具有分裂烟囱结构的散热结构
技术领域
本发明总体上涉及用于照明设备的散热结构的领域。特别地,本发明涉及一种这样的散热结构,其包括用于利用对流从照明设备消散热量的烟囱结构。
背景技术
传统的白炽灯目前正在被更具能量效率的基于固态的替代品所替代,诸如基于发光二极管(LED)的照明设备。LED以及用于驱动LED的电子器件在照明设备的工作期间产生热量。然而,高温会缩短LED的寿命。在设计基于LED的照明设备时,发热问题被认为是限制照明设备的光输出和寿命的瓶颈。一些照明设备包括能够在该照明设备内产生烟囱效应的结构,以便提升从LED进行的散热。烟囱效应被用来在该照明设备中产生空气流动以便利用对流来冷却LED。这样的照明设备的示例在US2008/0285271中示出。
发明内容
本发明的至少一些实施例的目标是提供一种用于照明设备(或灯)的有所改进的散热结构。具体地,其目标是提供一种用于提升照明设备的对流冷却的散热结构。
根据本发明的一个方面,这些和其它目标利用如独立权利要求中所限定的散热结构而实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中进行限定。
提供了一种用于照明设备的散热结构。该散热结构包括分别用于光源以及用于光源的驱动器的至少两个单独散热片。每个散热片包括鳍片和壁构造。该至少两个单独散热片沿照明设备的轴向方向进行设置。该至少两个单独散热片的鳍片被该壁构造所包围以形成沿照明设备的轴向方向(诸如基本上与之平行)进行设置的烟囱结构。而且,该烟囱结构包括流体平行设置的至少两个子烟囱结构。
在常规的基于LED的照明设备中,该光源和驱动器具有共用的散热片,由此LED所生成的热量经由该散热片传输至驱动器,由于驱动器对于高温是敏感的,所以这对于驱动器的寿命会有不利影响。本发明所使用的概念在于,为光源和驱动器使用单独的散热片,由此从光源到驱动器的热传递有所减少,这对于增加驱动器的寿命是有利的。
而且,用于(或专用于)光源和驱动器的单独散热片促进了每个散热片的设计中的个体优化。例如,分别用于光源的散热片和用于驱动器的散热片的热性能可以进行单独优化以便分别获得光源和驱动器的更长寿命。因此,允许照明设备更为灵活的设计。
此外,两个单独散热片的鳍片被壁构造所包围以形成烟囱结构,即气流在其中加速以利用对流提供照明设备的冷却的结构(或至少一个通道)。在本说明书中,烟囱结构意味着能够在其中获得烟囱效应的结构(或至少一个通道)。每一个子烟囱结构可以被鳍片划分为共同构成该子烟囱结构的(流体平行设置的)多个通道。
另外,至少两个子烟囱结构包括在该烟囱结构之中并且被互相流体平行设置以便减少热连接。因此,子烟囱结构提供了(加速了)在烟囱结构内的两个平行的空气流,由此冷空气同时流过两个子烟囱结构。例如,至少两个子烟囱结构可以在该烟囱结构内进行平行设置。这两个子烟囱结构提供了照明设备有所提升的对流冷却,由此该照明设备的热性能有所改善。
常规的基于LED的照明设备通常包括具有外部鳍片结构的散热片,该外部鳍片结构具有从照明设备突出的鳍片,通常在灯的后侧(即,照明设备的适于面向灯具器材的一侧)。这样的外部鳍片结构可能导致更难以对常规卤素灯具器材中的照明设备进行改型。根据本发明的散热结构(或散热构造)所提供的有所提升的对流冷却减少了对这样的外部鳍片结构的需求。在本发明的该方面,散热片的鳍片被壁构造所包围,由此该照明设备的后侧可以具有用于促成将该照明设备改型到常规卤素灯具器材之中的平滑结构。另外,根据本发明该方面的散热结构的有利之处在于获得了有所提升的对流冷却,由此使得能够实现具有有限的可能冷却面积的紧凑照明设备。
