CN107208871A - 灯头组件及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种灯头组件。所述灯头组件包括：导热块；入口冷却流体导管，所述入口冷却流体导管耦接至所述导热块，以使得冷却流体被配置来从所述入口冷却流体导管流至所述导热块；以及金属热交换器，所述金属热交换器固定至所述导热块。所述金属热交换器限定多个内通道以分配由所述入口冷却流体导管提供的冷却流体。所述金属热交换器固定至所述导热块，以使得所述冷却流体被配置来从所述导热块流至由所述金属热交换器限定的所述多个内通道。所述灯头组件还包括多个光产生元件，所述多个光产生元件固定至所述金属热交换器。

Description

灯头组件及其组装方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月15日提交的美国临时专利申请号62/103,959及2016年1月13日提交的美国专利申请序列号14/994,462的权益，这两项申请的内容均以其全文通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于液体冷却型灯系统的灯头组件，并且更具体地，涉及包括金属主体部分的此类灯头组件。
背景技术
包括光产生元件(例如，紫外辐射LED，也称为UV LED)的灯系统系结合诸如像UV固化应用(例如，油墨、诸如粘合剂的粘结剂、涂层等的UV固化)的许多应用来使用。某些光产生装置(例如，一组UV LED)产生大量热量，并且通常使用冷却流体加以冷却。
例如，冷却流体可以是由冷却器系统提供的水。承载光产生元件并且提供用于将冷却流体分配至光产生元件的区域的组件可称为“灯头组件”。
灯头组件用于数种目的，包括：支撑光产生装置；分配和控制用于为光产生装置供电的能量；以及分配冷却流体。灯头组件的发展中存在许多挑战，包括生产成本、生产时间、能量效率、可靠性(例如，就容纳冷却流体而言的可靠性)，以及其他。
因此，将需要提供改进的灯头组件及组装和操作此类灯头组件的方法。
发明内容
根据本发明的示例性实施方案，提供一种灯头组件。所述灯头组件包括：导热块；入口冷却流体导管，所述入口冷却流体导管耦接至导热块，以使得冷却流体被配置来从入口冷却流体导管流至导热块；以及金属热交换器，所述金属热交换器固定至导热块。金属热交换器限定多个内通道以分配由入口冷却流体导管提供的冷却流体。金属热交换器固定至导热块，以使得冷却流体被配置来从导热块流至由金属热交换器限定的多个内通道。灯头组件还包括多个光产生元件，所述多个光产生元件固定至金属热交换器。
根据本发明的另一示例性实施方案，提供一种组装灯头组件的方法。所述方法包括以下步骤：(a)将入口冷却流体导管耦接至导热块，以使得冷却流体被配置来从入口冷却流体导管流至导热块；(b)将金属热交换器固定至导热块，金属热交换器限定多个内通道以分配由入口冷却流体导管提供的冷却流体，金属热交换器固定至导热块，以使得冷却流体被配置来从导热块流至由金属热交换器限定的多个内通道；以及(c)将多个光产生元件固定至金属热交换器。
附图说明
当结合附图来阅读以下详细描述时，根据以下详细描述最佳地理解本发明。应强调，根据惯例，附图的各种特征并非按比例绘制。相反，为清晰起见，任意地扩大或缩小各种特征的尺寸。附图中包括以下各图：
图1A为根据本发明的示例性实施方案的灯头组件的顶视图；
图1B为根据本发明的示例性实施方案的图1A的灯头组件的顶部透视图；
图1C为根据本发明的示例性实施方案的图1A的灯头组件的另一顶部透视图；
图2A为根据本发明的另一示例性实施方案的灯头组件的顶视图；
图2B为根据本发明的示例性实施方案的图2A的灯头组件的顶部透视图；
图2C为根据本发明的示例性实施方案的图2A的灯头组件的顶视图，其中上导热板与灯头组件的其余部分分离；
图2D为根据本发明的示例性实施方案的图2A的灯头组件的侧面透视分解视图；
图3A为根据本发明的又一示例性实施方案的灯头组件的顶视图；
图3B为根据本发明的示例性实施方案的图3A的灯头组件的顶部透视图；
图4为根据本发明的又一示例性实施方案的灯头组件的侧面透视图；以及
