光源的散熱裝置與其散熱方法

专利摘要:
本發明提供一種光源的散熱裝置，包含光源模組、內殼體、外殼體以及複數間隔單元。內殼體圍起容置空間以供容納光源模組。外殼體圍繞內殼體並與內殼體之內側壁間夾有間隔，其中內殼體及外殼體分別以具有相異熱傳導係數之材料所製成。內殼體之內側壁、外殼體之外側壁以及間隔單元共同圍成複數散熱通道。內側壁吸收光源模組所產生之熱能，以在內側壁及外側壁間產生溫度梯度場並於散熱通道內形成對流以交換熱能。
公开号:TW201314123A
申请号:TW101102682
申请日:2012-01-20
公开日:2013-04-01
发明作者:Sheng-Xing Duan；Shih-Chin Chou
申请人:Lextar Electronics Corp；
IPC主号:F28F1-00

专利说明:
光源的散熱裝置與其散熱方法
本發明係關於一種光源的散熱裝置與其散熱方法；特別是透過內部空腔內熱對流來進行散熱之光源散熱裝置與其散熱方法。
在目前燈具之技術領域中，如何有效排出光源所產生之廢熱以避免燈具過熱或燙傷使用人員，係為燈具結構設計之重要考量之一。
圖1所示係為一習知燈具10之示意圖。如圖1所示，習知燈具10包含光源模組11、內殼體20以及複數鰭片40，其中光源模組11係安裝於內殼體20所圍起之空間中。鰭片40係自內殼體20延伸出，其中內殼體20以及鰭片40共同圍成複數半開放之散熱通道50。
光源模組11在產生光線時也將產生廢熱，其中該些廢熱將提升散熱通道50周圍空氣以及內殼體20之溫度。在光源模組11剛開始產生光線和廢熱之時，鰭片40及內殼體20外表面的溫度將遠高於散熱通道50中空氣之溫度。如此一來，鰭片40可將光源模組11所產生之廢熱與散熱通道50周圍的外界空氣進行熱交換，並藉此將光源模組11所產生之廢熱排出習知燈具10之外，以達成散熱功效。
然而，在光源模組11持續發光和產生廢熱的同時，內殼體20外表面、鰭片40以及散熱通道50中空氣之溫度最終將達到熱平衡。此時，習知燈具10可用於散熱之面積將被限制於內殼體20和鰭片40與外界空氣接觸之表面。因此，習知燈具10整體排熱性能則因可用於傳導廢熱之面積大幅降低而效果不彰。
由此可見，目前習知燈具10在散熱結構以及整體散熱效果上仍有可以改良之空間。
本發明之目的在於提供一種包含光源的散熱裝置與其散熱方法，用以排除光源模組形成光線時所產生之熱能，提升光源的可靠度與使用壽命並避免光源的散熱裝置因表面過熱而燙傷操作人員。
本發明之另一目的是提供一種光源的散熱裝置與其散熱方法，其中光源的散熱裝置在內部空腔中形成溫度梯度場並透過內部空腔中因溫度梯度場而產生之熱對流來傳遞熱能。
光源的散熱裝置包含光源模組、內殼體、外殼體以及複數間隔單元。內殼體包含承載部以及內側壁，其中內側壁環繞承載部而圍起一個容置空間，以供容納光源模組。外殼體具有一圍繞內殼體外側之外側壁，其中內側壁及外側壁之間夾有一間隔。此外，內殼體及外殼體分別以具有不同熱傳導係數之第一材質和第二材質所製成，其中第二材質之熱傳導係數係小於第一材料之熱傳導係數。
光源的散熱裝置所包含之間隔單元係位於內側壁及外側壁之間的間隔，其中間隔單元較佳自外側壁之內表面向內側壁延伸並連接內側壁之外表面。此外，外側壁、內側壁以及間隔單元共同圍成複數個散熱通道。內側壁將優先傳導光源模組所產生之熱能並於間隔間形成溫度梯度場，其中該溫度梯度場將使散熱通道中的空氣產生自然對流並藉由此熱對流交換並將熱能從散熱通道中排出，達到散熱之目的。
本發明內側壁及外側壁之間的間隔較佳具有固定之寬度，但不限於此；在不同實施例中，間隔之寬度可選擇性地自側壁底端朝側壁頂端漸增或漸減。此外，外側壁可於間隔寬度變化之同時形成相對內側壁外翻之曲面。此外，間隔單元較佳具有固定之寬度，但不限於此；在不同實施例中，間隔單元靠近內側壁之寬度可選擇性小於靠近外側壁之寬度。另外，外側壁可選擇性以波浪起伏之型態環繞內殼體，並藉此使間隔之寬度在環繞內殼體之方向產生增減。
