Світлодіодний модуль

Реферат: Світлодіодний модуль містить основу з теплопровідного матеріалу, виконану у вигляді багатогранної призми з наскрізним отвором, вісь якого розташована паралельно граням призми, та світлодіодні джерела світла, встановлені з забезпеченням теплового контакту на гранях призми. На поверхні наскрізного отвору багатогранної призми виконана різьба для встановлення світлодіодного модуля на циліндричну теплову трубу з різьбою в зоні нагріву теплової труби. UA 95070 U (12) UA 95070 U UA 95070 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі світлотехніки, зокрема до конструкцій потужних світлодіодних модулів, що використовуються в енергоефективних освітлювальних пристроях в якості світлодіодного джерела світла. Останнім часом для освітлення приміщень, вулиць, автомобільних доріг, вагонів метро, щитів реклами тощо більш широко стали використовувати енергоефективні напівпровідникові джерела світла - світлодіоди, які в порівнянні з лампами розжарювання споживають приблизно в 10 разів менше електроенергії та мають значно більший строк служби. Найчастіше декілька світлодіодів монтують на загальну пластину з теплопровідного матеріалу, утворюючи світлодіодний модуль, таким чином збільшуючи його загальну потужність та світловий потік. Так, наприклад, сучасний світлодіодний модуль СХА 1520 з розмірами теплопровідної основи 15,85×15,85 мм в номінальному режимі роботи споживає потужність 17,5 Вт (див. статтю: Дорожкин Ю., Туркин А., Червинский М. Новые семейства светодиодных модулей серии СХА компании Сrее. - Полупроводниковая светотехника. - 2014. - № 1. - С. 36-39). Біля 75 % споживаної потужності перетворюється в напівпровідниковому кристалі світлодіода в теплоту. Тому головною проблемою при застосуванні світлодіодних модулів є забезпечення заданого теплового режиму напівпровідникового кристала світлодіода, оскільки зі збільшенням робочої температури р-n переходу кристала світлодіода погіршуються світлові та кольорові характеристики, зменшується строк служби та знижується надійність роботи світлодіода. Відоме технічне рішення для забезпечення надійної роботи світлодіодних модулів (див. патент Російської Федерації 123107 U1, МПК (2006.01) F21S 2/00, опубл. 20.12.2012, бюл. № 35), в якому декілька потужних світлодіодів модуля розташовані на теплопровідній пластині теплової труби, яка передає теплоту від світлодіодів до радіатора, встановленого в зоні конденсації теплової труби, де теплота за рахунок вільної конвекції відводиться у навколишнє середовище. Головним недоліком такої конструкції є те, що потужні світлодіоди закріплені тільки з однієї сторони теплової труби, що суттєво погіршує розсіювання світла в просторі та не забезпечує рівномірного розподілення світла по приміщенню. Відомій інший світлодіодний модуль (див. патент США 7748876 В2, МПК (2006.01) F21V 29/00, F21V 21/00, опубл. 6.07.2010), що містить світлодіоди встановлені на зовнішніх гранях шестигранного циліндра, виконаного з теплопровідного матеріалу. Всередині шестигранного циліндра виконано наскрізний отвір, до поверхні якого напроти кожної грані шестигранного циліндра приєднано по одній П-подібній або U-подібній тепловій трубі, що передають теплоту від світлодіодів до радіатора, встановленого всередині наскрізного отвору. Радіатор охолоджується за рахунок вільної конвекції повітря. Розміщення світлодіодів на всіх шести вертикально орієнтованих гранях модуля забезпечує рівномірне розподіленням світла в просторі. Недоліком зазначеного світлодіодного модуля є значний контактний термічний опір внаслідок малої площі контакту теплової труби з шестигранним циліндром та теплової труби з радіатором, що погіршує рівномірність відводу теплоти від світлодіодів, розміщених по всій поверхні граней модуля та не дозволяє добитися рівномірного розподілення теплового поля світлодіодів і використовувати світлодіоди великої потужності. Світлодіодний модуль, відомий з заявки на видачу патенту США 2008/0099775 А1, МПК (2006.01) H01L 33/00, опубл. 