固态照明设备和灯具的制作方法

本公开涉及一种固态照明设备，特别地涉及一种具有用于热消散的空气通道的固态照明设备。

背景技术：

诸如发光二极管(LED)的固态光源正增长地应用于各种照明和信号发送应用。LED较之诸如白炽灯或荧光灯的传统光源的优势包括长寿命、高流明效率、低操作电压和流明输出的快速调制。LED光源还提供了显著增长的能量效率，其具有就二氧化碳排放来说减少的环境影响。

然而，在技术的发展中仍然有许多显著的挑战有待克服，这些在当前都限制了其应用的潜在宽度。这些挑战中最为关键的可能是热量。LED芯片在操作中自然地产生大量的热，这些热如果没有从管芯封装中有效地消散出去，有可能会使LED芯片劣化，缩短其整体寿命。这个问题的结果是，LED技术在需要高流明输出的领域中的应用尤其受到严苛的限制。特别地，具有基于LED的灯泡的现有灯配件的“改型”根本无法直接用于要求高强度光输出的应用。

为了获得高流明LED能力的一个办法即为改善LED芯片的发光效率(λ)，由此对于给定的生成热的输出实现更大的光输出。然而，发光效率承受着其发展中的自然瓶颈，其限制了发光效率即使在理论上所能够增长的程度。

最近所采用的替代的方法已经通过建立进入设备本身的结构内的专用热传输通道来寻求直接改善LED照明设备的热消散能力。特别地，已经采用了允许空气流动穿越照明设备的中间区域的空气通道从而允许热从设备中离开。这种设备的一个示例在US 2010/0073944 A1中公开。

图1和图2示出了利用如本领域已知的这种概念的照明设备的一个示例。灯泡结构12包括下包胶模塑(overmould)结构18，其容纳了多个LED光源24，光源被热耦合到热扩散元件22。耦合到壳体结构的是上窗口结构16，其包括光出射窗口30。上窗口结构包括中空的烟囱元件20，其在形成在光出射窗口的顶部中的开口和由热扩散元件的表面所限定的中间空腔之间行进。烟囱允许空气在围绕着灯泡结构的周围环境和由热扩散元件所限定的空腔之间流动。以这种方式，热能够从热扩散元件(其传导来自LED芯片24的热)进行传送，并且向外通过灯泡结构的顶部。

这个结构很大地改善了灯泡的热消散效率。然而纳入了用于允许空气流动的烟囱结构20同样引入了新的困难，特别是关于安全性。如图1所描述的，提供从设备的表面行进到在其内部的组件的开放通道带来了用户经由烟囱结构通过接触而与这些组件进行意外接触的可能性。特别地，有可能通过穿过烟囱插入诸如细金属棒或接线14的导电线形元件而碰触到热扩散元件22，并且由此和设备的金属组件产生传导性接触。如果热扩散元件带电(例如，有意地或者由于短路)，就有用户触电的可能性。

这种风险不仅仅从设计的角度来说是不希望的，而且附加地违反了多个法域的产品安全法律。特别地，在美国存在这样的要求，即不能通过插入具有任何长度以及具有2mm直径的线形金属棒而碰触带电或者可能带电的部分。

现有技术的设备已经寻求通过简单地限制形成为通过光出射窗口的入口孔的直径(例如，限制到小于2mm)来摆脱这个困难。然而，这就对作为热流动通道的烟囱的效率造成了严重的限制，由于这种小孔限制了空气以及因此热的可能流动率。

因此所希望的应当是一种允许在周围环境和热消散内部组件之间的空气流动有所改善的LED照明设备，但是其并不因此引入上述的意外用户被电的风险。

技术实现要素：

本公开由权利要求书所限定。

根据本公开的一个方面，提供一种固态照明设备，其包括：

第一模块，容纳有热扩散元件；

多个固态发光元件，热耦合到热扩散元件；以及

第二模块，限定用于固态发光元件的光出射窗口，并且与第一模块接合，第二模块包括开口和从所述开口向热扩散元件进行延伸的管状结构用于通过开口对来自热扩散元件的热进行传送，管状结构具有非线形形状，其防止插入开口中的线形物体与热扩散元件接触。

