CN103180659B - Led灯 - Google Patents
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Abstract
一种灯(10)具有基本中空的柱状主体(12)。多个发光二极管(16)安置于柱状主体(12)上。多个翅片(18)也安置于柱状主体(12)上。灯座部件(24)包括于柱状主体(12)的第一端且提供用于电连接的装置。电子模块(22)包括于柱状主体(12)内，与灯座部件(24)连通，用于将交流电流转变为直流电流。
Description
技术领域
下文涉及光照技术、照明技术、固态照明技术和相关的技术领域。
背景技术
白炽灯和卤素灯常规地用作全向和定向光源。全向灯预期在远场(远离灯大于1米)中较宽角度上提供基本一致的强度分布，并且找到多种应用，例如在桌灯、台灯、装饰灯、枝形吊灯、天花板灯具和其中期望光在所有方向上的一致分布的其它应用中。
参照图1，描述了一种坐标系，其在本文中用于描述由白炽灯或更通常地由预期产生全向光照的任何灯所生成的光照的空间分布。该坐标系为球面坐标系类型，并且参考白炽A-19型灯L示出。出于描述远场光照分布的目的，灯L可被认为位于点L0处，其可例如与白炽灯丝的位置重合。适应在地理技术中常规采用的球面坐标表示法，可通过高度或纬度坐标和方位角或经度坐标来描述光照方向。然而，不同于地理技术惯例，这里所用的高度或纬度坐标采用范围[0°, 180°]，其中：θ=0°对应于“地理北”或“N”。这是方便的，因为其允许沿着方向θ=0°的光照对应于指向前的光。北向，即方向θ=0°，在本文中也被称作光轴。使用这种表示法，θ=180°对应于“地理南”或“S”，或者在光照情况下指向后的光。高度或纬度θ=90°对应于“地理赤道”，或者在光照情形下指向侧面的光。
继续参考图1，对于任何给定的高度或纬度，还可限定方位角或经度坐标φ，其在任何地方都正交于高度或纬度θ。根据地理表示法，方位角或经度坐标θ具有范围[0°, 360°]。
将意识到，在精确地北或南，即在θ=0°或在θ=180°(换言之，沿着光轴)，方位角或经度坐标没有意义，或者可能更精确地能够认为是简并的。另一“特殊”坐标是θ=90°，其限定横向于光轴的平面，该平面包含光源(或更精确地，包含用于远场计算的光源的标称位置，例如点L0)。
实际上，在整个纵向跨距φ=[0°, 360°]上实现一致的光强度通常不难，因为直观地将光源构造为绕光轴(即绕轴线θ=0°)旋转对称。例如，白炽灯L合适地采用位于坐标中心L0处的白炽灯丝，其可被设计成发射基本全向光，从而相应于任何纬度的方位角θ提供一致的强度分布。
然而，相应于高度或纬度坐标实现理想的全向强度通常是不现实的。例如，灯L被构造为装配到标准的“爱迪生灯座”灯具中，并且为此目的，白炽灯L包括带螺纹的爱迪生灯座EB，其可例如为E25、E26或E27灯座，其中，数字表示以毫米计的灯座EB上的螺丝圈的外径。爱迪生灯座EB(或更通常地，位于光源“后方”的任何功率输入系统)在光轴上位于光源位置L0“后方”，且因此阻挡了向后发射的光(即，阻挡了沿着南纬度即沿着θ=180°的光照)，并且因此，白炽灯L不能相应于纬度坐标提供理想的全向光。商业白炽灯，例如60W软白白炽灯(美国纽约的通用电气公司)易于构造，其在纬度跨距θ=[0°, 135°]上提供在该纬度范围上一致地在平均强度的+20%内的强度。
通过与白炽灯和卤素灯相比较，诸如发光二极管(LED)设备的固态发光技术在性质上为高度定向的，因为它们为从仅仅一侧发射的平面设备。例如，带有或不带有封装的LED设备通常以具有以下强度的定向朗伯空间强度分布发射：在范围θ=[0°,
90°]内随cos(θ)变化且对于θ>90°具有零强度。半导体激光器在性质上甚至更加定向，并且确实发射可描述为实质上限于约θ=0°窄锥角的指向前的光束的分布。因此，向固态照明提供类似典型白炽灯的外观是有挑战性的。