1.05.2008, містить шестигранний фланець, на верхній основі якого встановлено з забезпеченням теплового контакту кристали світлодіодів, а на нижній - виконано циліндричну втулку з наскрізним отвором всередині та з різьбою на її зовнішній поверхні. Шестигранний фланець з втулкою виконано з теплопровідного і одночасно електропровідного матеріалу та слугують одним з електродів модуля. Другим електродом є циліндр з електропровідного матеріалу, вставлений крізь шар електроізоляції в наскрізному отворі циліндричної втулки та фланця. Теплота від кристалів світлодіодів передається кондукцією по матеріалу шестигранного фланця та циліндричної втулки до її зовнішньої різьбової поверхні. Світлодіодний модуль вкручується в різьбовий отвір каркасу, виконаного з теплопровідного матеріалу, який має велику площу поверхні охолодження, що дозволяє більш ефективно відводити теплоту від світлодіодів модуля. За рахунок різьби збільшується площа контакту світлодіодного модуля та каркасу. Перевагами такого світлодіодного модуля є також те, що, в разі необхідності, його досить просто замінити в процесі експлуатації, викрутивши з каркасу. Головним недоліком такої конструкції є те, що світлодіоди закріплені тільки на верхній основі фланця зі спрямуванням світлового потоку в основному догори, що суттєво погіршує розсіювання світлового потоку в просторі в різних напрямках та не забезпечує рівномірного розподілення світла по приміщенню. До недоліків відомого світлодіодного модуля слід віднести також обмеженість потужності світлодіодів термічним опором кондуктивної теплопередачі 1 UA 95070 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 внаслідок обмеженої теплопровідності металу порівняно, наприклад, з ефективною теплопровідністю теплової труби. За найближчий аналог корисної моделі, що заявляється, вибрано технічне рішення, відоме з патенту США 8272766 В2, МПК (2006.01) F21V 29/00, опубл. 25.09.2012, яке являє собою світлодіодний модуль, що входить як джерело світла до світлодіодної лампи. Світлодіодний модуль містить основу з теплопровідного матеріалу, виконану у вигляді багатогранної призми з наскрізним циліндричним отвором, вісь якого розташована паралельно граням призми, та світлодіоди, встановлені на її гранях за допомогою друкованих плат. Друковані плати з світлодіодами встановлено з забезпеченням теплового контакту на гранях призми таким чином, що можна збільшувати кількість світлодіодів, тим самим збільшуючи потужність світлодіодного модуля. Багатогранність поверхні призми, на якій встановлено друковані плати зі світлодіодами, а також наявність розсіювальної лінзи забезпечують рівномірне розсіювання світла в просторі. Внутрішній наскрізний циліндричний отвір в багатогранній призмі призначено для встановлення світлодіодного модуля з забезпеченням теплового контакту на теплову трубу, яка дозволяє досить ефективно, з мінімальним термічним опором, відвести теплоту від зони нагріву до радіатора, розміщеного знизу лампи. Радіатор в залежності від потужності світлодіодів модуля має різні площі та геометричні форми, які сприяють інтенсифікації теплообміну. Забезпечення теплового контакту світлодіодного модуля з тепловою трубою у відомому технічному рішенні здійснено шляхом паяння, склеювання або термічної напресовки багатогранної призми на теплову трубу. Дана система відводу теплоти набагато ефективніша, ніж у описаних раніше аналогів, що робить відомий світлодіодний модуль більш практичним і зручнішим в використанні, та більш надійнішим в роботі. Але, головним недоліком найближчого аналога є низька ремонтопридатність, оскільки його встановлення на теплову трубу здійснено нерознімним (паяння, склеювання, напресовка). Тому при виході з ладу одного чи декількох світлодіодів замінити несправний світлодіодний модуль неможливо, потрібно замінювати весь освітлювальний прилад, до складу якого