CN103384793A - 具有光漫射器和集成热导的固态灯 - Google Patents

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CN103384793A CN2012800063300A CN201280006330A CN103384793A CN 103384793 A CN103384793 A CN 103384793A CN 2012800063300 A CN2012800063300 A CN 2012800063300A CN 201280006330 A CN201280006330 A CN 201280006330A CN 103384793 A CN103384793 A CN 103384793A
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Abstract

本发明提供一种固态灯，所述固态灯具有诸如LED的固态光源、光漫射器以及热导。所述漫射器接收和分布来自所述光源的光，并且所述热导与所述光漫射器集成，用于从所述固态光源提供热传导并通过对流作用和辐射作用来耗散热以冷却所述灯。所述光漫射器的内表面可具有提取特征以提供均匀的光分布。

Description

具有光漫射器和集成热导的固态灯
背景技术
在工业、消费品和建筑照明应用中，照明的能量效率已成为一个重要的考量因素。随著固态灯技术的发展，发光二极管(LED)已变得比荧光灯更具能量效率。此外，市场对于白炽灯、荧光灯和高强度放电灯具有庞大的已建立的装置基础。由于LED的固有点光源特性，并且需要以相对低的温度操作，故这些类型的应用对于LED提出了重大的技术挑战。现今有许多解决方案来解决这些问题，包括风扇、散热片、热管等等。然而，这些方法因增加复杂性、成本、效率损失、增加故障模式和不可取的形状系数而限制了应用。仍需要寻找能以吸引人的制造成本和设计提供光学和电学效率优点的解决方案。
发明内容
根据本发明的灯包括光源、光漫射器和热导。所述光漫射器接收和分布来自所述光源的光，所述热导与所述光漫射器集成，用于从所述光源提供热传导以冷却所述灯。
附图说明
附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，而且它们结合具体实施方式阐明本发明的优点和原理。在这些附图中，
图1是示出具有光导和集成热导的固态光源的示意图；
图2是使用光导的固态灯的横截面侧视图，该光导具有用于发射光的外部和用于冷却的内部；
图3是图2的灯的俯视图；
图4是图2的灯的仰视图；
图5是具有主动冷却元件的固态灯的横截面侧视图；
图6是具有光漫射器的固态灯的分解透视图；
图7是组装好的图6的灯的透视图；
图8是图6的灯的俯视图；
图9是图6的灯的仰视图；
图10是第一光漫射器的横截面侧视图；和
图11是第二光漫射器的横截面侧视图。
具体实施方式
图1是示出灯10的部件的示意图，该灯具有电力电路12、固态光源14和包括光导16和集成热导18的热光导。电力电路12接收来自电源的电力，并提供所需的电压和电流以驱动与光导16光连通的固态光源14。电力电路12是灯10的任选元件，如果电源被配置成直接向灯10提供所需的电压和电流，或者如果电路位于灯10的外部。固态光源14将光注入用于接收并分布光的光导16。光导16包括光注入、光传播和光提取区域或元件以便分布光。热导18与光导16集成，以便通过传导作用从固态光源14吸热以及通过对流作用或辐射作用或这两者来耗散热，从而冷却灯10并有效地利用用于冷却的面积和体积。热导18包括热采集、热扩散和热耗散区域或元件以便冷却灯。通过光导和热导的集成，本发明的实施例克服了诸如上文所述的当前固态灯概念的许多限制。
固态光源14可以用例如LED、有机发光二极管(OLED)或其他固态光源实施。某些实施例可以从固态光源提供均匀分布的光。或者，可以应用实施例来以特定分布控制或引导光。在一个实施例中，可以使用折射来控制所发射出的光；例如，可以使用透镜来聚焦光或者可以使用反射器来集中或分散光。例如，在某些实施例中，灯可以产生光锥或光幕。透镜可以具有透气性以用于冷却，并可以包括菲涅耳透镜、棱镜结构或小透镜结构。在其他实施例中，可以应用衍射光学来控制或引导所发射出的光的光谱和分布。例如，可以使用衍射透镜在特定方向上从广泛的光分布引导特定光分布或色彩。另外，可以使用衍射光学和折射光学的组合。
固态光源可以发射多种色彩的光，以用于装饰或其他照明效果。固态光源14与电力电路12电连接，而电力电路可以包括柔性电路或其他电路以对固态光源供电。向光源供电的电路可以包括调光电路和电子器件，用于对帮助产生更多所理想光的频移或色移部件加以控制，这种电子器件的实例见述于第2009/0309505号美国专利申请公开。
