TWI570966B - 輕型散熱器及使用其之發光二極體燈 - Google Patents

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Description

輕型散熱器及使用其之發光二極體燈
本文係關於照明技術、發光技術、固態照明技術、熱管理技術及相關技術。
此申請案主張於2010年9月30日所申請之美國臨時申請案第61/388,104號之權利。於2010年9月30日所申請之美國臨時申請案第61/388,104號之全文係以引用之方法併入本文中。
習知的白熾燈、鹵素燈及高強度放電(HID)光源具有相對高之操作溫度，且因此，散熱係主要藉由輻射及對流熱轉移路徑而完成。例如，輻射散熱係隨著溫度升高至四次冪而發生，因此，該輻射熱轉移路徑隨著操作溫度升高而超線性地變得更為主導。因此，對於白熾燈、鹵素燈及HID光源之熱管理一般意味著在燈之附近提供足夠之氣隙，以達成有效的輻射熱轉移及對流熱轉移。一般而言，在此等類型之光源中，無需增加或修改該燈之表面積來增強輻射或對流熱轉移而達成所希望之燈之操作溫度。
另一方面，出於裝置效能及可靠性之原因，基於發光二極體(LED)之燈一般在遠低之溫度下操作。例如，一典型之LED裝置之接面溫度應低於200℃，且在一些LED裝置中，應低於100℃或甚至更低。在此等低操作溫度下，至環境之輻射熱轉移路徑與習知光源相比係差的，因此至環境之對流及傳導性熱轉移一般優於輻射。在LED光源中，自燈或照明器之外表面積之對流及輻射熱轉移皆可藉由增添一散熱器而增強。
散熱器係提供一使熱自LED裝置輻射及對流而離開之大表面之組件。在一典型設計中，該散熱器為一具有一大預製表面積之相對大塊之金屬元件，大表面積係藉由在該金屬元件之外表面上設置翼片或其他散熱結構而實現。大塊之散熱器有效地將熱自該等LED裝置傳導至散熱翼片，且該等散熱翼片之大面積藉由輻射及對流而達成充分之散熱。對於高功率之基於LED之燈，已知採用主動冷卻，主動冷卻使用風扇或合成射流或熱導管或熱電式冷卻器或經泵送冷卻劑流體來增強除熱。
在本文揭示為闡釋性實例之一些實施例中，一散熱器包括：一散熱器本體；一設置於該散熱器本體之上之反射層，其對可見光譜中之光之反射率為大於90%；及一設置於該反射層之上之光透射保護層，其係可透射可見光譜中之光。在一些實施例中，該散熱器本體包括一結構性散熱器本體及一設置於該結構性散熱器本體之上之導熱層，該導熱層之導熱率大於該結構性散熱器本體之導熱率，該反射層係經設置於該導熱層之上。
在本文揭示為闡釋性實例之一些實施例中，一散熱器包括：一散熱器本體；一設置於該散熱器本體之上之鏡面反射層；及一設置於該鏡面反射層之上之光透射保護層，該光透射保護層係選自下列層所組成之群組：二氧化矽(SiO2)層；氧化矽層；塑膠層；及聚合物層。在一些實施例中，該散熱器本體為塑膠或聚合物散熱器本體，其視需要包含一設置於該塑膠或聚合物散熱器本體之上之一銅層，且該鏡面反射層係經設置於該銅層之上。
在本文揭示為闡釋性實例之一些實施例中，基於發光二極體(LED)之燈包括如先前兩段中任一段中所述之一散熱器及一與該散熱器緊固且熱連通之LED模組。該基於LED之燈可具有一A字形燈泡組態且進一步包含由該LED模組照明之漫射器，且該散熱器可包含設置於該漫射器內側或外側之翼片，且該反射層及該光透射保護層係經設置於至少該等翼片之上。該基於LED之燈可包括一定向燈，其中該散熱器界定一中空聚光反射器且其中該反射層及該光透射保護層係經設置於該中空聚光反射器之至少一個內表面之上。在一些此等定向燈中，該散熱器可包含設置於該中空聚光反射器內側之向內延伸翼片，且該反射層及該光透射保護層係另外設置於至少該等向內延伸翼片之上。
在本文揭示為闡釋性實例之一些實施例中，一基於發光二極體(LED)之燈包括一中空漫射器；一LED模組，其經配置以照明該中空漫射器之內側；及一包含複數個翼片之散熱器，其中該等翼片中之至少一些者係經設置於該中空漫射器內側。
在本文揭示為闡釋性實例之一些實施例中，一定向燈包括一散熱器，該散熱器包括一中空聚光反射器，該反射器具有一相對小之入口孔隙及一相對大之出口孔隙；及一發光二極體(LED)模組，其係經光學耦合於該入口孔隙中，其中該散熱器進一步包含自該中空聚光反射器之一內表面而向內延伸之複數個翼片。
對於白熾燈、鹵素燈及HID光源(均為耐溫性發光體)，至鄰近燈之氣隙之熱轉移係藉由輻射及對流熱路徑之設計而管理，以在光源之操作期間達成一升高之目標溫度。相比之下，對於LED光源，光子並非係經熱激發，而是藉由電子與電洞在一半導體之p-n接面處再組合而產生。藉由使該LED之p-n接面處之操作溫度最低化而非在一升高之目標溫度下操作，可使該光源之效能及壽命最佳化。藉由提供一具有翼片或其他表面積增大結構之散熱器，可增大供對流及輻射熱轉移之表面。
參考圖1，一方塊示意性地指示具有若干翼片之一金屬散熱器MB，且該散熱器之翼片MF係由一虛線橢圓而示意性地指示。熱經由其而藉由對流及/或輻射而轉移進入周圍環境中之表面在本文中被稱為散熱表面(例如，翼片MF)，且應具有大面積，以提供充足散熱使LED裝置LD處於穩態操作。自該散熱表面MF至環境中之對流及輻射散熱係可分別由熱阻值Rconvection及RIR或等效地藉由導熱率而在穩態下模型化。阻值Rconvection模型化藉由自然氣流或壓迫氣流而自該散熱器之外表面至周圍環境之對流。阻值RIR模型化自該散熱器之外表面至遠處環境之紅外(IR)輻射。此外，一導熱路徑(在圖1中係由阻值Rspreader及Rconductor而指示)在該LED裝置LD與該散熱表面MF之間串聯，其表示自該LED裝置LD至該散熱表面MF之熱傳導。此串聯熱傳導路徑之一高導熱率確保自LED裝置經由該散熱表面至周圍空氣之散熱不會受到串聯導熱率之限制。此通常係藉由將該散熱器MB構造成具有一翼片或以其他方式而增大之表面積MF(其界定散熱表面)之一相對大之金屬塊(該金屬散熱器本體提供該LED裝置與該散熱表面之間所期望之高導熱率)而達成。在此設計中，該散熱表面與提供高導熱率路徑之該金屬散熱器本體之間存在固有的連續且緊密之熱接觸。
因此，基於LED之燈之習知散熱包含包括一金屬(或金屬合金)塊之該散熱器MB，該金屬(或金屬合金)塊使該大面積散熱表面MF曝露至鄰近的氣隙。該金屬散熱器本體在LED裝置與該散熱表面之間提供一高導熱率路徑Rconductor。圖1中之阻值Rconductor模型化穿過該金屬散熱器本體MB之傳導。LED裝置係安裝於一金屬芯體電路板或包含一散熱件之其他支撐件上，且來自該等LED裝置之熱穿過該散熱件而傳導到該散熱器。此係藉由阻值Rspreader而模型化。
除了經由該散熱表面(阻值Rconvection及RIR)而消散於環境中的熱之外，亦經由愛迪生(Edison)基座或其他燈連接器或燈基座LB(圖1中之模型中係由一虛線圓而示意性地指示)而發生一些散熱(即，熱消散)。經由該燈基座LB之散熱在圖1之該示意性模型中係由阻值Rsink表示，其表示經由一實心導管或熱導管而進入遠處環境或建築基礎結構之熱傳導。然而，本文認識到，在Edison類型基座之普通情形下，基座LB之導熱率限度及溫度限度將限制經由該基座之熱通量為約1瓦特(watt)。相反地，對於意在針對內部空間(諸如，房間)提供照明或戶外照明之基於LED之燈，待消散之熱輸出一般為約10瓦特或更高。因此，本文認識到，該燈基座LB無法提供主要散熱路徑。而是，來自LED裝置LD之熱係主要經由穿過該金屬散熱器本體至該散熱器之該散熱外表面之傳導而消散，在此情形下，消散進入周圍環境中之熱係藉由對流(Rconvection)及(較小程度之)輻射(RIR)而達成。該散熱表面可具有翼片(例如，圖1中之示意性翼片MF)或藉由其他方式而修改，以增大其表面積且因此增加散熱。
此等散熱器具有一些缺點。例如，該等散熱器由於包括該散熱器MB之金屬或金屬合金之體積大而沉重。沉重之金屬散熱器會向基座及燈座施加機械壓力，此會造成故障，且在一些故障模式中，可能發生電氣事故。此等散熱器之另一問題在於製造成本高。加工、鑄造或模製一大塊金屬散熱器組件成本高，且根據所選擇之金屬，材料之成本亦可能相當高。此外，該散熱器有時亦被用作一電子器件之一殼體，或作為Edison基座之一安裝點，或作為LED裝置電路板之一支撐件。此等應用需要相當精確地加工、鑄造或模製該散熱器，這又將增加製造成本。
