專利名稱：熱管理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明構(gòu)思一般地涉及發(fā)光二極管器件，并且更具體地涉及高功率發(fā)光二極管器件的熱管理。
背景技術(shù)：
盡管相對于更傳統(tǒng)的光源而言有能量效率方面的明顯改善，但利用發(fā)光二極管(LED)的光源仍將對其饋送的功率的50%至80%轉(zhuǎn)換成熱。同時(shí)，關(guān)于效率和色彩穩(wěn)定性的LED性能對溫度增加相當(dāng)敏感，尤其是對于80°C以上的高溫而言。此臨界性在高功率LED應(yīng)用中特別明顯。傳統(tǒng)上，已將熱沉和強(qiáng)制空氣對流用于LED器件的熱管理。最近，已經(jīng)將 熱管用于LED器件的熱管理。熱管是其中用毛細(xì)管作用使液體返回至蒸發(fā)器的蒸發(fā)器-冷凝器系統(tǒng)。在其最簡單形式中，熱管由沿著內(nèi)壁具有吸液芯(wick)結(jié)構(gòu)的真空緊密空心管以及工作流體組成。吸液芯結(jié)構(gòu)可以是多孔的，諸如燒結(jié)粉末金屬，被包裹的，由軸向地布置的凹槽、絲網(wǎng)等組成。管的中心芯是開放的以允許有蒸氣流。熱管被抽空并因此用少量工作流體回填充，僅僅足以使吸液芯飽和。可適用工作流體的示例是鈉、鋰、水、氨和甲醇。熱管內(nèi)部的氣氛由液體和蒸氣的平衡來設(shè)定。熱管具有三個(gè)部分蒸發(fā)器、絕熱和冷凝器。在蒸發(fā)器部分(在下文中也稱為熱部分)處施加的熱被工作流體的蒸發(fā)所吸收。蒸氣處于略微更高的壓力，這促使其沿著熱管的中心行進(jìn)通過絕熱部分至冷凝器部分。在冷凝器部分(在下文中也稱為冷部分)處，較低的溫度促使蒸氣冷凝，放出其蒸發(fā)潛熱。然后由在吸液芯結(jié)構(gòu)中逐漸產(chǎn)生的毛細(xì)管力將冷凝流體泵送回到蒸發(fā)器部分。熱管操作是完全被動(dòng)且連續(xù)的。此連續(xù)循環(huán)以非常低的熱梯度傳遞大量的熱。熱管的操作是被動(dòng)的，并且僅僅由傳遞的熱來驅(qū)動(dòng)。在重力場中，可以將蒸發(fā)器放置在冷凝器下面以幫助液體流?？梢砸圆煌男螤顏聿贾脽峁堋岢?、熱管和強(qiáng)制對流組合以進(jìn)行基于LED的照明器件的熱管理是已知的。美國專利No. 7，144，135B2公開了一種包括被布置在熱沉上的LED光源的照明設(shè)備。熱沉布置有翼片和/或熱管。光學(xué)反射器圍繞光源。該設(shè)備還包括外殼，其中設(shè)置有光學(xué)反射器，使得在光學(xué)反射器與殼之間形成空氣通道。熱沉的翼片和/或熱管被布置為沿著空氣通道延伸。此外，在熱沉下面布置了風(fēng)扇以促使空氣從進(jìn)氣口和由殼/光學(xué)反射器限定的排氣孔流動(dòng)，使得熱沉被冷卻。在示例性實(shí)施例中，Luxeon 5001m LED被冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)用于高功率光源的替換和改進(jìn)的熱管理設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的第一方面，提供了一種用于光源的熱管理設(shè)備。熱管理設(shè)備包括散熱元件，其具有被布置為用于熱連接到至少一個(gè)光源的上側(cè)，以及用于控制從光源發(fā)射的光的輔助光學(xué)裝置。該設(shè)備還包括被熱連接到散熱器的熱沉、被熱連接到散熱器的第一組熱管以及用于在熱沉處提供強(qiáng)制空氣對流的風(fēng)扇。熱沉的至少一部分被布置為圍繞輔助光學(xué)裝置。熱管被嵌入熱沉中。
從而，提供了允許借助于強(qiáng)制對流和被嵌入熱沉內(nèi)部的熱管的組合來進(jìn)行具有輔助光學(xué)裝置的光源的高效熱管理的熱管理設(shè)備。由于熱沉被熱連接到其上布置有光源的散熱器，所以產(chǎn)生的某些熱經(jīng)由散熱器被直接傳遞至熱沉。此外，熱沉圍繞輔助光學(xué)裝置，使得還可以由熱沉來管理在輔助光學(xué)裝置處形成的熱。該布置還允許出于熱管理目的利用設(shè)備的大的角空間?，F(xiàn)在參考通過用于包括例如LED的光源的熱管理設(shè)備的橫截面的角度，用于LED光源的常規(guī)熱管理系統(tǒng)覆蓋約180° (通常布置在LED光源下面)。