CN101331358A - 照明器件和用于制造照明器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括LED单元(5)、准直仪(2)和壳体(3)的照明器件(1)，这种LED单元(5)仅刚性耦合到准直仪(2)，以使无实质上的力可加到这种LED单元(5)。在壳体(3)中的腔体(12)内提供一种非刚性传热介质(10)，以散逸由这种LED单元(5)所产生的热。因此，这种LED单元(5)至少部分地含在传热介质(10)中。

Description

照明器件和用于制造照明器件的方法
技术领域
本发明涉及照明器件和用于制造这种器件的方法。
背景技术
近些年以来，将半导体发光器件如LED用于汽车和普通照明用途。所称的“高功率”LED的最近的进展展示出非常高的光通量，并允许将单LED而不是灯泡用于照明用途。
一方面，出于高的光通量、这些器件的高功率消耗(＞1W)和小波形因数(form factor)的原因，必须将这种器件所产生的热适当散逸，因为LED的功效在高温时受到很大的影响。另一方面，由于特定用途的要求，将光学系统如准直仪或反射器用在许多用途中，以引导光，这种特定用途如汽车大灯。在现有技术中，通常用刚性散热器与反射器之间的LED布置来解决这种问题。不过，由于这种LED刚性安装在这两个元件之间，所以对LED施加力，这种力可损坏这种发光器件，尤其是在汽车用途中。
WO-A-2004/038759中公开了这种问题的一种解决方法。正如可从图11中看出的那样，将LED 10安装在热管64的顶部上，热管64用于散逸在LED 10中所产生的热。将一种TIR(全内反射)反射器10b布置在顶部上，但并不接触LED 10，从而在这两个元件之间形成一种凹入空间。用指数匹配的流体(index-matching fluid)填充TIR反射器10b与LED 10之间的凹入空间。
不过，由于这种指数匹配的流体、这种LED和TIR反射器的不同热膨胀系数的问题的原因，这种类型的照明器件的使用寿命有限，这就可导致这种器件在高温时破裂。而且，现有技术中的器件的这种指数匹配的流体引起降质问题，且填充工艺增加了制造这种器件的难度。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种照明器件，这种照明器件展示出增强的机械支撑，而保持良好的热散逸。
根据本发明，这种目的由根据权利要求1的照明器件和根据权利要求11的用于制造照明器件的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
根据本发明的照明器件包括至少一个LED单元并可包括多个LED单元。这种LED单元包括至少一个半导体发光器件(LED)，优选是制造用于照明目的的高功率LED。或者，可将多个LED用在单LED单元中，例如，以在单LED模片或多个LED模片上的阵列的形式，以实现高光通量。这种LED单元还可包括用于向这种LED提供电能的驱动电路或其它电子或机械元器件，如引线，以及用于支撑这种LED或热散逸装置的安装座。这种LED单元仅刚性耦合到一种准直仪。通过本发明，术语“刚性耦合”包括任何类型的连接或固定，这种连接或固定允许向LED单元施加力，例如，这种力呈振动的形式。仅刚性耦合到准直仪即LED单元仅刚性连接到单元器件或点是有利的，因为无实质上的力可施加到这种LED单元，例如，这种实质上的力会由于振动的原因而出现在汽车用途中。将这些实质上的力理解为包括在如由振动导致的受迫断裂或破裂方面能够损坏LED单元或LED单元的任何元器件的力。
准直仪可以是任何适当的类型。例如，可采用用离子交换玻璃材料制成的GRIN透镜(梯度指数透镜，gradient index lens)。一般来讲，可用任何适当的材料如塑料或玻璃制成这种准直仪。在本发明的上下文中，将术语“准直仪”理解为也包括任何适当类型的反射器。准直仪至少部分地安装在一种壳体中，可用任何适当的材料制成这种壳体，这种材料能够提供足够的稳定性以支撑准直仪。例如，采用金属材料或塑料。优选这种壳体通过用导热材料制成或通过适当的结构性装置如冷却片能够散逸由这种LED产生的热。还可将带有分立的LED单元或共用的LED单元的多个准直仪布置在单壳体内。
