СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к светотехнике, в частности, к осветительным устройствам, используемым для освещения помещений.
Чаще всего в осветительных устройствах для освещения помещений (люстрах) в качестве источника света используют лампы накаливания и компактные люминесцентные лампы. Основным недостатком первых является высокое энергопотребление, а вторых - использование соединений ртути, что создает проблемы при их утилизации (см. статью: Прокопенко А.В., Тменов А.Д. Освещение на ультраярких светодиодах - настоящее и будущее // Промелектро, 2010 г., №6, с. 8-10).
В последние годы в качестве энергоэффективных и экологически чистых источников света для осветительных устройств применяются полупроводниковые светлодиоды, которые при излучении приблизительно одинакового светового потока потребляют в 10 раз меньше электрической энергии по сравнению с лампами накаливания (см., например, статью: Зеленкою И.А., Лахтадыр Э.Э., Мокров И.В. Построение систем освещения с использованием светодиодных модулей // Электроника и системы управления, 2010 г., №2 (24), с. 24-27), и являются экологически более безопасными по сравнению с люминесцентными лампами. С целью обеспечения возможности замены электрических ламп накаливания в существующих люстрах светодиодными лампами, последние, как правило, выполняют внешне похожими на традиционные лампы накаливания, используя для этого цоколь обычной электрической лампы накаливания, к которому присоединяют электрический преобразователь напряжения, светодиодный модуль и светоформирователь. Основной проблемой в таких светодиодных лампах является недостаточная эффективность отвода теплоты от светодиодов и перегрев p-n переходов при повышении мощности, что значительно снижает надежность работы (см. Мельниченко А. Защита мощных светодиодов от перегрева // Электронные компоненты и системы, 2005 г., №12 (100), с. 22-23)). Поэтому светодиодные лампы дополнительно оснащивают металлическими радиаторами, размещая последние между цоколем и светоформирователем (см., например, патент США №7806564 B2, МПК F21V 29/00, опубл. 05.10.2010 г. и статью: Прорыв в бытовом светодиодном освещении // Свiтло-люкс, 2011 г., №2, с. 18-19).
Ограниченные габаритные размеры радиаторов, сложность обеспечения надежного теплового контакта светодиодов с радиатором и низкий коэффициент теплоотдачи от радиаторов при естественной воздушной конвекции значительно ограничивают мощность известных светодиодных источников света и, соответственно, световой поток, который они излучают. Поэтому возможности их использования в традиционных люстрах являются ограниченными и сдерживаются нерешенностью проблемы отвода теплоты.
Известно светодиодное осветительное устройство, выполненное в виде хрустальной люстры с кристаллическими прозрачными элементами, смонтированными на арматуре люстры вокруг лампы накаливания, в которых выполнен канал цилиндрической формы, а внутри канала размещен и закреплен с помощью прозрачного клея полупроводниковый светодиод (см. патент США №7077555 В2, МПК F21V 7/04, опубл. 18.07.2006 г.). Световые лучи от лампы накаливания и от светодиодов проходят сквозь хрустальные прозрачные элементы, преломляются и отражаются в их теле, создавая соответствующие световые эффекты. Недостатком такой люстры является неэффективное использование электрической энергии, поскольку основная ее часть, потребляемая лампой накаливания, идет на нагрев окружающего воздуха, а использование в люстре светодиодов не уменьшает этих потерь потребленной электроэнергии. Применение же мощных светодиодов в качестве основного источника света вместо лампы накаливания в известной люстре не возможно вследствие тяжелых условий для отвода теплоты от них.
В подвесной светодиодной люстре, известной из патента США №7976202 B2, МПК F21V 29/00, опубл. 12.07.2011 г., светодиоды являются основным источником света и установлены с обеспечением теплового контакта на алюминиевом монтажном модуле с плоскими поверхностями и отогнутыми под углом к ним ребрами охлаждения. Монтажный модуль размещен вертикально внутри рассеивателя светового потока, выполненного в виде подвесного прозрачного колпака. Теплота, выделяемая при работе светодиодов люстры, передается за счет теплопроводности алюминиевого монтажного модуля его ребрам охлаждения и отводится от них к воздуху под прозрачным колпаком за счет естественной конвекции. Нагретый воздух выходит из под колпака наружу через щелевое отверстие в верхней части прозрачного колпака, а вместо него снизу под колпак поступает более холодный воздух. Недостатком такой светодиодной люстры является недостаточная эффективность охлаждения светодиодов при повышении их мощности, что обусловлено ограниченностью поверхности теплообмена монтажного модуля под колпаком и плохими условиями отвода теплоты из под колпака люстры. Так, при термическом сопротивлении кондуктивноï теплопередачи по монтажному модулю 160°C/Вт, характерному для данной конструкции в соответствии с ее детальным описанием в упомянутом патенте, температура светодиода достигнет значения 80°C при его мощности всего 0,5 Вт.
