专利名称：在led灯中使用相变材料的储热系统的制作方法
在LED灯中使用相变材料的储热系统优先权要求本申请要求题为“LED灯的储热系统”，递交于2008年3月2日的美国临时专 利申请No.61/032,989，以及题为“在LED灯中使用相变材料的储热系统”，递交于2008 年9月24日的美国专利申请No.12/237,313的优先权，它们的内容以参考方式明确合并于 此。
背景技术：
发光二极管(LED)是一种半导体二极管，其在p-n结的正向为电偏压时发射非 相干的窄谱光。LED比白炽灯每瓦特产生更多光。LED经常用于电池供电或者节能装 置，其在更高功率的应用中变得日益普及，例如闪光灯，区域照明，和常规家用光源。LED的性能很大程度上取决于其工作环境的周围温度。在高周围温度下强行驱 动LED可能导致该LED的包装过度加热，使之性能不佳，最后导致设备故障。因此需 要足够的散热或者冷却，以保持LED的长寿命，这在汽车，医疗，和军用用途中尤其重 要，这些用途中LED必须在大温度范围下运行，并需要有低的故障率。一般而言，LED冷却系统很大程度上依赖于对流机制进行散热。热对流指通过 外源(例如风扇)的热传递，或者由流体中的温度变化所导致的密度差产生的浮力所引起 的热交换。对于更长期间的热耗散，采用可吸收热并缓慢升温的热传导性材料可能很不 实际。作为非限制性的实施例，冷却在一般的照明用途中使用LED八小时或更久时所需 要的铝片尺寸会很大，使得铝不会饱和，而LED的温度会有不可接受的尖峰。原因是需 要储存所产生热量的铝的体积超过该LED灯泡外壳的尺寸限制，为此用途所需的铝的量 大而不切实际，并且铝因为相对于积存热量成比例地线性升温，使其促进的热对流效率 低，而导致对于给定LED功率水平和运行时间所需的热容量非常巨大。以下相关领域的实施例和与此相关的限定的意图是说明性的而不是排他的。通 过对说明书的阅读和对附图的研究，其它相关领域的特征将变得显而易见。
发明内容
概述 相变材料(PCM)被用于照明系统，包括基于LED的照明系统的热存储。此种 PCM被置于密封容器中，和需要被冷却的照明系统紧密接触。因为该PCM材料可以具 有低的导热性，应当采用特定的PCM容纳几何形状，以与LED发生足够的热耦合，来将 充分的热量移入该PCM材质中。该PCM经过选择，使得其熔点温度与该照明系统的优 选工作温度相近。具有接近某些LED的工作温度的熔点温度的PCM的实例包括柠檬酸 钠和磷酸钠。当PCM作为固体从该照明系统吸收热量时，其温度上升。然而，当该PCM达 到熔点时，该PCM的温度停留在其熔点温度，直至该PCM完全从固相变为液相。然后 该PCM继续升温。由于PCM可以在其从固体至液体的相变期间吸收大量热量，该PCM可以存储大量该照明系统产生的热量，而保持其温度在熔点温度。本概要以简化形式介绍了一些构思，在以下的详细说明中有进一步的描述。本 概要的意图不是确定所要求的主题的关键特征或者必要特征，也不是用于限制所要求主 题的范围。
图1描绘了采用相变材料为照明系统提供热存储的系统的实施例。图2显示了相变材料在该材料加热时的特性温度变化的实施例。图3描绘了一种用相变材料支持LED照明热存储的方法的实施例流程图。图4描绘了在堆叠容器中采用相变材料支持LED照明热存储的系统的实施例。图5显示了连续运行的基于对流的LED照明系统，循环运行的基于对流的LED 照明系统，以及用相变材料作热存储的LED照明系统的运行范围的实施例。