该管状结构提供了通道或者管道，允许空气在围绕着设备的环境和容纳在第一模块内的热扩散元件之间的流动。热通过热耦合的热扩散元件从固态发光元件传导走，并且接着通过(填充空气)的管状结构从设备传输出去。

管状结构(或“烟囱”)具有非线形的例如弯曲的形状，从而禁止利用线形物体穿入设备的内部组件。特别地，管状结构可以包括多个壁部分，其布置为使得从开口到热扩散元件的中间区域的每个线形虚拟路径延伸通过所述壁部分中的至少一个。因此，根据这个实施例，不存在这样的路径，即插入光出射窗口的开口内的线形棒或者针可以通过该路径通过穿入到热扩散元件，这是由于总是存在阻碍插入物体的线形路径的至少一个(管状结构)固态的壁部分。因此，通过经由诸如金属棒的线形导电元件与热扩散器进行传导性接触的触电风险通过本公开得以克服，由于线形导电元件不能变形从而匹配管状结构，即烟囱的非线形形状。

除了在光出射窗口中的开口—管状结构从其进行延伸—照明设备的实施例还可以包括另一开口，与通过光出射窗口的开口进行流体连通，其中热扩散元件位于开口和另一开口之间。

这个第二开口可以允许跨热扩散元件的改善的空气流动，例如 允许在第一开口和另一开口之间的空气的更为稳定且持续的流动。改善的空气流动稳定性或空气流速改善了从热扩散元件(以及因此从固态发光元件)的热消散率，这是由于更多的热可能由热运载空气的增加的机械运送以及由来自周围环境的更冷的空气的替代而被迁移。

在示例实施例中，热扩散元件可以包括中间空腔，管状结构与其进行流体连通。管状结构可以延伸进入所述空腔中。热扩散元件可以例如包括一个或多个热传导表面，其限定或者部分限定过了中间空气空腔。空腔可以例如在其末端处为“开放”，热扩散器的壁或者壁部分对空腔的“侧面”进行了界定。以这种方式，与经过的空气进行接触的热扩散器的总表面面积在任一时间可以被最大化。

在特定实施例中，管状结构可以具有线圈或者螺旋形状。在这个例子中，非线形性为“三维”非线形性，例如使得烟囱结构的弯曲不仅仅限于在单一平面之内的弯曲，还限于“线圈”围绕一些中间轴的弯曲。这种中间轴例如不需要为线形的，并且弯曲的半径不需要恒定。

管状结构可以具有长方形(oblong)或者圆形的横截面。横截面可以包括在沿着管的长度上的恒定形状和尺寸，或者可例如包括变化的形状和/或尺寸。

由于烟囱的非线形性，开口和管道可以提供为显著地宽于线形物体的直径，后者穿过至热扩散元件将被防止。管状结构可以例如将管道界定为具有在2mm-10mm的范围内的最大宽度。以这种方式，空气流动率可以显著地增加而不会减损用户安全。

照明设备可以进一步包括用于将固态照明设备连接到功率电源的帽，所述帽协作地耦合到第一模块。作为非限制性的示例，帽可以包括标准螺口或卡口帽，用于将照明设备连接并且安装在特定种类的标准灯具中。

在特定实施例中，另一开口至少部分地由上面描述的帽来界定。例如，帽可以安装在第一模块的基底处，并且包括或以其他方式界 定用于空气经过的开口。

在一些实施例中第二模块可以具有球茎形。

根据本公开的另一个方面，提供一种灯具，其包括根据前述一个或多个实施例中的照明设备。这种灯具可以例如为照明设备的保持器或者照明设备集成进入其中的装置。

根据本公开另一个方面，还提供一种制造固态照明设备的方法，其包括：

提供第一模块；

将热扩散元件容纳在所述第一模块中；

将多个固态发光元件热耦合到热扩散元件；

提供第二模块，其限定了用于由固态发光元件发射的光的光出射窗口，第二模块包括开口以及具有从所述开口延伸的非线形形状的管状结构，用于将热从热扩散元件朝向所述开口进行传送；以及

