TWI553266B - 液冷式ｌｅｄ發光裝置 - Google Patents

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Description

液冷式LED發光裝置
本發明係揭露一種液冷式LED發光裝置，並且特別地，關於一種全周光或者半周光之液冷式LED發光裝置。
近年來，發光二極體(Light Emitting Diode,LED)燈具已被用來作為日常生活照明，逐漸地取代傳統的照明燈具成為主流照明產品。LED燈是一種環保節能的照明產品，與傳統照明燈具相比具有低耗能、省電、壽命長、耐用等優點，但是實際上，LED卻是一種高熱的發光設備。LED燈整體發熱量雖然不高，但換算成單位體積發熱量時，卻遠遠超過其他光源。LED燈將電能的15%~20%轉換成可見光，其餘能量則皆轉換成熱能的形式散逸。LED的發光效率與壽命是隨著使用時間增加產生的LED晶片的接面溫度(Junction Temperature)增加而呈減少關係，所以LED燈所產生電熱流之廢熱若無法有效散出，將導致發光效率嚴重下降及使用壽命縮短。因此LED照明產品的散熱需求變成其提升使用效率之最重要的條件之一。而目前LED燈散熱方式主要有散熱片、加裝風扇強制散熱、遠端熱交換器(熱管式及液冷式)等。
再者，由於核污染帶來食品安全、綠色無污染、節能等新觀念，其中有機蔬菜的需求更如預期正不斷上升，因此LED植物燈行業目前正處在一 個上升的階段。受日、歐、美市場理念的影響，各國都發展新型的種植方法和安全的種植技術，當前發展室內有機蔬菜種植於無污染的健康環境，如無土栽培來使蔬菜、花卉、胚芽、育苗、有機作物生長需求與生長周期調整，所以市場上對產生LED植物燈的迫切需要。
此外，就於LED植物燈應用而言，除了需要在不同生長階段調整不同的光源光譜外，LED植物燈亦需要長時間連續提供植物光肥，因此，有效的散熱是很重要的。習知散熱方式大多以鋁基板作為汽冷式散熱，然而此一方式對於數量龎大之植物燈需長時間連續提供植物光肥而言，需要耗費大量空調以降低所產生植物溫室之升溫，藉以維持植物生長、LED光源亮度、均勻性以及光譜之穩定性。而這種習知常見的LED燈具所採用被動散熱方式，即在LED基板上透過連接鋁、陶瓷或塑料等材質的散熱片，通過傳導將LED散發出的熱量傳遞到散熱片上對外輻射，但這種散熱方式的缺陷是對散熱片的材料要求高且體積較大，散熱效果不明顯。
因此，習知技術也出現了採用風冷或液冷方式進行主動散熱的LED燈具。習知風冷式的LED光源，通常為加裝風扇強制散熱，但是這種結構體積較大，而且驅動風扇本身需要耗電以及噪聲也相對較高。而習知液冷式的LED光源，通常為藉由依附在冷卻背板上，熱源利用熱傳導原理快速傳至鋁基板上，之後再藉由幫浦(Pump)使工作流體(例如水)強制對流將鋁基板表面的熱有效地帶走。不過由於習知液冷式LED燈具為平面式LED發光源，因此，無法應用於有全周光(Omni-Directional)(0-360°)或半周光(Half-Omni-Directional)(0-180°)的照明角度需求甚至須整個光源置於水中之應用，例如：紫外線汙水處理、植物燈、聚漁燈等光源照明。
根據以上說明可以明瞭習知液冷式LED發光裝置，由於其為平面式LED發光源，無法提供全周光或半周光的照明角度需求，甚至是將整個光源置於水中之應用，所以有必要加以改良以解決習知液冷式LED發光裝置之缺點。
為達成上述之目的，本發明提供一種液冷式LED發光裝置，其包含有一散熱模組、一LED發光元件陣列模組及一空心外管。該散熱模組包含有一導水空心管，具有一外側表面以及一內側管道，內側管道用以提供一冷卻液之流動。該LED發光元件陣列模組設置於導水空心管之外側表面。該空心外管用以套住導水空心管之外側表面，並藉由密封空心外管之二端，藉以避免冷卻液滲透進入設有LED發光元件陣列模組之外側表面。
再者，LED發光元件陣列模組包含有複數個LED發光元件以及一驅動電路，每一LED發光元件包含有至少一LED晶片以及一導線架。該至少一LED晶片黏晶於導線架上，導線架以散熱膠黏貼於導水空心管之外側表面，並連接驅動電路。其中，該複數個LED發光元件可以以全周光或者半周光的方式分佈並設置於導水空心管之外側表面。
此外，散熱模組另包含有一導水元件、一水泵裝置以及一散熱體。導水元件連接於導水空心管之內側管道之二端，水泵裝置連接於導水元件，用來泵該冷卻液藉以通過導水空心管與導水元件，而該散熱體連接於導水元件，用以冷卻該冷卻液。
