CN105358899A - 带有具有流体通道的光学元件的照明设备 - Google Patents

带有具有流体通道的光学元件的照明设备 Download PDF

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Abstract

一种照明设备(1)，包括至少一个光源(3)和至少一个光学元件(5)。所述光学元件(5)被布置为透射由所述光源(3)发射的光。所述光学元件(5)包括光透射材料(7)以及延伸通过所述光透射材料(7)用于允许流体的流动经过所述光学元件(5)的至少一个通道(9)。通道(9)被布置为使得进入所述通道(9)的由所述光源(3)发射的光的大部分(16)进一步传播通过所述光透射材料(7)。所述光学元件(5)包括彼此间隔开的光透射材料(7)的多个层(18)，其中每个层包括至少一个贯通孔(11)。

Description

带有具有流体通道的光学元件的照明设备
技术领域
本发明涉及照明设备中的热管理。
背景技术
热量管理是照明领域中重要的问题，并且特别地在诸如基于发光二级管LED的照明的基于固态的照明领域内。大体上，当光由光源发射，会生成热。热的生成通常是不希望的效应，因为其可能影响光源的性能和预期寿命，以及针对照明设备的材料的选择和电子器件的配置。热量同样会在照明设备的光学元件中产生，如同在波长转换组件中通过斯托克斯频移损失产生一样。
为了降低热量生成的效应，照明设备通常包括布置用于将热量从光源和其他热量生成组件进行消散的散热器，典型地在与照明设备的主要(或平均)光传播方向相对的方向上。CN202040621示出的照明设备具有在散热器中向周围延伸用于增加向周围的热量消散区域并且在照明设备的灯罩中的孔。
US2011/0298371A1公开了具有在罩部分中的开口的LED灯泡。US3373275A公开了具有遮蔽的通风开口的一件式模塑光透射透镜的罩。US2011/0049749A1公开了具有罩盖帽的可更换照明模块，该罩盖帽包括具有足够大用于空气传送却又太小而不会运送水滴的孔隙尺寸的微型织物材料。US3253675A公开了一种用于吸收声能的装置，其包括具有允许光通过其进行透射的一个或多个层的多孔材料的光透射构件。EP2461089A1公开了一种具有带有着多个通气孔的光透射灯盖帽的照明单元。
然而，希望获得用于改善从照明设备的热量消散的可代替的解决方案。
发明内容
具有优势的是获得一种照明设备，其克服了或者至少减轻了上面提及的缺陷。其将希望实现具有改善的热量管理的代替性的照明设备。
为了较好地解决这些关注点的一个或多个，提供一种具有在独立权利要求中限定的特征的照明设备。优选的实施例在从属权利要求中进行限定。
根据一个方面，提供一种照明设备。该照明设备包括至少一个光源，以及至少一个光学元件。至少一个光学元件被布置为透射由光源发射的光。至少一个光学元件包括光透射材料以及延伸通过光透射材料用于允许流体的流动经过光学元件的至少一个通道。此外，该通道被布置为使得进入通道的由至少一个光源发射的光的大部分进一步传播通过光透射材料。光学元件包括彼此间隔开的光透射材料的多个层，其中每个层包括至少一个贯通孔。
本方面基于这样一种认识，即针对照明设备的热量管理可以通过在光源前方的光学元件中布置通道(或孔)来改善。该通道允许通过通道的对流来传送由光源生成的热量。在本说明书中，术语“对流”可以涉及通过流体运动的热量传送。流动通过通道的流体可以是出现在照明设备中的流体，其可以具有气态形式，例如空气。此外，通道可以改善在光学元件自身中生成的热量的消散，例如由可选地布置在光学元件中的波长转换材料中的斯托克斯频移损失所生成的。在光学元件中所生成的热量可以由流体的流动传送经过通道。改善的来自照明设备的热量消散可以例如实现照明设备较高的操作强度和/或更长的寿命。通过当前方面，光学元件被用来促进从照明设备的热量消散。光学元件可以被用作对传统散热器的补充(或甚至是替代)，由此实现增加的从照明设备的整体热量消散。