述多個冷卻片列設置成相鄰的二個冷卻片列的一個冷卻片列的排列軸相對於另一個冷卻片列的排列軸呈“扭轉”的關係。
6. 根據申請專利範圍第4項所述照明裝置，其中，上述相鄰的二個冷卻片列的排列軸設置成相互正交。
7. 根據申請專利範圍第4項所述的照明裝置，其中，上述冷卻片至少在一個側緣上設有切口，上述相鄰的二個冷卻片列中的一個冷卻片列的冷卻片的上述切口與另一個冷卻片列的冷卻片的上述切口嵌合。
8. 根據申請專利範圍第4項所述的照明裝置，其中，上述相鄰的冷卻片的面積互不相同。
9. 根據申請專利範圍第1項所述的照明裝置，其中，上述發光元件安裝在一基板上，並且上述基板與上述熱擴散部件的表面接觸。
10. 一種照明裝置，其是由多個根據申請專利範圍第1至9項中任一項所述的照明裝置組合而成。