CN105190169B - 照明设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种照明设备(10)，其适于改型的LED灯，并且包括围住内部容积(16)的外壳，外壳的外表面(12a)布置成分配来自照明设备的多个光源(19)的光。外壳的内表面(12b)用于通过至少部分地被片状金属元件(13)覆盖而在系统层面提供照明设备的低热阻。光源的驱动器电子器件(17)布置在内部容积内。

Description

照明设备
技术领域
本发明总的涉及照明设备，更具体地，涉及一种固态照明设备，该固态照明设备包括多个光源、外壳以及设置在所述外壳处的散热器元件。
背景技术
照明设备例如基于灯泡的发光二极管(LED)或LED灯是公知的。对于高强度、高流明输出的LED灯概念一般受限于其热属性和对驱动器电子器件可用的空间。US 2012/0139403A1公开了一种包括LED和导热件的固态照明设备，其中LED与光导光学地耦合，光导围成内部容积。导热件集成在光导内，用于提供从LED的热传导，并且导热件同延地靠近光导的区域或者布置在光导的内部容积内。
上述系统通常在实现热有效的照明设备时是有效的。然而，需要一种具有高效的热属性的复杂性较低、成本较低的照明设备。
发明内容
本发明的目的是至少提供一种改进的照明设备。将有利的是，在系统层面以低成本实现适于改型的LED灯的照明设备，其中该LED灯具有低热阻Rth。还将理想的是实现对于驱动器电子器件具有较高的可用容积的照明设备以及提供具有全向光分布的可能性的良好的光学性能。这些目的通过在所附独立权利要求中限定的根据本发明的照明设备而实现。在从属权利要求以及下文的描述和附图中阐释了优选实施方式。
因此，根据本发明的概念，提供了一种照明设备，其包括：光源；包括外表面和内表面的外壳(envelope)，该外表面设置成用于分配来自多个光源的光，该内表面构造成围绕内部容积。该内表面至少部分地被片状金属元件、即布置在该内表面处的散热器元件覆盖。该片状金属元件与所述内表面分开预定距离，从而提供内表面与片状金属元件之间的间隙，这对于防止片状金属元件与外壳之间的光耦合是有利的。这提供了使用外壳的内表面来提供较大的冷却区域的低成本照明设备。外壳的内部容积然后可以被用于对照明设备的驱动器电子器件进行定位。由于来自照明设备的光输出在外壳的外表面处产生，所以有利地，在产生的光中不存在来自驱动器电子器件或来自散热器元件的阴影。片状金属通常较为廉价并且是柔性的，并且进一步与便利的定形和成型技术相关联，这是有利的。
根据照明设备的实施方式，片状金属元件的一部分布置成与所述内表面直接接触或者例如通过某种热耦合剂与所述内表面热连接。另外，片状金属元件的至少一部分与所述内表面分开预定距离。优选地，该预定距离在10μm至200μm之间选择，并且一般选择为大约100μm，以确保照明设备的良好的热属性。在示例性实施方式中，在片状金属元件与所述内表面之间设置有间隔元件以提供所述预定距离。
根据照明设备的实施方式，所述多个光源中的每个光源都热耦合至片状金属元件以增加从光源到片状金属元件的热传递。对于具有热垫的LED，焊接或施用高级胶水可适用于将LED热耦合至片状金属元件。对于安装在柔性片状金属元件(弹性箔)上的LED，适当设计的弹性箔和粘结剂层(例如Equinox品牌的LED带)适用于提供LED与片状金属元件之间的良好的热耦合。
根据照明设备的实施方式，外壳的外表面设置有光提取元件以增强光输出和/或控制强度分布或从外壳的外表面的光射线提取。
根据照明设备的实施方式，所述多个光源分布在外壳的预先选择的区域上，例如分布在外壳的内表面处或者可替代地分布在外壳的外表面上。光源簇可以布置在选定的表面区域处。因此，来自外壳的光分布可以例如遍布相应的表面均匀地扩散，即，光源均匀地分布在整个外壳上，或者光分布集中在外壳的特定区域。提供遍布外壳的表面并因此遍布片状金属元件的表面分布的LED簇或LED对于借助于片状金属元件提供改进的热扩散是有利的。结果，片状金属元件的材料可以选择得较薄或者热传导较低，这提供了使用类似薄钢板的材料的可能性。
根据照明设备的实施方式，外壳包括光导，该光导与所述多个光源光耦合，用于接收和分配来自光源的光。光借助于内反射通过光导分配。在本实施方式中，为了实现光导中的良好的内反射，如前所述，片状金属元件优选地与光导分开预定距离。在照明设备的实施方式中，光导设置在其近端的端面处设置有光输入边缘，并且所述多个光源设置在所述光输入边缘处。光导可以设置为中空的固体光导，或者是柔性的。当设置为柔性的时，光导优选地使用外壳的外部保护性透明封装层作为支撑结构来设置。