进一步，由于通道被布置为使得进入通道的由光源发射的光的大部分进一步传播通过光透射材料，通道对于照明设备的光分布具有有限的影响。换句话说，通道被布置为使得允许降低量的光直接传播通过通道而没有经过光透射材料。由此，进入通道的光的大部分在透射通过光学元件时与光透射材料相互作用。与光透射材料的相互作用应当被理解为例如光的透射、反射、散射、吸收以及/或再发射的任何类型的相互作用。因此，通道由流体地互连的贯通孔以及在光透射材料的层之间的至少一个空间形成。在光透射材料的层之间的空间可以允许流体在层之间循环，其可以进一步改善热量对流。流体的循环可以通过调整光透射材料的层的距离来调整，其影响着流体在通道中的流动的扰动。
在本说明书中，术语“光透射材料”应当被广泛地解释为任何允许光的至少一些透射的任何材料或材料(物质)的组合。例如，光透射材料可以包括透明和/或半透明材料(例如陶瓷或塑料)以及可选地埋置于其中并且/或施加至其的微粒(例如，用于光的散射以及/或波长转换)。
根据实施例，任何从光源延伸并且通过通道的视线穿越光透射材料，由此通道对于照明设备的光分布的影响进一步降低。通过当前的实施例，来自光源进入通道的增加的量的光在经过光学元件时至少一次与光透射材料相互作用。由于没有从光源延伸通过通道而未经过光透射材料的视线，从光学元件的外侧通过通道不能直接可见光源，由此降低了来自光源的眩光。
根据实施例，可以将光透射材料的至少两层布置为使得两层中的一个层的光透射材料与两层中的另一个层中的贯通孔横向交叠，由此进入贯通孔中的一个的光的大部分进一步传播通过光透射材料的其它层中的至少一个。由此，进入贯通孔中的一个的光可以在穿过(或传播通过)光学元件时至少一次与多个层中的一个层中的光透射材料相互作用。
根据实施例，通道可以具有适于使得在通道的第一开口和通道的第二开口之间(例如在通道的两个相对开口之间)的假想直线可以穿越光透射材料的形状。因此，通道可以具有任何非直线的形状，例如弯曲或带拐角的形状。由于光自然地在直线方向上传播，如果通道为非直线的，进入通道的光将穿过光透射材料。通过当前的实施例，光学元件可以不必包括多层光透射材料。相反，光学元件可以包括通道通过其进行延伸的单一层的透射材料。由于通道的非直线的形状可以(至少部分地)禁止了光穿过通道而不同时穿过光透射材料，因此就降低进入通道而不进一步传播通过光透射材料的光的量而言，光学元件相对于光源的位置可以不太苛刻。
根据实施例，光学元件可以具有多个通道，由此进一步改善热量的对流。进一步，暴露于流体的流动的光学元件的面积增加，其改善了热量从光学元件消散进入通道。
根据实施例，光学元件可以包括包含着延伸通过光透射材料的孔隙的多孔材料，由此孔隙形成了用于流体的流动通过光学元件的通道。孔隙可以例如在光学元件的两个相对表面之间延伸。通过光学元件的孔隙的延伸可以为蜿蜒(winding)的(或至少非直线的)，由此进入孔隙的由光源发射的光进一步传播通过围绕着孔隙的光透射材料。进一步，蜿蜒的孔隙增加了光透射材料暴露于流动的流体的面积，由此改善了热量的消散和对流。进一步，多孔的光透射材料包括在光透射材料和由孔隙形成的空洞(典型地包含流体)之间的界面处的多个折射率偏移，由此光学元件可以用作照明设备的漫射器。多个折射率偏移可以提供传播通过多孔材料的光的散射。透射材料优选地可以具有较之流体(例如，空气)而言更高的折射率。
根据实施例，孔隙的容积可以构成光学元件的全部容积的至少30％，其增加了来自光学元件的热量的对流和消散。
根据实施例，至少一个光学元件可以是波长转换元件、漫射器元件以及散射器元件和波长转换元件的组合中的任何一个。因此，光学元件可以布置用于调整由光源发射的光的属性。光学元件可以例如布置为对光源发射的光进行散射从而提供更为均匀的光分布(通常被感知为更为柔和的光)。热量产生过程可能发生在光透射材料中，特别是当光透射材料包括波长转换材料(例如，磷光体)时。例如，发热的化学反应可以由光引发并且斯托克斯损失可以由光在光透射材料中的吸收和再发射而产生。通道提供了流体的流动，并且由此通过光学元件的热量对流可以有助于在光学元件的这种过程中生成的热量的消散。
