TWI640717B - 具有塑膠殼體的戶外發光二極體（ｌｅｄ）燈具 - Google Patents

具有塑膠殼體的戶外發光二極體（ｌｅｄ）燈具 Download PDF

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Abstract

一種包括塑膠殼體的戶外發光二極體(LED)燈具，該塑膠殼體具有二或多個表面、耦接至該二或多個表面之至少一者的印刷電路板(PCB)，該PCB包括基板及在該基板上的導電表面、載置在該PCB上的複數個LED光源、該導電表面的第一部分形成與該複數個LED光源電導通的導電路徑、且該導電表面的第二部分在複數個位置形成散熱墊，該等位置係在該複數個LED光源之間或在其周圍的至少一者，該等散熱墊組態成消散由該複數個LED光源產生的熱。

Description

具有塑膠殼體的戶外發光二極體(LED)燈具
本發明係關於具有塑膠殼體的戶外發光二極體(LED)燈具。
用於傳統戶外燈具的殼體典型藉由壓鑄處理以鋁製造。該壓鑄處理能具有高材料及工具製造成本。具有發光二極體(LED)光源的戶外燈具通常具有位於壓鑄殼體內之印刷電路板(PCB)上的LED光源。
LED光源載置至其的PCB典型地比殼體內部小，其以彼此鄰近的方式放置個別LED光源。此LED光源配置的密度需要將高導熱率材料(銅、鋁等)使用為散熱片以從PCB及LED光源吸熱。熱介面材料，例如，油脂，能施用在PCB及散熱片之間以改善熱接觸。此等傳統LED戶外燈具常具有位於燈具之多個LED光源上方的光學單元(例如，透鏡、反射鏡、屏蔽、罩等)。
具有塑膠殼體的習知LED燈具典型地未針對戶外燈具應用製造。具有塑膠殼體的部分LED燈具係使用導熱 塑膠製造、或使用位於LED光源PCB及殼體之間的散熱片，使得PCB不與塑膠殼體直接熱接觸。
100‧‧‧戶外LED燈具
110‧‧‧殼體
120、220‧‧‧PCB
130‧‧‧LED光源
140‧‧‧LED驅動電路
150‧‧‧導電路徑
160、260‧‧‧散熱墊
230‧‧‧LED光源
232‧‧‧光學元件
A、B‧‧‧箭號
圖1根據部分實施例描畫戶外LED燈具的透視圖；且圖2根據部分實施例描畫圖1之LED燈具的特寫，其顯示載置在PCB上的一個LED光源。
根據實施例的系統及方法提供低成本戶外LED燈具，其包括由塑膠材料組成的殼體，及直接或藉由熱介面材料耦接及/或連接至該殼體的LED PCB。此LED PCB與該殼體熱接觸。
根據實施例，該殼體可由沒有增強導熱率性質的塑膠材料組成(例如，藉由玻璃纖維、碳纖維等強化的工業塑膠，諸如，ABS、PC、PA6.6)。在其他實作中，殼體可由具有增強導熱率性質(例如，約>0.5W/m-K)的塑膠材料組成。
例如，不係詳盡列表，殼體能以各式各樣的熱塑性樹脂、熱塑性樹脂的摻合物、熱固性樹脂、或熱塑性樹脂與熱固性樹脂的摻合物形成，以及包含上述至少一者的組合物。該塑膠也可係聚合物、共聚物、三元共聚物的摻合物、或包含上述至少一者的組合。該塑膠也能係寡聚合 物、同元聚合物、共聚物、嵌段共聚物、交替嵌段共聚物、隨機聚合物、隨機共聚物、隨機嵌段共聚物、連枝共聚物、星狀嵌段共聚物、或樹枝狀聚合物等，或包含上述至少一者的組合。範例包括聚縮醛、聚烯、聚丙烯腈、聚(伸芳醚)聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酯(例如，環脂肪族聚酯、及高分子量聚對酞酸二醇酯或聚異酞酸二醇酯等)、聚醯胺(例如，半芳族聚醯胺，諸如，PA4.T、PA6.T、及PA9.T等)、聚醯胺醯亞胺、聚芳酯、聚芳基碸、聚醚碸、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚碸、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚四氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯并唑、聚酞內酯、聚縮醛、聚酐、聚乙烯醚、聚乙烯硫醚、聚乙烯醇、聚乙烯酮、聚鹵乙烯、聚乙烯腈(polyvinyl nitriles)、聚乙烯酯、聚磺酸酯、多硫化物、聚硫酯、聚碸、聚磺醯胺、聚脲、聚磷腈、聚矽氮烷、苯乙烯丙烯醯腈、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚胺甲酸酯(PUR)、三元乙丙橡膠(EPR)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯-丙烯、全氟烷氧基乙烯、聚三氟氯乙烯、或聚偏二氟乙烯等，或包含上述有機聚合物之至少一者的組合。