相較於習知技術，本發明係提供一種液冷式LED發光裝置，能夠藉由提供LED發光元件陣列模組分布於導水空心管之圓柱形表面以達到全周 光或者半周光分布。同時，藉由空心外管用以套住導水空心管之外側表面，並藉由密封空心外管之二端，能夠將整個LED發光光源置於水中之應用。藉以解決習知液冷式LED發光裝置所會面臨之缺點。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧液冷式LED發光裝置
10‧‧‧散熱模組
12‧‧‧導水空心管
122‧‧‧外側表面
124‧‧‧內側管道
14‧‧‧導水元件
142‧‧‧冷卻液
144‧‧‧進水端
146‧‧‧出水端
16‧‧‧水泵裝置
18‧‧‧散熱體
20‧‧‧LED發光元件陣列模組
20A‧‧‧三波段LED模組
20B‧‧‧單一波段LED模組
22‧‧‧LED發光元件
222‧‧‧LED晶片
224‧‧‧導線架
226‧‧‧基板
228‧‧‧電極連接線
24‧‧‧驅動電路
24a‧‧‧正極端
24b‧‧‧負極端
26‧‧‧電源
30‧‧‧空心外管
32‧‧‧密封件
34‧‧‧外表面
342‧‧‧光觸媒層
36‧‧‧內壁
362‧‧‧螢光粉層
圖一係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第一實施例示意圖。
圖二係繪示本發明之LED發光元件之示意圖。
圖三係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第二實施例示意圖。
圖四係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第三實施例示意圖。
圖五係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第四實施例示意圖。
圖六係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第五實施例示意圖。
圖七係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第六實施例示意圖。
圖八係繪示本發明之LED驅動電路示意圖。
為了讓本發明的目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合所附圖式對本發明的具體實施方式做詳細之說明。
首先，請參閱圖一、圖二及圖八，圖一係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第一實施例示意圖。圖二係繪示本發明之LED發光元件之示意圖。圖八係繪示本發明之LED驅動電路示意圖。本發明提供一種液冷式LED發光裝置1，其包含有一散熱模組10、一LED發光元件陣列模組20以及一空心外管30。散熱模組10包含有一導水空心管12，具有一外側表面122 以及一內側管道124，內側管道124用以提供一冷卻液(未顯示於圖一中)流動，惟本發明不以此為限，於實際應用時，冷卻液亦得以為一冷卻水藉由通過該導水空心管而產生冷卻效果。以下以水為冷卻液說明實施例，於本實施例中，導水空心管12係指一塑膠空心管，惟本發明不以此為限，於實際應用時，導水空心管12亦得以為金屬空心管或者其他能夠達到導水效果之材料為之。LED發光元件陣列模組20設置於導水空心管12之外側表面122。藉由LED發光元件陣列模組20設置於導水空心管12之圓柱形之外側表面122，以提供全周光(Omni-Directional)(0-360°)或半周光(Half-Omni-Directional)(0-180°)的照明角度。於本實施例中，導水空心管12之截面為一圓形，惟本發明不以此為限，於實際應用時，導水空心管12之截面亦得以為橢圓形或者是其它形狀能夠達到半周光或全周光之照明角度為之。其中該LED發光元件陣列模組20包含有複數個LED發光元件22以及一驅動電路24。每一LED發光元件22包含有至少一LED晶片222、一導線架224以及一具有反射表面之基板226。導線架224係貼附於該基板226之內表面，藉由導線架224之厚度維持一可供黏晶層形成之黏晶間隙，該至少一LED晶片222黏晶於導線架224上。接著，再將已打上電極連接線228之導線架224以散熱膠(未顯示於圖一中)黏貼於導水空心管12之外側表面122，並連接驅動電路24。於本實施例中，驅動電路24係指由銅箔線組成之驅動電路24，惟本發明不以此為限，於實際應用時，驅動電路24亦得以為銀漿、銀鋁漿、鋁漿、銀膠及銅膠等能夠作為驅動電路24之材料為之。再者，於本實施例中，LED發光元件22是以並聯的方式連接於驅動電路24上，惟本發明不以此為限，於實際應用時，亦得以串連方式為之。最後， 該驅動電路24之正極端24a和負極端24b能夠穿過空心外管30兩端再藉由外界之電源26供應電流。空心外管30用以套住導水空心管12之外側表面122，並藉由密封件32密封空心外管30之二端，藉以避免水滲透進入設有LED發光元件陣列模組20之導水空心管12之外側表面122，進而達到防水之效果。於本實施例中，可將本發明之液冷式LED發光裝置1直接置入水中，利用水之對流通過導水空心管12能夠達到散熱效果。實際應用時，本發明亦可以應用於防水燈或水生植物燈，惟不以此為限。