具体实施例方式详述以下详细描述对照明系统(例如基于LED的照明系统)提供热存储的方法。该 储热系统采用相变材料。现在将描述本发明的不同方面。为了彻底理解以及对这些实例进行说明，以下 说明提供特定的细节。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可以不具备许多这类细 节而被实施。此外，一些众所周知的结果或者功能可能不作详细地的显示或者描述，以 避免不必要地妨碍相关的说明。尽管示意图将组件描绘为功能性分离组件，此种描绘仅 仅是为了说明性目的。对于本领域的普通技术人员而言显而易见的，描绘于此图中的组 件可以是任意结合或者分成分离的组件。以下介绍的用于本发明的术语应当以最宽的合理方式解释，即使在其正被用于 本发明某些特定的实施例的详细说明中。某些词语甚至可能在以下介绍中被强调；然 而，欲以任何限制方式解释的任何术语将被明显地，特定地在此详细说明部分定义。图1描绘了用于照明用途的储热系统的框图。在图1的实施例中，该系统100 包括一个或多个灯106和一种或多种相变材料104，其各自被包围于密封容器108中。该灯106可以包括任何类型的基于LED的照明系统，包括但不限于，用于 高强度灯的LED，例如用于汽车用途的灯或者聚光灯，以及装配于包围空间(enclosed quarters)中，例如凹形罐中的LED灯。在图1的实施例中，采用相变材料(PCM) 104吸收该灯106产生的热量。PCM 是一种高熔化热的材料，以使得将该PCM从固体转变为液体必须施加大量热能。在PCM 的熔点以下和以上，该PCM在吸收热量时升温。然而在该PCM的熔点，该PCM吸收 热量而不升温，直至其整体从固体状态变为液体状态。图2示意了随着时间的推移添加热量至PCM 104时该PCM的温度变化特征图。 在曲线201的左侧，该PCM为固相。当热量被添加至该PCM时，该曲线201向右移动。 在曲线201上的点203处，该PCM达到其熔点温度202并进入相变状态204。该PCM 104的温度在此熔点温度202固定，并继续吸收热量，直至该PCM已经达到点205处的液相。热量继续被添加至该PCM时，在点205的右侧，该PCM的温度再次开始增加。用密封容器108包含PCM，因为该PCM在固体和液体状态之间交替。此外，该PCM具有精确的水含量，该容器108阻止该PCM中的水向空气脱水。该容器108趋 于“气密”，亦即趋于基本上不透气。在一个实施方式中，该密封容器108是金属的或 者金属化的。在一个实施方式中，该密封容器108可以是塑料的，并包覆有金属膜，以 在多年使用中阻挡水分转移。许多源于热存储器方案的特征被显示于图1中。值得注意的是，该PCM 104的 温度固定效应有效地将其自身的温度以及该灯106的温度固定在该熔点温度202，直至发 生从固体至液体的完全相变。在固定期间，PCM 104吸收全部或者至少一部分该灯106 释放的热量或者能量，而保持其温度稳定，因此该灯106可以继续在其正常工作温度范 围内工作。这对于基于LED的灯尤其重要，因为LED的有效输出量，效率，和寿命极 大地依赖于反射回该基于硅的装置的温度。采用作为热存储器的PCM允许LED被全功 率驱动。由此可以实现巨大的成本节约，因为用接近一半数量的在工业中通常用于常规 设备的LED即可产生相同量的照明。在一个实施方式中，PCM 104的相变储热性能被设计为基本上匹配灯106在住宅 或者商业设定中典型的随时间的周期使用率，例如四至14小时开启，其余时间关闭。该 灯106可以被设计为在该灯开启时对流走一部分产生的热能，例如一半所产生的能量， 并将剩余部分的热能保持于PCM 104中。当该灯关闭时，由于该材料的状态变为固态， 储存于PCM104中的热量被缓慢释放。该热释放的随时间的有效传播降低了建筑物的冷 却能力需求，增加总体建筑物效率，因为更少的能量被用于冷却灯106。图5显示了连续运行的基于对流的LED照明系统，循环运行的基于对流的LED 照明系统，以及采用相变材料作为热存储器，用于循环用途的LED照明系统的实际运行 范围的曲线图500。曲线510显示了连续运行的基于对流的LED照明系统的最大运行范 围的实施例。此种纯对流系统的最大对流能力被称为100%对流能力，其为另一系统与 之比较的基线。因此，200%对流能力的参照值表示可以由系统释放的热能的量是可以由 该基准系统释放的量的两倍。该连续运行的系统可以在任何更低的功率输出下运行，其 需要更低的对流能力，由曲线图500中曲线510表示的‘常规运行范围’之下的区域显
