CN103807639B - 具有集成的热和光扩散器的led灯泡 - Google Patents

具有集成的热和光扩散器的led灯泡 Download PDF

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Abstract

一种发光二极管(LED)灯泡包括导热底座和设置在并热联接到底座的表面上的至少一个LED组件。LED组件包括构造成产生光的至少一个LED。热光扩散器限定内部空间,LED布置成发射光到所述内部空间中并穿过热光扩散器。热光扩散器设置在底座的表面上并且从底座延伸到发光侧上的末端。热光扩散器构造成包括一个或多个开口,所述开口允许在热光扩散器的内部空间和周围环境之间进行对流空气流动。

Description

具有集成的热和光扩散器的LED灯泡

技术领域

[0001]本申请一般地涉及发光二极管(LED)灯泡。本申请坯涉及与这种LED灯泡有关的部 件、装置和系统。

发明内容

[0002]本文公开的某些实施例涉及一种发光二极管(LED)灯泡,发光二极管灯泡包括导 热底座和设置在并热联接到底座的表面上的至少一个LED组件。LED组件包括构造成产生光 的至少一个LED。热光扩散器限定内部空间,至少一个LED布置成发射光到内部空间中并穿 过热光扩散器。热光扩散器设置在底座的表面上并且从底座延伸到发光侧上的末端。热光 扩散器构造成包括一个或多个开口,开口允许在热光扩散器的内部空间和周围环境之间进 行对流空气流动。

[0003] 本文公开的某些实施例涉及一种LED灯泡,LED灯泡包括导热底座和设置在并热联 接到底座的表面上的至少一个LED组件。LED组件包括构造成产生光的至少一个LED1ED灯 泡包括限定内部空间的热光扩散器,其中至少一个LED构造成发射光到内部空间中并穿过 热光扩散器。热光扩散器与LED组件设置在底座的相同表面上,热光扩散器从底座的表面延 伸到末端。热光扩散器包括具有大于约100W/ (mK)的热导率的材料。

[0004] 另一实施例涉及一种LED灯泡,LED灯泡包括导热底座和设置在并热联接到底座的 表面上的至少一个LED组件。热光扩散器联接到底座的表面并限定内部空间。LED组件包括 布置成发射光到内部空间中并穿过热光扩散器的至少一个LED。热光扩散器包括具有不规 则布置的光学特征和具有大于约100W/ (mK)的热导率的材料。

[0005] 上面的概述并非意在描述每个实施例或每种实施方式。结合附图参考下面的详细 描述和权利要求书,更全面理解将变得清楚且可以被领会。

附图说明

[0006] 图1和图2分别是根据本文论述的实施例的包括热光扩散器(T0D)的LED灯泡的一 部分的一种构造的透视图和横截面图;

[0007] 图3图解式地示出当灯泡定向成使得T0D沿着正z方向从底座延伸到末端(称为“灯 泡向上”取向)时通过T0D的对流气流;

[0008] 图4图解式地示出当灯泡定向成使得T0D沿着负Z方向从底座延伸到末端(称为“灯 泡向下”取向)时通过T0D的对流气流;

[0009] 图5-图7示出T0D的结构元件的各种构造;

[0010] 图8-图10示出T0D和底座的机械和热连接的构造;

[0011] 图11示出包括T0D和壳体的LED灯泡子组件,壳体构造成容纳LM)的驱动器电子器 件;

[0012] 图12示出本文描述的LED灯泡,该LED灯泡设置成标准A型白炽灯泡形状因子,且具 有爱迪生灯座1260;

[0013] 图13示出包括两个同心布置的半球状栅格的TOD;

[00M]图14示出包括热栅格元件和设置在栅格元件之间的光学材料的基于栅格的tod; [0015] 图15A和图15B示出具有不规则光学特征的TOD;

[0016] 图16A和图16B示出基于栅格的TOD;

[0017] 图17和图18示出60We的LED灯泡组件的对比模拟;和 [0018] 图19和图20示出1 OOWe的LED灯泡组件的对比模拟。

[0019]相同附图标记表示相同部件;并且 [0020]除非另有说明,否则附图不需要按比例。

具体实施方式

[0021]如果发光二极管(LED)灯泡实现大量市场占有,则发光二极管灯泡可以大幅度提 高住宅和商用能源效率。但是,商用设计目前限制到60瓦特当量(We)的亮度。缺少让消费者 满意的能够替代通用75W和100W白炽灯泡的LED灯泡阻碍了市场占有。热管理是在当前LED 灯泡设计中实现更高亮度的主要技术障碍。现有技术方法依赖于仅从LED灯泡后侧去除热 量从而不干扰前侧上的光输出路径的散热器。这将排热区域限制到了 LED后面的区域,导致 高温、低效率和短寿命。

