CN101539274A - 照明装置及其光引擎 - Google Patents

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Hong Jun Precision Industry Co ltd
Fuzhun Precision Industry Shenzhen Co Ltd
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Abstract

一种照明装置及其光引擎，该照明装置包括：一光学室，由至少一光源及一出光通道组成，用以提供所需的照明亮度与发光特性及光源保护；一电气室，用以提供该光源所需要之驱动电源与控制电路以及电源管理；及一散热室，设于该光学室与电气室之间，包括至少一热管、一散热器及至少一鞍座，所述热管包括一蒸发段及由该蒸发段延伸的至少一冷凝段，该散热器包括一实心体及呈放射状分布于实心体之周面的若干散热片，所述热管的冷凝段穿设于该实心体内，所述鞍座骑乘于热管的蒸发段，并通过所述鞍座将光源的发热部与热管的蒸发段紧密热连接，以传输及移除该光源发光时所释放的热量。

Description

照明装置及其光引擎
技术领域
本发明是关于一种照明装置及其光引擎，特别是关于一种具有高散热效率的半导体照明装置及其光引擎。
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(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***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。
热管已广为电子产业作为散热应用的导热件，其基本构造为于密闭管材内壁衬以易吸收作动流体的多孔质毛细结构层，而其中央的空间则为空胴状态，并在抽真空的密闭管材内注入相当于毛细结构层细孔，总容积的作动流体，依吸收与散出热量的相关位置可分为蒸发段、冷凝段以及其间的绝热段。
热管的工作原理为当蒸发段吸收热量使蕴含于毛细结构层中的液相作动流体蒸发，并使蒸汽压升高，而迅速将产生的高热焓蒸汽流沿中央的通道移往压力低的冷凝段散出热量，凝结液则藉毛细结构层的毛细力再度返回蒸发段吸收热量，如此周而复始地由作动流体相变化过程中吸收与释出大量潜热的循环，进行持续性的快速热传输，且由于作动流体在上述过程中的液相与汽相共存，以致热管可在温度几乎保持不变的状况下扮演持续快速传输热量的超导体角色而广为各种领域所应用。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有高散热效率的照明装置，并提供一种该照明装置所采用的光引擎。
一种照明装置，包括：一光学室，包括至少一光源及一出光通道，用以提供所需的照明亮度与发光特性及光源保护；一电气室，用以提供该光源所需要的驱动电源与控制电路以及电源管理；以及一散热室，设于该光学室与电气室之间，该散热室包括至少一热管、一散热器及至少一鞍座，所述热管包括一蒸发段及由该蒸发段延伸的至少一冷凝段，该散热器包括一实心体及呈放射状分布于实心体周面的若干散热片，所述实心体沿轴向设有孔道，所述热管的冷凝段穿设所述孔道内并密贴于孔道的壁面，所述鞍座骑乘于热管的蒸发段，并由所述鞍座将光源的发热部与热管的蒸发段紧密热连接，以传输及移除该光源发光时所释放的热量。
作为该照明装置的进一步改进，所述照明装置还包括一风扇，当光源的结点温度超过设定值时，由电气室中的控制电路启动风扇以强化散热能力。
一种光引擎，包括至少一光源、至少一热管、一散热器及至少一鞍座，所述热管包括一蒸发段及由该蒸发段延伸的至少一冷凝段，该散热器包括一实心体及呈放射状分布于实心体周面的若干散热片，所述实心体沿轴向设有孔道，所述热管的冷凝段穿设所述孔道内并密贴于孔道的壁面，所述鞍座骑乘于热管的蒸发段，并由所述鞍座将光源的发热部与热管的蒸发段紧密热连接，以传输及移除该光源发光时所释放的热量。
本发明具有如下优点：
本发明运用热管提供一种模块化的高效率光引擎，可依光源的功率及不同照明装置的应用需求，将照明装置中的该光引擎在数量及排列上作弹性的组合，发挥设计多样化高效率照明装置的灵活性。