根据照明设备的实施方式，所述多个光源的驱动器电子器件设置在内部容积内。因此，相比于已知的改型的LED灯方案，用于驱动器电子器件的容积显著地更大。另外，利用本发明的布置，驱动器电子器件所需的容积不与用于光源设备的光输出耦合和光源冷却的表面相干涉。当照明设备用来提供改型的灯时，其通常包括联接于外壳的基座，该基座可以是爱迪生螺旋灯座或任何其他适用的基座。
本发明的这些和其他方面、特征和优点将从后文描述的实施方式中参照这些实施方式显而易见。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1a是根据本发明的照明设备的实施方式的示意性局部切开的侧视截面图，而图1b和图1c是根据本发明的照明设备的两个实施方式的散热器的示意性侧视立体图；
图2a是根据本发明的照明设备的实施方式的示意性分解侧视立体图，并且图2b至图2d示出了根据本发明的照明设备的实施方式的外壳的壁的近视截面图；
图3a是根据本发明的照明设备的实施方式的示意性侧视立体图，图3b是根据本发明的实施方式的照明设备的外壳的一部分的示意图，其中该实施方式与图3a中部分地示出的照明设备的实施方式相同，并且图3c示出了图3a的照明设备的外壳的示意性截面图；
图4是示出了LED区域与环境的热阻曲线图；以及
图5和图6示出了对于根据本发明的照明设备的实施方式，在照明设备上的温度分布的热模拟。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更完整地描述本发明。下面的实施方式通过示例的方式来提供，以使本公开将变得透彻而完整，并且向本领域普通技术人员完整地传达本发明的范围。相似的标号在全文中指代相似的元件。
图1a是照明设备10的实施方式的示意性部分切开的侧视截面图；这里，照明设备10是改型的灯泡，其包括：外壳15，外壳15包围成和/或围绕内部容积16。外壳15与基座18接合。这里，基座18实施为用于传统的灯泡插座的Edison基座。基座18构造成将电源连接至驱动电路17，其中驱动电路17布置成驱动照明设备10的光源19。外壳15包括透明的封装层11(例如由玻璃制成)和光导12；这里，光导12是固体中空筒形体，其具有沿其长度的名义上恒定的半径。光导布置在透明封装层11的内侧上，并且覆盖其大部分。散热器——这里是由铜制成的200μm厚的片状金属元件13——紧密地靠在光导12的内表面上，以实现良好的热接触。在图1b中示出了片状金属元件13的立体图。片状金属元件13大致成形为筒，该筒在其横向端18处封闭，并且设置有多个舌部14。该示例性的片状金属元件13是有利的，因为其提供了成形体的简单的实现方式。由于所述多个舌部14的弹簧功能，其提供了一种简单的方式来处理外壳内的尺寸公差等，并且提供了片状金属元件到外壳中的简易安装。
片状金属元件23是照明设备的替代性实施方式并且在图1c示出，其大致成形为筒；该筒在其横向侧18封闭，并且设置有侧壁24，侧壁24不具有如对于图1b的片状金属元件13所图示的多个舌部14。
再次参照图1a，在本实施方式中，光源19包括多个光源，这些光源在光导12的近端布置在光导12的光输入边缘12c处。可选地，固态光源19被定位在限定于光导中的相应的开口中，例如布置在其近端处的槽。。所述多个光源19优选地是LED。所述多个光源布置成使得来自光源19的光进入光导12的近端处的光输入边缘12c并且通过全内反射在光导中行进。光源19优选地布置成环，如在图2a中图示的照明设备20中所示，或者根据光耦合光源的光导的光输入边缘的形状布置成另一种合适的图案。
依照根据本发明的概念的照明设备的实施方式，光导的外表面(相当于图1a中的表面12a)设置有光提取元件(未示出)，这些光提取元件用来增强和控制强度分布，即使从光导输出的光的强度变化。光提取元件优选地布置在光导的外表面的限定区域中。光提取元件构造成以预定的光射线角分布和/或强度曲线从光导提取光。光射线角分布指的是强度随从光发射器(例如光导)发射的光的射线角(一般为立体角)的变化。在一些实施方式中，在给定的限定区域处的光提取元件通过布置在外表面上/外表面中的凸部或凹部或者通过凸部与凹部的组合来提供。
