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CN101749570B - 发光二极管灯具及其光引擎 - Google Patents

发光二极管灯具及其光引擎 Download PDF

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CN101749570B CN200810306048A CN200810306048A CN101749570B CN 101749570 B CN101749570 B CN 101749570B CN 200810306048 A CN200810306048 A CN 200810306048A CN 200810306048 A CN200810306048 A CN 200810306048A CN 101749570 B CN101749570 B CN 101749570B
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Abstract

一种发光二极管灯具及其所采用的光引擎，该发光二极体灯具包括一光学部、一电气部及一散热部。光学部包括一发光二极管光源及一出光通道。电气部包括一护罩及一电路板。散热部包括设于护罩与光学部之间的一散热器及至少一热管，散热器包括一呈环状的散热基座、呈放射状分布于散热基座的一外表面的若干鳍片及设于散热基座靠近光学部一端的一吸热板。散热基座内设有朝向护罩一端开口的一腔体，发光二极管光源与吸热板朝向光学部的一外表面热接触；热管设于散热基座的腔体内，热管包括一蒸发段及至少一冷凝段，所述蒸发段与吸热板朝向电气部的一内表面热接触，所述冷凝段与散热基座的一内表面热接触。

Description

发光二极管灯具及其光引擎
技术领域
本发明涉及一种半导体照明装置，特别是关于一种发光二极管灯具及其所采用的光引擎。
背景技术
人们由于长期过度依赖石化燃料，除造成能源短缺及石油价格高涨而牵动经济发展，更使全球二氧化碳与有害气体的排放浓度日益增加，导致地球暖化所引起的气候反常、生态环境的破坏、以及对人类生存的危害日益显现，为永续经营人类赖以生存的地球生态环境，必须同时解决能源危机与环境污染问题，开发新能源及再生能源是推动节约能源及高效率使用能源最重要的策略，而传统照明所消耗的能源极为可观，发展照明节能将是最重要的新能源科技，而半导体照明采用高功率高亮度的发光二极管光源如发光二极管(LED)为光源，该新光源以其高发光效率、节能、长寿、环保(不含汞)、启动快、指向性等优点，具有广泛取代传统照明光源的潜力。
LED由于输入电能的80％~90％转变成为热量，只有10％~20％转化为光能，且由于LED芯片面积小，因此芯片散热是LED封装必须解决的关键问题；优良的散热系统可在同等输入功率下得到较低的工作温度，延长LED的使用寿命，或在同样的温度限制范围内，增加输入功率或芯片密度，从而增加LED灯的亮度；结点温度(Junction temperature)是衡量LED封装散热性能的重要技术指标，由于散热不良导致的结点温度升高，将严重影响到发光波长、光强、光效和使用寿命。
应用高功率高亮度LED在照明的新光源上，必须配合高效率的散热机构以尽量降低LED的结点温度，才能发挥上述诸多优点，否则照明装置的发光亮度、使用寿命将大打折扣，影响所及将使该照明装置的节能效果不彰，并直接冲击该照明装置的可靠度，引发严重的光衰甚至使照明装置失效。
现有半导体照明装置尝试将光源发光时释出的热量通过在鳍片端开设与外界较低温空气接触的大散热面积来达成，然而因无法在有限的照明装置容许空间内同时建立低流阻的冷却气流通道及低热阻的导热通道，以致不易将该热量快速而均匀的传输到所述散热面积上，而且不易将传输到所述散热面积上的该热量快速移除，以致无法彰显整体的散热效果，终因长期结点温度过高而导致光衰及影响照明品质的稳定性。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有高散热效率的全方位发光二极管灯具，并提供一种该发光二极管灯具所采用的光引擎。
