CN102246372A

CN102246372A - 用于灯具的冷却装置

Info

Publication number: CN102246372A
Application number: CN2009801502642A
Authority: CN
Inventors: V·S·D·吉伦; A·德文特; T·C·特鲁尔涅特; R·W·C·范德维肯; J·A·雷伯根; G·C·G·M·曼德斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV; Signify Holding BV
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: CN102246372B; RU2513026C2; US8851714B2; RU2011129343A; KR101650715B1; JP5406937B2; EP2377215A1; JP2012512501A; KR20110095413A; TWI469463B; TW201034327A; US20110242829A1; WO2010070484A1; EP2377215B1

Abstract

冷却装置(100)包括：源电极(102)、布置在离源电极(102)一定距离处的第一目标电极和第二目标电极(104、106)以及用于对施加在源电极(102)与第一目标电极和第二目标电极(104、106)中的至少一个电极之间的电压进行控制的控制电路。对电压进行控制，使得在源电极(102)与第一目标电极和第二目标电极(104，106)中的至少一个电极之间的电势差产生的气流被布置成具有交替方向。借助于本发明，可以提供与常规热沉和风扇系统相比具有相似或者更好性能、但是具有较小尺寸和较小重量以及安静的对设备的冷却。

Description

用于灯具的冷却装置

技术领域

本发明涉及用于提供对设备的冷却的装置，具体地涉及包括这种冷却装置的灯具。本发明还涉及相应的方法。

背景技术

近来，在增加发光二极管(LED)亮度方面已经有很大进展。结果，LED已经变得足够的明亮并且足够廉价以作为在例如照明装置(例如具有可调整颜色的灯)中的光源使用。通过混合不同颜色的LED，可以生成任何数目的颜色，例如白色。通常通过使用多个原色来构建可调整颜色的照明系统，并且在一个示例中使用红、绿、蓝三原色。所生成的光的颜色由所使用的LED以及混合比率决定。为了生成“白色”，需要开启所有三个LED。

在例如工业产品和消费产品中，高功率LED用来在诸如汽车、工业、背光显示器和建筑细节照明系统之类的应用中代替传统白炽灯泡。然而，高功率LED当在传统照明应用中使用时遭受高热负载的影响。LED的重要参数(例如效率、寿命以及颜色)对LED的温度非常敏感，因此进行热管理是LED照明应用中的关键问题，在其中颜色控制对于提供有用应用而言至关重要的可调整颜色照明系统中尤其如此。当然对白色LED(例如磷光体涂覆的不同类型LED)以上同样很重要。

进行用于降低热负载的热管理的一种流行方式是将LED安装在印刷电路板(PCB)上，并且使PCB装备有热沉或者使PCB的金属层的一部分专用于这个目的。由于热沉需要相当大以提供对LED的必要冷却，这种类型的冷却装置通常较笨重。通过添加向热沉吹动空气的风扇可以使用较小热沉。然而，风扇将会消耗额外功率，并且通常将向照明装置添加不希望的噪声。

另外，风扇易于磨损，从而限制了它们的寿命和可靠性。此外，较大的笨重结构妨碍设计雅致并且精美的照明系统。在专利申请US2007/0002534中提出了一种更有效并且更精美的冷却装置，该冷却装置涉及具有静电流动调节器(modifier)的冷却装置。流动调节器被提供用于引导来自风扇的气流以提供增加的从布置流动调节器的设备表面的热转移。然而，即使引用的专利申请的冷却装置也不能解决摆脱笨重风扇的问题。

因此，存在对关于设备的冷却进行改善的需求，并且更具体地存在对克服或者至少减轻现有技术的笨重冷却组件的问题的需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，通过冷却装置满足以上需求，该冷却装置包括：源电极，用于生成空气离子；第一目标电极和第二目标电极，布置在离源电极一定距离处；以及控制电路，用于对施加在第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极之间的电压进行控制，其中对电压的施加进行控制使得通过交替地分别在源电极与第一目标电极之间以及在源电极与第二目标电极之间施加电压，将第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极之间的电势差产生的气流布置成具有交替方向。