根据实施例，光透射材料可以包括用于对光源发射的光进行散射(例如TiO2,BaSO4以及/或Al2O3微粒)以及/或转换其波长的微粒。在光透射材料中的微粒可能对于散射光为反射性的(例如，不透明的，诸如白色)。微粒可以是其所具有的原子(或分子)结构具有对应于由光源发射的光的能量的能量带隙的波长转换微粒。通常，当光被微粒所吸收并且再发射，光的波长增加。由吸收之前的能量和再发射之后的能量的差所定义的能量损失的大部分作为热量辐射被发射。通过光学元件的热量对流可以有助于从这种波长转换所导致的热量消散。
根据实施例，光学元件可以放置在距至少一个光源的距离为大于2cm，例如大于3cm或大于5cm处。这种距离允许流体在光学元件和光源之间更为自由地循环，其有助于流体通过通道传送出去，由此在每时间单位有所增加的量的流体可以穿过通道。
根据可代替的实施例，至少一个光学元件可以放置在距至少一个光源的距离为比3mm更近，例如比2mm、1mm或比0.5mm更近处，其提供了照明设备的降低的尺寸(更为紧凑)。
根据实施例，光透射材料的厚度与通道的平均直径的比率至少为2，例如至少为4或6。在光学元件(或至少围绕着通道的光透射材料)的厚度和通道的宽度之间的增加的比率降低了穿过通过通道而没有与光透射材料相互作用的光的量。
在实施例中，照明设备可以进一步包括主动冷却装置，其布置用于优选地在背离光源的方向上产生通过至少一个通道的流体的流动。该主动冷却装置可以增强由热量对流效应产生的流体的流动，由此改善来自照明设备的热量消散。主动冷却装置可以例如包括风扇。
在研读所附的权利要求和下面详细的描述时，当前发明的进一步特征和优势将变得明显。本领域的技术人员认识到当前发明的不同特征可以被合并用以创造出下面所描述的那些实施例之外的实施例，而不会背离当前发明的范围。
附图说明
当前的方面包括其特定的特征和优势，将从下面详细的描述和附图中变得易于理解。
图1为具有一个或多个贯通孔或通道的照明设备的横截面；
图2为根据本发明实施例的照明设备的横截面；
图3为根据本发明另一个实施例的照明设备的横截面；
图4为根据本发明又一个实施例的照明设备的横截面；
图5为根据本发明又一个实施例的照明设备的光学元件的横截面；
图6为根据本发明又一个实施例的照明设备的横截面；
图7为根据本发明实施例的照明布置的局部切开透视图。
所有的附图为示意性的，并不必然成比例，并且大体上仅仅示出了阐释本发明所必须的部分，其中其他的部分被省略或仅仅进行了建议。
具体实施方式
现在将参照附图更为完全地描述本发明的实施例。然而本发明可以实施为许多不同的形式并且不应当被解释为限于这里所列举出的实施例；相反，这些实施例提供用于全面性和完整性，并且将本发明的范围完全地传达给本领域的技术人员。贯穿全文，相同的参考标记指代相同的元素。
参照图1，将描述具有一个或多个贯通孔的照明设备1的一般实施例。图1为照明设备1的横截面。
照明设备1包括一个或多个光源3，诸如基于固态的光源(例如，发光二极管，LED)，以及布置用于透射由光源3发射的光的光学元件5。光学元件5包括光透射材料7以及一个或多个(在当前示例中为二)通道9，或者在这个示例中为贯通孔9，其从光学元件5的第一表面13延伸通过光透射材料7到光学元件5的第二表面15。因此，通道9在光学元件5的相对侧之间延伸。
通道9布置用于允许流体的流动通过光学元件5，例如从限定在光源3和光学元件5之间的空间出来。流动通过通道9的流体可以是出现在照明设备1中的流体，例如任何气态流体并且优选地为空气。围绕着光学元件5的流体循环进入光学元件5的通道9并且从此出去，由此提供了热量对流。因此，流体的流动将出现在光源3和光学元件5之间的空间中的热量去除，其有助于从照明设备1的热量消散。
