CN105074332B - 带传热和密封的led设备 - Google Patents
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Abstract
LED照明设备(10)包括(a)电路板(20)，在所述电路板(20)之上具有多个间隔开的电源(11)，(b)散热器(50)，电路板向所述散热器(50)热耦合，和(c)固定结构(40)，所述固定结构(40)包括刚性外围结构(41)，所述刚性外围结构(41)朝散热器沿着电路板外围区域施加力，以增加所述散热器(50)和所述电路板(20)之间的热耦合，从而促进工作期间热量从光源转移开。照明设备还可以包括光学部件(30)，所述光学部件(30)具具有多个在相应光源之上的透镜部分(33)和外围区，固定结构结合外围区将垫圈(12)夹在与散热器之间。设备可使用表面凸型处理(如曲面)，从而允许固定结构进一步促进电路板和散热器之间面与面的热耦合。
Description
技术领域
本发明通常涉及LED照明装置领域，更具体地，涉及各种高亮度区域照明应用的LED照明装置领域，如道路照明，工厂照明，停车场照明及商业建筑照明等。
背景技术
近些年，在各种普通照明目的的照明装置的开发中，发光二极管(LED)的使用在增加，而随着这个领域所取得的进展，这种趋势在加快。事实上，以前照明应用中通常用使用被称为高强度放电(HID)灯的装置，而现在用LED照明装置。这些照明应用包括但不限于道路照明，工厂照明，停车场照明及商业建筑照明。
在多个这样产品中，获得有特定照明分布需求的大面积高水平照明是特别重要的。在这种情形下，期望最小化大型复杂反射物的使用及多光源的变化的取向以实现期望的照明图案。
使用LED作为光源用于各种应用的照明设备带来了特别具有挑战性的问题。散热就是一个具体的问题。为了保证LED的寿命以及优秀的长期光输出性能，促进热从LED转移出去以最小化工作期间可能对LED发生的热损伤是非常重要的。另一个问题是要保护LED远离水，特别当装置安装位置变化时(尤其是室外地点)。处理一系列性能相关的问题有时会特别困难而且涉及各种微妙之处。在本发明中，长期相关的尝试与纠错的开发努力使得性能有所突破。
简而言之，在照明产业中存在对于使用LED的改进的照明装置的显著的需要，其解决了关于散热以及适用于广泛安装和情形的LED的合适保护的问题。此外，需要具有高的光输出性能的基于LED的照明装置并使其为容易且成本高效地来制造。
发明内容
本发明是对照明设备的改进，所述照明设备包括在其上有间隔开的多个固态光源的电路板。光源可以是固态光源(如发光二极管(LED))。电路板包括电路板中间区域和电路板外围区域以及与光源相反的热啮合面。照明设备还包括有接收电路板的表面的散热器。固定结构将电路板固定到散热器。所述固定结构包括刚性外围结构，所述刚性外围结构沿着所述电路板外围区域朝向所述散热器施加力，以增加横跨所述电路板热啮合面和所述散热器表面的相对区域的热接触。
通过增加电路板热啮合面及散热器表面的面与面之间的接触，这种布置促进了工作期间热量从光源移除。这促进了从电路板到散热器的优良的、基本均匀的热连通，从而增加了工作期间从LED到散热器的传热。
在一些实施例中，刚性外围结构是单片框架。刚性外围结构可以具有按压部分和加固部分，所述按压部分有基本平坦的按压表面，所述加固部分保持按压表面的平坦性。
在某些实施例中，在固定之前，电路板热啮合面与散热器表面中的至少一个有凸面。在一些这样的实施例中，凸面是二维的，如曲面。在一些其他实施例中，凸面是三维的。
在一些这类的实施例中，在固定前电路板热啮合面有凸面，以使得电路板热啮合面和散热面表面之间的距离沿着电路板外围区域比沿着电路板中间区域大。在这些实施例中，固定会减小凸面，其中一些这样的实施例中，散热器的热啮合面是基本平坦的。
