CN101089458A - 照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包括照明单元和热电转换模块的照明系统。照明单元包括光源和将热量从光源散发到板外周的反射板。热电转换模块包括下衬底和上衬底，下部和上部电极设置在下衬底和上衬底的面对表面上，热电元件布置在下部和上部电极之间。热电转换模块的下衬底经传热元件安装到反射板上。热电转换模块的上衬底经放热路径构件连接到具有高于空气的导热率的支撑件上。
Description
技术领域
本发明涉及一种照明系统，更特别的涉及到一种能够通过利用来自光源的热量产生电力的照明系统。
背景技术
这种照明系统例如在日本专利申请公开说明书(kokai)No.2004-312986中公开。所公开的照明系统包括带有光源的照明单元、能将热量从光源散发到板外周的反射板、包括一对互相面对面设置的绝缘体的热电转换模块、位于绝缘体面对的表面上预定位置处的电极、和端面与电极结合的热电元件。在此照明系统中，成对的绝缘体之一设置在反射板的外周，通过利用从一个绝缘体(高温侧绝缘体)到另一个绝缘体(低温侧绝缘体)的热量传输产生电力。前面提到的公开专利中阐释的照明系统应用于放映机装置。
在上述公开专利中描述的放映机装置中，散热片连接到低温侧绝缘体，通过依靠电机驱动冷却风扇产生的空气流动增加从散热片到空气的热辐射量使低温侧绝缘体的温度保持在低的程度，借以保持两个绝缘体之间的预定温差。
然而，在上述公开专利中描述的放映机装置中，消耗电力以驱动冷却风扇。因此，此装置提出一个难题，即由热电转换模块产生的电力的可用部分降低了，即，这样产生的电力不能充分有效利用。
发明内容
为了克服这个难题，本发明的一个目的是设置一个照明系统，该系统包括具有绝缘体的电热转换模块，其中不使用冷却风扇就能保持绝缘体之间预定温差。
为了达到上述目的，本发明设置一个照明系统，该系统包括：带有光源的照明单元；能将热量从光源散发到板外周的反射板；带有一对互相面对布置的绝缘体的热电转换模块；设置在绝缘体面对表面上预定位置处的电极；端面与电极相结合的热电元件，其中成对绝缘体之一(下文称作“第一绝缘体”)设置在反射板外周，利用从第一绝缘体到另一个绝缘体(下文称做“第二绝缘体”)的热量传输产生电力。照明系统的特点在于第二绝缘体以热传导方式连接，经形成放热路径的构件(下文称做“放热路径构件”)，到具有高于空气的导热率的热吸收体。这种情况，热吸收体更可取为，例如，安装于建筑物上用于支撑照明单元的金属支撑件、流动的河水、湖水、海水或停车场的湿地或类似物。
在照明系统中，来自光源的热量通过反射板被传导到热电转换模块；热量从热电转换模块的第一绝缘体(高温侧绝缘体)通过热电元件传导到第二绝缘体(低温侧绝缘体)；热量从低温侧绝缘体通过放热路径构件传导到热吸收体。由于热吸收体的热传导性高于空气，热量分配到热吸收体中没有堆积在那里，因此热量总是从放热路径构件有效地传导到热吸收体。从而，即使不使用冷却风扇，第二绝缘体(低温侧绝缘体)的温度仍能保持在低水平，能保持两个绝缘体之间预定的温差。因此，由于不需要冷却风扇来保持两个绝缘体间预定的温差，由热电转换模块产生的电力能被充分有效地利用。
在本发明中，放热路径构件可由铝或铝合金制成。这种情况下，能够减少照明系统的重量同时提高从热电转换模块到热吸收体的热传导效率。
在本发明中，可在第一个绝缘体和反射板的外周表面之间设置传热元件。这种情况下，热量能从照明单元的反射板有效地传导到热电转换模块。
在本发明中，传热元件可有一个大致垂直于竖直方向的水平表面，第一绝缘体可设置在该水平表面上。这种情况下，依靠热性能的效应(即，热量通常向上传送)热量能够从反射板通过传热元件有效传导到热电转换模块。
