CN104105922A - 带具有球形几何形状的漫射体的led灯 - Google Patents

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CN104105922A CN201380008205.8A CN201380008205A CN104105922A CN 104105922 A CN104105922 A CN 104105922A CN 201380008205 A CN201380008205 A CN 201380008205A CN 104105922 A CN104105922 A CN 104105922A
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Abstract

描述了灯的实施例，其使用发光二极管(LED)来生成与白炽灯一致的强度分布。在一个实施例中，灯(100)包括漫射体(108)，漫射体(108)具有带光反射上部(110)和光透射下部(112)的球形几何形状。灯(100)还包括热管理系统，其具有围绕漫射体(108)环形地设置的多个光活性散热元件(118)。在一个示例中，散热元件(118)与漫射体(108)间隔开来促进对流散热。

Description

带具有球形几何形状的漫射体的LED灯
技术领域
本公开内容的主题涉及光照和光照装置，并且更具体地涉及使用发光二极管(LED)的灯，其中实施例呈现出与普通白炽灯一致的强度分布。
背景技术
白炽灯(例如，整体式白炽灯和卤素灯)经由螺纹基座连接器(在白炽灯泡的背景下有时称为"爱迪生基座")、卡口型基座连接器(即，在白炽灯泡的情况是卡口基座)、或其它标准的基座连接器来与灯座匹配。这些灯通常为整体包装的形式，其包括以标准电能(例如，110V和/或220V AC和/或12V DC)操作的构件。在白炽灯和卤素灯的情况下，这些构件最小，因为灯包括在高温下操作且将多余的热有效地辐射到环境中的白炽灯丝。许多白炽灯为全向性光源。这些类型的灯提供大致一致的光强度分布(或"强度分布")的光。此类灯得到了多种应用，如，在桌灯、台灯、装饰灯、吊灯、顶灯和需要沿所有方向的光的均匀分布的其它应用中。
固态光照技术如LED或基于LED的装置通常具有优于白炽灯的性能。该性能可通过例如以流明每电瓦特(LPW)测量的其有效寿命(例如，在时间内的其流明保持和其稳定性)和较高效力来量化。例如，白炽灯的寿命通常在大约1000到5000小时的范围中，而使用基于LED的装置的光照装置能够操作超过25,000小时，且或许高达100,000小时或更高；而白炽灯和卤素灯的效力通常在10到30LPW的范围中，基于LED的装置现今可具有40到100LPW的效力，且在将来甚至更高。
令人遗憾的是，基于LED的装置在性质上是高度定向的。普通LED装置是平的，且仅从一侧发光。因此，尽管性能优异，但制造作为白炽灯替换物的许多市售的LED灯的强度分布并非与白炽灯的强度分布一致。
固态技术的又一个挑战在于需要充分地散热。基于LED的装置相比于白炽灯丝或卤素灯丝在性能和可靠性两者方向对于温度高度敏感。这些特征通常通过放置与LED装置接触或热接触的散热器来解决。然而，散热器可阻挡LED装置发射的光，且因此进一步限制生成一致的光强度的光的能力。限定包括光源的所有灯构件的最大尺寸的物理约束如规章限制进一步限制了适当散热的能力。
发明内容
本公开内容描述了灯，其以一种方式分散来自发光二极管(LED)的光，该方式使得该灯适于替换白炽灯泡。这些灯的实施例包括漫射体(diffuser)，其具有球形几何形状，限定了位于漫射体的顶部的反射区域(reflective area)以及反射区域下方的透射区域(transmissive area)。反射区域将光从LED引导至透射区域，在该处光穿过漫射体。
本公开内容的其它特征和优点将通过结合附图参照以下描述而变得清楚。
附图说明
现在简要参照附图，在附图中：
图1绘出了可替换常规白炽灯泡的示例性灯的侧视图；
图2绘出了用于图1的灯中的示例性漫射体；
图3示出了沿图2的线A-A截取的漫射体的横截面；
