高强度放电灯组件和方法
阅读：113发布：2020-05-11
专利汇可以提供高强度放电灯组件和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 高强度放电灯 组件和方法。一种灯组件包括：壳体，限定内部容积；以及灯，放置在内部容积中，灯包括第一 电极 和第二电极，其中，第一电极热耦接且电耦接至壳体，并且其中，第二电极通过导热电绝缘材料和 传热 元件热耦接至壳体。，下面是高强度放电灯组件和方法专利的具体信息内容。
1.一种灯组件包括：
壳体，限定内部容积；
灯，置于所述内部容积中，所述灯包括第一电极和第二电极，其中，所述第一电极热耦接且电耦接至所述壳体；
传热元件，置于所述内部容积中，在所述第二电极和所述壳体之间延伸，以将所述第二电极沿着冷却路径热耦接至所述壳体；以及
导热电绝缘材料，置于所述内部容积内，位于所述冷却路径中以使所述第二电极与所述壳体电绝缘，
其中，所述第一电极是阴极并且所述第二电极是阳极。
2.根据权利要求1所述的灯组件，其中，所述壳体被电接地。
3.根据权利要求1所述的灯组件，其中，所述壳体由导热且导电的金属材料形成。
4.根据权利要求1所述的灯组件，其中，所述灯包括气体放电灯。
5.根据权利要求1所述的灯组件，还包括，将所述灯连接至所述壳体的安装结构，其中，所述安装结构将所述第一电极热耦接且电耦接至所述壳体。
6.根据权利要求1所述的灯组件，其中，所述灯包括氙弧灯。
7.根据权利要求1所述的灯组件，其中，所述导热电绝缘材料包括粘合剂、固化浆料、非固化浆料、固化树脂、非固化树脂、凝胶、油类以及非导电复合材料中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的灯组件，还包括，热耦接至所述第二电极的第一散热器。
9.根据权利要求1所述的灯组件，其中，所述导热电绝缘材料包括环氧树脂。
10.一种用于冷却包括第一电极和第二电极的灯的方法，所述方法包括：
提供壳体，所述壳体限定内部容积，所述灯置于所述内部容积中；
将所述第一电极热耦接且电耦接至所述壳体；
在所述内部容积中设置传热元件，所述传热元件在所述第二电极和所述壳体之间延伸，以将所述第二电极沿着冷却路径热耦接至所述壳体；以及
在所述内部容积中设置导热电绝缘材料，所述导热电绝缘材料位于所述冷却路径中以使所述第二电极与所述壳体电绝缘，
其中，所述第一电极是阴极并且所述第二电极是阳极。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，热耦接所述第二电极包括将所述导热电绝缘材料置于所述第二电极和所述传热元件之间。
高强度放电灯组件和方法
技术领域
[0001] 本申请涉及灯的冷却并且，更具体地，涉及诸如氙弧灯的高强度放电灯的冷却。
背景技术
[0002] 高强度放电灯相对小巧轻便，然而它们能够产生相当大的照明量。因此，高强度放电灯通常用在在需要相当大的照明强度的各种应用中，诸如探照灯和聚光灯、图像投影仪、体育场照明等。
[0003] 此外，诸如氙弧灯的某些高强度放电灯的明亮的白色光谱轮廓与自然的太阳光十分相似。因此，这样的高强度放电灯通常用在太阳模拟器中。太阳模拟器便于在仔细控制的实验室条件下的太阳能电池的室内试验。太阳模拟器还用于测试诸如建筑材料、汽车、飞机和太空交通工具(space vehicle)的对象的热和紫外线暴露问题。
[0004] 高强度放电灯的操作产生相当大量的多余的热。例如，某些氙弧灯在从约100℃至约120℃的温度的范围内操作。如果不充分地散热，则由高强度放电灯生成的热会缩短灯的工作寿命或甚至可能永久损坏灯和/或任何周围的结构。最初点亮这样的灯和在操作中维持这样的灯需要的高压使得其难以消散生成的热。
[0006] 在一个实施方式中，公开的灯组件可以包括：壳体，限定内部容积；以及灯，放置在内部容积中，灯包括第一电极和第二电极，其中，第一电极热耦接且电耦接至壳体，并且其中，第二电极热耦接至壳体但与壳体电绝缘。
[0007] 在另一个实施方式中，公开的灯组件可以包括：壳体，限定内部容积；以及灯，放置在内部容积中，灯包括第一电极和第二电极，其中，第一电极热耦接且电耦接至壳体，并且其中，第二电极通过导热电绝缘材料和传热元件热耦接至壳体。