發明者已經使用圖1中所示之簡化熱模型而對此等問題予以分析。圖1之熱模型係可以代數方式表示為具有熱阻抗之串聯平行電路。在穩態中，所有的暫態阻抗(諸如該燈自身之熱質量或周圍環境中之物件(諸如燈連接器、電線及結構性安裝件)之熱質量)係可視為熱電容。在穩態中暫態阻抗(即，熱電容)係可忽略，正如在DC電路中忽略電容，且僅需考量電阻。LED裝置與環境之間之總熱阻值Rthermal可寫成，其中：Rsink為經由Edison連接器(或其他燈連接器)而到達「環境」(ambient)電線的熱之熱阻值；Rconvection為藉由對流熱轉移而自該散熱表面消散進入周圍環境中的熱之熱阻值；RIR為藉由輻射熱轉移而自該散熱表面消散進入周圍環境中的熱之熱阻值；且Rspreader+Rconduction為自LED裝置穿過散熱件(Rspreader)且穿過該金屬散熱器本體(Rconduction)而到達該散熱表面的熱之串聯熱阻值。應注意，對於術語1/Rsink，對應之串聯熱阻值並不精確等於Rspreader+Rconduction，其原因在於，串聯熱路徑係到達該燈連接器而非到達該散熱表面；然而，由於典型之燈之穿過該基座連接器之導熱率1/Rsink相當小，此錯誤可以忽略。實際上，忽略完全穿過該基座之散熱之簡化模型可寫為：
此簡化等式說明了經由該散熱器本體之串聯熱阻值Rconduction為該熱模型之一控制參數。實際上，此對於採用該大塊金屬散熱器MB之習知散熱器設計係合理；該散熱器本體為串聯熱阻值Rconduction提供一極低之值。鑑於上述，可認識到，期望達成具有低串聯熱阻值Rconduction，同時較習知散熱器重量減小(且較佳地，成本降低)之散熱器。
一可達成此目的之方式係增強經由該基座之散熱Rsink，使得此路徑係經增強而提供10瓦特或更高之一散熱速率。然而，在LED燈係用於替代一習知的白熾燈或鹵素燈或螢光燈或HID燈的改造型光源應用中，LED替代燈係安裝於初始係針對白熾燈、鹵素燈或HID燈而設計之類型之習知基座或燈座或照明器中。在此情形下，至該建築基礎結構或遠處環境(例如，地面)的熱阻值Rsink相較Rconvection或RIR為大，從而藉由對流及輻射而至環境之熱路徑占主導。
此外，由於LED總成之相對低之穩態操作溫度，輻射路徑一般係由該對流路徑占主導(也就是說，Rconvection<<RIR)，儘管在一些情形下，二者係相當的。因此，一典型之基於LED之燈之主導熱路徑為包括Rconduction及Rconvection之串聯熱電路。因此，期望提供一低串聯熱阻值Rconduction+Rconvection，同時減小該散熱器之重量(且較佳其成本)。
本發明之發明者以從第一原理之角度仔細考量了在一基於LED之燈中之除熱問題。本文認識到，在通常考量之極具重要性之參數(散熱器體積及質量、散熱器導熱率、散熱器表面積及穿過該基座之傳導性除熱及散熱)中，兩個主要之設計要素係LED與該散熱器之間之路徑之導熱率(即，Rconduction)及用於使熱對流轉移及輻射轉移至環境之散熱器的外表面積(其影響Rconvection及RIR)。
可藉由一消除過程進行進一步分析。散熱器體積至關重要，僅因為其影響散熱器導熱率及散熱器表面積。散熱器質量在暫態情形下相當重要，但不會嚴重影響穩態除熱效能，除熱效能在一連續操作燈中至關重要，除非該金屬散熱器本體提供一低串聯阻值Rconduction。穿過一替代燈(諸如一PAR或MR或反射器或A字形燈)的基座之散熱路徑對於低功率燈而言極其重要；然而，Edison基座之導熱率僅足以提供約1瓦特之散熱至環境(且其他類型的基座，諸如銷類型基座類似地具有相當的或甚至更少的導熱)，且因此並不預期經由基座至環境之傳導性散熱對各種市售的基於LED之燈具有原則重要性，預期該等燈在穩態下產生高出若干量級之熱負荷。
參考圖2，根據上文所述，本文提供一種改良之散熱器，其包括一輕型散熱器本體LB，其並不一定導熱；及一設置於該散熱器本體上之導熱層CL，以界定該散熱表面。該散熱器本體並非該熱電路之一部分(或視需要，可為實現該散熱器本體之一些導熱率之一次要組件)；然而，該散熱器本體LB界定該導熱層CL之形狀，而CL之形狀界定該散熱表面。例如，該散熱器本體LB可具有若干翼片LF，其等係由該導熱層CL覆蓋。由於該散熱器本體LB並非該熱電路之一部分(如圖2所示)，其可針對可製造性及特性(諸如結構穩健性及輕量化)而設計。在一些實施例中，該散熱器本體LB為一模製塑膠組件，其包括隔熱或具有相對低之導熱率之塑膠。
設置於該輕型散熱器本體LB之上之該導熱層CL執行該散熱表面之功能，且在使熱消散至周圍環境方面之效能(由熱阻值Rconvection及RIR而量化)與圖1中模型化之習知散熱器大體上相同。然而，此外，該導熱層CL界定自LED裝置至該散熱表面之熱路徑(由串聯阻值Rconduction而量化)。此亦在圖2中示意性地展示。為了達成一充分低的Rconduction值，該導熱層CL應具有充分大之厚度(因為Rconduction隨著厚度增加而降低)且應具有一充分低之材料熱導熱率(因為Rconduction亦隨著材料導熱率增加而降低)。本文揭示，藉由適當選擇該導熱層CL之材料及厚度，包括一輕型(且可能隔熱)散熱器本體LB及一設置於該散熱器本體之上且界定該散熱器表面之一導熱層CL之散熱器與近似大小及形狀之塊狀金屬散熱器之散熱效能相當或甚至更好，同時相較等效之塊狀金屬散熱器重量大為減輕，且製造成本更低。同樣地，不僅可用於輻射/對流散熱至環境之表面積決定該散熱器之效能，跨由該散熱層界定之與環境熱連通之外表面之熱之熱傳導(即，相當於串聯阻值Rconduction)亦起決定作用。較高之表面導熱率促成熱在整個散熱表面積上更有效地分佈且因此促進熱輻射及對流至環境中。
鑑於上文，本文揭示之散熱器實施例包括一散熱器本體及一設置於該散熱器本體上至少位於(且界定)該散熱器之該散熱表面之上之導熱層。該散熱器本體之材料比該導熱層材料之導熱率低。實際上，該散熱器本體甚至可隔熱。另一方面，該導熱層應具有(i)一面積及(ii)一厚度且(iii)由具有足夠導熱率之材料製成，使得其提供至環境中之輻射/對流散熱足以維持該基於LED燈之LED裝置之p-n半導體接面處於或低於一特定最大溫度(一般低於200℃且有時低於100℃)。
該導熱層之厚度及材料導熱率共同界定該導熱層之一薄片導熱率，其類似於薄片導電率(或者，在相反之情形中，薄片電阻率)。可界定薄片熱阻值為，其中ρ為該材料之熱阻率且σ為該材料之導熱率，且d為該導熱層之厚度。取倒數則得到薄片導熱率K s =σ.d。因此，可在該導熱層之厚度d與材料導熱率σ之間做出權衡。對於高導熱率材料，則可使該導熱層為薄，從而使重量減輕、體積減小且成本降低。
在本文所揭示之實施例中，該導熱層包括一金屬層，諸如銅、鋁、其之合金或此類物等等，其係藉由電鍍、真空蒸鍍、濺射、物理氣相沈積(PVD)、電漿增強化學氣相沈積(PECVD)或另一合適之層形成技術於一充分低之溫度下操作而沈積而與該散熱器本體之塑膠或其他材料熱相容。在一些闡釋性實施例中，該導熱層為一銅層，其係藉由包含無電電鍍且接著電鍍之一順序而形成。在其他實施例中，該導熱層包括一非金屬導熱層，諸如氮化硼(BN)層、碳奈米管(CNT)層、導熱氧化物層或如此等等。
該散熱器本體(即，不包含該導熱層之散熱器)並不嚴重影響除熱，除非其界定執行散熱之導熱層之形狀(由圖2中之熱模型中之串聯熱阻值Rconduction而量化)且界定散熱表面(由圖2中之熱模型中之Rconvection及RIR而量化)。由該散熱器本體提供之表面積影響後續之藉由輻射及對流之除熱。因此，可對該散熱器本體加以選擇，以達成希望之特點，諸如重量小、成本低、結構剛性或強韌性、熱強韌性(例如，該散熱器本體應可承受操作溫度而不因此發生熔化或過度軟化)、易於製造、表面積最大化(其轉而控制該導熱層之表面積)及如此等等。在本文所揭示之一些闡釋性實施例中，該散熱器本體為一模製塑膠元件，例如，由聚合材料(諸如聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龍、聚乙烯、環氧樹脂、聚異戊二烯、苯乙烯與丁二烯嵌段共聚物橡膠、聚二環戊二烯、聚四氟乙烯、聚(對亞苯硫醚)、聚(環氧乙烷)、聚矽氧、聚酮、熱塑性塑膠或此類物)製成。該散熱器本體可經模製而具有若干翼片或其他熱輻射/對流/表面積增大結構。