图4示出了用于图1的灯中的另一个示例性漫射体；以及
图5示出了用于图1中的灯中的示例性基座组件的透视图。
只要适用，则相似的参考标号表示所有若干视图中的相同或对应的构件和单元，视图并未按比例，除非另外指出。
具体实施方式
图1示出了具有光引擎(light engine)102的示例性灯100(也是"LED灯100")的侧视图，光引擎102具有作为主光源的发光二极管(LED)104。LED104生成光，使得灯100形成与常规白炽灯泡的强度分布相当的范围的光强度分布图案(也是"强度分布")的光。具有中心轴线C且限定远场中的高度或纬度坐标θ(也是"分布角θ")的坐标系可用于描述共同强度分布的照明的空间分布。在一个实施例中，LED灯100将来自LED104的光分散到强度分布中，其满足和/或超过美国能源部对于所谓L-PRIZE®规格规定的一致强度分布的目标值。在本申请提交为止，该规格限定了60瓦白炽灯的LED替换物。LED灯100还满足和/或超过其它行业标准和额定值(例如，美国的ENERGY STAR®的额定值)的值。值得注意的是，涉及强度分布的一致性的ENERGY STAR®规格指出，0°到135°的范围内的任何分布角θ下的强度必须在该角范围下的所有强度的平均值的±20%内。L-PRIZE®规格需要比ENERGY STAR®额定值更一致的强度分布。作为一个示例，L-PRIZE®规格需要0°到150°的范围内的任何角θ下的强度必须在以该角范围的所有强度的平均值的±10%内。
除匹配和/或超过ENERGY STAR®额定值和L-PRIZE®规格两者之外，LED灯100的实施例是例如对于白炽灯的良好替代品，因为LED灯100使用更少得多的能量，且提供充分的散热来保持LED104的操作远超过白炽灯泡的操作寿命。LED灯100同样具有灯轮廓，其部分地由其最大直径106特征化。LED灯100的实施例的最大直径106的值配合在满足包括ANSI和IEC标准的各种行业标准的轮廓内。该灯轮廓106使得LED灯100适用于用作多种白炽灯泡的替换物，包括A型(例如，A15、A19、A21、A23等)、G型(例如，G20、G30等)，以及本领域中已知和承认的各种行业标准限定的其它轮廓。在灯轮廓的示例中，最大直径106可从大约60mm(例如，通常GE A19白炽灯)到大约69.5mm(例如，对于A19灯由ANSI允许的最大直径)。具有相关光照领域中的技术的技术人员可缩放灯轮廓的尺寸，包括最大直径106，以满足其它A线和G型尺寸的尺寸规格。
在图1中，LED灯100具有漫射体108，漫射体108具有上部110和下部112。基座组件114支承光源102和漫射体108。基座组件114的构造配合在灯轮廓的最大直径106内。在一个实施例中，基座组件114包括热管理系统116，其具有外形类似于建筑上的"支壁"的多个光学活性散热元件118(也是"散热元件118")。散热元件118将热能从光源102引导出且引导离开LED灯100。在一个示例中，热能通过与环境空气对流来消散。
散热元件118与漫射体108的外表面间隔开。间距形成空气间隙120，其通过允许空气较自由地沿散热元件118流动而改善了LED灯100通过与空气的自然对流或强制对流来散热的能力。基座组件114还包括本体122，其终止于连接器124处。本体122和连接器124可收纳驱动和控制光源102的多种电气构件和电路。连接器124的示例与美国的住宅和写字楼中发现的爱迪生型灯座以及将电传导至灯100的构件的其它类型的座和连接器相容。
在操作中，来自LED104的光朝漫射体108的顶部沿中心轴线C比沿任何其它方向更强地定向地行进。如下文更详细论述那样，漫射体108在上部110和下部112中呈现出光学性质，以在关于中心轴线C有0°到135°或更大的分布角θ下生成具有±20%的一致性的强度分布，而不管LED104发射的光的方向性。在上部110中，例如，漫射体108可以以90°或更大的分布角θ向下反射光，在一个示例中达到135°到150°，且在另一个示例中，高达150°或更高。反射的光经由下部112中的漫射体108透射。为了促进光的有效强度分布，散热元件118的形状和位置减小了与透射光的干扰。