LED之上的空間(180° )被用于可以允許設(shè)計(jì)和應(yīng)用自由的光學(xué)目的。在本發(fā)明構(gòu)思中，通常小于90°的空間被用于輔助光學(xué)裝置。輔助光學(xué)裝置被熱沉的至少一部分圍繞，并因此超過250°且優(yōu)選地超過270°并最優(yōu)選地超過300°的空間可以用于熱管理系統(tǒng)，因此，為熱管理提供高效率，這對于高功率應(yīng)用而言是有利的。上述角度指的是通過系統(tǒng)的橫截面。繼續(xù)，熱沉的濕潤表面需要相當(dāng)大，以便借助于自然或強(qiáng)制對流來有效地耗散大量的熱。這又將引起熱沉中的相當(dāng)大的溫度梯度，即使使用良好的傳導(dǎo)性材料，例如鋁。在本發(fā)明構(gòu)思中，這些溫度梯度被嵌入熱沉中的熱管有利地減小。此外，可以布置風(fēng)扇以在散 熱器、熱沉或兩者處提供強(qiáng)制空氣對流。與由風(fēng)扇提供的強(qiáng)制對流相組合的熱沉/熱管將有效地冷卻熱管理設(shè)備，使得其能夠耗散由高功率光源產(chǎn)生的熱。熱管理設(shè)備提供高效地管理具有在100W與1000W之間且優(yōu)選地在200W與700W之間并最優(yōu)選地在300W與500W之間的(要被冷卻的)熱功率的光源的解決方案。輔助光學(xué)裝置可以包括混合光學(xué)裝置、準(zhǔn)直光學(xué)裝置、反射器、透鏡、變焦和/或聚焦光學(xué)裝置，參見Marshall等人的US6，200，002，其被通過引用結(jié)合到本文中。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，所述輔助光學(xué)裝置被布置在散熱元件處且被進(jìn)一步布置為圍繞光源，這對提供例如準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)是有利的。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，熱沉還包括經(jīng)由至少一個(gè)孔與空間進(jìn)行流體連通的腔體，風(fēng)扇被布置在該腔體內(nèi)。因此，風(fēng)扇被集成在熱沉內(nèi)，使得熱沉形成用于熱管理設(shè)備的夕卜殼。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，第一組熱管被布置為沿著輔助光學(xué)裝置延伸。熱管用來有效地橋接熱沉中的溫度梯度，因此，減小了溫度梯度并因此實(shí)現(xiàn)了更高效的冷卻。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，第一組熱管被布置在散熱元件的底側(cè)處?？蛇x地，還可以將第一組熱管(至少部分地)嵌入散熱元件中。當(dāng)具有另外沿著從散熱元件的底側(cè)開始的方向延伸的熱沉?xí)r，熱管被布置為有效地橋接熱沉的此部分中的溫度梯度，這對實(shí)現(xiàn)高效冷卻是有利的。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，該設(shè)備還包括第二組熱管，其被熱連接到散熱器并相對于第一組熱管被布置在散熱器的相對側(cè)，其在大的熱沉中提供增加的冷卻效果和更平衡的溫度分布，該大的熱沉可以從燈散熱器元件沿著兩個(gè)相反方向延伸?？梢杂欣貙岢敛贾脼橄鄬τ谏崞髟旧蠈ΨQ地延伸。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，熱管被至少部分地嵌入散熱器中。熱管的蒸發(fā)器部分被有利地布置為嵌入散熱器中以獲得高熱管理效率。每個(gè)熱管的冷凝器部分被嵌入熱沉中。這有利地減小將在散熱器(其具有通常在光源處發(fā)生的最高溫度)與熱沉(的遠(yuǎn)側(cè)部分)之間出現(xiàn)的溫度梯度。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，輔助光學(xué)裝置是拋物線形、橢圓形、錐形和喇叭形中的一個(gè)。輔助光學(xué)裝置可以是準(zhǔn)直單元，其為用于照明設(shè)備的典型光學(xué)組件。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，熱沉包括其中布置有第二光學(xué)裝置的拋物線形或錐形腔體。