він входить. Іншими недоліками відомого світлодіодного модуля є наявність додаткових контактних термічних опорів, оскільки світлодіоди безпосередньо встановлено на друкованих платах, які, в свою чергу, кріпляться до граней призми. Тепловий контакт поверхні наскрізного отвору багатогранної призми з тепловою трубою здійснено по гладкій циліндричній поверхні обмеженої площі, що збільшує густину теплового потоку в зоні контакту та підвищує перепад температури, а, відповідно, і температуру світлодіодів. В основу технічного рішення, що заявляється, поставлено задачу створити такий світлодіодний модуль з потужними світлодіодами, придатний для ефективного тепловідведення за допомогою теплової труби, який би був ремонтопридатним та одночасно забезпечував мінімальний контактний термічний опір між модулем та тепловою трубою, та який можна було б застосовувати як окремий знімний конструктивний елемент при виготовленні та ремонті світлодіодних приладів, наприклад, люстр для внутрішнього освітлення житлових приміщень з рівномірним розсіюванням світлового потоку в просторі приміщення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в світлодіодному модулі, що містить основу з теплопровідного матеріалу, виконану у вигляді багатогранної призми з наскрізним отвором, вісь якого розташована паралельно граням призми, та світлодіодні джерела світла, встановлені з забезпеченням теплового контакту на гранях призми, відповідно до корисної моделі, на поверхні наскрізного отвору багатогранної призми виконана різьба для встановлення світлодіодного модуля на циліндричну теплову трубу з різьбою в зоні нагріву теплової труби, причому параметри різьби в наскрізному отворі призми відповідають параметрам різьби в зоні нагріву циліндричної теплової труби, а в зону різьбового контакту введено теплопровідну пасту або іншу змащувальну речовину, теплопровідність якої вище, ніж теплопровідність повітря. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється, та технічним результатом, що досягається, полягає у наступному. Виконання внутрішньої різьби на поверхні наскрізного отвору в основі модуля, параметри якої відповідають параметрам зовнішньої різьби на тепловій трубі, забезпечує рознімне встановлення модуля з тепловою трубою, що підвищує його ремонтопридатність, а за рахунок того, що різьба порівняно з гладкою поверхнею має щонайменше вдвічі більшу площу поверхні контакту (в разі виконання різьби, що має форму трикутника з кутом 60 градусів), вдвічі зменшується густина теплового потоку та перепад температури в зоні контакту. Зменшення термічного опору різьбового з'єднання досягається також змащуванням різьбових поверхонь теплопровідною пастою або іншою теплопровідною речовиною. Зменшення термічного опору зменшує перепад температури в зоні контакту та температуру світлодіодів, що підвищує їхній строк служби та надійність в роботі. Можливість рознімного встановлення модуля на тепловій 2 UA 95070 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 трубі забезпечує використання його як окремого знімного конструктивного елемента (світлодіодного джерела світла) при його виробництві, а також - при виготовленні та ремонті світлодіодних приладів. Суть та принцип дії запропонованого світлодіодного модуля пояснюються кресленнями. На фіг. 1 зображено загальний вигляд першого прикладу виконання світлодіодного модуля тригранного світлодіодного модуля. На фіг. 2 наведено другий приклад виконання світлодіодного модуля - модуля з чотиригранною основою. На фіг. 3 зображено ще один приклад виконання світлодіодного модуля - з п'ятигранною основою. На фіг. 4 показано загальний вигляд шестигранного світлодіодного модуля. На фіг. 5 зображено шестигранний світлодіодний модуль, встановлений за допомогою рознімного різьбового з'єднання на тепловій трубі. На фіг. 6 зображено закріплений на тепловій трубі світлодіодний модуль у розрізі. Світлодіодний модуль містить основу 1 з теплопровідного