在本发明中，传热元件可由铝或铝合金制成。这种情况下，能够减少照明系统的重量同时提高传热元件的热传导效率。
在本发明中，反射板的外周表面的暴露于空气中的至少一部分可涂覆有隔热材料；或传热元件暴露于空气中的外表面的至少一部分涂覆有隔热材料。另外，反射板暴露于空气的外周表面和传热元件暴露于空气的外表面可涂覆有隔热材料。这种情况下，例如，涂覆隔热材料的区域面积是反射板外周表面和传热元件外表面的总面积的50％或更多，优选的80％或更多。
这种情况下，由于借助于隔热材料减少了从反射板外周表面和传热元件外表面散发到空气中的热量，流经热电转换模块的热量能被提高。因此，能提高热电转换模块产生电力的效率。
附图说明
参照附图结合下面对实施例的详细描述，本发明的各种目的、特点和随之而来的优点变得更容易理解，其中：
图1是根据本发明的照明系统的第一实施例描述的室内聚光灯照明系统简图；
图2是图1所示热电转换模块透视图；
图3是图1所示热电转换模块前视图；
图4是图1所示照明系统图沿线4-4截取的局部剖视图；
图5是对应于图4的局部剖视图，示出第一实施例的变型；
图6是示出根据本发明的照明系统的第二实施例的室外夜间照明系统简图；
图7示出图6所示照明单元附着于栏杆的状态的局部剖面前视图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下面参考附图进行描述。图1示出根据本发明的照明系统的第一实施例的室内聚光灯照明系统。室内聚光灯照明系统包括照明单元10、传热元件21、热电转换模块、放热路径构件和支撑件51。
照明单元10包括反射板11和电灯泡12(光源)。反射板11通常是类圆屋顶状并由铝制成。反射板11经设置在板11外周表面的附件13靠支撑件51支撑。反射板11的内表面涂覆有反射薄膜(如铝沉积薄膜)，来自电灯泡12的光被反射薄膜向下反射。
电灯泡12一般位于反射板11内部中心，附着在反射板11中心背面的插座14上使得电能够供给电灯泡12。附件13例如由具有低热导性的陶瓷制成，设置在反射板11和支撑件51之间以便预定的张紧力施于附件13上。
由铝块形成的传热元件21，具有大致垂直于竖直方向的水平顶面，和沿反射板11外周表面形成(curb)的底面。传热元件21的底面固定于反射板11上这样传热元件2 1和板11成为一个单元。暴露于空气中的传热元件21的外表面和反射板11的外周表面涂覆有隔热材料22。
隔热材料22例如是一种涂覆材料，其能够形成呈现出低导热率的陶瓷涂覆薄膜。隔热材料22施加于反射板11和传热元件21上使得用该材料22涂覆的区域面积大约是反射板11暴露于空气的外周表面和传热元件件21暴露于空气的外表面(除顶面)的总面积的80％。用隔热材料涂覆的区域面积越大，从反射板11和传热元件21散发到空气的热量越小。然而，这样的热累积可能对灯泡的耐久性有负面影响。因此，确定如上所述的涂覆面积，这样抑制热量散发到空气中并保持电灯泡的耐用性。
如图2和3所示，热电转换模块30包括下衬底31A、上衬底31B、下部电极32A、上部电极32B和热电元件33，下衬底31A和上衬底31B是一对绝缘体。下衬底31A和上衬底31B由铝形成预定长方形形状。下衬底31A的底面固定于传热元件21的顶面，上衬底31B被固定于放热路径构件41的底面(见图1)。利用施于附件13的张紧力，热电转换模块30被固定使得在下衬底31A的底面和传热元件21的顶面之间、上衬底31B的顶面和放热路径构件41的底面之间没有缝隙形成。