[0008] 在另一个实施方式中，公开的灯组件可以包括：壳体，限定内部容积；灯，放置在内部容积中，灯包括第一电极和第二电极；安装结构，将第一电极连接至壳体；传热元件，将第二电极沿着冷却路径热耦接至壳体；以及导热电绝缘材料，置于冷却路径中以使第二电极与壳体电绝缘。
[0009] 在又一个实施方式中，用于冷却灯的方法可以包括提供灯和壳体，灯包括第一电极和第二电极，将第一电极与壳体热耦接且电耦接，并且将第二电极通过导热电绝缘材料与壳体热耦接。
附图说明
[0011] 图1是公开的高强度放电灯组件的一个实施方式的部分截面的侧面正视图；
[0012] 图2是图1的高强度放电灯组件的俯视平面图；
[0013] 图3是图1的高强度放电灯组件的一部分的截面的侧面正视图；
[0014] 图4是公开的高强度放电灯组件的另一个实施方式的截面的侧面正视图；
[0015] 图5是公开的高强度放电灯组件的又一个实施方式的俯视平面图；
[0016] 图6是图5的高强度放电灯组件的一部分的截面的侧面正视图；
[0017] 图7是图5的高强度放电灯组件的一部分的截面的俯视平面图；以及[0018] 图8是描述用于冷却诸如高强度放电灯的灯的公开的方法的一个实施方式的流程图。
具体实施方式
[0019] 参考图1-图3，通常表示为10的公开的高强度放电灯组件的一个实施方式，可以包括壳体12、灯14、一个或多个传热元件16(在图2中示出八个)、以及导热电绝缘材料18。如本文中更详细地描述的，壳体12、灯14、传热元件16和导热电绝缘材料18可以被布置为使得由灯14产生的热可以在不使灯14电短路的情况下被容易地并有效地传递至壳体12。
[0020] 壳体12可以形成灯组件10的外部结构。因此，壳体12为容纳在其中的灯组件10(例如，灯14、传热元件16和导热电绝缘材料18)的部件提供一定程度的保护(例如，从环境)。尽管在附图中示出了圆顶形的壳体12，但本领域技术人员将理解的是，可以在不背离本公开的范围的情况下使用各种形状和配置的壳体12。例如，壳体12的形状可以由容纳在其中的灯14的形状规定。
[0021] 壳体12可以由既导热又导电的材料形成。作为一个一般的非限制性的实例，壳体12可以由金属或金属合金形成。适合于形成壳体12的金属材料的具体实例包括，但不限于，铝、铜和钢(例如，不锈钢)、或者它们的合金。作为另一实例，可以使用既导热又至少稍微导电的非金属(例如，复合材料)。
[0022] 因此，壳体12可以被电接地(例如，电耦接至接地G(图1))。另外，从灯14传递至壳体12的热可以最终传递至壳体12周围的外界空气。可以采用诸如热交换器的各种元件提高热通过壳体12从灯组件10的去除。
[0023] 壳体12可以限定内部容积20和进入到内部容积20中的开口22。内部容积20可以填充有外界空气。可替代地，可以将改性的大气密封在壳体12以内。如在图1和图3中最佳地示出的，灯14可以置于壳体12的内部容积20中并且被布置为使得由灯14产生的光(箭头L)通过壳体12中的开口22从壳体12向外投射。
[0024] 灯14可以是使用电能产生光的任何装置或系统。在一个特定结构中，灯14可以是气体放电灯，诸如高强度放电(HID)灯。作为一个特定非限制性的实例，灯14可以是氙短弧灯，诸如从马萨诸塞州的沃尔瑟姆的Excelitas Technologies Corp.商购的CERMAX氙短弧灯。作为另一个特定非限制性的实例，灯14可以是氙长弧灯。可以在单个壳体12内使用多个灯14。
[0025] 参考图3，灯14可以包括第一电极组件24、第二电极组件26和反射器组件28。第一电极组件24可以被置于接近于(在或者靠近)反射器组件28的第一端30，并且可以包括第一电极32(例如，阴极)和窗口34。第二电极组件26可以被置于接近于反射器组件28的第二端36，并且可以包括第二电极38(例如，阳极)。第二电极组件26可以接收电信号S(图1)。反射器组件28可以包括反射器40，该反射器40可以是抛物线的、椭圆形的、球形的等，并且可以将一束光(箭头L)投射通过第一电极组件24的窗口34并远离灯组件10。
[0026] 安装结构42可以将灯14，具体地，灯14的第一电极组件24连接至壳体12并且可以将灯14相对于壳体12保持在期望位置和方向上。安装结构42可以至少部分地围绕进入壳体12的内部容积20中的开口22。例如，安装结构42可以是置于进入壳体12的内部容积20中的开口22上的板，诸如接地板。安装结构42可以限定开口44，灯14的一部分可以通过该开口延伸以投射光，如由箭头L示出的。
