[0002] 本申请按照35U.S.C.Section 119(e)，要求于2011年2月1日递交的美国临时申请序号No.61/438,389和于2010年4月23日递交的临时申请序号No.61/327,180的优先权的利益，这些
专利申请在此被完整地引用，供参考。
技术领域
[0003] 本
发明涉及一种发光装置，尤其涉及LED发光装置。
背景技术
[0004] 对LED(发光
二极管)照明或发光中的许多照明应用，重要的问题是从LED芯片的LED发光元件产生的热量的排出。传统上，LED芯片已经被安装在金属基底上，而该基底又被安装在有
散热片的
散热器上。于是
风扇能够被使用以在散热器
散热片上吹动空气使LED芯片冷却。
[0005] 然而，由于LED芯片和散热器散热片之间相对大的距离，冷却效率常常是低的。结果是，LED结操作在较高的
温度上，这降低了LED芯片的光输出和寿命。
[0006] 因此，有需要提供一种LED发光装置和更有效地冷却LED发光元件的方法。
发明内容
[0007] 按照本发明一个方面，一种液体冷却的LED发光装置，包含具有透射孔径的密封的
外壳和被含在该外壳中的LED元件。该LED元件有发射区域，该发射区域发射通过该孔径传输的光。
冷却液体被含在外壳中以分散LED元件产生的热量。最好是，被封装在附件中的可压缩材料，被放置在该外壳内和在被发射光的光路外部。含有可压缩材料的附件，响应于冷却液体从LED吸收热量时的膨胀而进行压缩。
[0008] 有利的是，该冷却液体和可压缩材料，起更有效地冷却该LED元件的作用，从而提供更高的光输出和增加的寿命。与此同时，外壳中可压缩材料的使用，允许该外壳由完全密封的刚性组件制成。
[0009] 按照本发明另一方面，一种液体冷却的LED发光装置，包含具有再循环
反射器的密封的外壳。该再循环反射器有反射表面，使射到反射表面上的LED光反射回LED元件的发射区域。含在外壳中的冷却液体和可压缩材料，起分散LED元件产生的热量的作用。
[0010] 按照本发明另一个方面，一种液体冷却的LED发光装置，包含被附着于密封的外壳外部的LED元件。被含在外壳中的冷却液体和可压缩材料，起分散LED元件产生的热量的作用。
附图说明
[0011] 图1按照本发明的一个
实施例，示出示例性LED发光装置。
[0012] 图2示出有再循环反射器的LED发光装置。
[0013] 图3A示出4个LED元件的LED阵列，至少有一对对称地排列的有色对。
[0014] 图3B示出6个对称地排列的LED元件的LED阵列。
[0015] 图4按照本发明的一个实施例，示出一种液体冷却的LED发光装置发明，其中的光输出被再循环，以允许较高的输出强度。
[0016] 图5A-5E按照本发明，示出各种类型的附件，这些附件能够用于封装可压缩材料。
[0017] 图6A按照本发明的一个实施例，示出一种有
泵的LED发光装置。
[0018] 图6B按照本发明的一个实施例，示出一种有泵和与冷却液体
接触的LED元件的LED发光装置。
[0019] 图7按照本发明的一个实施例，示出一种有外置泵的LED发光装置。
具体实施方式
[0020] 图1按照本发明的一个实施例，示出示例性LED发光装置。该LED发光装置2包含LED组件4、散热器5和冷却液体9。
[0021] 该LED组件4包含至少一个LED芯片10，通常是LED元件，有发射光的发射区域和在其上安装芯片的基底12。该发射区域包含任选的保护该LED芯片10的透明窗7。散热器5被附着于基底12以把热量从LED芯片10带走。这样的LED组件，例如可从Massachusetts州，Billerica的Luminus Devices公司购得。
[0022] 被含在对液体密封的外壳中的冷却液体9，被放置成紧靠或靠近LED芯片10。在图1中，含有冷却液体的外壳的边界没有被示出，因为它能够在使用不同类型外壳的许多不同应用中被使用。最好是，冷却液体9直接与LED芯片10(即LED
半导体本身或窗7)接触，以便芯片产生的任何热量将被该液体以非常小的热阻立刻带走。在图1的情形中，冷却液体9直接与芯片的透明窗7接触。在没有透明窗7的情形中，冷却液体9将直接与LED半导体本身接触。最好是，冷却液体9有低的