根据本发明，这种壳体包括一种腔体，这种腔体内含有非刚性传热介质。这种腔体可以是任何形状和体积，且根据这种传热介质确定这种腔体的尺寸，以将这种LED单元至少部分地包含在这种介质中。因此，应将准直仪相应地安装到壳体。一般来讲，希望在LED单元与传热介质之间有良好的热接触。优选将这种腔体完全密封，以使这种传热介质在这种发光器件的使用寿命内保持在腔体中。
非刚性传热介质可以是任何类型，这种非刚性传热介质导热，以散逸在这种LED单元中产生的热。将“非刚性”理解为包括所有的材料，这些材料并不形成到这种LED单元的硬连接，即这种介质并不将实质上的力传递到这种LED单元。如上所述，基本理念是仅将这种LED单元刚性连接到准直仪，即连接到单元器件，以使无实质上的力施加到这种LED单元，否则，这些实质上的力可将LED单元损坏。
在优选实施例中，准直仪是一种TIR(全内反射)准直仪，这种准直仪也称为TIR反射器。TIR准直仪允许良好的准直性能并提供高光学功效。TIR准直仪提供＞90％的功效。通常可根据所使用的波长范围用任何适当的材料制成这种TIR准直仪。作为示例，适当的材料有玻璃或透明的陶瓷材料。就容易制造方面而言，特别优选用透明塑料制成这种TIR准直仪。适当的塑料包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸脂或COC(环形烯烃共聚物)。根据用途，可用在理想波长范围内的反射涂层部分地涂覆这种TIR准直仪，或用一种覆层部分地涂覆这种TIR准直仪，以支持全内反射，以进一步地增强光学功效。尤其可将反射涂层涂覆到这种TIR准直仪的安装这种LED单元的部分，因为出于在这些表面上的光入射角的原因，在该区域内难以实现全内反射。
优选用无机胶合剂、玻璃粉(glass frites)或特别优选用注模将这种LED单元耦合到这种准直仪。因此，准直仪应提供适当的保持装置，这种保持装置如在准直仪中形成的凹部。在使用无机胶合剂时，应将这种无机胶合剂涂覆在LED单元与准直仪之间，即在光学路径中，优选这种胶合剂应符合准直仪的反射指数。在用玻璃制成这种准直仪的情形中，优选使用玻璃粉。在本发明中，利用热和压力将具有准直仪的折射指数的流体玻璃粉用于将LED单元连接到准直仪。
还可通过注模将LED单元耦合到准直仪。优选在用塑料制成这种准直仪的情况下采用这种耦合，例如，在使用TIR准直仪时。注模尤为有利，因为可实现LED模片的表面与准直仪的直接接触，这样就可避免由折射指数的突然变化所导致的损失。因此，由于准直仪的全内反射性能与降低的反射损失的结合，所以就可实现特别高的功效，这种降低的反射损失由LEDTIR与准直仪的直接接触所导致。可直接将这种TIR准直仪注模在LED单元上，这就允许容易而有成本效率的制造工艺。
根据本发明的进展，传热介质呈凝胶状或特别优选是液体。这种传热介质通常应允许LED单元与周围的壳体之间的足够的热传导。由于这种传热介质还不应有刚性，所以凝胶状或液体介质特别有利。适当的材料的实例有水、矿物油或合成油。传热介质还可以是一种前面所提及的类型的组合，这些类型带有支持传热性能的结构，如一种多孔纤维结构，凝胶状或液体介质在这种多孔纤维结构中。最优选这种传热介质是一种液体。液体通常展示出高密度并因此而展示出良好的热导性能。而且，液体通常在LED单元与壳体之间提供极好的热接触。特别优选将这种LED单元浸在这种液体中。
热输送机构可以是一种对流类型的机构或者是一种热管机构。对于对流类型的机构而言，适当的液体应具有比LED单元的工作温度高的沸点，以使液体介质不完全蒸发，液体介质的完全蒸发往往会阻碍散热。一般来讲，当LED本身或LED单元的任何电子器件与这种流体直接接触时，这种液体还应具有电气隔离性能。不过，可将导电流体用作至电源的连接，只要对这种LED单元进行相应的设计。当使用TIR准直仪且这种液体与这种TIR准直仪直接接触时，有必要用覆层或涂层将这种TIR准直仪的裸露表面涂覆，以保持全内反射性能。覆层的必要性自然取决于TIR准直仪与所使用的流体的折射指数的差异。