在可选实施例中，散热器表面有凸面，使得(a)在固定前热啮合面和散热器表面之间的距离沿着电路板外围区域比沿着电路板中间区域大。在这些实施例中，固定使电路板热啮合面顺从凸面。
照明设备还可以包括在电路板之上的光学部件。所述光学部件有透镜区和外围区。所述透镜区包括相应的光源之上的多个透镜部分。光学部件是单片基本刚性的材料(如丙烯酸树脂)。固定结构啮合光学部件的外围区域，其将相对散热器表面夹住电路板。固定结构的刚性外围结构在单片光学部件上提供基本均匀的压力，所述压力转而基本均匀地相对散热器压迫电路板。这将促进工作期间热量从LED到散热器的转移。
在一些实施例中，在固定之前，光学部件具有电路板邻接面，所述邻接面有被固定减小的凸面。所述凸面可以是二维的(如曲面)。在其他实施例中，凸面是三维的。
这里使用的术语“二维”是指：如果线沿着面的一个坐标方向是凸型的，而沿着面的垂直坐标方向是直线的，意味着所述面为二维凸面。形成曲面(或者二维凸面)的一个例子是在一个方向简单地弯曲平板，以形成拉伸凸起的表面。这里使用的术语“三维”是指：如果沿着面的线沿任意方向均为凸型的，则所述面为三维凸面。三维凸面的一个例子就是球的一段。
在一些实施例中，特别是散热器朝水/气流开放的实施例中，光学部件的外围区延伸超出并环绕电路板的边界。光学部件的外围区域相对于散热器夹住垫圈，从而促进了电路板的流体密封。
固定结构的刚性外围结构可以在光学部件的外围区之上。
在某些实施例中，光学部件的透镜区不受固定结构的啮合。这简化了照明设备的结构，同时(1)促进电路板及散热器的传热啮合，将如下文所述，(2)允许防止湿气进入的适当密封，(3)因为固定结构仅放置在外围区，因此允许光学部件的光穿过。在一些实施例中，刚性外围结构可以在光学部件的外围区上模塑成型。
在某些实施例中，刚性外围结构是沿着光学部件的外围区放置的单片框架。所述单片框架可以是拉伸片状金属片材。在一些这样的实施例中，刚性外围结构具有按压部分和加固部分，所述按压部分是基本平坦的按压表面，所述加固部分保持按压表面的刚性和平坦性。
在刚性外围结构在光学部件的外围区之上的一些实施例中，所述外围结构通过一组紧固件相对光学部件被按压。每个紧固件包括紧固件头和螺纹柄，所述螺纹柄从紧固件头延伸穿过刚性外围结构及光学部件，成为与散热器的螺纹啮合。
在一些实施例中，散热器包括基板，所述基板具有与电路板热耦合的面。在一些这样的实施例中，散热器包括一组安装柱，所述安装柱每个均从基板穿过光学部件的外围区延伸到远端柱末端，所述远端柱末端开放来容纳其中一个紧固件。所述远端柱末端如此设置(例如柱有特定的长度)使得柱限制由紧固件引起的刚性外围结构对光学部件的压缩。
散热器可以包括围绕光学部件的围绕结构并配置以使得光学部件的外围区相对于围绕结构凹进。在某些这样的实施例中，刚性外围结构的加固部分从外围结构的按压部分向外延伸，并与散热器的围绕结构啮合。
散热器还包括传热表面，所述传热表面沿着第一方向从基板延伸远离电路板，例如，如果散热器表面与电路板耦合的表面面向下，则向上延伸。散热器的传热表面可以是沿着第一方向延伸远离基板的多个鳍的表面。在这样的实施例中，围绕结构可以包括沿着与第一方向相反的第二方向从基板延伸的外围脊，以提供沿着基板的额外散热表面。在一些这样的实施例中，外围脊的至少一段有向外表面，所述向外表面是其中一个鳍的传热表面的延续，所述鳍是沿着基板一侧的侧鳍。
在某些实施例中，散热板有第一定位特征，而电路板包括第二定位特征。第一和第二定位特征被配置和安排来沿着散热器放置电路板。光学部件可以包括第三定位特征，以至少与电路板的第二定位特征配对啮合，从而精确地在光源之上对准光学部件。
在一些这样的实施例中，第一定位特征是开在散热器表面的凹槽，第二定位特征是穿透电路板的孔。在这样的实施例中，第三定位特征可以是突出，所述突出从光学部件延伸穿过电路板的孔并进入散热器的凹槽，从而同时沿着所述散热器放置所述电路板和精确地在所述光源之上对准所述光学部件。
