TWI447326B - Ｌｅｄ照明裝置及使用此照明裝置之照明設備 - Google Patents

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Description

LED照明裝置及使用此照明裝置之照明設備
本發明係有關於一種照明裝置，特別有關於一種針對以LED為光源的照明設備所進行的最佳散熱設計。
當LED在進行操作時，隨著光的產生，無可避免地會生成熱。大約有20%的輸入能量會用來做為發光的能量，而剩下的80%都轉換為熱。由於用來照明的LED會使用大電流，以獲取較高的光學功率，但也因此產生了大量的熱，所以散熱的問題是十分重要的。若由LED發出的熱沒有被帶至外界，這些熱就會原封不動地留在LED光源模組之中，在一段長時間過後，LED晶片或印刷電路板就會處在一個非常高溫的環境之中。若在沒有散熱的情況下操作LED一段時間，就會導致LED晶片或印刷電路板的可靠度降低，其電子及光學性能也會被破壞等等，裝置的生命週期也會極度地被縮短。此外，最糟的情況是，LED會因電性上的過載而破裂，引起對LED本身的嚴重損害。
另一方面，由於LED各部位的熱膨脹係數相互不同，若LED曝露在一個極高溫的內部環境，溫度高於最大額定溫度或是不斷重複熱循環時，也會因溫度上的過載而發生嚴重的破裂。封裝中的內部溫度會因高環境溫度及餘熱的生成而提高，在晶片與保護層間也會發生層間破裂的情況，使得封裝內晶片與矽之間的接觸面積變薄，對白色LED來說，螢光鍍膜與矽保護層間或晶片與螢光鍍膜間也會發生層間破裂的情況。此外，過大的環境溫度改變會導致矽的熱膨脹或收縮，而使得導線發生斷裂。
因此，必需將LED所生成的熱快速傳導至外界。尤其是在使用LED為室內或室外照明設備之光源的情況下，由於LED會被緊密地排列在很小的面積之中，將熱傳導路徑最佳化就變成是一個關鍵的設計，才能使LED晶片所生成的熱被排放至鄰近的空間中。
然而，在使用傳統LED的照明設備中，在設計熱傳導路徑時有個問題。第1圖顯示了一個傳統上一般封閉型LED室外照明設備。散熱器(14)附著於印刷電路板(16)上，LED則一體成型地具有一保護蓋(12)，且共同設置於印刷電路板上，而在LED的前方則有用來保護裝置之透明遮蓋(18)。
在LED照明裝置(10)中的主要熱源是LED(20)。來自LED(20)的熱，在下方的部份，會經由空氣而從曝露於晶片及空氣中的導線部位傳導至透明遮蓋(18)，以經由它們而被散佈至外界的空氣中；在上方的部份，則會經由印刷電路板(16)及散熱器(14)自LED(20)的連接處以熱傳導的方式傳送至保護遮蓋(12)的內部空氣(部份的熱是經由導線以熱傳導的方式傳送至散熱器)，以經由保護遮蓋(12)將熱散佈至外界的空氣。
同樣地，在傳統的LED照明設備中，當熱自做為熱源的LED(20)傳送至外界空氣時，熱傳遞的路徑通常會包含經由「空氣」的傳遞過程，但由於做為一種氣體的空氣，其熱傳遞的速度遠遠低於液體或固體，LED生成的熱就無法很快速地被散佈出去。此外，又由於LED模組(16、20)及散熱器(14)是一體成型且封閉的，來自LED的熱就無法快速地散佈出去，這就會造成溫室效應。如果在夏日的白天，某盞路燈的控制器故障而誤開了路燈，已經因太陽光形成的高溫再加上LED(20)生成的熱，就會使溫度快速提高至超過LED能夠承受的溫度。這種狀況會使LED的性能受損，造成對其生命週期的嚴重損害。
此外，由於散熱器(14)是與整個LED(20)整合在一起，由每一個LED(20)發出的熱會經由散熱器(14)被傳遞至其他的LED(20)，而提高了其他LED的溫度，更加速了裝置的受損。尤其是在使用許多成群LED做為光源的LED照明設備中，因為在印刷電路板上含有多個三列、三行以上且排列緊密的LED，每一個LED不可能具有完全相同的散熱或熱幅射條件。意即，由於每一個LED的位置不同，自每一個LED傳送至散熱器的熱傳遞路徑、每一個LED鄰近LED的排列方式都是不同的，且每一個LED也有不同的散熱速度，因此會產生極大的溫度差異。由於位置越遠離邊緣而靠近中心的LED(20)自其他鄰近LED(20)接受到的熱也越多，其操作性能與生命週期也越會受到不良的影響(操作壽命的不均程度會加大)。又由於整個照明裝置的壽命是由具有最短壽命的LED來決定，所以在各個LED中是不希望見到有很大壽命不均之現象的。
第2圖顯示了另一個傳統照明裝置(30)，其具有單向散熱的結構。一散熱器(36)會直接與裝載LED(32)之印刷電路板(34)接觸，但LED光線通過的前側是被透明的保護遮蓋(38)所包覆或密封起來的。在這種結構中，由於位在前側的透明保護遮蓋(38)具有很差的熱導率，很難有熱會經由此遮蓋散佈出去，而使得在保護遮蓋(38)的內部發生溫室效應。大部份的熱都是經由散熱器(36)單向散出。由於是單向的熱幅射，其散熱速率很低。因此，LED(32)會被加熱至如上述之高溫，而導致發生各種不良效應。