再者，請參閱圖一及圖三，圖三係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第二實施例示意圖。散熱模組10另包含有一導水元件14、一水泵裝置16以及一散熱體18。於本實施例中，導水元件14可以係指橡皮管，惟本發明不以此為限，於實際應用時亦得以為軟塑膠管等軟管。導水元件14連接於導水空心管12之內側管道124之二端，分別形成一進水端144和一出水端146。水泵裝置16連接於導水元件14之進水端144，用來泵(Pump)冷卻液142藉以通過導水空心管12與導水元件14，使LED發光元件陣列模組20能夠達到有效散熱。而散熱體18連接於導水元件14之出水端146，用以降溫吸收熱後之冷卻液142。於實際應用時，對於數量龎大之植物燈需長時間連續提供植物光肥而言，更可以最小耗能同時提供溫室溫度降溫與維持溫室溫度之調整。
接著，請參閱圖四，圖四係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第三實施例示意圖。本發明揭示一種液冷式LED發光裝置1，空心外管30具有一外表面34以及一內壁36。於本實施例中，空心外管30係為壓克力空心管，惟本發明不以此為限，於實際應用時，空心外管30亦得以為玻璃、水 晶或者其他能夠達到對光透明效果之材料為之。其中空心外管30之內壁36塗佈一單一或多色螢光粉層362。而LED發光元件陣列模組20可以是藍光、紫光與紫外光之三波段LED模組20A，其設置於導水空心管12之外側表面122上。藉由施加電流於三波段LED模組20A而驅動此紫外光LED發出紫外光、驅動紫光LED發出紫光以及藍光LED發出藍光(未顯示於圖四中)。當藍光或紫外光或紫光或其多個組合的光波長穿透單一或多色螢光粉層362時，單一或多個組合的光波長會激發螢光粉層362而產生特定或多種顏色之可見光(未顯示於圖四中)，此特定或多種顏色之可見光則可藉由調整不同驅動電流組合進一步提供光譜或顏色可調之全光譜白光(包含紫外光至紅光)(未顯示於圖四中)。因此，藉由單一或多色螢光粉層362與三波段LED模組20A應用於液冷式LED發光裝置1能夠提供防水、變色與全光譜之功效。實際應用時，本發明亦可以應用於植物燈與聚魚燈等，惟不以此為限。
再者，請參閱圖五係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第四實施例示意圖。本發明揭示液冷式LED發光裝置1，除了藉由螢光粉層362與三波段LED模組20A應用於液冷式LED發光裝置1。另外在該空心外管30之外表面34塗佈一單一或多層光觸媒層342(Photocatalyst)。光觸媒層342除能夠作為擴散體(diffuser)以提供發光分布均勻化，亦能夠藉由空心外管30之外表面34上由紫外光產生的光觸媒反應，以提供室內除臭和殺菌的功效避免室內因缺乏紫外光源以引發光觸媒反應的問題。因此，於本實施例中，藉由單一或多色螢光粉層362、三波段LED模組20A以及單一或多層光觸媒層342應用於液冷式LED發光裝置1能夠提供防水、變色、全光譜、除臭與殺 菌之功效。實際應用時，本發明亦可以應用於植物燈，惟不以此為限。
接著，請參閱圖六，圖六係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第五實施例示意圖。本發明揭示液冷式LED發光裝置1，LED發光元件陣列模組20可以是一藍光或紫光或紫外光之單一波段LED模組20B，其設置於導水空心管12之外側表面122上。而該空心外管30之內壁36塗佈一單一或多色螢光粉層362。於本實施例中，能夠藉由藍光LED以激發黃色螢光粉產生白光，惟本發明不以此為限，於實際應用時，亦得以利用紫外光或紫光LED所發出的紫外光或紫光激發各種顏色螢光粉產生白光。實際應用時，本發明亦可以應用於防水燈或聚魚燈，惟不以此為限。除此之外，於本實施例中，空心外管30之內壁36亦得以不塗佈螢光粉層，但仍能提供紫外光源用途以應用於防水、除臭與殺菌用途。實際應用時，本發明可以應用於除臭殺菌燈，惟不以此為限。