聚烯的範例包括聚乙烯(PE)，包括高密度聚乙烯(HDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、甲基丙烯酸環氧丙酯改質聚乙烯、順丁烯二酐官能化聚乙烯、順丁烯二酐官能化彈性乙烯共聚物、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、乙烯丙烯酸酯 共聚物，諸如，乙烯甲基丙烯酸酯、乙烯-丙烯酸乙酯、及乙烯丙烯酸丁酯共聚物、甲基丙烯酸環氧丙酯官能化乙烯丙烯酸酯三元共聚物、酐官能化乙烯丙烯酸酯聚合物、酐官能化乙烯-辛烯、及酐官能化乙烯-丁烯共聚物、聚丙烯(PP)、順丁烯二酐官能化聚丙烯、甲基丙烯酸環氧丙酯改質聚丙烯、及包含上述至少一者的組合。
使用沒有增強導熱率性質的塑膠材料提供具有較低材料及處理成本的方法。所具現的戶外LED燈具能用於，但未受限於，該燈具的光通量超過1000流明的高功率、高照度應用，諸如，路燈、區域照明、停車燈、泛光燈、建築物照明、運動場照明等。
根據實施例，戶外LED燈具能包括以習知塑膠或工業塑膠製造的殼體，及直接載置至該殼體的LED PCB。藉由將塑膠材料用於高功率輸出燈具的殼體，能實現較低製造及/或生產成本以及較輕的重量及電絕緣。
使用塑膠殼體的習知LED燈具的問題在於塑膠殼體的作用如同導致熱在該殼體內積聚的絕熱體。因為LED之已然甚高的接面溫度，此熱積聚在LED的長期可靠性及亮度衰減上具有負作用。相較於金屬殼體，具有塑膠殼體的習知LED燈具增加操作LED的溫度上昇。
圖1根據實施例描畫戶外LED燈具100的透視圖。燈具100包括殼體110及PCB 120。根據實施例，殼體可由沒有增強導熱率性質的塑膠材料組成。根據實作，LED PCB能載置在殼體的外部表面上，或定位在或鄰近於殼體 的內部。PCB120能係具有導電材料在至少一表面上的基板。將多個LED光源130載置在PCB120的一側上。PCB120的此表面也具有導電路徑或原圖軌跡150，彼等藉由從PCB120表面蝕除導電材料而形成。設置在PCB120之此表面上的係位於LED光源130之間/或周圍的散熱墊160。散熱墊160也蝕刻自PCB120的導電層。在部分實作中，散熱墊與導電軌跡電絕緣。在其他實作中，散熱墊及導電軌跡能係電連接的。燈具100也能包括LED驅動電路140。LED驅動電路沿著導電原圖路徑提供電力至LED光源130。
根據傅利葉導熱定律，將由多個LED光源130產生的熱通量最小化能導致降低溫度梯度且因此LED光源130及彼等周圍環境之間的溫度下降(例如，當從焊料接合部量測至周遭時，最大溫度下降應少於約80℃)。為實現低熱通量，將LED光源130散佈在PCB120上。基於將散熱墊使用為散熱片以消散由LED光源產生之熱的散熱考量，將LED光源130散佈(亦即，分隔)在PCB120的表面區域上方。此PCB120也包括散熱墊係自其蝕刻的高導熱層以分散熱。分隔LED光源130降低由LED光源130產生的熱通量，並也減少由燈具製造的視覺閃爍。根據部分實施例，能藉由方程式1計算每個LED光源130的最小散熱墊表面面積：針對k*t>0.025W/K，A/QLED=2*10-3m2/W方程式1
此係以m2為單位量測的面積A對LED光源130之以 瓦特為單位量測的熱功率QLED的比率。LED光源130的熱功率係由LED光源130發射的廢熱功率，且不包括其照射光(UV或可見光)的功率。A係每LED光源130的最小散熱墊表面面積。
如所提及的，方程式(1)可針對k*t>0.025W/K的條件操作，其中k係散熱墊材料的導熱率(以W/m-K為單位量測)；且t係散熱墊導電層的厚度(以公尺為單位量測)。
根據其他實作，能藉由方程式2計算最小散熱墊表面面積： ，其中C係設定成14.75K/W的常數，且C’係設定成0.05m1.72889K0.603W-0.603的常數。