示 ο曲线520显示了在二十四小时周期上用于循环用途的按固定作业循环运行的基 于对流的照明系统的最大运行范围的实施例。对于该100%工作循环的实施例(在曲线 520上的点522)，该曲线520与曲线510相交，因为该系统为连续运行。对于在24小时 周期中照明系统连续开启12小时的50%工作循环的实施例(在曲线520上的点524)，该 循环系统应具有两倍于(200%)的该连续运行的照明系统的对流能力，因为该循环系统 只运行该连续操作系统的一半时间，因此在该工作循环的关闭期间有12小时时间释放所 吸收的热能。类似地，对于33%工作循环的实施例(在曲线520上的点526)，该循环系 统应具有三倍于该连续运行照明系统的对流能力。该循环运行系统可以在任何需要更低 对流能力的更低的功率输出或者更低的工作循环下运行，由曲线图500中曲线520以下的 区域显示。曲线530显示了采用相变材料作为热存储器的LED照明系统的运行范围实施例。此实施例照明系统的设计标准要求该灯具有充分的PCM蓄热能力，以在8小时的 运行时间期间提供200%对流能力(点532)。此种同样的灯可以在4小时运行时间提供 300%对流能力，用于例如聚光灯，车库开门器，储藏室，或者洗手间(点534)，或者在 16小时的运行时间期间提供150%对流能力，用于例如延伸的商业应用，街灯或者零售 用途(点536)。该照明系统还可以在任何需要更低对流能力的低功率输出或者低工作循 环下运行，其由曲线图500中曲线530表示的‘延伸运行范围’之下的区域显示。在一个实施方式中，可用的类似于曲线图500的曲线图将向顾客和/或设计者呈 现为照明系统设计。例如，顾客和/或设计者可以通过规定需要的最大运行工作循环和 最大输出功率定义他们的照明需要，显示不同的可用的照明系统设计的图表可用于帮助 选择适当的照明系统。在一个实施方式中，类似于曲线图500的曲线图可以由电气系统检验员或者建 筑检验员使用，以保证该照明系统符合可适用的电气规程或者建筑安全要求。在图1的实施例中，当灯106用于向下的光用途时，该灯106被装配于凹座容器 中，当配置唯对流冷却系统时该凹座容器可以将热量保持在所包围的空间内。在此类用 途中，热存储器方案100中的PCM 104可容许灯106的全部额定性能，其方式是将从灯 106分流至PCM的热量在灯106被关闭后从PCM104释放出来。另一个设计于图1中的热存储器方案的用途是用于汽车用途的具有循环使用模 式的高强度LED灯106的用途。在此类用途中，当汽车移动时，有许多对流冷却的途 径。然而当汽车停止时，没有足够的冷却，减低亮度，或者采用不切实际的用于吸收热 量的大体积被动材料，灯106会在数分钟内烧毁。然而，以PCM 104的储存性，该灯106 的温度会被固定在其工作温度，允许灯106即使在汽车停止时继续在完全强度下工作。在图1的实施例中，与具有相同限定峰值温度的简单的巨大被动热质相比， PCM 104的特定的和升提高的相变温度可以实现更大的平均对流。与PCM 104具有相 同限定峰值温度的巨大被动热质平均来说将在峰值温度的二分之一运行，导致了大体上 二分之一的平均对流。因此，与具有相同限定峰值温度的PCM 104相比，在加热周期期 间简单热质最多吸收近两倍的热量，并以一半的速率释放热量。在LED光源的循环用 途中，此种区别是显著的，其中该LED的峰值温度必须受到控制，以最大化该LED的寿 命，并且该LED的流明输出，和平均对流必须最大化，以最大化该LED在循环用途中可 用的工作循环。