本發明之目的在於提供一種光源的散熱裝置與其散熱方法，用以排除光源模組發出光線時所產生之熱能、提升光源的可靠度與延長使用壽命，並避免光源的散熱裝置因表面過熱而燙傷操作人員。
圖2及圖3所示係為本發明散熱裝置100之示意圖和上視圖，其中散熱裝置100包含光源模組110、內殼體200、外殼體300以及複數間隔單元400。如圖2及圖3所示，光源模組110係被內殼體200所圍繞，而內殼體200本身則是被外殼體300所圍繞，其中內殼體200以及外殼體300之間則是夾有間隔500。此外，在本實施例中，光源模組110較佳包含複數發光二極體，其中該些發光二極體可為發出相同顏色光線或不同光線之發光二極體，但不限於此；在不同實施例中，光源模組110亦可包含氣體放電燈、鹵素燈泡或其他習知光源。
如圖2及圖3所示，間隔單元400係位於內殼體200之內側壁210及外殼體300之外側壁310所夾起之間隔500中，其中本實施例之間隔單元400係自外側壁310之內表面朝內側壁210延伸並最終連接內側壁210之外表面。此外，內側壁210、外側壁310以及間隔單元400共同圍成複數個散熱通道510，其中間隔單元400以及散熱通道510係以相間方式設置於間隔500之中。此外，本實施例之間隔單元400與散熱通道510亦以光源模組110為中心呈輻射狀地形成於間隔500中，但不限於此；在不同實施例中，間隔單元400及散熱通道510亦可根據散熱裝置100之形狀或散熱要求而整體呈現以正方形或其他形狀形成於間隔500之中。
圖4所示係為圖2及圖3所示散熱裝置100之剖面圖。圖5所示則是圖4所示散熱通道510之放大圖。如圖4及圖5所示，內殼體200進一步包含承載部220，其中內側壁210環繞著承載部220並形成一個容置空間，以供容納光源模組110所包含之發光模組120以及用於驅動發光模組120產生光線之驅動模組130。此外，內側壁200、外側壁300以及間隔單元400所形成之散熱通道510兩端均是開口，因此空氣可於散熱通道510中進行流通。
此外，內殼體200及外殼體300較佳分別係以具有相異熱傳導係數之材質所製成，其中內殼體200之熱傳導係數係大於外殼體300之熱傳導係數。在本實施例中，內殼體200及外殼體300係以散熱塑膠材質或熱傳導係數較高之金屬所製成，但不限於此；在不同實施例中，內殼體200及外殼體300亦可使用具有相異熱傳導係數之金屬材質或其他材質所製。此外，在圖4所示之實施例中，內殼體200之內側壁210高度和間隔500寬度間的比例實質上為10:1，但不限於此；內殼體200之內側壁210高度和間隔500寬度之間的比值亦可根據散熱裝置100散熱性能的要求調整於10至40或其他合適的數值之間。
在圖4及圖5所示之實施例中，發光模組120將根據驅動模組130所傳來之電訊號產生光線以及廢熱，其中該些廢熱將提升內側壁210之溫度。在發光模組120產生光線及廢熱之初期，散熱裝置100底端(靠近發光模組120之一端)的溫度將遠高於頂端(靠近驅動模組130之一端)。上述兩端溫度的差異同樣將使得散熱通道510底端(靠近發光模組120之一端)的溫度高於頂端(靠近驅動模組130之一端)。上述散熱通道510中溫度的差異將使散熱通道510底端所產生熱空氣隨著散熱通道510往上升並最終於散熱通道510頂端離開。此外，上述熱空氣的流動是由於散熱通道510中空氣密度和溼度的差異，而上述差異所造成之氣體流動將進一步把散熱通道510底端之空氣抽入散熱通道510並藉此重複地發生，交換熱通道510內部、內殼體200以及外殼體300表面之熱能，達到降低溫度之目的。
在光源模組110持續發光一段時間之後，內殼體200之內側壁210的溫度將逐漸趨近於一致。由於外側壁310之熱傳導係數低於內側壁210之熱傳導係數，因此內側壁210表面所散出之熱能較無法明顯提升外側壁310之表面溫度。換言之，內側壁210以及外側壁310之間將有著明顯之溫度差異。
