CN101785117B - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

一个照明装置(100)包括多个发光源，发光源安装在一个导热外壳(120)上，并被电连接到一个电路板(164)。外壳(120)包括一个与所述电路板(164)间隔分开的基座部分(122)，和一个配置在所述电路板(164)和所述外壳(120)的基座部分(122)之间的中间散热结构，以便通过对流加快冷却。多个发光源与所述中间散热结构进行热传递。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及照明装置，特别涉及包含多个安装在一个共同外壳上的离散发光组件的照明装置。更具体地，本发明涉及一个包含多个发光二极管(LED)的照明装置，多个LED安装在一个外壳上。
发明背景
众所周知，高光度密度的照明装置是非常有用的。多个发光源通常被组装在一个外壳内以提高光度密度。但是，当增加发光源的密度时，余热问题和需要有效散热将成为一个重要议题。
LED由于其高光电转换效率和较长使用寿命已经成为发光源的普遍选择。但是，众手周知，当温度上升时，LED的光电转换效率会迅速下降。所以，对包含LED作为发光源的照明装置，有效散热管理的问题备受关注。
美国专利公开2004/0264195描述了一个具有多个LED的LED光源，LED通过印刷电路板与热沉连接，印刷电路板围住LED发光源并在热沉之上，这缓解了由于温度上升所引起的发光效率降低。但是，对于一个包含多个LED的照明装置的有效运行，特别是在一个相对狭窄环境里的包含多个LED的照明装置，这种配置并不能提供令人满意的和/或有效的散热效果。所以，期望能够提供具有增强散热结构或配置的改进照明装置。
发明概述
依照本发明，提供了一个照明装置，包括多个发光源，发光源安装在一个导热外壳上，并被电连接到一个电路板，其中所述外壳包括一个基座部分，其与所述电路板间隔分开，和一个中间散热结构，其被配置在所述电路板和所述外壳的所述基座的中间，以便通过对流加快冷却，并且其中所述多个发光源与所述中间散热结构进行热传递。
由于照明装置的前沿面通常被一个绝缘体如透明透镜(clear lens)覆盖，一个配置在光源后方的对流冷却面的散热配置有利于从发光源有效散热。
为了增强散热效率，中间散热结构包括在外壳基座和电路板之间延伸的多个散热片。
在一个典型实施例里，提供了一个照明装置，包括一个导热外壳，其包含基座部分，多个突出从基座部分延伸出来并间隔分开，一个圆周外壳围住所述突出，多个发光源被电连接到一个电路板，其中每个所述发光源安装在所述突出上，并与其进行热传递，使得由所述多个发光源产生的热通过所述突出从所述发光源传递到所述导热外壳以便进行散热，其中所述印刷电路板和所述外壳可以被配置以通过在所述印刷电路板和所述外壳之间的气流对流冷却所述突出。
在另一个典型实施例里，提供一个照明装置，包括多个发光源，其安装在一个导热外壳上，并被电连接到一个电路板，其中所述外壳包括一个基座部分，其与所述电路板间隔分开，和一个中间散热结构，其被配置在所述电路板和所述外壳的所述基座的中间，所述中间散热结构被配置以通过对流加快冷却，每个所述发光源安装在一个所述突出上，并与其进行热传递，使得由多个发光源产生的热通过所述突出从所述发光源传递到所述导热外壳以进行散热，并且其中所述电路板与所述外壳的所述基座间隔分开，使得在所述电路板和所述外壳的所述基座之间形成一个散热空间而进行对流。
通过建立一个位于光源后方散热结构，并通过设置散热结构以通过对流加快冷却，发光源的温度可能被维持在一个相对环境条件可接受的水平。
中间散热结构可以包括多个突出，其热连接所述多个发光源和所述外壳，所述多个突出相互间隔分开，其中相邻突出之间的空间间隔允许空气流动穿过所述外壳时能够从所述突出散热。
每个所述发光源可以安装在一个所述突出上，使得由发光源产生的热通过所述突出被传递到所述基座以进行散热。
每个所述发光源可以安装在一个所述突出的前端或自由端，以允许沿着一个主光轴远离所述基座前向发光，其中每个所述突出可以沿着安装在其上的发光源的主光轴前向延伸
每个所述突出可以从所述主外壳向所述电路板轴向延伸。
电路板可以在一个靠近所述多个突出前端的位置上被安装到所述外壳上。
电路板可以包括一个在隔热基板上形成的印刷电路板。
导热外壳可以包括一个基座部分和一个圆周部分，所述圆周部分从所述基座延伸出来并围住所述多个突出。
