Светодиодный модуль

Светодиодный модуль относится к области светотехники, в частности к съемным светодиодным модулям, предназначенным для использования в светодиодных осветительных приборах. Светодиодный модуль содержит основание из теплопроводного материала, выполненное в виде многогранной призмы со сквозным отверстием, ось которого расположена параллельно граням призмы, и светодиодные источники света, установленные с обеспечением теплового контакта на гранях призмы. На поверхности сквозного отверстия призмы выполнена резьба для установки светодиодного модуля на цилиндрическую тепловую трубу с соответствующей резьбой в зоне нагрева тепловой трубы, а в зону резьбового контакта введена теплопроводная смазка, паста или другое теплопроводное вещество, теплопроводность которого выше теплопроводности воздуха, что обеспечивает минимальное контактное термическое сопротивление разъемного соединения светодиодного модуля с тепловой трубой, снижает температуру светодиодных источников света, повышает их срок службы и надежность работы. 1 н.п.ф., 6 ил., 4 пр.

Полезная модель относится к области светотехники, в частности, к конструкциям мощных светодиодных модулей, используемых в энергоэффективных осветительных приборах в качестве светодиодного источника света.

В последнее время для освещения помещений, улиц, автомобильных дорог, вагонов метро, щитов рекламы и т.п. широко стали использоваться энергоэффективные полупроводниковые источники света - светодиоды, которые по сравнению с лампами накаливания потребляют приблизительно в 10 раз меньше электроэнергии и имеют значительно больший срок службы. Часто несколько светодиодов монтируют на общую пластину из теплопроводного материала, образовывая светодиодный модуль, таким образом увеличивая его общую мощность и световой поток. Так, например, современный светодиодный модуль СХА 1520 с размерами теплопроводного основания 15,85×15,85 мм в номинальном режиме работы потребляет мощность 17,5 Вт (см. статью: Дорожкин Ю., Туркин ., Червинский М. Новые семейства светодиодных модулей серии СХА компании Cree. - Полупроводниковая светотехника. - 2014. - 1. - С. 36-39). Около 75% потребляемой мощности превращается в полупроводниковом кристалле светодиода в теплоту. Поэтому главной проблемой при применении светодиодных модулей является обеспечение заданного теплового режима полупроводникового кристалла светодиода, поскольку с увеличением рабочей температуры p-n перехода кристалла светодиода ухудшаются световые и цветовые характеристики, уменьшается срок службы и снижается надежность работы светодиода.

Известно техническое решение для обеспечения надежной работы светодиодных модулей (см. патент Российской Федерации на полезную модель 123107 U1, МПК (2006.01) F21S 2/00, опубл. 20.12.2012, бюл. 35), в котором несколько мощных светодиодов модуля расположены на теплопроводной пластине тепловой трубы, которая передает теплоту от светодиодов к радиатору, установленному в зоне конденсации тепловой трубы, где теплота за счет свободной конвекции отводится в окружающую среду.

Главным недостатком такой конструкции является то, что мощные светодиоды закреплены только на одной стороне тепловой трубы, что существенно ухудшает рассеивание света в пространстве и не обеспечивает равномерного распределения света по помещению.

Известен другой светодиодный модуль (см. патент США 7748876 B2, МПК (2006.01) F21V 29/00, F21V 21/00, опубл. 06.07.2010), который содержит светодиоды, установленные на внешних гранях шестигранного цилиндра, выполненного из теплопроводного материала. Внутри шестигранного цилиндра выполнено сквозное отверстие, к поверхности которого напротив каждой грани шестигранного цилиндра присоединены по одной -образной или U-образной тепловой трубе, которые передают теплоту от светодиодов к радиатору, установленному внутри сквозного отверстия. Радиатор охлаждается за счет свободной конвекции воздуха. Размещение светодиодов на всех шести вертикально ориентированных гранях модуля обеспечивает равномерное распределение света в пространстве.