在一些实施例中，固定结构可以包括一组螺钉，每个螺钉延伸穿过电路板中间区域成为与散热器的螺纹啮合，然而电路板与散热器的耦合也可以没有螺钉。在没有螺钉的实施例中，使用如上所描述的第一、第二和第三定位特征，电路板可以定位在散热器上。
在光学部件的电路板邻接面在固定之前有凸面的实施例中，通过固定结构的刚性外围结构施加在光学部件外围区的力，上述凸面被减小(如消除)，从而导致在第一、第二和第三定位部件正确对准的情况下电路板中间区域朝散热器的按压。这将进一步促进在横跨电路板热啮合面与散热器表面的相对区域的热耦合。
在本发明的描述中，包括如下声明：术语“组成”，“包含”和“有”(及每个变化形式)和术语“和”，每个都应被理解为开放式的而不是限制性的术语。
附图说明
图1是包括本发明的照明设备的LED照明装置的局部的分解底部透视图。
图2是图1中LED照明装置的局部的分解侧视透视图。
图3是图1中LED照明装置的局部的底部平面图。
图4是图1中LED照明装置的局部透视图。
图5是图1中LED照明装置沿着图3中可见的线5-5的局部剖面图。
图6是图1中LED照明装置沿着图3中可见的线6-6的局部剖面图。
图7是光学部件的电路板邻接面的凸面的示意图。
图8是电路板热啮合面的凸面的示意图。
图9-12是用于沿着散热器定位电路板及用于在电路板之上对准光学器件的特征的可选实施例的示意图。
图13是包括多个间隔开的片材的刚性外围结构的可选实施例的透视图。
图14是单片刚性外围结构的另一个可选实施例的透视图。
图15是根据本发明的LED照明装置的可选实施例的局部剖面示意图(没有背景)。
具体实施方式
图1-6阐明结合了LED照明装置100的根据本发明的照明设备10。
图1和2最佳地阐明LED照明设备10包括多个在电路板20上的间隔开的固态光源11，所述电路板20包括中间区域23以及外围区域21。光学部件30被显示在电路板20之上，而固定结构40被配置为将光学部件30固定在光源11上。光学部件30具有在光源11之上的透镜区31以及环绕透镜区31的周边外围区32。图3和图4最佳地阐明固定结构40被配置为啮合光学部件30的外围区32。
图1-3显示光学部件30的透镜区31包括多个透镜部分33，所述透镜部分33每个在各自相应的光源11上。图1和2显示光学部件30包括边缘部分34和内部区35，所述边缘部分34在电路板20之上延伸，所述内部区35在透镜部分33和环绕内部区35的外围区32之间。边缘部分34显示为具有容纳特定元件(如伸出电路板之上的电连接和安装)的表面形状341。
图5显示光学部件30，其还被示出为包括对准特征36，所述对准特征36用来在光源11之上对准光学部件30，如接下来更详细描述的。图3-5显示了啮合外围区32的固定结构40，而内部区35不受固定结构40的约束。固定结构40包括刚性外围结构41，所述刚性外围结构41按压光学部件30到电路板20。
图1-3和14显示了作为单片框架的刚性外围结构41和41A，其是拉伸片状金属片材。图13显示了刚性外围结构41B具有四个间隔开的片材410B，每个薄片410B被配置为放置在电路板20或者光学部件30拐角上。
图1和2还显示了光学部件30是单片部件，所述光学部件30具有一体模塑成型的透镜部分33和边缘部分34。
图1、2、5及6显示了照明设备10还包括朝水/气流开放的散热器50。散热器50有基板51。图1和5显示电路板20热耦合到散热基板51。图5和6显示固定结构40的刚性外围结构41啮合光学部件30的外围区32，以朝散热基板51向电路板20的外围区域21施加力，以增加电路板20与散热器50之间的热耦合，从而促进工作期间热量从LED移出。
