照明裝置及其光引擎的製作方法

2023-10-06 03:42:59

專利名稱：照明裝置及其光引擎的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種照明裝置及其光引擎，尤其是關於一種具有高散熱效率的半導
體照明裝置及其光引擎。
背景技術：
人們由於長期過度依賴石化燃料，除造成能源短缺及石油價格高漲而牽動經濟發 展，更使全球二氧化碳與有害氣體的排放濃度日益增加，導致地球暖化所引起的氣候反常、 生態環境的破壞、以及對人類生存的危害日益顯現，為永續經營賴以生存的地球生態環境， 必須同時解決能源危機與環境汙染問題，開發新能源及再生能源是推動節約能源及高效率 使用能源最重要的策略，而傳統照明所消耗的能源極為可觀，發展照明節能將是最重要的 新能源科技，而半導體照明採用高功率高亮度的發光二極體(LED)為光源，該新光源以其 高發光效率、節能、長壽、環保(不含汞)、啟動快、指向性等優點，具有廣泛取代傳統照明光 源的潛力。 LED由於輸入電能的80% 90%轉變成為熱量，只有10% 20%轉化為光能，且 由於LED晶片面積小，因此晶片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題；優良的散熱系統可在 同等輸入功率下得到較低的工作溫度，延長LED的使用壽命，或在同樣的溫度限制範圍內， 增加輸入功率或晶片密度，從而增加LED燈的亮度；結點溫度(Junction temperature)是 衡量LED封裝散熱性能的重要技術指針，由於散熱不良導致的結點溫度升高，將嚴重影響 到發光波長、光強、光效和使用壽命。 應用高功率高亮度LED在照明的新光源上，必須配合高效率的散熱機構以儘量降 低LED的結點溫度，才能發揮上述諸多優點，否則照明裝置的發光亮度、使用壽命將大打折 扣，影響所及將使該照明裝置的節能效果不彰，並直接衝擊該照明裝置的可靠度，引發嚴重 的光衰甚至使照明裝置失效。 熱管已廣為電子產業作為散熱應用的導熱件，其基本構造是於密閉管材內壁襯以 易吸收作動流體的多孔質毛細結構層，而其中央的空間則為空胴狀態，並在抽真空的密閉 管材內注入相當於毛細結構層細孔總容積的作動流體，依吸收與散出熱量的相關位置可分 為蒸發段、冷凝段以及其間的絕熱段。 熱管的工作原理是當蒸發段吸收熱量使蘊含於毛細結構層中的液相作動流體蒸 發，並使蒸汽壓升高，而迅速將產生的高熱焓蒸汽流沿中央的通道移往壓力低的冷凝段散 出熱量，凝結液則藉毛細結構層的毛細力再度返回蒸發段吸收熱量，如此周而復始地藉由 作動流體相變化過程中吸收與釋出大量潛熱的循環，進行持續性的快速熱傳輸，且由於作 動流體在上述過程中的液相與汽相共存，以致熱管可在溫度幾乎保持不變的狀況下扮演持 續快速傳輸熱量的超導體角色而廣為各種領域所應用。 現有LED照明裝置中光引擎主要的散熱結構是將光源的發熱面貼設於散熱器的 吸熱面，惟，對於較大功率的光源而言，常因需要較大的散熱面積及光源的集中應用而造成 其發熱面遠低於散熱器的吸熱面，以致無法充分利用吸熱面周邊的散熱器所提供的大散熱
4面積，且由於沿側向熱傳的高熱阻而使散熱效率大打折扣；影響所及，除造成照明裝置的橫 向面積過大而影響外觀、過重的散熱器使材料浪費與成本提高及安裝的不便、以及抗累積 環境負重的能力差，包括冰雪、沙塵、鳥糞等的長期累積對照明裝置的負重外，散熱效率的 降低更直接衝擊該照明裝置的可靠度與壽命，甚至引發嚴重的光衰而使照明裝置失效。

發明內容