如圖4所示，上述內側壁210及外側壁310表面之溫度差異將於散熱通道510中產生一溫度梯度場。在上述溫度梯度場中，靠近內側壁210且溫度較高之空氣將因自然對流效應(Natural Convection)向外側壁310方向移動。如此一來，散熱通道510中將產生複數旋轉流動之渦流(Vortex)，此外，由於渦流之溫度經由旋轉流動，交換內側壁210的熱能而高於散熱裝置100以外空氣之溫度，因此該些渦流本身在旋轉的同時也會往散熱通道510之頂端移動，以藉此進一步將光源模組110所產生之廢熱帶出散熱裝置100。換言之，散熱通道510中的溫度梯度場所產生的渦流亦可有效地將廢熱帶出散熱裝置100。
此外，由於內側壁210及外側壁310具有相異熱傳導係數，因此兩者之間將持續保持一定的溫度梯度場。如此一來，即使內側壁之整體溫度達到熱平衡，散熱裝置100亦可持續透過上述溫度梯度場所產生之自然對流將廢熱帶出散熱通道510之外。且，上述散熱通道510之自然對流可避免外側壁310溫度趨近於內側壁210之溫度，並藉此避免人員在操作散熱裝置100時因接觸溫度過高之外側壁310表面而受傷。
在圖4所示之實施例中，內側壁210及外側壁310之延伸方向實質上係垂直於承載部220或光源模組110之延伸方向，但不限於此。在圖6所示之實施例中，內側壁210及外側壁310之延伸方向與承載部220之平面間並非垂直。換言之，本實施例之內側壁210及外側壁310係以傾斜於承載部220之平面的方向延伸。光源系統中的熱，能夠以自然對流的方式從散熱裝置100中移除，從而降低LED的操作溫度而提高LED的使用壽命。圖6所示之散熱裝置100在運作及結構方面實質上相等於圖4所示之散熱裝置100，故在此不加贅述。
圖7所示係為本發明散熱裝置100之變化實施例。如圖7所示，內側壁210及外側壁310之間所夾的間隔500在趨近散熱裝置100頂端的方向上逐漸增加。換言之，本實施例內側壁210及外側壁310之延伸方向實質上係非平行。由於散熱通道510靠近頂端之開口寬度較大，因此具有較小之整體空氣阻力。如此一來，本實施例之散熱通道510中的空氣較容易流動，自然對流的效應更為顯著，從而交換更多的熱能，帶出較多之熱能，達到降低系統的溫度之效果。
圖8所示係為本發明散熱裝置100之另一變化實施例。在本實施例中，外側壁310自散熱裝置100之底端延伸而出，並在趨近頂端的同時以遠離內側壁210之方向向外彎曲。換言之，本實施例之外側壁310藉由彎曲形成一個相對內側壁210外翻之曲面。如此一來，內側壁210及外側壁310之間所夾的間隔500在趨近散熱裝置100頂端的方向上逐漸增加。同樣地，由於散熱通道510靠近頂端之開口寬度較大，因此，因此具有較小之整體空氣阻力。如此一來，本實施例之散熱通道510中空氣的自然對流更為顯著，空氣以較快的速度流動，提高熱交換之效果
在圖7及圖8所示之實施例中，內側壁210及外側壁310所夾間隔500之寬度係自內側壁210靠近發光模組120之底端朝頂端漸增，但不限於此；在圖9所示之實施例中，上述間隔500亦可根據本發明散熱裝置100帶出廢熱或其他性能上的要求選擇性地自內側壁210靠近發光模組120之底端朝頂端漸減。除了間隔500寬度之變化以及外側壁的彎曲之外，圖7-8所示之散熱裝置100在整體運作以及結構方面實質上相等於圖4所示之散熱裝置100，故在此不加贅述。
圖9所示係為本發明散熱裝置100之另一實施例的上視圖。相較於圖3所示之散熱裝置100，本實施例之間隔單元400靠近內側壁210之寬度係小於靠近外側壁310之寬度。換言之，圖9所示間隔單元400的寬度自外側壁310朝內側壁210延伸方向上漸減。因此，內殼體200透過間隔單元400傳輸熱能至外殼體300之能力將有所減低。如此一來，本實施例之散熱裝置100可透過降低間隔單元400之熱能傳導效率來維持散熱通道510之中的溫度梯度場，並藉此持續在散熱通道510中產生旋轉流動之渦流將光源模組110所產生之廢熱帶出散熱裝置100。除此之外，本實施例之散熱裝置100在運作上或結構方面實質上相同於圖3所示之散熱裝置100，故在此不加贅述。
