專利名稱：照明器件和用于制造照明器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及照明器件和用于制造這種器件的方法。
技術背景近些年以來，將半導體發(fā)光器件如LED用于汽車和普通照明用途。 所稱的"高功率"LED的最近的進展展示出非常高的光通量，并允許 將單LED而不是燈泡用于照明用途。一方面，出于高的光通量、這些器件的高功率消耗(>1W)和小 波形因數(shù)(form factor )的原因，必須將這種器件所產生的熱適當散逸， 因為LED的功效在高溫時受到很大的影響。另一方面，由于特定用途 的要求，將光學系統(tǒng)如準直儀或反射器用在許多用途中，以引導光， 這種特定用途如汽車大燈。在現(xiàn)有技術中，通常用剛性散熱器與反射 器之間的LED布置來解決這種問題。不過，由于這種LED剛性安裝 在這兩個元件之間，所以對LED施加力，這種力可損壞這種發(fā)光器件，尤其是在汽車用途中。WO-A-2004/038759中公開了這種問題的一種解決方法。正如可從 圖ll中看出的那樣，將LED IO安裝在熱管64的頂部上，熱管"用 于散逸在LED10中所產生的熱。將一種TIR (全內反射)反射器10b 布置在頂部上，但并不接觸LEDIO，從而在這兩個元件之間形成一種 凹入空間。用指數(shù)匹配的流體(index-matching fluid)填充TIR反射 器10b與LED IO之間的凹入空間。不過，由于這種指數(shù)匹配的流體、這種LED和TIR反射器的不同 熱膨脹系數(shù)的問題的原因，這種類型的照明器件的使用壽命有限，這 就可導致這種器件在高溫時破裂。而且，現(xiàn)有技術中的器件的這種指 數(shù)匹配的流體引起降質問題，且填充工藝增加了制造這種器件的難度。發(fā)明內容因此，本發(fā)明的目的在于提供一種照明器件，這種照明器件展示 出增強的機械支撐，而保持良好的熱散逸。根據(jù)本發(fā)明，這種目的由根據(jù)權利要求1的照明器件和根據(jù)權利 要求ll的用于制造照明器件的方法來實現(xiàn)。從屬權利要求涉及本發(fā)明 的優(yōu)選實施例。根據(jù)本發(fā)明的照明器件包括至少一個LED單元并可包括多個LED 單元。這種LED單元包括至少一個半導體發(fā)光器件(LED)，優(yōu)選是 制造用于照明目的的高功率LED,或者，可將多個LED用在單LED 單元中，例如，以在單LED模片或多個LED模片上的陣列的形式， 以實現(xiàn)高光通量。這種LED單元還可包括用于向這種LED提供電能 的驅動電路或其它電子或機械元器件，如引線，以及用于支撐這種LED 或熱散逸裝置的安裝座。這種LED單元僅剛性耦合到一種準直儀。通 過本發(fā)明，術語"剛性耦合"包括任何類型的連接或固定，這種連接 或固定允許向LED單元施加力，例如，這種力呈振動的形式。僅剛性 耦合到準直儀即LED單元僅剛性連接到單元器件或點是有利的，因為 無實質上的力可施加到這種LED單元，例如，這種實質上的力會由于 振動的原因而出現(xiàn)在汽車用途中。將這些實質上的力理解為包括在如 由振動導致的受迫斷裂或破裂方面能夠損壞LED單元或LED單元的 任何元器件的力。準直儀可以是任何適當?shù)念愋汀＠?，可采用用離子交換玻璃材 料制成的GR1N透鏡(梯度指數(shù)透鏡，gradient index lens)。 一般來 講，可用任何適當?shù)牟牧先缢芰匣虿Ａе瞥蛇@種準直儀。在本發(fā)明的 上下文中，將術語"準直儀，，理解為也包括任何適當類型的反射器。 準直儀至少部分地安裝在一種殼體中，可用任何適當?shù)牟牧现瞥蛇@種 殼體，這種材料能夠提供足夠的穩(wěn)定性以支撐準直儀。例如，采用金 屬材料或塑料。