Недостатком указанного светодиодного модуля является значительное контактное термическое сопротивление вследствие небольшой площади контакта тепловой трубы с шестигранным цилиндром и контакта тепловой трубы с радиатором, что ухудшает равномерность отвода теплоты от светодиодов и не позволяет использовать светодиоды большой мощности.

Светодиодный модуль, известный из заявки на выдачу патента США 2008/0099775 A1, МПК (2006.01) H01L 33/00, опубл. 01.05.2008, содержит шестигранный фланец, на верхнем основании которого установлены с обеспечением теплового контакта кристаллы светодиодов, а на нижнем - выполнена цилиндрическая втулка со сквозным отверстием внутри и с резьбой на его внешней поверхности. Шестигранный фланец с втулкой выполнен из теплопроводного и одновременно электропроводного материала и служит одним из электродов модуля. Вторым электродом модуля служит цилиндр, боковая поверхность которого покрыта слоем электроизоляционного материала, вставленный в сквозное отверстие цилиндрической втулки и фланца. Теплота от кристаллов светодиодов передается кондукцией по материалу шестигранного фланца и цилиндрической втулки к ее внешней резьбовой поверхности. Светодиодный модуль вкручивается в резьбовое отверстие каркаса, выполненного из теплопроводного материала, который имеет большую площадь поверхности охлаждения, что позволяет более эффективно отводить теплоту от светодиодов модуля. Благодаря использованию резьбы увеличивается площадь контакта светодиодного модуля и каркаса. Преимуществом такого светодиодного модуля является также то, что, в случае необходимости, его довольно просто заменить в процессе эксплуатации, выкрутив из каркаса.

Главным недостатком такой конструкции является то, что светодиоды закреплены только на верхнем основании фланца с направлением светового потока в основном вверх, что существенно ухудшает рассеивание светового потока в пространстве в разных направлениях и не обеспечивает равномерного распределения света по помещению. К недостаткам известного светодиодного модуля следует отнести также ограниченность мощности светодиодов термическим сопротивлением кондуктивной теплопередачи вследствие ограниченной теплопроводности металла по сравнению, например, с эффективной теплопроводностью тепловой трубы.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемой полезной модели выбрано техническое решение, известное из патента США 8272766 В2, МПК (2006.01) F21V 29/00, опубл. 25.09.2012, которое представляет собой светодиодный модуль, являющийся источником света в светодиодной лампе. Светодиодный модуль содержит основание из теплопроводного материала, выполненное в виде многогранной призмы со сквозным цилиндрическим отверстием, ось которого расположена параллельно граням призмы, и светодиоды, установленные на ее гранях с помощью печатных плат. Печатные платы со светодиодами установлены на гранях призмы с обеспечением теплового контакта таким образом, что можно увеличивать количество светодиодов, тем самым увеличивая мощность светодиодного модуля. Многогранность поверхности призмы, на которой установлены печатные платы со светодиодами, а также наличие рассеивающей линзы обеспечивают равномерное рассеивание света в пространстве.

Внутреннее сквозное цилиндрическое отверстие в многогранной призме предназначено для установки светодиодного модуля с обеспечением теплового контакта на тепловую трубу, что позволяет довольно эффективно, с минимальным термическим сопротивлением, отводить теплоту от зоны нагрева к радиатору, размещенному внизу лампы. Радиатор, в зависимости от мощности светодиодов модуля, может иметь разную площадь и геометрическую форму, способствующие интенсификации теплообмена. Обеспечение теплового контакта светодиодного модуля с тепловой трубой в известном техническом решении осуществляется путем пайки, склеивания или термической напрессовки многогранной призмы на тепловую трубу. Данная система отвода теплоты намного эффективнее, чем в описанных ранее аналогах, что делает известный светодиодный модуль более удобным в использовании, и более надежным в работе.