同樣地，在傳統使用LED做為光源之照明設備中，由做為主熱源之LED所生成之熱，會經由導線及裝載LED之印刷電路板傳送至散熱器。因此，在裝載LED之印刷電路板與散熱器之間的連接處會塗佈導熱油或導熱膠帶。LED的其他部位(LED晶片封裝之側邊及導線之一部)會曝露於空氣中。在這種散熱結構中，由於空氣的熱導率是很差的，大部份LED所生成的熱是經由LED晶片及印刷電路板之底部表面，利用散熱器散佈出去，而極少量的熱能是經由空氣傳送至散熱器然後才直接散佈至外界空氣中的。由於這是一種單向的散熱路徑，其散熱速率是很慢的。因此，熱就會累積在其中而造成LED過熱。由於溫度過熱，螢光材料就會受損，而開始產生黃色斑點及晶片導線短路的情形。
有鑑於此，本發明之一目的是提供一種LED照明裝置，可以更快速、有效地排出LED生成的熱，以解決習知技術中的問題。
本發明另一目的在於提供一種LED照明裝置，可以將來自每一個做為光源用的LED之熱平均地排出，使LED的亮度均勻，以減少LED間操作壽命的差異。
本發明又另一目的在於提供一種使用上述多個LED照明裝置之室內或室外照明設備。
依本發明為解決上述問題所產生之的目的，提供了一種LED照明裝置，包括一安裝有複數位於一印刷電路板上之發光二極體之LED光源、以及一散熱器，該散熱器具有一光源收納元件，用以收納該LED光源，以曝露該些發光二極體之發光側，而接收來自該LED光源之熱，並將其散至空氣中，該LED照明裝置更包括一熱傳導填充物，由熱導率高於空氣之金屬材料構成，被填入用以收納該LED光源之該光源收納元件中之一可用空間，吸收來自與該LED光源接觸部位之熱，並將所吸收之熱傳送至該散熱器。
在上述的LED照明裝置中，較佳的方式是，熱傳送填充物是以無縫隙的方式填入光源收納元件中的可用空間，使得來自該些發光二極體之熱沿一經過該印刷電路板而抵達該散熱器之路徑進行傳送，而其餘的熱則經由該熱傳導填充物傳送至該散熱器。
此外，上述的發光二極體具有相同的散熱條件。相同之散熱條件可經由將每一發光二極體與鄰近熱源的位置、散熱器之位置以及熱傳送填充物之位置關係設為相同來達成。
上述之熱傳導填充物是以填入全部的該可用空間並在所有方向上包圍著該些發光二極體之方式進行填入，以在該LED光源至該光源收納元件之一內牆間形成一最短的熱傳送路徑。
使散熱條件相同的方式之一是，使LED光源具有在該長形印刷電路板上在長度方向上排列成一列或兩列之複數發光二極體，而該散熱器在所有方向上以所有可能最短的方向包圍著每一個發光二極體。
上述之散熱器包括一基座以及複數突出至一預設高度之散熱針或散熱翼，該基座係與該光源收納元件共同形成、在長度方向上延伸並在長度方向上之一側中央部位具有一隧道外形，其中用以曝露該些發光二極體發光部位之複數光輸出孔係形成於該光源收納元件中，而該些散熱針或散熱翼係自該基座至少一外側表面或內側表面之一延伸至一預設長度，以將熱幅射面積最大化。
舉例來說，上述之散熱器可以包括：一第一散熱槽，具有一沿一長度方向延伸並在一表面沿一長度方向之中央部位上具有一溝槽，且在該第一基座之一表面上形成有複數散熱針或散熱翼之一部；以及一第二散熱槽，在該長度方向上具有複數光輸出孔，與該光源收納元件之上部開口以及至少該第一基座之一部接合而覆蓋於上，以使該光源收納元件形成有一隧道外形。
在上述的散熱器中，較佳的方式是，在至少該些散熱翼之一部中，形成有一個或一個以上之左、右通氣孔，以使該些散熱翼之間的空氣能夠流通。此外，在該散熱器之基座中形成有一個或一個以上之垂直通氣孔，以使該基座之一下方部位中的熱可以上升。
在上述的LED照明裝置中，該熱傳導填充物之材料具有較空氣為高的熱導率，且呈現膠狀或在完成填充後硬化。該熱傳導填充物至少是導熱油或導熱矽膠之一。
此外，上述之LED照明裝置更包括一透明熱傳送保護元件，覆蓋於曝露在該散熱器之該些發光二極體的發光面，並保護該發光面，且將所產生之熱傳送至外界空氣或該散熱器。其中，該熱傳送保護元件包括至少一透明導熱矽膠或一透明保護膜之一，該透明導熱矽膠填滿整個光輸出孔且覆蓋該發光二極體之發光面，將來自發光二極體發光面之熱導出，並傳送至該散熱器及外界空氣，而該透明保護膜係附著於鄰近區域中包含該些光輸出孔之該散熱器表面之一部。
另一方面，根據本發明的另一實施例，提供了一種LED照明設備，包括：多個LED光源模組，每一該LED光源模組係以一單一模組之方式組合而成，每一該單一模組包括：一LED光源，安裝有複數位於一印刷電路板上之發光二極體；一散熱器，具有一光源收納元件，用以收納該LED光源，以向下曝露該些發光二極體之發光側，而將被傳送之熱散至空氣中；一熱傳導填充物，包括一熱導率高於空氣之金屬材料，被填入用以收納該LED光源之該光源收納元件中之一可用空間，吸收來自與該LED光源接觸部位之熱，並將所吸收之熱傳送至該散熱器；以及一透明熱傳送保護元件，覆蓋並保護自該散熱器曝露之該些發光二極體之發光面，且將來自該發光面之熱傳送至至少外界空氣或該散熱器之一；以及一燈具外殼，用以遮蓋該些以複數列並排設置之LED光源模組，且將其支撐與固定。其中，由每一該發光二極體所產生之熱之一部係經由該印刷電路板傳送至該散熱器，而另一部份之熱係經由該熱傳導填充物之熱導效應傳送至該散熱器，其餘的熱則經由該透明熱傳送保護元件傳送至該散熱器或直接散佈至外界空氣中。