印刷电路板可以安装在所述外壳的所述圆周部分的前端，并且其中所述印刷电路板垂直于所述突出。
运行和/或控制所述发光源的驱动器电路可以形成在所述印刷电路板上。
多个通风孔可以形成在所述印刷电路板上。
所述外壳的突出和所述圆周部分可以共同形成一个支撑结构，以便紧密地接纳所述印刷电路板在所述外壳上。
所述外壳的圆周部分可以是栅状的，使得在所述外壳的所述圆周部分的侧面之间设定多个散热路径，所述通过包括突出的对流来散热。
每个发光源可以被一个透镜覆盖。
一个发光源可以包括一个发光芯片，发光芯片可以包括一个发光二极管芯片或一个激光二极管芯片，其可以单独安装在所述突出的前端或自由端上，所述芯片与所述突出之间有热传递。
例如，每个所述突出可以是伸长形的，指状的或柱状的，并有一个纵轴平行于安装其上发光源的前向光轴。
每个所述突出的高度可以在3mm和20mm之间。
每个突出可以有一个在4到7mm的有效直径。
印刷电路板可以垂直于所述突出的纵轴。
印刷电路板可以被支撑在所述突出上，多个突出的自由端延伸穿过所述印刷电路板。
所述印刷电路板和所述外壳的所述基座之间的轴向间距可以至少是3mm。
用来从所述多个突出进行散热的至少一个导热构件可以被配置在所述印刷电路板和所述突出的基座的中间，所述导热构件被热连接到所述突出和所述外壳，使得由所述多个发光源产生的一部分热通过所述突出和所述导热构件被传递到所述外壳。
导热构件可以包括一个金属板，其与所述印刷电路板平行并被间隔分开，所述金属板被热连接所述突出和所述外壳，并被配置用来散发由所述发光源产生的热。
金属板和所述印刷电路板可以间隔分开，以允许在其中间的对流冷却。
多个通风孔可以形成在所述导热散热构件上。
为了进一步提高散热面积，圆周外壳可以通过一个辐射状延伸的散热片被连接到一个所述突出，如图3所示，辐射状散热片的平面与一个相应突出的纵轴共面，散热片从相应突出延伸出来。
附图说明
通过范例并参照附图，将详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1是本发明第一实施例的一个照明装置的透视图；
图2是图1照明装置的各个组件的分解示意图；
图3是当从前端观看时图1照明装置的外壳的透视图；
图4是图1照明装置的印刷电路板的透视图；
图5是图1照明装置的第一散热构件的透视图；
图6是图1照明装置的第二散热构件的透视图；
图7是图1照明装置的第三散热构件的透视图；
图8是去除覆盖LED的透镜的图1照明装置的透视图；和
图9是图1照明装置的一个典型突出的前端部分的纵向截面图；
图10是一个发光芯片安装在一个典型突出部分上的示意图。
优选实施例详述
本发明的一个典型实施例如图1到9所示，一个照明装置100包括多个发光二极管(LED)在一个灯架上。作为一个方便的例子，灯架与众所周知的MR-16灯架兼容。灯架包括一个灯体和一个灯座，灯体有一个主外壳，其上安装有多个LED，灯座有一个电连接器用于连接到电源(图中未显示)。在图1的示例装置里，电连接器是一个具有两个正负电极的卡口(bayonet-type)插头110。
灯体包括一个导热主外壳120，其上形成有多个柱状或指状伸长突出140。如图所示，主外壳是杯形的，包括一个基座122、一个前法兰或前凸缘124，其在基座远侧并确定一个主孔径，还包括一个与基座和前凸缘互连的圆周外壳126。基座和前凸缘基本上是环形并共轴，主孔径的尺寸超出主外壳的基座面积，使得整个基座被前凸缘围住。通常而言，主外壳的整体形状和尺寸类似于MR-16外壳的形状和尺寸。
多个伸长突出间隔分布，允许相邻突出之间的气流通过，从而能够加快对流冷却。
每个伸长突出沿着一个轴方向从主外壳的基座部分延伸向前，轴方向平行于突出的纵轴方向，伸长突出终止于灯的前端。如图3所示，突出的前端142轴向远离主外壳的基座部分，并几乎与主外壳的前端齐平或稍微短于主外壳的前端。伸长突出、或伸长突出的至少一个长度部分，被圆周外壳围住。从而LED被安置在靠近主外壳的前端以便于前向发光。如图3所特别显示，一个用于容纳发光芯片的凹穴或座144形成在突出的前端或末端上。
圆周外壳的基座部分122和前凸缘124通过多个径向散热片128连接在起来，径向散热片构成圆周外壳的一部分。径向散热片的相邻对之间提供了缝隙和孔径以提供气流通路，使得冷空气能够越过圆周外壳并穿过缝隙孔径。如图3所示，另外多个伸长突出形成在径向散热片的前端，并沿着轴向方向向前延伸。将会理解，由主外壳设定的给定体积的可用散热面积因为间隔分开且辐射状的散热片128得以增大。包括基座部分122、辐射状散热片128、前凸缘124和突出140的主外壳，可以由一种导热材料单独或整体模铸而成，如铝或铝合金，以获得有效散热和良好的热连续性。当然，各个部件也可以通过焊接、钎焊、或通过合适的装置而连接起来。