圖10至圖12係為本發明散熱裝置100之變化實施例。如圖10至11所示，外側壁310在環繞內殼體200之方向上呈現波浪起伏之形狀。由於間隔500寬度實質上係隨著外側壁310圍繞內殼體200之形狀而改變，因此圖10及圖11所示實施例之間隔500寬度係隨著外側壁310之波浪起伏而在環繞內殼體200之方向上增加及減少。
在圖10所示之實施例中，間隔單元400係連接著外殼體300最靠近內殼體200的部分。藉此，內殼體200、外殼體300以及間隔單元400所圍起之散熱通道510中間部份的間隔較寬，因此具有較小之整體空氣阻力。如此一來，本實施例之散熱通道510可以有效地幫助散熱通道510之渦流將光源模組110所產生之廢熱帶出散熱裝置100。
在圖11所述之實施例中，間隔單元400係連接著外殼體300最遠離內殼體200的部分。由於本實施例之間隔單元400較長，內殼體200透過間隔單元400傳輸熱能至外殼體300之能力將有所減低。如此一來，本實施例之散熱裝置100可透過降低間隔單元400之熱能傳導效率來維持散熱通道510之中的溫度梯度場，並藉此持續在散熱通道510中產生旋轉流動之渦流以將光源模組110所產生之廢熱帶出散熱裝置100。
此外，間隔500寬度大小係和間隔單元400連接外側壁310之位置以及外側壁310之起伏有關。在圖10所示之實施例中，間隔500寬度係自間隔單元400的一側朝散熱通道510中央的方向漸增，但不限於此。如圖11所示，間隔500寬度亦可自間隔單元400的一側朝散熱通道510中央的方向漸減。
在圖12所示之實施例中，間隔500寬度係自間隔單元400之一側朝散熱通道510中央的方向漸增。上述實施例係透過外側壁310以及間隔500寬度之變化，來調整散熱通道510整體之體積以及散/傳熱效率。此外，圖12所示散熱裝置100之間隔單元400實質上係為外殼體300接觸內殼體200的部分。本實施例內殼體200、外殼體300以及間隔單元400所圍起之散熱通道510中間部份的間隔較寬，因此具有較小之整體空氣阻力。如此一來，本實施例之散熱通道510可以有效地幫助散熱通道510之渦流將光源模組110所產生之廢熱帶出散熱裝置100。
除此之外，圖10至12所示之散熱裝置100在運作方面實質上相等於圖3所示之實施例，故在此不加贅述。
圖13所示係為本發明光源的散熱裝置之散熱方法步驟圖。圖13所示之散熱方法包含步驟S1000，利用內殼體之內側壁吸收光源模組所產生之熱能。在此請同時參照圖4及圖5，或圖6或圖7或圖8。本實施例之光源模組將根據驅動模組所傳來之電訊號產生光線以及廢熱，其中該些廢熱將被容納光源模組之內側壁所吸收並增加內側壁之溫度。
本實施例之散熱方法進一步包含步驟S1010，藉由內側壁及外側壁之間熱傳導係數之差異，使內側壁具有高於外側壁之表面溫度以產生溫度梯度場。在上述光源模組持續發光一段時間之後，內側壁的溫度將逐漸趨近於一致。此外，內側壁及外側壁較佳分別係以具有相異熱傳導係數之材質所製成，其中內側壁之熱傳導係數係大於外側壁之熱傳導係數。由於外側壁之熱傳導係數係低於內側壁之熱傳導係數，因此內側壁表面所散出之熱能較無法明顯提升外側壁之表面溫度。如此一來，內側壁以及外側壁之間將有著明顯之溫度差異。
圖13所示之散熱方法進一步包含步驟S1020，藉由溫度梯度場在散熱通道中產生旋轉流動之渦流，以將內側壁表面之熱能排出散熱通道之外。上述內側壁及外側壁表面之溫度差異將於散熱通道中產生一溫度梯度場。在上述溫度梯度場中，靠近內側壁且溫度較高之空氣將因自然對流效應(Natural Convection)向外側壁方向移動。如此一來，散熱通道中將產生複數旋轉流動之渦流(Vortex)，此外，由於渦流之溫度經由旋轉流動，交換內側壁的熱能而高於散熱裝置以外空氣之溫度，因此該些渦流本身在旋轉的同時也會往散熱通道之頂端移動，以藉此進一步將光源模組所產生之廢熱帶出散熱裝置。換言之，散熱通道中的溫度梯度場所產生的渦流亦可有效地將廢熱帶出散熱裝置。