图2和3分别以透视图和沿图2的线A-A的侧部横截面视图示出了示例性漫射体200。漫射体200配合在图1中所示的散热元件118的内侧。漫射体200具有将光分散来产生上述强度分布的光学特性。图2的透视图示出了具有球形几何形状的漫射体200，其形成中空的内部容积202。漫射体200还具有一个或多个光学活性区域，其包括透射区域204和反射区域206，其分别对应于图1的漫射体108的下部110和上部112。开口208提供至内部容积202的通路。开口208具有直径d，且尺寸确定为且构造为在漫射体200处于LED灯(例如，图1的灯)上的位置时围绕光引擎(例如，图1中的光引擎102)配合。在一个实施例中，漫射体200构造成以便光引擎位于内部容积202的主要部分的外侧或外周。
在图3的横截面中，漫射体200示为具有带限定球形几何形状的弯曲特征的轮廓212和尺寸(例如，高度尺寸H和外径D)的内表面210。反射区域206覆盖内表面210的一部分，且作用为主要经由透射区域204反射光，而非反射回到开口和/或穿过开口208。在一个示例中，透射区域204可构成并非为反射区域206的一部分的内表面210的总表面区域的余量。
直径(例如，直径D和直径d)与透射区域204和反射区域206中的漫射体200的光学性质一起确定本文构想的LED灯的强度分布。透射区域204的示例主要允许光从内部容积202经由漫射体200透射出。反射区域206的示例主要将光反射到内部容积202中，且经由透射区域204反射出。然而，透射区域204和反射区域208还可呈现出光反射和/或光透射性质的组合，以提供与白炽灯泡的外观和感觉一致的强度分布，且满足本文所述的各种行业标准。在一个示例中，穿过透射区域204的光的强度分布大于穿过反射区域206的光的强度分布。
内表面210的轮廓212的变化可影响漫射体210呈现的强度分布，例如，通过限定透射区域204和反射区域206中的一者或两者的球形几何形状的特征。轮廓212可引起球形几何形状具有比球形大致更扁的形状，例如，具有扁球形，因此，内表面210将呈现出扁平(或大致扁平)的顶部和如图3中所示的外周径向曲率。然而，本公开内容还构想出了轮廓212可偏离扁球形的构造，例如，成球形、长球形、锥体或圆锥形，以及可有利地改变从反射区域206例如反射到漫射体200的内部容积202中的光分布的其它中空构造。例如，此类偏差可通过改变高度尺寸H和外径D中的一个或多个而出现，其中任一者可改变球形几何形状的构造，以引起球形几何形状采用不同几何形状的长球形和/或扁球形的形式。在漫射体200的示例中，外径D大于直径d，或换言之，球形几何形状的外径D大于光引擎的外部尺寸(例如，直径)。
漫射体200的示例可整体地形成为单个整体构造或形成为附连在一起的构件。材料、期望的光学性质和其它因素(例如，成本)可规定形成漫射体200的几何形状(例如，球形几何形状)所需的构造类型。下文关于图4论述了一个示例性多构件构造。
图4示出了另一个示例性漫射体300，包括具有球形几何形状的多构件结构，其与图1中的LED灯100一起使用。如下文进一步所述，球形几何形状可通过沿着球形的表面以轴对称布置组装的一定不连续数目的平片漫射体来接近。片漫射体可为优选的，因为此类片漫射体可呈现出光的潜在较高的漫射，其相比于整体形成的三维漫射体具有相对较低的损失或光吸收。多构件结构可呈现出与以上漫射体(例如，漫射体108(图1)和漫射体200(图2和3))相同的光学性质，且因此，本公开内容的LED灯的实施例可呈现出具有与关于以上LED灯100所述的类似强度分布的相同分布图案。然而，结构如图4中的多构件结构可允许不一定遵循包括如本文所述的漫射体的整体形成的某些材料和/或过程的复杂几何形状。
在一个实施例中，漫射体300包括多个元件(例如，反射圆顶元件302和透射本体元件304)。反射圆顶元件302形成球形几何形状的顶部，且提供上述反射区域(例如，图2和3中的反射区域206)。透射本体元件304可包括框架306和装固到框架306上的一个或多个透射面板308。透射面板308形成漫射体300的透射区域(例如，图2和3中的透射区域204)。在一个示例中，框架306结合所有或部分的反射本体元件302。在另一个示例中，多构件结构放弃使用框架306而便于构造透射面板308，其允许相邻边缘装固到彼此上以形成球形几何形状。
