CN103890489A - Led冷却系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于LED光源模块的采用热交换器的冷却系统，设计用于自动化照明设备冷却风扇，并有效地冷却LED光源模块。

Description

LED冷却系统

相关申请

本申请，作为一份完整的发明专利申请，要求于2011年9月5日提交的美国临时专利申请61/531,059的优先权。

技术领域

本发明一般地涉及一种自动化的照明设备，特别是采用高强度LED光源的照明设备。更具体地，涉及用于冷却光源的系统和方法。

背景技术

在娱乐场所和建筑照明市场中，带有自动化及远程控制功能的照明设备众所周知。这样的产品通常被用在剧场、电视演播室、音乐会现场、主题公园、夜总会等场所。典型的产品将为照明设备的摇摄和俯仰功能提供控制，允许操作者控制照明设备所指向的方向，并且因此控制舞台或演播室中光束的位置。这种方位控制经常是通过沿两条正交转动轴线(通常称为摇摄轴线和俯仰轴线)对照明设备的方位进行控制来实现。许多产品提供对其它参数的控制，例如强度、颜色、焦距、波束尺寸、波束形状和波束图案。波束图案常常是由被称为前景的模板或幻灯片提供，可以是钢制品、铝制品或玻璃刻蚀图案。这种由Robe Show Lighting制造的产品，例如ColorSpot700E，是典型的现有技术。

图1示出一种典型的多参数自动化照明系统10。所述系统一般包括多个多参数的自动化照明设备12，其中每个自动化照明设备一般装载包括光源(未示出)、光调制器、耦合到机械驱动系统和控制电器(未示出)的电动机。除被直接连接到主电源或经由配电系统(未示出)连接到主电源外，每个照明设备被串联或并联地由数据链路14连接到一个或多个控制台15。所述自动化照明系统10通常由操作者通过控制台15进行控制。因此，为实现这种控制，所述控制台15和各个独立的照明设备一般包括作为机电控制系统的一部分的电子电路，所述机电控制系统用于控制自动化照明参数。

图2示出现有技术中一种采用高压气体放电(HID)灯的自动化照明设备12。所述HID灯21包括发光的弧光或等离子体光源22。发出的光由反射器20通过光圈或快门24进行反射和控制。结果形成的光束可被光学器件26进一步约束、成型、着色和过滤，所述光学器件26可以包含二向色滤光片、调光百叶窗、以及其它本领域中众所周知的光学器件。最终的输出光束被传送通过输出透镜28和31，输出透镜28和31形成变焦透镜系统。典型的采用HID型灯的照明设备使用一个热镜46，所述热镜46是一个使可见光透射并使不可见的辐射能量反射的窗口。

现有技术中自动化照明设备用各种各样的技术作为光学系统的光源。例如，众所周知的是，采用白炽灯、高压气体放电(HID)灯、等离子体灯、以及LED作为这种照明设备的光源。许多这种光源需要冷却以在可接受的运行温度范围内以维持运行。图3示出一种现有技术实例中灯的光源30和其主要部件。所述灯30可以包括一个密闭的石英外壳37，该石英外壳37具有一般由坞制成的两个电极34和35。在运行过程中，电弧在电极34和35之间被激发，从而产生高温等离子体并发光。关于发光的机理和化学过程超出本专利的范畴，与本发明的改进之处无关。照明设备设计者必须开发一个为所述光源30的部件维持期望温度的冷却系统。对于任意冷却系统，进一步的约束是必要的，以避免与反射器31形成干扰，或与从灯发出的、或者从反射器31反射回的光束形成干扰。

图4示出一种更进一步的现有技术中的自动化照明设备的冷却系统，以设法使光源30(尤其是灯外壳37、灯夹32和33)维持在合适的温度。在这种设计中，一个或多个风扇41被引导入反射器31中，以这样的方式引导外部冷却空气环绕在灯30周围。冷却空气可以如图中所示直接被引导在所述灯上，或者可以被定向为一定角度，从而在所述灯周围形成空气涡流。

现有技术中没有一种系统可以很好地工作于包含大功率LED发射器阵列的光源上。这样的阵列覆盖了一个广阔的范围，而不是现有技术的灯所提供的单个点光源，并且也不容纳在单个反射器内。虽然采用简单的风扇吹过LED阵列的设计也可以工作，但是噪声较大且体积比较庞大。