В качестве прототипа предложенной полезной модели выбрано светодиодное осветительное устройство с модулями мощных светодиодов и эффективным теплоотводом на основе тепловых труб, известное из патента США №7922361 B2, МПК F21V 29/00, опубл. 12.04.2011, которое содержит каркас с дном и боковыми стенками, в которых установлены тепловые трубы с зонами нагрева, транспорта и охлаждения, тепловые трубы имеют один изгиб в зоне транспорта, на плоском торце вертикально расположенной части каждой изогнутой тепловой трубы размещена зона нагрева, на которой с помощью монтажной платы смонтированы модули мощных светодиодов, подключенных к источнику электропитания, при этом зоны нагрева всех тепловых труб с модулями мощных светодиодов установлены в отверстиях дна каркаса, а своими светоизлучающими поверхностями мощные светодиоды направлены вниз и закрыты снизу общим прозрачным рассеивателем светового потока. Зоны охлаждения изогнутых тепловых труб снабжены поперечными ребрами охлаждения, расположены горизонтально снаружи каркаса и размещены дальше от вертикальной оси светодиодного осветительного устройства, чем их зоны нагрева.
Благодаря высокой теплопроводности тепловых труб (эквивалентная теплопроводность тепловой трубы на несколько порядков выше теплопроводности таких металлов, как серебро, медь, алюминий и т.п. (см. Семена М.Г., Зарипов В.К., Гершуни А.Н. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами. - К.: Высшая школа, 1984 г., с. 9), работающих по высокоэффективному замкнутому испарительно-конденсационному циклу, значительно увеличивется тепловой поток, который можно эффективно (с минимальным термическим сопротивлением) отвести от мощных светодиодов, установленных в зонах нагрева тепловых труб, к их зонам охлаждения и закрепленным на них поперечным ребрам охлаждения, а от них - к окружающей среде. Конструкция устройства-прототипа обеспечивает эффективный отвод теплоты, позволяет использовать в качестве источника света енергоефективные мощные светодиоды и обеспечить их надежную работу за счет обеспечения нормального теплового режима.
Вместе с тем, поскольку в известном светодиодном осветительном устройстве с мощными светодиодами и эффективным теплоотводом на основе тепловых труб (прототипе) все зоны нагрева тепловых труб с модулями мощных светодиодов сконцентрированы в общем дне каркаса в виде сгруппированного единого светодиодного модуля с мощным световым потоком, направленным вниз, закрытого снизу общим прозрачным рассеивателем светового потока, то такое осветительное устройство больше пригодно для освещения улиц и мало пригодно для освещения жилых и других помещений (залов библиотек, учебных заведений, дошкольных детских учреждений и т.п.), где для большей равномерности освещения помещения, как правило, используют осветительные устройства с несколькими источниками света, установленными рассредоточенно вокруг вертикальной оси осветительного устройства и размещенными в отдельных рассеивателях светового потока. Поэтому ограниченность применения известного светодиодного осветительного устройства (прототипа) для внутреннего освещения жилых и других помещений является существенным его недостатком.
В основу заявляемого технического решения поставлена задача создать такое светодиодное осветительное устройство с мощными светодиодами и эффективным теплоотводом на основе изогнутых тепловых труб, которое можно было бы использовать для освещения жилых и других помещений (залов библиотек, учебных заведений, дошкольных детских учреждений и т.п.) с более равномерным рассеянием светового потока в пространстве помещения.
Поставленная задача решается за счет того, что в светодиодном осветительном устройстве, содержащем тепловые трубы с зонами нагрева, транспорта и охлаждения, причем тепловые трубы имеют первый изгиб в области зоны транспорта, в области зоны нагрева каждой изогнутой тепловой трубы с обеспечением теплового контакта установлен по меньшей мере один модуль мощных светодиодов, подключенных к источнику электропитания, и по меньшей мере один прозрачный рассеиватель светового потока, а зоны охлаждения выполнены с развитой поверхностью теплообмена, согласно заявляемой полезной модели в области зоны транспорта изогнутых тепловых труб выполнен второй изгиб, зона охлаждения каждой тепловой трубы направлена вверх от второго изгиба, при этом зоны охлаждения тепловых труб расположены ближе к вертикальной оси светодиодного осветительного устройства, чем их зоны нагрева, а зона нагрева каждой тепловой трубы с соответствующим модулем мощных светодиодов расположена в отдельном прозрачном рассеивателе светового потока. По меньшей мере часть мощных светодиодов своими светоизлучающими поверхностями направлены в разные стороны. Светодиодное осветительное устройство дополнительно может содержать электровентилятор для принудительного обдува воздухом зон охлаждения тепловых труб и декоративные элементы для создания эстетичного художественного вида светодиодного осветительного устройства.