将第一模块安装到第二模块使得：

管状结构朝向热扩散元件进行延伸；并且

非线形形状防止了插入开口内的线形物体与热扩散元件的接触。

根据各种示例实施例，将第一模块安装到第二模块可以例如包括超声波焊接工艺、钳合、粘附或螺接。

附图说明

参照附图借助非限制性示例对本公开的实施例进行详细描述，其中：

图1示意性地描绘了本领域已知的示例照明设备的横截面；

图2示意性地描绘了本领域已知的示例照明设备的各个元件的透视图；

图3示意性地描绘了根据实施例的照明设备的横截面；

图4示意性地描绘了根据实施例的照明设备的组件的透视图；

图5示意性地描述了由示例实施例提供的改善的安全性特性；

图6示意性地描绘了根据实施例的照明设备的爆炸视图；以及

图7描绘了根据实施例的照明设备的发光分布绘图。

具体实施方式

本公开的实施例提供一种固态照明设备，其提供了改善的热消散能力而同时保持了特定的所希望的用户安全性特性。根据实施例的设备包括管状结构，其还将被称为烟囱，从容纳在设备的内部的热消散元件延伸到通过设备的外部发光窗口形成的外部开口。烟囱包括非线形形状，其防止了插入开口内的线形物体与热扩散元件的接触。可以提供相对大的外部开口和烟囱直径，允许流动穿过消散元件的空气/热的改善的流动率，而同时禁止用户经由通过所提供的外部开口插入线形物体的意外触电。

如上面所讨论的，现有技术固态照明设备已经通过在诸如图1所描述的烟囱元件20的结构内提供专用热传输通道而寻求改善来自发光元件的热消散效率-并且由此增加可获得的光输出强度。然而这种通道由于用户通过烟囱插入细金属棒14而与热扩散元件22进行了传导接触从而引入了潜在的用户带电风险。

诚然，尤其在美国，产品安全法特别禁止了允许这种风险的设计：特别地，对于任何产品来说要求的是不可能通过插入具有任何长度具有2mm直径的线形金属棒碰触到带电的或者可能带电的部分。

现有技术的设备已经寻求通过简单地限制通过光出射窗口形成的入口孔的直径(例如，限制到小于2mm)来摆脱这个困难。然而，正如上面所讨论地，这种制约对进入以及离开烟囱顶部的可获得的空气(和因此的热)流动率具有显著影响，这由于设备的固态发光元件的不太有效的冷却而因此不利地影响了设备的寿命，

本公开的实施例提供了新颖的解决方案，现将参照附图对其进行详细描述。应当理解的是附图仅仅为示意性的并且未按照比例绘制。应当理解的是相同的参考标号贯穿附图指代相同或相似的部分。

在图3中，示出了根据本公开的一个方面的固态照明(SSL)设备的实施例的第一示例。设备42包括第一(下)壳体模块44，容纳有多个固态发光元件48。发光元件安装为与具有界定了中间空腔64的传导表面的热扩散元件46进行热连通。热扩散元件可以例如包括一个或多个热传导表面或者板，其环绕、包围或以其他方式界定了中间空腔64。

与第一(下)模块44协作地耦合或接合的是第二(上)模块50，其限定了用于固态发光元件的光出射窗口52并且包括管状烟囱结构56从其进行延伸的开口54。烟囱结构向下延伸进入由热扩散元件46限定的中间空腔64中，并且提供在光出射窗口中的开口54和热扩散元件46之间的流体连通。

热扩散元件可以由任何适合的热传导材料制成，例如适合的金属或者金属合金。作为非限制的示例，热扩散元件可以用铝或铝合金制成，例如铝1200。然而，对于本领热的技术人员来说，任何其他的金属或者金属合金也可以使用。

热扩散元件可以包括一个或多个向外延伸的鳍或辅助表面，例如在其上安装或者热连接有多个固态发光元件。这些表面在一个示例中可以限定环形表面部分，其环绕了管状构件54的基底部分。这些表面可以提供例如用于安装SSL元件的结构化的支撑。SSL元件可以或者直接安装到热扩散元件表面，或者安装在载体之上，载体可以例如包括印刷电路板(PCB)，例如金属芯的印刷电路板(MCPCB)或任何其他适合的载体。

在实施例中，SSL元件48为LED。任何适合类型的LED可以被考虑用于包括在照明设备42中，例如中功率LED、高功率LED等。SSL元件可以被选择为使得每个SSL元件发射具有相同颜色以及/或色温的光。可代替地，发射不同颜色的光或具有不同色温的光的SSL元件的混合可以被包括在照明设备中。

