CN105723149B - 具有光导和集成热导的固态区域灯和聚光灯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有诸如LED的固态光源、渐缩的光导和外部热导的固态区域灯和聚光灯。该区域灯包括张开的光导，并且该聚光灯包括具有闭合端的光导。光导耦合到光源用于接收和分布来自光源的光，其中该分布部分地基于光导的形状和渐缩。热导提供自光源的热传导并且通过对流和辐射来耗散热以冷却灯。

Description

具有光导和集成热导的固态区域灯和聚光灯
背景技术
在工业、消费品和建筑照明应用中，照明的能量效率已成为重要的考量因素。随著固态灯技术的发展，发光二极管(LED)已变得比荧光灯更具能量效率。另外，市场对于爱迪生灯、荧光灯和高强度放电灯具有庞大的已建立的装置基础。由于LED的固有点光源特性，并且需要在相对低的温度下操作，故这些类型的应用对于LED提出了重大的技术挑战。现今存在许多解决方案来解决这些问题，包括风扇、散热片、散热管等。然而，这些方法通过增加复杂性、成本、效率损耗、增加失效模式、不理想的形状因数和光分布而限制了应用。仍需要寻找能够以吸引人的制造成本和设计来提供光学和电效率以及装置寿命优势的解决方案。
发明内容
符合本发明的具有集成的光导和热导的第一灯包括光源、灯段、耦合到灯段的张开的光导，和热导。光导具有第一表面和背对第一表面的第二表面以及在第一表面与第二表面之间的边缘。光导与光源连通，用于接收和分布来自光源的光，并且光在光导内传送直到光从第一表面或第二表面离开。光源位于光导的边缘以便将光光学地耦合到光导中。光导具有在边缘处的第一端部和与第一端部相对的张开的、开放的第二端。热导耦合到位于光导外部的灯段，用于提供自光源的热传导以冷却灯。
符合本发明的具有集成的光导和热导的第二灯包括光源、灯段、耦合到灯段的闭合的光导，和热导。光导具有第一表面和背对第一表面的第二表面以及在第一表面与第二表面之间的边缘。光导与光源连通，用于接收和分布来自光源的光，并且光在光导内传送直到光从第一表面或第二表面离开。光源位于光导的边缘以便将光光学地耦合到光导中。光导具有在边缘处的第一端部和与第一端部相对的闭合的第二端，其中第二表面形成封闭的内部体积。热导耦合到位于光导外部的灯段，用于提供自光源的热传导以冷却灯。
附图说明
附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，并且附图连同具体实施方式阐明本发明的优点和原理。在附图中，
图1是组装的固态区域灯的透视图；
图2是固态区域灯的分解透视图；
图3是固态区域灯的侧面剖视图；
图4是组装的固态聚光灯的透视图；
图5是固态聚光灯的分解透视图；并且
图6是固态聚光灯的侧面剖视图。
具体实施方式
本发明的实施例包括具有渐缩的光导和外部热导的高输出LED区域灯和聚光灯，该渐缩的光导具有开放端或闭合端。固态灯的示例在下列专利中有所描述，这些专利均如完全示出的那样以引用方式并入本文中：美国专利8,487,518；以及美国专利申请公布2012/0194054和2011/0032708。
图1是组装的固态区域灯10的透视图。图2和图3是固态区域灯10的分解透视图和侧面剖视图。灯10包括盖12、光导14、灯段18、热导20和任选的基座24。光导14具有外表面30和背对外表面30的内表面31。光导14还具有第一端部32和与第一端部32相对的开放的第二端33，这意味着第二端部33限定通向由内表面31产生的区域的开口。外表面30和内表面31在第一端部32和第二端部33处形成边缘。光导14具有张开的形状，如图所示，这意味着光导从第一端部32到第二端部33向外发散。光导的第二端部33可任选地完全地或部分地被反射层45覆盖。反射层的示例是来自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3M Company，St.Paul，Minnesota)的增强型镜面反射(ESR)膜产品。反射层的其它示例包括诸如白漆或银漆的漆，这些漆可为漫射的或镜面的。也可使用其它镜面反射材料。另选地，第二端部33可任选地包括黑色光吸收层。