матеріалу, виконану у вигляді багатогранної, наприклад, тригранної (див. фіг. 1) призми з наскрізним отвором, на поверхні якого виконана різьба 2. Вісь наскрізного отвору з нанесеною різьбою 2 розташована паралельно граням основи 1. Світлодіодні джерела світла 3, наприклад, потужні світлодіоди компанії Сrее, встановлені в вікнах друкованої плати 4 (див. фіг. 6) таким чином, що підкладка світлодіодного джерела світла щільно прилягає до грані основи 1 і скріплена з нею з забезпеченням теплового контакту, наприклад, за допомогою паяння або приклеювання теплопровідним клеєм. Друкована плата 4 забезпечує електричне з'єднання світлодіодів між собою в електричне коло та може бути виконана з теплопровідного матеріалу і встановлена на гранях основи 1 також з забезпеченням теплового контакту, наприклад, шляхом механічного стискання та закріплення за допомогою гвинтів з використанням в зоні контакту шару теплопровідної пасти, наприклад, пасти КПТ-8. Профіль різьби 2 має форму трикутника з кутом при вершині 60 градусів. Різьба 2 на поверхні наскрізного отвору багатогранної призми основи 1 призначена для встановлення світлодіодного модуля на циліндричну теплову трубу 5 з різьбою 6 (див. фіг. 5), виконаною на тепловій трубі 5 з радіатором 7 в зоні охолодження. Параметри різьби 2 на поверхні наскрізного отвору багатогранної призми основи 1 відповідають параметрам різьби 6 на поверхні корпусу 8 (див. фіг. 6) в зоні нагріву циліндричної теплової труби 5. В зону різьбового контакту введено теплопровідну змащувальну пасту, наприклад, пасту КПТ-8, або іншу теплопровідну речовину, наприклад, гліцерин (на фігурах не показано). Виконання внутрішньої різьби 2 з параметрами, що відповідають параметрам різьби 6 на тепловій трубі 5, забезпечує рознімне з'єднання світлодіодного модуля з тепловою трубою. Трикутний профіль різьби з кутом при вершині 60 градусів забезпечує щонайменше вдвічі більшу площу поверхні контакту, ніж гладка циліндрична поверхня, за рахунок чого вдвічі зменшується густина теплового потоку в зоні різьбового контакту та перепад температури в зоні контакту і температура світлодіодних джерел світла. Покращення тепловідводу від світлодіодів сприяє підвищенню строку служби та надійності світлодіодного модуля. Другий приклад виконання світлодіодного модуля наведено на фіг. 2. Його відмінність від попереднього варіанта виконання полягає в тому, що основа 1 світлодіодного модуля виконана у вигляді чотиригранної призми, на кожній грані якої встановлено з забезпеченням теплового контакту світлодіодні джерела світла 3 за допомогою теплопровідних друкованих плат 4 з вікнами під світлодіоди. Наявність чотирьох граней забезпечує більш рівномірне розподілення світла по приміщенню. Подальше збільшення площі освітлення приміщення забезпечують світлодіодні модулі в варіантах виконання з п'ятьма (див. фіг. 3) та шістьма (див. фіг. 4) гранями. Крім більшої кількості граней (п'ять та шість відповідно), конструкція цих варіантів виконання модуля принципово не відрізняється від першого та другого варіантів виконання світлодіодного модуля з трьома та чотирма гранями відповідно. Рознімне встановлення шестигранного світлодіодного модуля на тепловій трубі 5 за допомогою різьби 2, виконаної на внутрішній поверхні наскрізного отвору в основі 1 світлодіодного модуля, та різьби 6, виконаної на зовнішній поверхні корпуса 8 в зоні нагріву теплової труби 5, показано на фіг. 5 та в розрізі - на фіг. 6. На внутрішній поверхні корпуса 8 теплової труби 5 виконано шар 9 капілярно-пористої структури, пори якої заповнені рідким теплоносієм. Світлодіодний модуль в інших варіантах виконання може бути виконаний у формі циліндра з різною кількістю граней, на яких розташовані потужні світлодіодні джерела світла. Загальну їхню потужність, а відповідно і світловий потік, можна регулювати різною компоновкою модулів та різною кількістю граней основи. Форма профілю різьби також може бути відмінною