優(yōu)選這種殼體通過用導熱材料制成或通過適當?shù)慕Y構 性裝置如冷卻片能夠散逸由這種LED產生的熱。還可將帶有分立的 LED單元或共用的LED單元的多個準直儀布置在單殼體內。根據(jù)本發(fā)明，這種殼體包括一種腔體，這種腔體內含有非剛性傳 熱介質。這種腔體可以是任何形狀和體積，且4艮據(jù)這種傳熱介質確定 這種腔體的尺寸，以將這種LED單元至少部分地包含在這種介質中。 因此，應將準直儀相應地安裝到殼體。 一般來講，希望在LED單元與 傳熱介質之間有良好的熱接觸。優(yōu)選將這種腔體完全密封，以使這種 傳熱介質在這種發(fā)光器件的使用壽命內保持在腔體中。非剛性傳熱介質可以是任何類型，這種非剛性傳熱介質導熱，以散逸在這種LED單元中產生的熱。將"非剛性"理解為包括所有的材 料，這些材料并不形成到這種LED單元的硬連接，即這種介質并不將 實質上的力傳遞到這種LED單元。如上所述，基本理念是僅將這種LED 單元剛性連接到準直儀，即連接到單元器件，以使無實質上的力施加 到這種LED單元，否則，這些實質上的力可將LED單元損壞。在優(yōu)選實施例中，準直儀是一種TIR(全內反射)準直儀，這種 準直儀也稱為TIR反射器。TIR準直儀允許良好的準直性能并提供高 光學功效。TIR準直儀提供〉90。/。的功效。通常可根據(jù)所使用的波長范 圍用任何適當?shù)牟牧现瞥蛇@種TIR準直儀。作為示例，適當?shù)牟牧嫌?玻璃或透明的陶瓷材料。就容易制造方面而言，特別優(yōu)選用透明塑料 制成這種TIR準直儀。適當?shù)乃芰习≒MMA(聚曱基丙烯酸甲酯)、 聚碳酸脂或COC (環(huán)形晞烴共聚物)。根據(jù)用途，可用在理想波長范 圍內的反射涂層部分地涂覆這種TIR準直儀，或用一種覆層部分地涂 覆這種TIR準直儀，以支持全內反射，以進一步地增強光學功效。尤 其可將反射涂層涂覆到這種TIR準直儀的安裝這種LED單元的部分， 因為出于在這些表面上的光入射角的原因，在該區(qū)域內難以實現(xiàn)全內 反射。優(yōu)選用無機膠合劑、玻璃粉(glass frites )或特別優(yōu)選用注模將這 種LED單元耦合到這種準直儀。因此，準直儀應提供適當?shù)谋３盅b置， 這種保持裝置如在準直儀中形成的凹部。在使用無機膠合劑時，應將 這種無機膠合劑涂覆在LED單元與準直儀之間，即在光學路徑中，優(yōu) 選這種膠合劑應符合準直儀的反射指數(shù)。在用玻璃制成這種準直儀的 情形中，優(yōu)選使用玻璃粉。在本發(fā)明中，利用熱和壓力將具有準直儀 的折射指數(shù)的流體玻璃粉用于將LED單元連接到準直儀。還可通過注模將LED單元耦合到準直儀。優(yōu)選在用塑料制成這種 準直儀的情況下采用這種耦合，例如，在使用TIR準直儀時。注模尤 為有利，因為可實現(xiàn)LED模片的表面與準直儀的直接接觸，這樣就可 避免由折射指數(shù)的突然變化所導致的損失。因此，由于準直儀的全內 反射性能與降低的反射損失的結合，所以就可實現(xiàn)特別高的功效，這 種降低的反射損失由LEDTIR與準直儀的直接接觸所導致。可直接將 這種TIR準直儀注模在LED單元上，這就允許容易而有成本效率的制造工藝。根據(jù)本發(fā)明的進展，傳熱介質呈凝膠狀或特別優(yōu)選是液體。這種傳熱介質通常應允許LED單元與周圍的殼體之間的足夠的熱傳導。由 于這種傳熱介質還不應有剛性，所以凝膠狀或液體介質特別有利。適 當?shù)牟牧系膶嵗兴?、礦物油或合成油。傳熱介質還可以是一種前面 所提及的類型的組合，這些類型帶有支持傳熱性能的結構，如一種多 孔纖維結構，凝膠狀或液體介質在這種多孔纖維結構中。最優(yōu)選這種傳熱介質是一種液體。液體通常展示出高密度并因此而展示出良好的 熱導性能。而且，液體通常在LED單元與殼體之間提供極好的熱接觸。 特別優(yōu)選將這種LED單元浸在這種液體中。