CN102449390A - 照明组件和系统 - Google Patents

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CN102449390A CN2010800228234A CN201080022823A CN102449390A CN 102449390 A CN102449390 A CN 102449390A CN 2010800228234 A CN2010800228234 A CN 2010800228234A CN 201080022823 A CN201080022823 A CN 201080022823A CN 102449390 A CN102449390 A CN 102449390A
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罗尔夫·W·比尔纳特
托马斯·R·J·科里根
戴维·G·弗赖尔
雷蒙德·P·约翰斯顿
迈克尔·A·梅斯
肯尼思·A·P·梅尔
瓦迪姆·N·萨瓦蒂夫
威廉·A·托尔伯特
菲利普·E·图马
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Abstract

本发明涉及一种利用LED提供照明的照明组件和系统。在一个方面，本发明提供一种照明组件，包括：多个发光二极管，其发出光；光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光，所述光学系统与所述发光二极管相邻设置；以及冷却翅片，其包括两相冷却系统，所述冷却翅片与所述发光二极管相邻设置，使得所述两相冷却系统从所述发光二极管移除热。在另一方面，本发明提供一种包括多个照明组件的照明系统。本发明的照明组件和系统可用于(例如)路灯、背光源(包括例如日光耦合背光源)、洗墙灯、广告牌灯、停车匝道灯、工矿灯、停车场灯、标牌照明指示牌(也称作电光指示牌)、静态标牌(包括例如日光耦合静态标牌)、发光标牌以及其它照明应用。

Description

照明组件和系统
技术领域
本发明整体涉及一种照明组件。更具体地讲，本发明涉及一种使用发光二极管(LED)的照明组件。
背景技术
照明组件用于多种应用场合。传统照明组件使用诸如白炽灯或荧光灯之类的光源。近来，已经将其它类型的发光元件(具体地讲为发光二极管(LED))用于照明组件。LED具有小尺寸、长寿命和高能效的优点。LED的这些优点使其可以用于多种不同的应用场合。
对于许多照明应用而言，希望使用一个或多个LED来提供所需光通量和/或照度。成阵列的LED常常通过将LED安装到基底上来彼此连接并连接至其他电系统。LED可利用对其他电子器件制造领域通用的技术来设置到基底上，例如，将元件定位到电路板轨迹上，然后利用多种已知技术之一将元件结合到基底，包括手工焊接、波峰焊接、回流焊接以及利用导电粘合剂附着。
除了光之外，LED在工作中会产生热。LED所产生的热和光的量通常与电流成比例。因此，LED产生的光越多，LED产生的热越多。遗憾的是，随着LED电流增大并且温度增加，与电流成比例地生成的光减少，从而导致LED效率和寿命降低。
图1示意性地示出尝试减少照明系统中的总热量的一个现有技术。图1的照明系统1包括附连到基底3的多个LED 2。多个实心翅片4垂直附接到基底3。每一LED 2所产生的热扩散至基底3，并进一步扩散至实心翅片4。实心翅片4周围的空气流引起实心翅片4的对流冷却。
图2示意性地示出尝试减少照明系统中的总热量的另一现有技术。图2的照明系统5与图1的照明系统1相同，不同的是多个导热管6嵌入或附接到基底3，使得基底3有效地成为散热器。导热管是热传递装置，其能够以热界面和冷界面之间非常小的温度差传送大量的热。导热管采用蒸发冷却，以通过工作流体或冷却剂的蒸发和冷凝来将热能从一点传递至另一点。
如图2所示的平面导热管(或散热器)6包括容纳有工作流体(未示出)的密封中空容器以及闭环毛细再循环系统(未示出)。在导热管6的壁内，在热界面处工作流体变成蒸汽，所述蒸汽自然流动并在冷界面上冷凝。液体下落或者通过毛细作用移动，回到热界面以再次蒸发并重复循环。对热传递率的一个实际限制是气体在冷端可冷凝至液体的速度。当导热管的一端受热时，管内该端处的工作流体蒸发，增大导热管腔内的蒸汽压。通过工作流体的汽化吸收的蒸发潜热降低了管热端的温度。管热端处的热液态工作流体上的蒸汽压高于管冷端处的冷凝工作流体上的平衡蒸汽压，这一压差驱使向冷凝端的快速质量传递，在冷凝端处过量蒸汽冷凝，释放其潜热，并使管冷端升温。这样，来自LED 2的热被驱散到整个照明系统5上。