本发明的一般概念基于以下事实：有可能通过使用包括源电极和设置在源电极下游的至少第一目标电极和第二目标电极的冷却装置在所谓电离子风的帮助下输运空气。应当注意到，有可能(并且在本发明的范围内)使用多于第一目标电极和第二目标电极的电极。优选地，电极连接到具有如下电压的电压源的相应端子，该电压使得在源电极处发生电子放电，从而生成空气离子。电子放电导致具有与源电极相同极性的空气离子，并且可能导致带电的所谓喷雾(即空气中存在的固体颗粒或者液体小滴)，其中颗粒或者小滴在与带电的空气离子碰撞时被充电。在电场的影响下，空气离子快速地从源电极移动到第一目标电极和第二目标电极中的至少一个，在此处空气离子交出它们的电荷并且变成再充电的空气分子。在这个移动中，空气离子不断地与不带电的空气分子碰撞并因而将静电力转移到这些后者空气分子，因此空气离子在从源电极朝向目标电极的方向上被牵引，从而引起所谓离子风形式的空气输运通过中空结构。

借助于本发明的该方面，有可能提供与常规热沉和风扇系统相比具有相似或者更好性能、但是具有较小尺寸和重量以及能够安静操作的对设备(例如灯具)的冷却。由于在热源(例如灯具的光源)附近生成集中的气流的可能性，还可以减少对热沉、风扇、热胶等的需求。优选地，源电极是电晕电极。因此，电子放电是生成空气离子的电晕放电。

第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极的距离应当比发生电击穿的距离大。在一个实施方式中，第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极(例如电晕电极)之间的电势差足够用于电晕电极处周围空气中的分子的电离和后续从所述电极朝向目标电极的空气流动。优选地，在低电压操作中对冷却装置进行驱动，从而提高提供安全并且可靠的装置的可能性。

可以以不同的方式布置源电极与第一目标电极和第二目标电极。在一个实施方式中，电极布置在承载构件上，承载构件并不限制性地例如由具有壳的中空结构表示。在这样的情况中，电极可以涂覆在中空结构的内部上。例如，第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极可以布置在中空结构的壳的内部上(例如作为壳内部上的涂层)。在另一实施方式中，第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极可以替代地(或者还)布置在衬底上(在这个情况中表示承载构件)，例如固定在中空结构的第一部分和第二部分之间。优选地，可以用贵金属涂覆源电极、第一目标电极和第二目标电极和/或壳的内表面，这将会减少并且有可能破坏可以在源电极处生成的臭氧(ozone)。

在一个实施方式中，中空结构包括流入部分和流出部分。同时，中空结构可以被布置成使得它包括至少一个开口，该开口具有朝向中空结构内部的圆锥形状的空气入口以用于提供文丘里(Venturi)效应。以下将进一步讨论关于本发明的文丘里效应。优选地，开口被布置成与需要冷却的设备(诸如光源)紧密连接。

在本发明的有利实施方式中，冷却装置与光源布置在一起，从而形成灯具。为了获得高能量效率，光源优选地选自包括以下的群组：发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管(PLED)、无机LED、冷阴极荧光灯(CCFL)、热阴极荧光灯(HCFL)、等离子体灯等。如以上提到的，与通常至多将所使用的电功率的约6％递送为光形式的常规灯泡相比，LED具有高得多的能量效率。本领域技术人员将会理解，当然可以使用标准白炽光源，例如氩光源、氪光源和/或者氙光源。在甚至更优选的实施方式中，光源可以包括多个不同颜色的LED，以用于提供具有可调整颜色的灯具或者替代地提供诸如磷光体涂覆的不同类型的LED(例如远程磷光体LED)之类的白色LED。

在灯具的可能实现方式中，中空结构中的朝向中空结构外部的圆锥形状的空气入口侧可以包括反射构件。这样的反射构件可以被设置为用于灯具的光源的反射体，例如当圆锥形状的开口被布置成与光源连接时。应当注意到，包括反射构件的圆锥形状的开口可以被提供任何以上讨论的本发明的冷却装置的实施方式。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于使灯具冷却的方法，该方法包括：提供承载构件；将用于生成空气离子的源电极布置在承载构件上；将第一目标电极和第二目标电极布置在承载构件上，其中所述第一目标电极和第二目标电极被布置在离源电极一定距离处；对施加在第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极之间的电压进行控制，其中对电压进行控制使得通过交替地分别在源电极与第一目标电极之间以及在源电极与第二目标电极之间施加电压，将第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极之间的电势差产生的气流布置成具有交替方向。

借助于本发明的这个方面，可以以如上面关于本发明的第一方面描述的相似和类似的方式提供与常规热沉和风扇系统相比具有相似或者更好性能、但是具有较小尺寸和重量以及能够安静操作的对设备(例如灯具)的冷却。由于在热源(例如灯具的光源)附近生成集中的气流的可能性，还可以减少对热沉、风扇、热胶等的需求。另外，这个方面提供了使用不同类型的承载构件的可能性，例如具有壳的中空结构，或者例如PCB的衬底。当然其他特定于实现的解决方案也是可能的。