本发明提供一种具有鞍座的高效率光引擎，以增加热管的吸热面积及光源的散热面积，配合热管的最佳应用方位及周边较大散热面积的热管特性，使该光引擎应用在半导体照明上可获致低结温的高效率照明效果。
本发明提供一种包含风扇的高效率照明装置，除可由冷热空气的自然对流散热外，并于光源的结温超过设定值时由控制电路启动风扇以强化散热能力，使该照明装置在启用中恒常维持在高效率的稳定发光状态。
本发明以模块化的高效率光引擎为核心，结合同步降低吸热热阻与散热热阻的技术手段，提供一种整合光学室、散热室及电气室的通用照明装置结构，以达半导体照明装置在设计及制程上的***化。
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是本发明照明装置及其光引擎第一实施例的组装剖面示意图。
图2是图1中光引擎的组装仰视图。
图3是图2的立体分解图。
图4是本发明照明装置第二实施例中光引擎的立体分解图。
图5是本发明照明装置及其光引擎第三实施例的组装剖面示意图。
图6是本发明照明装置第四实施例中光引擎的组装仰视图。
图7是图6的立体分解图。
具体实施方式
以下参照图1至图7，对本发明照明装置及其光引擎予以进一步说明。
图1是本发明照明装置及其光引擎第一实施例的组装剖面示意图，图2是图1中光引擎21的组装仰视图，图3是图2的立体分解图；该照明装置100主要包括一光学室10、一散热室20及一电气室30。其中：
光学室10包括一光源11及一出光通道12，其设置于散热室20前方，该光源11包括由至少一半导体发光芯片组成的透明封装发光体111(Emitter)、若干电极112及位于发光体111底部的至少一散热基板113的一体成型件；该散热基板113与鞍座24上的吸热面251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)分别通过散热基板113上的若干固定孔(图未示)，以便锁固于鞍座24的吸热面251所设螺孔(图未示)达成，也可由回焊方式将散热基板113直接黏贴(SMD)于该鞍座24的吸热面251上达成，并使该散热基板113与散热室20中的热管22的蒸发段222紧密热连接，以传输及移除该光源11发光时释出的热量；该光源11的发光可由电线114连接光源11的电极112与电气室30中的电路板31以及由电线311连接电路板31与外部电源达成；所述光源11与鞍座24的吸热面251之间的紧密热接触还可通过先对鞍座24的吸热面251进行电绝缘处理，然后在该经电绝缘处理的吸热面251上铺设金属基板电路如铜铂基板电路，再将半导体发光芯片与所述金属基板电路电连接并于半导体发光芯片外包覆一透明封装体而达成，采用此种方式的光源不包含散热基板113，从而避免散热基板113与鞍座21之间接触热阻的产生，光源所产生的热量可直接由鞍座21吸收并予以快速散发，可进一步提升散热效率。为方便叙述，本实施例及以下各实施例皆仅以包含有散热基板113的光源11予以说明，实际上，各实施例中的光源11皆可用上述不含散热基板113的光源替代。
出光通道12包括一光杯121及一导光罩122，其中该光杯121为导引该光源11向外射出光线的锥面，该光杯121底部设有对应于该至少一光源11的通孔123以供该发光体111穿设并凸伸至该光杯121内，导光罩122为包括至少一光学镜片124的罩盖，以提供照明装置100所需的照明分布、发光特性及光源保护的功能。
上述导光罩122中的光学镜片124也可以在光源11的封装过程中直接与该透明发光体111一体成型，又可将该导光罩122中的光学镜片124直接罩盖于个别的光源11上，以避免二次光学造成的光损耗。
在实际应用时，上述光源11也可以由若干分离的个别光源组合而成，此时出光通道12中的光杯121及导光罩122可以是对应于这些分离的光源分开设置，也可以只用一个光杯121及导光罩122的配置。
散热室20包括若干热管22、一散热器23以及至少一由导热性佳材质制作的鞍座24，本实施例中，所述热管22为一U形热管，包括一底部的蒸发段222及两侧的两冷凝段221，鞍座24用于接合散热基板113与该热管22的蒸发段222，散热器23包括一实心体231及呈放射状分布于该实心体周面的若干散热片232；该热管22的冷凝段221穿设并密贴于该散热器23的实心体231沿轴向预设的孔道233壁面，该散热器23的实心体231沿轴向另设有贯通的通孔(图未示)供电线144穿设，以电连接光源11的电极112及电路板31，由上述光源11、鞍座24、热管22及散热器23组成该照明装置100的一光引擎21。
