專利名稱：具有光導(dǎo)和集成熱導(dǎo)的固態(tài)燈的制作方法
具有光導(dǎo)和集成熱導(dǎo)的固態(tài)燈
背景技術(shù)：
在工業(yè)、消費品和建筑照明應(yīng)用中，照明的能量效率已成為一個重要的考量因素。 隨著固態(tài)燈技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管(LED)已變得比熒光燈更具能量效率。此外，市場對于白熾燈、熒光燈和高強度放電燈具有龐大的已建立的裝置基礎(chǔ)。由于LED的固有點光源特性，并且需要以相對低的溫度操作，故這些類型的應(yīng)用對于LED提出了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。現(xiàn)今有許多解決方案來解決這些問題，包括風扇、散熱片、熱管等等。然而，這些方法因增加復(fù)雜性、成本、效率損失、增加故障模式和不可取的形狀系數(shù)而限制了應(yīng)用。仍需要尋找能以吸引人的制造成本和設(shè)計提供光學和效率優(yōu)點的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的燈包括光源、光導(dǎo)和熱導(dǎo)。光導(dǎo)耦合到光源以接收和分布來自光源的光，而熱導(dǎo)則與光導(dǎo)集成用于從光源提供熱傳導(dǎo)以便冷卻燈。


附圖包含在本說明書中并構(gòu)成本說明書的部分，并且它們結(jié)合具體實施方式
闡明本發(fā)明的優(yōu)點和原理。在這些附圖中，圖1是示出具有光導(dǎo)和集成熱導(dǎo)的固態(tài)光源的示意圖；圖2是使用光導(dǎo)片和共延伸熱導(dǎo)的固態(tài)燈的透視圖；圖3是圖2的燈的側(cè)視圖；圖4是使用光導(dǎo)片和雙重共延伸熱導(dǎo)的固態(tài)燈的透視圖；圖5是圖4的燈的側(cè)視圖；圖6是使用光導(dǎo)的固態(tài)燈的橫截面?zhèn)纫晥D，該光導(dǎo)具有用于發(fā)射光的外部和用于冷卻的內(nèi)部；圖7是圖6的燈的俯視圖；圖8是圖6的燈的仰視圖；圖9是具有主動冷卻元件的固態(tài)燈的橫截面?zhèn)纫晥D；圖10是具有熱導(dǎo)的固態(tài)燈的側(cè)視圖，該熱導(dǎo)具有空氣通道；圖11是圖10的燈的俯視圖；圖12是具有熱導(dǎo)的固態(tài)燈的側(cè)視圖，該熱導(dǎo)具有空氣通道；圖13是圖12的燈的俯視圖；圖14是具有熱導(dǎo)的固態(tài)燈的側(cè)視圖，該熱導(dǎo)具有單個孔；圖15是圖14的燈的俯視圖；圖16是示出具有光提取裝置的光導(dǎo)的示意圖；圖17是示出具有用于冷卻或作為提取裝置的孔的光導(dǎo)的示意圖；圖18是示出具有反射層的光導(dǎo)的示意圖；圖19是散熱器在形成耦合到熱導(dǎo)翅片的裝置前的俯視4
圖20是圖19的散熱器在形成所述裝置后的俯視圖；圖21是圖19的散熱器在形成所述裝置后的側(cè)視圖；以及圖22是圖19的散熱器在形成所述裝置后的俯視圖。
具體實施例方式圖1是示出燈10的組件的示意圖，該燈具有電力電路12、固態(tài)光源14和包括光導(dǎo)16和集成熱導(dǎo)18的熱光導(dǎo)。電力電路12從電源接收電力，并提供所需的電壓和電流以驅(qū)動光學耦合到光導(dǎo)16的固態(tài)光源14。具體地講，固態(tài)光源14將光注入接收并分布光的光導(dǎo)16。光導(dǎo)16包括光注入、光傳播和光提取區(qū)域或元件以便分布光。熱導(dǎo)18與光導(dǎo)16 集成，以便通過傳導(dǎo)作用從固態(tài)光源14吸熱以及通過對流作用耗散熱，從而冷卻燈10并有效地利用用于冷卻的面積和體積。熱導(dǎo)18包括熱采集、熱擴散和熱耗散區(qū)域或元件以便冷卻燈。通過光導(dǎo)和熱導(dǎo)的集成，本發(fā)明的實施例克服了諸如上文所述的當前固態(tài)燈概念的許多限制。