Светодиодное осветительное устройство
Полезная модель относится к светотехнике, в частности, к конструкциям осветительных устройств на светодиодах, предназначенных для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения. Предложено светодиодное осветительное устройство, содержащее светодиоды, размещенные на теплопроводящей металлической подложке и соединенные с блоком питания, радиатор и теплопередающую систему, установленную между подложкой со светодиодами и радиатором в котором теплопередающая система, выполнена в виде герметичной камеры, частично заполненной теплоносителем, на наружной поверхности которой компактно смонтирована подложка со светодиодами, а свободная от подложки со светодиодами наружная поверхность камеры выполняет функцию радиатора. Предлагаемая конструкция устройства позволяет трансформировать тепловую энергию от светодиодов, которые компактно расположены на металлической подложке, имеющей размер существенно меньше размеров радиатора, пространственно разделять источник (светодиоды) и сток тепла (радиатор), что, вместе с отсутствием движущихся деталей в системе охлаждения, создает положительный эффект, обусловленный увеличением термодинамической эффективности (за счет использования большой скрытой теплоты парообразования и в свободе размещения радиатора в местах наиболее интенсивной теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции) и функциональных возможностей предлагаемой конструкции системы охлаждения. Это приведет к уменьшению потребляемой энергии, увеличению светоотдачи светодиодной матрицы и срока ее службы при повышении эксплуатационной надежности всего устройства в целом. 1 н.п.ф, 2 илл.
Полезная модель относится к светотехнике, в частности, к конструкциям осветительных устройств на светодиодах, предназначенных для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.
В последнее время широкое распространение получили светодиодные осветительные устройства, которые, кроме высокой световой отдачи и малого энергопотребления, обладают целым рядом других уникальных свойств: большим сроком службы, высоким уровнем безопасности, компактностью, малым весом, стойкостью к механическим воздействиям, чистотой цвета, направленностью излучения и др.
Основной проблемой в промышленном освоении светодиодных осветительных устройств является отвод выделяемого светодиодами тепла. При использовании мощных светодиодов, например, в изготовлении уличных светильников, возникает возможность перегрева светодиодов при эксплуатации, что приводит к уменьшению светоотдачи, срока службы и надежности работы светильников.
Известны различные способы отвода тепла в осветительных устройствах, работающих на светодиодах. Большинство из них пространственно не разделяют источник тепла (светодиоды) и сброс тепла (радиатор), так что светодиоды обычно размещены на всей поверхности радиатора и это заметно сужает функциональные возможности этих систем охлаждения для интенсификации теплообмена и увеличения их срока эксплуатации.
Известны светодиодные осветительные устройства - светильники (патент РФ на изобретение 
2313199, МПК Н05В 33/02, F21S 4/00, опубликован 20.12.2007), содержащие секции светодиодов, соединенные с блоком питания, который подключен к питающей сети переменного напряжения, в которых в качестве радиатора охлаждения использован корпус светильника, выполненный из теплопроводящего материала, например из алюминия, при этом секции светодиодов установлены на радиаторе охлаждения. Кроме того, в качестве радиатора охлаждения может быть использован блок металлических элементов, расположенный как на корпусе, так и внутри корпуса, а для увеличения рассеиваемой тепловой мощности секций светодиодов радиатор охлаждения может иметь принудительное охлаждение поверхности, например, при помощи нагнетающего вентилятора.
Недостатком известного светильника является недостаточно эффективный отвод тепла от светодиодов при повышенных тепловых нагрузках, что приводит к повышению температуры светодиодов и, как следствие, к снижению эксплуатационной надежности светильника и сокращению срока службы светильника.
Известно устройство охлаждения светодиодной матрицы (патент РФ на полезную модель 56558, МПК F21V 29/00, опубликован 10.09.2006), предназначенное для использования в различных светотехнических приборах, заменяющих лампы накаливания, включающее радиатор, снабженный вентилятором, и термоэлектрический модуль, составленный из элементов, работающих на эффекте Пельте, который размещен между радиатором и светодиодной матрицей (подложкой с размещенными на ней светодиодами), установленной на теплопроводящем слое.
Предложенная конструкция устройства охлаждения позволила снимать со светодиодной матрицы практически все выделяемое на ней тепло и передавать его на радиатор и в окружающее пространство, частично повысить светоотдачу светодиодной матрицы; при стабильно невысоких температурах позволила увеличить срок службы светодиодов и, следовательно, осветительных устройств, работающих на их основе. Кроме того, за счет более интенсивного охлаждения, можно подавать на светодиодную матрицу большие величины токов, тем самым, увеличивая к.п.д. и мощность матрицы и осветительного устройства в целом.
Однако известное устройство охлаждения имеет ряд недостатков:
- дополнительные энергозатраты, необходимые для питания термоэлектрического модуля;
- ограниченный срок службы и дополнительный вес термоэлектрического модуля
- наличие механического вентилятора для обдува радиатора, что требует частую его замену из-за поломок движущихся частей, особенно в жестких климатических условиях.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции светодиодного осветительного устройства при увеличении эффективности отвода тепла от светодиодов, снижение энергозатрат и увеличение срока службы осветительного устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что в светодиодном осветительном устройстве, содержащем светодиоды, размещенные на теплопроводящей металлической подложке и соединенные с блоком питания, радиатор и теплопередающую систему, установленную между подложкой со светодиодами и радиатором, теплопередающая система, выполнена в виде герметичной камеры, частично заполненной теплоносителем, на наружной поверхности которой компактно смонтирована подложка со светодиодами, а свободная от подложки со светодиодами наружная поверхность камеры выполняет функцию радиатора.