图5为例示根据本发明的示例性实施方案的组装灯头组件的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的某些示例性实施方案，提供一种用于液体冷却型灯的金属灯主体组件(即，灯头组件)，所述金属灯主体组件例如使用具有输出光的朗伯(余弦)分布的光源。灯头组件可包括金属热交换器(例如，铜冷却剂块)，UV LED条带(或光产生装置的另一种布置)安装至所述金属热交换器。入口冷却流体导管和出口冷却流体导管(例如，由铜管形成，由不锈钢管形成，等等)将冷却流体例如通过导热块供应至金属热交换器以冷却光源。
冷却流体(被配置来移除由诸如UV LED元件的光产生元件产生的热量)可以死循环配置(例如，密封的水系统)来提供，其中水冷却器将冷却流体提供至灯头组件，并且然后，冷却流体在提供冷却效应之后返回至水冷却器。
此外，灯头组件可包括一对导热板(例如，固体铝板)，所述一对导热板安装在入口冷却流体导盒和出口冷却流体导管上，以用于将来自电路板(安装在所述一对导热板上)的热量传送至入口冷却流体导管和出口冷却流体导管中。入口冷却流体导管和出口冷却流体导管(可包括铜管及铜管配件，或可由诸如不锈钢的其他材料形成)与导热块(也可由铜形成)可通过钎焊、铜焊、熔接等来连结，以理想地提供能够处置很大流体压力(例如，超过100psi)的无泄漏组件。
本文所述的灯头组件包括被设计成可易于以低成本制造的有限数目的零件。金属灯头主体组件易于组装。可在将金属灯头主体组件组装至剩余灯组件元件之前执行简单的冷却流体压力测试(例如，以测试接头的强度)。
在简单设计及有限数目的元件的情况下，可通过替代解决方案提供显著的成本节省。另外益处可包括冷却流体组装接头的稳固连结及密封，所述冷却流体组装接头具有有助于容易对冷却流体元件进行压力测试的设计。此外，在包括与入口冷却流体导管和出口冷却流体导管接触的金属(例如，铝)导热板的实施方案中，电路可直接结合至导热板的表面(即，结合至所述板远离冷却流体导管的外表面)。
图1A至图1C提供灯头组件100的各种视图。灯头组件100包括导热块106(例如，铜冷却剂块)。入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104耦接至导热块106。例如，入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104中的每一个可由铜(或诸如不锈钢的另一种材料)形成，并且可使用钎焊、铜焊、熔接等中的至少一种耦接至导热块106。如图1B所示，入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104中的每一个的相反末端包括管配件102a、104a(例如，螺纹铜管配件)。灯头组件100还包括固定至导热块106的金属热交换器108。多个光产生元件110固定至金属热交换器108，如图1C所示。尽管为简单起见在图1C中将多个光产生元件110展示为条带，但应理解，可以任何所需要配置来布置多个光产生元件110。多个光产生元件110可以是多个紫外线(UV)发光二极管(LED)装置(即，UV LED晶粒)。金属热交换器108限定多个内通道(在图1A至图1C中不可见)以接收并分配由入口冷却流体导管102提供的冷却流体，所述冷却流体首先穿过导热块106。
多个光产生元件110往往会在操作期间产生过多热量。冷却流体(例如，由冷却器提供的冷却水，未展示)通过入口冷却流体导管102进入灯头组件100。冷却流体从入口冷却流体导管102进入导热块106，所述冷却流体从导热块106进入由金属热交换器108限定的多个内通道。多个内通道被设计来将冷却流体引至多个光产生元件110附近以提供冷却效应。冷却流体从多个冷却通道再进入金属热交换器108。冷却流体然后通过出口冷却流体导管104行进回至冷却流体源(例如，水冷却器系统)。