此外，又另一方面，依據本發明另一目的，提供了一種照明設備，包括：一光源套裝模組，具有多個如上述之LED照明裝置，該些LED照明裝置係以平行、串聯或平行、串聯混合之方式排列而組合成一單一模組；以及一燈具外殼，用以支撐及固定該些LED照明裝置，並覆蓋至少該光源模組之一上側。
上述之LED照明設備更包括一電源供應器，用以將一普通電源轉換成可適用於操作該些LED照明裝置並供應至該印刷電路板之電力。
上述之燈具外殼包括一燈具遮蓋，用以遮蓋住該光源套裝模組，該燈具遮蓋具有一通氣孔，用以將來自該LED照明裝置之熱快速散佈至外界。
此外，上述之燈具外殼更包括一支柱連接架，用以連接至一支柱或一室內或室外照明設備之支撐本體。
再者，上述之燈具外殼更可以包括一燈具遮蓋，用以遮蓋該光源套裝模組，由於該遮蓋係與該光源套裝模組中的每一個LED照明裝置隔離，使得該遮蓋之設置不會在其間產生直接的熱傳導。
如上述之發明，熱傳送填充物之填充方式是使散熱器中用以收納光源之光源收納元件中的可用空間被填滿。此外，在LED裝置之前發光面上塗佈有透明的熱介面材料，而在光源收納元件中的光輸出孔是被封合的。由LED裝置所生成的熱，一大部份會經由熱傳送填充物或透明熱介面材料以熱傳導的方式傳送至散熱器或排放至外界空氣。此外，因為散熱器之設計是讓每一個LED裝置以最近的距離被散熱器包圍著，熱傳送填充物或透明熱介面材料所建立的熱傳導路徑是最短的。由於熱介面材料會直接自LED裝置所有的接觸部位直接吸熱並均勻地經由全面性最短的路徑以熱傳導的方式傳送至散熱器，因此排熱或熱幅射的進行是非常快速有效的，也避免LED過熱，使得裝置的光學性能與壽命可以被延長。此外，每一個LED裝置是獨立的，且具有實質相同的散熱環境，因此在LED裝置之間的熱干擾是很低的，而使得熱聚集現象幾乎不存在，又在這些LED裝置間幾乎沒有溫差，而使得LED裝置可均勻發光，其壽命就可穩定且一致。
由於LED裝置是以單列或兩列的方式設置，就可以很容易為每一個LED裝置設計出一致的散熱環境，而可以單獨地將LED光源模組化。
當藉由將多個LED光源模組共同組合成一個照明設備的情況時，由於即使某一個LED裝置發生故障，也不需要將整個照明設備拆解或替換，只需要將特定損壞LED裝置之光源模組進行修理或替換即可，因此可以降低維修的難度及管理成本。此外，藉由改變LED光源模組的設置位置，也可以得到不同的照明設備設計。
此外，照明設備具有用以阻擋陽光之遮蓋，且每一個LED光源模組具有單獨的遮蓋，因此即便在自動開關系統發生故障而誤開時，LED晶片也會受到遮蓋的保護。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下將介紹根據本發明所述之較佳實施例。必須說明的是，本發明提供了許多可應用之發明概念，所揭露之特定實施例僅是說明達成以及使用本發明之特定方式，不可用以限制本發明之範圍。
1.第一實施例
第3a及3b至第6圖為本發明第一實施例中光源模組(120)結構之立體圖及分解圖。光源模組(120)是一種LED照明裝置，其包括一LED光源(105)、一散熱器(110)以及熱傳送填充物(126)。
LED光源(105)包括多個安裝於具有操作LED所需電路圖案之印刷電路板(124)上的LED裝置(102)。印刷電路板(124)之電路圖案係連接至一電源供應器(稍後說明)，接收電力並供應操作電流至每一個LED裝置(102)。LED裝置(102)包括一LED晶片(102a)及一覆蓋在LED晶片(102a)上端之螢光材料的發光面(102b)，其中，當電流在LED晶片(102a)中流動時，就會自此螢光材料產生光，而經由發光面(102b)發射出來。LED光源(105)被收納於一光源收納元件(122)之中，使得LED裝置(102)之一前側發光面被曝露在外。光源收納元件(122)是散熱器(110)之一部。散熱器(110)之結構材料，可以吸收來自做為熱源的LED光源(105)的熱，並快速地將熱排放至大氣中。在光源收納元件(122)之底面上經由市面上可取得之導熱油或導熱膠帶而附著有LED光源(105)之印刷電路板(124)。
