CN102037279B - 具有散热固定装置的无眩光反射led照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用至少一个发光二极管(“LED”)并背反射收集LED的光的照明装置，和改进的散热固定装置，该固定装置提高了LED产生热量的散热效率，使光阻碍和眩光最小。该照明装置包含主壳体、位于主壳体中的反射器，该反射器具有前侧和后侧；与主壳体的一端热连接的顶部边缘；位于朝向反射器前侧的位置的导热体，该导热体包含与顶部边缘热连接的热管；与导热体热连接的至少一个发光二极管，该至少一个发光二极管置于直接朝向反射器前侧位置，因此该至少一个发光二极管发出的光直接射向反射器的前侧。

Description

具有散热固定装置的无眩光反射LED照明装置
相关申请的交叉参考
本申请为PCT申请，根据35U.S.C§119(e)要求以下的优先权：2008年5月23日提出的申请号为61/055,858的美国临时申请、2008年5月30日提出的申请号为61/057,289的美国临时申请、2008年11月26日提出的申请号为61/118,202的美国临时申请，以上申请的全体引用在此作为参考。
本申请中参考多个专利和参考文献。结合这些专利和参考文献的全部公开在此作为本申请的参考。
技术领域
本发明涉及电发光装置和系统，更具体地，涉及使用至少一个单芯片或多芯片发光二极管(“LED”)并背反射收集LED的光的发光装置，改进的散热固定装置，该装置提高了从LED产生的热量的散热效率，并使光阻碍和眩光最小。
背景技术
多年来，为了满足对内部照明的需要，人们使用传统的白炽或荧光照明装置。但是，这些照明装置具有一些缺点。例如，常用的AR111卤素装置具有以下缺点——能量消耗相对高、由于卤素灯泡的线性视场内设置的金属罩导致光分散效率低，并且对阻止卤素灯泡的眩光效果有限。
近来，设计了大量LED照明装置代替AR111卤素装置和其他传统的白炽或荧光照明装置。典型地，在这些LED照明装置中，LED光源位于反射器的中心，其发出的光直接从反射器向外射出。此外，LED照明装置(例如PAR38)使用多个LED，其发出的光从一个或多个反射器直接向外射出。这些设置无法实现窄光束角，并且由于未对LED光源遮蔽，观测者见到大量的眩光。进一步，这些设置散热效率低，因此在这些设置中使用高能的LED受到限制。
为了克服这些问题，一种可选择的LED照明装置被公开，其使用镜子或反射表面将光向LED光源的反向反射。参见例如McCullough等提交的专利号为US6,976,769、发明名称为“具有热管的发光二极管反射器组件”的美国专利，Jacobson等提交的专利号为US7,246,921、发明名称为“背反射LED光源”的美国专利，和Magna国际公司提交的申请号为W02006/033998、发明名称为“用于固态汽车照明的热量管理系统”。
发明内容
根据以上所述，存在进一步改进现有技术的需求。特别是对LED照明装置的需求，要求能够消除或降低眩光，并具有改进、紧凑的热传导组件，改进LED(例如高能LED)产生的热量的有效散热，同时对光路的防碍最小并且该组件中需要的元件数量最少。
根据本发明的一个方面，照明装置包含主壳体、位于主壳体内具有前侧和后侧的反射器、与主壳体一端热连接的顶部边缘、置于朝向反射器前侧的导热体，导热体包括与顶部边缘热连接的热管，与导热体热连接的至少一个发光二极管，该至少一个发光二极管位于直接朝向反射器的前侧位置，使得由至少一个发光二极管发出的光直接射向发射器前侧。由至少一个LED发出的光基本或完全射向反射器前侧，由反射器前侧基本或全部反射穿过至少一个LED和导热体。