有鉴于此，需要一种在自动化照明设备中的大功率LED阵列使用的冷却系统，以使此类阵列在紧凑系统中的冷却得以改进，很好地控制由冷却系统发出的噪声。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中相同附图标记表示相同特征，其中：

图1示出一个典型的自动化照明系统；

图2示出一种现有技术的系统；

图3示出一种在自动化照明设备中的典型的现有技术灯冷却系统；

图4示出一种现有技术的灯冷却系统；

图5示出本发明的一实施例；

图6示出本发明的一实施例的立体图；

图7示出图6中两侧的热交换器子系统106的其中之一的立体图；

图8示出一种本发明的LED光源的立体图；

图9示出图7中侧面热交换器的一个散热片的顶部气流的俯视图；

图10示出图6所示的冷却系统，其中，侧面热交换器子系统106和116被移出；

图11示出本发明实施例的热交换器的立体图；

图12示出本发明实施例的一种热交换器子系统107的立体图。以及

图13示出图3中侧面热交换器的散热片的其中之一的顶部气流的俯视图。

具体实施方式

本发明的优选实施方式在附图中予以展示，各个图中相同的附图标记被用于指代各附图中相同或对应的部件。

本发明一般地涉及一种自动化的照明设备，特别是采用高强度LED光源的照明设备以及包含在其中的灯冷却系统。

图5示出一种体现本发明的自动化照明设备100，所述自动化照明设备100使用高能LED阵列。所述自动化照明设备100包括通过光学器件150和152发光的光源模块102，所述光学器件150和152可以包括遮光轮、旋转遮光轮、效果盘(effects wheels)、虹膜、防冻系统、二色性滤色片、调光百叶窗、以及本领域众所周知的其他光学器件。最终的输出光束可以透射穿过透镜154和156，透镜154和156可形成一个变焦透镜系统。

图6示出本发明的一实施例。光源模块102包括一具有光输出孔105的LED阵列模块104。LED阵列模块104被一对侧面热交换器子系统所围绕：其中，第一侧的热交换器子系统106带有相关的散热片113和冷却风扇114,第二侧的热交换子系统116带有相关的散热片109和风扇110。

图8也示出了一种组合的多面热交换器子系统107，其带有相关的散热片(图6中未示出)、以及风扇108和112。风扇108、110、112和114可以引导空气穿过与其关联的热交换器子系统。风扇108、110、112和114可以是低速风扇，从而使产生的噪声很低。进一步，风扇108、110、112和114可以设置在合适的位置，从而使气流从140和144被引导进入热交换器子系统106、116、107，也用来阻止和减弱风扇噪声。进入热交换器子系统106、116、107的气流140、144最终形成气流142、146(图6中未示出流出子系统116和107的气流)。

图7示出一个侧面的热交换器106，其设置有散热片113和风扇114。

图8示出本发明的一实施例的LED阵列模块。LED阵列模块104包括高能LED阵列，和通过光输出孔105引导光的光学组合系统。LED阵列可以安装在LED阵列模块104内部，在表面120、122、124、126和128的内侧上。表面120、122、124、126和128是热传导表面，其被设计用于将热从内部阵列传送到到LED阵列模块的外侧，由此被传送到热交换器。

图9示出了由风扇114产生的气流150越过图7的热交换器子系统中的其中一个散热片113的俯视图。气流以湍流152的形式进入风扇，湍流152根据风扇114的速度和气流150的流量转变成层流154。由于散热片113在出口端151处逐渐变细，阀门端115上的空气开始弯曲远离光源104，并形成伯努利效应(Bernoulli effect)156、158，更强烈地拉动空气远离光源104。入口处高速的湍流对空气的热交换有着更加有益的效果。低速的层流有利于获得更安静的运行状态。由于湍流效率更高，因此在光输出105末端160的冷却增大了输出侧160相对于靠近光源表面126的侧部162的温差，从而促进了沿方向164的热吸收。同时根据工作温度，湍流的影响可以被在靠近光源表面126的侧部162处的更大的温差所抵消。