熱輸送機構可以是一種對流類型的機構或者是一種熱管機構。對 于對流類型的機構而言，適當?shù)囊后w應具有比LED單元的工作溫度高 的沸點，以使液體介質不完全蒸發(fā)，液體介質的完全蒸發(fā)往往會阻礙 散熱。 一般來講，當LED本身或LED單元的任何電子器件與這種流 體直接接觸時，這種液體還應具有電氣隔離性能。不過，可將導電流 體用作至電源的連接，只要對這種LED單元進行相應的設計。當使用 TIR準直儀且這種液體與這種TIR準直儀直接接觸時，有必要用覆層 或涂層將這種TIR準直儀的棵露表面涂覆，以保持全內反射性能。覆 層的必要性自然取決于TIR準直儀與所使用的流體的折射指數(shù)的差異?；蛘撸@種傳熱介質可以是一種熱管流體。熱管流體能夠有效地 輸送熱。在熱管機構中，將熱管介質布置在密封腔體中，這種密封腔 體與熱源緊密接觸。由于在熱源產生的熱的原因，熱管流體的一部分 蒸發(fā)。然后，蒸汽在腔體的較冷的散熱器凝結并隨后回流到該熱源。 熱管流體在熱源由在LED單元產生的熱蒸發(fā)。因此，蒸汽在腔體的冷 壁凝結，然后回流到LED單元，這種冷壁用作一種散熱器。因此，必 須將腔體設計成使熱管流體的不受阻礙的回流以及循環(huán)流可以進行。 例如，可將腔體的內壁設計成使回流僅可通過重力進行。由于這通常 取決于安裝位置，所以優(yōu)選將纖維多孔結構或燈芯狀結構用在腔體內 部，以通過毛細管力促使熱管流體的回流，以使熱管流體的循環(huán)流得 到保持，即便是在逆著重力引導回流時也是如此。特別優(yōu)選腔體的內 壁包括毛細管結構或動脈狀結構，以促進熱管流體的循環(huán)流。為了獲得熱管流體的足夠的蒸發(fā)并因此而獲得從LED單元的熱散逸，LED單 元不可由多孔材料完全包圍。適當?shù)臒峁芰黧w的實例有氨水、甲醇、PP2、乙醇、水或它們的溶 液和混合物。適當?shù)臒峁芰黧w通常應允許在由LED源的溫度要求所規(guī) 定的溫度范圍內以及用途的溫度條件下的工作。這在大多數(shù)情況下意味著在25t:與ioox:之間的范圍內的工作溫度。在另一個優(yōu)選實施例中，將殼體的腔體的尺寸確定為使LED單元 至少部分地容納在液體傳遞介質中，而與照明器件的安裝位置無關。 這種構造允許照明器件的通用工作位置，這種通用工作位置提供較高 的使用靈活性。因此，確定殼體的腔體的尺寸或結構，而與傳熱介質 的量和粘度無關，以使LED單元與傳熱介質之間的足夠的熱接觸總是 得到保持。根據(jù)本發(fā)明的另一種進展，LED單元包括一種散熱器。這種散熱 器有利地增強熱接觸并因此而增強從LED單元至傳熱介質的熱散逸。 這種散熱器可以是一種小型安裝座并通常用熱導材料制成，LED安裝 在這種散熱器上，且這種熱導材料如DBC (直接結合銅)、陶瓷、硅 或金屬材料。還可將一種子安裝座布置在LED與散熱器之間，例如， 這種子安裝座用陶瓷或硅材料制成。散熱器應盡可能地輕，以減少由 重力施加到LED單元的力。最優(yōu)選將這種散熱器耦合到準直儀。在另一個優(yōu)選實施例中，準直儀的表面包括連接到LED單元的至 少一個導電層，這種導電層設計用于將LED單元連接到電源。可利用 CVD或PVD方法如通過等離子體濺射將一種導電層涂覆到準直儀，且 這種導電層可至少將準直儀的一部分覆蓋。適當?shù)牟牧习ㄤX、銅或 銀。在傳熱介質導電或形成一個以上的導電層的情況下，可將隔離涂 層涂覆到該導電層，這種隔離涂層如一種隔離漆。正如前面所描述的 那樣，這種導電層還可用作反射層或覆層。導電層允許以各種公式將 電源連接到LED單元。例如，這種導電層可將電源的正終端連接到LED 單元，而導電傳熱介質將電源的接地終端連接到LED單元。而且，還 可在準直4義上形成相互隔離的兩個導電層，以將LED單元與電源連接。 還可在準直儀上布置一種結構化層，這種結構化層能夠將電源的兩個 終端連接到LED單元。