光源板16包括多个光源35。光源35位于边缘，例如由外表面30和内表面31形成的光导的第一端部32处的边缘，以便将光光学地耦合到光导中。光例如以全内反射在光导中传送，直到光从外表面30、内表面31或两者引出。任选的驱动器46可位于灯中并且与光源板16电连接，以驱动光源35。内部驱动器46在使用时可经由基座24与功率源电连接。
灯段18包括用于支撑光源板16上的光源35的表面38和用于支撑光导的邻近第一端部32的外表面30的部分37。在一些实施例中，在第一端部32处的边缘和光源35之间不存在气隙。例如，第一端部32处的边缘可直接紧贴光源35放置，或者光学耦合材料44可在边缘和光源35之间并且与边缘和光源35接触。灯段18也具有从表面38延伸的芯部36。
在一些实施例中，灯段18在光导和热导20之间不具有孔(通气孔)。具体地，盖12具有不带有通气孔的中心部分26和紧贴光导的内表面31装配的部分28，这可以另外对光导产生机械干涉作用，以将光导保持在部件18上。另选地，中心部分26可具有孔(通气孔)以允许气流通过灯段18。盖12可经由销13或其它连接件固定到灯段18，并且销13也可将灯段18固定到热导20。在一些实施例中，光导14可用销固定到灯段18。
热导20可位于光导14的外部，例如在灯段18的与光导14相对的一面。热导20具有用于连接到灯段18的芯部36或紧贴灯段18的芯部36放置的芯部40，用于提供自光源35的热传导以冷却灯。在芯部40和芯部36之间可包括任选的热界面材料，从而有利于有效的热传递。芯部40也可被用于容纳用于自镇流照明设备的内部驱动器。热导20具有与芯部40连接的外部翅片41。另选地，热导20可具有带有内部翅片或内部翅片和外部翅片两者的外部芯部。
绝缘体22具有表面42，用于紧贴翅片41或热导20的其它部分放置。绝缘体22的部分43耦合到基座24。灯可任选地具有外部驱动器47用于驱动光源35。外部驱动器47在使用时可与功率源电连接并且穿过灯的内部与光源35电连接。内部驱动器46或外部驱动器47可任选地包括无线接收器用于无线地接收命令以控制灯的操作。
图4是组装的固态聚光灯50的透视图。图5和图6分别是固态聚光灯50的分解透视图和侧面剖视图。灯50包括光导54、灯段58、热导60和任选的基座64。光导54具有外表面70和背对外表面70的内表面71。光导54也包括第一端部72和与第一端部72相对的闭合的第二端73。内表面71可与闭合的第二端部73一起形成封闭的内部体积，这意味着光导不具有允许空气通过光导通向内部体积的孔(通气孔)。另选地，第二端部73可为开放端，从而形成允许空气进入内部体积的孔。如果第二端部73是开放的，那么其可任选地完全地或部分地被反射层覆盖。反射层的示例包括ESR膜产品和诸如白漆或银漆的漆，这些漆可为漫射的或镜面的。也可使用其它镜面反射材料。另选地，如果是开放的，第二端部73可任选地包括黑色光吸收层。外表面70和内表面71在第一端部72处形成边缘。在该实施例中，光导54具有至少局部锥形形状。
光源板56包括多个光源75。光源75位于边缘，例如由外表面70和内表面71形成的光导的第一端部72处的边缘，以便将光光学地耦合到光导中。光例如以全内反射在光导中传送，直到光从外表面70、内表面71或两者引出。任选的驱动器86可位于灯中并与光源板56电连接，用于驱动光源75。内部驱动器86在使用时可经由基座64与功率源电连接。