或者，这种传热介质可以是一种热管流体。热管流体能够有效地输送热。在热管机构中，将热管介质布置在密封腔体中，这种密封腔体与热源紧密接触。由于在热源产生的热的原因，热管流体的一部分蒸发。然后，蒸汽在腔体的较冷的散热器凝结并随后回流到该热源。热管流体在热源由在LED单元产生的热蒸发。因此，蒸汽在腔体的冷壁凝结，然后回流到LED单元，这种冷壁用作一种散热器。因此，必须将腔体设计成使热管流体的不受阻碍的回流以及循环流可以进行。例如，可将腔体的内壁设计成使回流仅可通过重力进行。由于这通常取决于安装位置，所以优选将纤维多孔结构或灯芯状结构用在腔体内部，以通过毛细管力促使热管流体的回流，以使热管流体的循环流得到保持，即便是在逆着重力引导回流时也是如此。特别优选腔体的内壁包括毛细管结构或动脉状结构，以促进热管流体的循环流。为了获得热管流体的足够的蒸发并因此而获得从LED单元的热散逸，LED单元不可由多孔材料完全包围。
适当的热管流体的实例有氨水、甲醇、PP2、乙醇、水或它们的溶液和混合物。适当的热管流体通常应允许在由LED源的温度要求所规定的温度范围内以及用途的温度条件下的工作。这在大多数情况下意味着在25℃与100℃之间的范围内的工作温度。
在另一个优选实施例中，将壳体的腔体的尺寸确定为使LED单元至少部分地容纳在液体传递介质中，而与照明器件的安装位置无关。这种构造允许照明器件的通用工作位置，这种通用工作位置提供较高的使用灵活性。因此，确定壳体的腔体的尺寸或结构，而与传热介质的量和粘度无关，以使LED单元与传热介质之间的足够的热接触总是得到保持。
根据本发明的另一种进展，LED单元包括一种散热器。这种散热器有利地增强热接触并因此而增强从LED单元至传热介质的热散逸。这种散热器可以是一种小型安装座并通常用热导材料制成，LED安装在这种散热器上，且这种热导材料如DBC(直接结合铜)、陶瓷、硅或金属材料。还可将一种子安装座布置在LED与散热器之间，例如，这种子安装座用陶瓷或硅材料制成。散热器应尽可能地轻，以减少由重力施加到LED单元的力。最优选将这种散热器耦合到准直仪。
在另一个优选实施例中，准直仪的表面包括连接到LED单元的至少一个导电层，这种导电层设计用于将LED单元连接到电源。可利用CVD或PVD方法如通过等离子体溅射将一种导电层涂覆到准直仪，且这种导电层可至少将准直仪的一部分覆盖。适当的材料包括铝、铜或银。在传热介质导电或形成一个以上的导电层的情况下，可将隔离涂层涂覆到该导电层，这种隔离涂层如一种隔离漆。正如前面所描述的那样，这种导电层还可用作反射层或覆层。导电层允许以各种公式将电源连接到LED单元。例如，这种导电层可将电源的正终端连接到LED单元，而导电传热介质将电源的接地终端连接到LED单元。而且，还可在准直仪上形成相互隔离的两个导电层，以将LED单元与电源连接。还可在准直仪上布置一种结构化层，这种结构化层能够将电源的两个终端连接到LED单元。
适当的电源包括恒流电源、带有电阻器的电压电源、降压变换器、增压变换器或降压增压变换器。Zukauskas等人所著的“Introduction tosolid state Lighting”(2002，第7章)一文中公开了一种电源的实例。不过，电源还可以是一种简单的电池或整流电源连接。
在根据本发明的一种制造方法中，降LED单元刚性耦合到准直仪。这种方法包括用如无机胶合剂将LED单元耦合到以前形成的准直仪。这种方法还包括连同耦合到LED单元的准直仪的形成，例如，此时，准直仪用塑料制成，并直接注模到LED单元上。
附图说明
从参考下面描述的实施例就会明白本发明的这些和其它方面，且参考下面描述的实施例对本发明的这些和其它方面进行说明。在附图中：
图1示出了根据本发明的照明器件的第一实施例的示意性截面图，
图2示出了处于第二位置的第一实施例的示意性截面图，
图3示出了处于另一种位置的第一实施例的截面图，
图4示出了示于图1中的实施例的沿A-A′线的截面图，
图5示出了根据本发明第二实施例的截面图，
图6a示出了一种层结构的第一实例的示意图，
图6b示出了一种层结构的另一种实例的示意图，
图7示出了根据本发明的第三实施例的示意图，
图8示出了根据本发明的第四实施例的示意图，
图9示出了根据本发明的第五实施例的示意图。
具体实施方式