[0027] 安装结构42可以由既导热又导电的材料形成。作为一个一般的非限制性的实例，安装结构42可以由金属或金属合金形成。适合于形成安装结构42的金属材料的具体实例包括，但不限于，铝和钢(例如，不锈钢)。还可以使用既导热又导电的非金属(例如，复合材料)。
[0028] 因此，安装结构42可以将灯14的第一电极组件24电耦接且热耦接至壳体12。因此，安装结构42可以提供从灯14的第一电极组件24至接地G的电路径(图1)，并且可以提供使热从灯14的第一电极组件24传递至壳体12的热冷却路径。
[0029] 灯14的第二电极组件26可以被罐装(potted)在导热电绝缘材料18中，诸如以散热器的形式。另外，每个传热元件16的热端部分46可以罐装在导热电绝缘材料18中。每个传热元件16的相对的冷端部分48可以热耦接至壳体12。诸如机械紧固件(例如，夹子、夹具等)或基于粘合剂的紧固件(例如，胶带)的可选择的紧固件50可以保持每个传热元件16的冷端部分48与壳体12的接触啮合(物理接触)，从而热接触。
[0030] 因此，导热电绝缘材料18可以将每个传热元件16的热端部分46与灯14的第二电极组件26热耦接，从而使得第二电极组件26与壳体12热耦接。另外，导热电绝缘材料18可以使每个传热元件16的热端部分46与第二电极组件26电绝缘。
[0031] 尽管在图2中示出的灯组件10具有八个传热元件16，但在不背离本公开的范围的情况下可以使用少于八个(例如，仅一个)或多于八个传热元件。本领域技术人员将理解的是，用于特定灯组件10的传热元件16的数目可以取决于各种因素，包括灯14的尺寸和传热元件16的有效导热率。此外，尽管示出并描述了传热元件16冷却第二电极组件26，但第一电极组件24可以利用传热元件16相似地冷却。
[0032] 可以在每个传热元件16的热端部分46和第二电极组件26之间设置足够大小的间隙T，从而避免通过传热元件的电弧放电或另外至接地G(图1)的短路的风险。本领域技术人员将理解的是，在其他因素中，间隙T的大小可以取决于导热电绝缘材料18的组分。作为一个特定的非限制性的实例，间隙T可以是至少1/8英寸，诸如至少1/4英寸或者至少1/2英寸。
[0033] 导热、电绝缘材料18可以是能够将相当大的量的热从第二电极组件26传导至传热元件16，同时显著抑制第二电极组件26和传热元件16之间的电流的流动的任何材料或材料的组合。在一个表达中，导热电绝缘材料18可具有至少约0.5W/m-K(诸如至少约0.6W/m-K或至少约1W/m-K或至少约10W/m-K)的导热率。在另一个表达中，导热电绝缘材料18可具有至少约1Ωm(诸如至少约10Ωm或至少100Ωm)的电阻率(20℃下)。
[0034] 各种材料可以用作导热电绝缘材料18。适合用作导热电绝缘材料18的材料的实例包括，但不限于，环氧树脂、粘合剂、浆料(无论固化的或非固化的)、树脂(无论固化的或非固化的)、凝胶、油类以及非导电复合材料。
[0035] 在一个特定的实施方式中，导热电绝缘材料18可以是导热电绝缘环氧树脂。适合用作导热电绝缘材料18的导热电绝缘环氧树脂的一个特定的非限制性的实例是从新泽西州的哈肯萨克市的Master Bond,Inc.商购的MASTERBOND Supreme 10AOHT单组分的环氧树脂。适合用作导热电绝缘材料18的导热、电绝缘环氧树脂的另一个特定的非限制性的实例也是从Master Bond,Inc.商购的MASTERBOND EP21 TDCANHT双组分的环氧树脂。
[0036] 传热元件16可以是能够将热从灯14传递至壳体12的任何装置或系统。在一个简单的实现中，传热元件16可以包括在传热元件16的热端部分46和冷端部分48之间拉长的热导电材料(例如，铜线或管)。热可以通过传导传递。在更有效的实现中，传热元件16可以通过采用经受相变的工作流体(working fluid)传递热。
[0037] 在一个具体实现中，传热元件16可以是(或者可以包括)热导管(heatpipe)。例如，如在图3中所示，每个热导管传热元件16可以包括容纳类似灯芯的材料54和工作流体56的壳体52(例如，细长的壳体)。类似灯芯的材料54可以衬套(line)壳体52的内壁并且可以限定从接近于传热元件16的热端部分46至接近于冷端部分48延伸的细长的腔体58。工作流体56可以在接近于传热元件16的热端部分46处蒸发并且可以在接近于冷的端部分48处冷凝，从而将热有效地从灯14传递至壳体12。本领域技术人员将理解的是，在没有背离本公开的范围的情况下，可以使用各种热导管技术。
