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TW201530043A - 具有封閉光導及整合熱導的固態燈 - Google Patents

具有封閉光導及整合熱導的固態燈 Download PDF

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TW201530043A
TW201530043A TW103135877A TW103135877A TW201530043A TW 201530043 A TW201530043 A TW 201530043A TW 103135877 A TW103135877 A TW 103135877A TW 103135877 A TW103135877 A TW 103135877A TW 201530043 A TW201530043 A TW 201530043A
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雷蒙 派崔克 強斯頓
保羅 艾德華 哈保
查理斯 娜赫 狄佛爾
羅伯特 里維斯 布羅特
馬丁 約阿希姆 佛斯
凱拉 安 麥克葛拉瑟
哈米德 瑞札 莫塔扎微
麥克 艾倫 梅斯
詹斯 法蘭西斯 波許
迪摩西 喬 帕摩
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３Ｍ新設資產公司
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Abstract

一固態燈具有一固態光源(例如LED)、一具有(如無孔的燈泡形的)封閉的內部體積的光導，以及一熱導。該光導係耦接至該光源以從該光源接收和分散光。該熱導係至少部分包含在該內部體積內，該熱導的一部分與該光導之間具有一氣隙。該熱導提供自該光源的熱傳導，並經由對流與輻射散熱以冷卻該燈。