[0022] 限制LED灯泡广泛采用的因素是缺少能够替代最常用75W和100W白炽灯泡的单元。 目前在白炽灯替代市场中的LED灯泡设计限制到最大60瓦特当量(We)的操作,仅覆盖潜在 巨大改装市场的低端。

[0023]热管理是在LED中实现更高亮度的主要技术障碍。保持白炽灯形状因子支持大规 模应用而不需要全新的灯具,这强迫整个光源(包括驱动器电子器件、(多个)LED芯片、光扩 散器和散热器)被紧凑地封装成小形状因子。这种小形状因子导致挑战性的热管理问题。 [0024] 在具有60We亮度的通常11到12W (电力)Lm)灯泡中,总电量的约15% (〜2W)作为热 量被浪费在驱动器电子器件中,且在剩余的85% (〜10W)中,至少一半(〜5至6W)作为热量 被耗散在LED芯片自身中。通过灯泡后侧上可用的有限表面积低效地排放所有这些热量,导 致在超过当今可用的60We的操作水平下过热。

[0025]与依赖于仅从LED灯泡后侧去除大量热量的传统方法不同,本文讨论的实施例涉 及用于还能够从发光侧去除大量热量的LED灯泡的热和光管理的方法,而不会损害光透射。 该方案利用工程元件形式的集成热光扩散器,其提供向环境空气散热的大表面积并同时有 效地将光反射和/或透射出结构以外。在某些实施方式中,集成热光扩散器可以包括多个开 口,开口支持从周围环境到热光扩散器内部中的对流气流。在某些构造中,空气流动路径布 置成使得环境空气进入热光扩散器的内部空间并且空气流过LED的发光表面。本文描述的 方法具有使实际LED灯泡达到并超过1 OOWe的可能性,提供对白炽灯市场的覆盖,增加LED使 用,并减小近期电力需求。

[0026]本文公开的集成热光扩散器使用工程元件,该工程元件增大散热表面积和灯泡内 部空间内的空气流动,并且使用高导热的光学反射/透射材料来增加散热并同时维持或提 高光的受控扩散。例如,集成热光扩散器的热阻可以小于约4°C/W,集成热光扩散器可以使 用对可见光的光学反射率大于约70%和/或对可见光的光学透射率大于约50%的材料。 [0027]图1和图2分别是LED灯泡100的一部分的一种构造的透视图和横截面图,LED灯泡 100包括在由相互正交的轴x、y和Z表示的笛卡尔坐标系内被定向的热光扩散器(本文中称 作T0D) 210。灯泡100包括热传导底座230和至少一个LED组件220,LED组件220包括组装到封 装221中的一个或多个LED222,该封装221是例如为LED222提供一定环境保护并且为LED222 提供支撑以便于握持的密封封装。LED组件220包括有助于将LED222电联接到位于LED灯泡 100内(通常位于灯泡的非发光侧内)的驱动器电子器件(图1或图2中未示出)的电触头223。 LED组件220设置在底座230的表面231上并且热联接到底座230。

[0028]底座23〇可以包括热传导材料,例如金属或金属合金,其中纯的或合金形式的铜或 铝是可以用于底座230的代表性材料。底座23〇可以具有任意形状,包括圆形、椭圆形、矩形 等,并且底座23〇可以具有使得底座230能够被布置在典型白纸灯泡形状因子(例如类型A、 3屬/1^1'、0薦^1^/1(或1'等)内的任意比例。底座23〇具有足够的表面积和厚度以为1^ 组件22〇提供散热。例如,在各种构造中,底座230可以具有约10至15cm2表面积的尺寸和约1 至4cm的厚度。

[0029]灯泡100包括T0D2KLT0D例如通过铜焊、钎焊、铆接被永久地附接到底座上,或者 可以使用可移除紧固件(例如螺钉)附接到底座。在某些实施方式中,底座230和T0D210可以 是单件式单元。如图1和图2所示,T0D210可以与LED组件220附接到底座230的同一表面231。 TODMO还可以附接到底座230的其他表面,例如底座230的一个或多个侧面232 J0D210可以 包括一个或多个结构元件211,所述结构元件211单独或组合起来从底座230延伸到末端 212,该末端212是T0D210沿着z轴距离底座230最远的点。

[0030]在图1和图2的图示示例中,T㈤210的结构元件Ml类似于从底座230 (在图2中沿着 z方向)延伸并(在图2中沿着x方向和y方向)向外扩张的花瓣。结构元件211限定T0D210内的 内部空间213。内部空间213在结构元件211的内表面W la之间从底座230延伸到末端212。 T0D的结构几何形状可以经选择,以使得TOD对于TOD的每lcm3体积提供与环境空气接触的 至少4cm2的表面积。TOD的结构几何形状增强了 LED组件的总的光输出,并且使得整体灯泡 尺寸类似于等效亮度的白炽灯泡。