為了最小化成本，該散熱器本體較佳係使用一次性模製程序而形成且因此具有一均勻之材料一致性且各處皆均勻(相對於例如藉由採用不同模製材料而藉由多次模製操作而形成之一散熱器本體，該散熱器本體具有不均勻之材料一致性且不是各處皆均勻)，且較佳包括一低成本材料。為了達成後一目的，該散熱器本體之材料較佳不包含任何金屬填料，且更佳不包含任何導電填料，且最佳完全不包含任何填料。然而，可預想該散熱器本體包含金屬填料或其他填料，諸如經施配之金屬顆粒以提供一定程度之導熱率增強，或非金屬填料顆粒以提供增強之機械性質。
下文將描述一些闡釋性實施例。
參考圖3及圖4，散熱器10具有適用於一MR或PAR類型之基於LED之燈中之組態。如上所述，該散熱器本體10包含一由塑膠或其他合適材料製成之散熱器本體12，及一設置於該散熱器本體12之上之導熱層14。該導熱層14可為一金屬層，諸如銅層、鋁層或其等各種合金層。在闡釋性實施例中，該導熱層14包括藉由無電電鍍且接著電鍍而形成之一銅層。
如最佳在圖4中可見，該散熱器10具有若干翼片16，以增強最終之輻射除熱及對流除熱。亦可使用其他表面積增大結構來替代所示之翼片16，該等結構可為多區段翼片、桿、微/奈米級表面及體積特徵或如此等等。該闡釋性散熱器本體12將該散熱器10界定為中空之大體圓錐形散熱器，其具有內表面20及外表面22。在圖3所示之實施例中，該導熱層14係設置於該內表面20及該外表面22兩者上。或者，該導熱層係可僅設置於該等外表面22上，如圖7中之該替代性實施例散熱器10'中所示。
繼續參考圖3及圖4且進一步參考圖5及圖6，該闡釋性中空之大體圓錐形散熱器10包含一中空頂點26。一LED模組30(在圖6中展示)係適於設置於該頂點26處，如圖5所示，以界定一基於MR或PAR之燈。該LED模組30包含一個或多個(在該闡釋性實施例中為三個)發光二極體(LED)裝置32，其等係安裝於與一散熱件36熱連通之金屬芯體印刷電路板(MCPCB)34上，或者其包括該MCPCB 34之一金屬層。該闡釋性LED模組30進一步包含一螺紋Edison基座40；然而，亦可使用其他類型之基座，諸如可以插銷類型基座，或豬尾電連接器替代該闡釋性Edison基座40。該闡釋性LED模組30進一步包含電子器件42。該電子器件可包括如圖所示之一封閉電子器件單元42，或可為設置於該散熱器10之中空頂點26中而不具有獨立殼體之電子組件。該電子器件42適於包括電源電路，以將A.C.電能(例如，美國居家用電110伏特；美國工業用電或歐洲用電220伏特，或如此等等)轉變成適於操作LED裝置32之(一般較低之)DC電壓。該電子器件42可視需要包含其他組件，諸如靜電放電(ESD)保護電路、保險絲或其他安全電路、亮度調節電路或如此等等。
用於本文中時，術語「LED裝置」應被理解為涵蓋無機LED或有機LED之裸露半導體晶片、無機或有機LED之封裝半導體晶片、LED晶片「封裝」(package)，其中該LED晶片係安裝於一個或多個中間元件上，諸如基台、引線框架、表面安裝支撐件或此類物等等、無機LED或有機LED之包含波長轉換磷光體塗層之半導體晶片，其等具有或不具有一囊封體(例如，一塗敷黃色、白色、琥珀色、綠色、橙色、紅色之紫外或紫色或藍色LED晶片，或其他經設計而協作地產生白光之磷光體)、多晶片無機LED裝置或有機LED裝置(例如，包含三個發射紅光、綠光及藍光，且可能發出其他顏色之光，從而共同作用而產生白光之一白色LED裝置)，或如此等等。該一個或多個LED裝置32係可經組態而共同發射白光束、黃光束、紅光束或對於一給定照明應用幾乎任何其他所關注之顏色之光束。亦可預想該一個或多個LED裝置32包含發射不同顏色之光之LED裝置，且該等電子器件42包含合適之電路來獨立地操作發射不同顏色之光之LED裝置，以提供可調整光輸出。
該散熱件36提供自該等LED裝置32至該導熱層14之熱連通。該散熱件36與該導熱層14之間之良好之熱耦合係可以各種方式達成，諸如藉由焊接、導熱黏結劑、該LED模組30與該散熱器10之頂點26之間之一牢固機械配合(視需要，由高導熱率墊輔助)或如此等等。儘管本文並未闡明，亦可預想將該導熱層14設置於該頂點26之內直徑表面之上方，以提供或增強該散熱件36與該導熱層14之間之熱耦合。
參考圖7，陳述一種合適製造方法。在此方法中，首先藉由一合適之方法形成該散熱器本體12(諸如，藉由模製，在該散熱器本體12包括一塑膠或其他聚合材料之實施例中，模製便於形成該散熱器本體12)。其他形成該散熱器本體12之方法包含鑄造、擠壓(例如，在製造一圓柱形散熱器之情形下)或如此等等。在一選擇性操作步驟S2中，該模製散熱器本體之表面係藉由塗敷一聚合物層(雖然亦可設想較大或較小之厚度，但一般約2微米至10微米)、執行表面粗糙化或藉由採用其他表面處理而處理。該(該等)選擇性表面處理操作S2可執行各種功能，諸如促成後續之電鍍銅之黏結、提供壓力釋放及/或增大針對至環境之散熱之表面積。對於後一點，藉由對該塑膠散熱器本體之表面粗糙化或孔蝕化，後續塗敷之銅塗層將採行該粗糙化或孔蝕化，以提供一較大之散熱表面。
在一操作S3中，藉由無電電鍍來塗敷一初始銅層。該無電電鍍係可有利地對一電絕緣(例如，塑膠)散熱器本體執行。然而，無電電鍍之沈積速率慢。本文所陳述之設計考量(尤其提供一充分低之串聯熱阻值Rconduction)偏向採用一厚度為數百微米級之電鍍銅層。因此，該無電電鍍係用於沈積一初始銅層(較佳厚度不超過50微米，在一些實施例中小於10微米，且在一些實施例中為約2微米或更小)，使得具有此初始銅層之塑膠散熱器本體導電。初始無電電鍍S3之後為一電鍍操作S4，其迅速地沈積剩餘之銅層厚度，例如，一般為數百微米。該電鍍S4之沈積速率遠遠高於無電電鍍S3之沈積速率。
銅塗層所存在之一問題在於其可能發生(金屬)變色，此不利地影響自表面至環境中散熱熱轉移，且亦不美觀。因此，視需要在一選擇性操作S5中在銅上沈積一合適的鈍化層，例如，藉由電鍍一鈍化金屬(例如，鎳、鉻、或鉑金、或鈍化金屬氧化物)於銅上。若提供鈍化層，則其厚度一般為小於50微米，在一些實施例中不超過10微米，且在一些實施例中厚度為約2微米或更小。亦可執行選擇性步驟S6，以提供各種表面增強，諸如表面粗糙化、塗敷一光學厚度大之粉末塗層(諸如金屬氧化物粉末(例如二氧化鈦粉末、氧化鋁粉末或其等之混合物或此類物))、一光學厚度大之塗料或塗漆或清漆或如此等等。此等表面處理意在經由增強之對流及/或輻射而增強自該散熱表面至環境之熱轉移。
參考圖8，展示用於該導熱層在材料導熱率在200 W/m-K至500 W/m-K(各種類型的銅之材料導熱率一般在此範圍內)之範圍內最佳化其厚度之模擬資料。(應理解，用於本文中時，術語「銅」意在涵蓋各種銅合金或銅之其他變體)。在此模擬中，該散熱器本體之材料導熱率為2 W/m-K，但發現，結果僅在微小程度上取決於此值。圖8中之值係針對長度為0.05m、厚度為0.0015m且寬度為0.01米之簡化「厚片」(slab)散熱器，且導熱材料塗敷該厚片之兩側。例如，此可對應於由該塑膠散熱器本體所界定且鍍銅之厚度為200 W/m-K至500 W/m-K之一散熱器部分(諸如一平面翼片)。在圖8中可以看出，對於200 W/m-K之材料，約350微米之銅厚度提供約等效於100 W/m-K之(體積)導熱率。對比之下，對於更導熱之500 W/m-K材料，小於150微米之厚度即足以提供等效於100 W/m-K之(體積)導熱率。因此，厚度為數百微米之鍍銅層提供之與導熱及後續之將熱經由輻射及對流而移除至環境相關之穩態效能足以與一由導熱率為100 W/m-K之金屬製成之塊狀金屬散熱器之效能相媲美。
一般而言，該導熱層14之薄片導熱率應高至足以確保來自該等LED裝置32的熱跨該熱輻射/對流表面積而均勻地消散。已發現，在由發明者執行之模擬中，一旦藉由增加該導熱層14之厚度(對於一給定材料導熱率)而實現之效能改良之該厚度超過某一位準，效能改良即將退化(例如更明確而言，效能對厚度曲線大約呈指數形式衰退)。在不受任何特定操作理論限制之情形下，據信，此係由於至環境之散熱在材料具有較大厚度之情形係受到輻射/對流熱阻值Rconvection及RIR之限制而非受到經由該導熱層之熱轉移之熱阻值Rconduction而限制。換言之，在層厚度較大之情形下，該串聯熱阻值Rconduction相較Rconvection及RIR變得可以忽略。