与固态照明相关联的另一挑战为，不同于白炽灯丝，LED芯片或其它固态照明设备通常不能使用标准的110V或220V交流电高效地操作。而是，通常提供机载电子器件来将交流输入功率转变为服从于驱动LED芯片的较低电压的直流功率。作为备选，足量的一系列LED芯片串可在110V或220V下直接操作，并且带有合适极性控制(例如，齐纳二极管)的此类串的平行布置能以110V或220V交流功率操作，尽管以显著减小的功率效率。在任一情况下，与在一体式白炽或卤素灯中使用的简单爱迪生灯座相比，电子器件构成灯座的额外构件。因此，对于固态照明，需要空间吸收电子包装，从而进一步使本领域技术人员提取全向光照的能力复杂化。
固态照明的另一挑战为对散热的需求。与白炽或卤素灯丝相比，LED设备在性能和可靠性方面是高度温度敏感的。这通过放置与LED设备接触或以其它方式成良好热接触的散热材料质量体(即，散热器)来解决。散热器占据的空间阻挡了所发射的光且因此进一步限制了生成全向LED基灯的能力。当LED灯被约束为当前法规限制(ANSI、NEMA等)的物理大小时，这种限制增强，当前法规限制为所有灯构件限定最大尺寸，包括光源、电子器件、光学元件和热管理器。同样，散热器要求可使提供全向照明的目标复杂化。
简言之，电子器件与散热器的组合导致了阻挡“向后”光照的较大灯座，这迄今显著地限制了使用LED替换灯生成全向光照的能力。
发明内容
在下文中总结本公开的各种细节以提供基本理解。该总结不是本公开的广泛概述，并且不意图识别本公开的某些元件，也不意图描画本公开的范围。而是，该总结的主要目的是在下文中给出更详细的描述之前以简化形式给出本公开的某些概念。
根据一个实施例，描述了一种灯，其包括至少基本中空的柱状主体。多个发光二极管安置于柱状主体上。多个翅片也安置于柱状主体上。灯座部件包括于柱状主体的第一端且提供用于电连通的装置。电子模块存在于柱状主体内，与灯座部件电连通，用于将交流电流转变为直流电流。
根据又一实施例，提供了一种具有细长中空多边形主体的灯。主体可由具有大于100
W/mK的热导率的材料组成。翅片从主体的每个拐角沿径向延伸。至少一个发光二极管安装到主体的每一侧。螺丝或楔形灯座连接器闭合主体的第一端，且第二端开放。电子模块安置在主体内，与连接器和发光二极管电连通。灯具有大体A19轮廓。
根据另一实施例，公开了一种制造灯的方法。该方法包括挤出细长中空主体，其由具有大于100 W/mK的热导率的材料组成。挤出主体被切割为预定长度，并且至少一个发光二极管附连到该主体。还提供适合于向发光二极管提供功率的电路。材料可具有大于约170 W/mK的热导率。多个一体式径向延伸的翅片可与主体共挤出。
附图说明
本发明可采取各种构件和构件布置以及各种过程操作和过程操作布置的形式。附图仅仅出于说明实施例的目的，而不应被解释为限制本发明。
图1参考常规白炽灯泡示意性地示出在本文中用于描述光照分布的坐标系。
图2为本灯的透视图；
图3为图2的灯的透视图，其中移除了光学器件；以及
图4为本灯的备选方案的顶视图。
具体实施方式
在下文中结合附图描述一个或多个实施例或实施方式，在所有附图中相同标号用于指代相同元件，且其中各个特征未必按比例绘制。
LED替换灯的性能可由其使用寿命来量化，如由其流明维持和其随时间流逝的可靠性来确定。白炽灯和卤素灯通常具有在大约1000至5000小时的范围内的寿命，而LED灯能够大于25,000小时和可能长达100,000小时或更长。
用来生成光子的半导体材料中的p-n结的温度为决定LED灯的寿命的重要因素。在大约100℃或更低的温度下实现长的灯寿命，而在150℃或更高的温度下出现显著更短的寿命，在中间温度有寿命的渐变。大约在2009年，在典型高亮度LED的半导体材料中耗散的功率密度(约1瓦，约50-100流明，约1×1平方毫米)为约100
Watt/cm2。相比而言，在陶瓷金属卤化物(CMH)电弧管的陶瓷封壳中耗散的功率通常为约20-40 W/cm2。然而，CMH灯中的陶瓷在其最热点以约1200-1400K操作，LED设备的半导体材料应在约400K或更低温度下操作，尽管具有高于CMH灯2倍的功率密度。在灯中的热点与功率必须被耗散到的周围环境之间的温差在CMH的情况下为约1000K，但对于LED灯仅为约100K。因此，对于LED灯，热管理必须比对于典型HID灯更加高效约十倍。
目前公开的灯提供了以下系统：其能够充分散热，以利用在可接受温度水平下操作的半导体光源的长寿命，且实现与传统白炽灯(例如，θ-135°)基本相等的光分布。
