Світлодіодний освітлювальний пристрій

Реферат: Світлодіодний освітлювальний пристрій містить об'ємний світлодіодний модуль з порожниною всередині та плоскими бічними гранями на зовнішній поверхні, виконаний з теплопровідного матеріалу, потужні світлодіоди, встановлені з забезпеченням теплового контакту на плоских бічних гранях модуля. При цьому світлодіодний модуль розміщено у світлопропускному елементі, засоби струмопідведення з можливістю підключення світлодіодного модуля до джерела живлення, засіб охолодження у вигляді теплової труби з зонами випаровування, транспорту та конденсації та шаром капілярної структури на внутрішній поверхні корпусу теплової труби. Корпус теплової труби частково заповнений рідким двофазним теплоносієм, зона випаровування теплової труби встановлена з забезпеченням теплового контакту в порожнині світлодіодного модуля, а зона конденсації розміщена ззовні світлопропускного елемента. Зона конденсації теплової труби розміщена вище зони випаровування, внутрішня поверхня стінки корпусу теплової труби в зонах конденсації та транспорту виконана гладкою, а шар капілярної структури на внутрішній поверхні стінки корпусу теплової труби в зоні випаровування виконано як одне ціле з корпусом теплової труби у вигляді різьби з почергово розташованими по гвинтовій лінії виступами та западинами. UA 114068 U (54) СВІТЛОДІОДНИЙ ОСВІТЛЮВАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ UA 114068 U UA 114068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до світлотехніки, зокрема до світлодіодних освітлювальних пристроїв з потужними світлодіодами та засобами охолодження, і може бути використана для внутрішнього і зовнішнього освітлення приміщень та територій, як самостійно, так і в складі більш складних освітлювальних систем, що містять декілька таких освітлювальних пристроїв, наприклад в світлодіодних люстрах. Основною проблемою при створенні освітлювальних пристроїв на основі потужних світлодіодів є забезпечення ефективного відведення теплоти від світлодіодів з метою недопущення перегріву р-n переходів їхніх кристалів з підвищенням потужності, оскільки підвищення температури р-n переходу значно знижує надійність роботи світлодіода (див. статтю: А. Мельниченко. Защита мощных светодиодов от перегрева // Электронные компоненты и системы - 2005. - № 12(100). - С. 22-23). 3 метою забезпечення нормального теплового режиму потужних світлодіодів в конструкціях світлодіодних освітлювальних пристроїв застосовують необхідні засоби тепловідведення. Відомий пристрій для світлодіодного освітлення (див. патент США № 7976202 В2, МПК F21V 29/00, опубл. 12.07.2011), в якому світлодіоди встановлені з забезпеченням теплового контакту на алюмінієвому монтажному модулі з плоскими поверхнями та відігнутими під кутом до них ребрами охолодження. Монтажний модуль розміщено вертикально всередині розсіювача світлового потоку, виконаного у вигляді підвісного прозорого ковпака. Теплота, що виділяється при роботі світлодіодів, передається за рахунок теплопровідності алюмінієвого монтажного модуля ребрам охолодження та відводиться до повітря під прозорим ковпаком за рахунок природної конвекції. Недоліком відомого світлодіодного пристрою є недостатня ефективність охолодження потужних світлодіодів під прозорим ковпаком. Відомий інший освітлювальний пристрій (див. патент України на винахід № 107882 С2, МПК F21S 8/00, F21V 29/00, F21Y 101/02, опубл. 