CN101517316A - 用于提供光源的冷却的照明组件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提供光源(101)的冷却的照明组件(100)，该照明组件包括：散热装置(102)，该散热装置包括用于散逸由该光源(101)产生的热的相变材料；用于该散热装置(102)的有源冷却的装置(106)；以及用于在关掉该光源时启动该有源冷却装置的装置(105)。根据本发明的照明组件使得在连续多次接通光源时两个接通阶段之间的所必需的断开阶段最小。同时，本发明提供一种在光源的接通阶段期间安静的且无振动地对光源的冷却，并且因此在断开光源时促进由包括相变材料的散热装置接收到的热的散逸。本发明还涉及一种相应的用于为照明组件的光源提供冷却的方法。

Description

用于提供光源的冷却的照明组件和方法
技术领域
本发明总体上涉及一种用于冷却光源的照明组件和方法，且具体地涉及一种改进的照明组件和一种用于冷却布置在摄影机中的光源的方法。
背景技术
在一个包括如卤素光源或高输出发光二极管(LED)这样的高强度光源的系统中，通常需要一种散逸由这种光源辐射的热的布置，以保持规定的工作温度范围。这对LED尤为重要，因为持续的高工作温度对LED寿命和光学性能具有不利影响。高工作温度还会大大加速流明损耗。
一种对LED器件的有利的示范性应用是：在用于记录图像和声音的摄影机中，这种摄影机可能布置在便携式移动电话中。在这种情况中，在低照明水平下该LED将对照明场景有帮助。在这样的情况中，保持该LED器件在特定工作温度范围更是必要，因为若该LED的温度超过规定工作温度范围，则该LED的光谱分布将改变。光谱分布的改变将影响该记录的白平衡。
对于这种问题通常的解决方案是在该LED附近布置有源冷却器件，如风扇，以助于散逸由该光源辐射的热。然而由于风扇既产生噪声又产生振动，因此，这种解决方案是不利的。该振动将影响图像的稳定性，而噪声将使得已记录的声音失真。
美国专利US 2005/0276053对这种问题提出了解决方案，通过在摄像头内布置照明系统。该照明系统包括多个LED、用于支撑这些LED的平台和热装置，这些LED用于产生受控的照明条件，这种热装置如散热装置，这种散热装置可包括相变材料(PCM)，以储存由这些LED所产生的热。
在本领域中，通过相变材料的无源冷却是公知的，该无源冷却特别应用在例如小的且重量轻的便携式电子设备中。相变材料是一种能够储存或释放大量能量的材料组合物。最初，这些固液PCM像常规的储存材料如水一样发挥作用，当这些固液PCM吸收散逸的热时，它们的温度升高。不过，与常规的储存材料不同，当这些PCM达到它们变相的温度(它们的熔点)时，这些PCM吸收大量的热而不会变得更热。当在该PCM材料滴(drop)周围的空间内的环境温度降低时，该PCM固化，从而释放其所储存的潜在的热。因此，这些PCM吸收并散发热量，从而保持接近恒温状态。
不过，当在上述所揭示的照明系统中将在散热装置中的所有相变材料熔化时，该散热装置的温度持续增加直到达到稳定的温度。达到这种稳定状态和达到该稳定状态的温度值的时间由该散热装置的冷却表面和可感测的热决定。在断开照明系统中的这些LED后，该散热装置冷却下来。该散热装置的温度降低直到该PCM的凝固温度(等于该熔化温度)，由于这种PCM的温度稳定性，所以在此凝固温度，该散热装置的进一步冷却急剧降低。当将在照明系统中的这些LED连续地多次接通时会产生问题。当两个接通阶段之间的断开阶段太短时，在该接通阶段的启动温度已太高，这严重地限制了该第二阶段，从而停留在这些LED的特定的工作温度。一个明显的解决方案往往是包括更多的相变材料，但是为保持该应用重量轻和紧凑，这并不是一种可行的解决方案。
因此，需要一种改进的照明组件和一种用于冷却光源的方法，基本上克服了现有技术中的至少一些缺点，且更特别地克服了或至少减轻了在摄影机中的光源冷却的问题。