现在参照图2和图3，描绘了LED灯的一个实施例。灯10包括细长的柱状主体12。柱状主体12可由任何导热材料例如金属或导热陶瓷构成。柱状主体12为基本中空的且包括开口顶部14，开口顶部14便于从灯10出来的热的自然对流。
多个发光二极管(LED)16安置于柱状主体12的外表面上。LED可为在从红到紫外波长发光的半导体照明中使用的任何类型。此外，LED可选择为使得灯生成饱和颜色的光，其混合(例如，红色、蓝色、绿色LED)而产生白光，或者可经由带有磷光体的LED生成白光，磷光体由LED所发出的光的波长激发。
多个热翅片(heat fin)18安置于柱状主体12的外表面上。来自LED的热通过柱状主体12传输到翅片18且耗散，以保持LED的结温度足够低以确保长寿命。热翅片可具有例如在1.0毫米与5.0毫米之间的厚度，以提供充分的表面积和截面积用于散热。对于具体的制造技术，例如，机械加工、铸造、注射模制或者该行业中已知的其它技术，可期望最小厚度。
有利地，如果翅片与柱状主体一体地挤出，则在切割成长度和翅片形状之后，可使用挤出工艺来制造柱状主体(散热器)的这种设计。大部分金属制品目前经由压铸制成，其将材料的选择约束为最大传导率小于100 W/mK的那些。压铸还考虑到各种模具类型中的脱模要求而约束几何设计选择。挤出还允许使用具有高达170 W/mK的热导率的材料，例如铝合金，并且允许直壁构型。因此，柱状主体可具有基本平直的侧壁，并且由具有超过120 W/mK或超过150 W/mK的热导率的材料构成。
翅片形状优选地围绕光源渐缩，且其最小宽度在0°(灯上方)和135°(灯下方)以便不完全阻挡发出的光。期望提供充分的表面积以耗散来自LED光源的热量。热翅片的数量通常将由耗散LED光源和灯中的电子构件所生成的热所需的热翅片表面积来确定。例如，60W白炽替换LED灯可消耗大致10W的功率，其中大约80%必须由散热器耗散以保持LED和电子构件在足够低的温度以确保长寿命产品。作为一般的经验法则，可能期望每个LED有一翅片。当然，由于LED效率改进和/或柱状主体/翅片材料的热导率改进，翅片的数量可减少。
高反射率(>70%)翅片表面可用于改进光输出。由于在LED灯中的LED光源、光学材料、磷光体、封壳和散热器材料之间常常存在多次反弹，因而反射对于灯的总体光学效率具有倍增效果。镜面翅片也可在某些应用中适合于使纵向强度分布中的峰平缓。
光学器件20安置于相邻翅片18之间且与LED 16重叠。光学器件可包括磷光体和/或光散射材料。就此而言，楔形光学覆盖物可放置于LED上方以用于多种可能的目的，例如以提供类似于标准白炽技术的更弥漫性发射，或者以提供可由蓝或紫LED光激励的远处磷光体。此类覆盖物通过远离LED而可较冷地运行，从而避免热和光劣化，同时还提供较宽角度光发射，其在上/下(轴向)方向上提供良好的覆盖。
电子器件22包含于柱状主体12内，与爱迪生螺丝灯座24(备选地，可采用楔形灯座)电连通，以接收交流电流并向LED 16提供直流电流。电子模块可通过线、导电迹线或本领域技术人员已知的其它机构而电联接到LED。在备选实施例中，电子模块可存在于电连接器内，在此实施例中爱迪生螺丝灯座。电子模块可为带有将交流电流转变为直流电流的电路的印刷电路板。
现在参照图4，示出微小备选实施例，其中翅片18延伸到中空柱状主体12的内部体积内。更特定而言，翅片18包括在中心点28处配合的延伸区域26。这种构造可提供增加的物理强度。
LED和翅片可围绕柱状主体沿径向基本均匀地间隔开。灯柱状主体的截面可呈例如圆形、三角形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形、十一边形或十二边形的形式。灯可包括在所述柱状主体的每个面上在一对合作翅片之间的至少一个二极管。在某些实施例中，单个LED存在于每个面上。在非圆形柱状主体的情况下，一个翅片将定位于柱状主体的每个拐角上。在LED安装于翅片之间的情况下，热可高效地传导至翅片，翅片被布置成以对光最少的阻挡来提供对周围(冷)空气的高程度暴露。
在某些实施例中，光学器件优先垂直于柱状主体的细长轴线引导光。这是有益的，因为从顶视图，所有LED发出可见光，而在θ=90°，大约仅仅两个柱状主体侧在翅片之间直接可见(对于所描绘的八边设计)。因此，仅仅两个LED有助于此方位的灯亮度。光经由光学器件的优先方向可改进灯的光分布的一致性。