参看视图，图1示出了根据本发明的第一实施例的照明器件1的示意性截面侧视图。在此实施例中，将用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成的TIR准直仪2安装在壳体3中。用环氧胶合剂将准直仪2的发光前表面安装到壳体3的上部分，以使壳体3和准直仪2形成一种密封的腔体12，这种密封的腔体12在准直仪2周围延伸。这种壳体包括几个散热片4，以散逸在照明器件1中所产生的热。LED单元5包括LED模片6和散热器7，并刚性连接到准直仪2的下部分。为了建立这种刚性连接，将用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成的准直仪2直接注模到LED单元5上。由于在涂覆到LED单元5时准直仪2的这种PMMA原材料是流体，所以就实现了一种完美的贴合。因此，在光学路径中无气隙的出现，这样就会由于耦合损失的减少而产生高的光学功效。
LED模片6包括几个由于驱动LED的电路。利用设在层结构8中的导电层13将LED模片6电气连接到电源(未示出)，这种层结构8设在准直仪2的表面的一部分上。除了发光前表面之外，准直仪2的表面的其余部分由一种覆层(未示出)覆盖，以在准直仪2与设在腔体12内的热管流体10直接接触时，全内反射性能总是得到保持。在此实施例中，将乙醇用作热管流体10。
将这些导电层13连接到线9，这些线9连接到电源。层结构8的构造的实施例在图6a和图6b中示出并且在下面进行描述。散热器7用DBC(直接结合铜)制成并用于增强与设在腔体12中的热管流体10的热接触，LED单元5部分地浸在腔体12中。
为了将由LED模片6在工作时所产生的热输送到壳体3之外，将热管流体10由LED单元5加热并蒸发。热管流体10的热蒸汽在壳体3的冷壁和/或准直仪2凝结，然后回流到包围LED单元的热管流体10的储存罐。利用这种机构保持稳定的循环流。
将壳体3的腔体12设计成使LED单元5至少部分地仅在热管流体10中，而与工作位置无关。处于第二位置的图1中的实施例的截面图在图2中示出。正如可从图2中看出的那样，热管流体10的量与腔体12的尺寸相匹配，以使LED单元5至少部分地仅在热管流体10中。为了使足够的流体能够在每个可能的安装位置循环，仅在发光前表面将准直仪2连接到壳体3，如图4所示，图4示出了沿A-A′线的截面图。这样，在每个安装位置，凝结的热管流体就可回流到储存罐10。
图3示出了处于第三工作位置的示于图1中的实施例。出于腔体12的这种设计的原因，LED单元5同样也部分地浸在热管流体10中，即便是在照明器件1略微倾斜的情况下。虽然在图中并未示出，但就壳体3的增强的冷却而言，布置更多数量的散热片4是有利的，这些散热片4在壳体3的外周缘，如图5所示。
或者，除了前面所提及的之外，还可使用一种对流类型的传热介质，而不是热管流体5。在此情形中，应将这些散热片4设在热流体与壳体3接触的位置。
图5示出了根据本发明的照明器件10的第二实施例。与示于图1中的第一实施例相比，将多孔材料11布置在腔体12内。
多孔介质11包括纤维结构，以增强热管流体10的循环。在此实施例中含在部分地包围LED单元5的多孔介质11内的热管流体5由于在LED单元5中所产生的热而蒸发。正如前面所描述的那样，热蒸汽在壳体3的冷壁和/或实体准直仪2凝结。然后，凝结的流体至少部分地由多孔介质11吸收并加到LED单元5。因此，多孔介质11包括纤维结构，以使源自流体浓缩物的梯度的毛细管力导致凝结的流体向LED单元5的传导。
图6a示出了在准直仪2的表面上形成的层结构8的第一实例的示意图。这种层构造用在示于图1的实施例中。这种层结构包括一种反射涂层14，这种反射涂层14在准直仪2的表面上直接形成。由于在准直仪2的表面上的光的入射角在LED单元5附近的区域大，所以难以实现全内反射性能。因此，反射涂层14增强照明器件1的光学功效。两个导电层13在反射涂层14上形成，这两个导电层13相互分离，并通过隔离漆16与反射涂层14分离。最外导电层13也用隔离漆16覆盖，以将该导电层13相应地与腔体12的内部和热管流体10隔离。这些导电层13将LED模片5的电气终端连接到这些线9。虽然图中示出了两个堆叠的导电层13，但也可在单层中形成两个相互电气隔离的导电结构。这些导电层13和反射层14包括铝，用真空淀积工艺形成这种铝。虽然将铝用在本实施例中，但其它的导电金属材料或合金也可用于导电层13的形成。可根据照明器件1的波长范围选择用于反射涂层14的材料。用标准类型的用于容纳金属(或腔体导电材料)淀积的漆形成漆层16。