图3示意性地示出尝试减少照明系统中的总热量的另一现有技术。图3的照明系统7包括附接到基底3下侧的多个LED 2。两个导热管6附接到基底3并向上弯曲。多个实心翅片4附接到每一导热管6。LED 2所产生的热扩散到基底3，然后扩散到导热管6，然后扩散到依赖对流冷却的翅片4。
发明内容
本申请的发明人认识到，如果可保持所需的低LED温度，则LED可以更高的亮度(增大的电流)工作。照明系统中的每一LED的亮度增加还可有利于所用LED的减少，从而得到较低成本的照明系统。因此，本申请的发明人认识到，保持所需的低LED温度会生成更多的LED光，节省电力，并且延长LED的寿命。
本申请的发明人发明了高能效照明组件。具体地讲，在本申请的照明系统和/或组件中，与现有设计相比能够更有效地从热源散热，从而能够改善(例如)电效能、寿命、制造成本、重量和尺寸。
本发明涉及利用LED提供照明的照明组件和系统。本申请的照明系统包括光分布受控的高亮度、高强度系统。本文所公开的照明组件和系统可用于一般照明目的，例如，用于对区域进行照明，或者用于产生适于注入许多不同的照明应用中的光输出。此类组件适用于(例如)路灯、背光源(包括例如日光耦合背光源)、洗墙灯、广告牌灯、停车匝道灯、工矿灯、停车场灯、标牌照明指示牌(也称作电光指示牌)、静态标牌(包括例如日光耦合静态标牌)、发光标牌以及其它照明应用。
在一个方面，本发明提供一种照明组件，包括：一个或多个发光二极管，其发出光；光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光，所述光学系统与所述发光二极管相邻设置；以及冷却翅片，其包括两相冷却系统，所述冷却翅片与所述发光二极管相邻设置，使得所述两相冷却系统从所述发光二极管移除热。
在另一方面，本发明提供一种包括多个照明组件的照明系统。
在另一方面，本发明提供一种路灯，包括：多个发光二极管，其发出光；光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光，所述光学系统与所述发光二极管相邻设置；以及多个冷却翅片，每一冷却翅片包括两相冷却系统，所述多个冷却翅片与所述发光二极管相邻设置，使得冷却翅片内的两相冷却系统从所述发光二极管移除热。
在另一方面，本发明提供一种洗墙灯，包括：发光二极管，其发出光；光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光；以及两相冷却系统，其包括对流冷却表面，所述两相冷却系统与所述发光二极管相邻设置，使得所述两相冷却系统从所述发光二极管散热。
在另一方面，本发明提供一种照明系统，包括：发光二极管，其发出光；光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光；以及两相冷却系统，其包括对流冷却表面，并且所述两相冷却系统与所述发光二极管相邻设置，使得所述两相冷却系统从所述发光二极管散热。
附图说明
图1示意性地示出尝试减少照明系统中的总热量的一个现有技术。
图2示意性地示出尝试减少照明系统中的总热量的另一现有技术。
图3示意性地示出尝试减少照明系统中的总热量的另一现有技术。
图4A和图4B是包括发光的LED的照明组件的剖视示意图。
图5是包括多个单独的照明组件的照明系统的侧视图。
图6是包括多个单独的照明组件的照明系统的透视图。
图7A是示出附接到冷却翅片底部的多个LED的示意图。图7B是示出附接到冷却翅片侧面的多个LED的示意图。图7C是示出多个倾斜的LED以及平行于冷却翅片设置的楔形件形式的光学系统的示意图。
图8是多个冷却翅片30的示意图，所述冷却翅片倾斜，从而以所需图案引导LED所发出的光。
图9是包括设置在相邻冷却翅片之间的一个或多个辐射板的照明系统的透视示意图。
图10是示出多个倾斜的LED 12和作为光学系统20的中空楔形件的示意图，所述中空楔形件垂直于冷却翅片30设置。
图11-14是本文所述类型的照明系统的各种实施例。
图15是包括图11的照明系统的路灯。
图16和图17是包括本文所述类型的照明系统的洗墙灯具的示意图。
图18是示出可将光注入实心或中空光导中以便于背光源中使用的照明组件的示意图。
具体实施方式
图4A和图4B是包括发出光14的LED 12的照明组件10的剖视示意图。图4A和图4B以示例性矩形布置方式示出LED 12，但是其他已知构型和形状也是已知的，并可用于本申请的照明系统和组件。为了简明起见，没有示出LED的电触点。