为使该照明装置100发挥高效率与稳定的光输出效率，光引擎21必须具有良好的散热性能，为达此目的，本实施例的鞍座24包括一下座板25与一上座板26，该上、下座板25、26相面对的两表面上分别设有两平行的圆弧凹槽242，以便夹紧并与两平行设置的U形热管22的蒸发段222的壁面紧密热接触，从而自该热管22取得最大的吸热面积，其中该上座板26背向下座板25的表面261固定于散热器23中央的实心体231，以便直接将蒸发段222的吸热传递给散热器23，下座板25背向上座板26的表面为吸热面251，可与光源11的散热基板113紧密热接触；上述鞍座24的功能也可由其它的方式达成，例如只用一下座板25紧密热接触在两U形热管22底部的蒸发段222的两圆直管壁面，或用开设两直通形凹槽的鞍座；该鞍座24的凹槽242的尺寸为配合光引擎21中两支U形热管22蒸发段222的位置及尺寸，为使光引擎21达到优良的散热性能；该U形热管22的圆直形蒸发段222底部也可以经由事先的压平处理，并将下座板25的圆弧形凹槽242设计成与热管22的蒸发段222相匹配的矩形槽，以使蒸发段222底部的平面区与鞍座24上所开矩形槽底部的平面有较大的吸热面积，并于鞍座24抵紧该U形热管22底部平面区时具有较佳的热接触条件。
该散热器23的这些散热片232之中另有分别设置于散热片232端部的固定槽234，在该固定槽234中可***一支撑杆或螺杆(图未示)用以将散热室20与电气室30及光学室10结合成一照明灯具，其中该支撑杆的一端螺锁于电气室30周边所设对应的定位孔(图未示)中，另一端则螺锁于光学室10周边所设对应的定位孔(图未示)中达成。
为维持光引擎21的整体性，并确保鞍座24与热管22蒸发段222之间的紧密热接触，可通过分别涂布锡膏于鞍座24的凹槽242与热管22蒸发段222之间的接触面，以及散热器23的实心体231沿轴向预设的孔道233壁面与热管22的冷凝段221之间的接触面后，再经由回焊处理达成，以兼顾良好的热传与结构强度；而使光源11底部的散热基板113与鞍座24的吸热面251之间的紧密热接触，除可通过涂布锡膏于其间的接触面后，再经由回焊处理达成黏贴(SMD)外，也可于其间的接触面上涂布导热膏或其它导热界面材料(TIM)后，以锁固方式达成。
电气室30包括一电路板31、一护罩32及一灯头33，该电路板31是与光源11的电极112及与电源电连接，上述电气室30中的电源除可为电池或电瓶等直流电源外，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，以搭配电路板31提供该光源11的驱动电源及照明装置100的电源管理；该护罩32是罩盖该电路板31的一壳体，该壳体底部锁固一与散热室20热隔绝的底座34，该底座34上设有供连接光源11的电线114穿设的若干通孔(图未示)，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接合以固定电路板31；该护罩32顶部设有若干气孔322，以将电路板31所产生的热量散出。
图4是本发明照明装置第二实施例中光引擎41的立体分解图；本实施例与第一实施例的主要区别在于：本实施例中的鞍座44包括上座板46与下座板25，其中上座板46与散热器43中央的实心体431为一体成形件，其制造方法之一是先将铝挤成形的散热器柱自径向切割一段所需的散热器43及上座板46的总长，再自该散热器端部将上座板46长度的轴向散热片铣去，然后将外凸的实心体成形为上座板46；本实施例由于上座板46与散热器43的实心体431为一体成形件，因此较第一实施例减少一界面热阻，从而使光源11释出的热量可更有效率的传导至散热器43的实心体431，并使上座板46获致更准确的定位而优化光学的性能。
图5是本发明照明装置及其光引擎第三实施例的组装剖面示意图；本实施例与前述实施例的主要区别在于：提供一种包含风扇57的照明装置，以及在该散热器53的实心体531背向光源11方向的中央部分被适度挖空成一空腔534，以增加光引擎51的散热面积而强化散热效果，并达轻化光引擎51的目的。