25.02.2015), що містить корпус у вигляді пласкої панелі з вентиляційними отворами, джерело живлення, світлодіоди, встановлені на друкованій платі, яка закріплена з забезпеченням теплового контакту на торцевій поверхні осердя тепловідводу, виконаного у вигляді циліндричного стрижня з множиною повздовжніх радіальних ребер на його зовнішній поверхні. Світлодіоди закриті світло пропускним ковпачком та розміщені в корпусі, а ребра тепловідводу розміщені зверху вертикально або під кутом не більше 45°, що сприяє підвищенню ефективності охолодження світлодіодів природною конвекцією оточуючого повітря. Недоліком зазначеного пристрою є збільшення термічного опору осердя тепловідводу при збільшенні його довжини в разі застосування потужних світлодіодів та підвищення перепаду температури між світлодіодами і віддаленими від них частинами ребер охолодження, внаслідок чого збільшується температура світлодіодів. Відомий світлодіодний освітлювальний пристрій, що має плаский світлодіодний модуль, встановлений з забезпеченням теплового контакту на нижній торцевій поверхні тепловідводу, виконаного у вигляді осердя, складеного з конічноїта циліндричної частин з повздовжніми радіальними ребрами охолодження на її зовнішній поверхні (див. патент США № 9366423 В2, МПК F21V 29/00, опубл. 14.06.2016). Осердя тепловідводу має загальну для конічної та циліндричної частин герметичну порожнину, частково заповнену рідким теплоносієм. Завдяки перенесенню теплоти по осердю тепловідводу від світлодіодного модуля до ребер охолодження за допомогою замкненого випарно-конденсаційного циклу значно зменшується термічний опір осердя та знижується температура світлодіодів незалежно від довжини тепловідводу. Недоліком описаного освітлювального пристрою є нерівномірність освітлення простору приміщення, що обмежує сферу його застосування. Найближчий аналог корисної моделі є світлодіодний освітлювальний пристрій "Мощная светодиодная лампа с охлаждением", відомий з патенту Російської Федерації на винахід № 2568105 С2, МПК F21S 8/00, F28D 15/04, опубл. 10.11.2015). Відома світлодіодна лампа з охолодженням містить об'ємний світлодіодний модуль з порожниною всередині та плоскими бічними гранями на зовнішній поверхні, виконаний у вигляді опуклого елемента з теплопровідного матеріалу, на гранях якого встановлені з забезпеченням теплового контакту світлодіодні лінійки або окремі потужні світлодіоди чи світлодіодні мінімодулі. Засіб охолодження світлодіодного пристрою виконано у вигляді теплової труби, що має зону випаровування, адіабатну (транспортну) зону та зону конденсації. Зона випаровування теплової труби встановлена з забезпеченням теплового контакту в порожнині світлодіодного модуля. Зона конденсації теплової труби оснащена повздовжніми ребрами охолодження. До внутрішній поверхні бічної стінки оболонки теплової труби примикає шар капілярної структури, виконаний у 1 UA 114068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вигляді протяжного циліндра на основі металевої сітки з міді, нержавіючої сталі, нікелю тощо, склотканини або пористої кераміки. Шар капілярної структури може бути виконаний також на внутрішній стінці оболонки теплової труби у вигляді протяжних канавок, у тому числі перекритих металевою сіткою або перфорованої обичайки. Порожнина теплової труби частково заповнена рідким двофазним теплоносієм, вибраним з групи спиртів, фреонів або дистильованою водою, з температурою кипіння 36-145 °C. Світлодіодний модуль поміщено у світлопропускну колбу у формі еліпсоїда обертання, а зона конденсації теплової труби з ребрами охолодження винесена за межі світлопропускної колби. За допомогою елементів струмопідведення, виконаних у вигляді стандартного різьбового цоколя на торцевій частині зони випаровування теплової труби, світлодіодний модуль має можливість підключення до електронного перетворювача мережі живлення. Реалізація замкненого випарно-конденсаційного циклу передачі теплоти в освітлювальному пристрої забезпечує ефективне охолодження світлодіодів, а наявність шару капілярної структури на внутрішній поверхні оболонки теплової труби забезпечує транспортування рідкого теплоносія з зони конденсації до зони випаровування та роботу пристрою при довільній орієнтації в просторі. Виконання світлодіодного модуля об'ємним з орієнтацією оптичних осей світлодіодів перпендикулярно або під невеликим кутом до бічних граней та стінки світлопропускної колби забезпечує рівномірне освітлення простору приміщення. Основними недоліками найближчого аналога є складність конструкції та низька технологічність виготовлення, що знижує його теплові характеристики, підвищує