固態(tài)光源14可用例如LED、有機發(fā)光二極管(OLED)或其他固態(tài)光源實施。某些實施例可從固態(tài)光源提供均勻分布的光。或者，可用透鏡聚焦所發(fā)射的光。例如，在某些實施例中，燈可產(chǎn)生光錐或光幕。透鏡可具有透氣性以用于冷卻，并可包括菲涅耳透鏡、棱鏡結(jié)構(gòu)或小透鏡結(jié)構(gòu)。固態(tài)光源可發(fā)射多種色彩的光，以用于裝飾或其他照明效果。固態(tài)光源14 與電力電路12電連接，而電力電路可包括柔性電路或其他電路以對固態(tài)光源供電。為光源供電的電路可包括調(diào)光電路和電子器件以控制有助于產(chǎn)生更多所需光的頻率偏移或色彩偏移組件，此類電子器件的例子見述于2008年6月12日提交的名稱為“AC Illumination Apparatus with Amplitude Partitioning”(具有振幅分割的交流照明設(shè)備)的美國專利申請No. 12/137667，該專利如同全文闡述般以引用方式并入本文。光導(dǎo)16可用例如能夠從固態(tài)光源接收光并發(fā)射光的透明或半透明材料實施。例如，光導(dǎo)16優(yōu)選地由光學上適宜的材料制成，例如聚碳酸酯、聚丙烯酸酯如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、玻璃或具有相對高折射率的許多不同的塑性材料。光導(dǎo)可按多種形狀構(gòu)造，如燈泡狀、球體、圓柱體、立方體、片狀或其他形狀。此外，光導(dǎo)可包含可含有光頻率偏移發(fā)色團的基質(zhì)材料，以獲得更理想的顯色指數(shù)，基質(zhì)穩(wěn)定染料的例子見述于美國專利 No. 5，387，458，其如同全文闡述般以引用方式并入本文。熱導(dǎo)18可用能夠從固態(tài)光源傳導(dǎo)熱并耗散熱的材料實施。例如，熱導(dǎo)優(yōu)選地由熱導(dǎo)率為約lW/(m-K)至1000W/(m-K)、更優(yōu)選地為IOW/(m_K)至1000W/(m_K)、最優(yōu)選地為 IOOW/(m-K)至1000W/(m-K)的材料構(gòu)成。熱導(dǎo)通過傳導(dǎo)作用從固態(tài)光源吸熱，并通過對流作用使熱耗散到空氣中?？扇芜x地，熱導(dǎo)的組件可包括熱管。熱導(dǎo)與光導(dǎo)集成，這表示熱導(dǎo)直接或間接地與固態(tài)光源充分接觸，以便從固態(tài)光源傳導(dǎo)和耗散熱以使燈運行。例如，熱導(dǎo)可從固態(tài)光源吸熱，以將光源維持在足夠冷的溫度下，從而按預(yù)期運行。熱導(dǎo)可與固態(tài)光源直接物理接觸，或諸如通過上面安裝固態(tài)光源的環(huán)或其他組件與固態(tài)光源間接接觸。熱導(dǎo)也可直接地或經(jīng)其他組件間接地與光導(dǎo)物理接觸?；蛘?，熱導(dǎo)不必與光導(dǎo)物理接觸，前提條件是熱導(dǎo)可從固態(tài)光源傳導(dǎo)足夠的熱量以使燈運行。因此，熱導(dǎo)以接近于光導(dǎo)面積的至少一部分或優(yōu)選大部分而共延伸地存在，或者就燈泡狀、球體或其他具有內(nèi)部體積的三維形狀而言，熱導(dǎo)存在于光導(dǎo)體積的至少一部分或優(yōu)選大部分內(nèi)。
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熱導(dǎo)可包括熱傳導(dǎo)增強結(jié)構(gòu)，例如金屬涂層或金屬層或傳導(dǎo)粒子，以有助于將固態(tài)光源產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)至熱導(dǎo)中并沿著熱導(dǎo)傳導(dǎo)。此外，熱導(dǎo)可具有對流熱增強結(jié)構(gòu)，例如翅片和微結(jié)構(gòu)，以增加對流熱傳遞系數(shù)。熱導(dǎo)還可具有光學增強結(jié)構(gòu)，以便增強光導(dǎo)的光輸出。