图2A至图2D提供灯头组件200的各种视图。灯头组件200包括所有以上例如参考图1A至图1C所示出并描述的相同的入口冷却流体导管102、出口冷却流体导管104、导热块106、金属热交换器108以及多个光产生元件110。灯头组件200还包括一对导热板202(例如，铝板块)，所述一对导热板202包围至少入口冷却流体导管102的长度的一部分和出口冷却流体导管104的一部分。所述一对导热板202包括上板202a和下板202b(将板命名为“上”和“下”是任意的，并且仅指代附图中所示的取向)。如图2C至图2D所示，上板202a和下板202b中的每一个限定空腔以接收入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104的一部分。更具体地，上板202a限定第一空腔202a1和第二空腔202a2。同样地，下板202b限定第一空腔202b1和第二空腔202b2。空腔202a1、202a2、202b1及202b2理想地为弧形以便很类似入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104的相应部分的外部形状。因此，(i)空腔202a1、202a2、202b1及202b2与(ii)入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104之间的配合理想地为相对紧密的配合，进而在其间提供良好的热交换。图2D例示用于将上板202a固定至下板202b的板紧固螺钉202a3与对应的孔隙202b3。
图3A至图3B提供灯头组件300的各种视图。灯头组件300包括所有以上例如参考图1A至图1C所示出并描述的相同的入口冷却流体导管102、出口冷却流体导管104、导热块106、金属热交换器108以及多个光产生元件110。灯头组件300还包括以上参考图2A至图2D所示出并描述的相同的一对导热板202(包括上板202a和下板202b)。
灯头组件300还包括电路板304a，电路板304a包括多个驱动电路302以用于提供电流来为多个光产生元件110中的至少一部分供给能量。电路板304a固定至上板202a的表面。尽管在图3A至图3B中仅部分可见，但灯头组件300还包括另一电路板304b，电路板304b包括多个驱动电路302(不可见)以用于提供电流来为多个光产生元件110中的另一部分供给能量。电路板304b固定至下板202b的表面。如本领域的技术人员将了解的，电流由电源(例如，远程电源供应器，未展示)提供，其中电流可在施加到多个光产生元件110之前加以修改、转换等(例如，在电路板304a、304b上)。此电流分配至各种驱动电路302，并且然后提供至各个光产生元件110。来自驱动电路302的热量由入口冷却流体导管102(可能还有出口冷却流体导管104)、上板202a、下板202b、电路板304a以及电路板304b之间的热冷却路径稍微耗散。
图4例示灯头组件400。灯头组件400包括所有以上例如参考图1A至图1C所示出并描述的相同的入口冷却流体导管102、出口冷却流体导管104、导热块106、金属热交换器108以及多个光产生元件110。灯头组件400还包括以上例如参考图2A至图2D所示出并描述的相同的一对导热板202(包括上板202a及下板202b)。灯头组件400还包括所有以上例如参考图3A至图3B所示出并描述的相同的电路板304a、电路板304b及驱动电路302。
灯头组件400还包括导体402(例如，铜导电条)，导体402在驱动电路302与光产生元件110之间提供电流路径。灯头组件400还包括电缆404a、404b，电缆404a、404b提供来自电源(例如，远程电源供应器，未展示)的电能量。此电能量分配至各个驱动电路302。
图4还例示快速连接配件102b、104b，快速连接配件102b、104b设置在入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104中的每一个的末端处(其中快速连接配件102b、104b与图1B所示的螺纹铜管配件102a、104a接合)。
根据本发明的某些示例性实施方案，建立电连续接地路径，所述电连续接地路径包括入口冷却流体导管、出口冷却流体导管、导热块、金属热交换器以及所述一对导热板中的每一个。电连续接地路径理想地被配置来提供用于灯头组件的电部件的接地路径，所述电部件诸如电路板上所包括的电部件(例如，驱动电路等)。
图5为根据本发明的某些示例性实施方案的流程图。如本领域的技术人员所理解的，可省略流程图中所包括的某些步骤；可添加某些另外的步骤；并且步骤的顺序可与所例示的顺序不同。