有鑑於此，有必要提供一種具有高散熱效率的照明裝置，並提供一種該照明裝置 所採用的光引擎。 —種照明裝置及其光引擎，該照明裝置包括一光源部，由至少一光源及一出光通 道組成，用以提供所需的照明亮度與發光特性及光源保護；一電氣部，用以提供該光源所需 要的驅動電源、控制電路及電源管理；及一散熱部，設於光源部與電氣部之間，包括至少 一熱管，具有一蒸發段及由該蒸發段延伸的至少一冷凝段；至少一散熱器，包括多個散熱底 板及由該散熱底板朝至少一側面延伸的多個鰭片；熱管的蒸發段及冷凝段分別穿設於該散 熱器內，並藉由其中一散熱底板上的吸熱面與光源的發熱面緊密熱連接形成一光引擎，以 傳輸及移除光源發光時所釋放的熱量。 作為該照明裝置的進一步改進，所述照明裝置還包括一風扇，當光源的結點溫度
超過設定值時，由電氣部中的控制電路啟動風扇以強化散熱能力，該風扇亦可持續轉動以
冷卻散熱鰭片，達到進一步強化光引擎的散熱效果，使該照明裝置在啟用中恆常維持在高
效率的穩定光輸出狀態。 本發明具有如下優點 本發明運用熱管提供一種能延伸散熱容量的模塊化光引擎，可依光源的功率及不 同照明裝置的應用需求，將照明裝置中的散熱器與熱管在數量及配置上作彈性的組合，發 揮高效率照明裝置在設計多樣化及應用模塊化的靈活性。 本發明提供一種具有多重散熱鰭片的光引擎，以有效利用散熱底板的吸熱面積及 光源的散熱面積，配合熱管的最佳應用方位及較大的整體散熱面積，使該光引擎應用在半 導體照明上可獲致低結溫的高效率散熱與穩定的光輸出照明效果。 本發明提供一種能一體成形的光引擎散熱器，在製造上不但有利於採用鋁擠成形 技術，達簡化製程及降低成本的效果，且可強化光引擎結構的整體性。 本發明提供一種包含風扇的照明裝置，除可藉由冷熱空氣的自然對流散熱外，並 於光源的結點溫度超過設定值時啟動風扇以強化散熱能力，該風扇亦可持續轉動以冷卻散 熱鰭片，達到進一步強化光引擎的散熱效果，使該照明裝置在啟用中恆常維持在高效率的 穩定光輸出狀態。 下面參照附圖，結合具體實施例對本發明作進一步的描述。


圖1是本發明照明裝置及其光引擎第一實施例的組裝立體示意圖。
圖2是圖1的一平面示意圖。 圖3是本發明照明裝置第二實施例中光引擎的一組裝示意圖。
圖4是本發明照明裝置及其光引擎第三實施例的一組裝示意圖。
圖5是本發明照明裝置及其光引擎第四實施例的一組裝示意圖。
具體實施例方式
圖1是本發明照明裝置及其光引擎第一實施例的組裝立體示意圖，圖2是圖1的 一平面示意圖；該照明裝置1主要包括一光源部10、一散熱部20及一電氣部30。其中
光源部10包括一光源11及一出光通道12，其是設置於散熱部20前方，該光源11 包括由至少一半導體發光晶片組成的透明封裝發光體(Emitter) 111、多個電極(圖未示) 及位於發光體111底部的至少一散熱基板113的一體成型件；該散熱基板113與散熱器23 上的吸熱面2311之間的緊密熱接觸可先在其間塗抹一層熱界面材料(TIM)，再將已套裝電 絕緣墊片的多個螺絲(圖未示)分別通過散熱基板113上的多個固定孔(圖未示)，以便鎖 固於散熱器23的吸熱面2311所設螺孔(圖未示)達成，亦可藉由回焊方式將散熱基板113 直接黏貼(SMT)於該散熱器23的吸熱面2311上達成，以傳輸及移除該光源發光時釋出的 熱量；該光源11的發光可藉由電線連接光源11的電極與電氣部中的電路板31以及藉由電 線連接電路板與外部電源達成；所述光源11與散熱器23的吸熱面2311之間的緊密熱接觸 還可藉由先對散熱器23的吸熱面2311進行電絕緣處理，然後在該經電絕緣處理的吸熱面 2311上鋪設金屬基板電路如銅鉑基板電路，再將半導體發光晶片與所述金屬基板電路電連