多个LED安装在伸长突出的前端，以能够沿着一个主光轴前向发光，主光轴通常平行于伸长突出的轴方向，具体细节将在以下解释。通过安装发光源在伸长突出的前端(其远离主外壳的基座部分)，各个发光源光束之间的光干扰或干涉，包括由圆周外壳反射引起的干涉，将得以缓解。为了最大化或最优化主外壳的热沉功能，LED芯片162通过一种导热粘接剂如银环氧基粘胶而粘接在突出的前端(或自由端)。此外，如本领域技术人员所知，每个LED被一个透镜160覆盖，用于保护LED、光发散和/或聚焦。
为了连接电路用来驱动和/或控制发光源的运行，一个电路基板164，例如一个形成在FR4基板上的印刷电路板，横放在主外壳的前端上，使得LED可以通过引线键合被电连接到电路。印刷电路板的形状和前凸缘124的内曲线吻合，使得其笔直地立在主外壳的前端上。在印刷电路板上形成有多个通孔，使得突出能够延伸穿过印刷电路板，从而露出安装在突出前端上的LED。另外，在印刷电路板上还形成有多个通风孔径166，以便提供额外的通风路径给冷空气穿过印刷电路板和主外壳之间的空间，从而降低由印刷电路板引起的绝热，因为较多的印刷电路板通常是由隔热材料如PTFE制成。
由于LED被透镜覆盖，而透镜通常也是由隔热材料制成(如玻璃或透明塑料)，并且通常的印刷电路板也是由隔热基板制成。和导热主外壳一体的导热突出，与主外壳一起，共同形成一个具有增强散热特性的热沉，从而提供一个可行的运行环境给发光源，特别是对那些性能相当依赖温度的发光源。
为了进一步提高照明装置的散热能力，另外的散热构件、或如图2特别所示的多个散热构件512、514、516可以添加到主外壳上以提供额外的散热面积。例如，多个间隔分开的散热构件，其上形成有通风孔，可以装在主外壳的空间内，并在印刷电路板和主外壳的基座部分之间。每个散热构件都是导热的，并通过导热粘接剂如银环氧基，被热粘接到突出和圆周外壳。利用这些额外的散热构件，提供了一条额外的散热路径，使得热可以通过这样一条路径散发：从芯片到散热构件、从散热构件到主外壳。额外散热构件被粘接到主外壳的辐射状延伸的散热片的内边缘，并被间隔分开配置以通过相邻冷却构件之间的通风进行冷却。在此例子里，散热构件和印刷电路板被间隔分开至少3mm以方便对流冷却。分布在散热构件上的多个通风孔，提供了通路给冷空气以便在主外壳的狭窄空间和外部环境之间流动。除了已经充当散热热沉的主外壳之外，通过配置多个间隔分开的散热构件，提供了一个具有增强散热能力的照明装置。
通常，期望能够保持发光源的温度，例如，安装在突出前端的LED芯片的温度，不要比环境温度超出某个预定温度。例如，期望能够保持LED芯片端(T(hot))和突出基座(T(cool))的温度差在5摄氏度以下，以便保持最佳的运行效率。以图1的兼容MR-16照明装置为一个简单的例子，除了有一个增强散热设计的主外壳之外，照明装置还包括三个散热构件。主外壳提供的总散热面积是141.4cm2，包括灯架贡献的95.9cm2的有效面积，第一散热构件512贡献的12.0cm2的面积，第二散热构件514贡献的13.8cm2的面积，和第三散热构件516贡献的19.7cm2的面积。这个散热面积比传统的MR-16灯的大很多。如图1、2和8所述，在散热构件的横向末端上形成有多个径向散热片。将会注意到，散热构件的径向散热片的平面垂直于突出的轴，而圆周外壳的径向散热片的平面平行于突出的轴。
本发明的散热配置提供了额外的灵活性，即依照实际的散热要求可以调整或改变实际的散热面积。例如，通过改变在印刷电路板和主外壳基座部分之间的额外散热构件的数目，可以调整本照明装置的散热能力。因为主外壳的弯曲或部分抛物线型的纵向外形，各个散热构件可以被压进配合在圆周外壳上，随后粘接到主外壳，这样便于组装，并同时提高组件的生产率。
通过提供LED和外壳之间的中间散热结构，可以改善散热属性。图1实施例里的中间散热结构包括多个突出和散热构件。另外，中间散热结构也可以没有散热构件。
参照图9，显示了一个安装在伸长突出上的LED芯片和周围条件之间的一般散热关系。LED芯片被键合与图1构造的伸长突出之间进行热传送，使得LED产生的热能够通过中间伸长突出被传递到主外壳以便将热散发到周围空气中。