发明内容
上述目的通过分别由权利要求1和权利要求8所限定的一种改进的照明组件和一种用于冷却光源的方法来实现。所附的从属权利要求限定根据本发明的有利实施例。
根据本发明的一个方面，提供一种用于提供光源冷却的照明组件，该照明组件包括散热装置，用于该散热装置的有源冷却的装置；以及用于在关掉该光源时启动该有源冷却装置的启动装置。该散热装置包括用于散逸该光源产生的热的相变材料。
如上所述，在将该光源连续多次接通的组件中，该光源的工作的两个阶段(即接通阶段)之间的断开阶段须足够长，使布置在该散热装置中的该PCM足够地冷却下来，以允许该光源的第二接通阶段有足够的长度。利用根据本发明的组件，可缩短该断开阶段，因为在将光源断开(即断开阶段)时，该有源冷却装置促进对由散热装置(该散热装置包括该PCM)所接收的热的散逸。同时，在该光源接通且该有源冷却装置关闭阶段，通过这种PCM来提供安静且无振动的对这种光源的冷却。此外，上述组件有可能最小化需要布置在该散热装置中的相变材料的量，从而使这种组件更加紧凑，这种紧凑的组件优选用于小型手持器件。
例如，优选使用布置在该散热装置附近的温度传感器来测量该散热装置的温度。然后将该温度与第一预定阈值进行比较，其中，若该温度在第一预定阈值以上，则启动装置将启动该有源冷却装置。正如技术人员所理解的那样，在已经接通该光源后，随后无需经常启动该有源冷却装置。然而这取决于在一个接通阶段之后该散热装置的温度、该散热装置的尺寸、布置在该散热装置内的PCM的量、假定的随后的接通阶段、周围环境的温度等。
在一个优选实施例中，该散热装置包括通道列，将该相变材料布置在这些通道周围，且使由该有源冷却装置提供的冷却气流流过这些通道。例如，这可以通过将该相变材料布置在贮存器中获得，其中，该贮存器包括贯通孔或贯通通道，已将该有源冷却装置的流出物(outflow)连接到该贮存器的贯通孔。在一些实施例中，这也许是一个有利的解决办法，不仅因为其加速了由该散热装置接收到的热的散逸，而且还因为在这种情况下的冷却气流不必在该散热装置的外部周围流动。
例如，该有源冷却装置可由合成射流模块(synthetic jet module)、电风扇或压电冷却器提供。因为该合成射流模块既紧凑又非常有效，因此，该合成喷射器是优选的实施例。典型的合成喷射器包括位于一个小室的一侧处的声学致动器(压电元件)，所述小室的一侧被一个小孔口相对，该小孔口通常是一个孔或狭缝。施加电压到该声学致动器使之振动，且将外部空气通过该小孔口迅速进入该室，然后紊流地排出。
若该散热装置的温度升高到第二预定阈值之上，则包括使该有源冷却装置的启动失效(override)的功能是有利的。例如，若接通阶段如此之长以至于包括该相变材料的散热装置达到最大工作温度，则允许具有启动该有源冷却装置的可能性。如上所述，超过最大规定的工作温度将严重限制该热源的寿命。
该光源优选包括在该照明组件中。
在一个实施例中，将上述照明组件布置在摄影机系统中，该摄影机系统还包括应用于记录图像的摄影机。在一个摄影机系统中，如一个用户的摄影机系统，当由该摄影机系统记录的场景太暗以至于不能成功记录时，需要用于照亮该场景的光源。如所理解的，该光源优选应非常亮，这样大体上将导致该光源变得非常温暖。此外，该摄影机系统须紧凑。通过使用如上所述的布置，由于如上所述的有源和无源冷却装置的有利的结合，鉴于所布置的用于接收该光源散逸的热的该散热装置可以是小的散热装置，所以使得设计紧凑的摄影机系统成为可能。因为在该光打开(并且因此记录)时该有源冷却装置大体上断开，因此，该有源冷却装置将不妨碍该记录。相反，当该记录和光断开时，该有源冷却装置开始工作。