沿着电路板的外围区域这种力的施加有利于最小化电路板的翘曲，所述翘曲会导致工作期间电路板和散热器之间传热接触的不充分。为了最小化翘曲的副作用，几种中间材料(如在电路板热啮合表面上的丝网印刷、导热凝胶和导热片)被用在电路板和散热器之间。这些方法都不能提供电路板与散热器之间充分的热耦合，从而不能允许驱动LED到其较高能力。已经发现，由刚性外围结构41沿着电路板20的外围区域21施加的力，增加了电路板20的热啮合面25与散热器50表面510的热接触，其促进热量充分地从LED移出，以允许LED安全工作在超过原先实现的水平的增加的功率水平。在使用单个电路板20的装置中，所实现的功率水平增加了约100％。在两个电路板20背靠背使用的装置中，所实现的功率水平增加为接近60％。这种可观的功率水平的增加使得在不增加LED的数目或光源其他的变化，的情况下装置获得相应的更大的光输出。
图5和6显示了光学部件30的外围区32延伸超出并且环绕电路板20的边界24。图1，2，5和6还显示了照明设备10包括垫圈12，其被夹在散热器50和光学部件30的外围区32之间。图3-6显示了固定结构40的刚性外围结构41朝散热器50按压外围区32，垫圈12在中间被压缩，从而促进了电路板20周围的流体密封。
图15阐明的可选实施例中，电路板20的外围区域21超出了光学部件30的外围区32。在所述实施例中，刚性外围结构41C被配置为延伸在电路板20以及光学部件30的外围区32之上，并通过紧固件60被按压与电路板20及光学部件30都靠在一起。从图15还显示出被压缩在刚性外围结构41C和每个电路板20和光学部件30之间的垫圈12A促进了电路板20的中间区域23的流体密封。
图1、2和6显示了通过一组紧固件60，刚性外围结构41压靠着光学部件30。每个紧固件60包括紧固件头61和从紧固件头61延伸的螺纹柄62。图6显示了螺纹柄62延伸穿过刚性外围结构41和光学部件30成与散热器50的螺纹啮合。
图1和6还显示了散热器50包括一组安装柱52，所述安装柱每个均从散热器基板51穿过光学部件30的外围区32延伸到远端520，所述远端520开放来容纳其中一个紧固件60。图6阐明了安装柱52的远端520被设置为使得柱52限制刚性外围结构41对光学部件30的压缩。
散热器50还显示了包括延伸围绕光学部件30的围绕结构54，使得边缘部分34相对于围绕结构54凹进。在图4-6中刚性外围结构41显示了有按压部分42，所述按压部分42啮合光学部件30的外围区32和保持按压部分42的刚性的加固部分43。加固部分43被显示具有横向部分431和向外部分432，所述向外部分432从按压部分42和电路板20朝外延伸，并与散热器50的围绕结构54啮合。
在图15中，刚性外围结构41C包括第一按压部分421C，横向部分431C及第二按压部分422C，所述第一按压部分421C与光学部件30的外围区32啮合，所述横向部分431C从第一按压部分421C朝电路板20延伸，所述第二按压部分422C从横向部分431C朝外延伸并与电路板20的外围区域21啮合。这种具有横向部分431C的刚性外围结构41C的非平坦配置促进了按压部分421C和422C的刚性。在图15的实施例中，第二按压部分422C和外围区域21各自限定了孔，紧固件穿过所述孔延伸进入散热器20限定的凹槽，从而向刚性外围结构41C施加压力，其按压在光学部件30的外围区32和电路板20的外围区域21上。
在图13和14的实施例中，刚性外围结构41A和41B分别具有按压部分42A和42B以及加固部分43A和43B，所述加固部分43A和43B以横向部分的形式基本垂直于按压部分42A和42B延伸。
图2、5和6显示了散热器50还包括传热表面55，所述传热表面55以远离基板51的第一方向延伸。围绕结构54被显示为以外围脊56的形式，沿着与第一方向相反的第二方向从基板51延伸，以提供沿着散热器基板51的额外的散热表面。图2、5和6显示了传热表面55是沿着第一方向延伸远离基板51的、具有多个鳍57的表面。图5显示了外围脊56的段58有向外表面59，所述向外表面59是其中一个鳍57的传热表面55的延续，所述鳍57被显示为沿着基板51的一侧的侧鳍。
