CN109140384B - 具有各向异性散热器的灯组件和具有灯组件的车辆 - Google Patents

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Abstract

灯组件包括外透镜、连接到外透镜的灯外壳、具有投影仪透镜的投影仪组件、照明电源和各向异性散热器。照明电源邻近投影仪组件并且部分位于投影仪组件内，并且具有连接到一个或多个发光二极管的印刷电路板(PCB)，每个发光二极管发光。散热器(例如，多晶石墨片)连接到PCB并延伸超过PCB的表面区域进入灯腔。散热器被配置为引导热量离开LED结点并引导向灯腔的预定较低温度区域。车辆包括车身和灯组件。

Description

具有各向异性散热器的灯组件和具有灯组件的车辆
引言
电灯组件在许多移动和固定系统中用作人工照明光源。例如，灯组件可以配置为照亮道路、建筑物或工作区域，或者提供重点照明或任务照明。装有芯片的发光二极管(LED)通常用作灯组件中的相对长效和高效的光源。在LED中，当LED通过施加的电压通电时，光子被释放。这种独特的现象响应于自由电子与正负掺杂半导体材料之间的结点处或邻近其的正性“空穴”的组合而发生。结点的温度影响LED的预期寿命。结果，通常使用位于LED芯片附近的大型金属或塑料散热片来吸收和消散LED芯片的半导体材料内产生的热量。在较高功率的应用中，可使用电风扇以促进空气循环并减少灯组件内的结点凝结。
发明内容
本文公开了具有各向异性散热器的灯组件以及包括灯组件的车辆或其他系统。如果根据本文所述构造，灯具组件旨在帮助减少对上述电风扇和/或散热片的需求。为了实现这样的目的，灯组件配备有被动各向异性散热器，术语“各向异性”是指：相对于散热器的深度或厚度，沿着散热器的长度和宽度维度具有显著更高导热率的材料特性。
散热器最初可以实施为大致平坦/平面的材料片或层(然后以应用特异性的方式切割、成形和/或成型)，以便沿着远离灯组件的散热器的长度和宽度方向传递热量，并由此促进热量流向灯组件内的较低温度区域。本公开内容的总体目标是最小化或防止灯组件内，特别是其透镜的内表面上的结点凝结，同时减少灯组件的总重量、复杂性和能量消耗。
灯组件包括外透镜、灯壳、投影仪组件和照明电源。外透镜连接到外壳，使得外透镜和外壳一起限定一个或多个灯腔。投影仪组件包括位于外透镜后方(即位于灯的光传播方向的后方或与该方向相反的方向)的投影仪透镜。该投影仪组件还可以包括可选的反射表面，该反射表面配置为将入射光反射到投影仪透镜并穿过该投影仪透镜。在其他实施例中，可以在没有这种反射的情况下将光引导到投影仪透镜中。照明电源部分地位于投影仪组件内，并且可以包括连接到一个或多个发光二极管或LED的印刷电路板(PCB)。LED配置为在通过电池或其他电压供应器时发光。
PCB连接到上文大致描述的各向异性散热器。散热器连接到PCB，并且延伸超过PCB的表面区域，再延伸进入足以将热量引导离开PCB的相对高温的LED结点并将热量引导到灯腔的预定较低温度区域，即区域温度大致低于LED结点的温度的区域。
各向异性散热器可以在形成到灯组件之前首先实施为多晶材料(例如，多晶石墨或金刚石)的柔性片。作为合乎期望的各向异性特性，片材可以具有超过650或700瓦每米开尔文(W/mK)的平面内热导率，其中“平面内”是指由长度和宽度限定的平面或使用示例性XYZ笛卡尔坐标系统的散热器的X轴和Y轴维度。散热器可以具有贯通其厚度(沿其Z轴)的显著更低的导热率，比如X和Y/长度-宽度维度中的导热率的1％至10％。散热器的厚度可以根据预期的应用而变化，80-120微米(μm)的示例性厚度范围在某些代表性的前灯实施例中是有用的。