在另一个优选实施例里，照明装置与图1中的一样，除了导热突出没有从主外壳延伸出来。相反，导热突出被整体安装在散热构件上，只在印刷电路板和散热构件之间延伸。利用此配置，LED芯片产生的热通过一个中间散热结构(包含突出和散热板)被传递到外壳。
尽管已经通过参考上述示例或优选实施例描述了本发明，但将会注意到，这些仅是协助理解本发明的示例，并不是限制性的。对本领域技术人员明显的变化和修改，以及在其上所作的改进，都应该被看作本发明的等价物。
例如，伸长突出可能有不同高度，使得LED可以安装在离基座部分的不同轴向距离上以满足特定应用。
此外，尽管已经通过参考离散LED芯片组件描述了本发明，但应该注意到，不失一般性，本发明，无论是经过改进或未经改进，可以使用其它发光源。而且，尽管已经参照MR-16兼容灯描述了本发明，但应该注意到，不失一般性，本发明不受限于MR-16型结构。

Claims (37)

1.一个照明装置，包括多个发光源，其被安装在一个导热外壳上，并被电连接到一个电路板，其中所述外壳包括：
一个基座部分，其与所述电路板间隔分开；和
一个中间散热结构，其被布置在所述电路板和所述外壳的所述基座部分之间，用于通过对流以加快冷却，
其中所述多发光源与所述中间散热结构有热传送，并且所述中间散热结构包括多个突出，其热连接所述多个发光源与所述外壳，所述多个突出相互间隔分开，且相邻突出之间的间隔空间使得热量随着空气的流动从所述突出散热穿过所述外壳。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中每个所述发光源被安装在一个所述突出上，使得发光源产生的热通过所述突出传递到所述基座以进行散热。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其中每个所述发光源安装在一个所述突出的前端或自由端上，以便沿着一个主光轴远离所述基座部分前向发光，且其中每个所述突出沿着安装在其上的发光源主光轴前向延伸。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其中每个所述突出从所述主外壳向所述电路板轴向延伸。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中所述电路板在一个靠近所述多个突出的前端的位置上安装在所述外壳上。
6.根据权利要求5所述的照明装置，其中所述电路板包括一个印刷电路板，其是在一个绝热基板上形成。
7.根据权利要求6所述的照明装置，其中所述导热外壳包括一个基座部分和一个圆周部分，所述圆周部分从所述基座延伸出来，并围住所述多个突出。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其中所述印刷电路板安装在所述外壳的所述圆周部分的前端，且其中所述印刷电路板垂直于所述突出。
9.根据权利要求8所述的照明装置，其中运行和/或控制所述多个发光源的驱动器电路形成在所述印刷电路板上。
10.根据权利要求9所述的照明装置，其中多个通风孔形成在所述印刷电路板上。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其中所述外壳的所述突出和所述外壳的所述圆周部分共同形成一个支撑结构，以便紧密地容纳所述印刷电路板在所述外壳上。
12.根据权利要求11所述的照明装置，其中所述外壳的所述圆周部分是栅格状，使得通过包括所述突出的对流而进行散热的多个散热路径是在所述外壳的所述圆周部分的侧向之间定义。
13.根据权利要求12所述的照明装置，其中每个发光源被一个透镜覆盖。
14.根据权利要求13所述的照明装置，其中一个发光源包括一个发光芯片，其包括一个发光二极管芯片，发光源被单独安装在所述突出的前端或自由端上，所述芯片与所述突出有热传递。
15.根据权利要求14所述的照明装置，其中每个突出是伸长的，并有一个纵轴，平行于安装在其上的发光源的前向光轴。
16.根据权利要求15所述的照明装置，其中每个所述突出的高度是在3mm到20mm之间。
17.根据权利要求16所述的照明装置，其中每个突出有一个4到7mm之间的有效直径。
18.根据权利要求17所述的照明装置，其中所述印刷电路板基本上垂直于所述突出的纵轴。
19.根据权利要求18所述的照明装置，其中所述印刷电路板被支撑在所述突出上，所述多个突出的自由端延伸穿过所述印刷电路板。