通道9的配置和光源3相对于通道9的定位被适配为使得由光源3发射进入通道9的大部分(优选地基本上全部的)光16进一步传播通过光透射材料7。换句话说，由光源3发射的穿过通过通道9的光的大部分与光透射材料7相互作用至少一次。优选地，通道9配置为使得从每个光源3延伸并且在任一点穿越通道9的任何视线还穿越光透射材料7。换句话说，当在光学元件5的第一表面13处看时，光源3并不能直接通过通道9可见。进入通道3并且接着与光透射材料7相互作用的光的量由通道9的形状、通道9相对于周围光透射材料7的尺寸以及通道9相对于光源3的位置来确定。
根据示例，光透射材料7的厚度和通道9的平均直径的纵横比至少为2，例如至少为4或6。因此，光透射材料7可以显著地厚于通道9的宽度。进一步，光源3相对于通道9的定位可以适配于光源3的扩展角度。
在当前的示例中，光学元件5的通道9可以是布置在光透射材料7的片材中的(基本上)直的贯通孔。通道9可以例如具有基本上为具有任何适宜的横截面的圆柱形形状，例如圆形、多边形、椭圆、双曲线或抛物线形状。
下面描述通道9的可替换配置。
将参照图2描述根据本发明实施例的照明设备1。照明设备可以类似于参照图1所描述的照明设备而配置，除了光学元件5包括光透射材料7的多个层18并且每个层18具有至少一个贯通孔11。用于允许流体的流动通过光学元件5的通道在这个实施例中由流体地互连的贯通孔11和限定在层18之间的空间来形成。优选地，层18的总容积较之通道的总容积(即，贯通孔11和在层18之间的空间)而言相当小从而有助于流体在通道中的循环并且由此改善通过光学元件5的热量对流。在不同层18之间的距离可以彼此相等或是有所变化。
将参照图3和图4描述根据具有贯通孔或通道的照明设备的一般实施例的照明设备1。照明设备可以类似于参照图1所描述的照明设备来配置，除了通道9被成形为使得在通道9的第一开口17和第二开口19之间的假想直线穿越光学元件5的光透射材料7，由此实现通过通道9的热量传输而不会导致来自光源3的眩光。例如，通道9可以为带拐角的，如图3所图示的，或者如图4所图示的为弯曲的。图4所示出的照明设备的通道9可以例如为在光学元件5的第一表面13处具有靠近开口17的第一曲面21以及在光学元件5的第二表面15处具有靠近开口19的第二曲面23的S形。第一曲面21和第二曲面23可以通过通道9的基本上水平或者稍微倾斜的部分而互连。然而，应当理解的是通道9可以具有任何非直线的形状以允许由光源发射的光进入通道从而进一步传播通过光透射材料7。包含弯曲的或带拐角的通道9的光学元件5可以通过将光透射材料的两个层或多个层26、28彼此放置在对方之上来形成，其中每个层包括至少一个凹陷30，如图5所图示的。在另一个实施例中(未示出)，两个层26、28为相间隔的。同样对于图3所示出的实施例，光学元件5可以包括两个间隔开的层，这两个层在形成通道的拐角的平面处分开。凹陷30成形并且布置为使得当层26和层28相接时，层中的一个层26的凹陷与另一个层28的凹陷相交叠从而其共同形成延伸通过光学元件5的通道9。进一步，弯曲的并且/或带拐角的通道9可以通过光学元件5的3D打印来形成。
将参照图6描述根据又一个实施例的照明设备1。照明设备可以类似于参照图1或参照图2所描述的照明设备而配置，其包括两个或多个光学元件，除了光学元件5包括具有多个在第一表面13和第二表面15之间延伸通过光透射材料7的多个孔隙25的多孔材料。孔隙25形成了在光学元件5中的通道用于允许流体通过光学元件5的流动。孔隙25可以具有相对窄的直径并且随机的缠绕形状，由此光源发射的进入孔隙25的光进一步传播通过光透射材料7。孔隙的容积可以占据光学元件5的总体容积的至少30％从而有助于热量对流。
根据实施例，照明设备1可以例如为基于改装LED的照明设备，如图7所图示的。然而，照明设备可以是任何类型的照明布置并且并不限于LED-灯或者灯具。照明设备可以例如被实施为灯、灯具、光引擎或者包括多个照明设备的系统。例如，照明设备1可以用于一个或多个下述的应用中：商店照明系统、家庭照明系统、重点照明系统、聚光照明系统、剧院照明系统、装饰照明系统、便携式照明系统、汽车照明应用、投影系统、显示器系统、警示标志系统、医用照明应用系统、指示器标识系统以及家居应用系统。