某些实施例中的灯组件的特征可在于：不存在用于促进气流和减少结点凝结的类型的电风扇。类似地，灯组件可以可选地以没有辐射金属或塑料散热片为特征，虽然其他实施例可以保持减小的尺寸或质量的风扇和/或散热片。
灯组件可以连接到车身，诸如在示例性车辆前灯或尾灯应用中连接到机动车辆的前端或后端。其他车辆或非车辆照明应用可受益于本公开，包括户外照明应用，其中在灯组件的外部和内部之间存在相对高的温度梯度，或者其中环境条件倾向于促进灯组件内的不期望的结点凝结。
还公开了一种车辆，其根据示例性实施例包括具有前端和后端的车身以及上述的灯组件。该实施例中的灯组件在前端或后端连接到车身。
根据另一个可能的实施例的灯组件包括由透明或半透明材料构成的外透镜以及构造用于连接到车身前端的灯壳，灯壳与外透镜一起限定灯腔。该灯组件还包括投影仪组件，该投影仪组件具有位于外透镜后方的透明投影仪透镜以及被配置为将所发射光反射通过投影仪透镜的反射表面。照明电源邻近投影仪组件并且部分位于投影仪组件内，并且具有连接到一个或多个LED的PCB。
本实施例中的各向异性散热器可由多晶石墨构成，并具有延伸超过PCBA的表面区域并延伸进入每个灯腔的多个支脚。散热器被配置为将热量引导远离PCB的LED结点并引导向灯腔的预定较低温度区域，特别是沿着散热器的长度和宽度。散热器还具有大于650或700W/mK的平面内导热率，以及通过散热器厚度的1％至10％的平面内导热率的导热率。在该特定实施例中，厚度在80至120μm的范围内。
从以下结合附图对用于执行本公开的最佳模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是具有如本文所公开的具有各向异性散热器的灯组件的示例性车辆的示意性透视图。
图2是根据本公开的示例性灯组件的示意性侧视图。
图3是图2的灯组件的示意性前视图。
图4是可用于图2的灯组件的一些实施例中的示例性T形各向异性散热器的示意性平面图。
本公开允许各种修改及替代形式。一些代表性实施例在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，本公开的新颖方面不限于各种附图中所示的特定形式。相反，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的修改、等同物、组合和替代。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记在几个附图中对应于相同或类似的部件，图1中示意性地描绘了示例性机动车辆10。车辆10包括车身12和发动机罩13。车辆10还包括根据本公开配置的灯组件16。灯组件16具有围绕或覆盖投影仪组件22的外透镜20，如下面参考图2-4进一步详细描述的那样。
在图1的非限制性示例性车辆前灯应用中，灯组件16可定位成邻近车辆10的发动机罩13和仪表板14，并且定向成照亮路面15。可选地，灯组件16可以用在车辆10上或车辆10内的其他位置处，例如在提供制动或备用指示功能的后尾灯组件26中。
虽然图1示出了灯组件16的汽车应用，但是本文描述的灯组件16不限于通常的移动应用或者尤其是机动车应用。当灯组件16被适当地缩放并配置为用于特定的照明应用时，其他固定或移动系统可以受益于灯组件16的使用。作为示例而非限制，灯组件16可以用于各种单功能或多功能照明应用，诸如商业或住宅建筑照明、显示器或电器照明、重点照明、任务照明或其他应用。
图2是图1的灯组件16的示意性侧视图。灯组件16包括例如响应于检测到的环境照明等级或选择照明功能而自动或手动激活的照明电源30。当像这样激活时，照明电源30发射可见光(箭头L)。反过来，发射的可见光(箭头L)被引导通过灯组件16的外透镜20并引导向诸如图1的路表面15的表面。
