ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
LIGHTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится в общем к осветительному устройству и конкретнее к твердотельному осветительному устройству, содержащему множество источников света, колбу и теплоотводящий элемент, размещенный на колбе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В общем известны осветительные устройства, такие как лампы на основе светоизлучающего диода (СИД) или светодиодные лампы. Идея светодиодной лампы для высокой интенсивности, высокого светового выхода обычно ограничена ее тепловыми свойствами и доступным пространством для управляющей электроники. US 2012/0139403 A1 раскрывает твердотельное осветительное устройство, содержащее СИД, оптически соединенные со световодом, причем световод замыкает внутренний объем, и тепловод. Тепловод интегрирован в световод для обеспечения теплопроводности от СИД и либо по всей протяженности расположен вблизи области световода, либо размещен в пределах внутреннего объема световода.
Система, описанная выше, в общем эффективна при выполнении теплоэффективного осветительного устройства. Однако существует необходимость менее сложного, менее дорогостоящего осветительного устройства с эффективными тепловыми свойствами.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
th
Задачей настоящего изобретения является по меньшей мере создание улучшенного осветительного устройства. Будет предпочтительным получение осветительного устройства, пригодного для усовершенствованной светодиодной лампы с низкой стоимостью, которое имеет низкое тепловое сопротивление, R, на системном уровне. Также будет желательным создание осветительного устройства, которое имеет большой доступный объем для управляющей электроники, и обеспечение хорошей оптической характеристики с возможностью всенаправленного распределения света. Эти задачи решаются осветительным устройством согласно настоящему изобретению, которое определено в независимом пункте приложенной формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения и в нижеследующем описании и на чертежах.
Таким образом, в соответствии с настоящей изобретательской идеей обеспечено осветительное устройство, содержащее источник света, колбу, содержащую внешнюю поверхность, выполненную с возможностью распределения света от множества источников света, и внутреннюю поверхность, выполненную с возможностью окружения внутреннего объема. Внутренняя поверхность по меньшей мере частично покрыта листовым металлическим элементом, т.е. теплоотводящим элементом, размещенным на внутренней поверхности. Листовой металлический элемент отделен на заданное расстояние от упомянутой внутренней поверхности, тем самым обеспечивая зазор между внутренней поверхностью и листовым металлическим элементом, который является предпочтительным для предотвращения оптического соединения между листовым металлическим элементом и колбой.
Это обеспечивает дешевое осветительное устройство, которое использует внутреннюю поверхность колбы для обеспечения большой области охлаждения. Внутренний объем колбы может далее использоваться для позиционирования управляющей электроники осветительного устройства. Так как световой выход из осветительного устройства генерируется на внешней поверхности колбы, предпочтительно в генерируемом свете будут отсутствовать тени от управляющей электроники или теплоотводящего элемента. Листовые металлы в общем являются дешевыми и гибкими и дополнительно связаны с простыми технологиями формирования и формования, что является предпочтительным.
Согласно варианту выполнения осветительного устройства участок листового металлического элемента размещен в непосредственном контакте с внутренней поверхностью или находится в тепловом соединении с внутренней поверхностью, например, посредством некоторого агента для теплового соединения. Кроме того, по меньшей мере участок листового металлического элемента отделен на заданное расстояние от внутренней поверхности. Предпочтительно заданное расстояние выбирается между 10 мкм и 200 мкм и обычно выбирается равным около 100 мкм для обеспечения хороших тепловых свойств осветительного устройства. В примерном варианте выполнения разделительные элементы размещены между листовым металлическим элементом и внутренней поверхностью для обеспечения заданного расстояния.
Согласно варианту выполнения осветительного устройства каждый из множества источников света находится в тепловом соединении с листовым металлическим элементом для увеличения теплопередачи от источников света к листовому металлическому элементу. Для СИД с тепловой площадкой: пайка или нанесение улучшенного клея применимо для теплового соединения СИД с листовым металлическим элементом. Для СИД, установленных на гибком листовом металлическом элементе (гибкой фольге), надлежащим образом выполненная гибкая фольга и адгезивный слой, например, светодиодная лента в Equinox, применимы для обеспечения хорошего теплового соединения между СИД и листовым металлическим элементом.
Внешняя поверхность колбы согласно варианту выполнения осветительного устройства выполнена с элементами извлечения света для того, чтобы усиливать световой выход и/или управлять профилем интенсивности или извлечением луча света из внешней поверхности колбы.