一种发光二极管灯具，包括一光学部、一电气部及一散热部。该光学部包括一发光二极管光源及一出光通道，用以提供所需的照明亮度与发光特性及对发光二极管光源保护。该电气部包括一护罩及一电路板，用以提供发光二极管光源所需要的驱动电源、控制电路及电源管理。该散热部包括设于电气部的护罩与光学部之间的一散热器及至少一热管，该散热器包括一呈环状的散热基座、呈放射状分布于该散热基座的一外表面的若干鳍片及设于散热基座靠近光学部的一端的一吸热板。该散热基座内设有朝向护罩的一端开口的一腔体，所述发光二极管光源与吸热板朝向光学部的一外表面热接触；所述热管设于散热基座的腔体内，该热管包括一蒸发段及至少一冷凝段，热管的蒸发段与吸热板朝向电气部的一内表面热接触，热管的冷凝段与散热基座的一内表面热接触。
作为该发光二极管灯具的进一步改进，该该散热基座于靠近吸热板的一端环设有对应于这些鳍片之间的若干气孔，以形成一导引冷却气流流经该腔体的气流通道。
作为该发光二极管灯具的进一步改进，该电路板设于腔体内。
一种光引擎，包括一发光二极管光源、一散热器至少一热管，该散热器包括一呈环状的散热基座、呈放射状分布于该散热基座的外表面的若干鳍片及设于散热基座的一端的一吸热板，该散热基座内设有朝向散热基座的另一端开口的一腔体，所述发光二极管光源与吸热板的一外表面热接触；所述热管设于散热基座的腔体内，该热管包括一蒸发段及至少一冷凝段，热管的蒸发段与吸热板的一内表面热接触，热管的冷凝段与散热基座的一内表面热接触。
本发明具有如下优点：
提供一种具有高散热效率的光引擎，通过吸热板以强化发光二极管光源与散热器的热连接及增加吸热与散热面积，并配合热管与吸热板及鳍片的热连接，进一步强化对发光二极管光源的吸热效率及提升鳍片的均匀散热效率。
提供一种具有低热阻导热通道的发光二极管灯具，通过热管与吸热板及鳍片的热连接，大幅降低发光二极管光源至鳍片间的热阻，使发光二极管光源的结点温度长期处于低温状态，从而获得半导体照明提供的高光效、稳定出光、长寿命等诸多优点。
提供一种具有低流阻冷却气流通道的发光二极管灯具，通过散热基座于靠近吸热板的一端所设对应这些鳍片之间的若干气孔，额外在散热器的腔体内形成自外界持续导引冷却气流的通道，使腔体内壁形成一扩增的散热面积，从而建立一种适用于自然循环及强制对流的低流阻冷却气流通道，进一步强化光引擎的散热效果。
提供一种轻巧的高效率发光二极管灯具，通过将电气部中的电路板设置于散热器的腔体内，使该发光二极管灯具因整体长度的缩短而更加轻巧，并通过腔体内部的冷却机制，使电气部与散热部中的热量得以顺利移除，确保该发光二极管灯具的高发光效率与品质。
附图说明
下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明发光二极管灯具第一实施例的组装剖面示意图。
图2是图1所示发光二极管灯具中光引擎部分的示意图。
图3是图2中散热器去掉吸热板的立体图。
图4是图2中吸热板的立体图。
图5是图2中吸热板与热管的立体组装图。
图6是本发明发光二极管灯具第二实施例的组装剖面示意图。
图7是本发明发光二极管灯具第三实施例的组装剖面示意图。
图8是本发明发光二极管灯具第四实施例的组装剖面示意图。
具体实施方式
图1是本发明发光二极管灯具100第一实施例的组装剖面示意图，图2是图1所示发光二极管灯具100中光引擎21部分的示意图，图3是图2中散热器22去掉吸热板23的立体图，图4是图2中吸热板23的立体图，图5是图2中吸热板23与热管24的立体组装图；该发光二极管灯具100主要包括一光学部10一散热部20及一电气部30。
光学部10设置于散热部20前方，包括一发光二极管光源11及一出光通道12，该发光二极管光源11为一体成型件，包括一导热基板111及设于该导热基板111上的至少一发光体112及若干电极(图未示)，其中所述发光体112是由至少一发光二极管芯片经透明封装所形成；所述发光二极管光源11的导热基板111与散热部20的一吸热板23的一外表面231之间的紧密热接触可先在其间涂抹一层热界面材料(TIM)，再将已套装电绝缘垫片的若干螺丝(图未示)分别穿过导热基板111上的若干固定孔(图未示)，以便锁固于散热部20的吸热板23上对应所设螺孔(图未示)，也可通过回焊方式将导热基板111直接黏贴(SMT)于该吸热板23上，以传输及移除该发光二极管光源11发光时释出的热量；该发光二极管光源11的发光可通过电线114连接发光二极管光源11的电极与电气部30中的一电路板31以及通过电线311连接电路板31与外部电源达成。