每个下部电极32A和上部电极32B都具有两个热电元件33的端面能被连接上去的尺寸。下部电极32A在预定位置附着于下衬底31A的顶面，上部电极在预定位置附着于上衬底31B的底面。下部电极32A和上部电极32B以交错的方式设置成它们互相移开的距离大致等于在下衬底31A和上衬底31B的纵向方向(即，如图2所示前后方向)一个热电元件的尺寸。导线34A和34B附着在设置于下衬底31A的两个角中的下部电极32A上以便电极能够与外部设备或类似物实现电连接。
热电元件33，呈长方体状，例如由铋-碲合金制成的P型和N型元件形成。如图2所示P型和N型热电元件33交替设置在左右和前后方向。元件33的底面固定于下部电极32A的顶面，元件33的顶面固定于上部电极32B的底面。所有的热电元件33经下部电极32A和上部电极32B按顺序排列在下衬底31A和上衬底31B之间。
如图4所示，由铝制成的放热路径构件41具有大致L状垂直剖面，设置在传热元件21和支撑件51之间。放热路径构件41包括在水平方向伸出的衬底接合部分41a、在垂直方向从衬底接合部分41a的一端向上伸出的连接部分41b和在水平方向从连接部分41b的上端伸出的支撑件接合部分41c。
衬底接合部分41a的底面固定于热电转换模块30的上衬底31B。衬底接合部分41a形成为其底面具有稍微大于上衬底31B的顶面的面积。连接部分41b的尺寸至少具有预定的横剖面面积使得其热阻减少到预定的水平或更少。支撑件接合部分41c具有螺栓42能在垂直方向插入的通孔41c1。
如图4中粗实线示出的，散热油脂43施加于支撑件接合部分41c和支撑件51之间的接合面和连接部分41b和支撑件51之间的接合面以便这些接合面不形成缝隙。显示出高热耐久性和高热传导性的散热油脂43例如由硅制成。散热油脂43起到减小从放热路径构件41到支撑件51的热阻提高其热传导的作用。
支撑照明单元10的支撑件51(热吸收体)由铁杆制成，安装于建筑物上(未示出)。支撑件51具有颠倒的T形横截面，以获得预定表面积，支撑件51的阶梯部分51a具有在垂直方向穿透的螺纹孔51b。当螺栓42旋进螺纹孔51b时，随着支撑件接合部分41c与阶梯部分51a接合，放热路径构件41与支撑件51成为一个单元。
在根据第一实施例具有上述特征的室内聚光灯照明系统中，来自于照明单元10的电灯泡12的热量通过反射板11传导到热电转换模块30。随后，热量通过热电转换模块的下衬底31A(在高温侧)、下部电极32A、热电元件33和上面电极32B传导到上衬底31B(在低温侧)，然后热量通过放热路径构件41传导到支撑件51。
构成支撑件51的铁具有在室温(300K)下大约80.3W/(m.K)的导热率，与空气的导热率(即，大约0.026W/(m.K))相比相当高。因此，热量分配在支撑件51里没有聚集在那里，通过支撑件51的外表面和建筑物的外表面散发，从而热量总是从放热路径构件41有效地传导到支撑件51。
利用这种结构，即使不使用冷却风扇，热转换模块30的上衬底31B的温度仍能保持在低水平，能保持衬底31A和31B之间的预定温差。因此，由于不需要冷却风扇来保持层31A和31B之间的预定温差，由热转换模块30产生的电力能被充分有效的利用。不需要在天花板安装冷却风扇或类似装置的这种结构，由于不需要这种设备也有利于维护。
在第一实施例中，放热路径构件41由铝制成。由于铝具有与空气相比相当高的大约236W/(m.K)的导热率，放热路径构件41能将热量从上衬底31B有效地传导到支撑件51。另外，能减少放热路径构件41的重量，因此能减少照明系统的总重量。
在第一实施例中，传热元件21的顶面是大致垂直于垂直方向的水平表面，顶面几乎与热转换模块30的下衬底31A紧密接触。因此，依靠热性能效应(即，热通常向上传送)，热量能从传热元件21有效传导到热转换模块30的下衬底31A。