图6b示出了层结构8的另一个实例的示意图。示于该图中的实例描述了层结构8的一种更简单的构造。在此实例中，在准直仪2的表面上形成单导电层13。导电层13用铝制成，并且如前面所描述的那样也用作一种反射涂层。用漆16覆盖导电层13以将该层与腔体12的内部隔离。由于在此实例中仅有一个导电结构即导电层13出于层结构8中，所以仅可将LED模片6的一个电气终端通过层结构8连接到电源。可将LED模片6的另一个电气终端用线9直接连接到电源，如在图5的实施例中示范性地示出的那样。或者，正如前面所说明的那样，可利用热管流体10将LED模片6的另一个电气终端连接。在此情形中，热管流体10应提供一种良好的电气传导。LED单元5和壳体3应提供电气终端，以连接到热管流体10。
图7示出了照明器件1的第三实施例的示意性侧视图。在此实例中，准直仪2部分地安装在壳体3中，以使LED单元5布置在腔体12内并因此而与热管流体10直接接触。这样，有利的是，正如前面所提及的那样，就不必采用准直仪2的表面上的覆层，因为可与热管流体接触的该表面的部分由层结构8所覆盖。
图8和图9示出了照明器件1的其它实施例。示于图8中的第四实施例有在LED单元5上的三个LED模片6。单准直仪2′适合于这些LED模片6的布置。这样就可实现较高水平的光通量。示于图9中的第五实施例具有类似于示于图8中的实施例的设置。图9示出了连同在共用散热器7上的相应的LED模片6的三个准直仪2。这种布置允许照明器件1的容易的适应性。虽然在图中并未示出，但可容易地根据用途提高/缩减所使用的LED的数量。例如，在要求RGB色彩混合时，数量为三个的有色彩LED可能会有利。
本说明书中所描述的实施例旨在说明而不在于限制。权利要求书中的任何附图标记的使用并不限制相应的权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种照明器件，所述照明器件包括：
LED单元(5)，
准直仪(2)，所述准直仪(2)至少部分地安装在壳体(3)内，以及
非刚性传热介质，所述非刚性传热介质包含在所述壳体(3)内的腔体(12)中，其中
所述LED单元(5)仅刚性耦合到所述准直仪(2)且至少部分地含在所述传热介质中，以散逸由所述LED单元(5)所产生的热。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述准直仪是TIR准直仪(2)。
3.如前面的权利要求中的任一项所述的器件，其特征在于：用无机胶合剂、玻璃粉或通过注模将所述LED单元(5)耦合到所述准直仪(2)。
4.如前面的权利要求中的任一项所述的器件，其特征在于：所述传热介质呈凝胶状或者是液体。
5.如权利要求4所述的器件，其特征在于：确定所述腔体(12)的尺寸，以使所述LED单元(5)至少部分地含在所述液体传热介质中，而与所述照明器件(1)的安装位置无关。
6.如权利要求4至5之一所述的器件，其特征在于：所述液体传热介质是热管流体(10)。
7.如前面的权利要求中的任一项所述的器件，其特征在于：所述腔体(12)包括多孔纤维结构或灯芯状结构。
8.如前面的权利要求中的任一项所述的器件，其特征在于：所述LED单元包括散热器(7)。
9.如前面的权利要求中的任一项所述的器件，其特征在于：所述准直仪(2)的表面包括连接到所述LED单元(5)的至少一个导电层(13)，所述导电层(13)设计用于将所述LED单元(5)连接到电源。
10.一种照明系统，所述照明系统包括如前面的权利要求中的任一项所述的照明器件(1)和电源单元，所述电源单元连接到所述LED单元(5)。
11.一种用于照明器件(1)的制造方法，其中：
准直仪(2)刚性耦合到LED单元(5)，
所述准直仪(2)至少部分地安装在壳体(3)内，以及
将非刚性传热介质加到腔体(12)中，所述腔体(12)设在所述壳体(3)内，以使
所述LED单元(5)至少部分地含在所述传热介质中。
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