根据本发明的另一个方面，导热体基本为S状并包括条状的中间部分，以及由中间部分延伸的弯曲的侧翼部分，每个弯曲的侧翼部分与顶部边缘相连。导热体的中间部分也可以是基本条状的。
根据本发明的另一个方面，导热体提供使热从至少一个发光二极管向顶部边缘流动的通道。
根据本发明的另一个方面，反射器具有中心光轴，照明装置进一步包括与导热体相连的固定底座，该固定底座靠近或位于反射器中心光轴的位置并与至少一个发光二极管热连接。固定底座由导热材料制成，例如铜、铝或其他任何高导热材料。
根据本发明的另一个方面，导热体是条状的，其中导热体的至少一端与顶部边缘热连接。
根据本发明的另一个方面，反射器具有中心光轴，其中导热体的至少一端靠近或置于反射器中心光轴的位置，并与至少一个发光二极管热连接。
根据本发明的进一步的方面，照明装置进一步包括金属镀层，与导热体的大体部分相连。金属镀层由导热材料制成，例如不锈钢、铝、铜或任何其他高导热材料。
根据本发明的另一个方面，反射器是双曲线状、椭圆状或抛物线状。
根据本发明的另一个方面，顶部边缘是圆状，并由导热材料制成，例如铝、铜、锌或其他高导热材料。
根据本发明的另一个方面，主壳体基本为截头圆锥状，并由导热材料(例如铝、铜、锌或任何其他高导热材料)制成。主壳体包括一个或多个散热片。主壳体也可以是圆柱状或立方体状。
根据本发明的进一步方面，照明装置进一步包括与主壳体相连的塑料壳体，以及与塑料壳体相连的灯座。
根据本发明的另一个方面，灯座是E26灯座、GU10灯座、E27灯座或GU24灯座。
根据本发明的进一步的方面，照明装置进一步包括与至少一个发光二极管热连接的固定板，固定底座与固定板和导热体热连接。固定板由导热材料制成，例如铜或其他任何高导热材料。
根据本发明的进一步的方面，照明装置进一步包括与顶部边缘相连的玻璃罩，其中玻璃罩至少罩住反射器、导热体和至少一个发光二极管，防止与外部环境接触。
根据本发明的另一个方面，照明装置包括具有通常截头圆锥状的主壳体；圆锥状的反射器位于主壳体内，圆锥状的反射器具有前侧、后侧和中心光轴；与主壳体相连的圆状顶部边缘；基本上S状的热管位于朝向圆锥状反射器的前侧位置，基本上S状的热管包含中间部分，该中间部分包含位于或靠近圆锥状反射器中心光轴的固定底座、和两个弯曲的侧翼部分，弯曲的侧翼部分分别与中间部分的每一端相连，并连接到顶部边缘内；
至少一个发光二极管与固定底座热连接，并位于直接朝向圆锥状反射器前侧位置，使得由至少一个发光二极管发出的光直接射向圆锥状反射器的前侧。
根据本发明的进一步的方面，照明装置进一步包括金属芯PCB，其与至少一个发光二极管和固定底座相连。
附图说明
出于说明本发明的目的，附图反应了当前优选的构成，但是需要理解的是本发明并不限于附图中示出的精确构成。
图1是根据本发明的一个方面的照明装置顶部的透视图；
图2是图1中所示的照明装置的底部透视图；
图3是图3中所示的照明装置的底部“X射线”视图；
图4是图1所示照明装置的顶部横截面透视图；
图5是图1所示照明装置的底部横截面透视图；
图6是图1所示照明装置的横截面图；
图7是已知热管的横截面图(出自
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Heat_Pipe_Mechanism.png)；
图8是根据本发明的另一个方面的照明装置的透视图；
图9是图8所示照明装置的底部透视图；
图10是图8所示照明装置的横截面透视图；
图11是图8所示照明装置的另一个横截面透视图；
图12是图8中所示照明装置的分解透视图；
图13是图8中所示照明装置的分解横截面图；
图14是根据本发明的一个方面的导热体(镀层热管)的透视图，其中LED直接连接在该导热体上；