在第一实施例中，传热元件21由铝制成。因此，传热元件21能将热量从反射板11有效传导到热转换模块30的下衬底31A。另外，能减少传热元件21的重量，因此能减少照明系统的总重量。
在第一实施例中，暴露于空气中的传热元件21的外表面和反射板11的外周表面用绝缘材料22涂覆，隔热材料22施加于反射板11和传热元件21以便用隔热材料22涂覆的区域面积大约是暴露于空气中的传热元件21的外表面(除顶面)和暴露于空气中反射板11的外周表面总面积的80％。因此，减少了通过反射板11的外周表面和传热元件21的外表面散发到空气中热量值，增加了通过热转换模块30的热量值，能够提高热转换模块30产生电力的效率。
在第一实施例中，如图4所示，放热路径构件41的支撑件接合部分41c形成为能与支撑件51的阶梯部分接合的形状。但是，例如，如图5所示，放热路径构件41的支撑件接合部分41c可制成这样的形状，即，它在支撑件51顶端之上延伸，不仅在一侧上与阶梯部分51a接合而且在另一侧与另一阶梯部分51c接合。在改进的第一实施例中，除了放热路径构件41外，其他元件与上述在第一实施例中类似。因此，和在第一实施例中所用的元件相同的元件，或与在第一实施例中的元件具有共同功能的元件用相同的附图标记标识，省略其重复说明。
根据这个改进，由于支撑件51和放热路径构件41的支撑件接合部分41c的接合面积增加了，和第一实施例的情况比较，热量更有效地从放热路径构件41传导到支撑件51，因此能容易的保持衬底31A和31B之间预定温差。
在第一实施例和其改进的实施例中(下文可称作“第一实施例，等)，本发明的照明系统用于室内聚光灯照明系统。但是，本发明不限于此，并且，例如，如图6和7所示，本发明的照明系统可用于室外夜间照明系统(第二实施例)。第二实施例将重点描述不同于第一实施例中所用的元件。因此，与第一实施例中所用的相同的元件等，或与第一实施例中所用的具有相同功能的元件等用相同的附图标记表示，省略重复说明。
室外夜间照明系统包括经附件113安装于轨道161上的照明单元10。照明单元10包括反射板11，该反射板经传热元件21、热电转换模块30和放热路径构件141与流动的河水151接触。附件113包括螺母113a、支架113b和螺栓113c。支架113b例如由具有低导热率的陶瓷材料制成以便当照明单元10的反射板11经支架113b安装于轨道161时热量不易从反射板11转移到轨道161。
放热路径构件141由大致L状铝杆制成。放热路径构件141包括在水平方向延伸的衬底接合部分141a、从衬底接合部分141a的一端在垂直方向向下延伸的连接部分141b。连接部分141b的下端部分用作与流动的河水151(热吸收体)接触的水接触部分141d。连接部分141b具有这样的尺寸，即，它至少具有预定的横剖面积(例如，具有尺寸30mm×30mm的正方形横剖面)以将电阻减少到预定水平或更低。
在具有上述特征的根据第二实施例的夜间照明系统中，从照明单元10的反射板传导到热电转换模块30的热量通过放热路径构件141传送到流动的河水151。
水具有大约0.6W/m.K的导热率，通常，河水的温度低于空气的温度。因此，热量被分散在流动的河水151中没有聚集在那里，因此热量总是从放热路径构件141有效的传导到流动的河水151中。利用这种结构，类似于第一实施例的情况，即使不使用冷却风扇，仍能保持热电转换模块30的衬底31A和31B之间预定温差，热电转换模块30产生的电力能被充分有效的利用。
在第二实施例中，与第一实施例的情况类似，能减少放热路径构件141的重量，因此能减少照明系统的总重量。另外，由于用隔热材料22涂覆传热元件21暴露于空气的外表面和反射板11暴露于空气中的外周表面，能提高热电转换模块30产生电力的效率。