另外,该照明设备有所改进的热性能使得照明设备的总重量有所减小,因为散热片结构的大小可以有所减小。
根据本发明的实施例,该散热结构可以进一步包括散热板,其适于被设置在光源与用于光源的散热片之间,由此从光源到用于光源的散热片的热量消散有所提升。因此,该散热板可适于将热量从光源传导至用于光源的散热片。该光源可以被设置在该散热板,后者进而可以接合至用于光源的散热片(或安装于其上)。利用该实施例,光源和用于光源的散热片之间的热路径(或热传导)有所改善。该散热板优选地可以包括具有相对高的导热性的材料(诸如石墨和/或铜)和/或均热板,以便进一步改善从光源到用于光源的散热片的热量消散。
根据本发明的实施例,用于驱动器的散热片的壁构造的外壁可以形成两个子烟囱结构之间的隔断壁。因此,用于驱动器的散热片的外壁将该烟囱结构划分为两个子烟囱结构。术语“外壁”表示设置在该壁构造的外部部分(或周界)的壁而并非仅是从该照明设备面向外侧的壁表面。
根据本发明的实施例,用于驱动器的散热片的壁构造的外壁以及用于光源的散热片的壁构造的外壁共同定义了子烟囱结构之一。例如,用于光源的散热片的外部周界可以大于用于驱动器的散热片的外部周界,其中用于光源的散热片可以被设置为(部分)包围用于驱动器的散热片。因此,该散热片可以被设置为使得它们在轴向方向彼此部分重叠。利用本实施例,在子烟囱结构中被加速的空气流在用于驱动器的散热片的壁结构的外壁与用于光源的散热片的壁结构的外壁之间进行引导。
根据本发明的实施例,在用于驱动器的散热片的壁结构的外壁与用于光源的散热片的壁结构的外壁之间所定义的子烟囱结构可以相对于该散热结构的中心而被设置在其它子烟囱结构外侧。
根据本发明的实施例,用于驱动器的散热片的壁构造可以定义子烟囱结构之一的至少一部分。例如,子烟囱结构之一可以被定义在用于驱动器的散热片的壁构造的内壁和外壁之间。本实施例的有利之处在于,在子烟囱结构中生成的空气流通过用于驱动器的散热片,由此利用对流对驱动器进行冷却。术语“内壁”表示设置在该壁构造的内部区域中的壁而并非仅是从光源面向内部的壁表面。
在一个实施例中,至少部分由用于驱动器的散热片的壁构造所定义的子烟囱结构可以相对于该散热结构的中心而被设置在其它子烟囱结构的内侧。
根据本发明的实施例,用于驱动器的散热片的壁构造可以具有形成子烟囱结构之一的出口的至少一个开口。因此,在该子烟囱结构中引发的空气流可以经由该开口离开照明设备。该至少一个开口例如可以设置在用于驱动器的散热片的外壁之中。
根据本发明的实施例,用于光源的散热片的壁构造可以具有形成该烟囱结构的入口的至少一个开口。在该烟囱结构中所引发的空气流可以经由用于光源的散热片中的该开口进入照明设备。用于光源的散热片中的至少一个开口例如可以被定义在用于光源的散热片的外壁和内壁之间。两个子烟囱结构可以经由用于光源的散热片中的开口而具有共用入口。
根据本发明的实施例,用于驱动器的散热片的壁构造可以具有至少一个开口,用于光源的散热片的至少一个鳍片可以通过该开口从子烟囱结构之一延伸进入到子烟囱结构中的另一个中(诸如,从外侧的子烟囱结构延伸到内侧的子烟囱结构)。在本实施例中,在子烟囱结构之间进行延伸的鳍片可以被两个子烟囱结构中所引发的空气流进行冷却,这使得从光源的热量消散有所改善。优选地,散热片结构的至少一个鳍片可以通过用于驱动器的散热片的开口进行延伸而并不与用于驱动器的散热片进行物理接触,由此减少了散热片之间经由物理接触所进行的热传递,其有利之处在于从光源向驱动器的热传递有所减少。