這允許通過在腔體中安裝輔助光學(xué)裝置來布置輔助光學(xué)裝置，或者例如借助于腔體表面上的電介質(zhì)或金屬涂層而實(shí)際上將輔助光學(xué)裝置提供為熱沉的組成部分。這提供機(jī)械穩(wěn)定的設(shè)備。此外，在后一種情況下，減少了設(shè)備的組成部分的數(shù)目。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，熱沉被布置為具有翼片。為了借助于自然或強(qiáng)制對流有效地耗散大量的熱，熱沉的濕潤表面需要是相當(dāng)大的。通過為熱沉提供翼片，有利地增加了濕潤表面，這又增加了熱管理設(shè)備的冷卻效率。
根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，翼片被布置為使得熱沉的外部形狀形成截頭球體、柱體或截頭錐體。熱沉的這些形狀是有利的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了濕潤表面相對于熱管理設(shè)備的大體積之間的高比例。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，所述至少一個(gè)光源是固態(tài)發(fā)光元件且特別是發(fā)光二極管或激光器。因此，本發(fā)明構(gòu)思有利地提供了用于高功率LED應(yīng)用的高效熱管理設(shè)備。根據(jù)熱管理設(shè)備的實(shí)施例，熱管中的至少一個(gè)是平面熱管。平面熱管被有利地用來服務(wù)于散熱以及提供濕潤表面。此外，可以將平面熱管布置為對取向不那么敏感(即減少重力對熱管的影響)。此外，當(dāng)設(shè)備的光學(xué)裝置指向下(例如在類似于劇院聚光燈(spot)的應(yīng)用中)時(shí)，利用平面熱管是有效的。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的第二方面，提供了一種采用依照本發(fā)明構(gòu)思的熱管理設(shè)備的照明設(shè)備。該照明設(shè)備包括安裝在熱管理設(shè)備中的至少一個(gè)光源。因此，如前所述，熱管理設(shè)備對于管理由至少一個(gè)光源產(chǎn)生的熱是非常有效的。從而，提供了允許利用許多光源或單個(gè)高功率光源以便提供高亮度的照明設(shè)備。照明設(shè)備有利地借助于強(qiáng)制對流和嵌入在熱沉中的熱管的組合來冷卻。此外，照明設(shè)備有利地形成緊湊的功能性高亮度光源單元。根據(jù)照明設(shè)備的實(shí)施例，該設(shè)備適合于改裝成采用白熾光源的照明裝置，從而提供裝配到通常采用例如白熾高功率光源的照明裝置的照明設(shè)備。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語“改裝”意指裝配到通常用于白熾光源的燈具，諸如有燈絲的燈泡、鹵素?zé)舻取Q言之，通過將根據(jù)本發(fā)明的光源改裝成通常采用白熾光源的照明裝置，意圖用根據(jù)本發(fā)明的光源來替換照明裝置中的白熾光源。此外，本發(fā)明的第二方面通常具有與第一方面相同的特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明構(gòu)思的某些實(shí)施例提供了管理由光源產(chǎn)生的熱的新型和替換方式。在本發(fā)明的某些實(shí)施例的情況下，有利的是其提供了改善的熱管理以及具有集成主動(dòng)冷卻的機(jī)械穩(wěn)定和緊湊的設(shè)備。應(yīng)注意的是本發(fā)明涉及權(quán)利要求中所述的特征的所有可能組合。通過以下詳細(xì)公開、所附從屬權(quán)利要求以及附圖，將清楚本發(fā)明構(gòu)思的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。通常，根據(jù)技術(shù)領(lǐng)域中的普通意義來解釋在權(quán)利要求中使用的所有術(shù)語，除非在本文中另外明確地定義。應(yīng)將對“一 / 一個(gè)/該元件、設(shè)備、組件、裝置等”的所有參考開放地解釋為參考該元件、設(shè)備、組件、裝置等的至少一個(gè)實(shí)例，除非另外明確地說明。