本灯有利地1)具有类似于熟悉的A19灯的形状；2)提供大量开放的表面积用于以对光最少的阻挡进行冷却；以及3)在所有方向上投射光，而没有在该行业中目前普遍存在的遮蔽问题。
对于大部分台灯或装饰性浴室/枝形吊灯照明而言，周围温度被认为在25℃，但40℃和以上的周围温度是可能的，特别是在封闭发光体或在天花板使用中。即使周围温度升高，LED灯的结温度(T结)也应保持低于100℃，以为了可接受的性能。对于所有LED，在热垫(hot pad)温度(T垫)与T结之间存在热阻，通常在5℃至15℃左右。理想地，期望T结温度小于100℃，期望T垫温度小于85℃。
在阅读和理解前述详细描述后，其他人将会想到修改、更改和组合。本发明意图被解释为包括所有这样的修改和更改，只要它们落在所附权利要求或其等同方案的范围内。
Claims (16)
1.一种灯，包括：至少基本中空的柱状主体；安置于所述柱状主体上的多个发光二极管；安置于所述柱状主体上的多个翅片；与所述多个发光二级管重叠并间隔开的多个光分散光学器件，所述多个光分散光学器件包括多个楔形光学元件，每个楔形光学元件设置在相邻的一对翅片之间；灯座部件，其安置于所述柱状主体的第一端且提供用于电连接的装置；以及电子模块，其安置于所述柱状主体内且与所述灯座部件电连通。
2.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述柱状主体的第二端为开放的。
3.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述光学元件包括磷光体材料。
4.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述发光二极管围绕所述柱状主体沿径向基本均匀地间隔开。
5.根据权利要求4所述的灯，其特征在于，所述翅片基本等距地安置在所述发光二极管之间。
6.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述柱状主体包括下列截面之一：四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形、十一边形或十二边形。
7.根据权利要求6所述的灯，其特征在于，至少一个发光二极管存在于所述柱状主体的每个面上。
8.根据权利要求7所述的灯，其特征在于，一个翅片存在于所述柱状主体的每个拐角上。
9.根据权利要求8所述的灯，其特征在于，单个发光二极管存在于每个面上。
10.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述柱状主体和所述翅片由具有大于100W/mK的热导率的材料组成。
11.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述灯座部件包括爱迪生螺丝灯座或楔形灯座。
12.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述电子模块包括印刷电路板，其包括用于将交流电流转换为直流电流的电路。
13.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述光学元件优先地基本垂直于所述柱状主体的细长轴线引导光。
14.一种制造灯的方法，包括：挤出细长中空主体，所述主体包括多个翅片，该翅片具有一体形成于所述细长中空主体上的第一边缘以及相对的自由边缘，所述主体由具有大于100W/mK的热导率的材料组成；将所述主体切割为预定长度；将至少一个发光二极管附连到所述主体；设置与所述发光二级管重叠并间隔开的光分散光学元件，所述光分散光学元件包括楔形光学元件；将楔形光学元件设置在相邻的一对翅片之间；以及提供适用于向所述发光二极管提供功率的电路。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述材料具有大于150W/mK的热导率。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述主体具有基本平直的侧壁。
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