图15是根据本发明的另一个方面的导热体(非镀层热管)的透视图，其中LED直接连接在该导热体上；
图16根据本发明的另一方面的照明装置(其包括S形导热体)的透视图；
图17是图16所示照明装置的侧视图；
图18是图16所示照明装置的横截面透视图；
图19是图16所示照明装置的顶部边缘和散热固定装置(其包括金属镀层、S形导热体、固定底座、固定板和LED)的分解透视图；
图20是图16所示照明装置的顶部(没有玻璃盖板)透视图。
具体实施方式
如图1-6中所示，结合本发明的方面，照明装置1具有与顶部边缘3连接的反射器4，其中顶部边缘3与导热体2连接。导热体2包含被镀层9包覆的热管8，和与反射器4的前侧相对的位于导热体2的一侧的固定底座5。如图3所示，LED 6与金属芯的印刷电路板(“PCB”)7连接，印刷电路板7与固定底座5连接。固定底座5的形状(在本发明的该方面中为圆状)使其能够相对于已经存在的照明装置增加LED的无眩光保护。
本发明的一个方面，LED 6位于反射器4的中心光轴300的上部或靠近反射器4的中心光轴300，使得从LED 6发出的光基本或全部直接射向反射器4的前侧；因此，如图6所示，反射器4能够收集并准直由LED6发出的光，并且反射经准直的光使其远离反射器4、经过LED 6和导热体2。由于导热体2的扁平、狭窄的结构，导热体2几乎不阻止经反射器4反射、准直的光的出射。如图3所示，导热体2扁平、狭窄的结构对经反射器4反射、准直的光的出射产生小的截面10。
本发明的一个方面，LED 6产生的热量沿以下热通路通过该照明装置：金属芯的PCB 7、固定底座5、镀层9、热管8、镀层9、顶部边缘3和反射器4。LED 6产生的热量也可通过金属芯PCB 7、固定底座5、镀层9、热管8、顶部边缘3和反射器4。该顶部边缘3和反射器4用作散热器。
本发明的另一个方面在图8至13中示出。特别地，该照明装置50包括与顶部边缘52相连的反射器53，其中该顶部边缘52与导热体51连接。该导热体51包含热管56，热管包覆有镀层59，固定底座54位于导热体51的一侧，背向反射器53。如图11中所示，LED 55与金属芯的印刷电路板(PCB)60连接，印刷电路板60与固定底座54连接。
本发明的一个方面包括主壳体57，主壳体57具有一个或多个散热片58使得表面积最大；由此，提高散热能力。顶部边缘52、反射器53和主壳体57作为散热器，其中主壳体57作为主要的散热器。
如图10和11中所示，主壳体57与反射器边缘63相连。反射器53和主壳体57之间具有气隙62，如图10和11所示。气隙62的尺寸根据反射器53的尺寸可以变化。LED 55产生的热量经过热通路，热通路包括通过金属芯PCB 60、固定底座54、镀层59、热管56、镀层59、顶部边缘52、反射器53以及主壳体57。热量也可通过金属芯PCB 60、固定底座54、镀层59、热管56、顶部边缘52、反射器53和主壳体57。
图18至20示出了本发明的另一个方面。此处，照明装置500包括主壳体501、具有前侧和后侧的反射器502、与主壳体501相连的顶部边缘503、位于反射器502前侧并与顶部边缘503相连的导热体1000、LED 504位于直接朝向反射器502前侧的位置，使得从LED 504发出的光基本或全部直接射向反射器502的前侧。
如图19所示，导热体1000基本为S状，并包括条状或基本条状的中间部分1001；从中间部分1001的每一端延伸弯曲的侧翼部分1002和1003。如图20所示，弯曲的侧翼部分1002和1003与顶部边缘503相连，其中顶部边缘503具有槽520和521，弯曲的侧翼部分1002和1003分别匹配到槽520和521中，由此，导热体1000和顶部边缘503相连。导热体1000和顶部边缘503也可通过焊接、热环氧树脂或任何其他已知的能将导热体1000与顶部边缘503相连的技术相连。