[0031] LH)组件220设置在内部空间213内,并且定向成使得一个或多个LED222发射可见 光到内部空间213中并穿过内部空间的一部分到达T0D210外部的周围环境。本文使用的术 语“光”表示可见光,通常包含波长在390纳米到750纳米范围内的电磁辐射。图1和图2中所 示的灯泡100可以被认为具有发光(前)侧和非发光(后)侧,TOD主要布置在发光侧上。在某 些情况下,投射到内部空间213中的光可以通过TOD210中的开口201-203离开T0D210。例如, 开口201-203可以布置在结构元件211之间(例如间隙202)或者布置成穿过结构元件211 (例 如孔203)。例如,图2示出结构元件211之间的间隙202、穿过结构元件211的孔203和接近 T0D210的末端212的大开口201。在某些实施方式中,如下文所述,开口 201-203可以布置在 T0D210和底座230之间。在其他实施方式中,可以没有显著(大)开口,例如201;这是TOD单独 由结构元件组成的情况,其中数个小开口(例如202和203)有选择地分布,这些小开口布置 在TOD上和内部的多种位置上(包括在末端平面处和附近)。

[0032] 如果开口存在于T0D210中,则开口可以布置成使得在周围环境和T0D210的内部空 间213之间产生对流气流。在这方面,对流气流将更冷的环境空气带入到内部空间213中,并 允许内部空间213内已经被LED222加热的空气离开。T0D210可以设计成使得来自周围环境 的空气的流动路径流过底座230或者流过LED组件220 (包括流过LED222的发光表面)J0D几 何形状可以经选择,以使得TOD与自由流动环境空气接触的表面积大,从而使从灯泡排出到 周围环境的热量的量最大化。

[0033] 如图2所示,开口 202、203可以相对LK)组件220和/或底座230的表面231进行布置, 以使得LED组件220和最接近的开口 202、203之间沿z方向的距离为di,底座230和最接近的 开口 202、203之间沿z方向的距离为d2;并且最接近的开口 202、203和LED组件220之间在xy 平面上的距离为d3。例如,LED组件220、底座230和TOD210可以布置成使得cU小于约8mm,d2小 于约10mm,和/或d3小于约20mm。

[0034] 与依赖于仅位于灯泡后侧(非发光侧)上的散热器的传统LED灯泡设计不同,本文 描述的集成热光扩散器方法除了传统的后侧排热之外,还是得大量热量能够从灯泡的前 (发光)侧排出。事实上,常规LED灯泡设计通常利用包围LED并提供期望输出光分布的玻璃 或塑料壳形式的前侧光(光学)扩散器,但是很大程度影响前侧上的空气流动并且不能起到 任何热管理作用。

[0035]从发光侧排出热量在灯泡后侧上的空气流动(以及最终传热速率)会严重受限制 的应用中变得特别重要。例如,典型LED灯泡的后侧散热器经常定位在灯具外壳内部并因此 暴露于(例如,用于嵌入式灯的固定装置中)受阻碍的空气流动/静止空气。此外,在采用天 花板嵌入式照明的情况下,灯泡的后侧会暴露于屋顶内部的热环境,从而进一步减小仅利 用后侧散热器从灯泡的排热率。

[0036] 通过利用灯泡的发光侧上的自由流动空气,并且通过利用集成光热扩散器有效地 将灯泡中产生的热量耦合到前侧上的自由流动环境空气,本文讨论的设计提供更低的整体 操作温度和更长的设备使用寿命,这将在下文示例中讨论。

[0037]图3图解式地示出当灯泡定向成使得T0D310沿着正z方向从底座3 30延伸到末端 312 (称为“灯泡向上”取向)时通过T0D的对流气流。图4图解式地示出当灯泡定向成使得 T0D310沿着负Z方向从底座330延伸到末端312 (称为“灯泡向下”取向)时通过T0D的对流气 流。在图3中,当LED灯泡是沿“灯泡向上”取向时,由LH)组件320和底座330加热的空气391通 过T0D310的内部空间313朝着开口 301、304上升。T0D210还可以包括几何特征和/或内部元 件(例如,具有开口、尖状物等的壳),随着空气391升高通过T0D310内部,这些几何特征和/ 或内部元件增大与空气391热交换的表面积。更冷的环境空气392通过开口 302、303被吸入 并且接近底座330和/或LED组件320进行流动,从而除了通过TOD310自身从底座330传导排 出热量之外,还提供对底座330和LED组件320的附加冷却。