所述发光二极管光源11与吸热板23之间的紧密热接触还可通过先对吸热板23的外表面231进行电绝缘处理，然后在经电绝缘处理的该吸热板23的外表面231上铺设基板电路如铜铂基板电路，再将至少一发光二极管芯片与所述基板电路电连接并于发光二极管芯片外包覆一透明封装体而达成，采用此种方式的发光二极管光源不包含导热基板111，从而避免导热基板111与吸热板23之间接触热阻的产生，发光二极管光源11所产生的热量可直接由吸热板23吸收并予以快速散发，可进一步提升散热效率；为方便叙述，本实施例及以下实施例皆仅以包含有导热基板111的发光二极管光源11予以说明，实际上，各实施例中的发光二极管光源11皆可用上述不含导热基板111的发光二极管光源替代。
出光通道12包括一光杯121及一环形的导光罩122，其中该光杯121为向外扩散的锥面以导引该发光二极管光源11向外射出光线，该光杯121底部设有供该发光二极管光源11凸伸至该光杯121内的通孔123，导光罩122为包括至少一光学镜片124的罩盖，以提供发光二极管灯具100所需的照明分布、发光特性及对发光二极管光源11保护的功能。上述导光罩122中的光学镜片124也可在封装过程中直接与发光二极管光源11一体成型，以避免二次光学造成的光损耗。
在实际应用时，上述发光二极管光源11也可由若干分离的发光体组合而成，此时出光通道12中的光杯121及导光罩122可以是对应于该若干分离的发光体分开设置，也可以只用一个光杯121及导光罩122的配置。
电气部30包括电路板31、一护罩32及设于该护罩32一端的一灯头33，该电路板31与发光二极管光源11的电极及与外部电源电连接，上述外部电源除可为适合该发光二极管光源11的直流电源外，也可透过电源转换器将交流市电转换为适合该发光二极管光源11的直流电源，本实施例仅以灯头33与市电连接的方式说明，以搭配该电路板31提供该发光二极管光源11的驱动电源及发光二极管灯具100的电源管理；该护罩32为罩盖该电路板31的一环形的壳体，该护罩32底部锁固有一底座34，该底座34上设有连通护罩32与散热部20的若干通孔341，该护罩32内壁设有若干定位座321以便与电路板31上所设对应的定位柱312接合以固定该电路板31；该护罩32的顶部设有供气流进出的若干气孔322，以便将将电路板31产生的热量散出；另外，该护罩32上还设置有一围设于该这些气孔322的防尘盖35，以防止外部的灰尘进入护罩32内。
散热部20设于该电气部30的护罩32与光学部10之间，该散热部20包括一呈环状的散热器22及若干热管24。由所述发光二极管光源11、散热器22及热管24组成一光引擎21。该散热器22由导热性佳的材质制成，包括一散热基座221、呈放射状分布于该散热基座221的外表面的若干鳍片222及用于吸收发光二极管光源11所产生的热量的吸热板23。该散热基座221内设有朝向电气部30的护罩32开口的一腔体223，所述腔体223的内表面于靠近光学部20的一端设有一环形的卡槽224，所述吸热板223设于腔体223靠近光学部10的一端并收容于该卡槽224内。另外，散热基座221于靠近吸热板223的一端环设有对应于这些鳍片222之间的若干气孔225，以形成自外界将冷却气流导入该腔体223内的若干气流通道。
所述热管24为内设有毛细结构及填充有工作流体的管体，用于接合吸热板23与散热基座221，本实施例中，这些热管24包括两L形热管241及一U形热管242。其中，所述热管24还可以为其它形式的组合。所述L形热管241包括一蒸发段2411及一冷凝段2412，所述U形热管242包括一蒸发段2421及两冷凝段2422；吸热板23用于接合发光二极管光源11与热管241、242的蒸发段2411、2421。本实施例中，吸热板23为与散热器22相分离的部件，其中该吸热板23也可与散热器22一体成型。发光二极管光源11产生的热量的传输及散发是透过热管241、242的蒸发段2411、2421与吸热板23的一内表面232热接触，并将热管241、242的冷凝段2412、2422与散热基座221的内表面热接触，以便通过热管241、242在热量传输的超导性及均温性，将发光二极管光源11的热负荷快速而均匀地分布于具较大散热面积的鳍片222，进而散发到大气。