Вместе с тем, главным недостатком ближайшего аналога является низкая ремонтопригодность, поскольку он установлен на тепловую трубу неразъемно (пайка, приклеивание, напрессовка). Поэтому при выходе из строя одного или нескольких светодиодов заменить неисправный светодиодный модуль невозможно, вследствие чего необходимо заменять весь осветительный прибор, в состав которого он входит.

Другим недостатком известного светодиодного модуля является наличие дополнительных контактных термических сопротивлений, поскольку светодиоды непосредственно установлены на печатных платах, которые, в свою очередь, крепятся к граням призмы. Кроме того, тепловой контакт поверхности сквозного отверстия многогранной призмы с тепловой трубой осуществлен по гладкой цилиндрической поверхности ограниченной площади, что увеличивает плотность теплового потока в зоне контакта и приводит к повышению перепада температуры, а, соответственно, и температуры светодиодов.

В основу заявляемого технического решения поставлена задача создать такой светодиодный модуль с мощными светодиодами, который имел бы возможность отвода теплоты с помощью тепловой трубы и одновременно был ремонтнопригодным, обеспечивал минимальное контактное термическое сопротивление между модулем и тепловой трубой, и который можно применять как отдельный съемный конструктивный элемент при изготовлении и ремонте светодиодных приборов, например, люстр для внутреннего освещения жилых помещений с равномерным рассеиванием светового потока в пространстве помещения. Указанная задача решается за счет того, что в светодиодном модуле, содержащем основание из теплопроводного материала, выполненное в виде многогранной призмы со сквозным отверстием, ось которого расположена параллельно граням призмы, и светодиодные источника света, установленные с обеспечением теплового контакта на гранях призмы, в соответствии с полезной моделью, на поверхности сквозного отверстия многогранной призмы выполнена резьба для установки светодиодного модуля на цилиндрическую тепловую трубу с резьбой в зоне нагрева тепловой трубы, причем параметры резьбы в сквозном отверстии призмы соответствуют параметрам резьбы в зоне нагрева цилиндрической тепловой трубы, а в зону резьбового контакта введена теплопроводная паста или другое смазывающее вещество, теплопроводность которого выше, чем теплопроводность воздуха.

Выполнение внутренней резьбы на поверхности сквозного отверстия в основании модуля, параметры которой соответствуют параметрам внешней резьбы на цилиндрической тепловой трубе, обеспечивает разъемное соединение модуля с тепловой трубой, что повышает его ремонтопригодность. А поскольку резьбовая поверхность по сравнению с гладкой поверхностью тех же размеров имеет, по меньшей мере, вдвое большую площадь поверхности контакта (например, в случае выполнения резьбы, профиль которой имеет форму треугольника с углом 60 градусов), то вдвое уменьшается плотность теплового потока и перепад температуры в зоне контакта. Уменьшение термического сопротивления резьбового соединения достигается также смазкой резьбовых поверхностей теплопроводной пастой или другим теплопроводным веществом, теплопроводность которого превышает теплопроводность воздуха. Уменьшение термического сопротивления приводит к снижению перепада температуры в зоне контакта и температуры светодиодных источников света, что повышает их срок службы и надежность в работе. Возможность разъемной установки модуля на тепловой трубе позволяет использовать его в качестве отдельного съемного конструктивного элемента (светодиодного источника света) при изготовлении и ремонте светодиодных приборов.

Суть и принцип действия предложенного светодиодного модуля поясняются чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид первого варианта выполнения светодиодного модуля - трехгранного светодиодного модуля.

На фиг. 2 приведен второй вариант выполнения светодиодного модуля - модуля с четырехгранным основанием.

На фиг. 3 изображен вариант выполнения светодиодного модуля с пятигранным основанием.

На фиг. 4 показан общий вид шестигранного светодиодного модуля.

На фиг. 5 приведен шестигранный светодиодный модуль, установленный с помощью разъемного резьбового соединения на цилиндрической тепловой трубе.