Согласно вариантам выполнения осветительного устройства множество источников света распределены по заранее выбранной области колбы, например, на внутренней поверхности или альтернативно на внешней поверхности колбы. Группы источников света могут быть размещены в выбранных областях поверхности. Тем самым распределение света от колбы может, например, равномерно распространяться по всей соответственной поверхности, т.е. источники света равномерно распределяются по всей колбе, или распределение света концентрируется в конкретных областях колбы. Обеспечение групп СИД (или СИД), распределенных по поверхности колбы и тем самым поверхности листового металлического элемента, является предпочтительным для обеспечения улучшенного теплоотвода посредством листового металлического элемента. Вследствие этого материал листового металлического элемента может быть выбран более тонким или менее теплопроводящим, что открывает возможность использования материалов, подобных тонким стальным листам.
Согласно варианту выполнения осветительного устройства колба содержит световод, который оптически соединен с множеством источников света с возможностью приема и распределения света от источников света. Свет распределяется через световод посредством внутреннего отражения. В этом варианте выполнения для осуществления хорошего внутреннего отражения в световоде листовой металлический элемент предпочтительно отделен на заданное расстояние от световода, как ранее отмечено. В варианте выполнения осветительного устройства световод обеспечен светоприемным торцом на поверхности конца на своем проксимальном конце и на котором размещены множество источников света. Световод может быть выполнен в виде полого твердого световода или может быть гибким. Будучи гибким, световод предпочтительно выполнен использующим внешний защитный прозрачный слой оболочки колбы в качестве опорной конструкции.
Согласно варианту выполнения осветительного устройства управляющая электроника множества источников света размещена в пределах внутреннего объема. Тем самым значительно больший объем используется для управляющей электроники, чем в известном решении усовершенствованных светодиодных ламп, в которых управляющая электроника обычно размещена внутри цоколя лампы. Также при конструкции настоящего изобретения требуемый объем для управляющей электроники не сталкивается с поверхностью для соединения светового выхода и охлаждения источника света осветительного устройства. При использовании осветительного устройства для обеспечения усовершенствованной лампы оно обычно содержит цоколь, соединенный с колбой, который может представлять собой резьбовой цоколь Эдисона или любой другой применимый цоколь.
Эти и других аспекты, признаки и преимущества изобретения будут ясны и раскрыты со ссылкой на варианты выполнения, описанные далее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение далее будет описано более подробно и со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Фиг. 1а представляет собой схематический вид сбоку в поперечном сечении с местным разрезом варианта выполнения осветительного устройства согласно настоящему изобретению, а Фиг. 1b и 1c представляют собой схематические виды сбоку в перспективе теплоотводов двух вариантов выполнения осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2а представляет собой схематическую иллюстрацию в разобранном виде сбоку в перспективе варианта выполнения осветительного устройства согласно настоящему изобретению, а Фиг. 2b–2d показывают виды вблизи в поперечном сечении стенки колб вариантов выполнения осветительного устройства согласно настоящему изобретению;
Фиг. 3a представляет собой схематический вид сбоку в перспективе варианта выполнения осветительного устройства согласно настоящему изобретению, а Фиг. 3b представляет собой схематическую иллюстрацию части колбы осветительного устройства согласно варианту выполнения настоящего изобретения, такому же варианту выполнения осветительного устройства, который частично проиллюстрирован на Фиг. 3a, и Фиг. 3с показывает схематический вид в поперечном сечении колбы осветительного устройства на Фиг. 3a;
Фиг. 4 представляет собой график, иллюстрирующий тепловое сопротивление области СИД внешней среде; и
Фиг. 5 и Фиг. 6 иллюстрируют тепловые имитационные модели распределения температуры по осветительному устройству для вариантов выполнения осветительного устройства согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь настоящее изобретение будет описано далее более полно со ссылкой на сопровождающие чертежи. Нижеописанные варианты выполнения обеспечены в качестве примера так, что это раскрытие будет основательным и полным и будет полностью передавать объем изобретения специалисту в области техники. Одинаковые ссылочные позиции везде относятся к одинаковым элементам.