为使热管241、242与吸热板23及散热基座221结合更紧密，本实施例中，热管241、242为经过压扁整平及折弯处理，散热基座221的内表面设有若干沿散热基座221的轴向延伸的收容槽226，热管241、242的冷凝段2412、2422收容于这些收容槽226内，并与该收容槽226的内表面热连接。该吸热板23的内表面232设有若干凹槽233，这些凹槽233呈十字交叉状，热管241、242的蒸发段2411、2421收容于这些凹槽233内，并与该凹槽233的内表面热连接。所述热连接的方式，可采用回焊处理或以锁固片(图未示)压制热管241、242朝该收容槽226或该凹槽233的外表面，以使热管241、242的另一表面与该收容槽226或该凹槽233的内表面紧密热连接，为达更佳的紧密热连接，在热接触面上可先在其间涂抹一层热界面材料(TIM)，再以锁固片(图未示)压制该热管241、242。
该发光二极管灯具100运用热管241、242将发光二极管光源11的热负荷快速而均匀地传至具较大散热面积的鳍片222进行散发，不但因大幅降低发光二极管光源11至鳍片222间的热阻而使发光二极管光源11的结点温度长期处于低温状态，从而获得半导体照明提供的高光效、出光稳定、长寿命等诸多优点，且由于组件的量产性而大幅降低成本。
该发光二极管灯具100中，通过气流温度差导致的密度差所产生的热浮力，使进入各鳍片222之间的冷空气吸收由发光二极管光源11传至鳍片222的热量而升温并上浮，并通过热空气向上漂浮的惯性趋势使鳍片222外的冷空气沿与鳍片222垂直的方向进入该鳍片222之间的流阻降低；同时，新的冷空气会自动填补该已上浮的热空气空间，并同样经吸热升温上浮而发挥鳍片222局部散热的效果；当上浮的较热气流继续顺利流经设有大面积通孔341的底座34，并由电气部30的护罩32的顶端所设大面积气孔322排出，来持续导引较低温冷却气流进入鳍片222之间，藉以在该发光二极管灯具100中形成对自然循环最有利于低流阻的热浮力气流通道，达到有效移除该发光二极管光源11发光时释出的热量。
为进一步强化发光二极管灯具100的散热效果，散热基座221于靠近吸热板23的一端环设有对应于这些鳍片222之间的若干气孔225，以形成自外界将冷却气流导入该腔体223内的若干气流通道，即由于导引发光二极管光源11释出的热量而使该散热器22的腔体223内壁呈现较高的温度，并加热腔体223中的空气，致该腔体223内的热空气的密度降低而上浮，进而自散热基座221的腔体223朝上的开口排出离开腔体223，并继续顺利流经设有大面积通孔341的底座34，再由电气部30顶端壁面所设大面积气孔322排出，从而驱动外界较低温的空气持续自气孔225导入腔体223中，形成腔体223内的自然冷却循环，达到进一步强化发光二极管灯具100的散热效果。
该发光二极管灯具100结合在散热基座221的腔体223内壁所扩增的散热面积，并由散热基座221所设的气孔225导引气流强制流过该扩增的散热面积而形成一新增的气流通道，使该光引擎21的散热效果远优于现有技术，从而确保应用在半导体照明上获致低结点温度的高效率照明效果。
图6是本发明发光二极管灯具100a第二实施例的组装剖面示意图；本实施例与第一实施例的主要区别在于：本实施例中发光二极管灯具100a的散热部20a包括一风扇25，该风扇25包括一扇框251及一扇轮252，该扇轮252可旋转地安装于扇框251的一顶板253上，该顶板253上设有若干气流开口254，扇框251与电气部30的护罩32之间设有一环形的间隔件26，该间隔件26上设有若干气流开口262作为风扇25运作时的进风或排风口，该发光二极管灯具100a除可通过冷热空气的自然对流散热外，并于发光二极管光源11的结点温度超过设定值时由控制电路启动风扇以强化散热能力；本实施例也针对高功率发光二极管光源11的散热需求而恒常使用风扇，并由气流开口254、262引入外界的冷却气流吹向鳍片222来强化散热能力；另外，散热基座221于靠近吸热板的一端环设有对应这些鳍片222之间的若干气孔225，移除该发光二极管光源11的热量除通过风扇25导引冷空气一部分强制流过散热器22外表面所设鳍片222外，并有另一部分冷空气流过该腔体223内形成一新的气流通道，进一步强化散热效率，使该发光二极管灯具100a在启用中恒常维持在高效率的稳定发光状态。
图7是本发明发光二极管灯具100b第三实施例的组装剖面示意图；本实施例与第一实施例的主要区别在于：本实施例中，电气部30b的一电路板31b通过定位柱312b设置于散热器22的腔体223内，因电路板31b未设于护罩32b内，护罩32b相比于第一实施例中的护罩32具有一较短的长度，从而使该发光二极管灯具100b的整体长度缩短而更加轻巧，并通过所述腔体223内部的自然冷却机制，使电气部30b的电路板31b与散热部20中的热量得以顺利移除，确保该发光二极管灯具100b的高发光效率与品质。