參考圖9及圖10，在一塊狀金屬散熱器中，可以看到隨著材料導熱率增加，發生類似之效能趨平。圖9展示在四個不同材料導熱率(20 W/m‧K；40 W/m‧K；60 W/m‧K及80 W/m‧K)之情形下，藉由一塊狀散熱器之模擬熱成像而獲得之結果。圖9中針對每個模擬繪製印刷電路板(其上安裝有LED)之溫度(Tboard)。可以看出，Tboard溫降在80 W/m‧K時開始趨平。圖10繪製在導熱率達600 W/m‧K之情形下，該塊狀散熱器材料之Tboard溫度對材料導熱率，其展示在100 W/m‧K至200 W/m‧K範圍內，效能改良大體趨平。在不受任何特定操作理論限制的情形下，據信此係由於在較高(體積)材料導熱率之情形下，至環境之散熱係受輻射/對流熱阻值Rconvection及RIR之限制而非經由該導熱層之熱轉移Rconduction之熱阻值之限制。換言之，在高(體積)材料導熱率下，串聯熱阻值Rconduction相較於Rconvection及RIR變得可忽略。
基於上文，在一些預想之實施例中，該導熱層14之厚度為500微米或更小且導熱率為50 W/m‧K或更高。對於具有較高材料導熱率之銅層而言，可使用一厚度遠小之層。例如，根據合金組分，鋁之(體積)導熱率一般約為100 W/m‧K至240 W/m‧K。自圖8可見，厚度為約150微米或更大之導熱率為500 W/m‧K之銅層可達成之散熱效能可超過一典型塊狀鋁散熱器之散熱效能。厚度為約180微米或更大之導熱率為400 W/m‧K之銅層可達成之散熱效能可超過一典型塊狀鋁散熱器之散熱效能。厚度為約250微米或更大之導熱率為300 W/m‧K之銅層可達成之散熱效能可超過一典型塊狀鋁散熱器之散熱效能。厚度為約370微米或更大之導熱率為200 W/m‧K之銅層可達成之散熱效能可超過一典型塊狀鋁散熱器之散熱效能。一般而言，材料導熱率及層厚度根據該薄片導熱率Ks=σ‧d而縮放。
參考圖11及圖12，所揭示之散熱器態樣係可併入各種類型之基於LED之燈中。
圖11展示適於改造白熾A字形燈泡之類型的「A字形燈泡」燈之一側視剖面圖。一散熱器本體62形成一結構基礎，且係適於製作為一模製塑膠元件，例如，由聚合材料(諸如聚丙烯、聚碳酸酯、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龍、聚乙烯、環氧樹脂、聚異戊二烯、聚苯乙烯丁二烯苯乙烯橡膠、聚二環戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯基硫、聚(氧化二甲苯)、聚矽氧、聚酮、熱塑性塑膠)或此類物)製成。導熱層64(例如，包括一銅層)係設置於該散熱器本體62上。該導熱層64係可以圖3至圖5及圖7中之MR/PAR燈實施例之導熱層14之製造方法而製造，例如，根據圖8之S2、S3、S4、S5、S6。
一燈基座區段66係與該散熱器本體62緊固，以形成該燈本體。該燈基座區段66包含一螺紋Edison基座70，其類似於圖3至圖5及圖7中之MR/PAR燈實施例之Edison基座40。在一些實施例中，該散熱器本體62及/或該燈基座區段66界定一中空區域71，其容納電子器件(圖中未展示)，該電子器件將於該Edison基座70處接收之電能轉換為適於驅動提供燈光輸出之LED裝置72之操作電能。該LED裝置72係安裝於一金屬芯體印刷電路板(MCPCB)或其他與該導熱層64熱連通之散熱支撐件73上。該散熱件73與該導熱層64之間之良好熱耦合係可視需要藉由焊接、導熱黏結劑或此類物而增強。
為了在一大立體角範圍(例如，至少2π球面度)內提供一大體全方位光輸出，在該等LED裝置72上設置一漫射器74。在一些實施例中，該漫射器74可包含(例如，塗敷有)一波長轉換磷光體。對於產生一大體朗伯(Lambertian)光輸出之LED裝置72而言，所示其中漫射器74為大體球形或橢圓形且該等LED裝置72係位於該漫射器74之周邊之配置可增強輸出照明之全方位性。
參考圖12，展示一變體「A字形燈泡」燈，其包含該具有圖11中之燈之Edison基座70及漫射器74之燈區段66，且亦包含該等LED裝置72(在圖12之側視圖中不可見)。圖12之燈所包含之散熱器80類似於圖11之燈之散熱器62、64，且具有一散熱器本體(在圖12之側視圖中不可見)，其塗敷有設置於該散熱器本體上之導熱層64(在圖12之側視透視圖中係藉由交叉影線所指示)。圖12之燈與圖11中之燈之不同之處在於，該散熱器80之散熱器本體之形狀經設定而界定在該漫射器74的若干部分之上延伸之翼片82。作為闡釋性翼片82之替代，亦可模製該散熱器本體為具有其他的熱輻射/對流/表面積增大結構。
在圖12之實施例中，可預想該散熱器80之散熱器本體及漫射器74包括一單一整體模製塑膠元件。然而，在此情形下，該單一整體模製塑膠元件應由一光學透明或半透明材料(使得該漫射器74可透射光)製成。此外，若該導熱層64在光學上可吸收燈光輸出(例如，在使用銅之情形下)，則如圖12中所示，該導熱層64應僅塗敷該散熱器80，而不塗敷該漫射器74。此係可藉由在例如無電鍍銅操作S3期間對漫射器表面進行合適之遮罩而完成。(電鍍操作S4僅在該等傳導性表面上電鍍銅一因此，在該無電電鍍銅操作S3期間遮罩足以避免將銅電鍍至漫射器74上)。
圖13及圖14展示替代性散熱器80'、80"，其等與散熱器80大體上相同，不同之處在於，該等翼片並不延伸遠至該漫射器74之上。在此等實施例中，該漫射器74及該等散熱器80'、80"的散熱器本體可為分別模製(或以其他方式分別製作)之元件，其等可簡化將該導熱層64設置於該散熱器本體上之處理。
圖15展示對於如本文所述使用對塑膠散熱器本體鍍銅而製作之一闡釋性PAR-38散熱器的重量及材料成本與相同大小及形狀之塊狀鋁散熱器之重量及材料成本比較之計算。此實例假設一聚丙烯散熱器本體電鍍有300微米之銅。圖15中所示之材料成本僅為估計值。相較於等效之塊狀鋁散熱器，其重量及材料成本均減少約一半。預期可藉由降低製程成本進一步降低成本。
現將注意力轉向所揭示之散熱器之光學及組合光學/熱態樣。
參考圖16至圖20，描述一A-19類型基於LED之燈或基於LED之替代燈泡。圖16至圖20展示(分別以透視圖、替代性透視圖、側視圖、俯視圖及仰視圖展示)適於用作為一基於LED之燈泡之闡釋性燈實施例。所圖解之LED燈包含一漫射器110；一帶翼片散熱器112；及一燈座114。所示之實施例中展示一Edison燈座；然而，亦可預想使用GU、卡銷類型或其他類型之基座。該漫射器110類似於圖11中之漫射器74，但是為卵形，吾人已發現卵形可提供改良之全方位照明。該散熱器112包含在該漫射器110之一部分之上延伸之翼片，且該散熱器112亦包含一本體部分BP(在圖17及圖18中標示)，其容納將110V AC輸入電能(或220 V AC，或其他選定之輸入電能)轉換成適於驅動將光輸入進入該漫射器110之一孔隙中之電能調節電子器件(未展示)。該漫射器110係藉由一配置於該孔隙處之基於LED之光源而照明，該漫射器110之配置類似於圖11中所示之針對球形漫射器74之配置。所圖解之漫射器110為卵形，且一單一對稱軸係沿該高度或緯度座標θ=0之方向N，相當於「地理上之北方」或「N」。該闡釋性卵形漫射器110圍繞該對稱軸或方向N而具有旋轉對稱。該闡釋性卵形漫射器110包括一具有中空內部之卵形殼體，且適於由玻璃、透明塑膠或此類物製成。或者，亦可預想該卵形漫射器為包括一光透射材料(諸如，玻璃、透明塑膠或此類物)之實心組件。視需要，該卵形漫射器110可包含一設置於該漫射器上或中或該漫射器之內部中之波長轉換磷光體。該漫射器110係由任何合適之方法(諸如，表面紋理化及/或分散於該卵形外殼之材料中之光散射顆粒、及/或設置於該卵形外殼之一表面上之光散射顆粒或如此等等)而製成具有光漫射性。該卵形漫射器110為卵形，且包含鄰近該散熱器12之本體部分BP之一相對狹窄之近區段，及一遠離該散熱器112之本體部分BP之一相對寬闊之遠區段。散熱器112之翼片導致該漫射器110之該遠區段所產生之光學損失較該近區段為相對少。由於該散熱器12之該等翼片在縱向()上很大程度上受限，因而預期該等翼片120將不會嚴重影響縱向上之全方位照明分佈。然而，由發明者所執行之測量指出，該等翼片確實會導致光輸出在一定程度上減少，尤其是以「向下」之角度(即，在遠離北方N超過90°之一方向上)。在不受任何特定操作理論限制下，據信此等光學損失係歸因於由該等翼片所造成之光吸收、光散射或其等之一組合。此外，該散熱器112之本體部分BP(或更大體而言，該燈之本體部分)進一步限制在該「向下」方向上之全方位照明之量。已發現，該卵形漫射器110之卵形形狀可減少由該散熱器112之翼片所造成之光學損失。簡而言之，卵形形狀增加該相對狹窄之近區段之表面積，因而較該較小面積遠區段可增加該「向下」方向上之光輸出，從而補償由該散熱器112所造成之光學損失且產生更全方位之照明(該術語在此項技術中係常用，例如，在2009年12月3日最終定稿之「Energy Program Requirements for Integral LED Lamps」)中。