現(xiàn)在將參考示出本發(fā)明的(多個(gè))實(shí)施例的附圖來更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些及其它方面，在附圖中圖I是依照本發(fā)明構(gòu)思的熱管理設(shè)備的實(shí)施例的示意性剖面透視圖。圖2a是示意性正面透視圖，圖2b是舉例說明依照本發(fā)明構(gòu)思的熱管理設(shè)備的實(shí)施例的橫截面圖，并且圖2c是圖2a和圖2b所示的熱管理設(shè)備的替換實(shí)施例的橫截面圖。圖3舉例說明作為在ANSYS CFX vll. 0中執(zhí)行的熱模擬的結(jié)果的根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的熱管理設(shè)備的實(shí)施例的橫截面中的熱分布。 圖4a和圖4b舉例說明作為在ANSYS CFX vll. 0中執(zhí)行的熱模擬的結(jié)果的根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的熱管理設(shè)備的實(shí)施例的熱分布。圖5a和圖5b分別舉例說明依照根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的熱管理設(shè)備的實(shí)施例的提供有第一和第二組熱管的散熱器的上和下透視圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在在下文將參考附圖來更全面地描述根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例，在附圖中，示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例。然而，可以以許多不同形式來體現(xiàn)本發(fā)明，并且不應(yīng)將其理解為局限于本文所闡述的實(shí)施例；相反，這些實(shí)施例是以示例的方式提供的，使得本公開將是透徹且完整的，并將全面地向本領(lǐng)域的技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。相同的附圖標(biāo)記自始至終指示相同的元件。在圖I中示出熱管理設(shè)備100的示例性實(shí)施例。熱管理設(shè)備100包括在被成形為類似平頭錐體形狀的熱沉101的窄端處并與其熱接觸地布置的柱體形狀的散熱器104。散熱器104的上表面104a的一部分被由熱沉101形成的拋物線形壁圍繞。此外，輔助光學(xué)裝置103被布置在由熱沉101形成的拋物線形壁內(nèi)。輔助光學(xué)裝置103在這里是平頭錐體形狀的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，其被布置為使其窄開口被布置在散熱器104處，目的是使從LED 106發(fā)射的光準(zhǔn)直。LED 106被布置在散熱器104的上表面104a上。熱沉101中的孔IOla提供用于空氣冷卻以及可選地用于光源106的控制和供電的電布線(未示出)的入口。在本示例性實(shí)施例中，孔IOla被布置為使得散熱器104的與上表面104a相對的表面下是可進(jìn)入的。此外，輔助光學(xué)裝置103被布置為裝配到熱沉101中。輔助光學(xué)裝置可以由例如招或Miro箔的薄柔性片制成(參見http://www. Alanod. de)?？梢愿鶕?jù)特定應(yīng)用的要求對這些箔進(jìn)行成形，例如由熱沉的形狀預(yù)定的形狀。在替換實(shí)施例中，可以可選地由熱沉的內(nèi)表面的表面處理來提供輔助光學(xué)裝置，例如借助于反射涂層的蒸發(fā)或多個(gè)薄材料層以形成全內(nèi)反射(TIR)濾波器?？梢杂帽〗^緣層或間距(未示出)將輔助光學(xué)裝置與散熱器分離。此外，將多個(gè)熱管102部分地嵌入散熱器104中。熱管102被布置為從散熱器104延伸至熱沉101中，并且進(jìn)一步沿著熱沉101的壁的延長部分。在圖I中，可看到七個(gè)熱管102。熱管被對稱地布置在熱管理設(shè)備100中，并且在第一端部102a中，從散熱器104的中心開始沿著徑向方向延伸。此外，在第二端部102b中，熱管102被布置為沿著熱沉101的壁且因此沿著輔助光學(xué)裝置103延伸。
