[发明专利]自冷却光源

说明书

一种固态光源，其具有与导热半透明元件热接触的LED，其中从LED发射的光被定向以从元件的散热表面出射。导热半透明元件被布置为或与反射器组合为形成光循环利用腔。随着在腔体内侧的LED发射的光持续地反射和循环利用直到非常高比例的LED发射的光最终穿过并均匀且全向地发射，形成腔体的导热半透明元件的外表面变得发光。同时，来自LED的热传导通过并到达腔体的元件的发光外表面，该表面以辐射和对流方式冷却光源，从而消除了对大体积附加散热器的需要。

相关申请的交叉引用

本申请是于2012年8月10日提交的、要求于2011年8月11日提交的美国临时申请序列No.61/574,925的利益和优先权的美国申请No.13/572,608的部分继续，通过引用将其并入本文。本申请还要求于2013年7月10日提交的美国临时专利申请No.61/957,768的利益和优先权，通过引用将其全部也并入本文。本申请还要求于2013年9月30日提交的美国申请序列No.14/042,569的利益和优先权，通过引用将其全部并入本文。

背景技术

相比白炽和荧光照明，基于发光二极管(LED)技术的固态光源提供了节能保证，并且不具有荧光或有机发光二极管(OLED)光源中使用的有毒物质。

然而，为了实现(基于无机LED的)固态照明的广泛应用和接受度，要求其价格具有竞争力，以与白炽和含汞荧光灯源相竞争。即使其具有更环保的属性以及对环境有利的影响，然而普通消费者仍将根据光源的最初成本来做出购买决定。虽然固态光源将比白炽或荧光光源寿命更长并且当考虑了在其使用寿命期间的节能因素时其提供了更经济的保证，但这无关紧要。大多数消费者不希望为了以后的最终节省而(最初)支付更多。但是，对于照明公司而言降低固态光源的成本是一个巨大的挑战。根据美国能源部，固态光源的70％的成本归因于LED封装(40％)和附加的散热器(30％)。在美国公开专利申请NO.20130099264(Livesay)(其被共同地指定并通过引用并入本发明中，并且其由本发明的作者先前提交)中，显示了如何通过将散热器和封装组合为发光散热元件来消除这两者。还示出了可以实现这一点的几种方式，包括使导热发光材料为波长转换材料，或者可替代地将波长材料放置在导热半透明材料和LED之间。Livesay列出了可用于导热半透明材料或元件的几种材料，通过使来自LED的光定向至或穿过半透明元件而使这些材料变得发出光(即，发光)。在本发明之前，据认为，为了实现高效率(光输出对能量输入)，要求半透明材料具有高的光学透明度。但是，为了在陶瓷材料中实现高的透明度，通常需要更加昂贵的处理。例如，为了在铈掺杂钇铝石榴石中实现更高的透明度，需要高的烧结温度和随后的热等静压。类似地，利用更高成本的烧结和热等静压，Al2O3(氧化铝)变得更透明。这些处理增加了用于光源的材料的成本，如Livesay和本发明中所实践的那样。为了经自然对流和辐射有效地冷却，需要大表面积的透光导热材料(如Livesay教导的那样)，以耗散附接到这些材料的LED所产生的热。然而，如果对透光导热材料进行处理的成本较高，则这成为光源成本中的重要因素。如果存在可以使用更廉价的透光导热或半透明材料的方法，这将是有益的。这样就会降低光源的成本并加速对这些环境友好光源的采用。

在典型的固态光源中的LED和磷光体材料内产生的热经由传导装置而传递至大的附加散热器，该散热器通常由铝或铜制成。LED结和散热器之间的温差通常为40℃至50℃。考虑到LED结与散热器表面之间通常存在显著的温降(热阻)，周围环境与附加散热器的表面中的各表面之间的温差通常非常小。在散热器与周围环境之间的温差小的情况下，发生很小的辐射冷却。该小温差不仅消除了大部分的辐射冷却，而且要求散热器相当大(且重)，以提供足够的表面积来有效地冷却LED。散热器越大，则LED结与散热器鳍片的表面之间的温降越大。为此，利用热管和主动冷却来降低温降或增加对流冷却，以使得可以使用更小的散热器体积。通常，所增加的散热器和/或主动冷却的重量增加了运输、安装的成本，并且对于空中应用，在一些情况下造成安全风险。如果散热器温度接近LED结温度以使得光源能够更多地辐射冷却，则这将是有利的。

发明内容