[0038] 可选地，传热元件16可以是柔性的。例如，热传递热元件16可以形成(例如，弯曲)为与壳体12的轮廓紧密相符的形状，从而提供将热有效传递至壳体12所必需的物理接触。
[0039] 参考图4，通常表示为100的公开的高强度放电灯组件的另一个实施方式，可以包括壳体112、灯114、一个或多个传热元件116(在图4中仅示出一个)、以及导热电绝缘材料118。壳体112、灯114、传热元件116和导热电绝缘材料118可以布置为使得由灯114产生的热可以在没有使灯114电短路的情况下被容易地并有效地传递至壳体112。
[0040] 灯组件100的配置可以与灯组件10的配置基本相同或相似，除了导热电绝缘材料118的位置之外。具体地，不是使得灯114的第二电极组件126和传热元件116的热端部分146罐装在导热电绝缘材料118中，而是导热电绝缘材料118可以置于壳体112和传热元件116的冷端部分148之间，从而允许热从传热元件116传递至壳体112，同时使壳体112与传热元件
116电绝缘。
116电绝缘。
[0041] 可以使用各种配置。作为一个实例，导热电绝缘材料118可以形成为壳体112的内表面113上的贴片(patch)，并且传热元件116的冷端部分148可以诸如利用紧固件150(例如，机械紧固件)连接至导热电绝缘材料118的贴片。作为另一实例，导热电绝缘材料118可以物理连接至壳体112的内表面113，并且传热元件116的冷端部分148可以罐装在导热电绝缘材料118中。
[0042] 因此，导热电绝缘材料118可以将传热元件116的冷端部分148与壳体112热耦接。另外，因为传热元件116由于与灯114的第二电极组件126直接接触而电热，所以导热电绝缘材料118可以使传热元件116的冷端部分148与壳体112电绝缘。
[0043] 参考图5至图7，通常表示为200的公开的高强度放电灯组件的又一个实施方式，可以包括壳体212、灯214、多个传热元件216、导热电绝缘材料218、第一(内部)散热器280和第二(外部)散热器282。壳体212、灯214、传热元件216、导热电绝缘材料218、第一散热器280和第二散热器282可以布置为使得由灯214产生的热可以在没有使灯214电短路的情况下被容易地并有效地传递至壳体212。
[0044] 灯组件200的配置可以与灯组件10的配置基本相同或相似，除了添加了第一散热器280和第二散热器282之外。具体地，不是使得灯214的第二电极组件226和每个传热元件216的热端部分246罐装在导热电绝缘材料218中，而是第一散热器280可以连接至第二电极组件226并且导热电绝缘材料218可以置于第一散热器280和每个传热元件216的热端部分
246之间。例如，每个传热元件216的热端部分246可以连接至第二散热器282，并且导热电绝缘材料218可以置于第一散热器280和第二散热器282之间。
246之间。例如，每个传热元件216的热端部分246可以连接至第二散热器282，并且导热电绝缘材料218可以置于第一散热器280和第二散热器282之间。
[0045] 第一散热器280和第二散热器282可以由诸如金属(例如，铜)或金属合金(例如，铝合金)的高导热材料形成。因此，第一散热器280和第二散热器282可以是导电的。尽管第一散热器280被示出为具有星形形状，但可以使用有效增加灯214的第二电极组件226的表面积的任何形状和/或配置。
[0046] 因此，第一散热器280、导热电绝缘材料218和第二散热器282可以容易地将热传递远离灯214的第二电极组件226并且传递至传热元件216的热端部分246。然而，导热电绝缘材料218可以使第一散热器280与第二散热器282电绝缘，并且，因此与传热元件216电绝缘。
[0047] 在一个可替换的实施方式中，第二散热器282可以省去和/或由导热电绝缘材料218的另外的量来代替。例如，第一散热器280(可以连接至灯214的第二电极组件226)和每个传热元件216的热端部分246可以罐装在导热电绝缘材料218中。足够大小的间隙可以设置在传热元件216的热端部分246和第一散热器280之间，从而避免通过传热元件的电弧放电或另外至接地G(图1)的短路的风险。