借助于焊接將LED 106安裝到散熱器104的上表面104a，因此提供散熱器104與LED 106之間的高效的熱接觸。可以可選地借助于到散熱器的導(dǎo)熱膠或機(jī)械附著來完成LED的安裝。如上所述，LED被進(jìn)一步布置為具有用于LED的供電和/或控制的布線。該布線被優(yōu)選地布置為穿過散熱器并進(jìn)一步經(jīng)由孔IOla到達(dá)供電和/或控制單元(未示出)。為了簡單起見，在本文中未示出布線和外部供電和/或控制單元。熱沉101的材料可以是例 如鋁、鋁合金、黃銅、銅、鋼、不銹鋼或任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱材料、化合物或復(fù)合材料。散熱器104是或包括Cu、Au、Al、Fe、鋼或陶瓷，諸如AIN、Al2O3或MCPCB (金屬芯印刷電路板)或MS (絕緣金屬底座，其中，金屬是⑶、Al或鋼)。因此，材料優(yōu)選地是具有高導(dǎo)熱率的適當(dāng)材料，其能夠提供來自熱源(即主要是LED)的高效熱傳遞。此外，風(fēng)扇110被布置在熱沉101的窄端處。在熱沉處且經(jīng)由孔IOla在散熱器處提供強(qiáng)制空氣對流。優(yōu)選地，風(fēng)扇位于熱管理設(shè)備的下端處且優(yōu)選地在系統(tǒng)的對稱軸處?？蛇x地，風(fēng)扇被布置在用于在熱沉101處提供強(qiáng)制對流的任何適當(dāng)位置處。風(fēng)扇110的目的是增加從濕潤表面到空氣的熱傳遞?，F(xiàn)在參考圖2a和圖2b，其中表示了依照本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例200。熱管理設(shè)備200包括在熱沉221的錐形部分201的窄端處并與其熱接觸地布置的柱體形狀的散熱器104。錐形部分201被成形為類似平頭錐體的形狀。散熱器104的上表面104a的一部分被由錐形部分201形成的拋物線形壁圍繞。此外，輔助光學(xué)裝置203被布置在由熱沉201形成的拋物線形壁內(nèi)。輔助光學(xué)裝置203控制從LED 106發(fā)射的光的方向，其被布置在散熱器104的上表面104a上。輔助光學(xué)裝置203在這里被提供為鋁箔，其被安裝為覆蓋錐形部分201的內(nèi)表面。此外，多個(gè)熱管202被部分地嵌入散熱器104中，并被布置為從散熱器104延伸到錐形部分201中，并且進(jìn)一步沿著錐形部分201的壁的延長部分。在圖2b中，可看到兩個(gè)熱管202。熱管被對稱地布置在熱管理設(shè)備200中，并基本上如在前述實(shí)施例100中一樣地布置。然而，在這里，熱管202沿著壁延伸至錐形部分201的外緣?？蛇x地，熱管可以在錐形部分201的外緣外面延伸。在替換實(shí)施例中，熱管202的長度在輔助光學(xué)裝置的長度的0. 5倍和2倍之間，并且優(yōu)選地在輔助光學(xué)裝置的長度的0. 7倍和I. 3倍之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，在第一組熱管中使用5-30個(gè)熱管，優(yōu)選地在7和21個(gè)之間，更優(yōu)選地為7、9、14或18個(gè)。熱管的數(shù)目優(yōu)選地適合于符合所使用的輔助光學(xué)裝置的對稱性。此外，第二組熱管211被布置為部分地嵌入散熱器104中并沿著從散熱器104的底側(cè)至腔體201a中的方向延伸，腔體201a被布置在散熱器104下面。熱沉221被進(jìn)一步布置為具有多個(gè)翼片207。翼片207被周向地(且可選地對稱地)部分布置在熱沉201的外表面上，并進(jìn)一步在錐形部分201下面延伸。(可以可選地單在錐形部分上布置翼片)。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，翼片的總外表面面積在0. 05m2和0. Sm2之間，優(yōu)選地在0. Im2和0. 6m2之間，最優(yōu)選地在0. 2m2和0. 4m2之間。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，翼片的數(shù)目在7和32個(gè)之間，優(yōu)選地在10和20個(gè)之間，并且最優(yōu)選地在12和16個(gè)之間。可替換地，相對于熱管的數(shù)目來設(shè)置翼片的數(shù)目是熱管數(shù)目的I倍、2倍、3倍或4倍。