На фиг. 6 изображен закрепленный на тепловой трубе светодиодный модуль в разрезе.

Светодиодный модуль содержит основание 1 из теплопроводного материала, выполненное в виде многогранной, например, трехгранной (см. фиг. 1) призмы со сквозным отверстием, на поверхности которого выполнена резьба 2. Ось сквозного отверстия с нанесенной резьбой 2 расположена параллельно граням основания 1. Светодиодные источники света 3, например, мощные светодиоды компании Cree, установлены в окнах печатной платы 4 (см. фиг. 6) таким образом, что подложка светодиодного источника света плотно прилегает к грани основания 1 и скреплена с ней с обеспечением теплового контакта с минимальным термическим сопротивлением, например, с помощью пайки или приклеивания теплопроводным клеем. Печатная плата 4 обеспечивает электрическое соединение светодиодов между собой в электрическую цепь и может быть выполнена из теплопроводного материала и установлена на гранях основания 1 также с обеспечением теплового контакта, например, путем механического сжатия и закрепления с помощью винтов с использованием в зоне контакта слоя теплопроводной пасты, например, пасты КПТ-8. Профиль резьбы 2 имеет форму, например, треугольника с углом при вершине 60 градусов. Резьба 2 на поверхности сквозного отверстия предназначена для установки светодиодного модуля на цилиндрическую тепловую трубу 5 с резьбой 6 (см. фиг. 5), выполненной на тепловой трубе 5 с радиатором 7 в зоне охлаждения. Параметры резьбы 2 на поверхности сквозного отверстия соответствуют параметрам резьбы 6 на поверхности корпуса 8 (см. фиг. 6) в зоне нагрева цилиндрической тепловой трубы 5. В зону резьбового контакта введена теплопроводная смазка, например, паста КПТ-8, или другое теплопроводное вещество, теплопроводность которого превышает теплопроводность воздуха, например, глицерин (на фигурах не показан).

Выполнение резьбы 2 с параметрами, соответствующими параметрам резьбы 6 на тепловой трубе 5, обеспечивает разъемное соединение светодиодного модуля с тепловой трубой. Треугольный профиль резьбы с углом при вершине 60 градусов обеспечивает по меньшей мере вдвое большую площадь поверхности контакта, чем гладкая цилиндрическая поверхность, за счет чего вдвое уменьшается плотность теплового потока в зоне резьбового контакта, перепад температуры в зоне контакта и температура светодиодных источников света. Повышение эффективности теплоотвода от светодиодных источников света приводит к снижению их температуры, повышению срока службы и надежности светодиодного модуля.

Отличие второго варианта выполнения светодиодного модуля (см. фиг. 2) от первого состоит в том, что его основание 1 выполнено в виде четырехгранной призмы, на каждой грани которой установлены с обеспечением теплового контакта светодиодные источники света 3 с помощью теплопроводных печатных плат 4 с окнами под светодиоды. Наличие четырех граней обеспечивает более равномерное распределение света в помещении.

Дальнейшее увеличение равномерности освещения помещения обеспечивают светодиодные модули в вариантах выполнения с пятью (см. фиг. 3) и шестью (см. фиг. 4) гранями. Кроме большего количества граней конструкция этих вариантов выполнения модуля принципиально не отличается от первого и второго вариантов выполнения светодиодного модуля с тремя и четырьмя гранями соответственно.

Разъемная установка шестигранного светодиодного модуля на цилиндрической тепловой трубе 5 благодаря выполнению резьбы 2 на внутренней поверхности сквозного отверстия в основании 1 и резьбы 6 на внешней поверхности корпуса 8 в зоне нагрева тепловой трубы 5, показана на фиг. 5 и в разрезе - на фиг. 6. На внутренней поверхности корпуса 8 тепловой трубы 5 выполнен слой 9 капиллярно-пористой структуры, поры которой заполнены жидким теплоносителем.