热膨胀、高的热导率、化学惰性和电绝缘特性。一TM
种这样的液体是全氟化液体被称为Fluorinert ，可从Minnesota州，St.Paul的3M公司购得。其他较低
费用的液体，能够是矿物油、
石蜡之类。
[0023] 图2示出有再循环反射器的LED发光装置，如在
申请人较早于2011年3月31日递交的申请号13/077,006中所公开的，该申请在此引用，供参考。该LED发光装置包含LED组件4、用于驱动LED芯片10的
驱动器电路3、位于LED芯片前面的诸如再循环套环(collar)的再循环反射器6、以及LED光从中通过的透射孔径8。
[0024] 该LED芯片/元件10能够是白色的、单色的或多色的单片芯片或多片芯片。对特殊的应用，它们能够被这样排列，以致再循环反射器6的透射孔径8的光轴16通过LED元件的中心20(见图3)，且该中心也大体上在再循环反射器的
曲率中心邻近。LED元件10最好被排列在同一平面中并被致密地放置，以使LED元件的任何两个发射区域之间的任何间隔最小。LED元件10能够发射单色光，诸如红色、绿色和蓝色，或者发射白光。发射
角通常是180度或更小。
[0025] 该再循环套环6相对于LED元件10被以凹形方式弯曲。内表面14是反射表面，以便LED射到该内表面上的光被反射回
光源，即LED元件。该反射表面能够通过涂覆套环6的外或内表面提供，或者通过使分开的反射镜附着于套环提供。按照一个优选的实施例，该再循环套环6相对于LED元件10的中心20是球形形状，以便使输出以单位放大率被反射回自身。于是，这是LED元件10成像在它自身上的高效成像系统。有利的是，大体上所有射到该内部球形反射表面14上的LED的光，都被反射回光源，即LED元件10的发射区域。
[0026] 如本领域一般熟练的技术人员所能够理解的，没有通过常用照明系统的透射孔径的任何LED光，被永远丢失。然而，通过使用弯曲的反射表面14，本发明的LED发光装置允许已经被丢失的相当大量的光复得。例如，在其透射孔径尺寸捕获约20％的发射的光的照明系统中，再循环套环6允许收集另外20％的发射的光。有利的是，这是在被捕获光总输出量上100％的改进，这导致
亮度上相当大的改进。
[0027] 本发明的LED能够是单个LED或LED的阵列。该LED能够是白色的、单色的，或由具有单色或多色的多个芯片构成。该LED还能够是DC LED或AC LED。
[0028] 图3示出能够供本发明使用的一些LED芯片。图3A示出4个有色LED元件10的LED阵列18。特别地，该LED阵列18包含：一个发射红色光的红色LED元件R、一个发射蓝色光的蓝色LED元件B，以对角方式并对称地围绕中心20被安排；以及两个发射绿色光的绿色LED元件G1、G2，以对角方式并对称地围绕LED阵列中心20被安排。LED阵列18被这样排列，以致再循环反射器6的光轴16通过该中心20，且该中心也大体上在再循环反射器6的曲率中心邻近。
[0029] 虽然该LED阵列18被示出有4个LED元件，但本发明能够以至少一个LED元件工作。同样，在一对LED元件的情形，虽然最好是成对的LED元件发射相同
颜色，但它们能够发射不同颜色，尽管效率可能较低。此外，阵列中每一LED元件的大小能够与任一其他LED元件不同。
[0030] 应当指出，虽然每一LED元件10被作为正方形示出，但它能够是矩形。最好是，LED阵列18的总发射区域应当如被投影的图像一样有相同的高宽比。例如，要投影高宽比为9∶16的高清晰电视图像，LED阵列18的总发射区域应当有9∶16的尺寸。同样，LED阵列18的尺寸，除别的以外，能够是4∶3、1∶1、2.2∶1，这些都是流行的高宽比。
[0031] 在图3A的实施例中，两个绿色的LED元件G1、G2被成像在彼此之上。特别地，从LED元件G1射到内反射表面14上的光，被反射回被对称地
定位的LED元件G2，反之亦然。为使对称地排列的相同颜色的LED元件良好工作，驱动器电路3同时驱动相同颜色的LED元件(如G1、G2)。这样，这种排列提供高的再循环效率。另一方面，来自蓝色LED元件B的光被成像在红色LED元件R上，反之亦然。因此，对这两种颜色，再循环效率较低。