该风扇57设置于散热室中光引擎51的后侧，并以安装柱573将扇框571固定于电气室的底座34，从而在风扇57的扇框571与底座34之间形成透气间隔574；未启动该风扇57时可通过冷热空气的自然对流散热，并于光源11的结点温度超过设定值时由电路板31的控制电路启动风扇57以强化散热能力，该风扇57也可在冷却高功率光源11的照明应用中持续转动，使该照明装置在启用中恒常维持在高效率的稳定发光状态。
为进一步强化上述散热效果，实心体531于该空腔534底部的周边设置有若干气孔535，以形成一导引冷却风量流经该空腔534的气流通道；在未启动风扇57的状况下，通过热管22将光源11释出的热量快速导引至与散热器53的实心体531的通孔533壁面密贴的冷凝段221，使该空腔534的内壁维持在较高温，并加热空腔534内部的空气，使该热空气的密度降低而上浮，进而自光引擎51与底座34之间的透气间隔574排出，从而驱动外部低温空气自这些气孔535导引进入空腔534中，上述现象的不断重复致使低温空气不断由气孔535导引进入空腔534内，形成空腔534内的自然冷却循环，达到强化光引擎51的散热效果，从而确保照明装置100可发挥高效率与稳定的光输出效果。
在启动风扇57的状况下，风扇57导引的部分冷空气风量会由进风口572进入散热器53的空腔534内，达到直接由空腔534内的冷却而强化散热效率，其中有部分空腔534内的空气由所述气孔535排出，达到直接冷却接近光源11的具较高温的散热片532，进一步强化光引擎51的散热效果。
图6是本发明照明装置第四实施例中光引擎61的组装仰视图，图7是图6的立体分解图；本实施例与前述实施例的主要区别在于：本实施例虽使用与前述第一实施例中相同的鞍座24及前述第二实施例中相同的散热器53，但该鞍座24骑乘在二支L形热管62的蒸发段622，以便在下座板25的背面251设置一光源11，该二支L形热管62的冷凝段621的壁面与散热器53的实心体531所设二对应孔道533壁面密合热接触；同理，只要上述L形热管62有足够的移热能力，可以在其蒸发段622上通过骑乘一较长的鞍座达到贴设更多光源11移热；本实施例使用一个鞍座24骑乘于二支L形热管62的蒸发段621，也可使用二个鞍座分别骑乘于二支L形热管62的蒸发段622。
光引擎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)本发明运用热管提供一种模块化的高效率光引擎，可依光源的功率及不同照明装置的应用需求，将照明装置中的该光引擎在数量及排列上作弹性的组合，发挥设计多样化高效率照明装置的灵活性。
(2)本发明提供一种具有鞍座的高效率光引擎，以增加热管的吸热面积及光源的散热面积，配合热管的最佳应用方位及散热器的空腔散热特性，使该光引擎应用在半导体照明上可获致低结点温度的高效率照明效果。
(3)本发明提供一种包含风扇的高效率照明装置，除可通过冷热空气的自然对流散热外，并于光源的结点温度超过设定值时由电路板的控制电路启动风扇以强化散热能力，使该照明装置在启用中恒常维持在高效率的稳定发光状态。
(4)本发明以模块化的高效率光引擎为核心，结合同步降低吸热热阻与散热热阻的技术手段，提供一种整合光学室、散热室及电气室的通用照明装置结构，以达半导体照明装置在设计及制程上的***化目的。
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之内。

Claims (20)

1.一种照明装置，包括：
一光学室，包括至少一光源及一出光通道，用以提供所需的照明亮度与发光特性及光源保护；
一电气室，用以提供该光源所需要的驱动电源与控制电路以及电源管理；及
一散热室，设于该光学室与电气室之间，包括：
至少一热管，包括一蒸发段及由该蒸发段延伸的至少一冷凝段；
一散热器，包括一实心体及呈放射状分布于实心体的周面的若干散热片，所述实心体沿轴向设有孔道，所述热管的冷凝段穿设所述孔道内并密贴于孔道的壁面；及
至少一鞍座，所述鞍座骑乘于热管的蒸发段，并通过所述鞍座将光源的发热部与热管的蒸发段紧密热连接，以传输及移除该光源发光时所释放的热量。
2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述鞍座包括一下座板与一上座板，该上、下座板相互面对的两表面上对应分别设有至少一凹槽，所述热管的蒸发段夹设于上、下座板相对应的凹槽内并与凹槽的壁面紧密热接触。