трудомісткість виготовлення та вартість світлодіодного пристрою і знижує його конкурентоспроможність. Складність конструкції та низька технологічність пов'язані зі складністю виготовлення та забезпечення надійного теплового контакту шару капілярної структури з оболонкою засобу охолодження. Так, наприклад, при виготовленні оболонки світлодіодного модуля та засобу охолодження у вигляді теплової труби з алюмінію або його сплавів практично не забезпечується надійний тепловий контакт шару капілярної структури з металевої сітки (найчастіше використовується сітка з нержавіючої сталі або міді), склотканини або пористої кераміки з оболонкою світлодіодного модуля або теплової труби. Найбільш прогресивний спосіб закріплення шару металевої сітки з оболонкою теплової труби точковим зварюванням при виготовленні оболонки теплової труби з алюмінію або його сплавів не може бути реалізований, оскільки надійному зварюванню перешкоджає окисна плівка на поверхні алюмінію та його сплавів та значна різниця в фізичних характеристиках матеріалів. Закріплення шару склотканини на внутрішній поверхні оболонки теплової труби можливо лише за допомогою механічного притискування, що не забезпечує надійного теплового контакту. Спікання пористої кераміки є високотемпературним технологічним процесом и потребує термічного обладнання та спеціального технологічного оснащення. Виконання на внутрішній стінці оболонки теплової труби шару капілярної структури у вигляді протяжних поздовжніх канавок формують методом екструзії, що потребує високотемпературного процесу його отримання та складного технологічного обладнання. Виготовлення металевого профілю з такою капілярною структурою можливе лише в умовах спеціалізованого підприємства, що ускладнює технологію та здорожує виготовлення теплової труби в умовах існуючого підприємства електротехнічної, машинобудівної або приладобудівної галузей. Перекриття протяжних канавок металевою сіткою або перфорованою обичайкою також ускладнює конструкцію та технологію виготовлення пристрою. Відсутність надійного теплового контакту між шаром капілярної структури та оболонкою теплової труби в зоні випаровування призводить до підвищення термічного опору теплової труби та температури світлодіодів, що негативно впливає на надійність роботи відомого світлодіодного освітлювального пристрою. В основу корисної моделі поставлено задачу спрощення конструкції та підвищення технологічності виготовлення світлодіодного освітлювального пристрою в умовах підприємств електротехнічної, машинобудівної або приладобудівної галузей. Поставлена задача вирішується тим, що в світлодіодному освітлювальному пристрої, що містить об'ємний світлодіодний модуль з порожниною всередині та плоскими бічними гранями на зовнішній поверхні, виконаний з теплопровідного матеріалу, потужні світлодіоди, встановлені з забезпеченням теплового контакту на плоских бічних гранях модуля, причому світлодіодний модуль розміщено у світлопропускному елементі, засоби струмопідведення з можливістю підключення світлодіодного модуля до джерела живлення, засіб охолодження у вигляді теплової труби з зонами випаровування, транспорту та конденсації та шаром капілярної структури на внутрішній поверхні корпусу теплової труби, при цьому корпус теплової труби частково заповнений рідким двофазним теплоносієм, зона випаровування теплової труби 2 UA 114068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 встановлена з забезпеченням теплового контакту в порожнині світлодіодного модуля, а зона конденсації розміщена ззовні світло-пропускного елемента, згідно з корисною моделлю, зона конденсації теплової труби розміщена вище зони випаровування, внутрішня поверхня стінки корпусу теплової труби в зонах конденсації та транспорту виконана гладкою, а шар капілярної структури на внутрішній поверхні стінки корпусу теплової труби в зоні випаровування виконано як одне ціле з корпусом теплової труби у вигляді різьби з почергово розташованими по гвинтовій лінії виступами та западинами. Згідно