[0038]如图4所示,当LED灯泡是沿“灯泡向下”取向时,由LED组件320和/或底座330加热 的空气391流动通过附近的孔302并离开内部空间313。更暖的空气通过孔302离开,将通过 开口 301、3〇3、3〇4将更冷的环境空气吸入到T0D310中。更冷的空气流过底座330和/或LED组 件320,从而除了通过TODWO自身从底座3:30传导排出热量之外,还提供对这些部件330、32〇 的空气冷却。在某些构造中,TOD310可以包括一个或多个挡板315,这些挡板突出到内部空 间313中并且用于引导对流气流以增强整体传热速率并且还增大T0D内部与空气接触的表 面积。在某些情况下,挡板能够从第一位置(用于灯泡向上取向)移动到第二位置(用于灯泡 向下取向)。挡板的第一位置可以设计成当灯泡是沿灯泡向上取向时提供优化的对流气流, 挡板的第二位置可以设计成当灯泡是沿灯泡向下取向时提供优化的对流气流。

[0039]返回到图2,圆圈299表示TOD210的结构元件211的横截面部分。T0D可以根据各种 构造形成,某些构造在图5-图7的插图299中示出。例如,在某些实施方式中,如图5所示,T〇D 可以由既具有适合的热导率(例如,热导率大于约100ff/mK或者甚至大于约15〇W/mK)又可以 为T0D提供规定光学扩散的材料5〇1 (例如,单一均质材料,或者在某些情况下为材料的均匀 混合物)形成。用于这种构造的T0D的材料包括金属、金属合金、烧结金属、导热陶瓷、导热聚 合物、云母、金刚石、和/或可以提供期望的散热/传热能力和光扩散的其他材料。用于T〇D的 材料可以为光学不透明的或者为光学透射的,例如对于可见光具有大于约5〇%或者甚至大 于75%的光学透射率,和/或用于T0D的材料可以为光学反射的,例如对于可见光具有大于 约70%的反射率。适合的光学透射材料包括金刚石、云母、和/或透明金属或金属氧化物,例 如氧化铟锡(IT0)。例如,适合的光学反射材料可以包括陶瓷、塑料、聚合物和金属。材料的 反射率取决于材料的表面光洁度。

[0040] T㈤可以通过铸造、冲压、模制、机械切割、3-D打印、选择性激光烧结(SLS)、或任意 其他适合的制造工艺形成。T㈤可以是单一铸造、冲压、模制、机加工等部件,或者可以是由 铸造、冲压、模制、机加工等零件组装成的部件。T0D的全部或部分内表面和/或外表面可以 经表面处理以实现规定的光学特性。例如,T0D的全部或部分表面可以例如通过抛光或粗糖 化受到表面处理。

[0041]光在T0D中的扩散可以通过光从T0D的表面反射和/或通过在光透射通过T0D的结 构兀件期间进行光学散射而实现。在某些情况下,当来自LED的光从T0D的多个表面或小平 面镜面反射时会产生光从T0D的全面扩散。在平滑光亮表面(例如抛光金属)上产生镜面反 射,而在粗糙表面上产生扩散反射。在某些情况下,光透射通过T0D的结构元件可以使得入 射到结构元件的表面上的光的一部分被扩散透射,并使得入射在该表面上的光的一部分被 扩散反射。选择用于T0D的材料可以提供光的镜面反射、扩散反射、和/或透射扩散,同时如 上所述还提供用于LED的适合散热能力。对于T0D的反射表面,这些表面可以如上所述具有 至少7〇%的反射率。

[0042]在某些构造中,如图e中示出的横截面图所示,T0D可以包括层状结构。T0D的一个 或多个结构元件可以包括单独或者彼此组合起来有助于T0D的热和光扩散能力的多个层 601、6〇2。在某些构造中,例如定位成离开T0D的内部空间(图2中的213)的第一层601可以包 括为T0D提供适合热导率的材料。第二层6〇2可以包括经不同处理的与第一层601不同的材 料或相同的材料,该材料提供光的扩散或反射,在某些情况下第二层602可能比层601薄。例 如,第二层602可以包括粗糙表面、微结构表面、压花表面、涂覆表面(例如荧光体涂覆表 面)、镜面或扩散反射表面。在某些情况下,层601、602两者都可以透射光,在某些情况下,两 个层都可以是不透明的。

[0043] 图7示出T0D的结构元件711的内表面71 la。内表面71 la定位成面向T0D的内部空 间在图7的布置中,T0D结构元件711包括不同材料的多个区域701、702。尽管图7中示出两 个区域,但是可以有多于两个区域。其中一个区域可以是光学透射或反射的,而另一区域是 不透明或不反射的。例如,一个区域可以是不透明的并且可以向T0D提供适合的热导率,而 另一区域可以具有相对高的热导率但是可以提供为T〇D提供光学扩散的反射或光透射的特 性。