根据本发明的实施例,用于光源的散热片结构和用于驱动器的散热片结构可以互相热隔离,由此减少了从光源向驱动器的热传递。术语“热隔离”表示散热片之一的热传导部分(诸如散热片中包括金属或任何其它具有相对高的导热性的材料的部分)并不直接与散热片中的另一个的热传导部分直接物理接触。散热片可以在某个点互相物理连接,但是该物理连接可以优选地经由诸如塑料或陶瓷之类的具有低导热性的材料来提供。
根据本发明的实施例,用于光源的散热片的壁构造可以包围用于驱动器的散热片的壁构造。因此,用于光源的散热片的壁构造可以相对于该散热结构的中心而被设置在用于驱动器的散热片的壁构造外侧。
根据一个实施例,两个子烟囱结构可以分别用于两个散热片。因此,子烟囱结构中的一个可以被设置为从用于驱动器的散热片消散热量,并且子烟囱结构中的另一个可以被设置为从用于光源的散热片消散热量。
根据本发明的实施例,提供了一种照明设备。该照明设备包括如之前任一个实施例所定义的散热结构。
注意到,本发明涉及权利要求中所记载特征的所有可能组合。本发明另外的目标、特征和优势将在研习以下详细公开、附图和所附权利要求时成为显而易见的。本领域技术人员意识到,本发明的不同特征能够进行组合以形成下文中所描述的那些以外的实施例。
附图说明
现在将参考示出本发明实施例的附图更为详细地对本发明的这一方面和其它方面进行描述。
图1是根据本发明实施例的照明设备的透视图。
图2是图1所示的照明设备的分解视图。
图3是图1所示的照明设备的截面图。
图4是图1所示的照明设备的底部视图。
图5图示了图1所示的照明设备的烟囱结构中所引发的空气流。
所有附图都是示意性的,并非必然依比例绘制,并且通常仅示出了为了阐述本发明所必需的部分,其中其它部分可以被省略或者仅作为建议。
具体实施方式
参考图1至4,将对包括根据本发明实施例的散热结构2的照明设备1进行描述。
如图2所示,照明设备1包括至少一个光源3以及用于驱动光源3的电子器件7(在下文中称作驱动器7)。驱动器7可以以灌封(或铸封)进行封装以便针对潮湿和冲击进行保护,并且被支撑在外壳(或托架)8中。光源3可以是基于固态的光源,诸如发光二极管(LED)。可选地,透镜4或光学盖体可以被设置为将光源3包围在照明设备1中。
照明设备1的散热结构2被配置为从照明设备1消散热量。散热结构2包括用于从驱动器7消散热量的散热片10(下文中称之为驱动器散热片)以及用于从光源3消散热量的散热片20(下文中称之为光源散热片)。驱动器散热片10和光源散热片20沿照明设备1的(共同)轴向方向100分开设置。轴向方向100可以对应于照明设备1的光学轴线。因此,照明设备100的光学轴线可以与光源散热片20的轴向方向以及驱动器散热片的轴向方向一致。驱动器散热片10可适于配合在灯具装置中并且形成照明设备1的背面(即,照明设备1的面对该灯具装置并且远离要被照明设备1所照亮的区域的部分或一侧)。光源散热片20形成照明设备1的前部并且面对要被照明设备1所照亮的区域。例如,光源散热片20可以在照明设备1前方进行延伸(或者突出)。
优选地,散热片10、20可以互相热隔离,或者至少仅在散热片10、20之间具有相对小的物理接触面积的几个点进行热连接,以便减少散热片10、20之间的热传递。例如,散热片10、20可以经由连接6进行互连。散热片10、20优选地由具有相对高的导热性的材料所制成,诸如金属。