图4在透视图中描述了上(光出射)模块，从其更清楚地辨识了管状烟囱结构的非线形形状。在所示出的示例实施例中，烟囱限 定了螺旋形状，包括围绕着中心轴的“三维”的弯曲。

如在图5中所描述的，烟囱的螺旋形状防止了由通过光出射窗口中的上开口54插入的线形棒70穿入通过到热扩散元件46(或者实际上设备的任何其他内部组件)。弯曲的螺旋半径被提供为使得不存从开口54通过到达中间空腔64的线形路径，而其不需要穿过烟囱壁的一部分。

在其他的示例实施例中，管状结构可以不包括螺旋形状，而是包括例如限于单一平面的弯曲。这种实施例仍然能够获得防止线形物体穿入到热扩散元件的技术效果，只要管的弯曲的各个角度足够尖锐。特别地，弯曲必须简单地使得不存在从开口到热扩散元件的线形(虚拟)路径，而其不穿过烟囱壁或边界的一个或多个部分。事实上，管结构或烟囱并不必然需要被弯曲从而达到这个效果，可以构思出任何适合的形状，诸如带角度的形状，例如具有U形分段的烟囱。

根据特定的实施例，烟囱围绕中间轴“三维地”盘绕，其中所述轴为非线形的，并且/或者其中关于所述轴的弯曲的半径为非均匀的。

在图3和图4的示例实施例中，烟囱包括圆形或椭圆形横截面。然而在其他等同的示例中，烟囱可以包括任何横截面形状，包括但不限于正方形、三角形或任何多边形形状。烟囱可以包括恒定的横截面形状和/或尺寸，或者具有变化的形状和/或尺寸的横截面。

烟囱结构56允许空气在开口54和中间空腔64之间流动，由此提供了在围绕着照明设备42的周围环境和热扩散元件46之间的流体连通。由SSL元件48生成的热由通过热扩散元件的表面或传导板的传导来传输。热接着可以或者直接由传导或者通过辐射而传送到中间空腔64之内的空气(或其他气体)。在空腔中的热空气接着被从围绕的周围环境提供的更冷的空气所取代，例如通过扩散以及/或对流。以这种方式烟囱提供了来自SSL元件的有效的热消散，允许了更大密度的SSL元件被并入设备，而具有了由于SSL元件在较低 温度的操作而结果得以改善的光输出强度。

由本公开实施例提供的烟囱的螺旋(或者其他方式的非线形)形状允许烟囱以及相对应的开口具有相对大的直径，而不会有触电危险的风险。在特定实施例中，例如管状结构56可以界定管道具有在2mm-10mm的范围内的最大宽度。这样，较之现有技术设备，在开口54和中间空腔64之间就允许更大的空气流动率，由此改善了热消散能力。进一步，通过模拟已经显示出，出射烟囱的盘旋形状相较于具有相同直径的线形烟囱来说对可获得的空气流动率没有影响。

图3到图5的示例实施例进一步包括另一开口62，其通过下(第一)模块44的外壁或边界形成。第二开口提供为与第一开口流体连通，而热扩散元件46和中间空腔64位于二者之间。典型地，当设备42在使用中，第二开口62为不可接近的从而不需要特定的措施来防止与设备42内的带电组件的意外接触。然而，当出于某些原因第二开口62在设备42在使用中时为可接近的，第二开口62可以经由通过下壳体模块44的一部分形成的的另一非线形管道或通道与中间空腔64流体连接，从而防止这种意外的接触，正如之前对于管状结构56所解释的。可代替地，在这种情境下，第二开口62的直径可以限制为低于2mm，虽然这将降低流动通过设备42的空气体积并且因此较不优选。

第二开口62允许从一个开口到另一个开口的跨热扩散元件的持续的空气“通过流动”。以这种方式，从热扩散器的热提取可以得到改善，这是由于热主要由热承载空气远离设备的内部组件，并且通过一个或两个开口向外的持续机械传输的传送。