在图1的实施例中，PCM 104可以是普通的，低成本的，和非毒性的物质，例如 某些类型的共熔盐，其在LED的理想工作温度或者附近发生相变。采用的PCM 104的 类型可基于该材料的体积决定，该材料可以存储于于普通的灯106中，当与具有相变的 有效对流方案结合时，将与实施例曲线图500 —致地周期运行，用于有关用途。在优选实施方式中，特定类型的PCM 104可以是共熔水合盐，例如柠檬酸钠或者磷酸钠。特别有用的是相变温度在48°C-58°C之间的柠檬酸钠，以及相变温度约70°C 的磷酸钠。其它盐，例如各种硝酸盐，或者石蜡也可以使用。然而，它们可能呈现较差 的热性能或者安全特性。在一些实施方式中，PCM盐可以和特定的成核剂结合，以减少过度加热和过度 冷却。此外，PCM 104还可以和稳定剂结合，以在该照明系统的寿命中发生的许多周期的熔化和凝固期间减少该PCM的盐和水组分永久性分离/分凝。 基于PCM的储热系统的一个优点是，该PCM可被选择以使其熔点近似匹配特 定LED的工作温度，以直接控制对温度更加敏感的LED。对于非限制性的实施例，在 RGB (红绿蓝)光混合用途中，照明装置的输出能量由于红光LED的热敏性已非常受限。 通过使用具有较低温度的PCM的存储方案100，红光LED可以被全功率驱动。因此，对 于给定的输出额，这些类型产品的成本被降低，因此允许它们进入更多的用户不仅对减 低灯光亮度感兴趣，也对调节它们颜色感兴趣的市场用途。在一些情形下，在同一光源 106中使用不同类型的PCM以进一步调节不同类型LED的能量可能也具有经济效益。图3描绘了为了热存储器将相变材料用于LED照明的方法的实施例的流程图 300。尽管该图为了示例而描绘了特定顺序的功能步骤，该工艺不局限于任何特定的顺 序或者步骤安排。本领域技术人员应当了解，此图中描写的各种步骤可以多种方式被省 略，再排列，结合和/或修改。在图3的实施例中，流程图300起始于方框302，其中PCM的相变温度被调节 至基本上匹配需被冷却的LED的工作温度。此种调节可以通过选择材料的适当类型和/ 或组合，以及添加如上所述的核化或者稳定剂实现。该流程图300延续至方框304，其中该PCM的容器被放置为与需要冷却的 LED(或者采用它的照明源)紧密接触。然后该流程图300分为两条并行路径。在第一路径中，在方框306，在使用该 LED的照明源被开启后，该PCM吸收和存储至少一些由该LED产生的热量。在吸热步 骤期间，一旦该PCM达到其熔点，该PCM的温度保持在基本上符合该LED的工作温度 而该PCM变化其状态。因此，该LED不会升温超过其理想的工作温度。流程图300的第一路径延续至方框308，其中，在该灯被关闭之后，该PCM散 出其在LED工作期间吸收的热量。流程图300的第一路径终止于方框399。在第二并行路径中，方框304延续至方框305，其中一些LED产生的热量主动地 或者由于LED源和周围环境之间的温度梯度对流出去。流程图300的第二路径终止于方 框 399。图4描绘了系统400的实施例，其支持使用相变材料的堆叠层用于LED照明的 热存储器。在图4的实施例中，该系统400包括一个或多个灯406，其使用一个或多个 LED 402和具有多重堆叠容器412，414，416的贮热器410。系统400中显示了三层堆叠 容器，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，更多或者更少的容器均可被使用。 在一个实施方式中，各堆叠的容器是密封的，其容纳PCM材料。该堆叠容器412，414， 416中的PCM材料可能是或者可能不是同一种材料。和金属导体相比，PCM呈现相对弱的热传导系数。因此，当熔化线路进入固体 物质越来越深时，简单大块体积的PCM呈现的通过该固体的热阻率和温度梯度是不可接 受的。