为此，投影仪组件22配备有位于外透镜20后方的投影仪透镜22L。投影仪组件22还可以包括具有内反射表面22RS的可选反射器22R，该内反射表面22RS被配置为向投影仪组件22反射入射光(箭头L)并且将入射光(箭头L)反射穿过外透镜20。反射表面22RS可以被涂漆、抛光、涂覆或以其他方式设置有高反射性铬或镜面状表面。反射器22R可以螺栓连接或以其他方式附接到投影仪透镜22L，例如使用投影仪环22R或其他合适的硬件。在其他可能的实施例中，发射的入射光(箭头L)可以被引导穿过投影仪透镜22L而没有反射，特别是当使用照明电源30的高强度紧凑配置时。
投影仪透镜22L被定位在远离外透镜20的内表面23且在外透镜20的内表面23的后方的距离D处。照明电源30定位成邻近投影仪外壳22和/或部分地位于投影仪外壳22内，使得所发射的入射光(箭头L)能够进入投影仪外壳22。在使用反射器22R的实施例中，发射光(箭头L)将首先反射离开反射表面22RS。可由透明或半透明材料(诸如模制塑料或丙烯酸树脂)构成的外透镜20连同灯外壳50一起限定了外透镜20的后方的第一腔室C1，为了简要说明，仅在图2中示出一部分。从图2中省略的其他照明部件可以容纳在第一腔室C1内，诸如电线、连接器、散热器、电风扇或指示灯泡。
照明电源30可以包括具有主表面35和36的印刷电路板(PCB)34。在所示实施例中，表面35电连接到一个或多个LED32，其中PCB34形成调节LED32的操作的电子控制板。LED32和PCB34一起形成LED芯片或PCB组件，其中LED32的数量、布置和颜色随着期望的照明应用而变化。
照明电源30连接到上述的各向异性散热器37。在安装到灯组件16中之前，散热器37可以是大致平面的结构(然后弯曲、成形和/或成型)，以便将来自高温LED结点J32的热量引导到腔室C1的一个或多个较低温度区域，诸如示例性冷区域ZC。散热器37可以被构造为多晶石墨、金刚石或具有期望的应用特定各向异性特性的其他合适材料的柔性片。
各向异性的散热器37在其长度和宽度上展现出显著高于其穿过其厚度或深度展示的相对热导率水平。例如，可能期望具有大于650或700瓦每米开尔文(W/mK)的平面内(XY)热导率，即使用示例性XYZ笛卡尔坐标系沿着长度和宽度或X和Y轴。散热器37可以具有贯通其厚度或沿其Z轴的热导率，例如平面/X和Y方向上的热导率的1％至10％。散热器37的尺寸可以根据预期的应用而变化，对于某些实施例，80-120μm的厚度范围代表有用的示例性范围。散热器37的各向异性特性用于沿着散热器37的长度和宽度将热量从图3的LED结点J32引导出并引导入指定的冷区域ZC或灯组件16的其他较低温度区域，由此促进空气循环、避免在外透镜22的内表面23上的结点凝结，并降低能量消耗。
为了有助于确保经由各向异性散热器37有效地传递从LED结点J32发出的热量，散热器37的上表面40可以被放置为沿着PCB30的长度L1与PCB34的底表面36连续接触。可以采取各种方法来确保这种连续接触，例如耐热粘合剂、支架或夹具。散热器37延伸超过PCB34的表面区域并且很好地延伸进入第一腔室C1和冷区域ZC，使得热量流动到外透镜20和投影仪透镜22L之间的预定较低温度区域，其中这种热流由图2中的箭头H示意性地指示。为了促进期望的热流动，散热器37可以具有超过PCB34的长度L1的总长度L2，其中散热器37物理地路由到第一腔室C1内的冷区域Z1或其他低温区域。