除了這些基本元件之外，本發明最重要的新特徵在於，光源收納元件(122)在收納了LED光源(105)之後所形成的空間並不是只有空氣，而是填入了一種熱傳送填充物(126)，其熱導率是遠比空氣高的。熱傳送填充物(126)可以是任何具有良好熱導率之材料，也可以是透明或不透明的。熱介面材料之熱導率是較空氣為高的，而且最好是呈乳膠狀而可以很方便地進行填充及處理，並在填充完成後會硬化。舉例來說，可以是導熱油、熱矽膠(導熱矽膠)等等。然而，它也不一定必需是呈乳膠狀的，即使只是具彈性的固體或液體，只要有良好的熱導率都可以被使用。
為了能使經由熱傳送填充物(126)排放之熱最大化，最好能以無縫隙的方式將熱傳送填充物(126)填入光源收納元件(122)之可用空間中。藉此，熱傳送填充物(126)會覆蓋LED裝置(102)之所有側邊表面、導線、光源收納元件(122)整個內牆以及印刷電路板(124)。如此，LED裝置(102)之四個側邊至散熱器(110)(意即，光源收納元件(122)之內牆)都具有一通過熱傳送填充物(126)以熱傳導方式進行散熱之路徑。
上述之LED裝置(102)最好是具有實質相同的散熱條件。以LED裝置(102)所組成的光源模組之壽命，是由整個LED裝置(102)中具最短壽命之LED裝置來決定。若每一個LED裝置(102)之散熱條件差異很大，其中一個LED裝置(102)會遠較其他LED裝置提早損壞，而造成光源模組的壽命大大地被縮短。若LED裝置(102)之散熱條件都相同，其發光性能及平均壽命就會比較一致。因此，光源模組(120)之平均壽命會因而實質被延長。LED裝置(102)之散熱條件可以由每一個LED裝置(102)與鄰近熱源(其他的LED裝置)、散熱器(110)及熱介面材料(稍後說明)等等的位置關係來決定。藉由將每一LED裝置(102)之此種位置關係一致化，就可以得到一致的散熱條件。
此外，每一個LED裝置(102)及散熱器(110)最好是設置得越靠近越好，以將每一個LED裝置(102)生成的熱快速傳送至散熱器(110)。為達此目的，最好是能將整個LED裝置(102)在印刷電路板(124)上以並排的方式設置成一列或兩列。這種排列方式可用來使LED裝置(102)具有相同的散熱條件。此外，將每一個LED裝置(102)與光源收納元件(122)內牆的距離縮短，會縮短熱傳送填充物(126)所形成之熱傳送路徑，所以也有助於快速地散熱。
當然，LED裝置(102)也可以被排成三列，但在這種排列下，就不容易設計及製造出具有相同散熱條件之LED裝置，並且在相同散熱條件與印刷電路板、散熱器的設計效果間也必需進行折衷。
印刷電路板(124)也具有一長矩形，以符合LED裝置(102)所排列出來的形狀。舉例來說，在排成單列的情況下，LED裝置(102)間的間隔是相同的，而散熱器(110)及熱傳送填充物(126)會對稱地設置在每一個LED裝置(102)之右側及左側。而在排成雙列的情況下，散熱器(110)及熱傳送填充物(126)也可以以同樣的方式排列在每一個LED裝置(102)旁。然而，在排成超過三列的情況時，由於在最外側列的LED裝置(102)只有在單側有其他鄰近的LED裝置，而在中間列的LED裝置(102)在兩側都有其他鄰近的LED裝置，所以它們與鄰近熱源的位置關係是不同的，且在右側及左側上與散熱器之距離及其他的散熱條件也不同，LED裝置(102)之散熱速率會隨著其位置越靠近中間列而越慢，其溫度也會越高。
散熱器(110)包括一用以收納LED光源(105)之光源收納元件(122)，以將LED裝置(102)之前側發光面曝露在外。散熱器(110)最好是由具有良好熱導率的金屬構成(例如鋁、鋁合金、銅或銅合金)，以吸收來自LED光源(105)所生成之熱，並將其有效地排至大氣中。散熱器(110)具有一沿縱長方向上延伸之基座(111)、以及多個散熱針(圖未顯示)或散熱翼(112)。其中，散熱針自基座(111)的外側表面或內側表面突出一預設高度，以將散熱面積極大化。而散熱翼(112)則是突出至一預設高度並延伸至一預設長度。基座(111)之形狀是長矩形，在其一面沿縱長方向的中央處形成有具有隧道外形的光源收納元件(122)，而在光源收納元件(122)中則具有光輸出孔(119)，用以將LED裝置(102)之發光面曝露在外。為了增加散熱面積，散熱突出部(圖未顯示)或其他各種不同的突出形狀都可以使用，不限於使用散熱翼(112)。光源收納元件(122)本身的形狀也可以改變，任何如垂直形、環形、橢圓形的形狀都是適用的。光源收納元件(122)的位置最好是在散熱器(110)的中央，但也不限於此，也可因不同的需求而偏向一邊。此外，在散熱器(110)的一側表面上可以具有一側蓋接合槽(127)，以在安裝側面遮蓋時可以鎖入螺絲。