示例
上述实施例的具体示例将在下面描述。在每个示例中，产生的电力被测量。
示例1：
在示例1中，本发明用于商店内聚光灯照明系统。在示例1中，照明单元10的电灯泡12是180W白炽灯。热电转换模块30的尺寸确定为35mm×35mm×3.5mm，使用190对秘-碲合金制成的P型和N型热电元件33。传热元件21顶面面积确定为14cm2，传热元件21的体积确定为30cm3。用陶瓷涂覆薄膜(即，隔热材料22)涂覆反射板11暴露于空气中的外周表面和传热元件21暴露于空气的外表面(除了顶面)，以使得用材料22涂覆的区域面积占这些外表面总面积的80％。当下衬底31A(高温侧)的温度是130℃时，上衬底31B(低温侧)的温度是45℃；即，当衬底31A和31B之间温差是摄氏85度时，产生4.4W的电力。这样产生的电力被充入蓄电池，用作商店里间歇使用的其它照明装备的电力。
示例2：
在示例2中，与示例1的情况类似，本发明用于商店内聚光灯装置。示例2中，照明单元10的电灯泡12是150W白炽灯。热电转换模块30的尺寸确定为28mm×28mm×3mm，使用127对秘-碲合金制成的P型和N型热电元件33。传热元件21顶面面积确定为10.5cm2，传热元件21的体积确定为21cm3。用陶瓷涂覆薄膜(例如，隔热材料22)涂覆反射板11暴露于空气中的外周表面和传热元件21暴露于空气的外表面(除了顶面)，以使用材料22涂覆的区域面积占这些外表面总面积的80％。当下衬底31A(高温侧)的温度是120℃时，上衬底31B(低温侧)的温度是40℃；即，当衬底31A和31B之间温差是摄氏80度时，产生3.8W的电力。这样产生的电力被充入蓄电池，用作驱动用于广告的电驱动小风扇的驱动电机的电力。
示例3
在示例3中，本发明用于设置在跨越河流的桥栏杆上的夜间照明装置。示例3中，照明单元10的电灯泡12是200W白炽灯。热电转换模块30的尺寸确定为40mm×40mm×3.3mm，使用98对秘-碲合金制成的P型和N型热电元件33。传热元件21顶面面积确定为18cm2，传热元件21的体积确定为36cm3。用陶瓷涂覆薄膜(例如，隔热材料22)涂覆反射板11暴露于空气中的外周表面和传热元件21暴露于空气的外表面(除了顶面)，以使用材料22涂覆的区域面积占这些外表面总面积的60％。当下衬底31A(高温侧)的温度是110℃时，上衬底31B(低温侧)的温度是20℃；即，当衬底31A和31B之间温差是摄氏90度时，产生5.2W的电力。设置十套这样的照明装置，这样产生的电力被充入蓄电池。白天电力用于驱动音乐播放器，或者用作另一种类型照明装置的电力。
在示例3中，热电转换模块30的下衬底31A(高温侧)随着改变用隔热材料22涂覆的区域面积来测量。表1示出结果。
表1
| 隔热材料涂覆面积率 | 0％ | 30％ | 50％ | 80％ | 100％ |
| 高温侧模块温度 | 74℃ | 85℃ | 110℃ | 130℃ | 146℃ |
在此所用的，措辞“隔热材料涂覆面积率”指用隔热材料涂覆的区域面积与反射板11暴露于空气中的外周表面和传热元件21暴露于空气的外表面(除了顶面)的总面积的比率。如表1所示，当隔热材料涂覆面积率是50％或更多时，在层31A和31B之间获得想得到的温差。
在上述实施例中，用隔热材料涂覆的区域面积与反射板11暴露于空气中的外周表面和传热元件21暴露于空气的外表面(除了顶面)的总面积的比率，即，隔热材料涂覆面积率，确定为80％。于是，从表1可见，隔热材料涂覆面积率可适当改变使其落入大于50％小于80％范围内。在电灯泡的耐用性被保持良好的同时，隔热材料涂覆面积率可适当改变，使其落入大于80％且小于100％范围内。