图5还显示了散热器有第一定位特征53，电路板20有第二定位特征22，和光学部件有第三定位特征36。第三定位特征36被显示为与第一配对特征53和第二配对特征22啮合。图5进一步显示了第三定位特征36是从光学部件30的电路板邻接面37延伸的突出。图5显示了第二定位特征53是散热器基板51中的凹槽，第一定位特征22是穿过与凹槽53对准的电路板20的孔。图5阐明了第三定位特征36的突出延伸穿过第一定位特征22的孔并进入第二定位特征53的凹槽，从而精确对准在其相应光源11之上的光学部件30的透镜部分33。在光源11之上用于对准光学部件30的方法与结构的更多细节公布在共有待审专利申请No.13/441,571中，申请日为2012年4月6日，其全部内容通过引用合并于此。
示意性阐明在图9的可选实施例中，光学部件和电路板限定了对准穿孔，穿过所述穿孔，紧固件(如自攻螺钉)将被嵌入到电路板限定的凹槽中。
示意性阐明在图10的另一可选实施例中，散热器限定了柱，所述柱穿过由电路板和光学部件限定的对准穿孔。
另一个示意性阐明在图11的另一可选实施例中，光学部件具有中空柱，所述中空柱延伸穿过电路板限定的穿孔。散热器具有延伸进入光学部件的中空柱(其接纳从散热器延伸的柱)的柱。(感觉此处英文有问题)
另一个示意性阐明在图12的另一可选实施例中，散热器有一个柱，所述柱子延伸穿过电路板限定的穿孔并进入光学部件限定的凹槽。
图2和图5显示了光源11每个包含主透镜13，以使得光学部件30的每个透镜部分33是在各自的主透镜13之上对准的次透镜。
图1-4显示了光学部件30的每个次透镜33被配置用于光从相应光源11的优先侧分布。
在一些实施例中，每个光源是LED封装，所述LED封装具有一个LED或者LED阵列。主透镜可以模塑成型在LED上。
在图1和2显示的这类型装置中使用了多个光源，多个LED或者LED阵列可以以在各LED或各LED阵列之间间隔的关系直接安置在共用基座上。每个这样的LED或者LED阵列可以与各自的主透镜模塑成型。这类LED有时被称为板上芯片LED。
应该被理解的是，为了更高效地获得优先侧方向的光，LED光源每个可以具有使得其中心线从发射器轴偏移的主透镜，和/或被成形为LED发射光朝着优选侧折射的主透镜。主透镜也可以是不对称的。一些示例性光源具体描述在申请日为2012年4月6日，申请号为13/441,558，和申请日为2012年4月6日，申请号为13/441,620的专利申请中。两个申请的全部内容通过引用合并于此。
尽管本发明的原理以具体实施例的方式被显示和描述，但应理解所述实施例仅是举例的方式而非限制性的。
Claims (19)
1.照明设备，包括：
电路板，在其上具有多个间隔开的光源；
散热器，对于水/气流开放，包括围绕所述电路板的围绕结构，所述电路板热接触所述散热器；
光学部件，所述光学部件包括(a)在相应光源之上的多个透镜部分，和(b)相对于所述围绕结构凹进、与所述电路板接触并具有外围区的边缘部分，所述外围区延伸超出所述电路板的边界并且环绕所述透镜部分和所述电路板之间的内部区；以及
在所述光源之上固定所述光学部件的固定框架，所述固定框架包括刚性外围结构，所述刚性外围结构朝向所述电路板按压所述光学部件，以使得所述光学部件的内部区和外围区向着所述散热器按压所述电路板，所述光学部件的外围区相对于所述散热器夹住垫圈，以促进所述电路板的流体密封，所述刚性外围结构包括按压部分和加固部分，所述按压部分具有基本平坦的按压表面，而所述加固部分保持所述按压表面的平坦性，所述刚性外围结构的所述加固部分具有横向部分和向外部分，所述向外部分从所述按压部分和所述电路板朝外延伸，并与所述散热器的所述围绕结构啮合。
2.如权利要求1的照明设备，其中所述光学部件是单片基本刚性的材料。