適當?shù)碾娫窗ê懔麟娫?、帶有電阻器的電壓電源、降壓變換器、增壓變換器或降壓增壓變換器。Zukauskas等人所著的"Introduction to solid state Lighting" (2002，第7章)一文中公開了 一種電源的實例。不 過，電源還可以是一種簡單的電池或整流電源連接。在根據(jù)本發(fā)明的 一種制造方法中，降LED單元剛性耦合到準直儀。 這種方法包括用如無機膠合劑將LED單元耦合到以前形成的準直儀。 這種方法還包括連同耦合到LED單元的準直儀的形成，例如，此時， 準直儀用塑料制成，并直接注模到LED單元上。


從參考下面描述的實施例就會明白本發(fā)明的這些和其它方面，且 參考下面描述的實施例對本發(fā)明的這些和其它方面進行說明。在附圖中..圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的照明器件的第一實施例的示意性截面圖，圖2示出了處于第二位置的第一實施例的示意性截面圖，圖3示出了處于另一種位置的第一實施例的截面圖，圖4示出了示于圖1中的實施例的沿A-A'線的截面圖，圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的截面圖，圖6a示出了一種層結構的笫一實例的示意圖，圖6b示出了一種層結構的另一種實例的示意圖，圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的示意圖，圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的示意圖，圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的示意圖。
具體實施方式
參看視圖，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的照明器件1的 示意性截面?zhèn)纫晥D。在此實施例中，將用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯) 制成的TIR準直儀2安裝在殼體3中。用環(huán)氧膠合劑將準直儀2的發(fā) 光前表面安裝到殼體3的上部分，以使殼體3和準直儀2形成一種密 封的腔體12，這種密封的腔體12在準直儀2周圍延伸。這種殼體包括 幾個散熱片4，以散逸在照明器件1中所產生的熱。LED單元5包括 LED模片6和散熱器7，并剛性連接到準直儀2的下部分。為了建立 這種剛性連接，將用PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)制成的準直儀2直接注模到LED單元5上。由于在涂覆到LED單元5時準直儀2的這種 PMMA原材料是流體，所以就實現(xiàn)了一種完美的貼合。因此，在光學 路徑中無氣隙的出現(xiàn)，這樣就會由于耦合損失的減少而產生高的光學 功效。LED模片6包括幾個由于驅動LED的電路。利用設在層結構8中 的導電層13將LED模片6電氣連接到電源(未示出)，這種層結構8 設在準直儀2的表面的一部分上。除了發(fā)光前表面之外，準直儀2的 表面的其余部分由一種覆層(未示出)覆蓋，以在準直儀2與設在腔 體12內的熱管流體10直接接觸時，全內反射性能總是得到保持。在 此實施例中，將乙醇用作熱管流體IO。將這些導電層13連接到線9，這些線9連接到電源。層結構8的 構造的實施例在圖6a和圖6b中示出并且在下面進行描述。散熱器7 用DBC (直接結合銅)制成并用于增強與設在腔體12中的熱管流體 IO的熱接觸，LED單元5部分地浸在腔體12中 為了將由LED模片6在工作時所產生的熱輸送到殼體3之外，將 熱管流體10由LED單元5加熱并蒸發(fā)。