Фиг. 1а представляет собой схематический вид сбоку в поперечном сечении с местным разрезом варианта выполнения осветительного устройства 10, здесь усовершенствованной лампы, содержащей колбу 15, которая замыкает/или окружает внутренний объем 16. Колба 15 сцеплена с цоколем 18, который здесь реализован с помощью цоколя Эдисона для использования с патроном традиционной лампы. Цоколь 18 выполнен с возможностью соединения источника мощности со схемой 17 приведения в действие, выполненной с возможностью приведения в действие источника 19 света осветительного устройства 10. Колба 15 содержит прозрачный слой 11 оболочки, например, из стекла, и световод 12, здесь твердое полое тело в форме цилиндра с условно постоянным радиусом по его длине. Световод размещен на внутренней стороне прозрачного слоя 11 оболочки и покрывает его большую часть. Теплоотвод, здесь листовой металлический элемент 13 толщиной 200 мкм, изготовленный из меди, расположен близко к внутренней поверхности 12b световода 12 для того, чтобы осуществлять хороший тепловой контакт. Вид в перспективе листового металлического элемента 13 показан на Фиг. 1b. Листовой металлический элемент 13 по существу имеет форму цилиндра, который закрыт на его боковом конце 18 и который обеспечен множеством язычков 14. Этот примерный листовой металлический элемент предпочтителен тем, что он обеспечивает простое осуществление тела специальной формы. За счет функции пружины множества язычков 14 он обеспечивает простой путь решения проблем, связанных с допусками по размеру и т.д. внутри колбы и обеспечивает простую установку листового металлического элемента в колбу.
Листовой металлический элемент 23 в альтернативном варианте выполнения осветительного устройства, и как проиллюстрировано на Фиг. 1с, по существу имеет форму цилиндра, который закрыт на его боковой стороне 18 и который обеспечен боковой стенкой 24 без множества язычков 14, которые проиллюстрированы для листового металлического элемента 13 на Фиг. 1b.
Снова на Фиг. 1а в этом варианте выполнения источник 19 света содержит множество источников света, которые размещены на светоприемном торце 12с световода 12 на его проксимальном конце. Возможно твердотельные источники 19 света располагаются в соответственных отверстиях, образованных в световоде, например, щелях, размещенных в его проксимальном конце. Множество источников 19 света предпочтительно представляют собой СИД. Множество источников света размещены так, что свет от источников 19 света поступает на светоприемный торец 12с на проксимальном конце световода 12 и проходит по световоду посредством полного внутреннего отражения. Источники 19 света предпочтительно размещены в виде кольца, как показано в осветительном устройстве 20, которое проиллюстрировано на Фиг. 2а, или другой пригодной схеме в зависимости от формы светоприемного торца световода, с которым оптически соединены источники света.
Согласно варианту выполнения осветительного устройства согласно настоящей изобретательской идее внешняя поверхность световода, по сравнению с поверхностью 12а на Фиг. 1а, обеспечена элементами извлечения света (не показаны) для усиления и управления профилем интенсивности, т.е. изменением интенсивности светового выхода из световода. Элементы извлечения света предпочтительно размещены в определенных областях внешней поверхности световода. Элементы извлечения света выполнены с возможностью извлечения света из световода с заданным угловым распределением луча света и/или профилем интенсивности. Угловое распределение луча света относится к изменению интенсивности в зависимости от угла луча (обычно телесного угла) света, излучаемого из светоизлучателя, такого как световод. В некоторых вариантах выполнения элементы извлечения света в заданной определенной области обеспечены посредством выступов или выемок или их совокупности, размещенных на/во внешней поверхности.
Далее на Фиг. 2а осветительное устройство 20 содержит колбу 25, замыкающую внутренний объем, в котором размещена управляющая электроника источников 19 света. Фиг. 2b представляет собой вид вблизи в поперечном сечении, показывающий колбу 25 более подробно. Колба 35 содержит световод 21, с которым оптически соединены источники 19 света. Листовой металлический элемент 23 размещен на внутренней стороне световода 21 и размещен на заданном расстоянии d 24, равном 100 мкм, в отношении световода 21.