光导16可以用例如能够从固态光源接收光并发射光的透明或半透明材料实施。例如，光导16优选地由光学上适宜的材料制成，例如，聚碳酸酯、诸如聚甲基丙烯酸甲酯的聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、玻璃，或者折射率足够高的任何数量的不同塑性材料、弹性材料和粘弹性材料，以便让光导分布光。光导可以被配置成多种形状，例如，灯泡状、球体、圆柱体、立方体、片状或其他形状。此外，光导可以包括可以含有光频移材料的基质材料，以获得更理想的色彩，基质稳定染料的实例在第5,387 458号美国专利中有所描述。
热导18可以用能够从固态光源传导热并耗散热的材料实施。例如，热导优选地由导热率为约1W/(m-K)至1000W/(m-K)、更优选地为10W/(m-K)至1000W/(m-K)、最优选地为100W/(m-K)至1000W/(m-K)的材料构成。热导通过传导作用从固态光源吸热，并通过对流作用或辐射作用或这两者而使热耗散到空气中。任选地，热导的部件可以包括热管和热虹吸管。任选地，热导或其一部分可以包括位于固态光源的表面上的导热涂层，例如，可以通过传导作用和对流作用而从固态光源传送热的碳纳米管可以涂覆到所述表面上。
热导与光导集成，表明热导直接或间接与固态光源充分接触，以便从固态光源传导和耗散热以使灯运行。例如，热导可以从固态光源吸热，以将光源维持在足够冷的温度下，从而按预期运行。热导可以与固态光源直接物理接触，或诸如通过上面安装有固态光源的环或其他部件而与固态光源间接接触。热导也可以与光导直接物理接触，或者经由其他部件与其直接或间接物理接触。或者，热导不必与光导物理接触，前提条件是热导可以从固态光源传导足够的热量以使灯运行。因此，热导接近于光导面积的至少一部分或优选大部分而以共延伸的方式存在，或者就灯泡状、球体或其他具有内部体积的三维形状而言，热导存在于光导体积的至少一部分或优选大部分内。
热导可以包括导热率增强结构，例如，金属涂层或金属层或传导粒子，以有助于将固态光源产生的热传导至热导中并沿着热导传导。此外，热导可以具有对流热增强结构，例如，翅片和微结构，以增加对流和辐射的热传递系数。热导还可以具有光学增强结构，以便增强光导的光输出。例如，热导可以由以下材料形成：反射材料，或者经改性以具有反射表面的材料，例如，白漆、抛光表面或在其表面上具有薄反射材料。反射表面还可以由具有高红外发射率的材料制成，以提高通过热辐射而耗散周围环境中的热耗散。
固态灯的实例已在2009年8月4日提交的标题为“Solid State Lightwith Optical Guide and Integrated Thermal Guide”(具有光导和集成热导的固态灯)的第12/535203号美国专利申请；以及2010年12月6日提交的标题为“Solid State Light with Optical Guide and Integrated Thermal Guide”(具有光导和集成热导的固态灯)的第12/960642号美国专利申请中公开。用于驱动固态灯的LED的电路的实例已在2010年7月2日提交的标题为“Transistor Ladder Network for Driving a Light Emitting Diode Series String”(用于驱动发光二极管系列串的晶体管梯形网络)的第12/829611号美国专利申请中公开。
具有集成热导的光导
图2是使用光导的固态灯42的一个实施例的横截面侧视图，所述光导具有用于发射光的外部和用于冷却的内部。图3和图4分别为灯42的俯视图和仰视图。灯42包括光导52、集成热导54，以及位于任选的散热器环46上的固态光源。散热器环46可以通过热传导进行操作，或者所述散热器环具有与之相关的热管或热虹吸管。散热器环包括有效连接至热导的元件，此类元件的实例包括具有热连接到热导的弯曲翅片元件的环。或者，固态光源可以在无散热器环的情况下直接耦合到热导。对于固态光源而言，灯42可以包括(例如)围绕环46排列的LED48、50、66、68、70和72，如图4所示。固态光源与光导52光连通；例如，固态光源可以位于光导52的边缘中的半球状或其他类型的凹陷内，并可能通过使用光学透明的粘合剂而被固定。
基座44被配置成连接到电源，并且所述基座可以包括电力电路，用于从电源提供所需的电压和电流以驱动固态光源。基座44可以用(例如)与常规灯泡插座配套使用的白炽灯基座来实施，或者可以用与常规荧光灯具连接器配套使用的基座来实施。在光导52与基座44之间设置空气通道56和58，以便通过空气通道60而在整个热导54上实现自由对流。