В других вариантах выполнения светодиодного модуля форма профиля резьбы может отличаться от треугольной, например, может быть прямоугольной, трапецеидальной, и т.п.

Работа предложенного светодиодного модуля состоит в следующем (см. фиг. 6). При подключении к источнику питания (на фиг. 6 источник питания не показан) светодиодные источники света 3, установленные с обеспечением теплового контакта с минимальным термическим сопротивлением на гранях многогранной призмы основания 1 с помощью печатной платы 4 с окнами, излучают световой поток в окружающее пространство. Теплота, выделяемая при этом в кристаллах светодиодных источников света 3 передается от от них к основанию 1 светодиодного модуля, а далее через тепловой контакт в резьбовом соединении к корпусу 8 цилиндрической тепловой трубы 5. Поскольку резьба 2 и резьба 6 имеют одинаковые параметры, а площадь поверхности контакта между ними, по меньшей мере вдвое больше площади поверхности контакта гладких поверхностей, то плотность теплового потока и перепад температуры в зоне соединения модуля с тепловой трубой уменшаются вдвое. Вследствие этого теплота эффективно передается через слой теплопроводной пасты (или другого теплопроводного вещества, теплопроводность которого превышает теплопроводность воздуха, например, глицерина), находящийся в зоне резьбового контакта, к корпусу 8 тепловой трубы 5 и слою 9 капиллярно-пористой структуры. В слое 9 капиллярно-пористой структуры начинается испарение (или кипение) жидкого теплоносителя. Под воздействием возникшей разности давлений пар теплоносителя движется в противоположный конец тепловой трубы (движение пара на фиг. 6 показано пунктирными стрелками), где он конденсируется и в виде жидкости по слою 9 капиллярно-пористой структуры за счет капиллярных и гравитационных сил возвращается в зону испарения (возвращение конденсата на фиг. 6 показано сплошными стрелками), и процесс переноса теплоты за счет высокоэффективного испарительно-конденсационного цикла повторяется.

По сравнению с ближайшим аналогом (прототипом), заявляемое техническое решение позволяет намного проще устанавливать светодиодный модуль на цилиндрическую тепловую трубу и, при необходимости, например, для ремонта или замены, легко снимать его, что существенно повышает ремонтопригодность светодиодного модуля. Благодаря тому, что светодиодный модуль может легко устанавливаться и заменяться в процессе изготовления и эксплуатации, он может использоваться и поставляться как универсальный отдельный конструктивный элемент (светодиодный источник света), имеющий высокую мощность и надежность в работе за счет повышения эффективности теплоотвода. Снижение перепада температуры в зоне контакта светодиодных источников света с поверхностью основания модуля и в зоне резьбового контакта, заполненной теплопроводным веществом, снижает температуру светодиодных источников света, что приводит к увеличению срока службы и повышению надежности светодиодного модуля.

Таким образом, предложенный светодиодный модуль является новым, промышленно пригодным и обеспечивает достижение более высокого технического результата.

1. Светодиодный модуль, содержащий основание из теплопроводного материала, выполненное в виде многогранной призмы со сквозным отверстием, ось которого расположена параллельно граням призмы, и светодиодные источники света, установленные с обеспечением теплового контакта на гранях призмы, отличающийся тем, что на поверхности сквозного отверстия призмы выполнена резьба для установки светодиодного модуля на цилиндрическую тепловую трубу с резьбой в зоне нагрева тепловой трубы.

2. Светодиодный модуль по п. 1, отличающийся тем, что параметры резьбы на поверхности сквозного отверстия многогранной призмы соответствуют параметрам резьбы на поверхности зоны нагрева цилиндрической тепловой трубы.

3. Светодиодный модуль по п. 1, отличающийся тем, что в зону резьбового контакта введена теплопроводная паста или другое теплопроводное вещество, теплопроводность которого превышает теплопроводность воздуха.

РИСУНКИ