[0044] 图8至图10示出用于T0D和底座的机械和热连接的很多构造中的一些构造。如图8-图1〇所示,TOD810、910、1010包括机械和热联接到底座830、930、1030的安装部分815、915、 1015。在每个示出的示例中,安装部分815、915、1015与LED组件820、920、1020设置在底座 830、930、1030的相同表面831、931、1031上。在图10示出的示例中,>1001010的安装部分1015 设置在底座1030的表面1031上并且沿着底座1030的侧面1032延伸。

[0045] 在图9和图10中,T0D910、1010的安装部分915、1015在xy平面上延伸超过底座表面 93K1031,尽管并不一定需要如此,如图8所示。如图9和图10所示,如果T0D的安装部分915、 1015在底座表面931、1031处在xy平面中比底座930、1030更大,则开口 916、1016可以定位在 TOD910、1010和底座930、1030之间,这促进空气流进或流出T0D910、1010的内部空间。

[0046] 图8示出示例性TOD810的安装部分815的平面图以及沿着线L-L’获得的横截面图。 在本示例中,T0D810的安装部分815和底座830的安装表面831的大小相当,并且T0D810的安 装部分815在xy平面中基本上没有延伸超过底座表面83UT0D830的安装部分815完全围绕 LED组件820。在某些构造中,安装部分815可以部分地围绕LED组件820。在某些构造中,可以 使用多个LED组件,其中T0D安装部分围绕或部分围绕安装在底座表面上的多个LED组件。例 如,在某些情况下,如果LED组件布置在接近T0D的安装部分的位置(例如在几毫米以内)上, 则这有助于热耗散。

[0047] 底座830和T0D安装部分815两者都由导热材料制成(底座和T0D安装部分可以由相 同的导热材料制成)。安装部分815具有与底座830接触的充分表面积,以在底座830和 T0D810的安装部分之间提供小于约0.5°C/W的热阻。底座可以通过任意适合手段附接到安 装部分,包括焊接、铜焊、钎焊、铆接等。底座可以使用热粘合剂、可移除螺钉(图8示出)、可 拆夹具和/或其他装置附接到安装部分。

[0048]图9示出示例性TOD910的安装部分915的平面图以及沿着线M-M’获得的横截面图。 图9所示的构造示出安装在底座930的表面931上的多个LED组件920。在本构造中,T0D910的 安装部分915包括横杆917,横杆917布置在底座表面931上位于LED组件920之间。这种横杆 布置可以用于在使用多个LED组件时帮助散热。LED子组件920可以定位成距离横杆917为几 毫米。如前所述,如果T0D910的安装部分915在xy平面中比底座的表面931更大,则在T0D910 和底座930之间会出现间隙或开916,该间隙或开口可以在周围环境和T0D910的内部空间之 间提供空气流动。

[0049] 图10示出示例性T0D1010的安装部分1015的平面图以及沿着线N-N’获得的横截面 图。图10示出覆盖大部分底座表面1031的安装部分1015,具有可以延伸超过底座表面1031 的杆1017。开1016定位在底座1030的边缘和TOD安装部分1017之间。在本示例中,TOD安装部 分1015还沿着底座1030的侧面1032延伸。在某些示例中,如图10所示,热光扩散器的安装部 分与底座接触的表面积会占据底座表面的可用表面积的至少70 %、至少80 %或者甚至至少 90%。应注意,术语“可用空间”表示底座可以用于安装T0D的表面积。

[0050] 在LED灯泡中,一个或多个LED电连接到驱动器电子器件,驱动器电子器件操作以 除其他功能之外还调节输入到LED的输入电压。驱动器电子器件产生热量,使用第二散热器 可以有利地耗散由驱动器电子器件产生的热量。图11示出包括壳体1140的LED灯泡子组件 1100,壳体1140构造成容纳驱动器电子器件(图11中不可见)。壳体1140具有一体的散热器 或联接到散热器1145。在图示的实施例中,散热器1145包括径向突出的翅片。LED组件1120 (以及T0D1110)设置在底座1130的第一表面上,底座1130的相反表面设置在容纳电子器件 的壳体1140上。壳体1140和其相关散热器1145可以热联接或不热联接到底座1丨3〇。在热联 接的实施方式中,第二散热器1145和底座1130之间的热阻小于〇.5tVW。

[0051]本文描述的LED灯泡是标准白炽灯泡(具有爱迪生灯座1260的A型白炽灯泡)的适 合替代物,如图I2所示。图12示出包括驱动器电子器件的LED灯泡1200,驱动器电子器件设 置在壳体1240中并且电联接在灯座126〇和LED组件1220之间。LED组件1220设置在导热底座 1230上。T0D1210与LED组件1220安装在底座1230的相同表面上,T0D1210由既耗散由LED产 生的热量又扩散由LED产生的光的一种或多种材料形成。具有本文描述的TOD构造的LED灯 泡可以以白炽灯形状因子实现75We或lOOWe,通过在真正75We和lOOWe替换水平下打开广泛 采用改装LH)灯泡的途径而对固态照明市场造成显著正面影响。