上述之光學分析假設該散熱器112具有漫射性反射表面。回頭參考圖7，選擇性操作S6可包含塗敷一白色粉末塗層(諸如金屬氧化物粉末(例如，二氧化鈦粉末、氧化鋁粉末或其等之混合物或此類物))。此一白色粉末提供一反射性表面。
然而，本文認識到，此一反射性表面提供一漫射性相當大之反射，入射光經鏡面反射之百分率很小(且因此形成一視覺可觀察之反射)且剩餘之入射光係經漫射性反射，同時極小百分率之光係經吸收。此外，該白色粉末會干擾由散熱器所提供之對流/輻射熱消散。在量化鏡面反射量對漫射反射量時，便利的做法係採用全整合漫射(TIS)定義(參考John C. Stover之「光散射」(OPTICAL SCATTERING)，1995年國際光學工程學會(SPIE)雜誌，第23頁)，由等式給出，其中Pi為入射至一表面上的功率(一般為法向入射)，R為該表面的總反射率，且Ps為經散射功率，其整合了未由鏡面反射角度所涵蓋之所有角度。一般而言，對大於一些小角度(通常為若干度或更小)之所有較大角度執行散射光之角度整合。對於一般照明系統(諸如燈及照明器)而言，光束型式之強度分佈一般精確地控制在~1°至5°。因此，在此等應用中，在TIS定義中之散射光之角度整合將包含超過~1°之散射角度。
特別參考圖18，藉由散熱器112之該等翼片中之一者之一部分之一闡釋性小剖面圖V來展示該散熱器表面之一實施例。該闡釋性散熱器包含一塑膠散熱器翼片本體200，如上文已述，其為該塑膠散熱器本體之一部分。散熱器翼片本體200在兩個外表面上均塗敷有電鍍銅層202，例如，較宜藉由如參考圖7所述之操作S1、S2、S3、S4而形成於該散熱器翼片本體200上。銅層202厚度可為例如，約300微米，或可基於圖8或另一合適之設計方法而具有另一合適之厚度。銅層202係藉由電鍍或另一合適之方法而塗敷有一反射層204，諸如一銀層。該反射層204厚度應充分大，從而使得入射光經反射，且不存在消散波到達該銅層202。若該反射層204為銀，則厚度為約1微米即足夠，但厚度較大或稍小之層亦適用。光透射保護層206係經設置於該反射層204之上。該光透射保護層206可例如，包括一光透射塑膠層或其他光透射聚合物層，或一光透射玻璃或矽氧層，或一光透射陶瓷層。
該光透射保護層206提供該反射層204之鈍化。例如，若該反射層204為銀，則其將在不存在保護層206之情形下發生(金屬)變色，且因此發生(金屬)變色將大大降低銀之反射率。
該光透射保護層206應對於自該漫射器110發射之燈光顯得光學透明。以此方式，入射至散熱器112的表面上之光穿過該光透射保護層206，反射離開該反射層204，且所反射之光作為反射而返回穿過該光透射保護層206。在一些實施例中，該反射層204具有「鏡面光滑」表面，使得多層結構204、206提供遵循斯奈爾(Snell)定律(即，反射角等於入射角，兩個角皆與表面正交而測量)之鏡面反射。在一些實施例中，其中包含該反射層204及該光透射保護層206之多層結構204、206包括光散射率為小於10%之一鏡面反射器。在一些實施例中，其中包含該反射層204及該光透射保護層206之多層結構204、206包括光散射率為小於5%之一鏡面反射器。在一些實施例中，其中包含該反射層204及該光透射保護層206之多層結構204、206包括光散射率為小於1%之一鏡面反射器。儘管一鏡面反射器具有顯著之優點，亦可預想包含該反射層204及該光透射保護層206之該多層結構204、206為一(光)漫射率更大之反射器，例如，光散射率遠遠高於10%(但較佳係具有高反射率)。
該光透射保護層206亦影響該散熱器112之熱特性。為了達成高光學透明性且限制熱影響二者，預期應在可行之範圍內將光透射保護層206製作得盡可能薄，同時仍提供希望之表面保護。在此等指導原則下，該保護層可製作得薄至若干奈米或數十奈米。
然而，發明者已經認識到，實際上，使該光透射保護層206大體上更厚些可更有益處。在此一設計中，該光透射保護層206之材料係經選擇而使光吸光率(α)低或理想上為0，或等效地，在可見光譜(或由該漫射器110所發射之光之其他光譜)中之消光係數(k)低或理想上為0。此條件對於大多數玻璃或矽氧層且對於許多塑膠或聚合物層以及一些陶瓷層均為符合的。在吸光率(或消光係數)低或為0之情形下，該光透射保護層206之厚度對該多層結構204、206之反射率無影響或影響可忽略。
本文已認識到，自熱學角度而言，光透射保護層206之厚度係可最佳化以使得自該散熱器112至環境(或更明確而言，對於圖18之實施例而言，自銅層202至環境)之淨熱轉移最大化。此方法係基於此一觀察：該光透射保護層206一般在紅外光譜中具有高發射率，其可遠遠高於反射層204的對應發射率。例如，材料SiO2較銀輻射熱之效率更高(即，在發射紅外(例如，~3-20微米波長之範圍)光譜中之光)。此係可自下文中看出。
假設該反射層204之高反射率延伸進入紅外光譜中(對於反射率最高之金屬(諸如銀)，情形係如此)，則可得出結論，該反射層204本身在紅外光譜中之光發射率低(一般接近0)。入射光學能量等於所吸收之能量加上所透射之能量加上所反射之能量之和。對於該高度反射性層204，幾乎所有的入射光學能量被轉化成反射光學能量(即，反射率為~1且透射率為~0)，且因此，所吸收之光學能量為接近0。由於光發射等於光吸收，則可得出結論，該反射層204在紅外光譜中之光學發射率係接近0。換言之，該反射層204為一效果極差之黑體輻射體。
另一方面，該光透射保護層206較反射層204對紅外光譜中之光吸光率大。換言之，用於光透射保護層206之SiO2及其他合適的材料對可見光譜之吸光率(或消光係數)低或為0並不延伸進入紅外光譜中，而是吸光率(消光係數)隨著光譜延伸進入紅外光譜中而升高。因此，該光透射保護層206較該反射層204在紅外光譜中之發射率高。換言之，該光透射保護層206較該反射層204為對於紅外光譜為一更好之黑體輻射體。
然而，該光透射保護層206可僅輻射其作為介於該LED(熱源)與環境空氣之間之熱電路中之一元件而接收之熱。該光透射保護層206主要接收自相鄰之下伏反射層204傳導及輻射之熱。若該光透射保護層206太薄，則其將吸收很少之熱，且來自層堆疊體204、206之黑體輻射將主要由該反射層204之不良黑體輻射體特性所主導。另一方面，有時，該光透射保護層206變得足夠厚而使得對自反射層204輻射之熱顯得幾乎完全不透明。