在方程式(2)中，A係每LED光源130的最小散熱墊表面面積(以m2為單位量測)；△TJS係相較於焊劑之LED光源130接面溫度的可接受溫度上昇(量度：克氏溫度)；RJS係焊劑對接面熱阻(量度：K/W)；QLED係(如上述)由LED光源130產生的熱功率(量度：W)；k係散熱墊材料的導熱率；t係散熱墊導電層的厚度；且ALED-PCB係單一LED光源130的熱接觸表面面積(量度：m2)。方程式(2)藉由使用多參數模擬而發展，其中乘冪函數用於產生公式以計算最小表面面積。
位於LED光源130之間及/或圍繞彼等的散熱墊160分散熱，且因此，降低在PCB120的導熱層及基板之邊緣的熱通量。由於降低熱通量，即使殼體及PCB120基板材 料具有低劣的熱性質(導熱率少於0.5W/m-K(瓦特/公尺-克氏溫度))，熱能以可接受的溫度下降通過PCB120的基板材料及殼體。部分熱可藉由輻射及/或轉變轉移至光學元件，自其朝向環境消散。PCB120係自冷卻的並構造成具有足以消散由複數個LED光源130產生之熱的表面面積及導電層厚度。如本文所使用的，術語「自冷卻」具有，即使PCB120未附接至任何燈具或除了本文揭示之散熱墊以外的散熱片，LED光源130焊點及環境之間的溫度下降在可接受限制之下的意義。
圖2根據部分實施例描畫圖1之LED燈具的特寫，其顯示單一LED光源230及將該LED光源230載置於其上之PCB 220的部分。將LED光源230載置於其上的PCB220表面包括散熱墊260，其蝕刻自包覆PCB220的導電材料。LED光源230由鄰近於具有LED光源230之PCB220表面放置的光學元件232覆蓋。箭號A代表經由散熱墊260及經由PCB220基板流入殼體110之導熱的熱流動。箭號B代表在光學元件232之方向上的熱輻射及轉變。
根據實施例，在決定用於散熱墊之導電層的厚度、導電層材料的導熱率、及燈具之散熱墊的特定表面面積時需考慮安裝在PCB220上的特定LED光源230的參數。此等考慮係基於用於將溫度均勻散佈在PCB220上的選擇。散熱墊的量係由一個散熱墊的散熱能力(基於方程式1)及載置至PCB220之LED光源230的數量決定。
根據實施例，此配置導致較低之朝向環境的溫度梯度、致能低導熱材料用於LED燈具的殼體及也用於PCB220基板、及維持LED光源230的滿足接面溫度。因此，不需要用於LED光源230的散熱片。根據實施例，塑膠殼體及/或PCB220基板能以導熱材料製造。
根據實作，將散熱墊的尺寸、彼等的厚度、及導熱率選擇成使得PCB220上的溫度散佈大致均勻(例如，PCB220表面上的板內溫度梯度約少於15℃/25mm)。
另外，將PCB220載置在燈具中使得有最小的空氣間隙或氣泡在殼體及PCB220邊緣介面。因此，降低該二者之間的接觸熱阻並最小化在彼等接面的熱積聚。將LED光源230之間的間隔選擇成使得每晶片的表面面積能以可接受的溫度上昇朝向環境散熱。例如，針對以具有約或等於0.5W/m-K的導熱率之材料製造的燈具塑膠殼體，使用每LED光源2301.6W之熱負載的λ，散熱墊尺寸會係每LED光源230約55平方公尺。熱模擬結果顯示此配置導致較低之朝向環境的溫度梯度，並致能低導熱材料使用在LED燈具的殼體中，並也使用在PCB 220的基板中。
當置換戶外燈具時，對還本期限(償還該設備之費用所需要的時間期限)進行考慮。根據實施例之具有習知塑膠殼體的輕量化、緻密的LED燈具具有比既存設計更低的成本。針對相同效能，所具現的LED燈具會具有較短的還本期限。另外，所具現的LED燈具不具有對室內天線的電磁屏蔽效應，其係用於實作無線通訊及控制特性的 巨大優點。又，所具現的LED燈具的重量較輕，因此，相較於習知設備，降低將燈具載置於其上之關聯燈桿的成本。
雖然已於本文描述特定硬體及方法，應注意可根據本發明的實施例提供任何數量的其他組態。因此，在已顯示、描述、及指出本發明之基本新穎特性的同時，將理解可由熟悉本技術的人士在所說明之實施例的形式及細節中及彼等之操作中產生各種省略、替代、及改變而不脫離本發明的精神及範圍。也完全預期並預想元件在實施例之間的替換。本發明相關於隨附至其的申請專利範圍、及本文敘述的等效實例而單獨地界定。