Description

具有封閉光導及整合熱導的固態燈
照明的能源效率已成為工業性、消費性與建築性照明應用中的重要考慮因素。隨著固態燈技術的進步，發光二極體(LED)已具有比螢光燈更佳的能源效率。此外，適用於白熾燈(Edison)、螢光燈與高強度氣體放電燈之照明燈具已在市場上佔有龐大的基礎。這些類型的應用對於LED而言存在相當高的技術挑戰，因為該等應用本質上為點源，而且，LED需要在相對低的溫度下操作。現今有很多的解決方案來解決這些問題，包括利用風扇、散熱器、熱管及類似物。然而，這些方案會增加複雜性、成本、損失效率、增加的故障模式、非所欲的形狀因數(form factor)、以及光分佈，從而對應用造成限制。因此仍然需要找到一種解決方案，該解決方案能以令人滿意的製造成本與設計來提供光學、電力效率、及裝置使用壽命的優點。
符合本發明之一具有整合光導及熱導的燈，包括一光源、一光區段、一被耦接至該光區段的光導，以及一熱導。光導具有一第一表面及一相對於第一表面的第二表面以及一介於第一與第二表面之間的一邊緣。第二表面形成一封閉的內部體積。光導係與該光源 相連通用以接收及分配來自該光源的光，且光在光導內被傳送直到光從該第一或該第二表面出去為止。通常為了將光耦合至光導，光源係位於光導的邊緣。熱導至少部分地被包含在該內部體積內且與該光導整合，用於提供自該光源的熱傳導以冷卻該燈，而且，在熱導的至少一部分和光導的第二表面之間有一氣隙。
10‧‧‧固態燈
12‧‧‧光導上部
13‧‧‧光萃取特徵、特徵
14‧‧‧光導下部
15‧‧‧鋸齒紋
16‧‧‧光區段
17‧‧‧絕緣體
18‧‧‧基座
19‧‧‧接腳
20‧‧‧熱導件
21‧‧‧基座
22‧‧‧反射環
23‧‧‧部位
24‧‧‧反射環
26‧‧‧電路板
27‧‧‧複數光源、光源
28‧‧‧驅動器電路
29‧‧‧連接器
30‧‧‧中性墊片
31‧‧‧外表面、表面
32‧‧‧內表面、表面
33‧‧‧邊緣
34‧‧‧脊背
35‧‧‧部位
隨附圖式併入並構成本說明書之一部分，且與詳細說明一起釋明本發明之優點與理論。在圖式中，圖1係一經組裝的固態燈的透視圖；圖2係固態燈的分解透視圖；圖3係固態燈的一側剖面圖；圖4係用於固態燈的光區段的透視圖及繪示安裝於光區段內之可撓性電路板上的LED；及圖5係一圖解顯示安裝至固態燈的光區段之前的可撓性電路板。
本發明的實施例包括一LED燈泡，其具有一含有一封閉的內部體積之光導，以及一熱導，該熱導至少部分地被包含在該內部體積內。固態燈的實例係描述如下，該些所提及的範例依參照方式納入本文中，如同在此完整闡述：美國專利第8,487,518號以及美國專利公開申請案第2012/0194054號與第2011/0032708號。
圖1係一經組裝完成的固態燈10的透視圖。圖2及3係分別為該固態燈10的分解透視圖及側剖面圖。燈10包括一光導 (該光導具有一上部12及一下部14)、一光區段16、一基座18，以及一熱導20。光導具有一外表面31及一內表面32且形成一封閉的內部體積，其意指該光導沒有任何孔(或通氣孔)以容許空氣通過該光導流通到該內部體積。該外及內表面31及32形成一邊緣33。為了自該光導提供一均勻的或某種特定的光分佈，內表面32可視需要具有光萃取之特徵(如圖式特徵13)。舉例而言，光萃取特徵13可以包括在內表面32上的點或其他形狀的印刷圖案。只在內表面32提供光萃取特徵13可以提供燈10的該光導的外表面31具有平滑的外觀與感覺。
一電路板26包括複數個光源27、一驅動器電路28(例如，一積體電路晶片)、一連接器29，以及一中性墊片30。通常為了將光光學耦合至該光導，光源27係位於該光導的一邊緣(例如，邊緣33)，該邊緣藉由外及內表面31及32所形成。光在該光導內被傳送(例如，藉由全內反射)直到光從外表面31、內表面32或兩者被取出為止。為了從一電源(例如一電燈燈座)接收電力，連接器29係和一接腳19電性連接。中性墊片30(選擇地可有一中性夾)係和基座18電性連接。
光區段16包括一脊背(ridge)34，用來支撐光源27，以及一部位35，用來支撐該光導的外表面31(該部位與邊緣33相鄰)。在某些實施例中，在邊緣33和光源27之間沒有氣隙。舉例而言，邊緣33可以直接地靠著光源27置放，或可在邊緣33和光源27之間有一光學膠(optical adhesive)。為了有助於將光從光源27耦合至 光導，反射環22及24可置為與光源27相鄰且在該光源之相對兩側。反射環22及24可以搭配反射薄膜來實施。反射膜的一實例為美國明尼蘇達州聖保羅3M公司的增強型鏡面反射(ESR)薄膜產品。一絕緣體17被置於光區段16及基座18之間。在某些實施例中，光區段16在光導及基座18之間沒有任何孔(或是通氣孔)(請參照圖1)。光區段16可視需要在其外表面包括裝飾面或鋸齒紋15。