导热体1000包括固定底座530，固定底座530靠近或位于反射器502的中心光轴，固定板531连接在固定底座530和LED 04之间。导热体1000也包括热管，热管位于中间部分1001处和/或弯曲的侧翼部分1002和1003的之一或全部处。
金属镀层550与导热体1000相连。例如，如图19所示，导热体1000的中间部分1001的大体部分与金属镀层550相连。金属镀层550用作保护并引导电缆或电线沿导热体1000的中间部分1001从顶部边缘503向LED 504延伸。金属镀层由导热材料制成，例如不锈钢、铝、铜或其他任何高导热材料。
如图18所示，本发明包括与顶部边缘503和帽缘509相连的玻璃罩800。玻璃罩800至少防止反射器502、导热体1000、固定底座530、固定板531和LED 504受到外部环境(例如水和灰尘)的损害。玻璃罩也可以与本发明之前的图1-6和8-13的方面结合使用。
本发明也可包括塑料壳体700和灯座701(例如E26灯座、GU10灯座、E27灯座)，该壳体700与主壳体501的底端相连，灯座701与塑料壳体700相连。导热体
如图4和11所示，导热体2、51包含镀有镀层9、59的热管8、56，和位于导热体2、51的一侧、背向反射器4、53的固定底座5、54。镀层9、59由导热材料制成，例如铝、铜、石墨或锌，并可包括固定底座5、54。镀层9、59可用于增强结构强度的热管8、56，有助于向热管转移并传输LED6、55发出的热量，并有助于向散热器(例如顶部边缘3、52，反射器4、53和主壳体57)转移并传输热管8、56的热量。
如上所述，如图19所示，导热体100与金属镀层550相连。金属镀层550覆盖导热体1000的中间部分1001的大体部分，使用该金属镀层550出于美观的目的，其保护位于导热体1000和金属镀层550之间的电缆或电线，和/或将上述电缆或电线导引到LED 504。金属镀层550由导热材料制成，例如不锈钢、铝、铜或任何其他高导热材料。
可选择地，如图14所示，LED 91直接附着在导热体90上(通过镀层93的固定底座92)。
本申请的另一个方面，热管无镀层。例如图15示出了导热体1000，其中LED 103连接到固定底座102上，依次直接与热管101相连。固定底座102是圆柱状，部分或全部地围住至少热管101的中心。
热管(如热管8、56、101)由多孔铜混合大量填充纯净水的腔制成。如图7所示，当热管中的水吸收热源发出的能量时会蒸发。见图7中的400。蒸发的水沿蒸气腔移动至热管较冷部分。见图7中的401。此处，蒸气快速冷却并重新凝结为液体，并且该液体被吸液芯吸收，释放热量。见图7中的402。然后，液体沿着内腔返回至加热部分(见图7中403)，并重复前述的热管热循环。热管使用前述的机制将热量从LED转移至散热器(例如顶部边缘3、52，反射器4、53和主壳体57、501)。
为了使光吸收最小，热管可以是扁平为薄带状(在横截面方向)。
本发明的另外一个方面，其包括具有一个或多个热管的导热体。对于多个热管，每个热管都与靠近或位于反射器中心光轴的中心体(类似车轮的轮辐)相连。中心体作为一个或多个LED的固定底座，由导热材料(例如铝、铜或任何其他高导热的材料)制成。
本发明的另一方面，导热体向上延伸到反射器的中心轴或靠近反射器的中心轴，只在一个连接点(如图1中的连接点900或901，或图8中的连接点910或911)与顶部边缘连接。因此，导热体不会在图1和8中形成顶部边缘的弦或直径。位于或靠近反射器的中心轴的导热体包括固定底座，LED直接连接固定底座，或LED连接到金属芯PCB或固定板，再连接到固定底座。本发明的可选择方面减少了由于导热体引起的光阻碍，并改善了透镜效率，同时提高了散热和无眩光。
