[发明专利]基于LED的灯以及用于该灯的热管理系统

说明书

技术领域

本公开一般地针对光源的热管理。更特别地，在此公开的各种本发明的方法和装置涉及采用基于LED的光源的灯，该基于LED的光源配置为经由热辐射将热量高效地耗散到环境中。

背景技术

数字发光技术，即基于半导体光源的照明，诸如发光二极管(LED)，提供针对传统荧光、HID和白炽灯的可变备选。LED的功能性优点和益处包括高能量转换和光学效率、耐用性、低操作成本以及很多其他优点和益处。LED技术的最近进展已经提供了能够实现很多应用中的各种各样的发光效果的高效且具有鲁棒性的全光谱光源。包含这些源的某些发光器材和照明设备的特征在于发光模块，包括能够产生不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的一个或多个LED，以及用于独立地控制LED的输出以便生成各种各样的颜色和变色发光效果的处理器，例如在美国专利No.6,016,038和No.6,211,626中详细讨论的那样，在此通过引用的方式包含其内容。

无论效率如何改善，各种类型的现代光源仍然能够产生相当大量的热量。在采用对应的光源的灯的配置中，这可能是需要慎重考虑的。基于白炽光源的灯例如能够以红外辐射的形式耗散所产生的很大一部分热量。其他类型的光源，包括LED，一般不会像白炽光源一样高效地经由红外辐射耗散热量。

依赖于灯的性质，从光源或灯耗散热量的能力既可以被认为是优点也可以被认为是缺点。其对于冷却光源以及灯可能是有益的，但当需要保持白炽光源的灯丝中的热量并将灯丝维持在预定温度处时，其还可能被认为是缺点。事实上，采用白炽光源的照明设备设计为保持能够维持灯丝的稳定的、足够高的操作温度的热量，并且仅耗散如此多的热量到环境中以安全地操作灯。相反，基于LED的光源例如一般地配置为将LED维持在预定的、一般较低的操作温度处以便维持基于LED的光源的使用寿命和操作特性。

不论用于灯或照明设备中的光源的类型如何，其设计一般地由至少两个要求确定——首先，由以预定方式照亮环境的能力确定，其次，由所使用的光源的类型确定。第一要求一般地确定照明设备的光学设计，而后者确定照明设备的组件之中以及照明设备与周围环境之间的散热特性。

当涉及到冷却基于LED的光源时，需要考虑多个方面。在能够比白炽灯更高效地将电能转换为光的同时，LED会生成大量的余热。另外，LED一般地生成集中在固体材料结构内的被固体材料结构围绕的小区域中的光和热量，该固体材料结构尽管在电磁波谱的可见部分中适当地透光，但却可能阻止经由红外辐射的高效散热。这在用于空间照明的基于LED的光源的设计中可能是特别具有挑战性的考虑。

例如，尽管可以针对采用基于LED的光源的照明设备使用经由风扇的主动冷却，但这可能导致另一问题，因为风扇的寿命可能小于LED组件的寿命，这将导致不必要地替换掉具有仍可工作的组件的照明设备。使用风扇的进一步效果在于，只要有空气流的地方，通常就有由于静电而引起的灰尘堆积。带电的尘粒通常被吸引到接地的散热器、风扇叶片以及风扇格栅，这降低了任何冷却系统的效率。

用以改善散热的某些常规解决方案试图在光源与照明设备的至少某一部分之间提供预定的热连通性，并且基本上企图将照明设备用作用于光源的散热器。其他常规解决方案考虑改善照明设备将热量耗散到环境中的能力并且其范围可以从增加照明设备的表面积到规定预定的灯操作条件以及环境条件，包括功率使用模式和对最小通风、距离的要求以及将照明设备的使用限制在预定环境温度范围内。

已知热管理解决方案有时包括使用散热装置来增加可以用作对常规的、例如卤素和非卤素的白炽灯的替换的基于LED的光源的表面积。然而，这些已知的基于LED的光源通常试图在相对任意的方向上提供良好的整体散热。

LED的辐射冷却组件与更传统地利用的热传导和对流相比通常是微不足道的。由于LED芯片或LED封装的小尺寸以及比灯丝或放电更要接近室温的温度，热辐射通常效率低下。尽管可以将辐射体板包括在照明设备中作为冷却的手段，但是可能没有足够的物理空间来包括足够面积的辐射体。