如第3a、3b及4圖之散熱器(110)，可以使用將上散熱槽(第一散熱槽)(110a)及下散熱槽(第二散熱槽)(110b)組合而成並將LED光源(105)置於其間的方式來製作，以方便生產。當然，散熱器(110)也可以是一體成型的。上散熱槽(110a)包括在縱長方向上延伸並在一側表面的縱長方向***處形成有長矩形溝槽之第一基座，以及多個設置在第一基座(111a)表面、用以使散熱面積極大化的散熱針或散熱翼(112)。下散熱槽(110b)包括一第二基座(111b)，第二基座(111b)在縱長方向上具有多個光輸出孔(119)、遮蓋住光源收納元件(122)之上端開口以及至少第一基座(111a)之一部、並接合而形成一隧道。在第二基座(111b)之表面上可以提供一散熱針或散熱翼(112)。以隧道外形形成的光源收納元件(122)具有一可用空間，用以在其收納LED光源(105)時可將熱傳送填充物(126)填入。此可用空間最好是位在每一個LED裝置(102)的所有側邊表面附近。
在散熱器(110)上形成有散熱翼(114)的情況下，最好可以形成水平通氣孔(114a)，其係以垂直於散熱翼(114)之方向穿越，以使空氣能在散熱翼(114)之間水平地流通。水平通氣孔(114a)可以被安裝在散熱翼(114)中，或是只在最外側的散熱翼上。此外，在散熱器(110)之基座(111)中可以形成有一個或一個以上的垂直通氣孔(114b)，以使散熱器(110)下方的熱可以上升並有效地被排放至外界。藉由這些水平通氣孔(114a)及/或垂直通氣孔(114b)，散熱器(110)就可以與外界空氣進行熱交換，而使散熱更有效率。
在這些結構中，由於發光面是經由光輸出孔(119)向外曝露的，因此LED裝置(102)就處於可能受到外界環境損害的危險之中。此外，若熱傳送填充物(126)是呈乳膠狀，就可能經由光輸出孔(119)的縫隙而滲漏出來。另外，LED裝置(102)生成之熱也必需有效地從發光面排放出來。所以，在考慮這些因素後，最好能再提供一個透明的熱傳送保護元件，遮蓋住LED裝置(102)經由散熱器(110)之光輸出孔(119)所曝露之發光面(102b)，並將光輸出孔(119)密封，以保護發光面且將熱自該發光面傳送至外界空氣及/或散熱器(110)。舉例來說，用來封合光輸出孔(119)之材料最好可以使用透明的熱導矽膠(128)。透明熱導矽膠係塗佈在LED裝置經由光輸出孔(119)而曝露之發光面(102b)上，它也最好能與下散熱槽(110b)直接接觸。藉由此種的直接接觸，熱導矽膠(128)就可以將吸收自LED裝置(102)發光面(102b)的熱快速地經由散熱器(110)進行排放。由於透明熱導矽膠(128)與LED裝置(102)發光面(102b)接觸並以上述之方式快速排熱，光源模組(120)的散熱速率就會被提高。另外，也可以藉由使用透明保護膜(129)來覆蓋發光面(102b)的方式來進行封合。除此之外，也可以使用上述兩種方法的混合方式來進行封合，意即，可以將熱導矽膠(128)塗佈在LED裝置(102)之發光面(102b)上，然後再將包含發光面之鄰近區域再覆上一層透明保護膜(129)。藉此，LED裝置(102)就可以受到保護，而自發光面(102b)所發出的熱就可以被吸收且排放至外界。
在上述本發明第一實施例之光源模組(120)之散熱結構中，由於散熱之機制係設置在熱源中央的四周且與空氣接觸，其散熱速率就會被最佳化。意即，做為主熱源的LED裝置(102)主要是經由LED裝置(102)某些部位與散熱器(110)、熱傳送填充物(126)、熱導矽膠(128)及印刷電路板(124)-熱導膠(圖未顯示)的直接接觸而以熱傳導的方式進行散熱，而被散熱器(110)、熱傳送填充物(126)、熱導矽膠(128)及印刷電路板(124)-熱導膠所吸收的熱則是再次地傳送至散熱器(110)，然後再被排放出去，使得整個散熱機制非常地有效率。由於熱是藉由熱傳導的方式被排放至外界空氣，自LED光源(105)所有點至光源收納元件內牆的熱傳送在各個方向上都是均勻的，且在每個方向上的熱傳導路徑都是最短的。同樣地，由於在散熱機制中，自LED裝置(102)生成的熱有相當大的部份是自所有方向經由與LED裝置(102)接觸之熱傳送填充物(126)而傳送至散熱器(110)的，且這些熱也在所有方向上散佈並經由熱導矽膠(128)傳送至散熱器，所以本發明中的光源模組(120)之散熱速率是遠高於傳統的光源模組的。
2.第二實施例
第7及8圖顯示了本發明第二實施例中之光源模組(220)的結構。此光源模組(220)包括了一散熱器(310)，其含有一光源收納元件(312)，光源收納元件(312)在縱長方向沿基座(314)之中央處具有矩形溝槽。在光源收納元件(312)之底部經由熱導膠附著有一在縱長方向上延伸之LED光源(105)的印刷電路板(124)。在基座(314)之左、右兩側與光源收納元件(312)之間具有多個對稱排列的散熱翼(316)。整個散熱器(310)的中間部位會覆蓋住LED光源(105)，而呈現出反射鏡之外形。收納了LED光源(105)的光源收納元件(312)會被一個收納元件遮蓋(320)所遮蓋。在收納元件遮蓋(320)上與LED裝置(102)之位置相對應處具有光輸出孔(322)。每一個光輸出孔(322)會以如同第一實施例中的方式被密封。被收納元件遮蓋(320)所遮蓋住的光源收納元件(312)中之內部空間是被熱傳送填充物(126)所填滿。收納元件遮蓋(320)之底面及光源收納元件(312)之內牆是與熱傳送填充物(126)直接接觸的。收納元件遮蓋(320)之光輸出孔(322)的內牆則與熱導矽膠(128)直接接觸。散熱器(310)及收納元件遮蓋(320)是使用具有極佳熱導率之金屬材料所製成。