熱管流體10的熱蒸汽在殼體 3的冷壁和/或準直儀2凝結，然后回流到包圍LED單元的熱管流體10 的儲存罐。利用這種機構保持穩(wěn)定的循環(huán)流。將殼體3的腔體12設計成使LED單元5至少部分地僅在熱管流體 10中，而與工作位置無關。處于第二位置的圖1中的實施例的截面圖 在圖2中示出。正如可從圖2中看出的那樣，熱管流體10的量與腔體 12的尺寸相匹配，以4吏LED單元5至少部分地僅在熱管流體10中。 為了使足夠的流體能夠在每個可能的安裝位置循環(huán)，僅在發(fā)光前表面 將準直儀2連接到殼體3，如圖4所示，圖4示出了沿A-A'線的截面 圖。這樣，在每個安裝位置，凝結的熱管流體就可回流到儲存罐IO。圖3示出了處于第三工作位置的示于圖1中的實施例。出于腔體 12的這種設計的原因，LED單元5同樣也部分地浸在熱管流體10中， 即便是在照明器件1略微傾斜的情況下。雖然在圖中并未示出，但就 殼體3的增強的冷卻而言，布置更多數(shù)量的散熱片4是有利的，這些 散熱片4在殼體3的外周緣，如圖5所示?；蛘撸饲懊嫠峒暗闹?，還可使用一種對流類型的傳熱介 質，而不是熱管流體5。在此情形中，應將這些散熱片4設在熱流體與殼體3接觸的位置。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的照明器件IO的第二實施例。與示于圖1 中的第一實施例相比，將多孔材料ll布置在腔體12內。多孔介質11包括纖維結構，以增強熱管流體10的循環(huán)。在此實 施例中含在部分地包圍LED單元5的多孔介質11內的熱管流體5由于 在LED單元5中所產生的熱而蒸發(fā)。正如前面所描述的那樣，熱蒸汽 在殼體3的冷壁和/或實體準直儀2凝結。然后，凝結的流體至少部分 地由多孔介質11吸收并加到LED單元5。因此，多孔介質ll包括纖 維結構，以使源自流體濃縮物的梯度的毛細管力導致凝結的流體向 LED單元5的傳導。圖6a示出了在準直儀2的表面上形成的層結構8的第一實例的示 意圖。這種層構造用在示于圖1的實施例中。這種層結構包括一種反 射涂層14，這種反射涂層14在準直儀2的表面上直接形成。由于在準 直儀2的表面上的光的入射角在LED單元5附近的區(qū)域大，所以難以 實現(xiàn)全內反射性能。因此，反射涂層14增強照明器件1的光學功效。 兩個導電層13在反射涂層14上形成，這兩個導電層13相互分離，并 通過隔離漆16與反射涂層14分離。最外導電層13也用隔離漆16覆蓋， 以將該導電層13相應地與腔體12的內部和熱管流體10隔離。這些導 電層13將LED模片5的電氣終端連接到這些線9。雖然圖中示出了兩 個堆疊的導電層13，但也可在單層中形成兩個相互電氣隔離的導電結 構。這些導電層13和反射層14包括鋁，用真空淀積工藝形成這種鋁。 雖然將鋁用在本實施例中，但其它的導電金屬材料或合金也可用于導 電層13的形成。可根據(jù)照明器件1的波長范圍選擇用于反射涂層14 的材料。用標準類型的用于容納金屬(或腔體導電材料)淀積的漆形 成漆層16。圖6b示出了層結構8的另一個實例的示意圖。示于該圖中的實例 描述了層結構8的一種更簡單的構造。在此實例中，在準直儀2的表 面上形成單導電層13。導電層13用鋁制成，并且如前面所描述的那樣 也用作一種反射涂層。用漆16覆蓋導電層13以將該層與腔體12的內 部隔離。由于在此實例中僅有一個導電結構即導電層13出于層結構8 中，所以僅可將LED模片6的一個電氣終端通過層結構8連接到電源。 可將LED模片6的另一個電氣終端用線9直接連接到電源，如在圖5的實施例中示范性地示出的那樣?；蛘?，正如前面所說明的那樣，可利用熱管流體IO將LED模片6的另一個電氣終端連接。在此情形中， 熱管流體10應提供一種良好的電氣傳導。LED單元5和殼體3應提供 電氣終端，以連接到熱管流體IO。圖7示出了照明器件1的第三實施例的示意性側視圖。