錐形部分201和翼片207的總延長部分通常被布置為延伸以配合輔助光學(xué)裝置，或者如在本示例性實(shí)施例中比輔助光學(xué)裝置長了約兩倍。翼片207的材料是或包括金屬(諸如Al、Cu、Fe)、陶瓷(諸如A1203、AIN、TiOx)和/或包括碳的材料(諸如例如石墨、金剛石或包括合成物的有機(jī)分子)。腔體210在熱沉221內(nèi)部形成，在其中布置了風(fēng)扇110以便提供強(qiáng)制空氣對流?？蛇m用于本發(fā)明構(gòu)思的光源通常是LED陣列，具有小尺寸。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在IOmm和IOOmm之間、優(yōu)選地在20mm和50mm之間且最優(yōu)選地約30mm的光源直徑是適當(dāng)?shù)?。示例性光源中的功率密度通常在I X IO6和5 X 107W/m2之間。結(jié)果產(chǎn)生的散熱器與環(huán)境空氣(25°C )之間的溫度差< 100°C、優(yōu)選地< 90°C、最優(yōu)選地< 80°C。
在實(shí)施例中，光源包括多個(gè)LED、優(yōu)選地包括優(yōu)選地9-500個(gè)LED且更優(yōu)選地50-200個(gè)LED的LED陣列。在優(yōu)選實(shí)施例中，LED被以在200 y m和5mm之間、優(yōu)選地在500 ii m和3mm之間且最優(yōu)選地在2mm和3mm之間的節(jié)距(單獨(dú)發(fā)光元件之間的距離)緊密
地封裝在一起。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，光源包括多個(gè)單獨(dú)可尋址彩色LED(發(fā)射具有諸如R、G、B、A、C、W、ffff、NW的色彩的光)。圖2c舉例說明與上文參考圖2a和圖2b所述的實(shí)施例類似的實(shí)施例，其中，風(fēng)扇110被布置在熱沉221下面。為了舉例說明本發(fā)明構(gòu)思，在圖3和圖4中示出了示例性實(shí)施例的熱模擬。照明設(shè)備300具有參考圖2所述的與用于光源106的熱管理設(shè)備200的實(shí)施例基本上相同的結(jié)構(gòu)。熱管302被以使重力的影響最小化的方式定位。使重力的影響最小化的一個(gè)方式是當(dāng)使用多個(gè)熱管時(shí)，沿著不同的方向布置熱管，使得至少其中的幾個(gè)始終指向向上方向(獨(dú)立于光源的方向，因?yàn)樵趹?yīng)用中可以改變光源的方向)。在替換實(shí)施例(未示出)中，將長熱管布置為使得熱管的中間被嵌入散熱器中，使得長熱管的相對末端形成兩個(gè)冷部分，來自熱部分(長管的中間)的蒸氣能夠朝著該冷部分逸出。照明設(shè)備300被布置為具有包括具有100個(gè)LED 106的LED陣列的光源。(應(yīng)注意的是具有超過100個(gè)LED的設(shè)備是適用的)。用大數(shù)目的LED，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射超過500流明的照明設(shè)備。這又將引起約400W(且根據(jù)LED可能更多)的相當(dāng)大的熱負(fù)荷，該熱源自于約IOcm2量級或可能更小的小區(qū)域。LED被布置為具有3個(gè)不同的色彩，例如紅色、綠色和藍(lán)色，其允許非常好的色彩混合。用已在US6200002B1中描述的喇叭狀反射器203對由LED 106發(fā)射的光進(jìn)行準(zhǔn)直，其也是高效的色彩混合器。反射器段沿著一個(gè)方向是扁平的且沿著另一方向是彎曲的。反射器表面203是由Alanod生產(chǎn)的Miro Silver的高度反射薄膜。照明設(shè)備300還包括電源和在這里未明確示出的色彩控制單元。照明設(shè)備300被布置為使得LED陣列106被安裝在熱管理設(shè)備200的散熱器104上。從而，可以實(shí)現(xiàn)具有高亮度色彩可調(diào)諧聚光燈的照明設(shè)備300，其能夠管理在高功率應(yīng)用中產(chǎn)生的熱。 熱沉322的直徑L在這里是20cm，并且熱沉322的長度H在這里是30cm。在該模擬中利用市售風(fēng)扇110，SUNON mec0251-v3)以及其自己的工作曲線。