Claims (15)

  1. 一種發光二極體(LED)燈具，包含：殼體，具有二或多個表面，該殼體至少部分從其係導熱的塑膠材料所形成；印刷電路板(PCB)，耦接至該二或多個表面的至少一者；該PCB包括基板及與該基板相反的表面；該基板與該二或多個表面的該至少一者熱接觸；複數個LED光源，載置在該PCB相反的表面上；導電材料，在該PCB相反的表面之至少一部分上；該導電材料的第一部分形成與該複數個LED光源電導通的複數個導電路徑；該導電材料的第二部分在複數個位置形成複數個散熱墊，該等位置係在該複數個LED光源之間及周圍的至少一者，該等散熱墊組態成消散由該複數個LED光源產生的熱；且該消散的熱之至少一部分透過該熱接觸流動至該殼體的該導熱塑膠材料。
  2. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，其中該導電材料係導電及導熱的。
  3. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，其中該等導電路徑與該等散熱墊電絕緣。
  4. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，其中該等導電路徑電連接至該等散熱墊。
  5. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，包括電連接至該等導電路徑的電驅動電路，該電驅動電路提供電源至該複數個LED光源。
  6. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，包括放置在該複數個LED光源附近的光學單元。
  7. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，該等散熱墊具有足以自行冷卻該PCB的表面積。
  8. 如申請專利範圍第7項的LED燈具，其中該散熱墊表面積係從包括該導電材料之厚度及該導電材料的複數個導熱率性質之該導電材料的一或多個性質所決定。
  9. 如申請專利範圍第7項的LED燈具，其中用於該複數個LED光源的一者之以平方公尺為單位的散熱墊表面積係藉由下列運算式決定針對k*t>0.025W/K，A/QLED=2*10-3m2/W，其中QLED係由單一LED光源產生的該熱功率；k係該導電材料的該導熱率；且t係該導電材料的該厚度。
  10. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，該殼體包含非散熱增強塑膠材料。
  11. 如申請專利範圍第10項的LED燈具，其中該非散熱增強塑膠材料具有少於約0.5W/m-K的導熱率。
  12. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，其中該殼體包含具有增強導熱率的塑膠材料。
  13. 如申請專利範圍第12項的LED燈具，其中具有增強導熱率的該塑膠材料具有等於或大於約0.5W/m-K的導熱率。
  14. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，包括該PCB係自行冷卻的，並構造成具有足以消散由該複數個LED光源產生之該熱的表面積及導電層厚度。
  15. 如申請專利範圍第1項的LED燈具，包括由所產生之該熱的熱負載決定之複數個散熱墊的量，其中用於該複數個LED光源之一者的散熱墊具有藉由下列運算式計算之以平方公尺為單位的表面積針對k*t>0.025W/K，A/QLED=2*10-3m2/W，其中QLED係由單一LED光源產生的該熱功率；k係該導電材料的該導熱率；且t係該導電材料的該厚度。
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