例如，熱導(dǎo)可由反射性材料形成，或由經(jīng)改性以具有反射性表面諸如白漆、拋光表面或在其表面上具有薄反射性材料的材料制成。圖2和圖3分別是使用光導(dǎo)片M和共延伸熱導(dǎo)22的固態(tài)燈20的透視圖和側(cè)視圖。燈20包括與光導(dǎo)片M光學耦合的多個固態(tài)光源沈。例如，固態(tài)光源沈可位于光導(dǎo)片M邊緣中的半球形或其他類型的凹陷內(nèi)，并可通過使用光學透明的粘合劑而固定。光導(dǎo)片M通過發(fā)射表面觀而分布來自固態(tài)光源沈的光，并可被構(gòu)造成在表面觀上提供大體上均勻的光分布。熱導(dǎo)22通過充分共延伸并與光導(dǎo)M物理接近而與光導(dǎo)M集成，以從固態(tài)光源沈吸走熱并耗散熱，以將燈觀維持在足夠冷的溫度下以便運行。圖4和圖5分別是使用光導(dǎo)片34和雙重共延伸熱導(dǎo)32和36的固態(tài)燈30的透視圖和側(cè)視圖。燈30包括與光導(dǎo)片34光學耦合的多個固態(tài)光源38。例如，固態(tài)光源38可位于光導(dǎo)片34邊緣中的半球形或其他類型的凹陷內(nèi)，并可通過使用光學透明的粘合劑而固定。光導(dǎo)片34通過發(fā)射端40而分布來自固態(tài)光源的光，并可被構(gòu)造成從端40提供大體上均勻的光分布。熱導(dǎo)32和36通過充分共延伸并與光導(dǎo)34物理接近而與光導(dǎo)34集成，以從固態(tài)光源38吸走熱并耗散熱，以將燈30維持在足夠冷的溫度下以便運行。對于燈20和30，光導(dǎo)和共延伸的熱導(dǎo)可被構(gòu)造成平坦狀以外的多種形狀。例如， 其可形成為圓形、螺旋形或非平坦形狀以實現(xiàn)裝飾或其他照明效果。光導(dǎo)可由例如聚碳酸酯、聚丙烯酸酯如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、玻璃或具有相對高折射率的許多不同的塑性材料形成。共延伸的熱導(dǎo)可例如作為光導(dǎo)上的金屬涂層而形成。圖6是使用具有用于發(fā)射光的外部和用于冷卻的內(nèi)部的光導(dǎo)的固態(tài)燈42的優(yōu)選實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。圖7和圖8分別為燈42的俯視圖和仰視圖。燈42包括光導(dǎo)52、 集成的熱導(dǎo)M和任選的散熱器環(huán)46上的固態(tài)光源。散熱器環(huán)46可通過熱傳導(dǎo)而操作，或具有與其相關(guān)的熱管或熱虹吸管。散熱器環(huán)包括有效連接至熱導(dǎo)的元件，此類元件的例子包括具有熱連接到熱導(dǎo)的彎曲翅片元件的環(huán)。或者，固態(tài)光源可在無散熱器環(huán)的情況下直接耦合到熱導(dǎo)。對于固態(tài)光源，燈42可包括例如圍繞環(huán)46而排列的LED 48、50、66、68、70 和72，如圖8中所示。固態(tài)光源光學耦合到光導(dǎo)52 ；例如，光源可位于光導(dǎo)52邊緣中的半球形或其他類型的凹陷內(nèi)，并可通過使用光學透明的粘合劑而固定。基座44被構(gòu)造成連接到電源，并且其可包括電力電路，用于從電源提供所需的電壓和電流以驅(qū)動固態(tài)光源?；?4可用例如與常規(guī)燈泡插座配套使用的白熾燈基座實施， 或可用與常規(guī)熒光燈裝置連接器配套使用的基座實施。在光導(dǎo)52與基座44之間提供空氣通道56和58，以通過空氣通道60提供整個熱導(dǎo)M上的自由對流。在該示例性實施例中，熱導(dǎo)用金屬翅片M、62和64實施，如圖7中所示。翅片與光導(dǎo)52集成，如圖7和圖8中所示，以便從固態(tài)光源48、50、66、68、70、72吸熱，并通過空氣通道60中的空氣流產(chǎn)生的對流作用而耗散熱。熱導(dǎo)可任選地包括熱管或熱虹吸管。