這是由于其低噪聲發(fā)射而選擇的120X 120X 25風(fēng)扇。熱沉322的幾何結(jié)構(gòu)在這里被選擇為使得其可用壓鑄鋁來獲得。厚的錐形翼片的數(shù)目被選在27和36個(gè)之間，具有約2. 5_的平均厚度。可選地，可以使用通過擠壓獲得的更大數(shù)目的薄(0. 2mm)翼片。熱管與翼片的數(shù)目之間的比在這里被設(shè)置為2/1 (每兩個(gè)翼片一個(gè)熱管)，這保證了均勻的散熱。然而，如果出現(xiàn)對散熱與設(shè)計(jì)的復(fù)雜性之間的折衷的需要，3/1的比是很好的候選。圖3舉例說明照明設(shè)備300的橫截面圖，示出了使用ANSYS CFX vll.O的熱模擬。在圖3中的實(shí)施例的左半邊中示出了熱沉上的溫度分布，其中，可以看到實(shí)現(xiàn)了沿著熱管302的側(cè)面的均勻溫度分布。圖3中的實(shí)施例的左半邊上的溫度分布是在剖面上獲取的。其顯示出由熱管保證的增強(qiáng)的熱傳遞沿著熱管圖案(pattern)，溫度梯度不那么陡。圖4舉例說明整個(gè)實(shí)施例的熱模擬；熱沉的外皮上的溫度圖案與圖3中的部分匹配。熱沉102、322的尺寸應(yīng)盡可能大。限制因素是整個(gè)熱管理設(shè)備或照明設(shè)備100、200、300的余隙(clearance)以及保持熱管處于均勻(且可能高的)溫度的有效性。模擬顯示本發(fā)明構(gòu)思使得可以去除達(dá)到500W的熱，同時(shí)保持散熱器中的最高溫度低于90°C (環(huán)境氣溫25°C )。LED的相應(yīng)結(jié)溫度則在120°C和135°C之間的范圍內(nèi)，這用當(dāng)前LED技術(shù)是 可行的。根據(jù)本發(fā)明的熱管理設(shè)備允許將LED陣列中的LED的結(jié)溫度保持在基本上低于150°C、優(yōu)選地低于135°C且更優(yōu)選地低于120°C并最優(yōu)選地低于90°C的工作條件(環(huán)境氣溫 25°C )。圖5a和圖5b舉例說明實(shí)施例的一部分，其中，第一組熱管401和第二組熱管411被布置為扁平熱管，其被部分地嵌入散熱器404中。實(shí)施例的主要特征是使用非常接近于風(fēng)扇(圖5中未示出)的平面熱管411。熱管411則充當(dāng)散熱和濕潤表面，例如與由風(fēng)扇(前述圖1-4中的110)產(chǎn)生的氣流接觸。該實(shí)施方式有益于需要降低對取向(即重力)的靈敏度且提供改善的散熱的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，平面熱管411可以可選地延伸至其中熱沉322和空氣兩者的溫度都相當(dāng)?shù)偷膮^(qū)域。由于用于熱管的最大有效性，扁平熱管在其中光學(xué)裝置指向下的情況下特別有效，如在類似于劇院聚光燈的應(yīng)用中。優(yōu)選地，熱管被定向?yàn)槭沟脽峁艿臒岵糠直环胖迷诒壤洳糠值偷奈恢锰?，這允許蒸氣更容易地朝著冷部分移動(dòng)。如果產(chǎn)生蒸氣的熱部分將處于比冷部分高的位置，則實(shí)現(xiàn)不那么高效的加熱，因?yàn)檫B續(xù)的熱流更難以實(shí)現(xiàn)。在平面熱管的情況下，蒸氣具有基本上兩個(gè)方向以從熱部分逸出。更可能的是這兩個(gè)方向中的一個(gè)向上并朝向熱管的冷部分。本發(fā)明構(gòu)思可應(yīng)用于例如汽車前燈照明、點(diǎn)照明或其它一般照明單元、劇院聚光燈和高功率照明。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明絕不局限于上述優(yōu)選實(shí)施例。相反，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行許多修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種用于光源(100)的熱管理設(shè)備，所述設(shè)備包括 散熱元件(104)，其具有被布置為用于熱連接到至少一個(gè)光源(106)的上側(cè)； 輔助光學(xué)裝置(103)，其用于控制從所述光源發(fā)射的光； 熱沉，其被熱連接到所述散熱器； 第一組熱管，其被熱連接到所述散熱器；以及 風(fēng)扇，其用于在所述熱沉處提供強(qiáng)制空氣對流； 