20.根据权利要求18所述的照明装置，其中在所述印刷电路板和所述外壳的所述基座部分之间的轴向间距至少是3mm。
21.根据权利要求16所述的照明装置，其中用于从所述多个突出进行散热的至少一个导热构件被配置在所述印刷电路板和所述突出的基座之间，所述导热构件被热连接到所述突出和所述外壳，使得由所述多个发光源产生的一部分热通过所述突出和所述导热构件被传递到所述外壳。
22.根据权利要求21所述的照明装置，其中所述导热构件包括一个金属板，其与所述印刷电路板平行并间隔分开，所述金属板被热连接到所述突出和所述外壳，并被配置用于散发由所述发光源产生的热。
23.根据权利要求22所述的照明装置，其中所述金属板和所述印刷电路板间隔分开以便于在其之间的对流冷却。
24.根据权利要求23所述的照明装置，其中多个通风孔形成在所述导热散热构件上。
25.根据权利要求23所述的照明装置，其中所述金属板和所述印刷电路板间隔分开至少3mm。
26.根据权利要求24所述的照明装置，其中所述金属板和所述外壳的所述基座部分被配置以允许通过在其之间的对流进行冷却。
27.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述突出整体形成在所述外壳的基座上。
28.根据权利要求27所述的照明装置，其中所述突出和所述外壳整体是由铝或铝合金制成。
29.根据权利要求27所述的照明装置，其中所述突出的形状和尺寸使得在所述突出的自由端和基座之间的温度差在所述发光源运作期间不会超过5摄氏度。
30.根据权利要求29所述的照明装置，其中所述外壳与MR16标准兼容。
31.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述中间散热结构包括至少一个导热散热构件，所述导热散热构件是在所述电路板和所述外壳的所述基座的中间，并被热连接到所述多个发光二极管和所述外壳，并与所述电路板和所述基座间隔分开以允许其之间的对流而进行冷却，且其中多个导热突出从所述导热散热构件延伸到所述电路板，且其中每个所述发光源安装在所述突出上，使得由所述多个发光源产生的热通过所述突出和所述导热散热构件被传递到所述外壳。
32.一个照明装置，包括：
一个导热外壳，其包括一个基座部分，多个间隔分开的突出从基座部分延伸出来，和一个圆周外壳围住所述突出；和
多个发光源，其被电连接到一个电路板； 
其中每个所述发光源安装在一个所述突出上，发光源与突出之间有热传递，使得由所述多个发光源产生的热通过所述突出从所述发光源传递到所述导热外壳以进行散热； 
其中所述印刷电路板和所述外壳被配置以通过所述印刷电路板和所述外壳之间的气流对所述突出进行对流冷却。
33.根据权利要求32所述的照明装置，其中所述外壳的所述圆周部分是栅状或笼状的，并被配置使得空气从所述栅状或笼状圆周外壳的一侧进入碰到所述突出，然后从所述外壳的另一个相反侧出来。
34.根据权利要求33所述的照明装置，其中从所述多个突出进行散热的所述至少一个导热构件被配置在所述印刷电路板和所述突出的基座的中间，所述导热构件被热连接到所述突出和所述外壳，使得由所述多个发光源产生的一部分热通过所述突出和所述导热构件被传递到所述外壳。
35.根据权利要求32所述的照明装置，其中所述圆周外壳通过一个辐射状延伸的散热片被连接到一个所述突出。
36.一个照明装置，包括：
一个导热外壳和被电连接到一个电路板的多个发光源，其中所述外壳包括一个基座部分，其与所述电路板间隔分开，并且多个间隔分开的突出从基座部分延伸出来，和一个中间散热结构，其被配置在所述电路板和所述外壳的所述基座的中间，所述中间散热结构被配置以通过对流加快冷却；
每个所述发光源安装在一个所述突出上，并与该突出有热传递，使得由所述多个发光源产生的热通过所述突出从所述发光源被传递到所述导热外壳以进行散热；和
其中所述电路板与所述外壳的所述基座间隔分开，使得在所述电路板和所述外壳的所述基座之间形成一个空间进行对流散热。
37.根据权利要求36所述的照明装置，其中用于散热的至少一个导热散热构件被配置在所述印刷电路板和所述突出的基座的中间，所述导热构件被热连接到所述突出和所述外壳，使得由所述多个发光源产生的一部分热通过所述突出和所述导热散热构件被传递到所述外壳。
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