专利名称：具有热管理系统的照明系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及照明系统，并且更具体地涉及具有热系统的照明系统。
背景技术：
持续开发高效照明系统来与例如白炽或荧光照明等传统领域的照明源抗争。尽管传统上已经在标牌应用中实现发光二极管(LED)，LED技术的发展已经激起在一般区域照 明应用中使用这样的技术的兴趣。LED和有机LED是固态半导体器件，其将电能转化成光。尽管LED实现将电能转化成光的无机半导体层，有机LED(OLED)实现将电能转化成光的有机半导体层。在提供实现LED和OLED的一般区域照明中已经取得显著的进展。LED应用的一个潜在缺点是在使用期间LED中显著部分的电被转化成热，而不是光。如果热没有有效地从LED照明系统中去除，LED将以高温运行，由此降低效率并且减少了 LED照明系统的可靠性。为了在需要期望的亮度的一般区域照明应用中利用LED，可考虑主动冷却LED的热管理系统。提供紧凑、轻量、高效和对于一般区域照明应用足够亮的基于LED的一般区域照明系统富有挑战性。尽管引入热管理系统来控制由LED生成的热可能是有益的，但热管理系统自身也引入了许多额外的设计挑战。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种照明系统。该照明系统包括壳体结构。该照明系统进一步包括光源，其配置成提供通过壳体结构中的开口可见的照亮(illumination)。再进一步，该照明系统包括热管理系统，其配置成通过壳体结构提供单向空气流。另外，该照明系统包括驱动器电子器件，其配置成提供功率给光源和热管理系统中的每个。在另一个实施例中，提供了一种照明系统，其包括设置在照明板的表面上的发光二极管(LED)阵列。该照明系统进一步包括设置在该LED阵列上方的热管理系统，其中该热管理系统包括多个合成喷射装置，其中这些多个合成喷射装置中的每个配置成在平行于照明板的表面的方向中产生射流。在另一个实施例中，提供了一种冷却照明系统的方法。该方法包括照亮设置在照明系统的平坦表面上的多个照明元件、将来自这些多个照明元件的热传递到散热器、以及将空气从照明系统外部的区域驱动通过照明系统并且返回到照明系统外部的区域。在另一个实施例中，提供了一种照明系统，其中该照明系统包括爱迪生灯座，其配置成电耦合到标准灯插座、光源和热管理系统。该热管理系统包括被动冷却组件和主动冷却组件。
当下列详细描述参照附图(其中类似的符号代表整个附图中类似的部件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势变得更好理解，其中
图I是根据本发明的实施例的照明系统的框 图2图示根据本发明的实施例的照明系统的透视 图3图示根据本发明的实施例的图2的照明系统的分解 图4图示根据本发明的实施例的图2和图3的照明系统的热管理系统的空气流；
图5图示根据本发明的实施例的图2和图3的照明系统的光源的透视图； 图6图示根据本发明的实施例的图5的光源的布图设计；
图7图示根据本发明的实施例、配置成提供功率给图5的光源的电路的示意图；以及 图8图示根据本发明的实施例、配置成提供功率给热管理系统的电路的示意图。
具体实施例方式本发明的实施例大体上涉及基于LED的区域照明系统。新颖的灯具提供有驱动器电子器件、LED光源和主动冷却系统，其包括合成喷射。在一个实施例中，照明系统适合标准6" (15.2 cm)光晕并且在灯和光晕之间留下近似O. 5" (1.3 cm)。备选地，可不同地缩放照明系统，这取决于应用。目前描述的实施例提供照明源，其利用90%驱动器电子器件效率产生近似1500流明(Im)，并且可在区域照明应用中有用。热管理系统包括合成喷射冷却，其在照明系统中和外提供空气流，这允许LED结温对于公开的实施例保持在低于100°C。为了达到1500 lm，公开的光源利用蓝色LED和磷光体混合物，其引起近似3000°开尔文和超过82的显色指数(CRI)的相关色温(CCT)。例如，在一个实施例中，光源可利用19个 LED。有利地，在一个实施例中，照明系统使用常规的螺旋灯座(即，爱迪生灯座)，其连接到电网。电功率由相同的驱动器电子器件单元适当地供应给热管理系统和光源。在一个实施例中，以500 mA和59. 5 V驱动光源的LED而用小于200 Hz和64 V(峰到峰)驱动热管理系统的合成喷射。LED提供总共超过1500稳态面流明(face lumen)，这对于一般区域照明应用是足够的。