其中，所述熱沉的至少一部分被布置為圍繞所述輔助光學(xué)裝置，并且其中，所述熱管被嵌入所述熱沉中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱管理設(shè)備，其中，所述輔助光學(xué)裝置(103)被布置在所述散熱元件處，并被進(jìn)一步布置為圍繞所述光源(106)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的熱管理設(shè)備，其中，所述熱沉還包括經(jīng)由至少一個(gè)孔與空間進(jìn)行流體連通的腔體，所述風(fēng)扇被布置在該腔體內(nèi)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備， 其中，所述第一組熱管被布置為沿著所述輔助光學(xué)裝置延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，其中，所述第一組熱管被布置在所述散熱元件的底側(cè)處。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，還包括被熱連接到所述散熱器且相對于所述第一組熱管被布置在所述散熱器的相對側(cè)的第二組熱管。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，其中，所述熱管被至少部分地嵌入所述散熱器中。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，其中，所述輔助光學(xué)裝置是拋物線形、橢圓形或錐形或喇叭形的。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，其中，所述熱沉包括其中布置了所述第二光學(xué)裝置的拋物線形或錐形腔體。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，其中，所述熱沉被布置為具有翼片。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱管理設(shè)備，其中，所述翼片被布置為使得所述熱沉的外形形成截頭球體、柱體或截頭錐體中的一個(gè)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，其中，至少一個(gè)光源是固態(tài)發(fā)光元件且特別是發(fā)光二極管或激光器。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備，其中，所述熱管中的至少一個(gè)是平面熱管。
14.一種包括安裝在根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱管理設(shè)備中的至少一個(gè)光源的照明設(shè)備。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的照明設(shè)備，還適合于改裝成采用白熾光源的照明裝置。
全文摘要
提出了用于光源(100)的熱管理設(shè)備，其將借助于熱沉、熱管和強(qiáng)制對流的熱管理進(jìn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)了高功率照明應(yīng)用的高效冷卻。熱管理設(shè)備包括具有被布置為熱連接到至少一個(gè)光源(106)的上側(cè)的散熱元件(104)。由輔助光學(xué)裝置(103)來控制從光源發(fā)射的光。熱管理設(shè)備包括熱沉，其被熱連接到散熱器并被熱連接到散熱器的第一組熱管。熱沉的至少一部分被布置為包括輔助光學(xué)裝置。熱管被嵌入熱沉中。此外，在設(shè)備中包括用于在熱沉處提供強(qiáng)制空氣對流的風(fēng)扇。還提出了相應(yīng)的照明設(shè)備。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK102803842SQ201080028453
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者A·特拉利, T·C·特雷宇爾尼埃特, R·屈爾特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司