接並於半導體發光晶片外包覆一透明封裝體而達成，採用此種方式的光源不包含散熱基板 113，從而避免散熱基板113與散熱器的吸熱面2311之間產生接觸熱阻，光源11所產生的 熱量可直接由散熱器的吸熱面2311吸收並予以快速散發，可進一步提升散熱效率。為方便 敘述，本實施例及以下各實施例皆僅以包含有散熱基板113的光源予以說明，實際上，各實 施例中的光源皆可用上述不含散熱基板113的光源替代。 出光通道13為導引該光源11向外射出光線的通道，該通道底部設有對應於該至 少一光源的導光罩(圖未示)，該導光罩為包括至少一光學鏡片的罩蓋，以提供照明裝置所 需的照明分布、發光特性及光源保護的功能。 上述導光罩中的光學鏡片亦可以在光源的封裝過程中直接與該透明發光體一體 成型，又可將該導光罩中的光學鏡片直接罩蓋於個別的光源上，以避免二次光學造成的光 損耗。 在實際應用時，上述光源11亦可以由多個分離的個別光源組合而成，此時出光通 道中的導光罩可以是對應於該多個分離的光源分開設置，亦可以只用一個導光罩的配置。
散熱部20包括至少一熱管21及至少一散熱器23，本實施例中，所述熱管21為一 U形熱管，包括一底部的絕熱段212及分別設於兩側的蒸發段211及冷凝段213，所述散熱 器23包括一散熱底板231及由該散熱底板231朝至少一側面延伸的多個鰭片233，該鰭片 的形式除圖式的板形外，亦可以其它形式，例如多個柱狀(Pin fin)達成；熱管21的蒸發段 211及冷凝段213分別穿設於該散熱器23的散熱底板231內，並藉由一散熱底板231上的 吸熱面2311與光源11的發熱面緊密熱連接形成一光引擎，以傳輸及移除光源發光時所釋 放的熱量；為強化上述功效，本實施例以所述熱管分別跨接於上述光引擎的散熱器及另一 在其上方的散熱器25，該二散熱器23， 25的多個鰭片233， 253是朝相反的方向設置，以有效 分擔光源發光時所釋放的熱量；另，該二散熱器23，25的散熱底板231,251相互平；其中， 該熱管21的蒸發段211是穿設並密貼於與光源11緊密熱連接的散熱底板231所預設的孔道壁面，並以該熱管21的冷凝段穿設並密貼於另一散熱器25的散熱底板251所預設的孔 道壁面；當所述熱管21的蒸發段211管壁吸收光源11釋放的熱量，使蘊含於內壁毛細結構 層中的液相作動流體快速蒸發，並使蒸汽壓升高，而迅速將產生的高熱焓蒸汽流沿中央的 通道移往壓力低的冷凝段，經鰭片冷卻使蒸汽凝結並散出熱量，凝結液則藉毛細結構層的 毛細力再度返回蒸發段吸收熱量，如此周而復始地藉由作動流體相變化過程中吸收與釋出 大量潛熱的循環，進行持續性的快速熱傳輸；由於所述熱管的應用是配合光引擎的應用方 位，使蒸汽朝上而回流的冷凝液朝下的最佳傳熱方位，從而可使光引擎獲致最大散熱效果。
在實際應用中，所述熱管21的數量與安裝位置，可依光源11的散熱需求沿散熱底 板作彈性的配置；另外，所述二散熱器23， 25的多個鰭片233， 253亦可設置成朝相同的方向 以縮短熱管21的絕熱段212長度；再則，該散熱器23，25的散熱底板231,251沿軸向另設 有貫通的通孔(圖未示)供電線穿設，以電連接光源的電極及電路板；由上述的實施方式已 清楚說明。 本發明運用熱管提供一種能延伸散熱容量的模塊化光引擎，可依光源的功率及不 同照明裝置的應用需求，將照明裝置中的散熱器與熱管在數量及排列上作彈性的組合，發 揮高效率照明裝置在設計多樣化及應用模塊化的靈活性。 本發明提供一種具有多重散熱鰭片的光引擎，以有效利用散熱底板的吸熱面積及 光源的散熱面積，配合熱管的最佳應用方位及較大的整體散熱面積，使該光引擎應用在半 導體照明上可獲致低結溫的高效率散熱與穩定的光輸出照明效果。 該散熱器23，25的散熱底板231,251周邊另有分別設置於端部的多個固定孔，在 該固定孔中可插入一固定螺杆40用以將散熱部20與電氣部30及光源部10結合成一照明 燈具l，其中該固定螺杆40的一端分別以二螺帽鎖41固於電氣部30的頂板周邊兩側所設 對應的定位孔中，另一端則分別以二螺帽鎖41固於散熱器23，25的散熱底板231，235周邊 兩側設置對應的定位孔中達成。 為維持光引擎的整體性，並確保熱管21在散熱底板231，251的孔道中緊密熱接 觸，可藉由分別塗布錫膏於熱管21及對應孔道之間的接觸面，再通過回焊處理達成，以兼 顧良好的熱傳與結構強度；而使光源11底部的散熱基板113與散熱底板23的吸熱面2311 之間的緊密熱接觸，除可藉由塗布錫膏於其間的接觸面後，再通過回焊處理達成黏貼(SMT) 外，亦可於其間的接觸面上塗布導熱膏或其它導熱接口材料(TIM)後，以鎖固方式達成。