现在参照图2a，照明设备20包括外壳35，外壳35围住内部容积，其中光源19的驱动器电子器件布置在该内部容积中。图2b是近视截面图，更详细地示出了外壳25。外壳35包括光导21，其中光源19光耦合至光导21。片状金属元件23布置在光导21的内侧并且相对于光导21以100μm的预定距离d 24布置。
在图2c所示的替代性实施方式中，外壳35具有与关于图2b所描述的布置类似的布置。然而，这里光源19相对于片状金属元件33的表面/光导21的内表面分布。每个光源19与片状金属元件19热耦合。在本示例中，热耦合通过直接接触或者通过施用在光源19与片状金属元件33之间的热耦合剂提供，所述热耦合剂例如为导热粘结剂、热脂、热接触垫等。可替代地，热耦合通过某种导热元件例如热管来提供，以将固态光源产生的热输送至片状金属元件。光源19可以插入在布置于光导21的内表面中的腔25中，如图2c所示；或者可替代地，光源19可以插入在孔中，这些孔在光导的主要内表面与外表面之间延伸穿过光导；例如，与图3中的照明设备30相比，在图3中，光源经由通孔和透镜装置延伸穿过包括塑料外壳的外壳。在替代性实施方式中，片状金属元件具有高反射率并且与光导直接接合。
现在参照图2d，其为本发明的实施方式的示意图。在所示的实施方式中，外壳35的构型具有与参照图2b和图2c所描述的实施方式类似的布置。然而，这里，使用具有集成的间隔元件44的片状金属元件43。间隔元件44用来形成片状金属元件43与光导21之间的间隙(即预定距离d)或间隔。有利地，该间隙防止了光导21与片状金属元件43之间的光耦合。集成的间隔元件44还提供了片状金属元件43与光导21之间的良好的热耦合。间隔元件44这里通过片状金属元件中的小的凸部实现，这些凸部分布在片状金属元件的表面上。在图示的示例中，每个凸部成形为具有尖端，以提供间隔元件44与光导21之间的优选的小的接触面积。
图3a示意性地示出了根据本发明的照明设备30，其中外壳包括塑料外壳55，塑料外壳55具有在水平面中为三角形的截面并且围成内部容积。在塑料外壳55的内侧布置有折叠的印刷卡板(PCB)。未折叠的印刷卡板在图3b中的示意性俯视图中示出。两条折线用虚线示出，PCB在安装至塑料外壳55中之前沿着这些折线折叠。片状金属元件53布置在PCB上。另外，光源(LED 19)簇安装在PCB上。在制造期间，LED 19安装在可折叠的PCB上(具有所需的电绝缘)并且通过电线54连接至驱动器电子器件，其中驱动器电子器件在安装好时位于当可折叠的PCB折叠成三角形时所形成的内部空间/容积中(驱动器电子器件在图中不可见)。然后，折叠的PCB被安装至包括塑料外壳55的外壳中。在替代性实施方式中，塑料外壳55包括组装在可折叠的PCB中的子部分。在塑料外壳55的对应于折叠的PCB上的LED 19的位置的位置处，布置有通孔和透镜39，使得LED能够延伸穿过塑料外壳中的通孔(不可见)，并且到达透镜39，其中透镜39布置成覆盖塑料外壳55的外表面上的孔。如图3c中的近视截面图所示，片状金属元件53布置成与塑料外壳55直接接合，从而形成布置成用于分配来自所述多个光源(例如透镜39中的LED)的光的外壳56。当PCB和塑料外壳组装好时，外壳56的内表面至少部分地被片状金属元件53覆盖。
根据照明设备的实施方式，由于照明设备的热性能通过由片状金属的导热率乘以厚度得到的参数Kd决定，所以片状金属元件的厚度根据具体的片状金属材料来选择，见图4的模拟曲线图，其示出了作为散热器元件的值Kd的函数的从LED区域(布置光源的区域)到环境的热阻Rth。对于具有布置在灯泡的颈部区域中的光源(LED)的A60标准化灯泡形状，0.1W/K或更高的值接近于最小热阻。对于根据本发明的概念的照明设备，利用250μm的铜、500μm的铝或2mm的钢能够实现0.1W/K的值。
参照图5和图6，示出了A60标准化玻璃灯泡的热模拟，该灯泡具有与图1a所示的本发明的概念的示例性实施方式类似的基本构造。散热器元件13是铝金属片。在模拟下，对应于图1a的封装层11的玻璃灯泡的厚度为0.5mm，光导12的厚度为2mm，并且散热器元件的厚度为0.2mm。对根据两种极端情况的照明设备在自由点亮、基座向上、环境温度为25℃时的温度分布进行了模拟：
在第一种极端情况下，8W的热负载完全分布在灯泡的内表面上，如图5a和5b所示，并且
在第二种极端情况下，8W的热负载施加在玻璃灯泡的颈部的环形区域处，如图6a和6b所示。这里，片状金属元件KD为0.04W/K。