將參考「附錄A-包含由一光透射保護層所塗敷之高度鏡面反射性層之複合散熱器之合適塗層厚度的確定」(Appendix A-Determination of a suitable coating thickness for a composite heat sink including a highly specularly reflecting layer coated by a light transmissive protective layer)進一步解說前述的原理。附錄A揭示針對光透射保護層206之合適厚度的量化確定。基於此等計算，希望光透射保護層206對紅外輻射而言光學厚度足夠大。根據材料及所希望之熱通量，在一些實施例中，該光透射保護層應大於或等於1微米。如在附錄A之圖A-2及圖A-3中可見，對於典型之介電材料或聚合物材料(諸如SiO2)，層之一合適光學厚度為大於或等於3微米，且在一些實施例中，大於或等於5微米，且在一些實施例中，大於或等於10微米(對於典型之SiO2，紅外輻射之吸光率為大於50%)。在一些實施例中，亦可預想採用一較大之厚度，例如，大於或等於20微米。如在圖A-2及圖A-3中可見，複合表面204、206的熱效能在厚度為大於10微米時並不迅速降低，且因此可預想對光透射保護層206採用更大的厚度。實際上，如在圖A-3中可見，從熱學角度而言，可接收之光透射保護層206的厚度為數十微米。然而，隨著厚度遠遠高出10微米，沈積時間延長且材料成本增加。此外，若該光透射保護層206對可見光的吸光率不為0(即，在可見光中，消光係數k並不正好等於0)，則複合表面204、206的光學反射率降低會導致光透射保護層206的厚度遠遠大於10微米。因此，在一些實施例中，該光透射保護層的厚度不超過25微米，且在一些實施例中不超過15微米，且在一些實施例中不超過10微米。
圖18中所示之用於「輕型燈泡」類型燈之帶翼片散熱器中的複合表面204、206亦可用於其他需要一反射性表面的散熱器中。
回頭參考圖3，其指示一變體實施例，其中該中空之大體圓錐形散熱器之至少該內表面20包含複合表面，該複合表面(依次)包括該銅層202、該反射層204(例如，一銀層，在一些實施例中鏡面光滑且因此是鏡面反射性的)，及該光透射保護層206。在一些實施例中，僅該內表面20包含該等層204、206，以提供高反射率，而外表面22可能僅包含該銅層202，以提供導熱(視需要，進一步包含一白色粉末塗層或其他裝飾表面處理)。在其他實施例中，內表面20及外表面22二者皆包含該等層204、206-在外表面22上選擇性包含此等層一般係出於某些層沈積技術之製造便利的考量。
如上文已述，該等闡釋性散熱器採用由塑膠或另一合適材料所製成之散熱器本體，以有利地提供一輕型散熱器。在任何此等散熱器中，可包含額外之層204、206，以提供高反射率及由該保護層206提供且維護的抗環境侵害性，或甚至由該光透射保護層206之發射率增強而實現的熱效能改良(此係相較於一金屬(例如銀或銅)最外層)。若該反射層204係製作成充分光滑，則該多層結構204、206提供鏡面反射，這對於該散熱器係作為一反射性光學元件的某些應用是有利的。
在一些實施例中，該導熱層202及該反射層204係可組合為具有所需厚度之一單一層，以提供導熱及所需之反射率。
作為另一可預想變體，該散熱器本體可整體為銅或鋁或另一導熱金屬或金屬合金，例如，一塊狀銅或鋁散熱器(不具有任何塑膠或其他輕型散熱器本體組件)，其係由額外之層204、206塗敷，以提供一具有高發熱率之穩健反射性表面。
所揭示之散熱器促成新的燈設計。
參考圖21及圖22，展示一定向燈。圖21展示該定向燈之一側視剖面圖，而圖22展示在圖21中之標示為「看(view)」之方向上之一視圖。圖21及圖22之定向燈包含一個或多個設置於一電路板302上之LED裝置300，該電路板302係安裝於一燈座304上，該燈座304包含合適的電能轉換電子器件(內部組件，圖中未有展示)，以將在一螺紋Edison類型之燈座306處接收的線AC電壓轉換成適於操作該等LED裝置300的電能。該定向燈進一步包含一光學系統，其包含一光束形成菲涅爾(Fresnel)透鏡308及一圓錐形反射器310，其等協作以沿一光軸OA產生一定向光束。應理解，該Fresnel透鏡308係透明的，使得位於圖22中之Fresnel透鏡308「後方」的內部細節可穿過圖22中之該透明透鏡而被看到。
圖21及圖22中之定向燈與圖3至圖6中之定向燈具有一些相似點。一個相似點在於，在兩個實施例中，該圓錐形反射器均作為一散熱器。然而，在圖3至圖6所示的實施例中，該散熱器在該圓錐形反射器的外側上具有若干翼片。此配置係習知，因為其將該等翼片放置於光學路徑之外側。相反地，圖21及圖22中之定向燈包含該圓錐形反射器310內側之向內延伸翼片312。此等翼片312包含複合或多層反射性表面，其(依次)包括一由塑膠或另一輕型材料製成之平面翼片本體314、塗敷該平面翼片本體314之兩側之該導熱層202(例如，在一些實施例中，厚度為150微米至500微米之銅層)、該反射層204(例如，厚度在數十微米至數微米之範圍內之銀層)及該光透射保護層206(例如，厚度為約3微米至15微米範圍內之一SiO2或透明塑膠層)。複合層結構202、204、206亦塗敷該圓錐形反射器310之內表面(即，在圖22中可見之表面，類似於圖3中針對圖3至圖6之定向燈實施例而展示細節之塗層)，且視需要，亦塗敷該圓錐形反射器310之外表面(即，在圖22中不可見之表面)。或者，可不塗敷該圓柱形反射器310之外表面，或者可為美觀而做出裝飾性處理。
使用反射性(較佳鏡面反射，但是亦可預想漫射性反射)同時高度導熱及高度發熱且抗環境侵襲之複合層結構202、204、206促成圖21及圖22中之組態，其中該等翼片312係位於該圓錐形反射器310之內側且因此位於該光學路徑中。習知之散熱器對可見光之反射率約為85%或更低。儘管此反射率看起來高，但其會造成大量光學損失，尤其是存在多次反射之情形下，例如，一圓錐形反射器之內側之向內延伸翼片易於發生此情形。
相比之下，複合層結構202、204、206提供與該高反射率層204之固有反射率大體上相等或甚至更高之反射率。對於銀，此固有反射率可遠遠高於90%且一般為約95%。該光透射保護層206一般不會劣化此反射率，且甚至可歸因於存在表面鈍化及/或折射係數匹配而改良該反射率。因此，比較可行之方法係在該定向燈中採用向內延伸翼片312且同時仍維持高光學效率。
向內延伸翼片312較圖3至圖6中之實施例之向外延伸翼片具有顯著之優點。藉由採用向內延伸翼片312，該定向燈製作的更為小巧且美觀。此外，若該定向燈係以一凹陷之方式安裝，則向外延伸之翼片可能在空間上被限制於一小凹部中，此將大大降低其等之有效性。相反地，將該等向內延伸之翼片312放置於該光學路徑中則可確保其等面對一大體開放之體積，即便在是凹陷安裝之情形下亦是如此。向內延伸翼片312亦傾向於將熱自該燈之前部向外排出，而向外延伸之翼片則傾向於將熱「向後」(backward)排出而朝向該安裝表面或在凹陷安裝之情形下進入該安裝孔隙中。向內延伸之翼片312亦傾向於在該等向內延伸翼片正鏡面反射且對稱地配置於該燈之光軸之周圍且每個翼片位於平行於該光軸之一徑向平面上之情形下保留該圓錐形反射器及光束形成透鏡之光學性質。在此一平面中，每個翼片將光鏡面地反射成該燈之光束圖案，使得光束中之光之徑向分佈不會因自該翼片所反射之光而改變，且該光束圖案中之光之方位角分佈圍繞光軸而旋轉地不變，無論光係自一翼片反射還是自燈發射而不自一翼片反射。
圖23展示與圖16至圖20中之燈相類似之燈，且圖23展示與圖18相同之側視圖。圖23之經修改燈係用由一較大漫射器352(由虛線所指示之半透明漫射器352)所圍繞之內部翼片350來替代具有位於該漫射器110外部之翼片之帶翼片散熱器112。內部翼片350可藉由進一步朝向該「燈泡」之中心而向內延伸而大於對應之外部翼片。若該漫射器352漫射性充分大，則該等內部翼片350則被阻擋而不可見或者僅僅漫射可見。預期大多數人將出於增強美學效果之考量而省略外部翼片，且使得在將燈泡旋擰於一螺紋燈插座中時「燈泡」(bulb)部分更易於握持及操作。如圓形放大圖V'中所示，每個翼片具有提供結構性支撐之塑膠或其他輕型平面翼片本體354且在任一側塗敷有複合多層結構202、204、206。
在一平面薄翼片支撐件係於兩側均塗敷有該複合多層結構202、204、206之任何實施例中(例如，如圖18、22、23中所示)，亦可預想該複合多層結構202、204、206亦塗敷「邊緣」，即，連接該平面翼片支撐件之相對之主平面表面之薄表面。或者，由於此「邊緣」面積小且在一些實施例中由該翼片本體自直接光路徑而隔離，則該此「邊緣」可未經塗敷。