根据本发明的另一方面，提供一种用于为照明组件提供光源冷却的方法，该照明组件包括：散热装置，该散热装置包括用于散逸该光源产生的热的相变材料；以及启动该散热装置的冷却的有源冷却装置。该方法包括以下步骤：在断开该光源时启动该有源冷却装置。如上所述，关于本发明的第一方面，该方法缩短用于该光源的必要的断开阶段，而同时在该光源的接通阶段(通过该相变材料)提供安静且无振动的对该光源的冷却。
当研究所附的权利要求和下面的描述时，就会明白本发明的进一步的特点和优点。本领域技术人员意识到可将本发明的不同的特点结合以创造多个实施例而不是仅限于以下描述的这些实施例。
附图说明
参考附图详细地描述本发明的这些和其它方面，这些附图示出了本发明目前所优选的实施例，其中：
图1是示出了根据本发明的实施例的照明组件的实施例的示意性框图；
图2是示出了示于图1中的照明组件的工作期间布置在该散热装置内的相变材料的温度的曲线图；
图3示意地示出了包括根据本发明的实施例的照明组件的摄影机系统。
具体实施方式
现在参看附图且特别参看附图1，图中示出了照明组件100的示意性框图，该照明组件100包括具有九个发光二极管(LED)L1-L9的照明模块101，而且还包括密封的散热装置102，该散热装置102具有布置在该散热装置102内的相变材料(PCM)。照明模块101和散热装置102与温度传感器103一起布置在板104上，照明模块101和散热装置102与温度传感器103彼此热耦合。组件100进一步包括启动装置，在图所示的实施例中，这种启动装置是控制单元105，该控制单元105被配置为接收来自温度传感器103的信号，并且控制照明模块101。控制单元105也控制呈合成射流模块106形式的有源冷却装置，合成射流模块106输出由箭头C1-C3示出的冷却气流。由合成射流模块106输出的该冷却气流由散热装置102的三个相应的输入端I1-I3接收。布置在密封的散热装置102内部且由该相变材料包围的这些通道连接该输入端I1-I3和布置在散热装置102顶部的输出端O1-O9。在一个实施例中，以一种类似于梳子的方式布置该密封的散热装置102，其中，将输出端O1-O9布置在该梳子的齿之间的空间中。该散热装置大体上由具有高热导性的材料如铝构成，且布置成使该散热装置具有与该光源的热连接。
照明模块101可包括任意数量的LED。照明模块101也可以或者可替代地包括其它类型的光源，例如，OLED、PLED、(固态)激光器或它们的组合。这对散热装置102来说同样重要，该散热装置102可包括不同类型的相变材料，如以PCM为基材的石蜡。此外，可将该冷却气流布置成通过冷却散热装置102的外部来冷却散热装置102，或者它们的结合。合成射流模块106总体上简单且不包括摩耗的摩擦部件。此外，合成射流模块106原则上与小型立体声扬声器(在该小型立体声扬声器中，隔膜安装在具有一个或多个孔口的空腔内)类似。电磁或压电驱动器引起该隔膜每秒振动100次到200次，将周围的空气吸入该空腔然后再排出。该模块的空气进入和排出的迅速循环产生脉动射流，可将该脉动射流指向精确的冷却所需要的位置，在这里指向散热装置102的输入端I1-I3。
控制单元105可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另外的可编程器件。控制单元105还可以或替代地包括特定应用的集成电路、可编程门阵列逻辑、可编程逻辑器件、数字信号处理器等。在控制单元105包括诸如上面提到的微处理器或微控制器的可编程器件时，该处理器还可包括计算机可执行代码，该计算机可执行代码控制该可程序化器件的工作。