3.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于：所述上、下座板的凹槽的形状为圆弧形或方形，所述热管的冷凝段的横截面形状为与凹槽形状相匹配的圆弧形或扁平形。
4.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于：所述热管为U形热管或L形热管。
5.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于：该下座板背向上座板的表面为一吸热面，所述光源设于该吸热面，该上座板背向下座板的表面固设于散热器的实心体的一端面上，所述上座板是与散热器的实心体一体成型。
6.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：该散热器的实心体于背向光源的一端面向内凹陷形成一空腔。
7.如权利要求6所述的照明装置，还包括一风扇，该风扇设于实心体靠近电气室的一端，所述电气室内设有一电路板，该电路板上设有控制风扇的控制电路，并于光源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。
8.如权利要求6所述的照明装置，其特征在于：该实心体于该空腔的底部周边设置有若干气孔，以形成一导引冷却风量流经该空腔的气流通道。
9.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述出光通道包括一光杯及一导光罩，所述光源凸伸至该光杯内，所述电气室包括一电路板、一护罩及一灯头，所述电路板与光源之间以电线电连接。
10.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于：该护罩靠近散热室的一端固设有一将电气室与散热室热隔绝的底座，该底座上设有若干供电线穿设的通孔，所述电路板上设有若干定位柱，该护罩的内壁对应设有若干定位座，并由所述定位柱与定位座的接合以固定电路板。
11.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于：该护罩顶部设有若干气孔，以将电路板所产生的热量散出。
12.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：该散热器的部分散热片的端部设有固定槽，并由穿设于所述固定槽的支撑杆将所述散热室、电气室及光学室结合在一起。
13.一种光引擎，包括：
至少一光源；
至少一热管，包括一蒸发段及由该蒸发段延伸的至少一冷凝段；
一散热器，包括一实心体及呈放射状分布于实心体的周面的若干散热片，所述实心体沿轴向设有孔道，所述热管的冷凝段穿设所述孔道内并密贴于孔道的壁面；及
至少一鞍座，所述鞍座骑乘于热管的蒸发段，并由所述鞍座将光源的发热部与热管的蒸发段紧密热连接，以传输及移除该光源发光时所释放的热量。
14.如权利要求13所述的光引擎，其特征在于：所述鞍座包括一下座板与一上座板，该上、下座板相面对的两表面上对应设有至少一凹槽，所述热管的蒸发段夹设于上、下座板对应的凹槽内并与凹槽的壁面紧密热接触。
15.如权利要求14所述的光引擎，其特征在于：所述上、下座板的凹槽的形状为圆弧形或方形，所述热管的冷凝段的截面形状为与凹槽形状相匹配的圆弧形或扁平形。
16.如权利要求14所述的光引擎，其特征在于：所述热管为U形热管或L形热管。
17.如权利要求14所述的光引擎，其特征在于：该下座板背向上座板的表面为一吸热面，所述光源设于该吸热面，该上座板背向下座板的表面固设于散热器的实心体的一端面上，所述上座板是与散热器的实心体一体成型。
18.如权利要求13所述的光引擎，其特征在于：该散热器的实心体于背向光源的一端面向内凹陷形成一空腔。
19.如权利要求18所述的光引擎，其特征在于：还包括一风扇，该风扇设于实心体上方以对空腔内提供气流。
20.如权利要求18所述的光引擎，其特征在于：该实心体于该空腔的底部周边设置有若干气孔，以形成一导引冷却风量流经该空腔的气流通道。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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