在研究附随权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将会变得明显。本领域技术人员意识到，可以组合本发明的不同特征以创建与以下描述的不同的实施方式，而不脱离本发明的范围。

附图说明

从以下详细描述和附随的附图将容易理解本发明的各种方面，包括本发明的特定特征和优点，其中：

图1是根据本发明的目前优选实施方式的概念上的冷却装置的示意性图示；

图2是根据本发明的另一目前优选实施方式的冷却装置的示意性图示；

图3是包括根据本发明的示例性冷却装置的灯具的示意性图示；以及

图4是包括根据本发明的示例性冷却装置的不同灯具的示意性图示。

具体实施方式

现在此后将关于附随附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的目前优选实施方式。然而本发明可以体现为许多不同形式，并且不应当被解释成限于在此陈述的实施方式；相反，这些实施方式仅为了深刻和完整的目的而提供，并且全面地向本领域技术人员传达了本发明的范围。相似的参考字符通篇指代相似的元件。

现在参照附图并且具体来说参照图1描绘根据本发明的目前优选实施方式的冷却装置的示意性图示。图1a示出了冷却装置100的分离部件，包括以电晕电极102形式存在的源电极102、第一目标电极104和第二目标电极106。另外，冷却装置100包括第一包围件108和第二包围件110，它们分别适于装配在电晕电极102以及目标电极104和目标电极106之上并且为冷却装置100提供壳。相应的包围件优选地包括形成为用于气流流入和气流流出的端部。在图1b中示出了冷却装置100的功能，标识了当在电晕电极102和目标电极104、目标电极106之间施加电势差时冷却装置100的气流方向。作为示例，在图1b中在电晕电极102与目标电极106之间提供了电势差，而同时另一目标电极104被保持在基本上与电晕电极102相同的电压电势处。因此，并且如以上讨论的，为了其他的安全理由，应保持电晕电极102和目标电极106之间的电势差尽可能低。然而，在一个示例性但是非限制性实施方式中，电晕电极102和目标电极106之间的电势差至少为7kV(并且优选地大于10kV)，有可能产生1m/s-3m/s左右的气流。在相同实施方式中，电晕电极102和目标电极104之间的距离可以选择为近似7mm左右。

通过提供电势差，在电晕电极102处将会发生电子放电，而这继而将会生成空气离子。即电子放电导致具有与电晕电极102的极性相同的空气离子并且可能也导致带电的所谓喷雾(即空气中存在的固体颗粒或者液体小滴)，其中颗粒或者小滴当与带电的空气离子碰撞时被充电。在电场的影响下，空气离子快速地从电晕电极102移动到目标电极106，在此处空气离子交出它们的电荷并且变成再充电的空气分子。在这个移动中，空气离子不断地与不带电的空气分子碰撞，并且因此将静电力转移到这些后者空气分子，因此空气离子在从源电极朝向目标电极的方向上被牵引，从而引起离子风形式的气流通过包围件108、包围件110。在包围件110最接近目标电极106的端点处，将存在如箭头所标识的流出，而在包围件108最接近另一目标电极104的端点处将存在流入。在图1c中改变电势差，在这个情况中使得在电晕电极102和第一目标电极104之间施加电势差，引起在与图1b相反方向上的气流。类似地，在第二目标电极106处的电压电势可能被保持在基本上与电晕电极102处的电平相同的电平上。另外，为了最小化臭氧的可能生成，用贵金属(例如金或者银)涂覆、电镀或者制造电晕电极102和/或者目标电极104、目标电极106可能是适当的。

优选地，图1b和图1c中示出的操作连续并且多次发生，从而引起可以适合于对例如灯具进行冷却的交替气流。为了对在电晕电极102与第一目标电极104和第二目标电极106中的至少一个电极之间的电势差的这种交替施加进行控制，可以例如使用控制电路(未示出)。控制电路可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或者其他可编程器件。控制电路可以另外或者替代地包括专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或者数字信号处理器。在控制电路包括诸如以上提到的微处理器或者微控制器之类的可编程器件的情况下，处理器可以进一步包括用于对可编程器件的操作进行控制的计算机可执行代码。另外，控制电路可以包括输入，以用于接收来自布置在旨在借助于冷却装置100冷却的物体(例如LED或者灯具)附近的传感器的温度指示，从而提供附加的控制能力。