[0052]图13示出设置在底座133〇的表面上的T0D1310的另一示例。LED组件在图13中未示 出,但是应当与TOD1310设置在相同表面上。在图13的示例中,T㈤1310包括两个同心布置的 半球状栅格1311、1312,但是应当理解可以使用除半球状之外的其他结构,或者可以使用更 多或更少的结构,或者结构可以布置成与图13所示的特定示例不同。栅格1311、1312通过栅 格元件1361形成,栅格元件1361布置成形成栅格1311、1312,且在栅格元件1361之间具有间 隙1364。在图13的示例中,间隙1364是开放的,来自外部周围环境的空气可以通过这些间隙 1364流人到内部空间1313中。栅格1311、1312可以通过冲压、铸造、切割、模制、机加工、组装 零件(例如,将栅格元件组装并固定成栅格图案)、3-D打印、选择性激光烧结(SLS)、或任意 其他适合的制造工艺制成。栅格可以包括前文提到用于T0D的任意材料,例如,金属、金属合 金、金属氧化物、烧结金属、陶瓷、玻璃、塑料、云母、金刚石、聚合物和/或其他材料。

[0053]图14示出另一基于栅格的T0D1410。在本示例中,栅格1460支撑设置在栅格1460的 某些间隙1464中的一种或多种类型的材料1462、1463、1465。某些间隙1464是开放的。形成 栅格1460本身的栅格元件1461的材料和/或栅格1460的间隙中的材料1462、1463、1465可以 包括例如前面的段落中提到的那些材料。这些材料可以布置成提供T0D1410的规定热和光 学特性。栅格元件1461和/或栅格元件1461之间的间隙中的材料1462、1463、1465的光学特 性可以包括镜面或扩散反射材料、光学透射材料(包括透射扩散体)和/或不透明材料。在某 些实施例中,栅格元件1461的材料是良好热导体,栅格主要为T0D1410贡献热导性质。在某 些实施例中,设置在栅格元件1461之间的间隙中的材料1462、1463、1465经选择和布置以实 现T0D1410的预定光扩散特性。开口和间隙的布置可以经选择,以提供来自LED灯泡的期望 输出分布和光场,例如具有窄焦点的工作照明、具有光绕灯泡广泛对称分布的环境照明、和 具有期望光输出锥角和亮度的局部照明。例如,T0D可以包括布置成提供预定光锥角(例如 约30至60度锥角)的结构元件、结构特征、内部特征、外部特征、开口部分、光学不透明部分、 光学反射部分和/或光学透射部分(在可见光谱中)。

[0054]结构元件、结构特征、内部特征、外部特征、开口部分、反射部分、不透明部分和/或 透射部分(都在可见光谱中)可以以任意方式布置,例如规则图案或不规则、随机、伪随机或 分形布置。T0D的元件、特征和/或部分的空间布置(例如,规则的、不规则的、随机的、伪随机 的和/或分形的)可以经选择,以实现规定的热和/或光学特性。例如,作为光扩散体,T㈤可 以构造成当与具有瓦特等效能力的白炽灯泡相比时实现类似光学特性。

[0055] T0D可以具有空间不规则构造,意味着对于T0D的至少某些元件和/或部件的布置 来说没有可识别的图案。图15A示出具有空间不规则构造的TOD1510的构造。在本示例中, T0D的(多个)结构元件呈现出包括波动边缘1511的空间不规则布置。图15B示出LED灯泡,该 LED灯泡包括与LED组件一起安装在底座的表面上的图15A的T0D15HLT0D的结构元件和/或 光学特征的空间规则或不规则布置可以用于实现规定的光学和/或热特性。图16A示出另一 基于栅格的T0D1610,该TOD具有栅格元件的规则布置并且具有与图14的T0D1410相比时更 打开的栅格设计。图16B示出LED灯泡,该LED灯泡包括与LED组件一起安装在底座的表面上 的图 16A 的 T0D1610。

[0056]图17-图18示出与图11所示结构类似的结构的热模拟结果。在这些模拟中,具有 T0D的LED灯泡子组件的热性能与不包括T0D的类似LED灯泡子组件的热性能进行对比。