在照明组件100的工作期间，控制单元105接收控制信号，该控制信号指示照明模块101即将被启动。控制单元105启动照明模块101使得这些LED L1-L9接通，且将光从照明组件100发出。在这种情况中，包括PCM的散热装置102将提供照明模块101的无源冷却。控制单元105再接收控制信号，该控制信号指示应断开照明模块101和/或指示其中布置有照明组件100的系统对由合成射流模块106产生的噪音和振动不敏感。控制单元105将断开照明模块101。在这一点上，相反，控制单元105将启动该有源冷却装置，即合成射流模块106。即将开始产生冷却气流的合成射流模块106将会开始冷却包括PCM的散热装置102，从而将布置在散热装置102内的PCM的固化状态加速。之后，若再将照明模块101打开，则合成射流模块106被断开。
可选地，将从温度传感器103接收的采样温度信号与第一预定温度阈值进行比较是可能的，该采样温度信号与热连接板104的温度有关。该第一预定温度阈值与该相变材料的熔化温度有关。在该可选的情况中，若发现该温度在该第一预定温度阈值以上且照明模块101被断开，则控制单元105将仅仅启动合成射流模块106。同时，控制单元105将开始周期性地采集从温度传感器103接收到的温度信号，该温度信号与热连接板104的温度有关，并因此与散热装置102的温度有关。
作为安全的预防措施，可连续地采集该温度，甚至在照明模块101接通时也是如此。在这种情况下，将该温度与第二预定温度阈值进行比较，该第二预定温度阈值与这些LED L1-L9的最大工作温度有关。若发现由温度传感器测量的温度在这些LED L1-L9的最大工作温度以上，则即使照明模块101接通，控制单元105使控制单元105通常的控制模式无效，且启动合成射流模块106，在这种情况下合成射流模块106将开始有源地冷却散热装置。不过，这通常是不必要的，此外，在其中布置有照明组件100的系统对由合成射流模块106产生的噪音和振动敏感的情况下，也许会提供干扰。
正如技术人员所理解的那样，如上所述的照明组件100可以是一个集成的单元，其中，例如，在此情形中具有集成有源冷却装置的散热装置102的底部构成用于照明模块101的配件的底部。可将控制单元105与照明组件100集成在一起。其中包括照明组件100的系统中的处理装置也可替代专用控制单元105使用，或者与专用控制单元105一起使用。
在图2中描述了根据本发明的照明组件100的工作期间布置在散热装置102内部的相变材料的温度之间的关系曲线200，且不同的时间阶段，即四个不同的“区段”，在该不同的时间阶段期间，由来自照明组件101辐射的光加热散热装置102且由该有源冷却装置冷却散热装置102。在本实施例中，该PCM是以石蜡为基材的相变材料。
在第一区段A中，将照明组件101接通且该PCM的温度开始增加直到该温度达到该PCM的熔化温度。在已经描述的实施例中，将该第一预定温度阈值选择为与该PCM的熔化温度一样，例如47℃。而且，然后该散热装置的温升在区段B慢下来，因为区段B是PCM变相并吸收由照明模块101所散逸的大量的热而并不变得太热的阶段。
然而，在区段C中，所有的PCM已熔化，且散热装置102的温度以及在散热装置102内的PCM的温度将因此升高，直到散热装置的最大稳定状态温度。总体上，将散热装置102的尺寸以及布置在散热装置102内部的PCM的量设计成使得散热装置102的稳定状态温度将不超过照明模块101的最大工作温度。然而，在一些情形中，例如，当照明组件101工作环境的环境温度非常高时，如上所述，使该有源冷却装置的启动无效且即使接通照明模块101也启动合成射流模块106会是必需的。在这种情形中，将第二温度阈值选择为照明模块102的最大工作温度，例如70℃。此外，在一个可替代的实施例中，调整来自该有源冷却装置的冷却气流是可能的。例如，在该有源冷却装置是风扇的情形中，这可通过调节该风扇的速度来获得。这将使得噪音和振动最小化。例如，在这种情形中使该有源冷却装置的启动失效。