灯段58包括用于支撑光源板56上的光源75的表面78和用于支撑光导的邻近第一端部72的外表面70的部分77。在一些实施例中，在第一端部72处的边缘和光源75之间不存在气隙。例如，第一端部72处的边缘可直接紧贴光源75放置，或者光学耦合材料84可在边缘和光源75之间并且与边缘和光源75接触。灯段58也具有从表面78延伸的芯部76。
在一些实施例中，散热穹顶52可耦合到灯段58，用于传导和耗散来自光源75的一些热。散热穹顶52具有基座部分68，用于在表面78上并且在第一端部72处紧贴光导的内表面71进行放置。第一端部72处的光导的外表面70和内表面71可被保持在灯段58的部分77和散热穹顶52的基座部分68之间。散热穹顶52的面向光导的表面66可大体上与内表面71的形状相符。表面66也优选是反射的，并且最优选是镜面的。表面66可具有例如在其上的ESR膜产品。在一些应用中，使表面66带有颜色以提供装饰性或功能特征可为理想的。例如，可使用黑色以吸收杂散光或使用增强艺术美的颜色。在散热穹顶52的至少一部分和光导内表面71之间形成气隙。在一些实施例中，气隙大体上围绕位于表面66和光导的内表面71之间的散热穹顶52。表面66可不具有允许空气通过表面的孔(通气孔)，或另选地表面66可具有通气孔。表面66对于可见光可具有反射性。例如，表面66可完全地或部分地被诸如ESR膜产品的反射膜覆盖，或者表面66可包括反射涂层。散热穹顶52可经由销53或其它连接件固定到灯段58，并且销53也可将灯段58固定到热导60。在一些实施例中，光导54可用销固定到灯段58上。
热导60位于光导54的外部，例如在灯段58的与光导54相对的一侧。热导60具有用于连接到灯段58的芯部76或紧贴灯段58的芯部76放置的芯部80，用于提供自光源75的热传导以冷却灯。在芯部80和芯部76之间可包括任选的热界面材料，以有利于有效的热传递。芯部80也可被用于容纳用于自镇流照明设备的内部驱动器。热导60具有与芯部80连接的外部翅片81。另选地，热导60可具有带有内部翅片或内部翅片和外部翅片两者的外部芯部。
绝缘体62具有表面82，用于紧贴翅片81或热导60的其它零件放置。绝缘体62的部分83耦合到基座64。灯可任选地具有外部驱动器87用于驱动光源75。外部驱动器87在使用时可与功率源电连接并且穿过灯的内部与光源75电连接。内部驱动器86或外部驱动器87可任选地包括无线接收器用于无线地接收命令以控制灯的操作。
以下是用于本文所述的固态灯的示例性的材料、部件和构造。
光源可用LED、有机LED(OLEDS)或其它固态光源来实现。灯可包括一个光源或多个光源。另外，灯可使用非封装的LED光源。
光源板可用任何板或支撑和提供与光源的电连接的其它部件来实现。光源板可为例如容纳光源并为光源进行电连接的柔性电路板。光源板可另选地用刚性板或柔性板和刚性板的组合来实现。
驱动器可用能够从功率源接收功率并基于所接收的功率驱动光源的任何电路或部件来实现。例如，驱动器可用一个或多个集成电路芯片来实现。驱动器可包括内部驱动电路、外部驱动电路或两者。驱动器可任选地与控制灯的其它部件电连接或包括控制灯的其它部件。例如，运动传感器可与驱动器连接用于当靠近灯检测到运动时控制灯的激活。一个示例是可从松下北美公司(弗吉尼亚州切萨皮克市)(Panasonic Corporation of NorthAmerica(Chesapeake，VA))商购获得的运动传感器EKMC1603113。又如，无线接收器可与驱动器连接或被实现为驱动器的一部分，用于无线地控制灯的操作。特别地，接收器可无线地接收命令并向驱动器提供信号，用于基于命令控制灯的操作。该命令可包括例如灯的激活(打开和关闭灯)、调暗灯或以其它方式控制灯的亮度、或设定时间以基于特定时间或时间段来控制灯的激活。例如，可从立维腾制造有限公司(俄勒冈州，图拉丁)(LevitonManufacturing Co.，Inc.(Tualatin，OR))商购获得的无线接收器WSD01-001可与来自相同供应商的无线交换机WSOS-D组合使用用于开/关和调暗目的。