根据特定的实施例，上“光出射”模块50可以包括灯泡形状。然而在其他示例中，模块可以包括任何希望并且适合的形状，例如管状结构、正方形或长方形结构、或任何其他多边形结构。

在一些示例中，光出射窗口52可以遮盖上模块50的整个外部表面区域，并且可以可选地进一步由下壳体模块44的至少部分来限 定，从而光可以从上模块的所有部分(以及可选地下模块的至少部分)进行透射。然而在其他的示例中，窗口可以仅遮盖住第二模块50的表面区域的部分，例如仅仅为最上面或最中间的区域。

在特定的实施例中，光出射窗口可以包括或者进一步包括一个或多个光束整形元件，诸如一个或多个光学元件用于对出射光进行导向、准直以及/或以其他方式成形的目的。

根据一些实施例，光出射窗口可以为透明的或者可以为半透明的。在一些示例中，光出射窗口可以为有色的或者包括有色滤光器、偏振滤光器、或者用于例如UV波长的特定电磁波长范围的滤光器。光出射窗口以及/或上光出射模块可以由任何适合的材料构成，例如作为非限制性的示例的玻璃或者诸如聚碳酸酯、PET或PMMA之类的适合的塑料。

在特定实施例中，照明设备42可以进一步包括传导帽66，其协作地耦合到，即接合到下壳体模块44，用于将设备连接到例如灯具的功率电源。在图3到图5中，仅作为非限制性的示例示意性地示出了螺帽配件(fitting)。应当理解的是帽可以采用任何适合的形状，例如卡口配件、GU类型的配件、MR类型的配件等等。传导帽可以用任何适合的导电材料，诸如作为非限制性示例的AlNi来制成。

在示例实施例中，传导帽66可以至少部分地界定了第二开口62。例如，第二开口可以包括通过所述帽的部分的开口，或者开口可以位于帽结构的顶部和壳体模块44的底部之间。

根据一个或多个实施例，照明设备42可以进一步包括一个或多个驱动器模块68，其包括SSL元件驱动器组件，诸如在一个示例中的RCC开关模式的驱动器。

在图6中示意性地描绘了一个示例实施例照明设备的“爆炸”视图。根据这个示例，下壳体模块44包括外包胶模(overmould)的塑料结构76，其围绕着内包胶模的金属结构74。塑料包胶模作为非限制性示例可以由诸如例如PBT RG301的聚对苯二甲酸丁二醇酯构成。根据特定的非限制性示例，金属包胶模可以例如由铝或者诸如 AL3003的铝合金来构成。热扩散器元件46被容纳在内金属包胶模结构74之内，并且固态发光元件例如经由MCPCB安装在热扩散器的上承载表面之上。

图7示出了根据图3到图6的示例实施例的照明设备42的光输出的极坐标图。这个绘图清楚地演示了获得了在接近180°的范围内的卓越的光分布，由此证明了非线形管状结构56的存在并没有不利地影响由设备42获得的光分布。

根据本公开一个或多个实施例的照明设备42可以具有优势地包括在诸如照明设备的保持器，例如天花板灯具的灯具、或者照明设备将集成进入的例如抽油烟机的装置中。其他适合类型的灯具，例如包括管状照明设备的阵列的广告灯具以及诸如此类，对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

根据本公开另一方面，提供一种制造根据上面所描述的一个或多个示例实施例的固态照明设备的方法。

在方法的特定实施例中，照明设备的第一模块44和第二模块50在安装之前例如通过超声波焊接、钳合、粘附或螺丝接合而一个接一个进行独立组装。这些示例并不意在于进行限制，并且对于本领域的技术人员来说还可以使用任何适合的固接手段。

应当注意的是上面提及的实施例描述而非限制了本公开，并且本领域的技术人员将能够设计出任何替代的实施例而不会背离所附权利要求的范围。在权利要求中，任何放置在括号中的参考标号不应被解释为限制权利要求。用词“包括”并不排除除了列举在权利要求中的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前的用词“一”、“一个”并不排除多个这种元件的存在。本公开可以通过包括多个分立的元件的硬件来实施。在枚举了数个装置的设备权利要求中，这些装置的数个可以由同一项硬件来实施。在互相不同的从属权利要求中记载了特定的措施这一单纯的事实并不指示着这些措施的合并不能被用来获取优势。