在上述实施例中，所用隔热材料22是具有低导热率的含陶瓷涂覆材料。但是，隔热材料22不必局限于这样的涂覆材料，可以是如玻璃光纤、毡制品或泡沫塑料的隔热材料。
在上述实施例中，传热元件21或放热路径构件41或141由铝制成。但是，这种元件不必由铝制成，例如可由金属如铝合金或铜制成。
在上述实施例中，照明系统使用一个传热元件21、一个热电转换模块30和一个放热路径构件41或141。但是，照明系统可使用多套，每套都包括传热元件、热电转换模块和放热路径构件。
在第一实施例中，附件13由陶瓷制成，在第二实施例中，附件113通过使用陶瓷支架113b而形成。但是，附件13或113可由不同的材料形成，只要热量不易从反射板11通过附件13或113传导即可。
在第二实施例中，传热元件21的顶面是大致垂直于垂直方向的水平表面，且顶面几乎与热电转换模块30的下衬底31A紧密接触。但是，传热元件可被形成为具有大致垂直于垂直方向的水平底面，可设置热电转换模块以使模块的上衬底几乎紧密接触传热元件的底面。这种情况，产生相反极性的电压。
本发明的照明系统不限于上述实施例，可用于，例如，安装在海滨、湖岸、公园等的照明装置，或汽车、摩托车的车灯或类似的地方。
Claims (13)
1.一种照明系统，包括：
照明单元，该照明单元包括光源和反射板，所述反射板能够将来自光源的热量辐射到所述反射板的外周；
热电转换模块，所述热电转换模块包括：一对设置成彼此面对的绝缘体、设置于所述绝缘体的面对表面上预定位置处的电极、以及热电元件，该热电元件的端面结合到所述电极上，其中，所述一对绝缘体中的第一绝缘体设置在所述反射板的外周上；以及
放热路径构件，所述一对绝缘体中的第二绝缘体通过该放热路径构件以可导热方式连接到热吸收体上，该热吸收体的导热率高于空气的导热率，其中
利用从所述第一绝缘体向所述第二绝缘体传递的热量产生电能。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中，所述热吸收体是安装在建筑物中用来支撑所述照明单元的金属支撑元件。
3.如权利要求1所述的照明系统，其中，所述热吸收体是流动的河水、湖水或海水。
4.如权利要求1所述的照明系统，其中，所述放热路径构件由铝或铝合金制成。
5.如权利要求1所述的照明系统，其中，在所述第一绝缘体和所述反射板的外周表面之间设置传热元件。
6.如权利要求5所述的照明系统，其中，所述传热元件具有大致垂直于竖直方向的水平表面，而所述第一绝缘体设置在所述水平表面上。
7.如权利要求5所述的照明系统，其中，所述传热元件由铝或铝合金制成。
8.如权利要求1所述的照明系统，其中，所述反射板的暴露于空气的外周表面的至少一部分被涂覆有隔热材料。
9.如权利要求5所述的照明系统，其中，所述传热元件的暴露于空气的外表面的至少一部分被涂覆有隔热材料。
10.如权利要求5所述的照明系统，其中，所述反射板的暴露于空气的外周表面和所述传热元件的暴露于空气的外表面被涂覆有隔热材料。
11.如权利要求8所述的照明系统，其中，被涂覆有隔热材料的区域的面积为所述反射板的外周表面和所述传热元件的外表面的总面积的50％或更大，优选的为80％或更大。
12.如权利要求9所述的照明系统，其中，被涂覆有隔热材料的区域的面积为所述反射板的外周表面和所述传热元件的外表面的总面积的50％或更大，优选的为80％或更大。
13.如权利要求10所述的照明系统，其中，被涂覆有隔热材料的区域的面积为所述反射板的外周表面和所述传热元件的外表面的总面积的50％或更大，优选的为80％或更大。
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