可使用任何合适的材料来形成LED 12，例如金属、聚合物、有机半导体材料、无机半导体材料等。如本文所用，术语“LED”和“发光二极管”通常是指发光半导体元件，其具有接触区域以向二极管提供电力。不同形式的无机LED可由(例如)一种或多种III族元素、一种或多种V族元素(III-V半导体)、一种或多种II族元素以及一种或多种Group VI族元素的组合形成。LED中所使用的III-V LED材料的例子包括氮化物(例如，氮化镓或氮化铟镓)和磷化物(例如，磷化铟镓)。还可以使用其它类型的III-V族材料以及元素周期表中其它族的无机材料。II-VI LED材料的例子包括(例如)美国专利No.7,402,831(Miller等人)或者美国专利申请公布No.US2006-0124918(Miller等人)或US2006-0124938(Miller等人)中所列那些。
LED可为封装或非封装形式，包括(例如)LED晶粒、表面安装型LED、芯片直接贴装型LED以及其他构型的LED。芯片直接贴装(COB)是指LED晶粒(即，未封装的LED)直接安装到基底上。术语“LED”还包括与磷光体封装或关联在一起的LED，其中所述磷光体将从LED发出的光转换为不同波长的光。至LED的电连接可通过(例如)引线结合、卷带式自动接合(TAB)或倒装片键合来形成。图中示意性地示出LED，这些LED可为(例如)未封装的LED晶粒或封装的LED。
LED可为顶发光型，例如美国专利No.5,998,925(Shimizu等人)中所述的那些。或者，LED可为侧发光型，例如美国专利No.6,974,229(West等人)中所述的那些。用于本发明的照明组件和系统的示例性市售LED包括(例如)朗伯型LED，包括XLamp LED，例如由Cree销售的那些；Luxeon
Figure BDA0000111970500000051
LED，例如由Philips Lumileds销售的那些；以及侧发光或蝙蝠翼分布型LED，包括由Philips Lumileds销售的那些。
可以对LED进行选择来发射任何所需波长的光，例如处于红光、绿光、蓝光、紫外线或红外线光谱区中的光。在LED阵列中，每个LED可以发射相同光谱区的光，也可以发射不同光谱区的光。可以使用不同LED来产生不同的颜色，其中发光元件发出的光的颜色是可以选择的。对不同LED进行单独控制使得能够对所发射的光的颜色进行控制。此外，如果希望产生白光，则可以提供发射不同颜色的光的多个LED，这些LED组合之后的效果是发射在观察者看来是白色的光。产生白光的另一种方法是使用所发射的光的波长相对较短的一个或多个LED，并利用磷光体波长转换器将所发射的光转化为白光。白光可偏向红色(通常称作暖白光)或蓝色(通常称作冷白光)。
照明组件10可包括不止一个LED 12。照明组件10还包括引导发光二极管12所发出的光14的光学系统20以及包括两相冷却系统的冷却翅片30。光学系统20和冷却翅片30与LED 12相邻地设置在LED 12的相对侧，以使得两相冷却系统移除LED 12所产生的热，并使得光学系统20引导LED 12所发出的光14。
如图4A和4B所示，光学系统20包括具有反射内表面24的楔形件22，所述内表面以所需图案引导LED 12所发出的光14。反射内表面24可为(例如)镜面反射或漫反射或它们的某种组合。在一些实施例中，反射内表面24可包括多层聚合物反射膜，例如由3M Company(Minnesota)销售的VikuitiTM ESR膜。楔形件22的外表面26和/或内表面24可为任何形状，包括(例如)平面形、弯曲形或波纹形。楔形件22的侧壁优选由刚性材料形成。用于楔形件22的示例性刚性材料可包括(例如)能够保持所需形状的塑料或金属，例如铝或不锈钢。用于制造楔形件22的材料可与用于制造翅片30的材料相同或不同。如图4A和图4B所示，楔形件22平行于冷却翅片30，但是楔形件20也可垂直于冷却翅片30设置。楔形件20可为实心(如例如美国专利公布No.US 2009-001608(Destain等人)中所述)或中空的。实心楔形件可具有平面或非平面出射表面，以便实现所需光学效果。
作为另外一种选择或除此之外，光学系统20可包括控制或引导光分布的任何元件，包括例如透镜(包括例如用作透镜的可模压、可UV固化硅树脂)、漫射器、偏振器、隔板、滤光器、分束器、增亮膜、反射器(例如ESR)等中单独的一种或其组合，以实现所需光学效果。例如，在一个示例性实施例中，光学系统包括作为市售LED一部分的透镜、实心或中空的楔形件、以及至少一个或多个反射器。