在此示例性实施例中，热导用金属翅片54、62和64来实施，如图3所示。翅片与光导52集成，如图3和图4所示，以便从固态光源48、50、66、68、70、72吸热，并通过空气通道60中的空气流产生的对流作用或辐射作用或者这两者而耗散热。热导可以任选地包括热管或热虹吸管。例如，光导52可以用以下材料来实施：聚碳酸酯、诸如聚甲基丙烯酸甲酯等聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、玻璃，或者折射率足够高的许多不同的塑性材料，以便让光导分布光。灯42的外部可以用于分布和发射来自固态光源的光，而灯42的内部则用于冷却热导和固态光源。光导52可以形成为灯泡形状，如图2所示，或形成为其他形状。采用某些形状，例如图2所示的灯泡形状，光导52的内部可以形成内部体积，而热导可以与光导的内部体积集成，用于从固态光源提供热传导。
图5是具有主动冷却元件88的固态灯74的横截面侧视图。灯74可以具有与灯42类似的构造。灯74包括基座76、光导84、热导86以及固态光源，诸如排列在任选的散热器环78上的LED80和82。主动冷却元件88(例如，风扇)除了自由对流和辐射外还通过空气通道87吸入空气以用于冷却。主动冷却元件88可通过基座76连接到电源，并且其可在灯74处于操作状态时连续运行，或可包括温度传感器以用于仅当灯74超过某一温度时才使其启动。
具有集成热导的光漫射器
图6是具有光漫射器的固态灯100的分解透视图。图7是组装好的灯100的透视图，而图8和图9分别为灯100的俯视图和仰视图。图7中的透视图是在灯100的侧面和顶部观察到的，从侧面看，所述灯总体上是对称的。灯100包括：光漫射器，所述光漫射器由上部102和下部104组成；集成热导106；装饰性环108；基座部分110；以及基座112，所述基座(例如)经由上文所述的常规灯插座或其他插座而电连接到电源。尽管所示光漫射器具有两个部分，但它也可以具有两个以上的部分，或者可以由单个连续材料片构成。
如图6和图8所示，诸如LED的多个固态光源120安装在热导106上，各翅片之间。固态光源120可安装在电路119上，所述电路电连接到电路116以向LED供电。或者，固态光源可直接安装到热导106上并与电路116电连接。电路119或固态光源120可通过用粘合剂将其粘结到热导或者通过以其他方式将其附接来安装在热导上。另外，固态光源无需安装在各翅片之间，不止一个固态光源可安装在各翅片之间或者热导106的选定翅片之间。固态光源通过光漫射器来分布光，所述光漫射器可从光漫射器的外表面提供基本上均匀的光分布或者特定的期望分布。
如图7所示，上部102与下部104相配合以形成光漫射器，下部104安装到环108以便将光漫射器固定到环108。热导106安装在环108中并与基座部分110连接。在此实施例中，如上面针对光导所述，热导106也与光漫射器集成。热导106通过传导从安装在其上的固态光源吸热，并通过对流作用或辐射作用或者这两者来耗散热，以使灯100冷却并有效地利用用于冷却的面积和体积。在此实施例中，热导106完全存在于光漫射器内，这表示热导106的冷却翅片未穿透光漫射器或光导。
如图6所示，热导106具有与外部弯曲翅片相连接的中心核，所述翅片可以适形于光漫射器的形状。另外，热导106可以任选地包括位于其外表面上的反射涂层。热导106可覆盖有反射涂层或油漆，例如，来自伊利诺伊州芝加哥市斯普雷拉特公司(Spraylat Corporation，Chicago，Illinois)的Starbrite II水底漆，它能够提供白色的表面光洁度。一种类型的反射涂层或油漆反射可见光并发射IR光。灯100的部件可用上述示例性材料和部件来实现，其中光漫射器用(例如)上面针对光导所述的相同材料来实现。灯100可以任选地包括主动冷却元件，如图5所示。
上部102中的空气通道101以及环108中的小孔107允许空气流穿过热导106，并且这种类型的空气流在图2中用箭头示出。或者，空气通道可位于光漫射器的其他位置，无需必须在漫射器的顶部。上部102中形成空气通道101的顶部边缘可以用反射膜105作衬里(如图8所示)，以使得横穿过光漫射器(而非穿过其透射)的光在到达顶部边缘时被向下反射回该漫射器，从而通过光漫射器的外表面或内表面来分布光。反射膜的一个实例是来自明尼苏达州圣保罗市3M公司(3M Company，St.Paul，Minnesota)的增强型镜面反射片(ESR)膜产品。