光導(dǎo) 52可用例如聚碳酸酯、聚丙烯酸酯如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、玻璃或具有相對高折射率的許多不同的塑性材料實施。燈42的外部可用于分布和發(fā)射來自固態(tài)光源的光，而燈42 的內(nèi)部則用于冷卻熱導(dǎo)和固態(tài)光源。光導(dǎo)52可形成為燈泡形狀，如圖6中所示，或形成為其他形狀。采用某些形狀，例如圖6中所示的燈泡形狀，光導(dǎo)52的內(nèi)部可形成內(nèi)部體積，而熱導(dǎo)可與光導(dǎo)的內(nèi)部體積集成，用于從固態(tài)光源提供熱傳導(dǎo)。圖9是具有主動冷卻元件88的固態(tài)燈74的橫截面?zhèn)纫晥D。燈74可具有與燈42 類似的構(gòu)造。燈74包括基座76、光導(dǎo)84、熱導(dǎo)86和固態(tài)光源，諸如排列在任選的散熱器環(huán) 78上的LED 80和82。主動冷卻元件88 (例如風扇)除了自由對流外還通過空氣通道87 吸取空氣以用于冷卻。主動冷卻元件88可通過基座76連接到電源，并且其可在燈74處于操作狀態(tài)時連續(xù)運行，或可包括溫度傳感器以用于僅當燈74超過某一溫度時才使其啟動。圖10至15示出具有光導(dǎo)的固態(tài)燈的其他構(gòu)造，該光導(dǎo)具有用于發(fā)射光的外部和用于通過集成的熱導(dǎo)而冷卻的內(nèi)部。這些構(gòu)造可以按類似于上文所述的燈42的方式運行。 圖10和11分別為具有穿孔空氣通道開口的固態(tài)燈90的側(cè)視圖和俯視圖。燈90包括用于連接到電源的基座92、用于分布光的光導(dǎo)98、穿過光導(dǎo)98的空氣通道100以及與光導(dǎo)98 相關(guān)的熱導(dǎo)。熱導(dǎo)包括翅片102、環(huán)94和介于基座92和環(huán)94之間的穿孔部96。穿孔部96 允許空氣流穿過空氣通道100。熱導(dǎo)的翅片102傳導(dǎo)來自環(huán)94的熱，并通過空氣通道100 中的對流作用而耗散熱。圖12和13分別是具有熱導(dǎo)(具有多個孔)的固態(tài)燈104的側(cè)視圖和俯視圖。燈 104包括用于連接到電源的基座106、用于分布光的光導(dǎo)114、穿過光導(dǎo)114的空氣通道116 以及與光導(dǎo)114相關(guān)的熱導(dǎo)。熱導(dǎo)包括翅片118、環(huán)108以及在基座106與環(huán)108之間的具有多個孔112的區(qū)段110?？?12允許空氣流穿過空氣通道116。熱導(dǎo)的翅片118傳導(dǎo)來自環(huán)108的熱，并通過空氣通道116中的對流作用而耗散熱。圖14和15分別為具有熱導(dǎo)(具有單個孔)的固態(tài)燈120的側(cè)視圖和俯視圖。燈 120包括用于連接到電源的基座122、用于分布光的光導(dǎo)130、穿過光導(dǎo)130的空氣通道132 以及與光導(dǎo)130相關(guān)的熱導(dǎo)。熱導(dǎo)包括翅片134、環(huán)124以及介于基座122與環(huán)124之間的具有孔128的區(qū)段126?？?28允許空氣流穿過空氣通道132。熱導(dǎo)的翅片134傳導(dǎo)來自環(huán)124的熱，并通過空氣通道132中的對流作用而耗散熱。圖16至18示出上文所述固態(tài)燈的光導(dǎo)的多種任選裝置。圖16是示出具有光提取裝置142的光導(dǎo)140的示意圖。此類光提取裝置可用于提供由光導(dǎo)發(fā)射的光的更大或更均勻的分布，或者這些提取裝置可提供特定的光學效應(yīng)，例如定制光圖案以獲得特定的照明圖案。提取裝置的例子包括印刷或以其他方式附著到光導(dǎo)外表面或內(nèi)表面上的光提取材料的點圖案或其他形狀。提取裝置還可包括通過噴砂或其他技術(shù)將光導(dǎo)的外部粗糙化，其他提取裝置包括形成于表面上的微結(jié)構(gòu)化裝置，如微結(jié)構(gòu)化棱鏡或小透鏡。