[0032] 为了增加有多种颜色的LED元件的效率，如图3B所示的对称配置能够被使用。在该实施例中，红色芯片(LED元件R)相对于中心20被对称地排列。这样，该红色芯片以高的再循环效率被成像在彼此之上。类似地，蓝色芯片(LED元件B)和绿色芯片(LED元件G)同样相对于中心20被对称地排列，并将以高的再循环效率被成像在彼此之上。
[0033] 图4按照本发明的一个实施例，示出一种液体冷却的LED发光装置发明，其中的光输出被再循环，以允许较高的输出强度。在图4中，该LED发光装置是
LED灯泡22，有密封外壳/泡24和
基座26。该密封的泡24能够由塑料、玻璃或金属制成。
[0034] LED
支架28被附着于基座26并提供刚性支承结构，用于附着控制电路3、散热器5、基底12和LED芯片10，LED芯片10被电连接到控制电路。支承LED芯片10的基底12被安装在散热器5上。LED支架28还有
导线管，用于输送从控制电路到电脚触点(electrical foot contact)32和
螺纹触点30的导线。操作时，来自
电触点30、32的线
电压被控制/驱动器电路3转换为LED芯片10需要的电平。
[0035] 虽然图4示出的
灯泡有爱迪生类型的螺纹基座连接器，但任何其他LED发光装置，诸如有MR-16类型基座的那种也适合供本发明使用。
[0036] 泡24有光学上透明的透射孔径8，从LED芯片10发射的光通过该孔径。孔径8能够是简单地光学上透明的球形窗，或者能够有透镜，诸如聚集透镜或
准直透镜，以获得需要的输出发散度。
[0037] 基底12上方的泡24部分相对于LED芯片10发射区域的中心呈球形。围绕透射孔径8的球形泡表面的一部分，被用反射涂层14涂覆，以便把被发射的光反射回LED芯片10的光发射区域。这种作用如同图2所示的再循环套环6一样。
[0038] 按照本发明，密封的灯泡24被冷却液体9填充以便热量的消散。与图1类似，密封的冷却液体9，被放置在紧靠或靠近LED芯片10处。如图所示，冷却液体9直接与LED芯片10发射区域接触，以便芯片产生的任何热量将被该液体以非常小的热阻立刻带走。
[0039] LED芯片10当发射光时产生热量。该热量又加热冷却液体9，冷却液体的体积膨胀。因为冷却液体9被密封在泡24的内部，需要降压以防止因冷却液体的膨胀而发生爆炸。如图4所示，可压缩材料34被放置在泡的内部，通过压缩而吸收冷却液体9的膨胀体积。在所示实施例中，可压缩材料34被不可移动地放置，并在被发射光的光路外部，所以它不干扰通过透射孔径8被透射的光。否则，可压缩材料34可能进入光的光路并在射出孔径8的光中产生畸变和阴影，且还可能降低光输出。
[0040] 在图4中，可压缩材料34被附着于泡24的内表面。换种方式，可压缩材料34能够不可移动地被附着于泡24内的LED支架28、散热器或其他部分，只要该材料被放置在被发射光的光路外部。在一些实施例中，该可压缩材料被含在密封的附件中，如图4所示。
[0041] 如图4所示的可压缩材料是空气囊。该空气囊被含在小的密封的球形物(balloon)附件内部。随着泡24内部的压
力的增加，该空气囊34将缩减体积，缓解灯泡内部的压力。
[0042] 代替把可压缩材料34放置在外壳24的内部，外壳的一部分能够由柔性材料，诸如
橡胶制成，由此它能够随冷却液体9的膨胀而膨胀。然而，这不是优选的解决方案，因为它难以在柔性材料和刚性外壳之间保持密封。因此，按照本发明，可压缩材料34在外壳24内部的定位，允许外壳整个地由刚性的、非膨胀材料制成，该外壳被完全密封，从而改进LED发光装置的可靠性和耐久性。
[0043] 在另外的实施例中，诸如空气的可压缩材料34被含在附件中并被限定在内部室35内，内部室35由具有开孔的内壁33定义，以便液体9自由地经由那里流动。按此方式，可压缩材料34无需不可移动地被定位。最好是，壁33从而可压缩材料34及它的附件，都在被发射光的光路外部。