熱導20係至少部分地被包含在該光導的內部體積內，用於提供自該光源27之熱傳導以冷卻該燈。熱導20有一基座21以及一部位23，基座21係放置在光區段16內。熱導20可以延伸至該光導的內部體積達變化的或不同的量，例如，只稍微地延伸到該內部體積或近乎延伸通過該內部體積或延伸達其他量。為了在光區段16支撐該光導，熱導可以與該光導具有機械性干涉(mechanical interference)。特別的是，為了能支撐該光導，部位23可輕微地朝該光導彎曲以貼靠該光區段16的部位35。在某些實施例中，部位23及35有肋或突出構造來維持一微小的空隙，該微小的空隙係介於光導下部14和反射環22及24之間。或者，肋或突出構造可置於表面31及32來維持一微小的氣隙，該微小的氣隙係介於光導下部14和反射環22及24之間。熱導20可以在光導和光區段16之間圍封該光導的內部體積，其中該內部體積係被完全地封閉以防止空氣(及水氣或微粒)從燈外面流入內部體積。舉例而言，基座21與延伸至光導之內部體積的柱體可以無孔(通氣孔)方式實施，而且，基座21提供了一靠在光導內表面32上的圓周密封。在熱導20的至少一部分和該光導內 表面32之間形成一氣隙。在某些實施例中，該氣隙在熱導20和光導的內表面32之間實質地圍繞熱導20(請參見圖2)。
圖4係一固態燈10的光區段16之透視圖以及圖示說明安裝於該光區段16內之可撓性電路板26上的LED。圖5係一圖解顯示安裝至光區段16之前的可撓性電路板26。在某些實施例中，電路板26可以搭配一可撓性單片材料來實施且以摺疊方式安裝於光區段16內。電路板26具有光源27之部分可以被折疊到脊背34上。電路板26上包含驅動器電路28之部分可被折疊以延伸到光區段16的一內部。電路板26上包含連接器29之部分可被折疊用來電性連接接腳19。或者，連接器29可替代地具有一不同的形狀因數以降低在電路板26的折疊數。中性墊片30可被折疊在絕緣體17周圍以電性連接基座18。在此方法中，電路板26可被安裝於燈內而不需例如分離的電連接器或電路板。中性墊片30也可以發揮導熱作用(係從電路板26至基座18)以幫助冷卻該燈。或者，電路板26至少有一部分可藉由一帶有LED之環形(堅硬的或不能摺疊的)板置於脊背34上的方式來實施。
下文為於本文中所述之固態燈之例示性材料、元件與組態。
光源可使用LED、有機LED(OLED)或其他固態光源來實施。燈可包含一或多個光源。而且，該燈可以利用未經封裝的LED光源。
驅動器電路的實施可利用任一電路或部件，該部件能夠自電源接收電力，且該驅動器電路根據接收的電力驅動光源。
電路板可利用任一可撓性電路板來實施，該可撓性電路板能夠貼合該燈內及支撐該驅動器電路、光源及其他可能的元件。舉例來說，該電路板可以是一單一可撓性電路板用以容納該些元件並與其等電性連接。或者，電路板可搭配硬板或可撓性板和硬板的組合來實施。
舉例來說，該光區段可以搭配一金屬材料(例如，鋁)來實施。該光區段也可以搭配其他金屬材料來實施，例如：陶瓷材料、熱傳導聚合物或此類金屬的組合物。光區段的作用可為一散熱器，且可調整光區段之尺寸以消散來自燈的特定熱量。光區段可具有如圖所示之圓形或環形的形狀，或其它取決於光導形狀的形狀。
例如，基座可利用與習知燈泡插座搭配使用之愛迪生式基座、或經組態用於連接至其它類型燈具之一基座來實施。替代性地，燈可組態為一不具有固定介面(例如Edison基座)之照明器具。
為了從光源傳導和消散熱，該熱導和該等光源有足夠的(直接地或非直接地)接觸。熱導可直接地實體接觸光源或諸如透過其它元件非直接地接觸光源。熱導可搭配金屬材料(例如鋁)來實施。熱導也可以搭配其他金屬材料來實施，例如：陶瓷材料、熱傳導聚合物或此類金屬的組合物。該熱導可為中空(如圖所示)，或是一固體材料所組成，及其可包括一圓形柱(如圖所示)，或其他至少部分延伸到該光導的內部體積的其他形狀。舉例而言，該熱導可以以人 造的燈絲(filament)成型以類似於一白熾燈泡或可以有其他裝飾形狀或特徵。熱導可以選擇地具有一反射塗層。
例如，光導可搭配一能夠接收來自一或多個固態光源且能夠發射光之透明或半透明的材料來實施。例如，光導由光學性合適的材料所製成，例如，丙烯酸類樹脂(acrylic)、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯(諸如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、玻璃、或任何數量之具有足夠高折射率之不同塑膠材料。材料可經由例如澆鑄或模製以形成光導。光導的表面可以選擇地被拋光。光導可以選擇地包含體散射(bulk scatter)元件(諸如在光導內的顆粒)，以當光導被固態光源所照射時能提供一柔和輝光的外觀。
光導可以由多個部分黏合在一起而組成，例如，利用黏合劑或機械按扣接合。使用這些部分時，這些部分可永久地黏合在一起或可移動地依附在一起。或者，替代性地，該光導可為一單一片材料。光導可有一燈泡形狀(如圖所示)或其他形狀，例如球體、圓筒、立方體、錐形筒，或可產生一內部體積的其他形狀。
光導可以選擇地為錐形。該選擇性的錐形可以包括該光導係完全地呈錐形且整個光導具有一不均勻的厚度，或是部分地呈錐形且部分的光導具有一不均勻的厚度，以及其他部分具有一均勻的厚度。舉例說明，該光導(或該光導的一部分)在離光區段較遠的部分會變得較薄。
光導可以包括選擇性的塗層，例如一紫外線(UV)塗覆於該光導的外表面。更進一步，該光導或導熱板，或兩者，可以包括 一基質材料，該材料可以包含光頻率轉移發色團(chromaphores)以獲得一更期望的演色性指數(color rendering index)，而基質穩定化色調(matrix stabilized dyes)的實例於美國專利第5,387,458號中有加以描述，該美國專利案依參照方式納入本文中，如同在此完整闡述。同樣地，也可在該燈任何元件上包含此種基質材料，其中來自光源的光與該基質材料起交互作用。
10‧‧‧固態燈
12‧‧‧光導上部
14‧‧‧光導下部
16‧‧‧光區段
18‧‧‧基座
20‧‧‧熱導件