因此，熱傳送填充物(126)會吸收大量來自每一個LED裝置(102)及印刷電路板(124)周圍側邊表面生成之熱，並將其傳送至散熱器(310)及收納元件遮蓋(320)，以將其排放至外界空氣。熱導矽膠(128)也會吸收來自每一個LED裝置(102)發光面之熱，並將其直接排放至外界空氣或收納元件遮蓋(320)。收納元件遮蓋(320)也會扮演散熱器的角色(以這種觀點來看，散熱器(310)可以被視為是一上散熱槽，而收納元件遮蓋(320)可以被視為是下散熱槽)。此種散熱機制幾乎與第一實施例中的相同。
光源模組(220)可以更包括一保護膜(330)，覆蓋在收納元件遮蓋(320)上。此外，在散熱器(310)的兩端沿縱長方向上是以螺絲鎖接一安裝蓋(340)，以將散熱器(310)、LED光源(105)及收納元件遮蓋(320)安裝成一個模組。而印刷電路板(124)與一導線(350)連接，以連接至可提供LED操作所需電力之電源供應器(134)。
3.第三實施例
光源模組(120、220)本身是個完整的照明設備，只要提供一操作所需電力至印刷電路板(124)，就可以正常操作，但藉由將多個光源模組(120、220)組合起來也可以形成一個更大的照明設備(100)。第9及10圖顯示了本發明第三實施例的照明設備(100)。
照明設備(100)包括一光源套裝模組(130)及一燈具外殼(150)。光源套裝模組(130)是由四個光源模組(120)共同形成一組，而燈具外殼(150)則將光源模組(120)支撐住。以四個光源模組(120)來形成一個套裝模組只是舉例說明，光源套裝模組(130)可以由更多的光源模組(120及或220)來形成。燈具外殼(150)的功能之一在於做為固定LED光源套裝模組(130)及電源供應器(134)之框架，而另一功能則是做為保護它們不受外界因素而損壞之保護器，例如下雪、下雨、霧氣、濕氣、日曬等等。更具體地的是，有多個光源模組(120)被並排設置(以平行的方式)在燈具外殼(140)中，而使光源套裝模組(130)中，LED裝置(102)之發光面是面向下方且被固定住的。這些光源模組(120)也可以依需要以串聯的方式設置，或以平行、串聯混合的方式設置。燈具外殼(140)之底面與每一個光源模組(120)相對之位置上可以是透明的或直接開孔。燈具外殼(140)可以依需要而有不同型式的設計。
光源套裝模組(130)係被一具有反射鏡外形的燈罩(142)所遮蓋。在燈罩(142)中可以具有通氣孔(143)，以將光源模組(120)所生成之熱快速排放至外界。尤其是，因為燈罩(142)是與每一個LED光源模組(120或220)分離的，所以燈罩(142)之設計並非要形成直接的熱傳導。燈罩(142)之功能在於做為室外日光之遮罩，但並不會將日光所生成的熱直接經由熱傳導的方式傳送至每一個LED光源模組(120或220)。即使LED光源模組在白天被誤開，它也可以保護LED晶片不會過熱。
在燈罩(142)的上方一側接合著一連接元件(146)，其中具有一收納空間。連接元件(146)係連接至一支柱連接架(144)，用以連接支撐一照明設備，例如街燈。在連接元件(146)的內部空間中也收納了延伸自普通電源並穿過支柱連接架(144)之電線、以及連接至此電線而用以操作光源模組(120)之控制器(145)。控制器(145)是電源供應器(134)之全部或一部。電源供應器(134)之主要功能在於將普通電源轉換可適用於操作LED裝置並產生光之電壓，並將此電壓供應至印刷電路板(124)。電源供應器(134)可以是AC-DC轉換器、DC-DC轉換器、DC-AC轉換器或是AC-AC轉換器。
此外，第10圖中的照明設備(100)可依需求而藉由將兩個或三個照明設備(100)如第11圖連接在一起，做為如街燈來使用。舉例來說，可以藉由將多個照明設備(100)以放射狀之方式設置，並將每一個支柱連接架(144)與支柱連接架收納元件(148)結合成一體而形成一套照明設備。藉由將一套照明設備之支柱連接架收納元件(148)連接至一街燈的支柱(圖未顯示)就可以形成一街燈(圖未顯示)。另外，再舉例來說，也可以藉由將一套照明設備連接至其他的支柱上而形成室內的照明裝置。
由於在本發明上述之照明設備(100)之結構中，LED光源模組、燈罩及電源供應器在結構及功能上是分離的，且具有各種不同的可能組合，其應用範圍便很廣。此外，照明範圍也可以很容易依狀況所需來進行調整，其製造成本是很低的。