在不同實施例中，本發明散熱方法可進一步透過設置間隔單元於內側壁以及外側壁之間以保持間隔之寬度。藉此，間隔單元可避免內側壁及外側壁太過靠近而使過多內側壁之熱能透過空氣傳導至外側壁。如此一來，間隔單元可避免內側壁因傳輸過多熱能至外側壁而降低兩側壁之間的溫度梯度場。
雖然前述的描述及圖示已揭示本發明之較佳實施例，必須瞭解到各種增添、許多修改和取代可能使用於本發明較佳實施例，而不會脫離如所附申請專利範圍所界定的本發明原理之精神及範圍。熟悉該技藝者將可體會本發明可能使用於很多形式、結構、佈置、比例、材料、元件和組件的修改。因此，本文於此所揭示的實施例於所有觀點，應被視為用以說明本發明，而非用以限制本發明。本發明的範圍應由後附申請專利範圍所界定，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前的描述。
100．．．散熱裝置
110．．．光源模組
120．．．發光模組
130．．．驅動模組
200．．．內殼體
210．．．內側壁
220．．．承載部
300．．．外殼體
310．．．外側壁
400．．．間隔單元
500．．．間隔
510．．．散熱通道
圖1所示係為一習知燈具之示意圖；
圖2及圖3所示係為本發明光源的散熱裝置之示意圖和上視圖；
圖4所示係為圖2及圖3所示光源的散熱裝置之剖面圖；
圖5所示則是圖4所示散熱通道之放大圖；
圖6所示係為圖4所示光源的散熱裝置之變化實施例；
圖7所示係為本發明光源的散熱裝置之變化實施例；
圖8所示係為本發明光源的散熱裝置之另一變化實施例；
圖9所示係為本發明光源的散熱裝置另一實施例之上視圖；
圖10至圖12係為本發明光源的散熱裝置之變化實施例；
圖13所示係為本發明光源的散熱裝置之散熱方法。
100．．．散熱裝置
110．．．光源模組
120．．．發光模組
130．．．驅動模組
200．．．內殼體
210．．．內側壁
220．．．承載部
300．．．外殼體
310．．．外側壁
500．．．間隔
510．．．散熱通道

权利要求:
Claims (24)
[1] 一種散熱裝置，包含：一內殼體，具有一承載部及一內側壁環繞該承載部而圍成一容置空間；其中，該內殼體由一第一材質製成，該第一材質具有一第一熱傳導係數；一外殼體，具有一外側壁圍繞該內殼體外側，並與該內側壁間夾成一間隔；其中，該外殼體係由一第二材質製成，該第二材質具有小於該第一熱傳導係數之一第二熱傳導係數；以及數個間隔單元，位在該間隔處以維持該外側壁及該內側壁間之該間隔寬度，該外側壁、該內側壁及該間隔單元共同圍成數個散熱通道，該些散熱通道之頂端及底端均形成有開口。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中每一該些間隔單元係自該外側壁之內表面朝向該內側壁伸出，並連接該內側壁之外表面。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該些間隔單元係由與該外側壁相同之該第二材質製成。
[4] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該些間隔單元之熱傳導係數小於該第一熱傳導係數。
[5] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中每一該些間隔單元靠近該內側壁處之寬度小於靠近該外側壁處之寬度。
[6] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該些間隔單元及該些散熱通道係呈幅射狀相間分佈設置於該間隔中。
[7] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該內側壁之高度與該間隔寬度之比值係介於10至40之間。