图3示意性地描绘了图2的示例性灯组件16的前视图，当一旦已经将外透镜20(未示出)从灯外壳50拆卸并移除，灯组件16即可出现。外壳50可形成灯组件16的蛤壳状构造的不透明后部，因此用于帮助提供灯组件16的结构性支撑和密封。如本领域已知的，省略的外透镜20可以接合外壳50的外周边。外透镜20可以连同外壳50一起限定多于一个的腔室。例如，除了位于投影仪透镜22L的前方的第一腔室C1以外，最好如图1所示，第二腔室C2可以被限定为邻近投影仪透镜22L。第二腔室C2可以容纳电连接器、导线、反射器或其它照明部件，为了清楚起见而省略所有这些，或者第二腔室C2可以是空的。
各向异性散热器37可以可选地包括相对于彼此正交布置的多个支脚37L，以形成如图所示的L形构造，每个支脚37L延伸足够的距离进入腔室C1和C2中相应的一个，用于传递热量达到期望的效果。散热器37可以经由投影仪框架27(例如，支架或其他支撑结构)固定到投影仪组件22。在一些实施例中，投影仪透镜22L或整个投影仪组件22可以响应于转向输入信号(即，在自适应前灯应用中)而枢转或旋转。因此，在一些实施例中，可以期望枢转散热器37，因此需要一定程度的顺应性或柔韧性以及与投影仪组件22的移动部分的牢固附接。
如图4中所示，可以修改图3的示例性L形结构以延伸进入多于两个的腔室C1和C2中。例如，各向异性散热器27可以如图所示在平面图中具有T形或未描绘的其他形状，其中由灯组件16的构造来指定特定形状。在所有的实施例中，重叠区域ZO界定散热器37的重叠表面区域和图2的LED结点J32，散热器37被夹紧、粘附或以其他方式固定到该LED结点J32。
详细描述和附图或图形是对本公开的支持和描述，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的教导的一些最佳模式和其他实施例，但是可以存在用于实践所附权利要求中限定的本公开的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种灯组件，包括：
由透明或半透明材料构造成的外透镜；
连同所述外透镜一起限定灯腔的灯外壳；
具有位于所述外透镜后方的透明投影仪透镜的投影仪组件；
照明电源，所述照明电源邻近所述投影仪组件并且部分位于所述投影仪组件内，并具有连接到一个或多个发光二极管(LED)的印刷电路板(PCB)，每个所述LED被配置为通过所述投影仪透镜发射光；以及
各向异性散热器，其连接到所述PCB并延伸超过所述PCB的表面区域并延伸进入灯腔至所述外透镜和所述透明投影仪透镜之间的位置，从而引导热量离开所述PCB的LED结点并引导至所述灯腔的预定较低温度区域，其中
所述预定较低温度区域设置在所述外透镜和所述透明投影仪透镜之间、在所述透明投影仪透镜下方并邻近所述外透镜底部，以及
由所述各向异性散热器承载的热量使空气循环离开预定较低温度区域，并且向上经过所述外透镜的整个暴露的内表面。
2.根据权利要求1所述的灯组件，其中所述投影仪组件包括反射表面，所述反射表面被配置为将所述发射光反射穿过所述投影仪透镜。
3.根据权利要求1所述的灯组件，其中所述各向异性散热器由多晶材料构成。
4.根据权利要求3所述的灯组件，其中所述多晶材料是多晶石墨。
5.根据权利要求4所述的灯组件，其中所述多晶石墨具有大于650W/mK的平面内导热率和贯通所述散热器的厚度的1％到10％平面内热导率的导热率。
6.根据权利要求5所述的灯组件，其中所述散热器的所述厚度在80μm至120μm的范围内。
7.根据权利要求1所述的灯组件，其中所述灯组件的特征在于不存在电风扇。
8.根据权利要求1所述的灯组件，其中所述灯组件的特征在于不存在散热片。
9.根据权利要求1所述的灯组件，其中所述灯外壳被构造成连接到车身的前端或后端。
10.根据权利要求9所述的灯组件，其中所述灯组件是前灯组件，并且所述灯外壳被配置为连接到所述车身的所述前端。
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