固定底座5、54、102和530由导热材料制成，例如铝、铜或任何其他高导热材料。如前述，相对于已知的照明装置，固定底座提供增强的LED无眩光保护。在本发明中，消除(或至少减少)了LED直接眩光的可能性，因为(1)LED连接在固定底座上并置于直接朝向反射器的位置，从而LED发出的光基本或全部射向反射器，并且(2)固定底座的形状(例如，圆形)阻止任何视角的LED的直接视线。
反射器
反射器4、53和502由导热材料(例如铝)制成，并作为散热器。可选择地，反射器4、53和502也可由非导热材料(例如塑料)制成。
如图6所示，LED 6发出的光基本或全部射向反射器4，其中反射器4将由LED 6发出的光准直为光束并将该光束以特定光束角反射。光束角在2到60的半高宽(“FWHM”)角度。为了消除或降低眩光，本发明中的反射器4设计为可基本或全部收集由LED 6发出的光，通过使光改变方向，消除(或至少减弱)本发明中直接眩光区域的亮度(例如，相对垂直大概45到85度)。
反射器4、53和502可以是不同的形状，以实现不同光束模式。可以是任何的圆锥截面(例如，双曲线、椭圆或抛物线)的形状，使用不常见或各种组成构成的二维或三维形状。
LED
LED是具有一个或多个芯片的LED模块。LED是高能的LED。本发明中可使用一个或多个LED。
LED 6、55和504与金属芯PCB 7、60或固定板531相连。可选择地，LED91、103与固定底座92和102相连。LED可以焊接到金属芯PCB、固定板或固定底座上。导热膏、热酯、锡焊、回流焊或其他任何现有技术中已知的焊接材料或技术可用于将LED连接到金属芯PCB、固定板或固定底座上。金属芯PCB或固定板
本发明包括金属芯PCB(见图3和12中的金属芯PCB 7、60)。金属芯PCB包括LED电路并作为传热介质。例如，金属芯PCB包括金属基板(铜或铝，厚度大概为0.8至3mm)、电介质层(碾压在金属基板上，厚度大概为0.1mm)和铜电路通道(印刷在电介质层上，厚度大概为0.05至0.2mm)。
可选择地，如图15和16中所示，为了进一步降低热阻，本发明中并不包括金属芯PCB。由此，降低了LED的结温并增加了LED的最大功率。
可选择地，如图19所示，使用固定板531，其中LED 504和固定底座530相连。固定板由导热材料制成，例如铜或任何其他高导热材料，厚度大概在0.8到3mm之间。现有技术中常用的机械技术(例如螺钉)可用于将固定板连接至固定底座，固定板和固定底座之间可使用具有高导热性的热酯或导热膏。
顶部边缘和帽缘
顶部边缘3、52和503由导热材料制成，例如铝、铜或锌或任何其他高导热材料。顶部边缘3作为主要的散热器(例如，见图1)，或像顶部边缘52、503一样，作为次要的散热器(例如，见图8和18)。
如图16和18所示，本发明包括帽缘509，其有助于把玻璃罩800安全固定到顶部边缘503。
主壳体、塑料壳体和灯座
主壳体57、501由导热材料制成，例如铝、铜、锌或任何其他高导热材料。主壳体57、501作为主要的散热器(例如，见图8和17)。如图8和17所示，主壳体57和501具有一个或多个散热片58或570，和/或采用类似圆锥状的形状增加表面面积以提高散热能力。主壳体57、501基本为截头圆锥状。主壳体也可以为圆柱状或立方状。
本发明的一个方面，主壳体57、501的一端与塑料壳体700相连，塑料壳体700与灯座701相连(例如，E26灯座、GU10灯座、E27灯座、GU24灯座)。塑料壳体700包含主电路板，并使该主电路板与主壳体57、501电绝缘。