如图4A和图4B所示，冷却翅片30包括从LED 12移除热和/或移除LED 12所产生的热的两相冷却系统32。两相冷却系统包括能够沸腾以形成气体或蒸汽35的液体33。两相冷却是指利用相变的潜热作为热传递机制。两相冷却可通过重力来驱动-即，低密度气体上升，较重的冷凝物顺着壁滴下。两相冷却还可(例如)通过毛细作用或者通过泵来驱动。两相冷却系统通常将热经由热蒸汽直接传输至冷却翅片内表面，在冷却翅片内表面处热蒸汽冷凝—将其热释放至冷却翅片壁—并在重力作用下向下回到流体池。热作为蒸发潜热传递，这意味着系统内的流体不断地从流体相改变为蒸汽相，再改变回流体相。液体在热端处蒸发，从而吸收来自LED组件的热。在冷端，液体冷凝，热驱散到散热器(通常为环境空气)。
更具体地讲，在图4A和图4B所示的照明组件中，LED 12与沸腾表面34热接触。当LED 12产生热时，所述热扩散至沸腾表面34，沸腾表面将热传递至液体33，使得液体33形成蒸汽35。然后，蒸汽35上升并填充液体33上方的空间，从而将热向上输送。蒸汽35最终在冷却翅片30的内表面38上冷凝，将其热释放至壁36。然后，受热壁36的外表面40通过从冷却翅片30的外表面40的对流和辐射热传递而冷却。沸腾表面34被有效地保持在液体33的沸腾温度下(取决于冷却翅片30内的压力)。沸腾表面可包括本领域技术人员已知的各种有机和无机涂层或表面改性中的一种或多种，以通过帮助成核并提高沸腾热传递系数来提高泡核沸腾。
冷却翅片30内的液体33的量被选择为使得冷却翅片30内将总是留有一些液体33。用于照明组件的示例性流体包括(例如)水、乙二醇、盐水、醇、氯化液、溴化液、全氟化碳、硅树脂、烷烃、烯烃、芳香烃、氢氟烃、氢氟醚、氟酮化合物、氢氟烯烃、以及非易燃偏析HFE。使用水的一个优点在于相对低成本并且来源广泛，但是水的一些缺点包括使用水会需要更昂贵、全铜构造的翅片，以及会使翅片更易于受冷破裂。具有足够挥发性以用于两相应用的大多数醇和烃类化合物(例如，烷烃、烯烃、芳香烃、酮、酯等)也非常易燃。许多氯化和溴化化合物(例如，三氯乙烯)或者由于其毒性或者其会损耗臭氧层(例如，CFC)而受到高度管制。全氟化碳以及市售的大量氢氟烃流体具有很高的全球变暖潜在效应。出于这些原因，氟酮化合物和氢氟醚是两种示例性优选的工作流体。用于照明组件的示例性优选流体具有介于约-40℃和100℃之间的沸点。
两相冷却的一些示例性优点包括：(1)大的热通量可由于蒸发潜热和冷凝而驱散；(2)照明组件和/或系统重量和体积减小；(3)与替代形式相比热传递面积较小；(4)被动循环，以及当通过表面增强实施时，通过沸腾表面和冷却剂之间的最小温度差驱散高热通量的能力；以及(5)具有LED和对流壁表面之间的最小温度差的能力。另外，本申请涉及一种照明系统或组件，其中对流冷却表面与两相冷却表面是相同的表面。
在至少一些实施例中，优选的是使LED 12和沸腾表面34之间的热路径最小化。冷却翅片30的尺寸由需要驱散LED 12所产生的热的面积确定。冷却翅片30的侧壁36优选足够薄以使来自冷凝内表面38和对流冷却外表面40的热阻最小化，并且优选足够厚以抵御内外压差。冷却翅片30的侧壁36可由满足这些要求的任何材料形成，例如钢、铝、铜、塑料或不锈钢。一些优选的透光材料包括(例如)玻璃和塑料。
如图4A和图4B所示，冷却翅片30的沸腾表面34平行于LED安装表面，但是LED安装表面也可倾斜。冷却翅片30的侧壁36可为实心的或柔韧的，使得冷却翅片30可具有可变的体积或固定的体积。另外，冷却翅片30的侧面36可为任何所需形状，包括(例如)平面形、圆柱形或锥形。使用中空冷却翅片的一个附加优点在于其相对重量轻并且有利于形成相对重量轻的照明组件或照明系统。然而，在可供选择的实施例中，一个或多个冷却翅片30可为实心的。在一些可供选择的实施例中，照明系统包括多个冷却翅片30，其中至少一个冷却翅片为中空的，至少一个冷却翅片为实心的。
图4A和图4B示出直接附接至冷却翅片30的LED 12。LED 12还可附接至基底，包括(例如)导热基底，所述基底附接至中空楔形件20或冷却翅片30中的一者或两者。在此类型的照明组件的一个示例性实施例中，基底具有与冷却翅片30相邻的第一主表面以及与光学系统20相邻的第二主表面。LED 12可直接附接至基底的第一或第二主表面。在另一可供选择的实施例中，基底(例如，包铜聚酰亚胺)可被化学蚀刻或激光烧蚀，使得基底不增加热阻。