灯段可用例如诸如铝的金属材料来实现。灯段也可用其它金属材料、陶瓷材料、导热聚合物或此类材料的组合来实现。灯段可用作散热器，并且灯段的尺寸可调节以耗散来自灯的特定量的热。例如，取决于光导的形状，灯段可具有如图所示的圆形或环形形状或其它形状。灯段可具有通用的构造，从而在用于区域灯的光导和盖与用于聚光灯的光导之间可互换。通过部件是如何装配在一起和任选地衬垫材料的使用，灯段和光源的内部可为密封的和不透水的。
基座可用例如与常规灯泡插座一起使用的爱迪生基座或被构造用于连接到其它类型的灯固定装置连接部的基座来实现。另选地，灯可被构造为不带有诸如爱迪生基座的固定装置接口的照明设备。
热导直接或间接与光源充分接触，以便传导和耗散来自光源的热。热导可与光源直接物理接触或诸如通过其它部件与光源间接接触。热导可用例如诸如铝的金属材料来实现。热导也可用其它金属材料、陶瓷材料、导热聚合物或此类材料的组合来实现。在灯段和绝缘体之间的热导的长度可被改变，以调节热传导和耗散的量。
散热穹顶在使用时可用诸如铝的金属材料来实现。散热穹顶也可用其它金属材料、陶瓷材料、导热聚合物或此类材料的组合来实现。如果没有使用散热穹顶，那么聚光灯或其它此类实施例可仅具有外部热导，而在光导的内部体积中没有热导。
光导可用例如能够从一个或多个固态光源接收光并发射光的透明或半透明材料来实现。例如，光导可由光学上合适的材料制成，诸如丙烯酸类树脂、聚碳酸酯、诸如聚甲基丙烯酸甲酯的聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、玻璃或具有充分高的折射率和透射比的许多不同的塑性材料。可对材料进行例如浇铸或模制，以形成光导。可任选地抛光光导的表面。光导可任选地包括批量散射元件，诸如光导内的颗粒，以当光导被固态光源照射时提供柔光外观。
光导可由用例如粘合剂或机械卡扣接合粘附在一起的多个部分构成。所述部分在使用时可永久地粘附在一起或可移除地附接在一起。另选地，光导可为单一材料一体件。
光导可任选地为渐缩的。该任选的渐缩可包括光导为完全渐缩的，其中整个光导具有不一致的厚度，或者光导为部分地渐缩的，其中光导的一部分具有不一致的厚度并且另一部分具有一致的厚度。例如，光导或光导的一部分在距灯段更远的部分中可变得较薄。
光导的渐缩和形状可至少部分地被用于将光从光导引出。用于区域灯的张开的光导在第一端部和第二端部之间可具有直侧面、弯曲侧面、或局部直和弯曲的侧面。用于区域灯的张开的光导的形状可被用于主要将光从内表面引出并且基本上传播该光。用于聚光灯的光导可具有如图所示的局部锥形形状，或具有闭合端并且从光导的第一端部到第二端部产生减小内部体积的其它形状。用于聚光灯的闭合端光导的形状可被用于主要将光从外表面引出而基本上不传播该光。用作照明设备的成型光导的示例在美国专利申请公布2013/0155719中公开，该专利申请公布如完全示出的那样以引用方式并入本文。术语区域灯和聚光灯仅用于识别示例性实施例。
光导可包括任选的涂层，诸如在光导外表面上的紫外线(UV)涂层。光导也可将UV吸收剂结合到用于制造光导的批量聚合物中。此外，光导可包括可包含光频率偏移发色团的基质材料，以获得更理想的色彩再现指数，并且基质稳定染料的示例在美国专利5,387,458中有所描述，其如完全示出的那样以引用方式并入本文。另外，灯可在任何部件上包括此类基质材料，在该任何部件中来自光源的光与基质材料相互作用。

Claims (22)

1.一种具有集成的光导和热导的灯，所述灯包括：
光源；
灯段，所述灯段具有第一侧和背对所述第一侧的第二侧；