此外，一定体积的PCM的高度应被最小化，以减少驱使它的重力浮力梯度。因 此，PCM容器412，414，416通常不很深，并可以类似于容器盖。在一个实施方式中，该系统400中的该贮热器410可以包括容器盖412，414， 416的堆叠，各容器盖具有容器侧面。该容器侧面可以具有典型的灯泡几何形状，例如柱 体或者圆锥状。此“堆叠容器”结构提供足够的通过该堆叠容器盖412，414，416的容器盖以及容器侧面的热传导。使用这种几何结构，对于希望的加热速率和体积，在该贮 热器410中的该PCM的任何位置的整体温度近似接近于源温度。
在一些实施方式中，堆叠容器可以先用传统的杯形成，深拉，和成颈(用于圆 锥形状)，然后用盖形成和密封的自动化容器制造方法生产。产品是由最小数量的廉价 金属片用成熟的(long-proven)自动化工艺形成适于最大化PCM性能的复杂的热传播几 何形状。值得注意的是PCM的容纳不局限于如上所述的容器制造方法。其它优选的基 于片-金属的容纳方法也可以被使用。作为非限制性的实施例，嵌套的渐进变小的“折 皱”片的容器和/或层也已被证明有效。热源可以连接由一个或多个容器组成的堆叠中的盖，底部，或者侧面或者一个 或多个容器。如有必要，根据热源的位置，可以在该容器体积的底部，侧面，或者盖引 入附加的鳍形结构。在一个实施方式中，一个或多个容器412，414，416可以包含非PCM热质材 料，例如水，以增进该热存储器410的综合热性能，用于冷却LED 402。在每单位质量 的，以及大部分情形下每单位体积的水的热容量大于所有金属，并且比金属每单位蓄热 价格显著地更低廉。包容PCM所需的片金属技术同样地固有地很适合水包容和热交换。 这些容器中的水进一步具有独特的浮力被动对流流动特性，这是所有固体材料缺少的， 因此可固有地被开发用于特定的凹座天花板用途中的LED冷却。在一些实施方式中，其它固体饼状PCM固态材料可以引入渐进地填满单一容器 中体积的折皱金属片(未示出)层。该被引入的金属片的唇缘具有精细尺寸，并相对于 该容器的侧面被压紧，以在容器壁和堆叠片之间的金属片层中提供高热流量。词语“此处，，，“以上，，，“以下，，，以及具有类似含义的词，在用于本申 请时，应指本申请的整体而非本申请的任何特定部分。如果上下文容许，以上详细说明 中使用单数或者复数的词语也可以分别包括复数或者单数。与两个或两个以上项目的列 表有关的词“或者”覆盖所有以下对该词的解释任何该目录中的项目，全部该目录中 的项目，及该目录中的项目的任何组合。所要求主题内容的各种实施方式的上述说明已经出于示例和说明目的被提供。 这不意味着这些说明是穷尽的或者这些说明将所要求的主题内容限定为公开的精确形 式。对于本领域技术人员而言许多改进和变化将是显而易见的。实施方式的选择和描述 是为了最好地描述本发明的原理和实际应用，从而使相关技术领域之人可以理解所要求 的主题内容，适于特定预期用途的各种实施方式和各种改进。本发明此处提供的教导可以用于其它系统，而不必是上述系统。各种上述的实 施方式的要素和行为可以合并，以提供进一步的实施方式。在上述说明描述某些本发明的实施方式以及预期的最佳方式时，无论上述内容 在文中显得如何详细，本发明也可以用很多方式实现。该系统的细节可以在其实施细节 上很大程度地改变，而仍然被本文公开的发明包括在内。如上所述，特定的术语在描述 本发明的某些特征或者方面时，不应该理解为暗示该术语在此处被再定义为只限于与之 相关的任何本发明的特定的特性，特征，或者方面。通常地，以下权利要求中所用术语 不应该解释为将本发明限定至公开说明书中的特定的实施方式，除非上述详细说明部分 明确定义了此种术语。相应地，本发明的实际范围不仅包括公开的实施方式，也包括权利要求之下本发明的实现或者实施方式的全部等同方式 。
权利要求