[0057] 图17和图18示出用于60We的LED灯泡组件1700和1800的对比分析的结果,其中子 组件1800包括驱动器电子器件、壳体、壳体散热器、底座、LED组件和TOD1810,子组件1700包 括驱动器电子器件、壳体、壳体散热器、底座和LED组件而没有T0D。在该对比模拟中,具有 T0D1610的LED灯泡子组件1800在热方面显著地胜过没有T0D的类似结构1700。子组件1800 具有峰值温度1811,该峰值温度比子组件1700的峰值温度1711低8.2 °C。

[0058] 图19和图20中示出用于lOOWe的LED灯泡子组件的对比热模拟结果。图19示出包括 驱动器电子器件、壳体、壳体散热器、底座和LED组件而没有T0D的LED灯泡子组件1900。图20 示出包括驱动器电子器件、壳体、壳体散热器、底座、LED组件和TOD2010的LED灯泡子组件 2000。在该对比模拟中,包括TOD2010的子组件1800在热方面显著地胜过没有T0D的类似结 构1900。包括TOD2010的子组件2000具有峰值温度2011,该峰值温度比无T0D的子组件1900 的峰值温度1911低12.2°C。

[0059] TOD设计的模拟表示出LED灯泡在热和光管理方面的显著优势。由于设备故障率和 部件(例如驱动器电子器件中的电解质电容器以及LED芯片自身)的操作温度之间关系的指 数特性,即使温度降低l〇°C也具有使平均系统寿命倍增的可能性。

[0060]上文讨论的方法涉及用于Lm)灯泡的集成T0D,其中集成扩散器定位成接近灯泡的 发光侧。T0D的材料可以包括从由下列各项组成的组中选出的至少一种材料:金属、金属合 金、烧结金属、高热导率陶瓷、聚合物、金刚石和云母。T0D的表面材料在光波长的可见光范 围内具有至少70%的反射率。T0D的结构几何形状经选择,以使得T0D对于扩散器的每lcm3 体积提供与环境空气接触的至少4cm2的表面积。结构几何形状增强LED灯泡的总光输出,使 得整体灯泡尺寸类似于等效亮度的白炽灯泡,同时通过自然对流从LED灯泡的发光侧去除 大量热量并且提供与空气接触的T0D的增大的表面积。

[0061]本文公开的系统、装置或方法可以包括本文所述的一个或多个特征、结构、方法或 其组合。例如,装置或方法可以实施为包括本文描述的一个或多个特征和/或过程。意图在 于这种装置或方法不需要包括本文描述的所有特征和/或过程,而是可以实施为包括提供 有用结构和/或功能的经选择的特征和/或过程。

[0062^在详细描述中,为所述实施方式的各种方面提供数值和范围。这些值和范围应仅 看作示例,而不是要限制权利要求书的范围。例如,本文中描述的实施例可以在公开的整个 数值范围内实施。此外,多种材料被认为适合于实施方式的各种方面。这些材料应看作示 例,而不是要限制权利要求书的范围。

[0063]上文对各种实施例的描述出于举例说明和描述而不是限制的目的被呈现出。公开 的实施例不是穷尽的或者不是要限制对公开实施例的可能实施方式。考虑到上述教导可以 有很多修改和变化。

Claims (28)