光导，所述光导耦合到所述灯段的所述第二侧，所述光导包括具有第一表面和背对所述第一表面的第二表面的材料以及在所述第一表面与所述第二表面之间的第一边缘处的第一端部和在第一表面和第二表面之间的第二边缘处的与第一端部相对的开放的第二端部，其中所述光导与所述光源连通用于接收和分布来自所述光源的光，并且所述光在所述光导内传送直到所述光从所述第一表面或所述第二表面离开，其中所述光源位于所述光导的所述第一边缘以便在所述第一边缘处将所述光光学地耦合到所述光导中，其中所述光导具有张开的形状，光导从第一端部到第二端部向外发散，其中第二端部在第二边缘比第一端部在第一边缘具有跟更大的通向由第二表面产生的区域的开口；和
热导，所述热导耦合到位于所述光导外部的所述灯段，用于提供自所述光源的热传导以冷却所述灯。
2.根据权利要求1所述的灯，其中所述光源包括以下中的一个或多个：发光二极管；和有机发光二极管。
3.根据权利要求1所述的灯，其中所述热导耦合到所述灯段的所述第一侧，并且所述灯还包括基座，所述基座耦合到所述热导的与所述灯段相对的一侧并且被构造用于连接到功率源。
4.根据权利要求1所述的灯，其中所述光导是渐缩的，其中所述光导的厚度从所述第一端部到所述第二端部是减小的。
5.根据权利要求1所述的灯，还包括位于所述光导的所述第二端部的反射膜。
6.根据权利要求1所述的灯，其中所述热导具有中心芯部，中心芯部带有外部翅片。
7.根据权利要求1所述的灯，还包括位于所述光源和所述光导的所述边缘之间并且与所述光源和所述光导的所述第一边缘接触的光学耦合材料。
8.根据权利要求1所述的灯，还包括盖，所述盖位于所述灯段的所述第二侧上并且邻近所述光导的所述第一端部。
9.根据权利要求8所述的灯，其中所述盖不具有允许空气进入所述灯段的内部的孔。
10.根据权利要求1所述的灯，其中所述光导的所述材料包含聚碳酸酯。
11.根据权利要求1所述的灯，还包括与所述光源电连接的驱动器，其中所述驱动器包括无线接收器用于无线地接收命令以控制所述灯的操作。
12.一种具有集成的光导和热导的灯，所述灯包括：
光源；
灯段，所述灯段具有第一侧和背对所述第一侧的第二侧；
光导，所述光导耦合到所述灯段的所述第二侧，所述光导包括具有第一表面和背对所述第一表面的第二表面的材料以及在所述第一表面与所述第二表面之间的边缘，其中所述光导与所述光源连通用于接收和分布来自所述光源的光，并且所述光在所述光导内传送直到所述光从所述第一表面或所述第二表面离开，其中所述光源位于所述光导的所述边缘以便在所述边缘处将所述光光学地耦合到所述光导中，其中所述光导具有在所述边缘处的第一端部以及与所述第一端部相对的闭合的第二端部，其中所述第二表面形成封闭的内部体积，在第二端部所述光导无孔；和
热导，所述热导耦合到位于所述光导外部的所述灯段，用于提供自所述光源的热传导以冷却所述灯。
13.根据权利要求12所述的灯，其中所述光源包括以下中的一个或多个：发光二极管；和有机发光二极管。
14.根据权利要求12所述的灯，其中所述热导耦合到所述灯段的所述第一侧，并且所述灯还包括基座，所述基座耦合到所述热导的与所述灯段相对的一侧并且被构造用于连接到功率源。
15.根据权利要求12所述的灯，其中所述光导是渐缩的，其中所述光导的厚度从所述第一端部到所述第二端部是减小的。
16.根据权利要求12所述的灯，其中所述热导具有中心芯部，中心芯部带有外部翅片。
17.根据权利要求12所述的灯，还包括位于所述光源和所述光导的所述边缘之间并且与所述光源和所述光导的所述边缘接触的光学耦合材料。
18.根据权利要求12所述的灯，还包括邻近所述光导的所述第二表面的散热穹顶。
19.根据权利要求18所述的灯，其中在所述散热穹顶的至少一部分和所述光导的所述第二表面之间形成气隙。
20.根据权利要求12所述的灯，其中所述光导具有至少局部锥形形状。
21.根据权利要求12所述的灯，其中所述光导的所述材料包含聚碳酸酯。
22.根据权利要求12所述的灯，还包括与所述光源电连接的驱动器，其中所述驱动器包括无线接收器用于无线地接收命令以控制所述灯的操作。
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