现在转到图2，其中图示了根据本发明的另一目前优选实施方式的冷却装置200的示意性图示。冷却装置200被设置成与诸如印刷电路板(PCB)之类的衬底相接合，在该PCB上布置第一电晕电极202、第二电晕电极204、第一目标电极206以及第二目标电极208。此外，在PCB上还附加设置了诸如发光器件(LED)210之类的光源。在LED 210的操作期间，使用散热器212来将生成的热输运离开LED 210，并且将热散布到较大空间上。

还可能在PCB的相对侧上设置相似的装置。从而电离可以在PCB的两侧上有效发生。电离将仅发生在锋利、带正电的电极处或者说电晕电极处。因此，空气将仅在每半个阶段上从LED的一侧移位到另一侧。在使用高电压AC发生器的示例性情况中，下一半阶段中空气移动的方向改变。气流的方向上的改变因此等于AC频率。

因此，在冷却装置200的操作期间，在第一阶段期间，将在第一电晕电极202和第一目标电极206之间施加电势差。该操作与结合图1b描述的操作类似。即，气流将开始在从第一电晕电极202朝向第一目标电极206的方向上流动。在第二阶段期间，将替代地在第二电晕电极204和第二目标电极208之间施加电势差，因此引起在基本上相反方向上的气流。在图2中还提供了第一电晕电极202的截面的详细视图。详细视图图示了第一电晕电极的示例性实现方式，包括用于标定电晕电极202的尺寸的四个长度/宽度标识L₁-L₄。在非限制性实施方式中，长度L₁和长度L₂可以在从1mm-5mm的范围内选择，而电晕电极部分的宽度L₃可以保持在近似0.25mm左右，有可能在开放端附近具有明显的三角形边缘。另外，两个不同电晕电极部分之间的距离可以从1mm-3mm中选择。然而，本领域技术人员认识到，可以例如依赖于电晕电极和目标电极之间施加的电势差而选择不同长度宽度。以上描绘的实施方式仅并入了一个冷却装置200，但是应当理解到，可以利用仅一个中心高电压发生器来构建这种单元的阵列。

图3继续图示包括根据本发明的示例性冷却装置200的灯具300的示意性图示。首先，在图3a中提供了灯具300的概念上的透视侧面图，在该灯具300内部可以布置基于PCB的冷却装置200。与在图1中图示的冷却装置100相比，图3a的冷却装置300还包括两个包围部分302和304，这两个包围部分已经被改造为例如借助于卡扣(snap)装配固定PCB 200。另外，灯具300包括在包围部分302和包围部分304中的至少一个中的圆锥形状开口306。在灯具300内部的冷却装置200的操作期间，开口306将作为文丘里开口起作用以允许实现文丘里效应。文丘里效应是当不可压缩的流体流动通过管道的收缩部分时产生的流体压力(例如气压)。因此，文丘里效应可以从伯努利定律和连续性方程导出。即，通过收缩气流的速率必须增加以满足连续性方程，而同时由于能量守恒气流的压力必须减小：动能的增益通过压力降低或者压力梯度力来供给。因此，第一方向上的气流将会引起PCB的两侧处并且有可能在灯具300的相对侧上的附加开口处的压力下降，从而引起空气被吸入通过开口306。这与喷射碰撞类似，而差别是通过开口的气流由开口出口处的压力下降引起，而不是由开口入口处的压力增加引起。

优选地，开口306可以紧邻LED 210的周围布置(例如图3b中所图示)，并且也可以被反射涂层覆盖以允许开口还作为LED 210的反射体起作用。图3b还另外图示了在灯具300的相对侧使用开口308。另外，图3b借助于箭头示出了通过灯具300的气流的交替方向。与图1的冷却装置100类似，包围部分302和包围部分304的端部开放以用于允许自由气流，从而形成空气入口/出口。然而，可以设置不同结构，包括例如布置在空气入口/出口内的过滤构件。

最后，图4a-图4c中分别示出了包括根据本发明的不同实施方式的冷却装置的灯具400的又一实施方式的横截面、透视顶视图和侧视图。灯具400还包括LED 402、与LED 402相邻布置的散热层(例如铜)404、电晕电极406和目标电极408，它们一起形成灯具400的“顶部部分”。另外，灯具400包括布置在“底部部分”上的多个间隔元件410和中心地定位的喷嘴412(空气入口/出口开口)。顶部部分和底部部分可以借助于例如胶、熔化、卡扣装配或者任何其他适当的方法连接在一起。

灯具400的功能与关于图2和图3描述的实施方式类似。然而，差别是灯具400并不利用文丘里效应，而是通过借助于电晕风在体积(由顶部区域和底部区域上的多个间隔元件410形成)的内部中心处建立压力下降而直接引起喷射撞击冷却效应。在这个情况中，冷却空气通过喷嘴412被吸入，通过PCB上的散热表面而变热，然后被以放射方式从中心向外吹出。