3.如权利要求2的照明设备，其中所述固定框架是单片框架。
4.如权利要求3的照明设备，其中所述单片框架是拉伸片状金属片材。
5.如权利要求3的照明设备，其中所述单片光学部件是模塑的丙烯酸树脂。
6.如权利要求1的照明设备，其中所述光源包括发光二极管LED。
7.如权利要求1的照明设备，其中所述刚性外围结构通过一组紧固件相对于所述光学部件被按压，所述紧固件每个包括紧固件头和螺纹柄，所述螺纹柄从所述紧固件头延伸穿过所述刚性外围结构和所述光学部件，成为与所述散热器的螺纹啮合。
8.如权利要求7的照明设备，其中所述刚性外围结构是单片框架。
9.如权利要求8的照明设备，其中所述散热器包括：
基板，所述基板形成与所述电路板热耦合的表面；和
一组安装柱，每个所述安装柱从所述基板延伸穿过所述光学部件的外围区到远端柱末端，所述远端柱末端开放来容纳其中一个紧固件，所述远端柱末端被设置为使得所述柱限制所述刚性外围结构对所述光学部件的压缩。
10.如权利要求1的照明设备，其中：
所述散热器具有传热表面，所述传热表面从所述基板沿着第一方向延伸远离所述电路板；和
所述围绕结构包括外围脊，所述外围脊沿着与所述第一方向相反的第二方向从所述基板延伸，从而提供沿着所述基板的额外的散热表面。
11.如权利要求10的照明设备，其中：
所述传热表面是沿着所述第一方向延伸远离所述基板的多个鳍的表面；和
所述外围脊的至少一段具有向外表面，所述向外表面是其中一个鳍的传热表面的延续，所述鳍是沿着所述基板一侧的侧鳍。
12.如权利要求1的照明设备，其中所述散热器具有第一定位特征，所述电路板包括第二定位特征，所述第一和第二定位特征被配置和安排来沿着所述散热器放置所述电路板。
13.如权利要求12的照明设备，其中所述固定框架还包括一组螺钉，其中每个所述螺钉延伸穿过所述电路板中间区域，成为与所述散热器的螺纹啮合。
14.如权利要求12的照明设备，其中所述光学部件包括第三定位特征以至少与所述电路板的第二定位特征配对啮合，从而精确地在所述光源之上对准所述光学部件。
15.如权利要求14的照明设备，其中所述第一定位特征是开在所述散热器的基板处的凹槽，所述第二定位特征是穿过所述电路板的孔，所述第三定位特征是突出，所述突出从所述光学部件延伸穿过所述电路板的孔并进入所述散热器的凹槽，从而同时沿着所述散热器放置所述电路板和精确地在所述光源之上对准所述光学部件。
16.如权利要求15的照明设备，其中所述固定框架是单片框架，所述框架是安置在所述光学部件的外围区之上的拉伸片状金属片材。
17.照明设备，包括：
电路板，在其上具有多个间隔开的光源；
散热器，朝水/气流开放，包括围绕所述电路板的围绕结构，所述电路板热耦合到所述散热器；
光学部件，所述光学部件包括(a)透镜区，具有在相应光源之上的多个透镜部分，和(b)相对于所述围绕结构凹进、与所述电路板接触并具有外围区的边缘部分，所述外围区延伸超出所述电路板的边界并且环绕所述透镜区和所述电路板之间的内部区；和
刚性外围框架，在所述光源之上固定所述光学部件，所述刚性外围框架包括刚性外围结构，所述刚性外围结构朝向所述电路板按压所述光学部件，以使得所述光学部件的内部区和外围区向着所述散热器按压所述电路板，所述光学部件的外围区相对于所述散热器夹住垫圈，从而促进了所述电路板的流体密封，所述刚性外围结构包括按压部分和加固部分，所述按压部分具有基本平坦的按压表面，而所述加固部分保持所述按压表面的平坦性，所述刚性外围结构的所述加固部分具有横向部分和向外部分，所述向外部分从所述按压部分和所述电路板朝外延伸，并与所述散热器的所述围绕结构啮合。
18.如权利要求17的照明设备，其中所述光学部件是单片基本刚性的材料。
19.如权利要求18的照明设备，其中所述刚性外围框架是单片框架。
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