[0048] 参考图8，还公开通常表示为300的用于冷却诸如高强度放电(HID)灯(例如，氙弧灯)的灯的方法。方法300可以从具有提供容纳在壳体中的灯的步骤的框302开始。壳体可以电接地。灯可以包括第一电极(例如，阴极)和第二电极(例如，阳极)。
[0049] 在框304处，灯的第一电极可以热耦接且电耦接至壳体。例如，安装结构(例如，接地板)可以将灯的第一电极连接至壳体并且可以将灯相对于壳体保持在期望位置和方向上。安装结构可以至少部分地围绕进入壳体的内部容积中的开口。
[0050] 在框306处，灯的第二电极可以通过导热电绝缘材料热耦接至壳体。诸如热导管的一个或多个传热元件可以包括在第二电极和壳体之间的热路径中。导热电绝缘材料可以形成第二电极和壳体之间的热路径的一部分，并且还可以使壳体与第二电极电绝缘。
[0051] 因此，公开的高强度放电灯组件和方法甚至在灯的最初的高压点亮期间能够有效地冷却诸如可以在超过100℃的温度下操作的诸如氙弧灯的灯，而不会造成电短路。
[0052] 此外，本公开内容包括根据下列各项的实施方式：
[0053] 项1：一种灯组件，包括：壳体，限定内部容积；以及灯，置于所述内部容积中，所述灯包括第一电极和第二电极，其中，所述第一电极热耦接且电耦接至所述壳体，并且其中，所述第二电极通过导热电绝缘材料和传热元件热耦接至所述壳体。
[0054] 项2：根据项1所述的灯组件，其中，所述壳体被电接地。
[0055] 项3：根据项1所述的灯组件，其中，所述壳体由导热且导电的金属材料形成。
[0056] 项4：根据项3所述的灯组件，其中，所述金属材料是铝、铝合金、钢、铜和铜合金中的一种。
[0057] 项5：根据项1所述的灯组件，其中，所述灯包括气体放电灯和氙弧灯中的一种。
[0058] 项6：根据项1所述的灯组件，还包括，将所述灯连接至所述壳体的安装结构，其中，所述安装结构将所述第一电极热耦接且电耦接至所述壳体。
[0059] 项7：根据项1所述的灯组件，其中，所述第一电极是阴极并且所述第二电极是阳极。
[0060] 项8：根据项1所述的灯组件，其中，所述导热电绝缘材料包括环氧树脂、粘合剂、固化浆料、非固化浆料、固化树脂、非固化树脂、凝胶、油类以及非导电复合材料中的至少一种。
[0061] 项9：根据项8所述的灯组件，其中，所述导热电绝缘材料18可具有至少约0.5W/m-K的导热率和在20℃下的至少约1Ωm的的电阻率。
[0062] 项10：根据项1所述的灯组件，其中，所述传热元件包括容纳在细长壳体中的热导管和工作流体中的一个。
[0063] 项11：根据项1所述的灯组件，其中，所述传热元件包括热耦接至所述第二电极的热端部分和热耦接至所述壳体的冷端部分。
[0064] 项12：根据项11所述的灯组件，其中，所述导热电绝缘材料被置于所述第二电极和所述热端部分之间。
[0065] 项13：根据项11所述的灯组件，其中，所述导热电绝缘材料被置于所述冷端部分和所述壳体之间。
[0066] 项14：根据项1所述的灯组件，还包括，热耦接至所述第二电极的第一散热器。
[0067] 项15：根据项14所述的灯组件，还包括第二散热器，其中，所述传热元件被连接至所述第二散热器。
[0068] 项16：根据项15所述的灯组件，其中，所述导热电绝缘材料被置于所述第一散热器和所述第二散热器之间。
[0069] 项17：一种灯组件，包括：壳体，限定内部容积；灯，置于所述内部容积中，所述灯包括第一电极和第二电极；安装结构，将所述第一电极连接至所述壳体；传热元件，将所述第二电极沿着冷却路径热耦接至所述壳体；以及导热电绝缘材料，置于冷却路径中以使所述第二电极与所述壳体电绝缘。
[0070] 项18：一种用于冷却包括第一电极和第二电极的灯的方法，所述方法包括：提供壳体；将所述第一电极热耦接且电耦接至所述壳体；以及将所述第二电极通过导热电绝缘材料和传热元件热耦接至所述壳体。
[0071] 项19：根据项18所述的方法，其中，热耦接所述第二电极包括将所述导热电绝缘材料置于所述第二电极和所述传热元件之间。
[0072] 项20：根据项18所述的方法，其中，热耦接所述第二电极包括将所述导热电绝缘材料置于所述壳体和所述传热元件之间。
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