在下文描述的图示实施例中，提供五个合成喷射装置来与具有多个翅片、和气口的散热器协同工作，以同时主动和被动冷却LED。如将描述的，用期望的功率水平激发合成喷射装置以在照亮LED期间提供充分的冷却。因此，本发明的实施例提供独特的紧凑型照明系统，其能够有效地为区域照明应用提供期望水平的光、利用减少数量的LED (与常规的系统相比)。公开的热管理系统提供从壳体结构的外部、通过照明系统、并且回到环境空气中的空气流。在一个实施例中，如将在下文进一步描述的，该空气流是单向的。通过使用合成喷射的主动冷却技术，结合下文描述的被动散热器和气口，本发明的实施例提供能够产生1500流明、具有减少数量的LED的廉价照明系统。现在参照图1，图示框图，其图示根据本发明的实施例的照明系统10。在一个实施例中，该照明系统10可以是高效固态下射式灯具。一般，该照明系统10包括光源12、热管理系统14、和驱动器电子器件16，其配置成驱动光源12和热管理系统14中的每个。如在下文进一步论述的，光源12包括许多LED，其设置成提供适合于一般区域照明的下射式照亮。在一个实施例中，光源12可能够在100°C的LED结温以75 lm/W、CRI>80、CCT=2700K-3200K、50000小时寿命产生至少大约1500面流明。此外，光源12可包括颜色感测和反馈，以及角度控制。如还将在下文进一步描述的，热管理系统14配置成冷却LED使得LED结温在正常操作条件下保持在小于100°C。在一个实施例中，热管理系统14包括合成喷射装置18、散热器20和气口 22，其配置成协同工作来为照明系统10提供期望的冷却和空气交换。驱动器电子器件16包括LED功率供应24和合成喷射功率供应26。如将在下文进一步描述的，根据一个实施例，LED功率供应24和合成喷射功率供应26每个包括驻留在相同的系统板(例如，印刷电路板(PCB))上的许多芯片和集成电路，其中驱动器电子器件16的系统板配置成驱动光源12、以及热管理系统14。现在参照图2，图示照明系统10的一个实施例的透视图。在一个实施例中，照明系 统10包括常规的螺旋灯座(爱迪生灯座)30，其可连接到常规插座(常规插座耦合到电功率网)。系统组件包含在一般称作壳体结构32的壳体结构内。如将关于图3进一步描述和图示的，壳体结构32配置成支撑并且保护光源12、热管理系统14、和驱动器电子器件16的内部部分。在一个实施例中，壳体结构32包括罩34，其具有通过其位置的空气狭缝36。罩34配置成保护电子器件板，其具有设置在其上的驱动器电子器件16。壳体结构32进一步包括热管理系统壳体38,用于保护热管理系统14的组件。根据一个实施例，如在下文进一步描述的，热管理系统壳体38形状适于使得气口 22允许环境空气流凭借热管理系统14中的合成喷射流进并且流出照明系统10。此外，壳体结构32包括面板40，其配置成支撑并且保护光源12。如将在图3中描述并且图示的，面板40包括开口，其大小和形状适于允许光源12的LED 42的面和/或光学器件暴露在照明系统10的下侧处，使得当LED 42被照亮时提供一般区域下射式照明。现在转向图3，图示照明系统10的分解图。如前面描述并且图示的，照明系统10包括壳体结构32，其包括罩34、热管理系统壳体38、和面板40。当被组装时，壳体结构32由配置成与罩34、热管理系统壳体38、和例如多个螺母46的夹持机构接合的螺钉44紧固。在一个实施例中，面板40大小和形状适于与照明系统10的灯座摩擦接合，和/或由例如附加螺钉(未示出)的另一个夹紧机构紧固。面板40中的开口 48大小和形状适于使得安置在光源12下侧上的LED 42可对于开口 48可见。光源12还可包括夹紧组件，例如配置成与热管理系统14的下侧接合的销50。如将意识到的，可包括任何多种夹紧机构来紧固壳体结构32内的照明系统10的组件，使得照明系统10 —旦被组装供使用，就是单个单元。如前面描述的，容置在罩34内的驱动器电子器件16包括许多安装在单个板(例如印刷电路板(PCB) 54)上的集成电路组件52。如将意识到的，具有安装到其的组件的PCB54，例如集成电路组件52，形成印刷电路组装件(PCA)。便利地，PCB 54大小和尺寸适于装配在保护罩34内。此外，PCB 54包括通孔56，其配置成收容螺钉44使得驱动器电子器件
16、热管理系统壳体38、和罩34机械稱合在一起。根据目前描述的实施例，配置成为光源12提供功率的电子器件的全部、以及热管理系统14包含在单个PCB 54上，该单个PCB 54安置在热管理系统14和光源12上方。从而，根据本设计，光源12和热管理系统14共享相同的输入功率。