本公开内容的示例性漫射体(例如，漫射体108,200和300)可包括一个或多个涂层和/或表面处理(统称为"涂层")，其覆盖内表面的区域以提高漫射体的光学性质。此类涂层的性质可确定透射区域和反射区域的相对范围、位置、表面面积和光学性质。这些性质可由涂层的成分引起，其包括具有材料光学性质的成分，其总体上或部分地为反射的、透射的、折射的、衍射的、镜面反射的、漫射的、发射的和它们组合和衍生。油漆、玻璃粉、珐琅、粉末涂层、点阵、小透镜、棱柱、工程表面以及类似构造的材料都适用为内表面上的涂层。这些材料可包括颗粒和其它光散射介质。透射区域与反射区域之间的界限可需要材料涂层具有不同性质。在一个示例中，在反射区域中发现的涂层可比在透射区域中发现的涂层反射更强。
用于构造示例性漫射体的材料还可在反射区域和透射区域具有确定光学性质的性质。类似于上述涂层，示例性漫射体可包括具有不同材料光学性质的任何数目和组合的材料。示例性材料包括塑料、陶瓷、石英、复合材料、纳米结构和玻璃。在一个实施例中，示例性漫射体可包括在反射区域中反射更强的材料和在透射区域中反射相对更弱的材料。在其它实施例中，示例性漫射体可包括各处的相同材料(或材料组合)，其中示例性漫射体的表面上的一个或多个涂层的使用引起与透射区域和反射区域相关联的不同光学性质。在一个示例中，反射区域为不透明的。反射区域还可呈现出镜面反射、漫反射和/或它们的组合。在一个示例中，漫射体包括低损失材料。
图5绘出了用于图1的LED灯100中的基座组件400的透视图。在图5中，基座组件400包括光引擎402，且包括热管理系统404，其包括：基座元件406，光引擎402抵靠在其上；以及沿径向围绕中心轴线C布置的光活性散热元件408(也是"散热元件408")。基座元件406和散热元件408的构造将热能(thermal energy)(即，热能(heat energy))传导离开光引擎402。
在一个实施例中，散热元件408具有本体410，其具有一对光活性表面(例如，第一表面412和第二表面414)。本体410从基座元件406延伸且终止于漫射体端部416处，漫射体端部416邻近LED灯中的漫射体(未示出)。漫射体端部416包括外周表面418和在漫射体(未示出)的外表面附近的内周表面420。在一个示例中，内周表面420具有匹配漫射体(未示出)的近侧和对应部分的形状的轮廓形状。
漫射体(例如，漫射体108,200和300)的内周表面420和外表面之间的间距形成空气间隙(例如，图1中的空气间隙120)。该空气间隙构造的一个令人惊讶的利益在于，相比于所有或部分的散热元件408可接触和/或几乎接触漫射体的其它设计，改善了散热且将LED板温度降低了至少大约5℃。所相信的是，空气间隙(例如，图1的空气间隙120)提供了漫射体(例如，漫射体108,200和300)的内周表面420和外表面之间的空间以便于空气流动和对流。由空气间隙(例如，图1中的空气间隙120)提供的空间有效地减小了空气中的摩擦和阻力。该特征改善了漫射体(例如，漫射体108,200和300)的外表面、本体410的光活性表面和内周表面420上的空气流。空气流中的改善提高了对流速率和散热速率。在一个实施例中，空气间隙(例如，图1中的空气间隙120)从大约1.75mm到大约3mm，大约2mm或更大，且在一个实施例中，空气间隙(例如，图1中的空气间隙120)为大约3mm或更大。该间距可保持在内周表面420的长度上一致，或可根据公差和其它设计考虑来变化。在一个实施例中，空气间隙(例如，图1中的空气间隙120)在基座元件406附近比在本体元件410的漫射体端部416处更大。基座元件406附近的较大空气间隙通过从大约90°到大约150°的分布角θ的临界范围中的本体410减小光的吸收和散射。