з корисною моделлю, шар капілярної структури виконано у вигляді метричної різьби з дрібним кроком. Згідно з корисною моделлю, різьба має трикутний, прямокутний, трапецієвидний або круглий профіль. Суть та принцип дії запропонованого світлодіодного освітлювального пристрою пояснюються кресленнями. На фіг. 1 представлено загальний вигляд світлодіодного освітлювального пристрою, суміщений з повздовжнім перерізом. На фіг. 2 - переріз по лінії А-А у збільшеному масштабі. На фіг. 3 - фрагмент шару капілярної структури в перерізі у збільшеному масштабі. На фіг. 4 зовнішній вигляд шару капілярної структури в зоні випаровування, виконаного як одне ціле з корпусом алюмінієвої теплової труби пристрою, у збільшеному масштабі. Світлодіодний освітлювальний пристрій містить об'ємний світлодіодний модуль 1 з порожниною всередині, виконаний з теплопровідного матеріалу, наприклад з алюмінієвого сплаву, у вигляді, наприклад, шестигранної призми з плоскими бічними гранями 2 на зовнішній поверхні. Порожнина всередині світлодіодного модуля (на фігурах порожнина окремою позицією не позначена) виконана у вигляді наскрізного або глухого отвору циліндричної форми. Потужні світлодіоди 3 встановлено з забезпеченням теплового контакту на плоских бічних гранях 2 за допомогою друкованих теплопровідних алюмінієвих плат 4. Оптичні осі потужних світлодіодів 3 орієнтовані перпендикулярно або під невеликим кутом до площини відповідних бічних граней 2. При цьомусвітлодіоди 3 встановлено на друкованій платі 4 з забезпеченням теплового контакту за допомогою, наприклад, паяння, а друкована плата 4 закріплена на грані 2 світлодіодного модуля 1 з забезпеченням теплового контакту за допомогою, наприклад, теплопровідного клею. Світлодіодний модуль 1 розміщено у світлопропускному елементі 5, виконаному, наприклад, у вигляді кулеподібного плафону. До друкованої плати 4 світлодіодного модуля 1 електрично підключено засоби струмопідведення 6 у вигляді ізольованих електричних дротів з можливістю підключення світлодіодного модуля 1 до джерела живлення 7. Джерело живлення 7 може бути розміщено на монтажній пластині 8 у складі світлодіодного освітлювального пристрою або може бути винесене за його межі, наприклад, якщо світлодіодний освітлювальний пристрій входить до складу освітлювальної системи з декількох аналогічних світлодіодних освітлювальних пристроїв. Засіб охолодження світлодіодного освітлювального пристрою виконано у вигляді теплової труби 9 з зонами випаровування, транспорту та конденсації та шаром капілярної структури на внутрішній поверхні стінки корпусу 10 теплової труби. Шар капілярної структури виконано в зоні випаровування теплової труби як одне ціле з корпусом 10 у вигляді різьби 11. Корпус 10 теплової труби частково заповнений рідким двофазним теплоносієм 12, корозійно суміщеним з матеріалом корпусу. При виконанні корпусу теплової труби з алюмінію або його сплавів як теплоносій, в залежності від температурних умов експлуатації, може застосовуватися рідина з групи фреонів, н-пентан, ізобутан, аміак, ацетон та інші. Зоною випаровування теплової труби є та її частина, яка встановлена з забезпеченням теплового контакту, наприклад за допомогою теплопровідного клею, в порожнині світлодіодного модуля. Зоною конденсації теплової труби є та її частина, що розміщена ззовні світлопропускного елемента 5 і оснащена ребрами охолодження 13. Частина теплової труби 1, що знаходиться між зонами випаровування та конденсації, є транспортною зоною. Зона конденсації теплової труби розміщена вище зони випаровування. Внутрішня поверхня стінки корпусу 11 теплової труби в зонах конденсації та транспорту виконана гладкою. Шар капілярної структури у вигляді різьби 11 в зоні випаровування теплової труби являє собою почергово розташовані по гвинтовій лінії виступи 14 та западини 15, що мають трикутний профіль в перерізі з кутом φ при вершині виступу, значення якого складає, наприклад, 60 градусів (див. фіг 3). Виступи 14, а відтак і западини 15, виконано на внутрішній поверхні