简而言之，根据本发明可以提供冷却装置，该冷却布置包括源电极、布置在离源电极一定距离处的第一目标电极和第二目标电极、具有壳的中空结构以及用于对施加在第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极和源电极之间的电压进行控制的控制电路。对电压进行控制使得将第一目标电极和第二目标电极中的至少一个电极与源电极之间的电势差产生的气流布置成具有交替方向。借助于本发明，可以提供与常规热沉和风扇系统相比具有相似或者更好性能、但是具有较小尺寸和重量以及更安静的对设备的冷却。

虽然已经关于其特定示例性实施方式对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说许多不同替代、修改等将变得明显。例如，离子驱动的冷却可以应用在诸如背光、改装LED灯、LED下照灯等之类的大型LED阵列系统中。而且，关于在电晕电极和目标电极之间施加电势差一般性地描述了以上冷却装置。电势差的施加当然可以借助于AC电压或者DC电压之一来提供。另外，在实践要求保护的发明时，从对附图、公开以及附随权利要求的研究，本领域技术人员将会理解并且实行公开的实施方式的变形。在权利要求中，词“包括”并不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一个”并不排除多个。单个处理器或者其他单元可以实现权利要求中记载的若干项功能。仅在相互不同的从属权利要求中记载某些手段的事实并不意味着不能有利地使用这些手段的组合。

Claims

1.一种冷却装置，包括：

源电极，用于生成空气离子；

第一目标电极和第二目标电极，布置在离所述源电极一定距离处；以及

控制电路，用于对施加在所述源电极与所述第一目标电极和所述第二目标电极中的至少一个电极之间的电压进行控制，

其中对所述电压的所述施加进行控制，使得通过交替地分别在所述源电极与所述第一目标电极之间以及在所述源电极与所述第二目标电极之间施加所述电压，将所述第一目标电极和所述第二目标电极中的至少一个电极与所述源电极之间的电势差产生的气流布置成具有交替方向。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，进一步包括具有壳的中空结构，其中所述源电极与所述第一目标电极和所述第二目标电极被布置在所述中空结构的内部。

3.根据权利要求1和权利要求2中任一项所述的冷却装置，其中所述源电极是电晕电极。

4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中所述第一目标电极和所述第二目标电极中的至少一个电极与所述源电极之间的距离比在所述电压处发生电击穿的距离大。

5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中所述第一目标电极和所述第二目标电极中的至少一个电极与所述源电极之间的所述电势差足够用于所述电晕电极处的周围空气中的分子的电离和后续从所述电极朝向所述目标的空气流动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中所述第一目标电极和所述第二目标电极中的至少一个电极与所述源电极布置在衬底上。

7.根据权利要求6所述的冷却装置，其中所述中空结构包括第一部分和第二部分，并且所述衬底固定在所述第一部分和所述第二部分之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中所述源电极与所述第一目标电极和所述第二目标电极用贵金属涂覆。

9.根据权利要求2至权利要求8中任一项所述的冷却装置，其中所述中空结构包括流入部分和流出部分。

10.根据权利要求2至权利要求9中任一项所述的冷却装置，其中所述中空结构包括具有朝向所述中空结构的内部的圆锥形状的至少一个开口以提供文丘里效应。

11.一种灯具，包括光源和根据权利要求1所述的冷却装置。

12.根据权利要求11所述的灯具，其中所述光源包括至少一个发光二极管(LED)。

13.根据权利要求11和权利要求12中任一项所述的灯具，其中所述中空结构包括具有朝向所述中空结构的内部的圆锥形状的至少一个开口，并且所述圆锥面向所述中空结构外的内部包括反射构件。

14.一种用于对灯具进行冷却的方法，包括：

-提供承载构件；

-在所述承载构件上布置用于生成空气离子的源电极；

-在所述承载构件上布置第一目标电极和第二目标电极，其中所述第一目标电极和所述第二目标电极被布置在离所述源电极一定距离处；

-对施加在所述第一目标电极和所述第二目标电极中的至少一个电极与所述源电极之间的电压进行控制，

其中对所述电压进行控制，使得通过交替地分别在所述源电极与所述第一目标电极之间以及在所述源电极与所述第二目标电极之间施加所述电压，将所述第一目标电极和所述第二目标电极中的至少一个电极与所述源电极之间的电势差产生的气流布置成具有交替方向。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述源电极是电晕电极。