熟知此技術之人能夠依上述之說明，使用本發明中的光源模組(120、220)來製作出各種不同型式與外形的照明設備。第12圖顯示了另一種照明設備的結構。它是經由將五個第二實施例中的光源模組(220)並排設置，且固定於一具有反射鏡外形之燈罩(240)中而形成。每一個光源模組(220)之底面覆有一透明光源保護蓋(230)。在燈具外殼(240)的上端部位中具有一連接元件(235)，用以連接至另一照明設備之支柱。
4.傳統照明設備與本發明照明設備之比較
傳統照明設備中，熱的傳送是經由空氣，自LED裝置傳送至散熱器，而本發明的照明設備中，熱的傳送是在所有方向上經由熱傳送填充物(126)來傳送。第13(a)圖顯示了第1圖習知技術中LED照明裝置之相片，而第13(b)及13(c)圖分別是在LED照明裝置***作之初始時間及***作相當長一段時間後所拍攝之紅外線相片。第14(a)圖顯示了第7圖中本發明LED照明裝置(220)之相片，而第14(b)及14(c)圖分別是在LED照明裝置***作之初始時間及***作相當長一段時間後所拍攝之紅外線相片。
依據傳統LED照明設備之紅外線相片(第13(b)及(c))，隨著LED裝置操作時間的增加，在LED裝置及散熱器之間的溫差就越來越大，這是因為排熱沒有效率的關係。從詳細的溫度資料可以看出，在LED裝置最初的操作時間內，LED裝置及散熱器之溫度分別是約49.5℃及37.5℃，溫差為12℃。而在一段足夠的操作時間之後，LED裝置及散熱器之溫度分別是約56℃及34.7℃，溫差為21.3℃，確實有變大的現象。這些量測結果顯示了，隨著時間的增加，LED裝置會過熱，而經由散熱器所進行的排熱是效率不足的。
相反的，依據本發明LED照明設備之紅外線相片(第14(b)及(c))來看，即使操作時間增加，代表溫度的顏色仍然幾乎沒有改變，這顯示了整個排熱效率是良好的。從詳細的溫度資料可以看出，在操作的一開始，LED裝置及散熱器之溫度分別是約36.2℃及27.5℃，溫差為8.7℃。而在一段足夠的操作時間之後，LED裝置及散熱器之溫度分別是約37.5℃及28.0℃，溫差為9.5℃。LED裝置及散熱器之溫度從操作的一開始僅分別增加了1.3及0.5℃。這些量測結果顯示了，即使操作時間不斷繼續，自LED裝置所生成的熱會快速地經由散熱器排出，使得LED裝置不會發生過熱。因此，本發明確實具有極佳的排熱速度。當然，本發明LED裝置之壽命也會因此延長。
如上所述，雖然本發明以數個實施例及圖示進行說明如上，熟知此技術之人仍能在不脫離本發明之精神及範圍下，進行適當的修改。
本發明可在不受特定限制的情況下，應用於照明設備中。舉例來說，本發明可以應用在不同照明設備的使用情形下，例如做為室外或室內的照明設備、建築內部照明、廣告顯示器或背光。
14、36、110、310．．．散熱器
16、34、124．．．印刷電路板
12．．．保護蓋
18、38．．．透明遮蓋
10．．．LED照明裝置
20、32．．．LED
30．．．傳統照明裝置
100．．．照明設備
120、220．．．光源模組
105．．．LED光源
126．．．熱傳送填充物
102．．．LED裝置
102a．．．LED晶片
102b．．．發光面
122、312．．．光源收納元件
111、111a、111b、314．．．基座
112、114、316．．．散熱翼
119、322．．．光輸出孔
127．．．側蓋接合槽
110a．．．上散熱槽
110b．．．下散熱槽
114a．．．水平通氣孔
114b．．．垂直通氣孔
128．．．熱導矽膠
129．．．透明保護膜
320．．．收納元件遮蓋
330．．．保護膜
340．．．安裝蓋
350．．．導線
134．．．電源供應器
130．．．光源套裝模組
150、240．．．燈具外殼
142、240．．．燈罩
146、235．．．連接元件
144．．．支柱連接架
145．．．控制器
148．．．支柱連接架收納元件
230．．．透明光源保護蓋
第1圖顯示了一傳統通用的封閉型LED室外照明設備之剖面圖；
第2圖顯示了具有單向散熱結構之LED照明裝置；
第3~6圖顯示了本發明第一實施例中光源模組(120)之結構；其中，第3a及3b圖是組合完成之立體圖，第5圖顯示了其LED(120)以單列方式設置之LED光源模組的底面，而第6圖係第2(a)圖中沿A-A’切線之剖面圖；
第7及8圖分別係本發明第二實施例之光源模組(220)結構之分解圖及組合完成之剖面圖；
第9及10圖顯示了本發明第三實施例之照明設備，其係將多個本發明中的光源模組結合而成，第9(a)及9(b)圖係分別為側視平面圖及下視的平面圖，而第10圖則為第9(a)圖中沿切線B-B’之剖面圖；
第11(a)及11(b)圖分別顯示了將兩個及三個第10圖中的照明裝置(100)以放射狀連接之照明設備的上視平面圖；