具体参考图5中的流程图，提供一种组装灯头组件的方法。在步骤500处，将入口冷却流体导管和出口冷却流体导管(例如，例如图1A至图1C所示的流体导管102、104)耦接至导热块(例如，例如图1A至图1C所示的导热块106)，以使得冷却流体被配置来从入口冷却流体导管流至导热块。在步骤502处，将金属热交换器(例如，例如图1A至图1C所示的金属热交换器108)固定至导热块。金属热交换器限定多个内通道以分配由入口冷却流体导管提供的冷却流体。金属热交换器固定至导热块，以使得冷却流体被配置来从导热块流至由金属热交换器限定的多个内通道。在步骤504处，将多个光产生元件(例如，例如图1C所示的光产生元件110，光产生元件110可以是UV LED光产生装置的多个阵列)固定至金属热交换器。
在步骤506处，用一对导热板(例如，例如图2A至图2D所示的导热板202a、202b)包围入口冷却流体导管和出口冷却流体导管中的每一个的至少一部分。更具体地，在步骤506中，并且具体参考图2C至图2D，将入口冷却流体导管102和出口冷却流体导管104的一部分与相应空腔202a1、202b1、202a2和202b2对准，以使得空腔和冷却流体导管102、104在组装后提供紧密配合。
在步骤508处，将第一电路板固定至所述一对导热板中的第一个的外表面(例如，将例如图3A至图3B所示的电路板304a固定至导热板202a)，并且将第二电路板固定至所述一对导热板中的第二个的外表面(例如，将例如图3B所示的电路板304b固定至导热板202b)。第一电路板包括第一多个驱动电路，所述第一多个驱动电路被配置来将电能量提供至多个光产生元件中的若干个，并且第二电路板包括第二多个驱动电路，所述第二多个驱动电路被配置来将电能量提供至多个光产生元件中的其他个。例如，具体参考图3A至图3B，每一电路板304a和304b上提供有多个驱动电路302，以用于将电能量提供至光产生元件110中的某若干个。例如，具体参考图4，导体402(例如，铜导电条)在电路板304a、304b中的每一个上的驱动电路302中的某若干个与对应的光产生元件110之间提供电流路径。
在步骤510处，将冷却流体提供至金属热交换器中以用于在多个光产生元件的区域中提供冷却。这种对多个光产生元件的冷却包括：(i)使冷却流体从冷却流体源(例如，冷却器)通过入口冷却流体导管流至导热块中；(ii)使冷却流体通过导热块流至金属热交换器中；以及(iii)使冷却流体从金属热交换器通过出口冷却流体导管返回至冷却流体源。
通过本文所述的本发明的各种实施方案，在入口冷却流体导管、导热块与金属热交换器中的每一个之间建立电连续接地路径，入口冷却流体导管、导热块以及金属热交换器全部可由金属材料(例如，铜)形成。这种路径可提供用于灯头组件的电部件的电接地连接，所述电部件诸如提供电流来为多个光产生元件供给能量的多个驱动电路。
尽管本发明的各种实施方案已将导热块(例如，附图中所示的元件106)和金属热交换器(例如，附图中所示的元件108)例示为单独元件，但应理解，这些元件可组合在单个元件中，并且可由单件材料(例如，单件铜材料)形成。
尽管参考某些光产生元件(例如，UV LED元件)描述本发明，但本发明不限于此。例如，其他UV线光产生元件以及非UV元件也在考虑之内。光产生元件可以任何所需要配置来布置，例如，布置成此类元件的列和/或阵列。
尽管在本文中参考具体实施方案对本发明进行例示和描述，但本发明并不旨在局限于所示细节。相反，可在权利要求书的范畴及其等效物的范围内作出细节方面的各种修改而不脱离本发明。

Claims (20)

1.一种灯头组件，其包括：
导热块；
入口冷却流体导管，所述入口冷却流体导管耦接至所述导热块，以使得冷却流体被配置来从所述入口冷却流体导管流至所述导热块；
金属热交换器，所述金属热交换器固定至所述导热块，所述金属热交换器限定多个内通道以分配由所述入口冷却流体导管提供的冷却流体，所述金属热交换器固定至所述导热块，以使得所述冷却流体被配置来从所述导热块流至由所述金属热交换器限定的所述多个内通道；以及
多个光产生元件，所述多个光产生元件固定至所述金属热交换器。
2.如权利要求1所述的灯头组件，其中所述多个光产生元件为UV LED元件。
3.如权利要求2所述的灯头组件，其中提供至所述金属热交换器的冷却流体被配置来移除由所述UV LED元件产生的热量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的灯头组件，其还包括一对铝板，所述一对铝板包围所述入口冷却流体导管的长度的至少一部分。