图10示出图6中的热交换系统，其中移开了侧面热交换子系统，留下光源104、以及包括风扇108和112的热交换子系统107。

图11示出一种本发明实施例的热交换器。热传导表面134与LED阵列模块的热传导表面(例如图8中所示的表面128)紧密接触。转移的热量然后传送进入辐射散热片132。辐射散热片132和热传导表面134可以是铜制的、铝制的，也可以是由其他具有良好导热性的材料制成的。在图8所示的实例中，辐射散热片132延伸穿过热交换器140，并包括三个热传导表面，每个热传导表面均与LED阵列模块的不同的热传导表面相接触。除了用于风扇108和112的气体入口孔以及进气口136外，辐射散热片的大部分被外壳130所包覆。外壳130因此形成一个导风管，引导外部的冷空气140通过风扇108和112进入热交换器。这一气流受外壳130局限在辐射散热片132之间流过辐射散热片132。热量从辐射散热片传到空气中，最终的热空气142在136流出热交换器。流出的热空气142被引导至自动化照明设备外。空气从风扇通过热交换器的导送既有助于冷却LED模块，又有助于对风扇进行隔音和消音。

在此示出的是一个与LED模块的三个表面接触的“C”形热交换器，然而本发明并不受此限制，LED模块的任意数量的表面均可以与热交换器接触。尽管在此示出的是两个风扇108和112，但是本发明同样不受此限制，任意数量的风扇均可以在此使用。

图12示出一种本发明实施例的热交换器，其中，引导盖的的顶部和侧面被去除。可以看出辐射散热片132如何在热交换器的内侧周围进行延伸，从而为热传导提供大的表面积。热量从传导表面134传送入辐射散热片132，如前文所述。

图13是穿过图10所示热交换器子系统的散热片132的气流170的俯视图。湍流高发区域被图示为172和174。产生伯努利效应176是由气流出口136的出口流体动力所致。

虽然在此所示的附图所示的实施例中带有能够从遮光轮和其它形式的光学器件产生投影图像的成像系统，但是本发明不受此限制，从光学系统输出的光可以在投射聚焦或散焦图像之处成像，或者在弥散模糊边缘光束形成之处不成像，这并不偏离本发明的主旨。本发明可以被用作带有光学系统的LED阵列冷却系统，光学系统一般是公知为光斑、光线、光束、或本领域众所周知的其他光学系统。

在其他进一步实施例中，冷却系统可以利用来自灯具控制系统和温度探测器的反馈进行主动控制，灯具控制系统和温度探测器测量灯具和/或灯具外壳的内部和周围的温度并控制风扇108、110、112和114的转速。单独的传感器可以被用来感应每个LED阵列和/或LED模块和/或照明设备内外的其他位置的温度。此系统也可以采用提供给LED模块104的动力来控制冷却风扇的转速。例如，如果用户通过图1所示的控制台和链路命令灯具变暗达20％，那么冷却系统可以就此做出响应，通过降低风扇的转速到与正在提供给LED阵列模块104的动力水平所相应的程度。风扇转速相应的程度取决于以下两者的函数关系：光源的热功率与热生成量的曲线，以及一个内外温差下的冷却与风扇转速的曲线。风扇转速还可以基于来自各种传感器的温度输入或跨越传感器的温差进行控制。

在其他实施例中，灯具冷却量和风扇转速也可以通过沿图1所示的通信链路14所接收的指令来进行控制。此类指令可以通过协议来传输，所述协议包括但不限于如下工业标准协议：DMX512、RDM、ACN、Artnet、MIDI和/或Ethernet。

虽然本公开内容已经参照有限数量的实施例进行了描述，但是，已掌握本公开内容改进概念的本领域技术人员可以理解的是，可以采用不偏离本公开内容的范围的其它实施例。本公开内容已经得到详细描述，可以理解的是，在不偏离本公开内容精神以及范围的情况下，可以做出各种变化、替换、以及改变。

Claims (1)

1.一种照明设备，包括：

一产生光和热的LED阵列；

用于驱动气流的一个或多个风扇；

通过导送空气将热量驱离所述LED阵列的热交换器，导送空气所采用的方式为：利用湍流实现冷却效果，并将湍流转变为层流从而降低气流噪声。

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