在图示实施例中，热管理系统14包括散热器20，其具有经由螺钉62耦合到底座60的许多翅片58。如将意识到的，散热器20为由LED 42产生的、要耗散的热提供热传导路径。散热器20的底座60设置成靠在光源12的背面上，使得来自LED 42的热可传递到散热器20的底座60。翅片58从底座60垂直延伸，并且设置成互相平行。热管理系统14进一步包括许多合成喷射装置18，其可安装在散热器20的翅片58上。如将意识到的，每个合成喷射装置18配置成提供合成射流来提供LED 48的进一步的冷却。每个合成喷射装置18包括隔膜64，其配置成由合成喷射功率供应26驱动，以使得隔膜64在中空框架66内快速地来回移动来形成通过框架66中的开口的空气喷射，该空气喷射将被引导通过散热器20的翅片58之间的间隙。合成喷射装置18可包括调整片(tab)68，其具有通过其中的孔，使得销69可用于将每个合成喷射装置18紧固到相应的翅片58。热管理系统14和由这些合成喷射装置18产生的单向空气流将在下文关于图4进一步描述。现在参照图4，提供照明系统10的部分截面视图来图示热管理系统14的某些细节。如前面论述的，热管理系统14包括合成喷射装置18、散热器20、和气口 22。散热器20 的底座60设置成与下层光源12接触，使得热可以从LED 42被动地传递到散热器20。合成喷射装置18的阵列设置成主动帮助沿散热器20的翅片58的热传递的线性传递。在图示实施例中，一个合成喷射装置18安置在由平行翅片58之间的间隙提供的凹陷内。可以对合成喷射装置18供电以在翅片58之间形成散热器20内部的单向空气流，使得来自周围区域的空气通过口 22A中的一个被夹带(entrain)进入管道并且来自散热器20的暖空气通过其他口 22B被射入环境空气中。进入口 22A、通过翅片间隙并且到口 22B外的单向空气流一般由空气流箭头70指示。有利地，单向空气流70防止热积聚在照明系统10内，这是关注下射式系统的热管理设计的主要原因。在备选实施例中，由合成喷射装置18形成的空气流可以例如是辐射式或冲击式的。目前描述的热管理系统14能够以近似30W热生成提供小于100°C的LED结温。如将意识到的，合成喷射(例如，合成喷射装置18)是零净质量流量装置，其包括由柔性结构和小的孔口(空气可以穿过)包围的空气腔或体积。该结构可被诱发成以通过孔口周期性地引起对应的空气抽吸和排出。合成喷射18将净的正向动量赋予其外部流体，在这里是环境空气。在每个循环期间，该动量表现为自对流涡流偶极子，其发射远离喷射孔口。涡流偶极子然后撞击要冷却的表面，在这里是下层光源12，从而扰乱边界层并且使热远离其源而对流。在稳态条件期间，该碰撞机制在被加热的组件附近发展循环模式并且便于热空气和环境流体之间的混合。根据一个实施例，每个合成喷射装置18具有两个压电圆盘，其被异相激发并且由具有孔口的薄的柔顺壁分开。该特定设计在测试该公开的设计期间已经证明冷却大幅提高。注意合成喷射操作条件应该选择成在照明应用内实践，这是重要的。压电组件与压电蜂鸣器元件相似。使合成喷射18夹持在灯具中的封装应该使其定向成最大化冷却效果而不机械制约合成喷射的运动。合成喷射装置18的冷却性能和操作特性是由于若干物理域之间的相互作用，其包括在用于致动的压电材料中的机电耦合、柔性圆盘对压电致动的机械响应的结构动力学、和对空气流70喷射的流体动力学和热传递。精密有限元(FE)和计算流体动力学(CFD)软件程序通常用于模拟合成喷射设计和优化的耦合物理学。现在参照图5，图示根据本发明的一个实施例的光源12。如图示的，该光源12包括设置在板72上的许多LED 42。根据一个实施例，光源12可包括十九(19)个蓝色LED 42。例如，每个蓝色LED可以是CREE EZ 1000,470 nm芯片。每个LED 42利用YAG磷光体用于暖光转换。每个LED 42还可包括中间硅酮模制朗伯透镜。测试目前描述的布局并且导致1500 lm，其中25°全宽度半最大值光学器件利用十九个蓝色LED 42而可能处于55 LPff,3000 K和82的CRI。如将意识到的，光源12 通过高度热传导界面而与散热器20热连通。如将意识到的，可采用多种类型的LED 42。此外，利用提高的驱动能力，光源12中LED 42的数量可减少。一般，利用提供作为裸管芯的LED 42提供小的光源12、减小的光学尺寸、以及容易更换个体LED 42。