照明设备1可以可选地包括外壳(或者封壳)27，其连同散热器29(或者照明设备的较低部分)一起封装光学元件5和光源3。外壳27可以具有球形的形状。可选地，照明设备1可以进一步包括用于将照明设备1耦合到灯具的插座31。
光学元件5可以布置在光源3之前，例如遮盖或者包围住光源3。例如，光学元件5可以具有球状(或穹顶状)的形状。在光学元件5和光源3之间的内部容积经由通道9与在外壳27和光学元件5之间的外部容积流体地连接。因此，通道9布置为允许照明设备1的内部容积和外部容积之间的空气流动从而将从光源3和光学元件5产生的热量传送到外部容积。由此，由于在光源3之前布置光学元件5所导致的对来自光源3的热量消散的阻碍部分地由通道9所产生的热量对流所补偿，而同时仍然允许光源3发射的(至少大部分)光与光透射材料7相互作用。
在实施例中，照明设备1可以进一步包括主动冷却装置(未示出)其布置用于优选地在背离光源3的方向上产生通过通道9的流体的流动。例如，该主动冷却装置可以配置为在热量传导方向上，即从照明设备1的内部容积到外部容积，产生流体的流动。该主动冷却装置可以增强由热量对流效应产生的流体的流动。该主动冷却装置可以例如包括风扇。
下面，将更为详细地描述光透射材料7。光透射材料7可以包括透明或半透明的块材料，例如玻璃或塑料。光透射材料7可以进一步包括用于对光源3发射的光进行散射的散射微粒。光学元件5可以包括当被照明导致发热反应的微粒，从而产生热量。在光透射材料7中生成的热量可以经由在通道中的热量对流而部分地消散。
进一步，在光学元件5中的光透射材料7可以包括波长转换材料，例如磷光体。波长转换材料的微粒通过荧光发光、磷光发光、冷发光、化学发光或其组合而吸收并且再发射光。
适合的波长转换材料的示例为基于苝的衍生物的有机发光材料。优选地，该有机发光材料可以为透明并且非散射的。
此外，波长转换材料可以包括量子点或量子棒。量子点为通常具有仅有数纳米的宽度或直径的半导体材料的小晶体。当被入射光激发时，量子点发射其颜色由晶体的尺寸和材料来确定的光。由此可以通过对点的尺寸进行调整来产生特定颜色的光。大部分已知的具有在可见范围内的发射的量子点基于具有例如硫化镉(CdS)以及硫化锌(ZnS)的壳体的硒化镉(CdSe)。也可以使用例如磷化铟(InP)、硫化铜铟(CuInS2)和/或银硫化铟(AgInS2)的无镉量子点。量子点显示了非常狭窄的发射带并且由此其显示了饱和的颜色。进一步，通过调整量子点的尺寸可以轻易地调谐发射颜色。任何类型的量子点可以用于光透射材料7。
此外，光透射材料7可以包括无机磷光体。无机磷光体材料的示例包括但不限于掺杂铈(Ce)的YAG(Y3Al5O12)或LuAG(Lu3Al5O12)。掺杂铈(Ce)的YAG发射黄色的光，而掺杂Ce的LuAG发射黄绿色的光。其他发射红色光的无机磷光体材料的示例包括但不限于ECAS和BSSN；ECAS为Ca(1-x)AlSiN3:Eux其中0<x≤1，优选地0<x≤0.2；并且BSSN为Ba(2-x-z)MxSi(5-y)AlyN(8-y)Oy:Euz其中M代表Sr或Ca，0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05，并且优选地0≤x≤0.2。
虽然已经参照着其特定的实施例对本发明进行了描述，然而对于本领域的技术人员来说，很多不同的改变、修改以及类似都变得明显。参照附图描述的实施例彼此可以合并。例如，诸如贯通孔和孔隙的不同类型的通道可以在光学元件中进行互换或者组合。此外，可以使用LED之外的其他类型的光源，例如白炽灯、气体放电、卤素或高强度放电类型的光源。