再者，請參閱圖七，圖七係繪示本發明之液冷式LED發光裝置之第六實施例示意圖。本發明揭示液冷式LED發光裝置1，除了藉由單一波段LED模組20B應用於液冷式LED發光裝置1。另外再藉由在該空心外管30之外表面34塗佈單一或多層光觸媒層342，能提供防水、除臭與殺菌之功效。實際應用時，本發明亦可以應用於汙水處理燈，惟不以此為限。
相較於習知技術，本發明係提供一種液冷式LED發光裝置，能夠藉由提供LED發光元件陣列模組分布於導水空心管之圓柱形之外側表面，以提供全周光或半周光的照明角度，同時達到散熱效果。此外，本發明亦可藉由空心外管用以套住導水空心管之外側表面，進而達到防水之效果。因此，本發明能夠應用於對均勻照度有全周光或半周光的照明角度需求之植物 燈，能夠以最小耗能藉以提供溫室溫度降溫與維持溫室溫度，進而維持植物生長、LED光源亮度與光譜之穩定性。再者，本發明並且能夠將整個光源置於水中之利用通過導水空心管之水流的自然對流達到冷效果，例如應用於聚魚燈、汙水處理用燈或者水生植物燈。因此，本發明能夠解決習知液冷式LED發光裝置，無法提供全周光或半周光的照明角度以及在水中應用LED光源之缺點。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
1‧‧‧液冷式LED發光裝置
10‧‧‧散熱模組
12‧‧‧導水空心管
122‧‧‧外側表面
124‧‧‧內側管道
20‧‧‧LED發光元件陣列模組
22‧‧‧LED發光元件
24‧‧‧驅動電路
30‧‧‧空心外管
32‧‧‧密封件
34‧‧‧外表面
36‧‧‧內壁

Claims (8)

  1. 一種液冷式LED發光裝置包含有：一散熱模組，包含有一導水空心管，具有一外側表面以及一內側管道，該內側管道用以提供一冷卻液之流動；一LED發光元件陣列模組，設置於該導水空心管之該外側表面；以及一空心外管，用以套住該導水空心管之該外側表面，並藉由密封該空心外管之二端，藉以避免冷卻液滲透進入設有該LED發光元件陣列模組之該外側表面；其中該空心外管可以是一壓克力空心管，具有一外表面以及一內壁，該壓克力空心管之該外表面得塗佈一單一或多層光觸媒層(Photocatalyst)，而該液冷式LED發光裝置得直接置於水中使用。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之液冷式LED發光裝置，其中該LED發光元件陣列模組可以是一藍光、紫光與紫外光之三波段LED模組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之液冷式LED發光裝置，其中該LED發光元件陣列模組可以是一藍光或紫光或紫外光之單一波段LED模組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之液冷式LED發光裝置，其中該LED發光元件陣列模組包含有複數個LED發光元件以及一驅動電路，每一LED發光元件包含有至少一LED晶片以及一導線架，該至少一LED晶片黏晶於該導線架上，該導線架以散熱膠黏貼於該導水空心管之該外側表面，並連接該驅動電路。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之液冷式LED發光裝置，其中該複數個LED 發光元件可以以全周光的方式分佈並設置於該導水空心管之該外側表面。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之液冷式LED發光裝置，其中該複數個LED發光元件可以半周光的方式分佈並設置於該導水空心管之該外側表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之液冷式LED發光裝置，其中該壓克力空心管之該內壁塗佈一單一或多色螢光粉層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之液冷式LED發光裝置，其中該散熱模組另包含有一導水元件、一水泵裝置以及一散熱體，該導水元件連接於該導水空心管之該內側管道之二端，該水泵裝置連接於該導水元件，用來泵該冷卻液藉以通過該導水空心管與該導水元件，該散熱體連接於該導水元件，用以冷卻該冷卻液，該冷卻液可以係一冷卻水藉由通過該導水空心管產生冷卻效果，該導水空心管截面可為一圓形。
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