[8] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該間隔寬度自該內側壁之底端朝該頂端漸增或漸減。
[9] 如申請專利範圍第8項所述之散熱裝置，其中該外側壁形成為相對於該內側壁外翻之曲面。
[10] 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該間隔寬度沿環繞該內殼體之方向產生增減。
[11] 如申請專利範圍第10項所述之散熱裝置，其中該外側壁沿環繞該內殼體之方向具波狀起伏。
[12] 一種光源的散熱裝置，包含：一光源模組；一內殼體，具有一承載部及一內側壁環繞該承載部而圍成一容置空間，該容置空間容置該光源模組；其中，該內殼體由一第一材質製成，該第一材質具有一第一熱傳導係數；一外殼體，具有一外側壁圍繞該內殼體外側，並與該內側壁間夾成一間隔；其中，該外殼體係由一第二材質製成，該第二材質具有小於該第一熱傳導係數之一第二熱傳導係數；以及數個間隔單元，位在該間隔處，該外側壁、該內側壁及該些間隔單元共同圍成數個散熱通道，該些散熱通道之頂端及底端均形成有開口，該內側壁吸收該光源模組所產生的熱能，造成該內側壁與該外側壁間具一溫度梯度場，助於該散熱通道內的空氣產生對流而逸散該熱能。
[13] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中每一該些間隔單元係自該外側壁之內表面朝向該內側壁伸出，並連接該內側壁之外表面。
[14] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中該些間隔單元係由與該外側壁相同之該第二材質製成。
[15] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中該些間隔單元之熱傳導係數小於該第一熱傳導係數。
[16] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中每一該些間隔單元靠近該內側壁處之寬度小於靠近該外側壁處之寬度。
[17] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中該些間隔單元及該些散熱通道係呈幅射狀相間分佈設置於該間隔中。
[18] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中該內側壁之高度與該間隔寬度的比值係介於10至40之間。
[19] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中該間隔寬度自該內側壁之底端朝該頂端漸增或漸減。
[20] 如申請專利範圍第19項所述之散熱裝置，其中該外側壁形成為相對於該內側壁外翻之曲面。
[21] 如申請專利範圍第12項所述之散熱裝置，其中該間隔寬度沿環繞該內殼體之方向產生增減。
[22] 如申請專利範圍第21項所述之散熱裝置，其中該外側壁沿環繞該內殼體之方向具波狀起伏。
[23] 一種光源的散熱裝置之散熱方法，供使用於如請求項第12至22項中任一所述光源的散熱裝置，包含下列步驟：(a)藉由該內殼體之該內側壁吸收該光源模組所產生之該熱能；(b)藉由該內側壁及該外側壁之間熱傳導係數之差異而使該內側壁具有高於該外側壁之表面溫度以產生該溫度梯度場；(c)在該溫度梯度場中，在該散熱通道中的空氣產生旋轉流動之渦流，以將該內側壁表面之該熱能排出該散熱通道之外。
[24] 如請求項第23項所述之散熱方法，其中該(c)步驟進一步包含：(c1)設置該些間隔單元於該內側壁及該外側壁之間以保持該間隔並限制自該內側壁傳導至該外側壁之熱能。

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