Выполнение в области зоны транспорта каждой тепловой трубы второго изгиба с направлением зоны охлаждения вверх от него вместе с расположением зон охлаждения теплових труб ближе к вертикальной оси светодиодного осветительного устройства, чем их зон нагрева, и расположением зон нагрева каждой тепловой трубы с соответствующим модулем мощных светодиодов в отдельном прозрачном рассеивателе светового потока в совокупности с другими существенными признаками позволяет, в отличие от прототипа, рассредоточить мощные источники света вокруг вертикальной оси осветительного устройства и повысить равномерность освещения пространства помещения.
Суть и принцип действия предложенного светодиодного осветительного устройства поясняются чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид светодиодного осветительного устройства, в качестве примера, с четырьмя рассредоточенно установленными в отдельных прозрачных рассеивателях светового потока в виде шаров модулями мощных светодиодов; на фиг. 2 - разрез по линии A-A одной из тепловых труб с установленным в области ее зоны нагрева модулем мощных светодиодов.
Светодиодное осветительное устройство (см. фиг. 1) содержит элементы несущего каркаса 1 и закрепленные на нем тепловые трубы 2, каждая из которых имеет зону нагрева 3, зону транспорта 4 и зону охлаждения 5. Зона транспорта 4 каждой тепловой трубы 2 размещена между ее зонами нагрева 3 и охлаждения 5. В области зоны транспорта тепловой трубы выполнен первый изгиб 6 и второй изгиб 7. Участок тепловой трубы, направленный вниз от первого изгиба 6 заканчивается зоной нагрева 3, а участок тепловой трубы, направленный вверх от второго изгиба 7 является зоной охлаждения 5 каждой тепловой трубы 2, при этом зоны охлаждения 5 тепловых труб 2 расположены ближе к вертикальной оси светодиодного осветительного устройства, чем их зоны нагрева 3 (вертикальная ось светодиодного осветительного устройства на фиг.1 показана штрих-пунктирной линией). Зоны охлаждения 5 выполнены с развитой поверхностью теплообмена в виде ребер охлаждения 8. Ребра охлаждения 8 имеют одновременно и декоративное назначение.
В области зоны нагрева 3 каждой тепловой трубы 2 с обеспечением теплового контакта установлен по меньшей мере один модуль 9 мощных светодиодов 10. По меньшей мере часть мощных светодиодов 10 своими светоизлучающими поверхностями направлены в разные стороны для повышения равномерности освещения помещения. Зона нагрева 3 каждой тепловой трубы 2 с соответствующим модулем 9 мощных светодиодов 10 расположена в отдельном прозрачном рассеивателе светового потока 11, выполненном, например в виде шара. Мощные светодиоды 10 в пределах каждого светодиодного модуля 9 соединены между собою в электрическую цепь и электрически подключены к источнику электропитания 12 (электрические соединяющие провода на фигурах не показаны). Источник электропитания 12 выполнен, например, в виде электронного преобразователя электрической сети переменного тока напряжением 220 В в низковольтную сеть питания постоянного или импульсного тока с напряжением 5-20 В. Светодиодное осветительное устройство дополнительно может содержать электровентилятор 13 для принудительного обдува воздухом зон охлаждения тепловых труб и декоративные элементы 14 для создания эстетичного художественного вида светодиодного осветительного устройства.
На внутренней поверхности корпуса 15 (см. фиг. 2) каждой тепловой трубы, по меньшей мере в области ее зоны нагрева, выполнена капиллярная структура, например, в виде капиллярных каналов 16, а корпус тепловой трубы частично заполнен жидким теплоносителем, коррозионно совместимым с материалом корпуса тепловых труб. При выполнении корпуса тепловой трубы, например, из алюминиевого сплава АД 31 в качестве жидкого теплоносителя могут использоваться аммиак, ацетон, пропиленгликоль, хладон, пропан и т.п.
С помощью элементов несущего каркаса 1 светодиодное осветительное устройство подвешивается к потолку помещения.