圖17是示出具有用于冷卻的孔146的光導(dǎo)144的示意圖。若固態(tài)燈大體上水平地安裝，則孔146可通過對流作用提供穿過光導(dǎo)且跨熱導(dǎo)的用于冷卻的空氣流，而非提供大體上沿著光導(dǎo)內(nèi)表面(如穿過空氣通道60)的空氣流?？?46還可作為提取裝置運行。圖18是示出具有反射層150的光導(dǎo)148的示意圖。光導(dǎo)148可在其內(nèi)表面上包括反射層150，使得通過光導(dǎo)148分布的一部分光由反射層150反射，并從外表面152發(fā)射， 而非從光導(dǎo)的內(nèi)表面發(fā)射。反射層的例子為可得自3M公司的增強型鏡面反射(ESR)薄膜
產(chǎn)品ο圖19至22示出具有用于安裝熱導(dǎo)翅片的裝置的散熱器160。圖19是散熱器160 在形成耦合到熱導(dǎo)翅片的裝置前的俯視圖。圖20、21和22分別是形成所述裝置后的散熱器160的俯視圖、側(cè)視圖和透視圖。散熱器160可按類似于上文所述散熱器環(huán)46的方式操作，但其具有用于安裝冷卻翅片以便與熱導(dǎo)連接的額外裝置。如圖19中所示，散熱器160具有環(huán)部162和三角形區(qū)段164、166、168和170。在制造工藝中，散熱器160可由金屬或其他材料片形成。例如，可使用沖壓工藝從金屬片上切割散熱器160并使區(qū)段164、166、168和170彎曲為與環(huán)部162成大體直角，如圖20至圖22 中所示，從而形成朝上的突出部。固態(tài)光源可按類似于LED安裝于散熱器環(huán)46上的方式而安裝于環(huán)部162上。熱導(dǎo)的冷卻翅片(例如上文所述的翅片)可例如通過焊接、傳導(dǎo)性環(huán)氧樹脂、夾具或以其他方式熱連接到區(qū)段164、166、168和170。如此，具有安裝裝置的散熱器160有效地變?yōu)闊釋?dǎo)的一部分，并可容易地由材料片制成。四個三角形區(qū)段164、166、168和170僅為了進行示意性的說明而示出?？墒褂酶嗷蚋俚难b置，并且這些裝置根據(jù)例如待連接的冷卻翅片的構(gòu)造而可具有多種形狀。
權(quán)利要求
1.一種具有集成光導(dǎo)和熱導(dǎo)的燈，包括 光源；光導(dǎo)，所述光導(dǎo)耦合到所述光源，用于接收和分布來自所述光源的光；以及熱導(dǎo)，所述熱導(dǎo)與所述光導(dǎo)集成，用于從所述光源提供熱傳導(dǎo)以冷卻所述燈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，其中所述光源包括以下一者或多者發(fā)光二極管和有機發(fā)光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，還包括耦合到所述光源的散熱器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，其中所述光導(dǎo)包括光提取裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，其中所述光導(dǎo)包括多個孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，還包括位于所述光導(dǎo)一側(cè)上的反射層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，其中所述熱導(dǎo)包括反射表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，其中所述光導(dǎo)包括材料片，所述熱導(dǎo)包括與所述光導(dǎo)共延伸的導(dǎo)熱材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燈，還包括為所述光源提供電力的電路。