1.一种储热系统，包括具有熔点温度的相变材料(PCM)，其中该熔点温度基本上匹配灯的工作温度； 用于容纳该PCM的容器，其中该容器被密封并和该灯相连。
2.根据权利要求1的系统，其中该灯是LED。
3.根据权利要求1的系统，其中该PCM是共熔的水合盐。
4.根据权利要求3的系统，其中该共熔的水合盐选自由柠檬酸钠，磷酸钠，硝酸盐， 和石蜡组成的组。
5.根据权利要求1的系统，其中该PCM在从LED吸收热量时改变其状态。
6.根据权利要求1的系统，其中该PCM与成核剂相结合，以减少过度加热和过度冷却。
7.根据权利要求1的系统，其中该PCM与稳定剂相结合，以减少该PCM的组分分罔。
8.根据权利要求1的系统，其中该PCM的体积被设计为基本上匹配循环应用。
9.根据权利要求8的系统，其中该循环应用基于随时间的循环使用或者循环使用模式。
10.根据权利要求1的系统，其进一步包括提供PCM体积约束的对流组件。
11.一种储热系统，包括一种或多种具有一个或多个熔点温度的相变材料(PCM)，其中该一个或多个熔点温 度基本上匹配照明系统中一个或多个LED的一个或多个工作温度；一个或多个第一容器，其用于容纳一个或多个PCM，其中该一个或多个第一容器被 密封并和该照明系统相连。
12.根据权利要求11的系统，其中该一个或多个第一容器是堆叠的。
13.根据权利要求11的系统，其中该一个或多个第一容器具有圆柱形几何形状。
14.根据权利要求11的系统，其中该一个或多个第一容器具有圆锥形几何形状。
15.根据权利要求11的系统，其中该一个或多个第一容器在底部，侧面，或者顶部包 括鳍状结构。
16.根据权利要求11的系统，进一步包括一个或多个第二容器，其用于容纳非相变热质材料。
17.根据权利要求16的系统，其中该一个或多个第二容器在底部，侧面，或者顶部包 括鳍状结构。
18.根据权利要求11的系统，其中该一个或多个PCM为饼状，并且这些饼在该一个 或多个第一容器中与金属片交替。
19.根据权利要求18的系统，其中该金属片是折皱的。
20.—种方法，包括选择一个或多个PCM，以基本上匹配需冷却的LED的工作温度； 将该一个或多个PCM的一个或多个容器放置为紧密接触该LED ； 在该一个或多个PCM中吸收和存储该LED在其工作期间产生的第一部分热； 在该LED关闭后耗散该一个或多个PCM吸收的热。
21.根据权利要求20的方法，进一步包括对流传导该LED在工作期间产生的第二部分热。
22.根据权利要求20的方法，进一步包括将一个或多个PCM与成核剂结合，以减少过度加热和过度冷却。
23.根据权利要求20的方法，进一步包括将一个或多个PCM与稳定剂结合，以减少该PCM的组分永久性分离。
24.根据权利要求20的方法，其中该一个或多个容器是堆叠的。
25.—种方法，包括在图表上显示一个或多个PCM照明系统的工作范围； 使用该图表帮助为一特定用途选择该照明系统之一。
26.—种方法，包括在图表上显示一个或多个PCM照明系统的工作范围； 使用该图表确定安装的照明系统是否符合电气规程要求。
全文摘要
为基于LED的照明系统做热存储的相变材料(PCM)。该PCM被置于密封容器中，与需要冷却的LED紧密接触。该PCM经过选择，使得其熔点温度近似于该LED的优选工作温度。当该PCM以固态从该LED吸收热量时，其温度上升。而当该PCM达到熔点时，其温度停留在熔点温度，直至该PCM完全由固相转为液相。然后该PCM的温度继续上升。由于PCM在固相转为液相期间可以吸收大量热量，该PCM可以存储大量由该LED产生的热量而维持其熔点温度。
文档编号H05B37/02GK102027805SQ200980115236
公开日2011年4月20日 申请日期2009年2月27日 优先权日2008年3月2日
发明者詹姆斯·金曼, 马修·韦弗 申请人:鲁梅耐蒂克斯公司