電氣部30包括一電路板31及一頂板33，該電路板31是與光源11的電極及與電 源電連接，該散熱底板113上設有供電線穿過以連接光源的多個通孔(圖未示)；上述電氣 部30中的電源除可為電池或電瓶等直流電源外，亦可透過電源轉換器將交流市電轉換為 適合該光源的直流電源，該電路板31提供該光源11的驅動電源及照明裝置的控制電路與 電源管理；該頂板33是罩蓋該電路板的一殼體，該頂板33內壁設有多個定位座35以便與 電路板31上所設對應的定位柱(圖未示)接合以固定電路板31 ;藉由所述頂板33周邊設 置對應的定位孔與固定螺杆40鎖固，達到維持電氣部30的結構強度以及強化與照明裝置 的其它組件之間的整體性。 圖3是本發明照明裝置第二實施例中光引擎的一組裝示意圖；本實施例與第一實 施例的主要區別在於本實施例將第一實施例中兩個分離的散熱器23，25合而為一散熱 器27，在製造上不但易於用鋁擠(extrusion) —體成形，達簡化製程及降低成本的效果，且可強化光引擎結構的整體性；另外，以多個熱管21強化光源發光時所釋放的熱量的方式之 一，是以多個熱管21的蒸發段211穿設並密貼於與光源緊密熱連接的散熱底板271所預設 的孔道壁面，並以該熱管21的冷凝段213穿設並密貼於另一散熱底板273所預設的孔道壁 面；另一方式是以所述熱管21的全部或其中的一部分，將該等熱管21的冷凝段213直接 穿設並密貼於多個鰭片272達成；再則，本實施例採用多個分布式光源13分布於散熱底板 271的吸熱面2711，以取代第一實施例的集成式(integrated)光源ll，可更有效分擔散熱 器的散熱容量，強化整體散熱效果及增加光源布設的彈性。 圖4是本發明照明裝置及其光引擎第三實施例的一組裝示意圖；本實施例與前述 實施例的主要區別在於本實施例將第二實施例中遠離光源11的另一散熱底板273上的鰭 片274作進一步的擴充，提供一種能一體成形的光引擎散熱器，在製造上不但有利於採用 鋁擠成形技術，達到簡化製程及降低成本的效果，且可強化光引擎結構的整體性，且提供光 引擎更大的散熱容量，達到進一步使該光引擎應用在半導體照明上可獲致低結溫的高效率 散熱與穩定的光輸出照明效果。 圖5是本發明照明裝置及其光引擎第四實施例的一組裝示意圖；本實施例與前述 第一實施例的主要區別在於提供一種包含風扇50的照明裝置，該風扇50設置於散熱部 20的一側以冷卻散熱鰭片233，253，未啟動該風扇50時可藉由冷熱空氣的自然對流散熱， 並於光源11的結點溫度超過設定值時由電路板的控制電路啟動風扇以強化散熱能力，該 風扇亦可在冷卻高功率光源的照明應用中持續轉動，進一步強化光引擎的散熱效果，使該 照明裝置在啟用中恆常維持在高效率的穩定光輸出狀態。 由上述的實施方式已進一步清楚說明本發明的技術特徵及達成的功效，包括
(1)本發明運用熱管提供一種能延伸散熱容量的模塊化光引擎，可依光源的功率 及不同照明裝置的應用需求，將照明裝置中的散熱器與熱管在數量及配置上作彈性的組 合，發揮高效率照明裝置在設計多樣化及應用模塊化的靈活性。
(2)本發明提供一種具有多重散熱鰭片的光引擎，以有效利用散熱底板的吸熱面
積及光源的散熱面積，配合熱管的最佳應用方位及較大的整體散熱面積，使該光引擎應用
在半導體照明上可獲致低結溫的高效率散熱與穩定的光輸出照明效果。
(3)本發明提供一種能一體成形的光引擎散熱器，在製造上不但有利於採用鋁擠
成形技術，達到簡化製程及降低成本的效果，且可強化光引擎結構的整體性。