图8是本发明发光二极管灯具100c第四实施例的组装剖面示意图；本实施例同样将电路板31b设于散热器22的腔体223内，与第三实施例的主要区别在于：本实施例的发光二极管灯具100c还包含风扇25，风扇25设于电气部30c的一护罩32c与散热器22的间，护罩32c于靠近风扇25的一端环设有若干气流开口326作为风扇25运作时的进风或排风口，该发光二极管灯具100c不仅因整体长度的缩短而更加轻巧，并通过风扇冷却机制，使电气部30c的电路板31b与散热部中的热量得以顺利移除，确保该发光二极管灯具100c的高发光效率与品质。
由上述的实施方式已进一步清楚说明本发明的技术特征及达成的功效，包括：
(1)本发明提供一种具有高散热效率的光引擎，通过吸热板以强化发光二极管光源与散热器的热连接及增加吸热与散热面积，该吸热板可为散热器中腔体的延伸也可单独设置，并配合热管与吸热板及鳍片的热连接，进一步强化对发光二极管光源的吸热效率及提升鳍片的均匀散热效率。
(2)本发明提供一种具有低热阻导热通道的发光二极管灯具，通过热管与吸热板及鳍片的热连接，大幅降低发光二极管光源至鳍片间的热阻，使发光二极管光源的结点温度长期处于低温状态，从而获得半导体照明提供的高光效、稳定出光、长寿命等诸多优点。
(3)本发明提供一种具有低流阻冷却气流通道的发光二极管灯具，通过散热基座于靠近吸热板的一端所设对应这些鳍片之间的若干气孔，额外在散热器的腔体内形成自外界持续导引冷却气流的通道，使腔体内壁形成一扩增的散热面积，从而建立一种适用于自然循环及强制对流的低流阻冷却气流通道，进一步强化光引擎的散热效果。
(4)本发明提供一种轻巧的高效率发光二极管灯具，通过将电气部中的电路板设置于散热器的腔体内，使该发光二极管灯具因整体长度的缩短而更加轻巧，并通过腔体内部的冷却机制，使电气部与散热部中的热量得以顺利移除，确保该发光二极管灯具的高发光效率与品质。
另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围的内。

Claims (4)

1.一种发光二极管灯具，包括：
一光学部，包括一发光二极管光源及一出光通道，用以提供所需的照明亮度与发光特性及对发光二极管光源保护；
一电气部，包括一护罩及一电路板，用以提供发光二极管光源所需要的驱动电源、控制电路及电源管理；及
一散热部，包括：
一散热器，设于电气部的护罩与光学部之间，该散热器包括一呈环状的散热基座、呈放射状分布于该散热基座的一外表面的若干鳍片及设于散热基座靠近光学部一端的一吸热板，该散热基座内设有朝向护罩一端开口的一腔体，所述发光二极管光源与吸热板朝向光学部的一外表面热接触，该散热基座于靠近吸热板的一端环设有对应于这些鳍片之间的若干气孔；以及
至少一热管，设于散热基座的腔体内，该热管包括一蒸发段及至少一冷凝段，所述热管的蒸发段与吸热板朝向电气部的一内表面热接触，所述热管的冷凝段与散热基座的一内表面热接触；
上述护罩于靠近散热器的一端设有一底座，该底座上设有连通护罩与散热部的若干通孔，所述底座上的若干通孔中的一部分连通所述护罩和所述散热部的腔体部分，另一部分连通所述护罩和所述散热部的鳍片部分，所述护罩的壁面于远离散热器的一端设有若干气孔，所述设于护罩壁面的若干气孔与设于底座上连通护罩与散热部的所述若干通孔及设于散热基座上鳍片之间的若干气孔共同形成两条导引冷却气流流经该散热器的气流通道，其中一条通道由护罩的气孔经过该散热器的鳍片之间，另一条通道由护罩的气孔经过腔体及散热基座上的若干气孔。
2.如权利要求1所述的发光二极管灯具，其特征在于：该电路板设于护罩或散热基座的腔体内。
3.如权利要求2所述的发光二极管灯具，其特征在于：该散热部还包括一风扇，该风扇设于散热器靠近护罩的一端，由该风扇导引的气流一部分流经该散热器的鳍片之间，另一部分流经由腔体及散热基座的气孔所形成的气流通道。
4.如权利要求1所述的发光二极管灯具，其特征在于：该散热基座的内表面设有沿散热基座的轴向延伸的至少一收容槽，热管的冷凝段收容于所述收容槽内，吸热板的内表面设有至少一凹槽，热管的蒸发段收容于所述凹槽内。
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