在下文中，將給出包含塗敷有一光透射保護層之高度鏡面反射層的複合散熱器的合適塗層厚度之確定之一實例。在此實例中，假設該散熱器本體(例如，圖18中之散熱器本體200或圖22中之平面翼片本體314或圖23中之平面翼片本體354)為一聚合物，假設該層202為一銅(Cu)層，假設該反射層204為一銀(Ag)層，且假設該光透射保護層206為二氧化矽(SiO2)層。用T1指示Ag與SiO2介面處之溫度。用T2指示環境溫度(在此模型中被處理為一黑體輻射體)，且用Tw指示空氣介面處之SiO2層之溫度。總而言之，該散熱器複合結構包含一模製聚合物柱200、314、354，其電鍍有希望厚度之銅(Cu)或其他傳導性材料202(諸如鎳(Ni)、銀(Ag)或此類物)。此第一電鍍層202於上方塗敷有一薄銀(Ag)層204，以提供高鏡面反射率。該Ag層204接著於上方塗敷有一透明二氧化矽(SiO2)塗層206。(或者，亦可將另一光透射保護層(諸如在電磁光譜結構之可見部分中透明之一聚合物塗層)用作該層206。此實例中所展示之闡釋性計算係針對SiO2)。自此多層散熱器表面202、204、206之熱轉移有效速率係取決於該光透射保護層206(例如，在該闡釋性實例中為SiO2)之厚度。在簡化假設下，可如圖所示藉由現在所展示之闡釋性實例之計算方式來計算任何特定設計之光透射保護層206之最佳厚度。
對於環境空氣中之一半無限板(即，該板在垂直方向具有無限之長度)，可做出下列假設。首先，環境作用為處於溫度T2下之一黑體輻射體。第二，至環境中的熱損失之主要機制為對流及輻射。Ag與SiO2介面處的溫度可於穩態下維持於固定溫度T1，此係藉由向該複合結構提供等效於以下條件之熱而達成：經計算用於保持Ag-SiO2介面處於T1下所需要之經由該SiO2層(SiO2-空氣介面)之外表面所發生之至環境的總淨熱損失。在該SiO2層相對於紅外輻射而言光學厚度小之情形下，可如下總結經由SiO2-空氣介面所發生之熱損失：
Q=Q Conv +Q Rad 　(1),
其中Q為至環境之淨熱損失，QConv係自該SiO2-空氣介面至環境之熱對流，且QRad係於該SiO2-空氣介面處至環境之總淨熱輻射。此外，在SiO2之光學纖薄區域中，QRad可細分為：
Q Rad =Q Rad-SiO 2+Q Rad-Ag-out 　(2),
其中QRad-SiO2為在該SiO2層中經由吸收及再發射而產生之輻射，且QRad Ag-out為自該Ag-SiO2介面穿過該SiO2層而未經吸收之淨輻射之小部分。根據基爾霍夫(Kirchhoff)定律可得出下列關係：
Q Rad-SiO 2=Q Abs-SiO 2　(3),
其中QAbs-SiO2係由該SiO2層所吸收之輻射。另一方面，在所關注之紅外波長下之一非反射吸收系統之限制內，下列等式成立：
Q Rod-Ag-Out =Q Trans-SiO 2　(4),
其中QTrans-SiO2係經由該SiO2層所透射之輻射。在所關注之紅外波長範圍內，該SiO2層透射率隨著厚度增大而變化且層變得半透明且甚至在較大厚度之情形下不透明。QTrans-SiO2與SiO2厚度及SiO2之吸收係數之間之函數關係可根據針對經由一(光)吸收媒體之透射率之比爾-朗伯特(Beer-Lambert)定律而表達為：
T SiO 2=e -αt 　(5),
A SiO 2=l-e - αt 　(6),
其中在此等等式中，TSiO2為該SiO2層之透射率，ASiO2為該SiO2層之吸光率，t為該SiO2層之厚度，且α為該SiO2層之黑體平均吸收係數。使用普朗克之輻射函數：
其中：
且其中C 1=3.742×108 W-μm4/m2，C 2=1.4387×104 μm-K，T為開爾文(Kelvin)溫度單位，k為SiO2隨波長變化之消光係數(即，折射率之虛數部分)，且λ為所關注之輻射之波長。另一關係可表達為：
Q Rad Ag‧Out =Q Trans - SiO 2=Q Rad - Ag *T SiO 2　(9),
其中QRad_Ag(每單元面積)為所計算之在該Ag-SiO2介面溫度下來自一銀(Ag)灰體之輻射熱，且係可表達為：
其中ε Ag 為銀之發射率且σ為斯特藩-玻爾茲曼(Stefan Boltzmann)常數=5.67*10-8W/(m2-k4)。此外：
其中Tw為該空氣介面處該SiO2層之溫度。在該SiO2之光學纖薄區域中，亦可假設該輻射係無關於對流及(熱)傳導，使得：
Q Cond - SiO 2=Q Conv 　(12),
其中QConv為自該SiO2一空氣介面至環境之熱對流且QCond-SiO2為經由該SiO2層而傳導之熱。此外：
且
Q Conv =h SiO 2- air (T 1-T w )　(14),
其中KSiO2為該SiO2層之導熱率且hSiO2-air為該SiO2-空氣介面處之對流熱轉移係數。等式13及14可與合適之物理資料組合使用而計算Tw(即，該空氣介面處SiO2層之溫度)，自Tw可解出等式(1)至(12)。
上文之量化實例對於一銀鏡面反射層上之一SiO2光透射保護層同樣適用。該量化實例採用Palik之「光學常數手冊(Handbook of Optical Constants)」中所提供之消光係數值，自消光係數值可計算出在相關3.5微米至27微米之紅外光譜範圍內，SiO2之吸光係數為0.64。表A-1中列出該等量化實例中所使用之值。
圖24展示用於該量化實例中之SiO2之光學性質的光譜。首字母縮寫「HTC」表示「熱轉移係數」(Heat Transfer Coefficient)。銀的溫度為100℃係根據高功率發光二極體(LED)裝置之典型期望操作溫度而選擇，且假設熱有效地轉移至銀，使得銀溫度與LED操作溫度係相當的。圖24繪製SiO2消光係數(k)、吸光率(alpha或α)、100℃下之黑體發射率(BB)及整合吸收率(α*BB)。應注意，儘管SiO2在可見光譜中係光學透明(或幾乎光學透明)，SiO2具有相當大之吸光率峰值及總體BB紅外輻射。
參考圖25及圖26，其等分別以不同之比例展示對於表A-1之組態，總熱通量對SiO2層厚度曲線。SiO2比銀之熱輻射更有效。然而，SiO2僅可輻射其藉由例如紅外吸收而接收到之熱。此可解釋隨著SiO2厚度增加至約5微米至15微米，總熱通量增加。對於高於此範圍的SiO2厚度，總熱通量開始慢慢減少，因為此時SiO2對於紅外輻射為不透明且額外的厚度並不有利於紅外吸收。此等結果表明，為了達成有效之總熱損失，銀上之SiO2之合適厚度約為5微米至15微米，超過此範圍，額外的SiO2厚度將開始減少淨除熱量。發生此情形的原因在於，約5微米至約15微米之SiO2層對紅外輻射顯得不透明，且SiO2厚度之增加並不有利於所吸收之紅外熱藉由SiO2層之發射而輻射出去。
已經圖解且描述了若干較佳實施例。顯然地，在閱讀且理解了先前詳盡描述之情形下，其他人可做出修改及變動。本發明意在理解為包含此等修改及變動，只要其等屬於後附申請專利範圍之範疇或其等效範圍內。
10．．．散熱器
10'．．．散熱件
12．．．散熱器本體
14．．．導熱層
16．．．翼片
20．．．內表面
20'．．．內表面
22．．．外表面
26．．．中空頂點
30．．．LED模組
32．．．LED裝置
34．．．金屬芯體印刷電路板
36．．．散熱件
40．．．螺紋Edison基座
42．．．封閉電子器件
62．．．散熱器本體
64．．．導熱層
66．．．燈基座區段
70．．．螺紋Edison基座
71．．．中空部分
72．．．LED裝置
73．．．散熱支撐件
74．．．漫射器
80．．．散熱器
80'．．．散熱器
80"．．．散熱器
82．．．翼片
110．．．漫射器
112．．．帶翼片散熱器
114．．．基座
120．．．翼片
200．．．散熱器本體
202．．．電鍍銅層
204．．．反射性層
206．．．光透射保護層
300．．．LED裝置
302．．．電路板
304．．．基座
306．．．螺紋Edison類型基座
308．．．光束形成菲涅爾透鏡
310．．．圓錐形反射器
312．．．翼片
314．．．平面翼片本體
350．．．內部翼片
352．．．半透明漫射器
354．．．輕型平面翼片本體
BP．．．散熱器112之本體部分
CL．．．導熱層
E．．．電場
LB．．．燈基座
LD．．．LED裝置
LF．．．翼片
MB．．．金屬散熱器
MF．．．翼片
圖1及圖2示意性地展示採用一金屬散熱器組件之一習知散熱器之熱模型(圖1)及如本文所揭示之一散熱器之熱模型(圖2)；