(4)本發明提供一種包含風扇的照明裝置，除可藉由自然對流散熱外，並於光源的
結點溫度超過設定值時啟動風扇以強化散熱能力，該風扇亦可持續轉動以冷卻散熱鰭片，
達到進一步強化光引擎的散熱效果，使該照明裝置在啟用中恆常維持在高效率的穩定光輸
出狀態。
8
權利要求
一種照明裝置，包括一光源部，包括至少一光源及一出光通道，用以提供所需的照明亮度與發光特性及光源保護；一電氣部，用以提供光源所需要的驅動電源、控制電路及電源管理；以及一散熱部，設於光源部與電氣部之間，包括至少一散熱器，包括多個散熱底板及由該散熱底板朝至少一側面延伸的多個鰭片；及至少一熱管，具有一蒸發段及由該蒸發段延伸的至少一冷凝段，熱管的蒸發段及冷凝段分別穿設於該散熱器內，並藉由其中一散熱底板上的吸熱面與光源的發熱面熱連接。
2. 根據權利要求1所述的照明裝置，其特徵在於所述至少一熱管的蒸發段穿設於導 熱面與光源熱連接的散熱底板內，冷凝段穿設於一遠離所述光源的散熱底板內或所述多個 鰭片內。
3. 根據權利要求l所述的照明裝置，其特徵在於所述多個散熱底板相互平行，相鄰散 熱底板的多個鰭片相向設置或朝相反的方向設置。
4. 根據權利要求l所述的照明裝置，其特徵在於還包括固定螺杆，將所述電氣部與所 述散熱部固定。
5. 根據權利要求4所述的照明裝置，其特徵在於所述固定螺杆的一端分別以螺帽鎖 固於電氣部的頂板外圍所設對應的定位孔中，另一端則分別以螺帽鎖固於散熱器的散熱底 板外圍的定位孔中。
6. 根據權利要求1所述的照明裝置，其特徵在於還包括一設置於所述散熱部的一側 的風扇。
7. 根據權利要求1所述的照明裝置，其特徵在於所述光源為分布式光源或集成式光 源，並直接或通過一散熱基板結合於所述散熱底板的吸熱面。
8. 根據權利要求1所述的照明裝置，其特徵在於遠離所述光源的散熱底板的兩相對 側面均設有鰭片。
9. 一種光引擎，包括 至少一光源；至少一散熱器，包括多個散熱底板及由該散熱底板朝至少一側面延伸的多個鰭片；及 至少一熱管，具有一蒸發段及由該蒸發段延伸的至少一冷凝段，熱管的蒸發段及冷凝 段分別穿設於該散熱器內，並藉由其中一散熱底板上的吸熱面與光源的發熱面熱連接。
10. 根據權利要求9所述的光引擎，其特徵在於所述至少一熱管的蒸發段穿設於導熱 面與光源熱連接的散熱底板內，冷凝段穿設於一遠離所述光源的散熱底板內或所述多個鰭 片內。
11. 根據權利要求9所述的光引擎，其特徵在於所述多個散熱底板相互平行，相鄰散 熱底板的多個鰭片相向設置或朝相反的方向設置。
12. 根據權利要求9所述的光引擎，其特徵在於還包括固定螺杆，將所述電氣部與所 述散熱部固定。
13. 根據權利要求9所述的光引擎，其特徵在於所述光源為分布式光源或集成式光 源，並直接或通過一散熱基板結合於所述散熱底板的吸熱面。
14. 根據權利要求9所述的光引擎，其特徵在於遠離所述光源的散熱底板的兩相對側面均設有鰭片'
全文摘要
一種照明裝置及其光引擎，該照明裝置包括一光源部，由至少一光源及一出光通道組成，用以提供所需的照明亮度與發光特性及光源保護；一電氣部，用以提供該光源所需要的驅動電源、控制電路及電源管理；及一散熱部，設於光源部與電氣部之間，包括至少一熱管，具有一蒸發段及由該蒸發段延伸的至少一冷凝段；至少一散熱器，包括多個散熱底板及由該散熱底板朝至少一側面延伸的多個鰭片；熱管的蒸發段及冷凝段分別穿設於該散熱器內，並藉由其中一散熱底板上的吸熱面與光源的發熱面緊密熱連接形成一光引擎，以傳輸及移除光源發光時所釋放的熱量。
文檔編號F21S2/00GK101749574SQ20081030642
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月22日 優先權日2008年12月22日
發明者劉泰健 申請人:富準精密工業(深圳)有限公司;鴻準精密工業股份有限公司