驱动器散热片10包括至少部分被壁构造15(或壁结构)所包围的鳍片11。例如,鳍片11和壁构造15可以共同定义驱动器散热片10。鳍片11优选地可以在壁构造15的壁之间以照明设备1的径向方向(即,与照明设备1的轴向方向100成横向)进行延伸。如图3所示,驱动器散热片10的壁构造15包括(相对于散热结构2的中心)设置在鳍片11外侧的外壁19以及(相对于散热结构2的中心)设置在鳍片11内侧的内壁18。因此,外壁19和内壁18共同包围(或环绕)鳍片11。驱动器散热片10的外壁19优选地可以具有平滑的外表面以便促成在常规卤素灯装置中改造照明设备1。另外,在驱动器散热片10的外壁19中定义有一个或多个开口(或孔)16。开口16优选地可以在外壁19中周向延伸(即与照明设备1的轴向方向100成横向)。驱动器散热片10的外壁19进一步包括一个或多个开口17,它们优选地沿照明设备1的轴向方向100进行延伸。优选地,开口17可以被设置为外壁边缘19中面向光源散热片20的缝隙。
光源散热片20还包括至少部分被壁构造25(或壁结构)所包围的鳍片21、22。例如,鳍片21、22和壁构造25可以共同定义光源散热片20。鳍片21、22优选地可以在壁构造25的壁之间以照明设备1的径向方向进行延伸。如图3所示,光源散热片20的壁构造25包括相对于散热结构2的中心设置在鳍片21、22外侧的外壁29以及设置在鳍片21、22的内侧的内壁28。因此,外壁29和内壁28共同包围(或环绕)鳍片21、22。优选地,一个或多个鳍片22可以通过驱动器散热片20的外壁19的边缘处的开口17进行延伸而并不与驱动器散热片10的外壁19形成物理接触。因此,光源散热片20的鳍片22可以延伸到驱动器散热片20之中。例如,通过开口17进行延伸的鳍片22可以可替换地被布置为光源散热片20的鳍片22并不通过开口17进行延伸。
光源3被设置在散热板5上,后者被安装到光源散热片20的内壁28的内周界。散热板5优选地可以包括具有相对高的导热性的材料(诸如石墨和/或铜)和/或均热板。因此,散热板5利用光源散热片20与光源3形成热连接,由此光源3在工作期间所产生的热量经由散热板5消散到光源散热片20。光源散热片20可以经由散热板5物理连接至驱动器散热片10,连接6可以被设置在那里。
驱动器散热片10的周界小于光源散热片20的周界,这允许两个散热片10、20在轴向方向100互相部分重叠地进行设置。例如,光源散热片20的壁构造25可以为环形而驱动器散热片10可以为圆顶形从而在光源散热片20的环形壁构造25的内周界内形成配合。散热片10、20被设置为使得壁构造15、25以及鳍片11、21、22在散热结构2中定义出烟囱(通道)结构30。烟囱结构30具有被划分为两个子烟囱(或子通道)结构31、32的部分,该部分也可以被称作分裂烟囱结构。子烟囱结构31中的一个被定义在光源散热片20的外壁29和驱动器散热片10的外壁19之间,该子烟囱结构31可以被称作外部子烟囱结构(相对于散热结构2的中心而言)。子烟囱结构中的另一个32被定义在驱动器散热片10的外壁19和内壁18之间,该子烟囱结构31可以被称作内部子烟囱结构(相对于散热结构2的中心而言)。因此,驱动器散热片10的外壁19形成两个子烟囱结构31、32之间的隔断壁。烟囱结构30的入口定义在光源散热片20的内壁和外壁28、29之间的开口26中。另外,驱动器散热片10的外壁19中的开口16形成内部子烟囱结构32的出口。外部子烟囱结构31的出口定义在光源散热片20的外壁29和驱动器散热片10的外壁19之间的开口中。
参考图5,将对散热结构2的功能进行描述。
当照明设备1进行操作时,由光源3产生热量并且该热量经由散热板5消散到光源散热片20。驱动器7也产生热量并且该热量(例如,经由灌封和外壳)消散到驱动器散热片10。因此,散热片10、20由于分别来自驱动器7和光源3的热量而变热,其进而对烟囱结构30内的空气进行加热。烟囱结构30内的空气与烟囱结构30之外的环境空气之间的温差引发了如箭头40所指示的通过烟囱结构30的空气流。该空气流在光源散热片20的壁构造中的入口开口26进入烟囱结构30并且随后被驱动器散热片10的外壁19划分为两个子烟囱结构31、32中的两个平行空气流。因此,子烟囱结构31、32互相流体平行设置。最后,内部子烟囱结构32中的空气流经由驱动器散热片10的外壁19中的出口开口16离开该散热结构,并且外部子烟囱结构32中的空气流经由在驱动器散热片10的外壁19和光源散热片20的外壁29之间所定义的出口开口而离开该散热结构。