При этом, камера устройства может быть выполнена в виде цилиндра, усеченного конуса или шара, ее наружная поверхность, свободная от подложки со светодиодами, может быть снабжена ребрами, а внутренняя поверхность камеры покрыта капиллярно-пористым материалом.
Светодиоды можно закрыть оптически прозрачным колпаком, закрепленным на подложке.
Кроме того, блок питания светодиодов может быть снабжен функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях, и установлен на наружной поверхности камеры.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - общая схема светодиодного осветительного устройства с расположением подложки со светодиодами в нижней части камеры,
фиг.2 - изображение светодиодного осветительного устройства в изометрии.
Осветительное устройство содержит теплопередающую систему, выполненную в виде герметичной камеры 1 цилиндрической формы, частично заполненной теплоносителем 2, в качестве которого могут быть использованы, например, вода, спирт, ацетон и др. На нижней наружной поверхности камеры 1 смонтирована теплопроводящая металлическая подложка 3 со светодиодами 4. Функцию радиатора 5 в осветительном устройстве выполняет свободная от светодиодов боковая поверхность камеры 1, которая для более эффективного отвода тепла снабжена ребрами.
В зависимости от месторасположения металлической подложки 3 со светодиодами 4 в осветительном устройстве для возврата конденсата используют гравитационные или капиллярные силы.
В предложенном варианте осветительного устройства металлическая подложка 3 со светодиодами 4 расположена в нижней части камеры 1 и для возврата конденсата 6 использованы гравитационные силы: после конденсации пара на внутренней поверхности камеры 1, конденсат 6 имеет столб жидкости с перепадом давления (
Pg), обеспечивающим возврат конденсата 6 в зону подвода тепла (месторасположение подложки 3 со светодиодами 4), тем самым, замыкая испарительно-конденсационный цикл и обеспечивая циркуляцию теплоносителя.
В случае расположения металлической подложки 3 со светодиодами 4 в верхней части камеры 1 для организации циркуляции теплоносителя 2 используют капиллярную структуру, расположенную на внутренней поверхности камеры 1, которая при испарении теплоносителя 2 обеспечивает капиллярное давление, необходимое для возврата теплоносителя 2 от зоны отвода тепла (радиатора 5) к зоне подвода тепла (месторасположение подложки 3 со светодиодами 4).
Светодиоды 4 осветительного устройства закрыты оптически прозрачным колпаком 7, закрепленным на подложке 3.
На наружной поверхности камеры 1 расположены блоки питания 8 светодиодов 4 с функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях. Верхняя часть камеры снабжена подвесом 9.
Осветительное устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения на светодиоды 4, они излучают световую энергию, при этом происходит выделение тепловой энергии, которая через подложку 3 передается теплоносителю 2, находящемуся в нижней части полости камеры 1. Теплоноситель 2 испаряется или кипит (в зависимости от плотности теплового потока), превращаясь в пар и выделяя скрытую теплоту парообразования (которая высока у большинства жидкостей и превышает их теплоемкость в сотни раз). Пар устремляется в верхнюю часть камеры 1, где конденсируется и отдает скрытую теплоту при превращении пара в жидкость в окружающую среду посредством радиатора 5, функцию которого выполняет боковая поверхность камеры 1, снабженная ребрами. Образовавшийся конденсат 6 возвращается по внутренним боковым поверхностям камеры 1 в ее нижнюю часть за счет действия гравитационных сил, тем самым, замыкая испарительно-конденсационный цикл теплопередачи.
Использование в качестве насоса для обеспечения циркуляции теплоносителя гравитационных или/и капиллярных сил, приводит к отсутствию движущихся частей в системе транспорта теплоносителя и к существенному увеличению срока службы.
Предлагаемая конструкция осветительного устройства позволяет создавать компактные осветительные устройства за счет трансформации тепловой энергии от светодиодов, которые компактно расположены на металлической подложке, имеющей размер существенно меньше размеров радиатора, пространственно (от 10 см до нескольких метров) разделять источник (светодиоды) и сток тепла (радиатор), что, вместе с отсутствием движущихся деталей в системе охлаждения, создает положительный эффект, обусловленный увеличением термодинамической эффективности (за счет использования большой скрытой теплоты парообразования и в свободе размещения радиатора в местах наиболее интенсивной теплоотдачи при естественной и/или вынужденной конвекции) и функциональных возможностей предлагаемой конструкции системы охлаждения. Это приведет к уменьшению потребляемой энергии, увеличению светоотдачи светодиодной матрицы и срока ее службы при повышении эксплуатационной надежности всего устройства в целом.
1. Светодиодное осветительное устройство, содержащее светодиоды, размещенные на теплопроводящей металлической подложке и соединенные с блоком питания, радиатор и теплопередающую систему, установленную между подложкой со светодиодами и радиатором, отличающееся тем, что теплопередающая система, выполнена в виде герметичной камеры, частично заполненной теплоносителем, на наружной поверхности которой компактно смонтирована подложка со светодиодами, а свободная от подложки со светодиодами наружная поверхность камеры выполняет функцию радиатора.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера выполнена в виде цилиндра, усеченного конуса или шара, а ее наружная поверхность, свободная от подложки со светодиодами, снабжена ребрами.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность камеры покрыта капиллярно-пористым материалом.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светодиоды закрыты оптически прозрачным колпаком, закрепленным на подложке.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок питания снабжен функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок питания светодиодов с функциональными датчиками установлен на наружной поверхности камеры.