诸如印刷电路板等电路系统116可以安装到热导106的中心核中，例如，安装到狭槽内，如图7所示。安装之后，电路系统116与电路119上的固态光源电连接。电路系统116经由基座112接收来自电源的电力，并且提供所需的电压和电流以驱动固态光源。电路系统116可以热耦合到热导，以帮助冷却电子部件。
图10是示出上部102和下部104的光漫射器的横截面侧视图。在此光漫射器中，上部102与下部104相配合的水平接缝平行于环108。上部102包括空气通道101，所述空气通道用于穿过热导的空气流。
图11是作为灯100的光漫射器的可供选择的实施例的另一光漫射器128的横截面侧视图。光漫射器128包括与右部129相配合的左部127，其中垂直接缝与环108垂直。左部127与右部129共同形成空气通道131，所述空气通道用于穿过热导的空气流。
图10和图11分别所示的光漫射器的内表面117和118可经喷砂处理以使所述内表面变得粗糙，以从固态光源并穿过光漫射器得到基本上均匀的光分布。对内表面进行喷砂或粗糙化还使灯在光源打开或关闭时具有漫射或磨砂的外观。光漫射器还可包括其他类型的光提取特征。可选地，用于制备光漫射器的材料可包括漫射颗粒或色移材料。
可选地，光漫射器或其一部分可渐缩。例如，在图10所示的光漫射器中，下部104的厚度从底部边缘124开始可基本上恒定，而上部102的厚度可从下部104的厚度到顶部边缘126渐缩。这种类型的渐缩涉及不连续的渐缩，这表示仅光漫射器的一部分渐缩。或者，作为另一实例，在光漫射器128中，左部127可从底部边缘130到顶部边缘132渐缩，右部129可以同样的方式渐缩。这种类型的渐缩涉及连续的渐缩，这表示整个光漫射器渐缩。无论是可选的不连续渐缩还是连续渐缩，例如，渐缩量都可基于光输出的所需分布而变化，而且渐缩量可使用实验证据、建模或其他技术来确定。
可选地，灯42中的光导52(图2)以及灯100中的光漫射器102和104(图6)各可在其内表面、外表面或这二者上包括功能涂层。功能涂层的实例包括下面的项。具有光学功能的涂层包括提供抗反射、辐射屏蔽、光致发光和IR发射以用于被动温度控制的涂层。具有物理和机械功能的涂层包括提供抗磨蚀性、耐刮擦性和硬质涂层的涂层。具有化学和热力学功能的涂层包括提供防污性和抗腐蚀性的涂层。具有生物功能的涂层包括提供抗微生物性质的涂层。具有电磁固态功能的涂层包括提供抗静电和电磁屏蔽的涂层。涂层可提供光学性质，例如，可提供低折射率涂层，使得无论诸如冷凝、灰尘积聚、来自烹饪、煤烟或其他来源的沉积物的外部影响如何，光导将总是以全内反射来操作。
使用图2-4所示的光导的实施例可与使用图6-8所示的光漫射器的实施例相组合。组合的实施例将同时具有光漫射器和光导，以便更好地漫射从光导本身射出的光。

Claims (17)

1.一种具有集成的光漫射器和热导的灯，所述灯包括：
光源；
光漫射器，所述光漫射器与所述光源连通，用于接收和分布来自所述光源的光；和
热导，所述热导与所述光漫射器集成，用于从所述光源提供热传导以冷却所述灯，
其中所述光源安装在所述热导上。
2.根据权利要求1所述的灯，其中所述光源包括以下项中的一者或多者：发光二极管；以及有机发光二极管。
3.根据权利要求1所述的灯，还包括为所述光源提供电力的电路。
4.根据权利要求1所述的灯，其中所述热导具有与外部翅片相连接的中心核。
5.根据权利要求4所述的灯，其中所述翅片是弯曲的，并且适形于所述光漫射器的形状。
6.根据权利要求4所述的灯，其中所述灯包括在各翅片之间的发光二极管。
7.根据权利要求1所述的灯，其中所述光漫射器具有空气通道。
8.根据权利要求1所述的灯，其中所述光漫射器包括上部和下部，其中所述上部可与所述下部分离。
9.根据权利要求1所述的灯，其中所述光漫射器包括左部和右部，其中所述左部可与所述右部分离。
10.根据权利要求1所述的灯，还包括位于所述光漫射器的所述顶部边缘上的反射膜。
11.根据权利要求1所述的灯，其中所述热导具有反射表面。
12.根据权利要求1所述的灯，还包括涂覆到所述热导的外表面上的涂层，其中所述涂层可反射可见光，并且可发射红外光。
13.根据权利要求1所述的灯，其中所述光源直接安装在所述热导上。
14.根据权利要求1所述的灯，其中所述光源安装在电路上，并且所述电路直接安装在所述热导上。
15.根据权利要求1所述的灯，其中所述光漫射器具有粗糙化的内表面。
16.根据权利要求1所述的灯，还包括施加到所述光漫射器的功能涂层。
17.一种具有集成光导和热导的灯，所述灯包括：
光源；
光导，所述光导耦合到所述光源，用于接收和分布来自所述光源的光；
热导，所述热导与所述光导集成，用于从所述光源提供热传导以冷却所述灯；以及
施加到所述光导的功能涂层。
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