本发明的照明组件包括被设计为能够利用多种合适的技术附接至基底的LED，所述技术例如焊接、压装、穿孔、螺纹连接等。一个示例性基底是能够将LED的热传导出去的导热基底。在一些实施例中，基底可导电，从而为LED提供电路通道(参见例如美国专利公布No.US20070216274(Schultz等人))。另外，在一些实施例中，照明组件包括反射层，所述反射层邻近基底的主表面以反射LED所发出的光的至少一部分。另外，一些实施例包括具有柱的LED，所述柱可提供对基底的直接热连接(参见例如美国专利No.7,285,802(Ouderkirk等人)和No.7,296,916(Ouderkirk等人))。在示例性实施例中，这一直接热连接可允许将LED所产生的一部分热沿着基本上垂直于基底的主表面的方向背离LED引导到基底中，从而减少产生的背离LED横向散开的热的量。
导热基底可包括任何合适的导热材料，例如铜、镍、金、铝、锡、铅、银、铟、镓、氧化锌、氧化铍、氧化铝、蓝宝石、金刚石、氮化铝、碳化硅、地幔岩、石墨、镁、钨、钼、硅、聚合物粘结剂、无机粘结剂、玻璃质粘结剂、填充有可导电或不导电的导热颗粒的聚合物、以及它们的组合。在一些实施例中，基底可附接至另一材料，例如，可超声焊接或以其他方式焊接至铝、铜、金属涂覆的陶瓷或聚合物、或导热填充的聚合物。基底可具有任何合适的尺寸和形状。在一些实施例中，基底可导电。此类导电基底可包括任何合适的导电材料，例如铜、镍、金、铝、锡、铅、银、铟、镓以及它们的组合。基底可用于多种目的，包括(例如)对LED 12进行电连接，提供背离LED 12的直接热通道，提供背离LED 12的横向热散开，和/或提供对其他系统的电连接。
图5和图6分别是包括多个单独的照明组件10的照明系统100的侧视图和透视图。照明系统100中可包括任何合适数量的LED 12和/或照明组件10。如图5和图6所示，照明系统100包括多个冷却翅片30，其中至少一些冷却翅片包括两相冷却系统32，每一冷却翅片与LED 12相邻设置。图5和图6还示出壳体110，其容纳照明组件10的至少一部分，例如LED12、光学系统20和/或冷却翅片30。
相邻翅片30之间的距离根据传统对流理论选择，以使照明组件和周围环境之间的热传递最大化。翅片优选相隔足够的距离，以允许足够的空气流过翅片并带走热。例如，在一个示例性实施例中，间距介于约1mm和约100mm之间。在一个示例性实施例中，间距为约25mm。此间距促进有效的对流冷却，这受益于从冷却翅片30底部到顶部彻底进入空气流。冷却翅片30优选具有提供足够冷却的面积以及有利于对流空气流的翅片间距。
照明系统100还包括多个中空楔形件，每一楔形件引导LED 12所发出的光，并且每一楔形件与LED 12相邻设置。相邻光学系统20之间的距离根据传统对流理论选择，以最大化和/或优化照明组件和周围环境之间的热传递。光学系统优选相隔足够的距离，以允许足够的空气流过翅片并带走热。此间距促进有效的冷却，这受益于从光学系统20底部到冷却翅片30顶部彻底进入空气流。光学系统20优选具有提供足够冷却的形状和尺寸以及有利于对流空气流的翅片间距。
LED可设置在冷却翅片30的底部或与其相邻设置。图7A是示出附接至冷却翅片30底部的多个LED 12的示意图。图7A中LED 12笔直指向下。图7B是示出附接至冷却翅片30侧面的多个LED 12的示意图。
LED 12还可倾斜以指向赋予所需光学分布的方向(例如，LED可例如沿平行于冷却翅片30或垂直于冷却翅片30的方向倾斜)。与LED 12相邻的光学系统20可(例如)平行或垂直于冷却翅片30。图7C是示出示例性倾斜的LED 12以及平行于冷却翅片30设置的楔形件形式的光学系统的示意图。图10是示出多个倾斜的LED 12和作为光学系统20的中空楔形件的示意图，所述中空楔形件垂直于冷却翅片30设置。使用图10的垂直楔形件构型的优点包括：通过使得冷却翅片间隔仅仅基于或主要基于对流冷却来选择，而不受光学系统限制，照明系统的总体尺寸可最小化。另外，图10所示的倾斜二极管构型具有制造优势，因为单独的模块上的所有LED 12均沿相同方向倾斜。本领域技术人员将会知道，LED倾角、光学元件的选择以及光学元件的取向的其他组合包括在本发明内，并可有利于实现所需光分布。
在另一构型中，多个冷却翅片30可向后倾斜，使得LED 12所发出的光被向外或向上引导，如图8示意性示出的。冷却翅片30基本上处于竖立位置，使得每一冷却翅片30内的两相冷却液体覆盖LED 12附着位置，并且使得对流冷却从冷却翅片30的冷凝表面带走热。另外，多个冷却翅片30或照明组件10可组合成叠堆系统，从而在增大光输出的同时保持功能。