第12(a)及12(b)圖顯示了將本發明第二實施例中之LED光源模組結合而成之另一照明設備之剖面圖及下視平面圖；
第13(a)顯示了習知技術中LED照明裝置之相片，而第13(b)及13(c)圖分別是在LED照明裝置***作之初始時間及***作相當長一段時間後所拍攝之紅外線相片；及
第14(a)圖顯示了本發明中LED照明裝置(220)之相片，而第14(b)及14(c)圖分別是在LED照明裝置***作之初始時間及***作相當長一段時間後所拍攝之紅外線相片。
102．．．LED裝置
110．．．散熱器
110a．．．上散熱槽
110b．．．下散熱槽
111．．．基座
112．．．散熱翼
114a．．．水平通氣孔
114b．．．垂直通氣孔
120．．．光源模組
124．．．印刷電路板
126．．．熱傳送填充物
128．．．熱導矽膠
134．．．電源供應器

Claims (10)

  1. 一種LED照明裝置，包括一安裝有複數位於一印刷電路板上之發光二極體之LED光源、一由金屬製成之散熱器，該散熱器具有一光源收納元件，除了暴露於該散熱器的該些發光二極體之發光面外，該光源收納元件遮蔽該LED光源且緊密圍繞該些發光二極體之所有側面、以及一散熱突出部，用於增大該光源收納元件之外表面的散熱面積；一熱傳導填充物，由熱導率高於空氣之金屬材料構成，該光源收納元件中之一可用空間內不留間隙地完全填滿該熱傳導填充物，其中該LED光源的該些發光二極體以及該印刷電路板被該熱傳導填充物所包覆，該熱傳導填充物吸收來自於該印刷電路板以及該些發光二極體之熱，並將所吸收之熱傳送至該散熱器；其中該散熱器藉由圍繞該些發光二極體和該熱傳導填充物的所有側邊，透過熱傳導的方式接收該LED光源之熱，並將其散至空氣中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之LED照明裝置，其中該散熱器具有一第一散熱槽和一第二散熱槽，該第一散熱槽具有複數個由其外側延伸或突出之散熱突出部，以及一底部開口槽形成於其內側以容納該LED光源，該第二散熱槽遮蓋該底部開口槽，和該第一散熱槽共同形成該光源收納元件，其中該第二散熱槽對應該些發光二極體形成有複數個光輸出孔，該些發光二極體一對一地***該些光輸出孔並暴露該些發光面，且該些發光二極體之所有側面被該 些光輸出孔緊密圍繞。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之LED照明裝置，其中該第二散熱槽具有一覆蓋該底部開口槽之基座以及複數散熱翼，該些散熱翼由該基座之兩個長邊向下彎曲並延伸，以限制該些發光二極體的光束角度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之LED照明裝置，其中該些發光二極體沿長條形之該印刷電路板的長度方向上排列成一列或兩列並具有相同的散熱條件，該相同之散熱條件可經由將每一發光二極體與複數鄰近熱源的位置、該散熱器之位置以及該熱傳送填充物之位置關係設為相同來達成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之LED照明裝置，其中在該散熱器中形成有一個或一個以上之垂直通氣孔，以使該散熱器之一下方部位中的熱可以上升，反之亦然。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之LED照明裝置，其中該熱傳導填充物至少是導熱油或導熱矽膠之一。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之LED照明裝置，更包括一透明熱傳送保護元件，覆蓋於曝露在該散熱器之該些發光二極體的發光面，並保護該發光面，且將所產生之熱傳送至外界空氣及該散熱器。
  8. 一種照明設備，包括：一光源套裝模組，具有複數如申請範圍第1至7項所述之LED照明裝置，該些LED照明裝置係以平行、串聯或平行、串聯混合之方式排列而組合成一單一模組；以及 一燈具外殼，用以支撐及固定該些LED照明裝置，並覆蓋至少該光源套裝模組之一上側。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之照明設備，其中該燈具外殼包括一燈具遮蓋，用以遮蓋該光源套裝模組，由於該燈具遮蓋係與該光源套裝模組中的每一個LED照明裝置隔離，使得該遮蓋之設置不會在其間產生直接的熱傳導。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之照明設備，其中該燈具遮蓋具有複數個通氣孔，用以快速排放該些LED照明設備所生成之熱。
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