[0044] 虽然图4的实施例示出以空气作为可压缩材料，但任何其他类型的本性上可压缩的气体，诸如氮气，能够被使用。事实上，甚至
真空也能够被使用。只要该附件有足够的刚性以耐受真空的力，又对因膨胀的冷却液体9产生的外部压力的压缩有足够的柔性。
[0045] 图5按照本发明，示出用于封装可压缩材料的各种类型的附件。图5A是两端密封含有空气的一段管道。该管道能够是橡胶、
硅酮、塑料之类。
[0046] 附件的形状能够是如图5A所示的圆柱形，如图5B所示的球形，如图5C所示的环形，如图5D所示的诸如圆盘形的扁平腔，如此等等。空气囊能够与该组件无关，或者能够附着于该组件，或者能够与该组件集成在一起。
[0047] 如图5E所示，可压缩材料34能够是小的空气囊的集合，被组装在一起作为一片“
泡沫”。这样的材料提供所需空气的必要的体积，这样的材料易于处理且能够被切割成所需大小。该泡沫材料，例如能够在
包装软垫材料(packing cushion materials)中找到。构成这些泡沫的材料可以是乙烯
树脂、硅酮、橡胶等等。囊内部的气体能够是空气、氮气之类。
[0048] 为增强冷却和热量消散的效率，泵38能够被添加，以使外壳24内部的冷却液体循环。泵38把LED芯片10附近的热的液体快速移走并代之以较冷的液体，从而增加冷却效率，以便降低LED芯片的
结温。
[0049] 在一个优选实施例中，泵38是超声泵。超声
信号被用于驱动换能器，使它在冷却液体9中产生
声波。泵38的配置要使该声波产生液体的净流量。
[0050] 图6A示出一种有这样的泵的LED发光装置。对液体密封的外壳24含有在一侧具有入口40而在另一侧具有出口42的超声泵38。超声泵38被位于外壳24外部的超声驱动器电路44驱动，该超声驱动器电路44产生超声驱动信号。在图6A中，基底12和附着于该基底的LED芯片10，被安装在外壳24的外表面，而不是如图4所示被附着于该外壳的内部。散热片50被附着于外壳24以排出来自冷却液体9的热量。最好是，图6A中的外壳24由导热材料诸如金属或金属
合金制成。
[0051] 图6A中的空气囊34除因为LED芯片10被附着于外壳24的外部，该空气囊不一定要不可移动地附着于外壳24之外，与图4的空气囊类似。
[0052] 图6B示出另一种LED发光装置，其中的LED芯片10和内部散热器5为了有效冷却而被浸没在冷却液体9中。可压缩材料34与图4的类似，并被附着于对液体密封的外壳24的内表面，远离LED芯片10的光路。散热片50被附着于外壳24以排出来自冷却液体9的热量。最好是，图6B中的外壳24由导热材料，诸如金属或金属合金制成。
[0053] 散热器5被附着于外壳24的内表面，使来自散热器的热量能够被重新分布到整个外壳。被附着于外壳24的基座26，把导线从LED芯片10和泵38耦合到连接器46。从LED芯片10发射的光通过孔径/光学窗8被传送。
[0054] 图7按照本发明的另一个实施例，示出一种LED发光装置。LED芯片10的阵列和基底12被安装在附着于外壳24内表面的散热器5上。可压缩材料34被附着于外壳24内表面并被放置在被发射光的光路外部。外壳24有入口52和出口54。
流体导管56被耦合在入口52和出口54之间。散热片50被附着于定义冷却室58的流体导管56的一部分。诸如超声泵38的泵与流体导管56
串联式连接，以便把冷却液体9从外壳24抽运到冷却室
58，用于利用散热片有效地使热量消散。
[0055] 上面的公开应当被认为是举例说明的而非穷举。该描述将提出许多
修改、变化，而另外的方式可以由本领域一般的技术人员在不偏离本发明的范围下做出。那些熟悉本领域的人员可以认识到与本文描述的特定实施例等价的其他实施例。例如，虽然被示出的本发明有再循环反射器，但不用光的再循环本发明也能够使用。此外，虽然已就LED作为光源的有关情况展示本发明，但对在操作时产生显著热量的任何光源也能够使用本发明。例如，本发明能够供
激光器、
电弧灯之类使用。本发明的原理还能够应用于产生热量的任何其他非光学应用，诸如功率晶体管、
微处理器、电感器、
整流器和
变压器。因此，本发明的范围不限于前述的
说明书。