图6图示光源12的一个设计布局，如在图5的实施例中利用的。如图示的，每个个体LED 42可安置到六角形覆盖区74上，并且以蜂巢形模式设置来最小化LED阵列的整个覆盖区。根据一个实施例，阵列的周长(Ca)近似等于75 _。板72的周长(Cp)可近似是130 mm。此外，长宽(Wl)和短宽(Ws)可分别近似等于57 mm和49. 5_。如将意识到的，可采用各种大小和尺寸的LED 42和整个光源12。如前面描述的，驱动器电子器件16包括LED功率供应24和合成喷射功率供应26。在一个实施例中，在单个印刷电路板54(图3)上提供驱动器电子器件16的每个组件的电子器件。可采用任何数量的驱动器电子器件16的设计来实现高效照明系统10的期望的结果，该高效照明系统10能够使用LED 42提供至少近似1500 Im0如在下文进一步描述的，图7图示LED功率供应24的一个实施例并且图8图示合成喷射功率供应26的一个实施例，其已经被测试供在本发明的实施例中使用，并且其已经被证明对于驱动光源12和热管理系统14是可接受的。具体地，图7的图示示意图能够驱动光源12使得照明系统10具有大于90%的效率、大于或等于0.9的功率因数、输入AC电压和输出电压之间的电隔离(galvanicisolation)、和在60Hz的120V RMS输入电压。如众所周知的，图示的LED功率供应24包括逆向变换器拓扑。该逆向拓扑提供隔离并且还通过构成的变压器的匝数比提供电压转换比率的调整。LED功率供应电路24的开关频率可以选择成在低的100 kHz以便影响无源组件大小的减小。图8的电路被证明在为热管理系统14的合成喷射18提供足够的驱动条件方面是可接受的。本领域内技术人员将意识到可在照明系统10中采用任何数量的电路，以便满足驱动光源12和热管理系统14中的每个的优选系统要求。测试数据和示例电路设计
在为LED功率供应24选择可接受的电路设计中，考虑满足下列参数的设计。效率彡 90%ο功率因数对于商业应用彡O. 9，对于住宅应用彡O. 7。在60Hz的120V RMS输入电压。输入AC电压和输出电压之间的电隔离。供应成本近似$10。基于期望的参数，为LED功率供应24选择在图7中图示的逆向变换器拓扑。逆向变换器电路80是在照明应用中使用的很好理解的拓扑。该电路的可靠性很好理解并且期望作为大规模生产中该电路组件的来源是成本有效的。逆向拓扑提供隔离并且还允许通过构成的变压器的匝数比调整电压转换比率。电路的开关频率可以选择在低的100s kHz以便影响无源组件大小的减小。
逆向变换器的基本电路80在图7中示出。该电路80包括电磁干扰(EMI)滤波器82、阻尼网络84、用于对AC输入电压整流的整流器86、和变压器88。逆向变压器88将输入电压(具有峰值Vi)对LED 42转化成DC电压V。并且对辅助电子器件转化成V。。，该辅助电子器件还为家政电路(未示出)供电并且也为合成喷射18的功率电子器件供电。开关QJ在这里，是MOSFET 90，在下文进一步描述)以感兴趣的开关频率fsw操作。逆向变换器的转移函数是
权利要求
1.一种照明系统，包括 壳体结构； 光源，其配置成提供通过所述壳体结构中的开口可见的照亮； 热管理系统，其配置成通过所述壳体结构提供单向空气流；以及 驱动器电子器件，其配置成提供功率给所述光源和所述热管理系统中的每个。
2.如权利要求I所述的照明系统，其中，所述壳体结构包括 罩，所述罩在其中具有狭缝并且配置成包含所述驱动器电子器件； 热管理系统壳体，其配置成包含所述热管理系统，并且具有多个气口，其中所述多个气口中的至少一个配置成夹带环境空气，并且所述多个气口中的至少另一个配置成拒绝来自所述照明系统的暖空气进入所述环境空气；以及 面板，其具有通过其形成的所述开口。
3.如权利要求I所述的照明系统，其中，所述光源包括至少一个发光二极管(LED)。
4.如权利要求I所述的照明系统，其中，所述光源包括采用阵列设置的19个蓝色发光二极管。
5.如权利要求I所述的照明系统，包括 散热器； 多个合成喷射装置；以及 管道系统，其包括配置成吸入和排出环境空气的管道。
6.如权利要求I所述的照明系统，其中，所述散热器包括底座部分和从所述底部部分延伸的多个翅片，其中所述多个翅片在其之间提供多个空气间隙。
7.如权利要求6所述的照明系统，其中，所述多个翅片中的至少一个具有耦合到其的所述多个合成喷射装置中的一个。
8.如权利要求7所述的照明系统，其中，当所述合成喷射装置被激活时，沿所述多个空气间隙中的每个提供通过所述多个翅片中的每个的长度的单向空气流路径。