Claims (21)

  1. 一種具有整合光導及熱導的燈，其包含：一光源；一光區段，其具有一第一側及一第二側，該第二側係相對於該第一側；一光導(light guide)，其耦接至該光區段的該第二側，該光導包含一材料及一邊緣，該材料具有一第一表面及一第二表面，該第二表面相對於該第一表面，該邊緣介於該第一表面和該第二表面之間，其中該第二表面形成一封閉的內部體積，該光導與該光源相連通，用於接收及分散從該光源來的光，且該光在該光導內傳送直到該光從該第一表面或該第二表面出去為止，其中該光源係位於該光導的該邊緣處，以便在該邊緣處將該光光學耦合至該光導中；以及一熱導(thermal guide)，其至少部分被包含在該內部體積內且與該光導整合，用於提供自該光源之熱傳導以冷卻該燈，其中在該熱導的至少一部分與該光導的該第二表面之間形成一氣隙。
  2. 如請求項1之燈，其中該光源包含下述之一或多者：一發光二極體；以及一有機發光二極體。
  3. 如請求項1之燈，其中在該光源與該光導之該邊緣之間沒有氣隙。
  4. 如請求項1之燈，其中該光導在該第二表面上包括光萃取特徵。
  5. 如請求項1之燈，其中該光導包含固定在一起的複數個部分。
  6. 如請求項1之燈，其進一步包含一基座，該基座耦接至該光區段的該第一側並經組態用於連接至一電源。
  7. 如請求項1之燈，其進一步包含在該熱導上之一反射塗層。
  8. 如請求項1之燈，其中該封閉的內部體積係被圍封在該光導與該光區段之間。
  9. 如請求項1之燈，其中為了在該光區段上支撐住該光導，該熱導與 該光導有機械性干涉(mechanical interference)。
  10. 如請求項1之燈，其中該氣隙實質上在該熱導和該光導的該第二表面之間環繞著該熱導。
  11. 如請求項1之燈，其中該光區段在該第一和第二側之間沒有孔洞。
  12. 如請求項1之燈，其中該光導的該材料包含聚碳酸酯。
  13. 如請求項1之燈，其進一步包含在該光導的該第一表面上之一紫外線塗層。
  14. 如請求項1之燈，其中該熱導包括一延伸至該內部體積中之柱體。
  15. 如請求項1之燈，其進一步包含一反射薄膜，該反射薄膜位於鄰近該光源之該光區段之該第二側。
  16. 一種具有整合光導和熱導的燈，其包含：一光源；一基座，其經耦接組態用於連接至一電源；一光區段，其具有一第一側及一第二側，該第一側耦接至該基座，該第二側相對於該第一側；一光導，其耦接至該光區段的該第二側，該光導包含一材料及一邊緣，該材料具有一第一表面及一第二表面，該第二表面相對於該第一表面，該邊緣介於該第一表面和該第二表面之間，其中該第二表面形成一封閉的內部體積，該光導與該光源相連通，用於接收及分散從該光源來的光，且該光在該光導內傳送直到該光從該第一表面或該第二表面出去為止，其中該光源係位於該光導的該邊緣，以便在該邊緣處將該光光學耦合至該光導中；一熱導，其至少部分被包含在該內部體積內且與該光導整合，用於提供自該光源之熱傳導以冷卻該燈，其中在該熱導的至少一部分與該光導的該第二表面之間形成一氣隙；一驅動器電路，用於提供電力至該光源；及 一電路板，其中該驅動器電路及該光源安裝於該電路板上且該電路板包括一連至該基座之電性連接。
  17. 如請求項16之燈，其中該封閉的內部體積係被圍封在該光導與該光區段之間。
  18. 如請求項16之燈，其中該氣隙實質上在該熱導和該光導的該第二表面之間環繞該熱導。
  19. 如請求項16之燈，其中該光區段在該第一側和該第二側之間沒有任何孔洞。
  20. 如請求項16之燈，其中該電路板從該光區段的該第二側延伸至該光區段之一內部中。
  21. 如請求項16之燈，其中該電路板包含一單一可撓性電路板。
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