在示出了玻璃灯泡外表面的温度分布的图5a中能够看到，对于热负载在玻璃灯泡的内壁上的均一分布，玻璃灯泡表面在其顶部处达到76℃的最高温度，并且在玻璃灯泡的颈部处的玻璃灯泡表面处达到68℃的最低温度。玻璃灯泡的内表面、即片状金属元件处的温度分布在图5b中示出，并且在其顶部处达到79℃的最高温度，在玻璃灯泡的颈部处的玻璃灯泡内表面处达到71℃的最低温度。
接下来参照示出了玻璃灯泡外表面的温度分布的图6a，对于热负载在玻璃灯泡的颈部处的分布，玻璃灯泡表面在玻璃灯泡的颈部处的玻璃灯泡表面处达到116℃的最高温度，并且在其顶部处达到59℃的最低温度。玻璃灯泡的片状金属元件表面上的温度分布在图6b中示出，并且在玻璃灯泡的颈部处的玻璃灯泡内表面处达到131℃的最高温度，在其顶部处达到64℃的最低温度。在模拟下，片状金属存在，但是热负载不分布并且热负载因此不集中在颈部区域中的小环上。这种情形是最差的，而最好的情形是如图5a和5b所示的完全分布的热负载(对应于分布式光源)。
适用于根据本发明的照明设备的固态光源的示例包括发光二极管(LED)、激光二极管和有机LED(OLED)。
尽管已经在附图和前文的描述中详细地图示和描述了本发明，但这种图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。对所公开的实施方式的其他变型可以根据对附图、本公开和所附权利要求的研究被本领域技术人员在实施要求保护的本发明时理解和实现。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”并不排除多个。在相互不同的从属权利要求中述及的某些特征并不意味着不能够有利地使用这些特征的组合。计算机程序可以存储/分布在适当的介质例如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质上，但是也可以以其他形式例如通过互联网或其他有线或无线电信系统来分布。权利要求中的任何附图标记都不应被理解为限制保护范围。

Claims (12)

1.一种照明设备(10)，包括：
光源(19)；
包括外表面(12a)和内表面(12b)的外壳(15)，所述外表面设置成用于分布来自所述光源的光，所述内表面(12b)构造成围绕内部容积；
其中，所述内表面至少部分地被片状金属元件覆盖，并且其中所述片状金属元件(13)与所述内表面(12b)分开预定距离，从而提供所述内表面与所述片状金属元件之间的间隙，所述预定距离由布置在所述片状金属元件(13)与所述内表面(12b)之间的间隔元件(24)提供，并且其中所述光源的驱动器电子器件布置在所述内部容积内。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述片状金属元件(13)的一部分布置成与所述内表面(12b)热接触。
3.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中，所述预定距离(d)在10μm至200μm之间选择。
4.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中，所述光源(19)包括多个光源。
5.根据权利要求4所述的照明设备，其中，所述光源(19)各自热耦合至所述片状金属元件。
6.根据权利要求1、2、5中任一项所述的照明设备，其中，所述外壳的所述外表面设置有光提取元件。
7.根据权利要求1、2、5中任一项所述的照明设备，其中，所述光源分布在所述外壳的预先选择的区域上。
8.根据权利要求1、2、5中任一项所述的照明设备，其中，所述外壳包括光导，所述光导与所述光源光耦合，用于接收和分布来自所述光源的光。
9.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述光导在其近端处的端面设置有光输入边缘，所述光源布置在所述光输入边缘处。
10.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述光导是柔性的。
11.根据权利要求1、2、5、9、10中任一项所述的照明设备，还包括耦合至所述外壳的基座。
12.根据权利要求11所述的照明设备，其中，所述基座是爱迪生螺旋基座。
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