图9是照明系统200的透视示意图，其包括设置在相邻冷却翅片30之间的一个或多个辐射板202。辐射板202帮助保持或增加辐射冷却。由于辐射板202未附接至LED 12，所以它们比冷却翅片30温度低。因此，辐射板202能够从附近的冷却翅片30吸收比其所发出的热辐射更多的热辐射。冷却翅片30和辐射板202之间的间距按照与单独的冷却翅片相同的对流冷却计算来规定。然而，由于辐射板202上没有安装LED或光学系统，所以它们可更薄，并且没有冷却翅片昂贵。通过增大照明系统的总对流和辐射表面积，它们可从LED带走更多的热。
图11-14是本文所述类型的照明系统的各种示例性实施例。
本文所述的照明组件和/或照明系统可用在各种装置中，包括(例如)路灯、背光源(包括例如日光耦合背光源)、洗墙灯、广告牌灯、停车匝道灯、工矿灯、停车场灯、标牌照明指示牌(也称作电光指示牌)、静态标牌(包括例如日光耦合静态标牌)、发光标牌以及其它照明应用。出于举例说明的目的，图15是包括图11的照明系统的路灯。
图16-17是包括本文所述类型的照明系统的高功率洗墙灯具的示意图。如图16所示，示例性洗墙灯具500包括LED 502、光学系统和两相冷却系统。在图16和图17所示的实施例中，两相冷却系统是光学系统的一部分。具体地讲，LED 502与两个翅片504相邻设置，每一翅片包括如上所述的两相冷却系统。每一翅片包括外表面506和光学活性表面508。翅片504的光学活性表面508用作光学系统的至少一部分(本领域技术人员将会知道，除了光学活性表面508之外，光学系统在LED上还可包括例如透镜、漫射器或反射器)。光学活性表面508可(例如)用例如ESR覆盖，以形成使光按照所需分布进行分布的光引导腔。
洗墙灯具的示例性应用包括(例如)向上照明式大型建筑表面(例如，建筑物外部)或其它表面(例如，广告牌)。
图18是示出可将光注入实心或中空光导中以便于背光源中(例如，LCD TV中，指示牌中，或显示器中)使用的照明组件的示意图。
下面的实例描述了本发明所述的照明组件和系统的各种实施例的一些示例性构造。下面的实例还记录了所述照明组件和系统的一些性能结果。
实例1
形成图4A和图4B中大致示出的那种照明组件。照明组件中的冷却翅片为铝(6061铝)，并具有中空矩形室(外部尺寸为250mm×150mm×7mm，壁厚为1mm)。冷却翅片的外部用高发射率Ultra Flat Black涂料(RUST-OLEUM)涂抹，以提高辐射热传递。
通过焊接将六个LED(Cree XREWHT-L1-000-00D01)成一排串联地附接至柔性电路(具有铜轨迹的0.001″厚聚酰亚胺薄膜)。六个LED的每一个用导热环氧树脂(3MTM导热环氧树脂粘合剂TC-2810)通过加热和机械方式附接至铜轨迹焊盘，并利用焊料电连接至铜轨迹焊盘。继而用相同的导热环氧树脂将柔性电路沿着7mm×250mm边缘附接至冷却翅片。LED驱动器(LEDDYNAMIC，3021-D-E-1000)经由附接至柔性电路两端的导线向照明组件提供电力。
光学系统是由两个49.5mm×250mm×2mm铝片形成的中空光导装置，其将六个LED包封。铝片用3M Company所销售的双面胶带400HighTack #415附接至冷却翅片。中空光导装置具有梯形截面，底宽为7mm，顶宽为14mm，高度为38mm。用压敏粘合剂将高反射膜(3M Company所销售的增强镜面反射器ESR)施加于铝片的内表面，其被结构化以便于空气释出。这形成引导六个LED所发出的光的中空光引导腔。
向冷却翅片顶部附近的小孔加入大约15cc的流体(3M Company所销售的3MTM NovecTM Engineered Fluid HFE-7100，流体密度为1.5gm/cc)。这一流体体积被选择为完全覆盖与六个LED相邻的冷却翅片的底部(沸腾表面)。这一流体量大约过量50％，以允许脱气过程中的损耗。通过以1A的电流操作LED来将流体加热至沸点(61℃)，从而使其脱气。通过运行LED来加热系统还迫使空气离开冷却翅片的中空室。所述小孔用3MCompany所销售的铝箔胶带#425密封。当密封并冷却时，部分填充的室处于真空下。利用冷却翅片中的流体重量和流体密度计算所得流体体积为6.6cc。
在介于4.5W和14W之间的热负荷范围内在顶部和底部附近测量冷却翅片的表面温度，其中“热负荷”被定义为施加的总电功率与光学功率输出之差。顶部和底部之间的温差在0.8℃至1.7℃范围内。为了对比目的，对2mm厚的类似尺寸的实心铝板上的温差建模。结果示出于下面所提供的表I中。