5.如权利要求4所述的灯头组件，其还包括出口冷却流体导管，其中所述出口冷却流体导管的长度的至少一部分由所述一对铝板包围。
6.如权利要求4所述的灯头组件，其中所述一对铝板中的每一个限定相应空腔以接收所述入口冷却流体导管的一部分。
7.如权利要求4所述的灯头组件，其中电路板固定至所述铝板中的一个的表面，所述电路板包括驱动电路以用于提供电流来为所述多个光产生元件中的至少一部分供给能量。
8.如权利要求7所述的灯头组件，其中另一电路板固定至所述铝板中的另一个的表面，所述另一电路板包括驱动电路以用于提供电流来为所述多个光产生元件中的另一部分供给能量。
9.如权利要求7所述的灯头组件，其中所述铝板中的所述一个从所述入口冷却流体导管接收冷却效应，进而移除由所述驱动电路产生的热量。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的灯头组件，其还包括至少一根电缆，所述至少一根电缆用于将来自电源的电能量提供至所述灯头组件以便为所述多个光产生元件供电。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的灯头组件，其中在所述入口冷却流体导管、所述导热块以及所述金属热交换器中的每一个之间建立电连续接地路径。
12.如权利要求11所述的灯头组件，其中所述电连续接地路径被配置来提供用于所述灯头组件的电部件的接地路径，所述电部件包括提供电流来为所述多个光产生元件供给能量的多个驱动电路。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的灯头组件，其中所述入口冷却流体导管使用钎焊、铜焊和熔接中的至少一种来耦接至所述导热块。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的灯头组件，其中所述导热块、所述入口冷却流体导管和所述金属热交换器中的每一个由包括铜的材料形成。
15.一种组装灯头组件的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将入口冷却流体导管耦接至导热块，以使得冷却流体被配置来从所述入口冷却流体导管流至所述导热块；
(b)将金属热交换器固定至所述导热块，所述金属热交换器限定多个内通道以分配由所述入口冷却流体导管提供的冷却流体，所述金属热交换器固定至所述导热块，以使得所述冷却流体被配置来从所述导热块流至由所述金属热交换器限定的所述多个内通道；以及
(c)将多个光产生元件固定至所述金属热交换器。
16.如权利要求15所述的方法，其还包括步骤(d)：用一对导热板包围所述入口冷却流体导管的至少一部分。
17.如权利要求16所述的方法，其中步骤(d)包括将所述入口冷却流体导管的一部分与由所述导热板中的每一个限定的空腔对准。
18.根据权利要求16-17中任一项所述的方法，其还包括步骤(e)：将一第一电路板固定至所述一对导热板中的第一个的外表面；以及将第二电路板固定至所述一对导热板中的第二个的外表面，所述第一电路板包括第一多个驱动电路，所述第一多个驱动电路被配置来将电能量提供至所述多个光产生元件中的若干个，所述第二电路板包括第二多个驱动电路，所述第二多个驱动电路被配置来将电能量提供至所述多个光产生元件中的其他个。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其中步骤(a)还包括：将出口冷却流体导管耦接至所述导热块，以使得所述冷却流体被配置来从所述导热块通过所述出口冷却流体导管流至冷却流体源。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括以下步骤：将所述冷却流体提供至所述金属热交换器中以用于在所述多个光产生元件的区域中提供冷却，所述提供所述冷却流体的步骤包括：(i)使所述冷却流体从所述冷却流体源通过所述入口冷却流体导管流至所述导热块中，(ii)使所述冷却流体通过所述导热块流至所述金属热交换器中，以及(iii)使所述冷却流体从所述金属热交换器通过所述出口冷却流体导管返回至所述冷却流体源。
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