圖3及圖4示意性分別展示適用於一MR燈或PAR燈中之一散熱器之側視剖面圖及側視透視圖；
圖5示意性地展示包含圖3及圖4之該散熱器之一MR燈或PAR燈之一側視剖面圖；
圖6示意性地展示圖5之該MR燈或PAR燈之光學/電子模組之一側視圖；
圖7示意性地展示製造一輕型散熱器之合適製程之流程圖；
圖8繪示一簡化之「厚片」類型散熱器部分(例如，一平面「翼片」)之塗層厚度對等效導熱率資料；
圖9及圖10展示一塊狀金屬散熱器之熱效能作為材料導熱率之函數；
圖11示意性地展示併入有本文所揭示之一散熱器之一「A字形燈泡」燈之一側視剖面圖；
圖12示意性地展示圖9之「A字形燈泡」燈之一變體之一側視透視圖，其中該散熱器包含若干翼片；
圖13及圖14示意性地展示設置有翼片之「A字形燈泡」燈之其他實施例之側視透視圖；
圖15展示如本文所揭示使用對一塑膠散熱器本體鍍銅而製作之PAR-38散熱器之重量及材料成本之計算值與相同尺寸及形狀之塊狀鋁散熱器之重量及材料成本之計算值之比較；
圖16至圖20分別展示一A-19類型基於LED之燈或基於LED之替代燈泡之透視圖、替代透視圖、側視圖、俯視圖及仰視圖，該A-19類型基於LED之燈或基於LED之替代燈泡具有一散熱器，其包含一反射層及一設置於該反射層之上之光透射保護層；
圖21及圖22分別展示一具有設置於圓錐形反射器內側之反射性散熱器翼片之一定向燈之側視剖面圖及前視圖；
圖23展示類似於圖16至圖20但是具有由一漫射器圍繞之內部翼片之一具有A字形燈泡形狀之一燈之側視圖；及
圖24繪製各種光學參數，且圖25及圖26繪示對於本文中所述之一實例，在不同標度下總熱通量對SiO2厚度。
10．．．散熱器
12．．．散熱器本體
14．．．導熱層
20．．．內表面
22．．．外表面
32．．．LED裝置
36．．．散熱件
40．．．螺紋Edison基座
42．．．封閉電子器件

Claims (34)

  1. 一種散熱器，其包括：一散熱器本體，該散熱器本體包含一主要本體部分及自其延伸之翼片；一設置於包含該等翼片之該散熱器本體之上的反射層，該反射層對於可見光譜中之光的反射率大於90%；及一設置於該反射層之上的光透射保護層，其可透射可見光譜中的光，其中該散熱器本體包括一結構性散熱器本體，及其中一導熱層設置於包含該等翼片之該結構性散熱器本體之上，該導熱層具有大於該結構性散熱器本體之一導熱率，該反射層係設置於該導熱層之上。
  2. 如請求項1之散熱器，其中該反射層包括一鏡面反射層。
  3. 如請求項1之散熱器，其中包含該反射層及該光透射保護層之多層結構包括具有小於10%之光散射率的鏡面反射器。
  4. 如請求項1之散熱器，其中包含該反射層及該光透射保護層之該多層結構包括具有小於5%之光散射率的鏡面反射器。
  5. 如請求項1之散熱器，其中該導熱層之厚度為500微米或更小，且導熱率為50W/m．K或更高。
  6. 如請求項1之散熱器，其中該導熱層之厚度為至少150微米，且導熱率為500W/m．K或更高。
  7. 如請求項1之散熱器，其中該結構性散熱器本體包括一塑膠或聚合物結構性散熱器本體。
  8. 如請求項1之散熱器，其中該導熱層包括一銅(Cu)層。
  9. 如請求項1之散熱器，其中該光透射保護層可吸收紅外光，且對於紅外光而言光學厚度大。
  10. 如請求項1之散熱器，其中該光透射保護層之厚度大於或等於1微米。
  11. 如請求項1之散熱器，其中該光透射保護層之厚度大於或等於5微米。
  12. 如請求項1之散熱器，其中該光透射保護層之厚度大於或等於10微米。
  13. 如請求項1之散熱器，其中該光透射保護層之厚度不超過15微米。
  14. 如請求項1之散熱器，其中該光透射保護層包括一個二氧化矽(SiO2)或氧化矽層。
  15. 如請求項1之散熱器，其中該光透射保護層包括一光透射之塑膠、聚合物、玻璃或陶瓷層。
  16. 如請求項1之散熱器，其中該反射層包括一銀(Ag)層。
  17. 如請求項1之散熱器，其中該反射層之厚度夠大，使得入射光係在無消散波穿過該鏡面反射層的情況下被反射。
  18. 如請求項1之散熱器，其中該散熱器本體包含熱輻射表面積增大結構，且該反射層及該光透射保護層係設置於至少該等熱輻射表面積增大結構之上。
  19. 如請求項18之散熱器，其中該等熱輻射表面積增大結構包括熱輻射翼片。
  20. 如請求項1之散熱器，其中該散熱器界定一中空聚光反射器，且該反射層及該光透射保護層係設置於該中空聚光反射器之至少一內表面之上。
  21. 如請求項20之散熱器，其中該散熱器包含設置於該中空聚光反射器之內側的向內延伸翼片，且該反射層及該光透射保護層係另外設置於至少該等向內延伸翼片之上。
  22. 一種基於發光二極體(LED)之燈，其包括：一散熱器，其包含一散熱器本體，該散熱器本體包括一結構性散熱器本體，一設置於該散熱器本體之上的反射層，其對於可見光譜中之光的反射率大於90%，及一設置於該反射層之上的光透射保護層，其可透射可見光譜中之光；及一LED模組，其與該散熱器緊固且熱連通，其中：該基於LED之燈具有一A字形燈泡組態，且進一步包含一由該LED模組照明之漫射器；該散熱器包含設置於該漫射器之內側或外側的翼片，且該反射層及該光透射保護層係設置於至少該等翼片之上；且一導熱層設置於該結構性散熱器本體之上，該導熱層具有大於該結構性散熱器本體之一導熱率，該反射層係設置於該導熱層之上。
  23. 如請求項22之基於LED之燈，其中該漫射器係中空，且該散熱器包含設置於該中空漫射器內側的翼片。
  24. 如請求項22之基於LED之燈，其中該基於LED之燈包括一定向燈，該散熱器界定一中空聚光反射器，且該反射層及該光透射保護層係設置於該中空聚光反射器之至少一內表面之上。
  25. 如請求項24之基於LED之燈，其中該散熱器包含設置於該中空聚光反射器內側的向內延伸翼片，且該反射層及該光透射保護層係另外設置於至少該等向內延伸翼片之上。
  26. 如請求項22之基於LED之燈，其中該散熱器包括該基於LED之燈之一反射性光學組件。
  27. 一種散熱器，其包括：一散熱器本體；一鏡面反射層，其係設置於該散熱器本體之上；及一設置於該鏡面反射層之上的光透射保護層，該光透射保護層係選自由二氧化矽(SiO2)層、氧化矽層、塑膠層及聚合物層所組成之一群組，其中該散熱器本體包括一結構性散熱器本體，及其中一導熱層設置於該結構性散熱器本體之上，該導熱層具有大於該結構性散熱器本體之一導熱率，該鏡面反射層係設置於該導熱層之上。
  28. 如請求項27之散熱器，其中該散熱器本體包括：一塑膠或聚合物散熱器本體。
  29. 如請求項28之散熱器，進一步包括：一銅層，其係設置於該塑膠或聚合物散熱器本體之上，該鏡面反射層係設置於該銅層之上。
  30. 如請求項29之散熱器，其中該鏡面反射層包括一銀層。
  31. 如請求項27之散熱器，其中該光透射保護層之厚度為大於或等於3微米。
  32. 如請求項27之散熱器，其中該光透射保護層之厚度有效地使該光透射保護層可吸收超過50%之紅外輻射。
  33. 一種基於發光二極體(LED)之燈，其包括：一實質上球形的中空漫射器；一LED模組，其經配置以照明該實質上球形的中空漫射器之內側；及一包含複數個翼片之散熱器，其中該等翼片中之至少一些係設置於該實質上球形的中空漫射器之內側，其中該散熱器進一步包含一散熱器本體及一設置於該散熱器本體之上的反射層，其中該散熱器本體包括一結構性散熱器本體，及其中一導熱層設置於該結構性散熱器本體之上，該導熱層具有大於該結構性散熱器本體之一導熱率，該反射層係設置於該導熱層之上。
  34. 一種定向燈，其包括：一包括一中空聚光反射器之散熱器，該中空聚光反射器之入口孔隙係相對較小且出口孔隙相對較大；及一發光二極體(LED)模組，其係光學耦合於該入口孔 隙中；其中該散熱器進一步包含自該中空聚光反射器之一內表面向內延伸的複數個翼片，其中該散熱器進一步包含一散熱器本體及一設置於該散熱器本體之上的反射層，其中該散熱器本體包括一結構性散熱器本體，及其中一導熱層設置於該結構性散熱器本體之上，該導熱層具有大於該結構性散熱器本體之一導熱率，該反射層係設置於該導熱層之上。
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