表I.冷却翅片的表面温度
Figure BDA0000111970500000121
Figure BDA0000111970500000131
表I说明，实例1的照明组件的冷却翅片从顶部至底部的温度范围比对比实心板低许多。
接下来，通过测量总光输出除以输入电功率来计算实例1的照明组件的效能。照明组件被置于1m直径的积分球内，以测量总光输出，同时监测输入电功率和LED温度。测量系统由OL-770多道谱仪(OptronicLaboratories)构成，其连接到Optronic Laboratories所销售的OL-IS-3900 1计量积分球。用源于NIST的光谱通量和总光通量标准、OptronicsLaboratories所销售的型号OL 245-TSF、S/N L-909来校准所述系统。针对350mA、700mA、900mA和1A的工作电流收集数据。表II示出针对每一规定电流的LED功率(瓦特)、测量的光输出(TLF)(流明)、LED温度(℃)和效能(流明/瓦特)。
表II.实例1的照明组件的效能数据
Figure BDA0000111970500000132
表II示出针对每一规定电流的高效能(流明/瓦特)。
实例2
由实例1所述类型的十个照明组件制成照明系统。为了验证照明系统中每个单独的照明组件的性能基本上与实例I中所述的单个照明组件类似，测量每个单独的照明组件的光输出、以及在以三种不同的电流电平进行脱气之后留在照明组件内的流体的量，如表III所示。
表III.单个冷却翅片对多个冷却翅片性能数据
Figure BDA0000111970500000133
表III示出每个单独的照明组件的性能的一致性。表III还示出与实例I所述的照明组件相比，十个单独的照明组件全部如预期一样工作。结果还说明，在所有三个规定的LED电流电平下，对于6.5cc-13.4cc的流体体积范围，每个照明组件的性能基本上类似。
如下制成正方形框架结构以固定这十个照明组件。加工铝管材段并焊接在一起成U形，沿着U形的边的内边缘具有狭槽以固定这十个照明组件。将所述U形焊接到290mm×65mm×6.4mm板，从而形成封闭的矩形结构。将75mm的一段61mm OD铝管材焊接到所述板，以在组装时安装固定装置。给固定装置的边增加装饰性塑料镶边(trim)，以保护和引导导线从十个照明组件的每一个到接线盒再到安装管。十个照明组件以32mm的间距(中心至中心)安装在框架结构中。
测量组装的照明系统以确定系统的效能。组装的单元被置于连接到光谱辐射计OL-770 Multichannel Spectroradiometer(Optronic Laboratories)的2m积分球OL-IS-7600 2 Meter Integrating Sphere(Optronic Laboratories)中，并且根据制造商的建议测量总光输出。所得数据示出于表IV中。
表IV.实例2的照明系统的效能
Figure BDA0000111970500000142
Figure BDA0000111970500000151
表IV示出照明系统在与表II类似的每一规定电流下的高效能。来自照明系统的辐射热传递受到10个照明组件的平行板构型限制。相邻照明组件之间的间距大于最佳自然对流的最小距离，因为光学系统大于冷却翅片厚度。
实例3
辐射板(用Ultra Flat Black涂料(RUST-OLEUM)涂布的237mm×170mm×3mm铝)被置于实例2的照明系统的相邻照明组件之间。辐射板被设置为避免显著减小从每一照明组件的对流热传递。这些辐射板的目的是吸收来自照明组件的辐射热，并经由自然对流将热传输至周围环境。辐射板比冷却翅片高大约25.4mm，这理论上应该能够增加从照明系统的辐射热传递。冷却翅片上的涂料理论上应该能够增大冷却翅片表面的发射率。
通过用组装的照明系统进行热实验来测量辐射板的效果。所述实验在I＝0.5A的LED驱动电流下进行。一旦实现稳态温度，就移除辐射板，并监测系统直到达到稳态。使用热电偶来监测照明组件1、3和9的温度。热电偶附接至每一照明组件上的一个LED的基底。三个照明组件的稳态温度(具有辐射板和没有辐射板)示出于表V中。
表V.稳态下的照明组件温度
Figure BDA0000111970500000152
表V示出在具有辐射板的情况下观察到较低的工作温度，说明了使用辐射板的优势。