散热元件408的热性质可对热管理系统404消散的总能量有显著影响，且因此，对光引擎402和任何对应的驱动器电子装置的操作温度有显著影响。由于操作温度可限制光引擎402和驱动器电子装置的性能和可靠性，故关键是选择一种或多种材料来用于具有适当性质的热管理系统404。材料的导热率限定了材料导热的能力。当在构件的背景下使用时，构件中的材料的导热率与构件的尺寸和/或特性(例如，形状)一起限定了构件的导热性，其为构件导热的能力。由于光引擎402可具有很高的热通量密度，故热管理系统404应当优选包括具有高导热率的材料和具有提供高导热性的尺寸的构件，以便生成的热可经由低热阻(即，导热性的反面)传导离开光引擎402。
在各种实施例中，热管理系统404可包括一种或多种高导热率材料。高导热率材料将允许更多热从热负载移动至环境，且导致了热负载的温升的降低。示例性材料可包括金属材料，如，合金钢、铸铝、挤制铝和铜。其它材料可包括工程复合材料，如导热聚合物以及塑料、塑料复合物、陶瓷、陶瓷复合材料、纳米材料，如，碳纳米管(CNT)或CNT复合材料。示例性实施例可分别呈现出大约50W/m-K、从大约80W/m-K到大约100W/m-K、170W/m-K、390W/m-K、以及从大约1W/m-K到大约50W/m-K的导热率。
实际考虑如制造工艺或成本还可影响材料选择和有效热性质。例如，大致较大的量而更廉价的铸铝具有挤制铝的大约一半的导热率值。对于制造的简便和成本优选的是主要使用一种材料来用于大多数热管理系统404，但相同材料或甚至将两种或多种不同材料并入热管理系统404的构造中的铸造/挤制方法的组合可最大限度地增加冷却。
热管理系统404可包括沿径向围绕中心轴线C布置的3个或多个散热元件408。散热元件408可与彼此等距间隔开，以便相邻的散热元件408对于8元件布置分开至少大约45°且对于16元件布置分开22.5°。物理尺寸(例如，宽度、厚度和高度)还可确定散热元件408之间的所需分离。例如，在连同多构件漫射体(例如，图4中的漫射体300)使用时，光活性散热元件408的位置可与优化穿过漫射体(例如，漫射体108,200和300)的光强度分布的某些元件(例如，图4的框架308)和位置对准。
示例性光引擎(例如，光引擎102和402)可包括平面的基于LED的光源，其发射具有接近朗伯强度分布的光，其与示例性漫射体相容，以用于产生全方向的照明分布。在一个实施例中，平面的基于LED的朗伯光源包括安装在电路板(未示出)上的多个LED装置(例如，LED104)，其可选为金属芯印刷电路板(MCPCB)。LED装置可包括不同类型的LED。例如，示例性光引擎可包括具有相应的光谱和强度的一个或多个第一LED装置和一个或多个第二LED装置，该光谱和强度混合而再现期望色温和颜色再现指数(CRI)的白光。在一个实施例中，第一LED装置输出白光，其在一个实施例中具有呈绿色的表现(例如，可通过使用涂布有适合的"白色"磷光体的蓝色或紫色发光LED芯片来实现)。第二LED装置输出红色和/或橙色光(例如，可使用自然地发射红光和/或橙光的GaAsP或AlGaInP或其它外延LED芯片或通过选择发射红光或橙光的磷光体实现)。来自第一LED装置和第二LED装置的光混合在一起来产生改善的颜色再现。在另一个实施例中，平面的基于LED的朗伯光源还可包括单个LED装置或并入单个LED装置的LED发射体阵列，其可为白色LED装置和/或饱和颜色的LED装置和/或其它。在另一个实施例中，LED发射体为有机LED，其在一个示例包括发射光的有机化合物。
如本文使用的以单数形式叙述且冠有词语"一个"或"一种"的元件或功能应被理解为并未排除多个所述元件或功能，除非明确叙述此类排除。此外，提到的请求得到专利保护的发明的"一个实施例"不应当理解为排除也并入所叙述的特征的附加实施例的存在。
所撰写的说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并还能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或系统且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。

Claims (21)