9.如权利要求I所述的照明系统，其中，所述驱动器电子器件包括发光二极管(LED)功率供应和合成喷射功率供应。
10.如权利要求9所述的照明系统，其中，所述LED功率供应和合成喷射功率供应中的每个设置在单个印刷电路板上。
11.一种照明系统，包括 发光二极管(LED)阵列，其设置在照明板的表面上；以及 热管理系统，其设置在所述LED阵列的上方，其中所述热管理系统包括多个合成喷射装置，其中所述多个合成喷射装置中的每个配置成在平行于所述照明板的所述表面的方向中产生射流。
12.如权利要求11所述的照明系统，包括设置在所述热管理系统上方的驱动器电子器件，并且所述驱动器电子器件配置成向所述热管理系统和所述发光二极管阵列中的每个提供功率。
13.如权利要求12所述的照明系统，其中，所述驱动器电子器件包含在单个板上。
14.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述发光二极管阵列包括小于或等于19个发光二极管。
15.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述照明系统包括基于螺钉的结构，其配置成使所述照明系统电耦合到标准插座。
16.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述照明系统配置成产生至少近似1500流明。
17.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述热管理系统包括散热器，其具有热传导底座部分和从所述底座部分的所述表面延伸的多个热传导翅片。
18.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述多个合成喷射装置中的合成喷射装置耦合到所述多个热传导翅片中的每个。
19.一种冷却照明系统的方法，包括 照亮设置在所述照明系统的平坦表面上的多个照明元件； 将来自所述多个照明元件的热传递到散热器；以及 将空气从所述照明系统外部的区域驱动通过所述照明系统并且返回到所述照明系统外部的所述区域。
20.如权利要求19所述的方法，其中，驱动空气包括利用多个合成喷射装置产生多个合成射流。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述散热器包括多个翅片，并且其中驱动空气包括驱动所述多个翅片中的每个之间的空气。
22.如权利要求19所述的方法，其中，照亮包括将多个发光二极管照亮到至少近似1500流明。
23.如权利要求19所述的方法，其中，照亮所述多个照明元件并且驱动所述空气由设置在单个板并且由公用事业电网供电的电子器件而得到促进。
24.—种照明系统,包括 爱迪生灯座，其配置成电耦合到标准灯插座； 光源；以及 热管理系统，其包括被动冷却组件；以及主动冷却组件。
25.如权利要求24所述的照明系统，其中，所述光源包括多个LED。
26.如权利要求24所述的照明系统，其中，所述被动冷却组件包括散热器，其包括与所述光源接触设置的底座部分、以及从所述底座部分延伸的多个翅片。
27.如权利要求24所述的照明系统，其中，所述主动冷却组件包括合成喷射装置阵列。
28.如权利要求24所述的照明系统，其中，所述被动冷却组件包括散热器，其包括与所述光源接触设置的底座部分、以及从所述底座部分延伸的多个翅片，并且其中所述主动冷却组件包括合成喷射装置阵列，其中每个合成喷射装置配置成在所述多个翅片的相应翅片对之间产生空气流。
全文摘要
提供具有独特配置的照明系统(10)。例如，该照明系统可包括光源(12)、热管理系统(14)和驱动器电子器件(16)，每个包含在壳体结构(32)内。光源配置成提供通过壳体结构中的开口可见的照亮。热管理系统配置成通过壳体结构提供空气流，例如单向空气流(70)，以便冷却光源。驱动器电子器件配置成向光源和热管理系统中的每个提供功率。
文档编号F21Y101/02GK102762921SQ201080064650
公开日2012年10月31日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年2月23日
发明者C.小沃尔夫, C.西利, G.屈恩斯勒, M.阿里克, R.沙马, S.普拉巴卡兰, S.韦弗, T.伊科斯, T.施特赫尔, Y.乌特卡 申请人:通用电气公司