对于本领域技术人员而言，主壳体可以与本发明图1-6中提出的方面并用，塑料壳体700和灯座701可用于图1-6和图8-13中的方面。
尽管说明并描述了特定的实施例，本领域技术人员将意识到多种改变和/或等同实现可用示出并描述的特定实施例代替，这并不偏离本发明的保护范围。本申请意旨覆盖任何基于此处讨论的特定实施例改变或变化。因此，本发明仅限于权利要求和其等同替代。

Claims (17)

1.一种照明装置，其包括：
主壳体；
置于主壳体内的反射器，该反射器具有前侧和后侧；
与主壳体一端热连接的顶部边缘；
置于朝向反射器前侧的位置的导热体，该导热体包含与顶部边缘热连接的热管；
与导热体热连接的至少一个发光二极管，该至少一个发光二极管位于直接朝向反射器前侧的位置，使得由该至少一个发光二极管发出的光直接射向反射器的前侧，
其中导热体基本为S状，并包括条状的中间部分和从中间部分延伸的弯曲的侧翼部分，每个弯曲的侧翼部分与顶部边缘相连，其中顶部边缘具有槽，每个弯曲的侧翼部分匹配到槽中，其中热管位于中间部分处和弯曲的侧翼部分的之一或全部处。
2.如权利要求1所述的照明装置，其中导热体提供使热量从至少一个发光二极管向顶部边缘流动的通路。
3.如权利要求1所述的照明装置，其中反射器具有中心光轴，照明装置进一步包括：
固定底座，其与反射器的前侧相对地位于导热体的一侧，与导热体相连，且置于靠近或位于反射器中心光轴的位置并与至少一个发光二极管热连接。
4.如权利要求3所述的照明装置，其中固定底座由铜或铝制成。
5.如权利要求1所述的照明装置，进一步包含与导热体连接的金属镀层，发光二极管通过固定底座直接附着在导热体上。
6.如权利要求5所述的照明装置，其中金属镀层由不锈钢、铝或铜制成。
7.如权利要求1所述的照明装置，其中反射器的形状为双曲线状、椭圆状或抛物线状。
8.如权利要求1所述的照明装置，其中顶部边缘是圆形并由导热材料制成。
9.如权利要求1所述的照明装置，其中主壳体形状大体为截头圆锥状、圆柱状或立方状，并由导热材料制成。
10.如权利要求1所述的照明装置，其中主壳体包含一个或多个散热片。
11.如权利要求9所述的照明装置，进一步包括：
与主壳体相连的塑料壳体；和
与塑料壳体相连的灯座。
12.如权利要求11所述的照明装置，其中灯座是E26灯座、GU10灯座、E27灯座或GU10灯座。
13.如权利要求1所述的照明装置，进一步包括：
与至少一个发光二极管热连接的固定板；和
与固定板和导热体热连接的固定底座。
14.如权利要求13所述的照明装置，其中固定板由铜制成。
15.如权利要求1所述的照明装置，进一步包括与顶部边缘连接的玻璃罩，其中玻璃罩至少覆盖反射器、导热体和至少一个发光二极管，防止与外部环境接触。
16.一种照明装置，其包括：
具有大体上截头圆锥状的主壳体；
位于主壳体内的圆锥状反射器，圆锥状反射器具有前侧、后侧和中心光轴；
与主壳体相连的圆状顶部边缘；
基本上为S状的热管，其位于面向圆锥状反射器前侧的位置，该基本上为S状的热管包含中间部分和两个弯曲的侧翼部分，该中间部分包含位于热管的一侧、位于或靠近圆锥状反射器中心光轴的固定底座，该弯曲的侧翼部分分别与中间部分的每一端相连，并连接到顶部边缘内，其中顶部边缘具有槽，每个弯曲的侧翼部分匹配到槽中；
至少一个发光二极管与固定底座热连接，并位于直接朝向圆锥状反射器前侧的位置，使得至少一个发光二极管发出的光直接射向圆锥状反射器的前侧。
17.如权利要求16所述的照明装置，进一步包括与至少一个发光二极管和固定底座连接的金属芯PCB。
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