В пределах формулы данной полезной модели возможны и другие варианты выполнения светодиодного осветительного устройства для освещения помещений. Например, светодиодное осветительное устройство может иметь одну тепловую трубу с разветвленными зонами нагрева и транспорта и общей или разветвленными зонами охлаждения, которые имеют общее паровое пространство. В других вариантах выполнения светодиодное осветительное устройство может иметь значительное количество миниатюрных тепловых труб, например более 10 штук, с металловолокнистой капиллярной структурой, причем зоны нагрева определенного количества тепловых труб с соответствующими модулями мощных светодиодов могут быть размещены по высоте в разных ярусах, образовывая разноярусные люстры. Тепловые трубы могут быть выполнены также в виде термосифонов, то есть не иметь капиллярной структуры на внутренней поверхности. Рассеиватели теплового потока могут быть выполнены в виде цветка, купола, пламя свечки и т.п.
Работа предложенного светодиодного осветительного устройства осуществляется следующим образом. При включении светодиодного осветительного устройства в электрическую сеть электрическое напряжение подается на источник электропитания 12, который питает мощные светодиоды 10 каждого модуля 9. Мощные светодиоды 10 излучают световой поток. Поскольку светоизлучающие поверхности по меньшей мере части мощных светодиодов направлены в разные стороны, то в дальнейшем световой поток от них, сформированный рассеивателями светового потока 11, выполненными в виде шаров, излучается в помещение во все стороны с высокой степенью равномерности. Теплота, выделяемая при этом в p-n переходах мощных светодиодов 10 каждого модуля 9, передается благодаря теплопроводности к зоне нагрева 3 соответствующей тепловой трубы 2 и нагревает ее корпус 15 (фиг. 2) в зоне нагрева. Жидкий теплоноситель, находящийся в капиллярных каналах 16 на внутренней поверхности корпуса 15 тепловой трубы в зоне нагрева, начинает испаряться или кипеть (в зависимости от плотности теплового потока), интенсивно поглощая при этом подведенную теплоту. Пар теплоносителя поступает в зону охлаждения 5 соответствующей тепловой трубы и конденсируется на ее внутренней поверхности, отдавая теплоту корпусу тепловой трубы и ребрам охлаждения 8, которые соединены с ее корпусом в области зоны охлаждения 5 и обдуваются электровентилятором 13. Конденсат теплоносителя, благодаря действию силы гравитации и капиллярных сил, возвращается по капиллярным каналам 16 в зону нагрева и цикл испарения-конденсации повторяется. Теплота от зон охлаждения 5 тепловых труб, их ребер охлаждения 8 эффективно отводится в окружающую среду благодаря принудительной конвекции воздуха, созданной электровентилятором 13. Таким образом обеспечивается нормальный тепловой режим мощных светодиодов 10 и надежная работа светодиодного осветительного устройства.
Предложенное техническое решение позволяет, в отличие от прототипа, обеспечить освещение жилых и других (залов библиотек, учебных заведений, дошкольных детских учреждений и т.п.) помещений и повысить при этом равномерность их освещения. Так, выполнение в области зоны транспорта тепловых труб второго изгиба с направлением зон охлаждения вверх от него вместе с расположением зон охлаждения ближе к вертикальной оси светодиодного осветительного устройства, чем их зон нагрева, и расположением зон нагрева каждой тепловой трубы с соответствующим модулем мощных светодиодов в отдельном прозрачном рассеивателе светового потока позволяет, в отличие от прототипа, рассредоточить мощные источники света в пространстве помещения и повысить равномерность рассеяния мощного светового потока, что позволяет использовать предложенное светодиодное осветительное устройство для енергоефективного освещения жилых и других (залов библиотек, учебных заведений, дошкольных детских учреждений и т.п.) помещений. Например, при мощности одного светодиода 6 Вт и количества светодиодов в модуле 8 шт мощность одного модуля составляет 48 Вт, а светодиодного осветительного устройства с четырьмя светодиодными модулями - 192 Вт, что эквивалентно световому потоку от ламп накаливания мощностью 1920 Вт. Таким образом, по сравнению с люстрами, в которых в качестве источника света используются традиционные лампы накаливания, предложенное светодиодное осветительное устройство при излучении эквивалентного светового потока, потребляет электрическую мощность на 1728 Вт меньше.
Таким образом, предложенное светодиодное осветительное устройство является новым, промышленно пригодным и обеспечивает более равномерное энергоэффективное внутреннее освещение жилых и других помещений.