В альтернативном варианте выполнения, который проиллюстрирован на Фиг. 2с, колба 35 имеет подобную конструкцию, которая описана со ссылкой на Фиг. 2b. Однако здесь источники 19 света распределены в отношении поверхности листового металлического элемента 33/внутренней поверхности 12b световода 21. Каждый источник 19 света находится в тепловом соединении с листовым металлическим элементом 33. В этом примере тепловое соединение обеспечивается с помощью непосредственного контакта или посредством средства теплового соединения, такого как тепловопроводный адгезив, термопаста, тепловые контактные площадки и т.д., применяемые между источниками 19 света и листовым металлическим элементом 33. В качестве альтернативы, тепловое соединение обеспечивается посредством некоторого теплопроводящего элемента, подобного тепловой трубке, для передачи тепла, производимого твердотельным источником света, листовому металлическому элементу. Источники 19 света могут вставляться в полости 25, размещенные во внутренней поверхности 12b световода 21, который проиллюстрирован на Фиг. 2с, или альтернативно источники света могут вставляться в отверстия, продолжающиеся через световод между его главными внутренней и внешней поверхностями, по сравнению, например, с осветительным устройством 30 на Фиг. 3, где источники света продолжаются через колбу, содержащую пластиковый корпус, через сквозное отверстие и конструкцию линзы. В альтернативном варианте выполнения листовой металлический элемент является сильно отражающим и непосредственно сцеплен со световодом.
Далее выполнена ссылка на Фиг. 2d, которая представляет собой схематическую иллюстрацию варианта выполнения изобретения. В показанном варианте выполнения конфигурация колбы 35 имеет подобную конструкцию, как в вариантах выполнения, описанных со ссылкой на Фиг. 2b и Фиг. 2c. Однако здесь используется листовой металлический элемент 43 со встроенными разделительными элементами 44. Разделительные элементы 44 используются для образования зазора, т.е. заданного расстояния d или промежутка, между листовым металлическим элементом 43 и световодом 21. Предпочтительно зазор предотвращает оптическое соединение между световодом 21 и металлическим листовым элементом 43. Встроенные разделительные элементы 44 дополнительно обеспечивают хорошее тепловое соединение между листовым металлическим элементом 43 и световодом 21. Разделительные элементы 44 здесь осуществлены с помощью маленьких выступов в листовом металлическом элементе, и которые распределены по его поверхности. В проиллюстрированном примере каждый выступ имеет форму, имеющую заостренную вершину, для обеспечения маленькой области контакта между разделительным элементом 44 и световодом 21, что является предпочтительным.
Фиг. 3a схематически иллюстрирует осветительное устройство 30 согласно изобретению, где колба содержит пластиковый корпус 55, имеющий треугольное поперечное сечение в горизонтальной плоскости, и которая замыкает внутренний объем. На внутренней стороне пластикового корпуса 55 размещена согнутая печатная плата (PCB). Разогнутая PCB проиллюстрирована на схематическом виде сверху на Фиг. 3b. Пунктирными линиями обозначены две линии сгиба, причем по этим линиям сгиба PCB сгибается до установки в пластиковый корпус 55. Листовой металлический элемент 53 размещен на PCB. Дополнительно группы источников света, СИД 19, установлены на PCB. Во время изготовления СИД 19 устанавливаются на сгибаемую PCB (с требуемой электрической изоляцией) и соединяются с помощью электрических проводов 54 с управляющей электроникой, которая при установке располагается во внутреннем пространстве/объеме, который образуется при сгибании сгибаемой PCB в треугольную форму (управляющая электроника не видна на чертежах). Согнутая PCB далее устанавливается в колбу, которая содержит пластиковый корпус 55. В альтернативном варианте выполнения пластиковый корпус 55 содержит подучастки, которые собираются на сгибаемой PCB. В положениях пластикового корпуса 55, которые соответствуют положениям СИД 19 на согнутой PCB, сквозные отверстия и линзы 39 размещены так, что СИД могут продолжаться через сквозные отверстия (не видны) в пластиковом корпусе и достигать линзы 39, выполненные с возможностью закрытия отверстий на внешней поверхности пластикового корпуса 55. Как проиллюстрировано на виде вблизи в поперечном сечении на Фиг. 3с, листовой металлический элемент 53 выполнен с возможностью непосредственного сцепления с пластиковым корпусом 55 так, что образуется колба 56, выполненная с возможностью распределения света от упомянутого множества источников света, например СИД, в линзах 39. Внутренняя поверхность 12b колбы 56 по меньшей мере частично покрывается листовым металлическим элементом 53 при сборке PCB и пластикового корпуса.