本申请的照明系统和组件的优点包括(例如)低维护、高能效、低寿命成本、相比同类照明系统效率最多提高20％、产生相同亮度所需的LED减少最多50％、动态控制调光以及改善的灯色。
讨论了本发明涉及的示例性实施例，并涉及到了本发明范围内可能的变型。在不偏离本发明范围的前提下，对于本领域的技术人员来说，本发明的上述和其他变化和修改形式将是显而易见的，而且应当理解，本发明不局限于本文阐述的示例性实施例。因此，本发明仅受下面所附权利要求书的限制。

Claims (20)

1.一种照明组件，包括：
至少一个发光二极管，其发出光；
光学系统，其引导所述至少一个发光二极管所发出的光，所述光学系统与所述发光二极管相邻设置；以及
冷却翅片，其包括两相冷却系统，所述两相冷却系统与所述至少一个发光二极管相邻设置，使得所述两相冷却系统从所述发光二极管移除热。
2.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述组件用作路灯、背光源、洗墙灯、广告牌灯、停车匝道灯、工矿灯、停车场灯、标牌照明指示牌、电光指示牌、静态标牌以及发光标牌中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述光学系统包括实心或中空楔形件。
4.根据权利要求3所述的照明组件，其中所述楔形件平行或垂直于所述冷却翅片。
5.根据权利要求3所述的照明组件，其中所述楔形件包括侧面，所述侧面为平面形、弯曲形或波纹形中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述光学系统包括透镜、漫射器、偏振器、隔板、滤光器、分束器、增亮膜或反射器中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述至少一个发光二极管是倾斜的。
8.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述冷却翅片的一部分是倾斜的。
9.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述冷却翅片具有可变或固定的体积。
10.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述冷却翅片为平面形、圆柱形或锥形中的一种。
11.根据权利要求1所述的照明组件，包括多个发光二极管和多个冷却翅片，每个冷却翅片包括两相冷却系统，并且每个冷却翅片与发光二极管相邻设置，并且其中每个冷却翅片与相邻冷却翅片隔开约1mm至约100mm。
12.根据权利要求11所述的照明组件，还包括设置在相邻冷却翅片之间的辐射板。
13.根据权利要求12所述的照明组件，其中所述辐射板平行或垂直于所述冷却翅片。
14.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述至少一个发光二极管附接至所述光学系统的侧面或所述冷却翅片的侧面。
15.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述至少一个发光二极管附接至基底，所述基底具有与所述冷却翅片相邻的第一主表面以及与所述光学系统相邻的第二主表面。
16.根据权利要求1所述的照明组件，其中所述两相冷却系统和所述光学系统是单个装置的一部分。
17.一种照明系统，包括：
多个根据权利要求1所述的照明组件。
18.一种路灯，包括：
多个发光二极管，其发出光；
光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光，所述光学系统与所述发光二极管相邻设置；以及
多个冷却翅片，每一冷却翅片包括两相冷却系统，所述多个冷却翅片与所述发光二极管相邻设置，使得所述冷却翅片内的所述两相冷却系统从所述发光二极管移除热。
19.一种洗墙灯，包括：
发光二极管，其发出光；
光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光；以及
两相冷却系统，其包括对流冷却表面，并且所述两相冷却系统与所述发光二极管相邻设置，使得所述两相冷却系统从所述发光二极管散热。
20.一种照明系统，包括：
发光二极管，其发出光；
光学系统，其引导所述发光二极管所发出的光；以及
两相冷却系统，其包括对流冷却表面，并且所述两相冷却系统与所述发光二极管相邻设置，使得所述两相冷却系统从所述发光二极管散热。
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