стінки корпусу 10 по гвинтовій лінії з дрібним кроком S, значення якого при товщині стінки корпусу від 1 до 2 мм може знаходитися в межах від 0,05 мм до 0,75 мм включно. Вершини виступів 14 та западин 15 можуть мати як загострену, так і закруглену або зрізану форму. Оскільки виступи і западини на внутрішній поверхні стінки корпусу 10 в зоні випаровування розташовано по 3 UA 114068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гвинтовій лінії, то вони можуть бути виконані високотехнологічним способом, наприклад за допомогою стандартного машинно-ручного мітчика для виготовлення метричної різьби з дрібним кроком, наприклад 0,50 мм, або за допомогою машинного різця при виконанні різьби з нестандартним кроком. Можливі й інші варіанти виконання світлодіодного освітлювального пристрою. Наприклад, в залежності від вибраного дизайнерського рішення світлодіодний освітлювальний пристрій може мати в своєму складі теплову трубу з одним або декількома вигинами в транспортній зоні, з вигинами в одній або декількох площинах. Діаметр, товщина стінки, довжина теплової труби можуть знаходитися в широких межах, в залежності від конкретної конструкції світлодіодного освітлювального пристрою. В інших варіантах виконання різьба 11 може мати прямокутний, трапецієвидний або круглий профіль. Транспортна зона теплової труби може бути дуже короткою або може бути відсутня зовсім. Корпус теплової труби може бути виконаний з інших металів, ніж алюміній або його сплави, наприклад, з міді, нержавіючої сталі, нікелю, титану тощо. В цих варіантах як теплоносій можуть застосовуватися інші рідини, що корозійно суміщені з матеріалом корпусу, наприклад, спирти або дистильована вода. Робота запропонованого світлодіодного освітлювального пристрою здійснюється наступним чином. При включенні джерела живлення 7 світлодіодного освітлювального пристрою електричний струм заданої величини за допомогою засобів струмопідведення 6 подається на світлодіодний модуль 1. Потужні світлодіоди 3 випромінюють світловий потік. Оскільки оптичні осі потужних світлодіодів різних бічних граней світлодіодного модуля спрямовані в різні сторони, то надалі світловий потік від них, сформований світлопропускним елементом 5, виконаним у вигляді кулі, випромінюється у приміщення у всі сторони з високим ступенем рівномірності. Теплота, що виділяється при цьому в р-п переходах потужних світлодіодів 3 світлодіодного модуля 1, передається завдяки теплопровідності до зони випаровування теплової труби і нагріває її корпус та шар капілярної структури у вигляді різьби 11. Оскільки шар капілярної структури виконано як одне ціле з корпусом теплової труби, то контактний термічний опір між ними, на відміну від найближчого аналогу, відсутній. Рідкий теплоносій 12, що знаходиться в западинах 15 між виступами 14 різьби 11 на внутрішній поверхні стінки корпусу 10 теплової труби в зоні випаровування, починає випаровуватися або кипіти (в залежності від густини теплового потоку), інтенсивно поглинаючи при цьому підведену теплоту. Центри пароутворення 16 з'являються між виступами 14, переважно в западинах 15 шару капілярної структури (див. фіг. 2 та фіг. 3), оскільки в цій області рідкий теплоносій 12 є найбільш перегрітим завдяки теплоті, що підводиться до нього від стінок виступів 14 та западин 15 різьби 11 в зоні випаровування (парові бульбашки на фіг. 2 та фіг. 3 умовно позначено пунктирними лініями). Оскільки крок S між сусідніми виступами є дрібним (0,05-0,75 мм), кількість западин 15 в межах зони випаровування є значною, що сприяє збільшенню кількості центрів пароутворення, а отже - інтенсифікації процесу теплообміну при кипінні теплоносія та зниженню термічного опору теплової труби. Пара теплоносія рухається в зону конденсації теплової труби, де конденсується на її внутрішній гладкій поверхні, віддаючи при цьому теплоту пароутворення корпусу 10 теплової труби та ребрам охолодження 13, а від них теплота розсіюється в оточуюче середовище природною конвекцією оточуючого повітря. Оскільки зона