10.一種具有集成光導(dǎo)和熱導(dǎo)的燈，包括 光源；光導(dǎo)，所述光導(dǎo)包含具有外表面和內(nèi)表面的材料，其中所述光導(dǎo)耦合到所述光源，用于通過所述外表面接收和分布來自所述光源的光；以及熱導(dǎo)，所述熱導(dǎo)與所述光導(dǎo)的所述內(nèi)表面集成，用于從所述光源提供熱傳導(dǎo)以冷卻所述燈。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，其中所述光源包括以下一者或多者發(fā)光二極管和有機發(fā)光二極管。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，還包括耦合到所述光源的散熱器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，還包括在所述熱導(dǎo)上吸取空氣的風扇。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，其中所述光導(dǎo)的所述表面包括光提取裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，其中所述熱導(dǎo)包括金屬翅片。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，其中所述光導(dǎo)包括多個孔。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，還包括所述光導(dǎo)所述內(nèi)表面上的反射層。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，其中所述熱導(dǎo)包括反射材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，其中所述光導(dǎo)包括燈泡形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，還包括用于連接到電源的基座，并且其中所述熱導(dǎo)包括位于所述基座和所述光導(dǎo)之間的穿孔部。
21.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，還包括用于連接到電源的基座，并且其中所述熱導(dǎo)包括位于所述基座和所述光導(dǎo)之間的一個或多個孔。
22.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，其中所述熱導(dǎo)包括散熱器和翅片，并且其中所述散熱器具有耦合到所述翅片的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燈，還包括為所述光源提供電力的電路。
24.一種具有集成光導(dǎo)和熱導(dǎo)的燈，包括 光源；光導(dǎo)，所述光導(dǎo)包含具有外表面和內(nèi)表面的材料，其中所述光導(dǎo)具有光注入元件、光傳播元件和光提取元件以便分布來自所述光源的光；以及熱導(dǎo)，所述熱導(dǎo)與所述光導(dǎo)的所述內(nèi)表面集成，用于從所述光源提供熱傳導(dǎo)，其中所述熱導(dǎo)具有熱采集元件、熱擴散元件和熱耗散元件以冷卻所述燈。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固態(tài)燈，所述固態(tài)燈具有固態(tài)光源例如LED和光導(dǎo)以及熱導(dǎo)。所述光導(dǎo)耦合到所述光源，用于接收和分布來自所述光源的光，所述熱導(dǎo)與所述光導(dǎo)集成用于從所述固態(tài)光源提供熱傳導(dǎo)并通過對流作用耗散熱量以冷卻所述燈。
文檔編號F21Y101/02GK102483216SQ201080034843
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者凱蒂·B·湯普森, 布萊恩·W·利克, 邁克爾·A·梅斯, 雷蒙德·P·約翰斯頓, 馬丁·克里斯托弗森 申請人:3M創(chuàng)新有限公司