1. 一种发光二极管LED灯泡,包括: 导热的底座; 设置在并且热联接到所述底座的表面上的至少一个LED组件,所述至少一个LED组件包 括构造成产生光的至少一个LED;和 限定内部空间的热光扩散器,所述至少一个LK)布置成发射光到所述内部空间中并穿 过所述热光扩散器,所述热光扩散器设置在所述底座的表面上并且从所述底座延伸到所述 LED组件的发光侧上的末端,所述热光扩散器包括从所述底座延伸到所述末端的多个结构 元件,其中所述多个结构元件从底座延伸并向外扩张,以及其中所述多个结构元件限定所 述内部空间,所述内部空间在所述结构元件的内表面之间延伸并且从所述底座延伸到所述 末端,所述热光扩散器构造成包括一个或多个开口,所述开口布置成允许在所述热光扩散 器的所述内部空间和周围环境之间进行对流空气流动。
2. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器包括取向成朝向所述周围环 境的外表面,并且每1 cm3的所述内部空间具有大于4 cm2的表面积。
3. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器具有大于1〇〇 W/(mK)的热导 率。
4. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中: 所述多个开口中的第一开口定位在距发光表面小于8mm的距离处;并且 所述多个开口中的第二开口定位在距所述热光扩散器的所述末端小于2〇mm的距离处。
5. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述一个或多个开口布置成使得环境空气流 入所述内部空间中,并且环境空气与所述至少一个LED的发光表面接触。
6. 根据权利要求1所述的LED灯泡,还包括: 构造成控制所述LED的操作的电子器件,所述电子器件设置在壳体中,所述壳体设置在 所述LED组件的非发光侧上;和 热联接到所述壳体的散热器。
7. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器包括直接设置在底座表面上 的安装部分。
8. 根据权利要求7所述的LED灯泡,其中,所述安装部分在底座表面上围绕所述至少一 个LED组件。
9. 根据权利要求7所述的LED灯泡,其中,所述至少一个LED组件包括多个LED组件并且 所述安装部分在至少两个LED组件之间设置在底座上。
10. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述LED灯泡的整体尺寸与具有等效亮度的 白炽灯泡相同。
11. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述开口被构造成允许环境空气流过LED的 发光表面。
12. 根据权利要求1所述的LK)灯泡,其中,所述热光扩散器包括多个结构元件,所述多 个结构元件被附接到所述底座并且从所述底座延伸到所述末端,每个结构元件的第一主表 面面对所述内部空间以及每个结构元件的第二主表面面对所述周围环境,其中每个结构元 件包括所述第一主表面和所述第二主表面之间的多个开口。
13. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器包括多个栅格元件,所述栅 格元件交叉以形成至少一个栅格,所述至少一个栅格在所述发光侧上包围所述Lm)组件。
14. 根据权利要求13所述的LED灯泡,其中,所述栅格元件是光学不透明的并且光学反 射材料和光学透射材料中的至少一种被设置在所述栅格元件之间的一些区域中。
15. 根据权利要求1所述的Lm)灯泡,其中,所述热光扩散器提供与具有等效亮度的白炽 灯泡相同的光学特性。
16. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器包括:金属、金属合金、烧结 金属、陶瓷、聚合物、金刚石和云母。
17. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器具有不规则构造。
18. 根据权利要求17所述的l^D灯泡,其中,具有所述不规则构造的热光扩散器包括具 有随机或伪随机布置的多个结构元件、开口和光学材料。
19. 根据权利要求1所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器包括第一区域和第二区域, 所述第一区域包括导热材料,所述第二区域包括透射光学扩散器材料、扩散反射器材料、镜 面反射器材料和荧光体中的一种或多种。
20. 根据权利要求1所述的Lm)灯泡,其中,所述热光扩散器的至少一些部分包括导热材 料和光学反射材料,其中光学反射材料层被设置在所述导热材料上。
21. —种发光二极管LED灯泡,包括: 导热的底座; 设置在并且热联接到所述底座的表面上的至少一个LED组件,所述至少一个LED组件包 括构造成产生光的至少一个LED;和 限定内部空间的热光扩散器,所述至少一个LED构造成发射光到所述内部空间中并穿 过所述热光扩散器,所述热光扩散器设置在所述底座的表面上并且从所述底座的表面延伸 到末端,所述热光扩散器包括从所述底座延伸到所述末端的多个结构元件,其中所述多个 结构元件从底座延伸并向外扩张,以及其中所述多个结构元件限定所述内部空间,所述内 部空间在所述结构元件的内表面之间延伸并且从所述底座延伸到所述末端,所述热光扩散 器包括具有大于100 W/(mK)的热导率的材料。
22. 根据权利要求21所述的LED灯泡,其中,所述热光扩散器的与所述底座接触的安装 部分占据所述底座的可用表面积的至少70%。
23. 根据权利要求21所述的LED灯泡,其中,所述材料具有大于70%的反射率。
24. 根据权利要求21所述的LED灯泡,其中,所述LED组件具有发光侧和非发光侧,所述 热光扩散器位于所述发光侧上,并且进一步包括: 构造成控制所述LED的操作的电子器件,所述电子器件设置在壳体中,所述壳体位于所 述非发光侧上;和 热联接到所述壳体的散热器。
25. —种发光二极管LED灯泡,包括: 导热的底座; 设置在并且热联接到所述底座的表面上的至少一个LED组件,所述至少一个LED组件包 括构造成产生光的至少一个LED;和 限定内部空间的热光扩散器,所述至少一个LED布置成发射光到所述内部空间中并穿 过所述热光扩散器,所述热光扩散器设置在所述底座的表面上并且从所述底座的表面延伸 到所述LED组件的发光侧上的末端,所述热光扩散器包括从所述底座延伸到所述末端的多 个结构元件,其中所述多个结构元件从底座延伸并向外扩张,以及其中所述多个结构元件 限定所述内部空间,所述内部空间在所述结构元件的内表面之间延伸并且从所述底座延伸 到所述末端,所述热光扩散器具有不规则构造并且包括具有大于100 w/(mK)的热导率的材 料。
26. 根据权利要求25所述的LED灯泡,其中,所述多个结构元件包括不规则的波动边缘。
27. 根据权利要求25所述的LED灯泡,其中,所述不规则构造包括穿过所述热光扩散器 的开口的随机布置。
28.根据权利要求25所述的LED灯泡,其中,所述不规则构造包括光学反射材料的不规 则布置。
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