烟囱结构30中的空气流主要利用对流而对驱动器散热片10和光源散热片20进行冷却。内部子烟囱结构32中的空气流对驱动器散热片10进行冷却,因为其通过壁构造并且在驱动器散热片10的鳍片之间进行流动。另外,外部子烟囱结构中的空气流主要对光源散热片20进行冷却,因为其通过壁构造并且在光源散热片20的鳍片之间进行流动,但是其也对驱动器散热片10进行冷却,因为其沿着驱动器散热片10的外壁19进行流动。由于子烟囱结构31、32对烟囱结构30内平行的两个空气流进行加速,所以冷的新鲜空气同时通过这两个字烟囱结构进行流动。
利用该实施例,散热板5的中间部分的温度可能大约为76℃,这低于现有技术的照明设备中的相对应位置的温度,后者可能大约为81℃。因此,通过本实施例所获得的热量消散与现有技术的散热结构相比有所改进。
在下文中,将对本发明另外的实施例进行描述。
该实施例公开了在一种定向LED灯上应用的单独散热片结构能够允许该灯中的驱动器和LED的灵活的散热片设计。同时,两个散热片形成两个并行的烟囱,这能够获得最优的空气对流效率。此外,一种高导热性材料的应用能够明显降低从散热片中心到周边的散热阻力。所有这些考虑都很大程度上有利于热管理。因此,其明显有助于寿命、成本降低和重量降低。
LED灯已经被视为光源的未来并且已经在近年来遍布到世界各地,并且由于高能效以及潜在的长寿命的特征而在未来将会越来越流行以替代传统灯。发热问题被认为是限制光输出和寿命的瓶颈。该实施例针对一种紧凑型LED灯。为了避免与灯具的安装冲突,该灯的后侧与传统灯具保持一致,而前侧则有所伸出以补偿冷却面积。基于这样的机械结构,应用新颖的烟囱冷却结构不仅能够降低从整个灯到环境的热阻,而且还形成了灵活的且能够以合理分配空气流为目的进行调节的对流通道。这样的热量消散解决方案能够明显改进热性能,其还将改善LED灯的光学输出、安全性和寿命,并且最终惠及LED灯的发展。
对于常规定向反射器的LED灯存在有以下所列出的五个方面的限制:
·对于大多数LED改型灯而言,后侧被用于散热片设计以补偿冷却面积。但是这容易与一些灯具形成冲突从而导致安装问题。
·对于常规的定向反射器LED灯而言,针对热量消散设计使用了集成散热片。这意味着驱动器部分和LED部分共享一个散热片,来自LED的热能量会通过散热片轻易传输至驱动器部分,从而驱动器的热量消散条件受到LED部分的不利影响,由此驱动器部分的热性能变得更差。结果,灯的寿命受到限制。
·对于最为常规的具有被动冷却的LED灯而言,散热片是外部鳍片结构,其具有更差的辐射效果和更少的对流优化潜力。这样的缺陷在紧凑型LED灯中由于非常有限的尺寸要求而更为明显。
·对于具有单个垂直鳍片结构的常规LED灯而言,容易导致热连接效应,这会使得顶端组件的热量消散效率有所下降。因此,这样的结构在热量消散方面缺乏可行性。
·在具有点状热源的常规热设计中,位于PCB上的点状热源直接接触散热片基座。这样的设计会产生从点状热源到散热片外侧的大的散热阻力,这将会极大地降低散热片的效率。
由于常规LED灯的缺点,本实施方式使用双重分裂烟囱结构的概念,其能够显著改善热性能并且还使热量消散路径更为灵活。参见如下结构:
·在该实施例中,后侧与卤素灯保持一致,这能够避免与灯具的冲突,而灯的前侧则突出以便补偿冷却面积,除此之外,这样的突出部分也能够用作有利于热量消散的烟囱效应。
·在分离的散热片结构中,有分别用于LED和驱动器的两个散热片,这对于LED和驱动器的热量消散而言更为灵活且可控。例如,驱动器的热性能有所改善而并不在设计阶段对LED造成明显影响,反之亦然。基于这样的概念,LED和驱动器热性能可以分别有所优化从而获得有所改进的性能和寿命。这允许灯的灵活设计。
·在该实施例中,鳍片被壁结构所包围以形成烟囱结构,其能够对空气流的速度进行加速从而增强对流。这样的结构尤其有利于缺少冷却面积的紧凑型灯的热量消散。
·基于分裂结构,形成了两个烟囱结构。这两个烟囱是平行的以便避免热连接。在该设计中,新鲜冷空气能够同时通过驱动器和L2(光源)的烟囱从而提升冷却效率。
·此外,能够在点状热源(LED)和散热片基座之间添加散热板以便降低从散中心到散热片周界的散热阻力。这样的板由高导热性材料所制成,诸如石墨、铜或均热板。
基于以上设计考虑,双重分裂烟囱结构能够提供更低的热阻,提高冷却效能并且降低重量。
一般来讲,能够如下获得一些性能改善:
·适应更多灯具
·热阻能够低于2K/W
·灯体积例如能够减小10%
在该设计中,最终目标是提高整体系统的热性能,其中烟囱结构扮演了重要角色。设计步骤可以是确定(最优)烟囱参数,例如,每个烟囱部件的烟囱高度和直径。
基于灯系统的轮廓限制,烟囱高度通常是恒定的。烟囱直径(D)和烟囱表面温度(Tsink)可以首先被假定是恒定的。
第二,能够获得烟囱中的空气流的平均温度(ΔTavg)并且因此能够得出烟囱的浮力和压力损失。到目前为止,能够得出通过烟囱结构的空气流的实际工作点。
第三,能够得出烟囱效应所去除的热量。与此同时,能够计算通过对流和辐射所去除的热量。
最后,能够通过以上所得出的内容获得灯系统的热阻。最佳热性能意味着最低的系统热阻。因此,理论上能够得出最优(或至少有所改进的)烟囱直径。
在烟囱结构的设计期间,假设整个散热片保持统一温度以便简化系统设计。但是实际上,散热片中可能存在导热阻力,特别是从点状热源到与环境的对流边界的热传播阻力。
在该设计中,可以在点状热源和散热片底部之间应用高导热性材料以降低热量传播阻力。
实施例的分项列举
1.一种用于照明设备的散热结构,该散热结构包括:
分别用于光源以及用于光源的驱动器的至少两个单独散热片;
其中该至少两个单独散热片沿照明设备的轴向方向进行设置;
该至少两个单独散热片的鳍片被壁结构所包围以形成基本上平行于照明设备的轴向方向的烟囱结构,从而对通过其中的空气流进行加速;并且其中,
在该烟囱结构内提供至少两个平行的子烟囱结构,分别用于该至少两个单独散热片,从而使得该至少两个单独散热片之间的热连接最小化。
2.根据事项1的散热结构,进一步包括提供在该光源和用于光源的散热片之间的散热板。
3.一种包括根据事项1-2中任一项的散热结构的照明设备。
虽然已经在附图和以上描述中详细图示并描述了本发明的实施例,但是这样的图示和描述要被认为是说明性和示例性的而并非是限制性的;本发明并不局限于所公开的实施例。
通过研习附图、公开和所附权利要求,本领域技术人员在实践所请求保护的发明时将能够理解并实施针对所公开实施例的变化。在权利要求中,词语“包括”并不排除其它要素或步骤,并且不定冠词“一个”(“a”或“an”)并不排除多个。某些措施在互相不同的从属权利要求中被引用的事实并非表示这些措施的组合无法被加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被理解为对范围加以限制。