此外，在本领域的技术人员通过对附图、公开以及所附的权利要求进行研究从而实践要求保护的发明时，对于所公开的实施例的变形是可以被其所理解并实施的。在权利要求中，用词“包括”并不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”、“一个”并不排除复数。在互相不同的从属权利要求中记载了特定的措施这一单纯的事实并不指示着这些措施的组合不能被用来获取优势。

Claims (15)

1.一种照明设备(1)，包括：
至少一个光源(3)；以及
至少一个光学元件(5)，所述至少一个光学元件(5)被布置为透射由所述光源(3)发射的光，所述光学元件(5)包括光透射材料(7)以及延伸通过所述光透射材料(7)用于允许流体经过所述光学元件(5)的流动的至少一个通道(9)，
其中所述通道(9)被布置为使得进入所述通道(9)的由所述光源(3)发射的光的大部分(16)进一步传播通过所述光透射材料(7)，并且其中所述光学元件(5)包括彼此间隔开的光透射材料(7)的多个层(18)，每个层包括至少一个贯通孔(11)。
2.根据权利要求1的照明设备(1)，其中任何从所述光源(3)延伸并且通过所述通道(9)的视线穿过所述光透射材料(7)。
3.根据权利要求1的照明设备(1)，其中所述光透射材料(7)的至少两个所述层(18)布置为使得两层(18)中的一个层的所述光透射材料(7)与所述两层中的另一个层中的贯通孔(11)横向交叠。
4.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述通道(9)具有适于使得在所述通道(9)的第一开口(17)和所述通道(9)的第二开口(19)之间的假想直线穿过所述光透射材料(7)的形状。
5.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述光学元件(5)具有多个通道(9)。
6.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述光学元件(5)包括多孔材料，所述多孔材料包括延伸通过所述光透射材料(7)的孔隙(25)。
7.根据权利要求6的照明设备(1)，其中所述孔隙(25)的容积构成所述光学元件(5)的全部容积的至少30％。
8.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述至少一个光学元件(5)是波长转换元件、漫射器元件以及散射器元件和波长转换元件的组合中的任何一个。
9.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述光透射材料(7)包括用于对所述光源(3)发射的光进行散射以及/或转换其波长的微粒。
10.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述光学元件(5)放置在距所述至少一个光源(3)的距离为大于2cm，例如大于3cm或大于5cm处。
11.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述至少一个光学元件(5)放置在距所述至少一个光源(3)的距离为比3mm更近，例如比2mm、1mm或0.5mm更近处。
12.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，其中所述光透射材料(7)的厚度与所述通道的平均直径的比率至少为2，例如至少为4或6。
13.根据前述任一权利要求所述的照明设备(1)，进一步包括主动冷却装置，其布置用于产生通过所述至少一个通道(9)的流体的流动。
14.根据权利要求14的照明设备(1)，其中所述主动冷却装置包括风扇。
15.一种包括根据前述权利要求中任一项的照明设备(1)的灯、灯具或光引擎。
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