th
Согласно вариантам выполнения осветительного устройства, так как тепловая характеристика осветительного устройства определяется параметром, определяемым произведением теплопроводности на толщину, Kd, листового металла, толщина листового металлического элемента выбирается в отношении конкретного листового металлического материала, смотри график имитационной модели, иллюстрирующий тепловое сопротивление R области СИД (области, где размещены источники света) внешней среде в зависимости от значения Kd теплоотводящего элемента на Фиг. 4. Для формы стандартной лампы A60 с источниками света (СИД), размещенными в области горловины лампы, значение 0,1 Вт/K или выше является близким к минимальному тепловому сопротивлению. Для осветительного устройства согласно настоящей изобретательской идее значение 0,1 Вт/K является достигаемым с 250 мкм меди, 500 мкм алюминия или 2 мм стали.
Далее на Фиг. 5 и Фиг. 6 представлены тепловые имитационные модели стандартной стеклянной лампы А60 с подобной основной конструкцией, как примерный вариант выполнения настоящего изобретательского замысла, который показан на Фиг. 1а. Теплоотводящий элемент 13 представляет собой алюминиевый листовой металл. В имитационных моделях толщина стеклянной лампы, соответствующая слою 11 оболочки на Фиг. 1а, составляет 0,5 мм, толщина световода 12 составляет 2 мм, а толщина теплоотводящего элемента составляет 0,2 мм. Имитируется распределение температуры осветительного устройства согласно двум экстремальным ситуациям при свободном горении, цоколе вверху и температуре окружающей среды 25°С:
в первой экстремальной ситуации тепловая нагрузка 8 Вт полностью распределяется по внутренней поверхности 12b лампы, показанной на Фиг. 5a и 5b, а
во второй экстремальной ситуации тепловая нагрузка 8 Вт прикладывается к кольцевой области горловины стеклянной лампы, показанной на Фиг. 6а и 6b. Здесь листовой металлический элемент KD имеет 0,04 Вт/K.
Как может быть видно на Фиг. 5а, которая иллюстрирует распределение температуры внешней поверхности стеклянной лампы, для равномерного распределения тепловой нагрузки по внутренней стенке стеклянной лампы поверхность стеклянной лампы достигает максимальной температуры 76°С на ее верхнем участке и минимальной температуры 68°С на поверхности стеклянной лампы на горловине стеклянной лампы. Распределение температуры на внутренней поверхности 12b стеклянной лампы, т.е. на листовом металлическом элементе, проиллюстрировано на Фиг. 5b и достигает максимальной температуры 79°С на его верхнем участке и минимальной температуры 71°С на внутренней поверхности 12b стеклянной лампы на горловине стеклянной лампы.
Продолжая со ссылкой на Фиг. 6а, которая иллюстрирует распределение температуры внешней поверхности стеклянной лампы, для распределения тепловой нагрузки на горловине стеклянной лампы поверхность стеклянной лампы достигает максимальной температуры 116°С на поверхности стеклянной лампы на горловине стеклянной лампы и минимальной температуры 59°С на ее верхнем участке. Распределение температуры на поверхности листового металлического элемента стеклянной лампы проиллюстрировано на Фиг. 6b и достигает максимальной температуры 131°С на внутренней поверхности 12b стеклянной лампы на горловине стеклянной лампы и минимальной температуры 64°С на ее верхнем участке. В этой имитационной модели представлен листовой металл, но тепловая нагрузка не распределяется, и тепловая нагрузка, таким образом, концентрируется на маленьком кольце в области горловины. Это представляет собой наихудшую ситуацию, при этом наилучшей ситуацией является полностью распределенная тепловая нагрузка (соответствующая распределенным источникам света), как показано на Фиг. 5а и 5b.
Примеры твердотельных источников света, применимых для осветительных устройств согласно изобретению, включают в себя светоизлучающие диоды (СИД), лазерные диоды и органические СИД (ОСИД).
Несмотря на то, что изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в вышеупомянутом описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничительные; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами выполнения. Другие изменения раскрытых вариантов выполнения могут быть поняты и осуществлены специалистом в области техники при применении заявленного изобретения, при изучении чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множества. Сам по себе тот факт, что определенные признаки перечислены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что совокупность этих признаков не может быть использована с преимуществом. Компьютерная программа может храниться/распространяться на пригодном носителе, таком как оптический запоминающий носитель или твердотельный носитель, поставляемые вместе или в виде части другого аппаратного обеспечения, но также может распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не должны пониматься как ограничивающие объем.