1. 一种灯，包括：
具有球形几何形状的漫射体，所述漫射体包括限定反射区域的上部和限定透射区域的下部，所述下部终止于所述漫射体中的开口处；以及
设置成邻近所述开口且在由所述漫射体限定的内部容积外的光引擎，所述光引擎包括将光引导到所述内部容积中的发光二极管。
2. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述透射区域包括低损失材料。
3. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述反射区域不透明。
4. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述反射区域包括光反射涂层。
5. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述透射区域包括光透射涂层。
6. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述上部具有限定所述反射区域的大致扁平的顶部，所述大致扁平的顶部与长球形一致。
7. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述球形几何形状具有大于所述光引擎的直径的外径。
8. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述反射区域为形成所述漫射体的一部分的反射圆顶元件的一部分。
9. 根据权利要求8所述的灯，其特征在于，所述透射区域为透射本体元件的一部分，其包括多个面板，其装固在相邻边缘处且装固到所述反射圆顶元件来形成所述球形几何形状。
10. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述光引擎包括多个所述发光二极管。
11. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述反射区域覆盖所述漫射体的区域，以在关于中心轴线至少大约135°或更大的分布角下分散所述光。
12. 根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述反射区域呈现出镜面反射、漫反射和它们的组合的一种或多种。
13. 一种灯，包括：
具有带中心轴线的球形几何形状的漫射体，所述漫射体包括上部和终止于所述漫射体中的开口处的下部，所述上部和所述下部具有不同的光学性质；
沿径向围绕所述中心轴线布置且与所述漫射体间隔开以形成空气间隙的多个光活性散热元件；以及
与所述光活性散热元件热接触的光引擎，光源设置成邻近所述开口且在由所述漫射体限定的内部容积外。
14. 根据权利要求13所述的灯，其特征在于，所述空气间隙为大约1.75mm或更大。
15. 根据权利要求13所述的灯，其特征在于，所述球形几何形状具有大于所述光引擎的直径的外径。
16. 根据权利要求13所述的灯，其特征在于，所述上部关于所述中心轴线以至少大约135°或更大的分布角反射光。
17. 根据权利要求13所述的灯，其特征在于，所述上部为部分透射的。
18. 根据权利要求13所述的灯，其特征在于，所述上部呈现出镜面反射、漫反射和它们的组合的一种或多种。
19. 一种用于灯的漫射体，所述漫射体包括具有限定反射区域的上部和限定透射区域的下部的球形几何形状，所述下部终止于所述漫射体中的开口处。
20. 根据权利要求19所述的漫射体，其特征在于，所述上部为反射圆顶元件的一部分，以及所述下部为透射本体元件的一部分，所述透射本体元件包括装固在相邻边缘处的多个面板，所述透射圆顶元件和所述透射本体元件装固在一起以形成所述球形几何形状。
21. 一种灯，包括：
具有球形几何形状的漫射体，所述漫射体包括限定反射区域的上部和限定透射区域的下部，所述下部终止于所述漫射体中的开口处；以及
设置成邻近所述开口的光引擎，所述光引擎包括将光引导到所述内部容积中的发光二极管。
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