在区段D中，将照明模块101断开，且将该有源冷却装置启动。合成射流模块106将提供该相变材料的迅速的温降以使该断开阶段最小，这样，使得随后接通照明模块101能够在下一个照明模块101的接通阶段没有太高的开始温度的问题。这将延长第二接通阶段，这样，在将这些LED接通时，使之在LED的具体工作温度范围内保持较长时间段而不启动有源冷却装置更容易。保持在工作温度范围之内将大体上延长该光源的寿命，即这些LED的寿命。
此外，阶段D进一步描述了虚线201，该虚线示出了在现有技术的布置中的相变材料的温降，其中，在断开该光源时不使用有源冷却。在这种情形中，该相变材料的温降慢得多。正如技术人员所理解的那样，除了其他情形之外，在根据本发明的布置与现有技术的布置之间，关于从该PCM的最大温度至所期望温度的温降的时间差与该有源冷却装置的容量有关。
图3示出了摄影机系统300，该摄影机系统包括适于记录图像的摄影机301以及如上所述的与图1相关的照明组件100。已将照明组件100集成在视频闪光单元302中，此外还包括用于聚焦由照明组件100发射的光的镜头303。将视频闪光单元302进一步配备用于允许气流通过散热装置102的贯通通道的装置(未示出)。在这种情形中，视频闪光单元302的有源冷却由风扇提供，且提供带有进口孔和出口孔的视频闪光单元302是必需的。不过，当在视频闪光单元302中的有源冷却由合成射流提供时，不需要该冷却进口孔。如上所述，因为在该光打开(并且因此记录)时，通常断开该有源冷却，因此，该有源冷却将不妨碍该记录。相反，当该记录和光断开时，发生该有源冷却。
在本领域中的人员意识到本发明不会受到上述优选实施例的限制。相反，在附加的权利要求书的范围内许多修改和变形都是可能的。例如，本发明也可与不同类型的紧凑的电子设备结合，例如，与具有连续模式或升降LED光的彩色可变LED闪光单元结合。此外，将散热装置设计成能够使该散热装置包括正常的用于进一步便于该散热装置的冷却的散热装置法兰。例如，若实施的限制使得不可能集成由该散热装置内部的PCM所围绕的贯通通道，则这样的实施例也许是必需的。

Claims (8)

1.一种用于提供光源(101)的冷却的照明组件(100)，所述照明组件(100)包括：
散热装置(102)，所述散热装置(102)包括用于散逸所述光源(101)产生的热的相变材料；
用于所述散热装置(102)的有源冷却的装置(106)；以及
用于在断开所述光源时启动所述有源冷却装置的装置(105)。
2.如权利要求1所述的照明组件，其中，所述启动装置还适于在断开所述光源时且所述散热装置的温度处于第一预定阈值之上时启动所述有源冷却装置。
3.如前所述的任意一个权利要求所述的照明组件，其中，所述散热装置包括通道列，将所述相变材料布置在所述通道周围，且使由所述有源冷却装置提供的冷却气流适于流过所述通道。
4.如前所述的任意一个权利要求所述的照明组件，其中，从包括合成射流模块、风扇和压电冷却器的组中选择所述有源冷却装置。
5.如前所述的任意一个权利要求所述的照明组件，其中，若所述散热装置的温度处于第二预定阈值之上，则所述启动装置还适于使所述有源冷却装置的启动失效。
6.如前所述的任意一个权利要求所述的照明组件，其中，所述光源包括在所述照明组件中。
7.一种摄影机系统(300)，所述摄影机系统(300)包括：
适于录制影像的摄影机(301)；
根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述的照明组件。
8.一种用于为照明组件(100)提供光源(101)冷却的方法，所述照明组件(100)包括：散热装置(102)，所述散热装置(102)包括用于散逸由所述光源(101)产生的热的相变材料，并且所述照明组件(100)还包括用于所述散热装置(102)的有源冷却的装置(106)；所述方法包括以下步骤：
在断开所述光源(101)时启动所述有源冷却装置。
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