конденсації теплової труби розміщена вище зони випаровування, то тонка плівка конденсату теплоносія завдяки дії сили гравітації стікає по гладкій поверхні стінки корпусу 10 в зонах конденсації та транспорту в зону випаровування і цикл випаровування-конденсації теплоносія повторюється. Таким чином забезпечується нормальний тепловий режим потужних світлодіодів 3 світлодіодного модуля 1 та надійна робота світлодіодного освітлювального пристрою. Порівняно з найближчим аналогом конструкція світлодіодного освітлювального пристрою, що заявляється, є більш спрощеною та більш технологічною у виготовленні, що дозволяє налагодити виробництво таких світлодіодних освітлювальних пристроїв та освітлювальних систем на їхній основі в умовах існуючих підприємств електротехнічної, машинобудівної або приладобудівної галузей. Завдяки застосуванню для виготовлення теплової труби лише найбільш поширених технологічних операцій (механічна обробка, заповнення теплоносієм, зварювання тощо) забезпечується здешевлення виготовлення теплової труби та світлодіодного освітлювального пристрою в цілому, що дозволяє підвищити його конкурентоспроможність. Зовнішній вигляд корпусу теплової труби діаметром 12 мм з алюмінієвого сплаву АД 31 з виконаним за допомогою мітчика на його внутрішній поверхні в зоні випаровування шаром капілярної структури у вигляді різьби з дрібним кроком 0,5 мм наведено у збільшеному масштабі на фотографії (див. фіг. 4). 4 UA 114068 U 5 10 Крім цього, технічним результатом є й підвищення надійності роботи світлодіодного освітлювального пристрою, оскільки завдяки ідеальному тепловому контакту між шаром капілярної структури та корпусом теплової труби в зоні випаровування досягається зниження термічного опору теплової труби та температури світлодіодів, що підвищує надійність світлодіодних модулів. Таким чином, запропонований світлодіодний освітлювальний пристрій є новим і промислово придатним технічним рішенням, яке дозволяє спростити конструкцію та підвищити технологічність його виготовлення, що забезпечить налагодження виробництва таких світлодіодних освітлювальних пристроїв в умовах існуючих підприємств електротехнічної, машинобудівної, приладобудівної або інших галузей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 1. Світлодіодний освітлювальний пристрій, що містить об'ємний світлодіодний модуль з порожниною всередині та плоскими бічними гранями на зовнішній поверхні, виконаний з теплопровідного матеріалу, потужні світлодіоди, встановлені з забезпеченням теплового контакту на плоских бічних гранях модуля, причому світлодіодний модуль розміщено у світлопропускному елементі, засоби струмопідведення з можливістю підключення світлодіодного модуля до джерела живлення, засіб охолодження у вигляді теплової труби з зонами випаровування, транспорту та конденсації та шаром капілярної структури на внутрішній поверхні корпусу теплової труби. При цьому корпус теплової труби частково заповнений рідким двофазним теплоносієм, а зона випаровування теплової труби встановлена з забезпеченням теплового контакту в порожнині світлодіодного модуля, зона конденсації розміщена ззовні світлопропускного елемента, який відрізняється тим, що зона конденсації теплової труби розміщена вище зони випаровування, внутрішня поверхня стінки корпусу теплової труби в зонах конденсації та транспорту виконана гладкою, а шар капілярної структури на внутрішній поверхні стінки корпусу теплової труби в зоні випаровування виконано як одне ціле з корпусом теплової труби у вигляді різьби з почергово розташованими по гвинтовій лінії виступами та западинами 2. Світлодіодний освітлювальний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що шар капілярної структури виконано у вигляді метричної різьби з дрібним кроком. 3. Світлодіодний освітлювальний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що різьба має трикутний, прямокутний, трапецієвидний або круглий профіль. 5 UA 114068 U 6 UA 114068 U 7 UA 114068 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8