在此實例 中，準直儀2部分地安裝在殼體3中，以使LED單元5布置在腔體12 內并因此而與熱管流體10直接接觸。這樣，有利的是，正如前面所提 及的那樣，就不必采用準直儀2的表面上的覆層，因為可與熱管流體 接觸的該表面的部分由層結構8所覆蓋。圖8和圖9示出了照明器件1的其它實施例。示于圖8中的第四實 施例有在LED單元5上的三個LED模片6。單準直儀2'適合于這些 LED模片6的布置。這樣就可實現(xiàn)較高水平的光通量。示于圖9中的 第五實施例具有類似于示于圖8中的實施例的設置。圖9示出了連同 在共用散熱器7上的相應的LED模片6的三個準直儀2。這種布置允 許照明器件1的容易的適應性。雖然在圖中并未示出，但可容易地根 據(jù)用途提高/縮減所使用的LED的數(shù)量。例如，在要求RGB色彩混合 時，數(shù)量為三個的有色彩LED可能會有利。本說明書中所描述的實施例旨在說明而不在于限制。權利要求書 中的任何附圖標記的使用并不限制相應的權利要求的范圍。
權利要求
1.一種照明器件，所述照明器件包括LED單元(5)，準直儀(2)，所述準直儀(2)至少部分地安裝在殼體(3)內，以及非剛性傳熱介質，所述非剛性傳熱介質包含在所述殼體(3)內的腔體(12)中，其中所述LED單元(5)僅剛性耦合到所述準直儀(2)且至少部分地含在所述傳熱介質中，以散逸由所述LED單元(5)所產生的熱。
2. 如權利要求l所述的器件，其特征在于所述準直儀是TIR準 直儀(2 )。
3. 如前面的權利要求中的任一項所述的器件，其特征在于用無 機膠合劑、玻璃粉或通過注模將所述LED單元(5)耦合到所述準直 儀(2)。
4. 如前面的權利要求中的任一項所述的器件，其特征在于所述 傳熱介質呈凝膠狀或者是液體。
5. 如權利要求4所述的器件，其特征在于確定所述腔體(12) 的尺寸，以使所述LED單元(5)至少部分地含在所述液體傳熱介質 中，而與所述照明器件(1)的安裝位置無關。
6. 如權利要求4至5之一所述的器件，其特征在于所述液體傳 熱介質是熱管流體(10)。
7. 如前面的權利要求中的任一項所述的器件，其特征在于所述 腔體(12)包括多孔纖維結構或燈芯狀結構。
8. 如前面的權利要求中的任一項所述的器件，其特征在于所述 LED單元包括散熱器(7)。
9. 如前面的權利要求中的任一項所述的器件，其特征在于所述 準直儀(2)的表面包括連接到所述LED單元(5)的至少一個導電層(13),所述導電層(13)設計用于將所述LED單元(5)連接到電 源。
10. —種照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)包括如前面的權利要求中的任 一項所述的照明器件(1 )和電源單元，所述電源單元連接到所述LED 單元(5)。
11. 一種用于照明器件(1)的制造方法，其中 準直儀(2)剛性耦合到LED單元(5)， 所述準直儀(2)至少部分地安裝在殼體(3)內，以及 將非剛性傳熱介質加到腔體(12)中，所述腔體(12)設在所述 殼體(3)內，以使所述LED單元(5)至少部分地含在所述傳熱介質中。
全文摘要
一種包括LED單元(5)、準直儀(2)和殼體(3)的照明器件(1)，這種LED單元(5)僅剛性耦合到準直儀(2)，以使無實質上的力可加到這種LED單元(5)。在殼體(3)中的腔體(12)內提供一種非剛性傳熱介質(10)，以散逸由這種LED單元(5)所產生的熱。因此，這種LED單元(5)至少部分地含在傳熱介質(10)中。
文檔編號F21V29/00GK101331358SQ200680047003
公開日2008年12月24日 申請日期2006年12月4日 優(yōu)先權日2005年12月14日
發(fā)明者B·斯平格, D·A·貝諾伊, E·倫德林克, G·盧特根斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司