від трикутної, наприклад, бути прямокутною, трапецеїдальною, тощо. 3 UA 95070 U 5 10 15 20 25 30 Робота запропонованого світлодіодного модуля пояснюється за допомогою фіг. 6. При підключенні до джерела живлення (на фіг. 6 джерело живлення не показано) світлодіодні джерела світла 3, встановлені з забезпеченням теплового контакту на кожній грані основи 1 за допомогою друкованої плати 4 з вікнами, випромінюють світловий потік в оточуючий простір. Теплота, що виділяється при цьому в кристалах світлодіодних джерел світла 3, крізь тепловий контакт їхнього з'єднання з гранями основи 1 передається до основи 1 модуля, яка за допомогою різьб 2 та 6 кріпиться на теплову трубу 5. Оскільки площа поверхні контакту у різьбовому з'єднанні, щонайменше вдвічі більше, ніж у з'єднанні гладких поверхонь, то це забезпечує зниження вдвічі густини теплового потоку та перепаду температури в зоні контакту, внаслідок чого теплота ефективно передається крізь шар теплопровідної пасти (або іншої речовини) в зоні різьбового контакту до корпусу теплової труби та шару 9 капілярно-пористої структури. В шарі 9 капілярно-пористої структури починається випаровування (або кипіння) рідкого теплоносія, який у вигляді пари рухається до зони конденсації теплової труби по її паровому каналу (рух пари на фіг. 6 показано пунктирними стрілками). В зоні конденсації теплової труби, охолоджуваної за допомогою радіатора, пара теплоносія конденсується та у вигляді рідини по шару 9 капілярно-пористої структури за рахунок капілярних та гравітаційних сил повертається до зони випаровування (повернення конденсату на фіг. 6 показано суцільними стрілками), і процес перенесення теплоти за рахунок високоефективного випаровувально-конденсаційного циклу повторюється. Порівняно з найближчим аналогом, за рахунок зниження щонайменше вдвічі контактного термічного опору рознімного з'єднання модуля з тепловою трубою забезпечується більш ефективне відведення теплоти від світлодіодних джерел світла з одночасним підвищенням ремонтопридатності світлодіодного модуля. Запропоноване технічне рішення дозволяє встановлювати світлодіодний модуль на теплову трубу та, при необхідності, наприклад, для ремонту, знімати його. Завдяки тому, що світлодіодний модуль може легко встановлюватися та замінюватися в процесі виготовлення таексплуатації, він може використовуватися як універсальний окремий конструктивний елемент (світлодіодне джерело живлення), який має високу потужність та надійність в роботі за рахунок підвищення ефективності тепловідведення. Зниження перепаду температури в зоні контакту знижує температуру світлодіодних джерел світла, що сприяє збільшенню строку служби та підвищенню надійності світлодіодного модуля. Таким чином, запропонований світлодіодний модуль є новим, промислово придатним і забезпечує досягнення більш високого технічного результату. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 1. Світлодіодний модуль, що містить основу з теплопровідного матеріалу, виконану у вигляді багатогранної призми з наскрізним отвором, вісь якого розташована паралельно граням призми, та світлодіодні джерела світла, встановлені з забезпеченням теплового контакту на гранях призми, який відрізняється тим, що на поверхні наскрізного отвору багатогранної призми виконана різьба для встановлення світлодіодного модуля на циліндричну теплову трубу з різьбою в зоні нагріву теплової труби. 2. Світлодіодний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що параметри різьби на поверхні наскрізного отвору багатогранної призми відповідають параметрам різьби на поверхні зони нагріву циліндричної теплової труби. 3. Світлодіодний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що в зону різьбового контакту введено теплопровідну пасту або іншу теплопровідну речовину, теплопровідність якої перевищує теплопровідність повітря. 4 UA 95070 U 5 UA 95070 U 6 UA 95070 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7