ОСВЕТИТЕЛЬ СО СВЕТОДИОДАМИ ДЛЯ УЛИЦ

Полезная модель относится к осветительным устройствам со светодиодами и может быть использована для изготовления мощных уличных фонарей с консольным креплением на опоре и со световым потоком не менее 6000 лм.
Известен осветитель на светодиодах, описанный в патенте РФ №96696 на полезную модель "Светодиодный светильник с высокоэффективным конвекционным охлаждением", опубликован 10.08.2010, от 18.02.2010, МПК Н01Н 33/00. Осветитель используют для освещения улиц, он содержит в качестве источника света мощные светодиоды, блок питания светодиодов, плафон и корпус-радиатор, выполненный из полого профиля в виде вертикальных ребер-решеток, светодиоды установлены на наружной поверхности корпуса и электрически связаны с блоком питания, а плафон установлен на наружной поверхности корпуса, закрывая светодиоды.
Как видно из приведенного описания, осветитель на светодиодах содержит корпус-радиатор, поверхность которого выполнена в виде вертикальных ребер-решеток. Изготовление такой поверхности представляет значительную технологическую трудность, а в процессе эксплуатации осветителя между ребрами-решетками уже за короткое время скапливается значительное количество мусора и пыли, что требует регулярной очистки осветителя и значительно осложняет его эксплуатацию.
Известен осветитель для улиц на светодиодах, изготавливаемый Компанией "Люмен Лайт" (Россия, г.Москва) «Уличный светодиодный светильник «Азимут-60», сайт consol/3-UAz60.html» 24.05.2012 г. Осветитель содержит металлический (в частности - алюминиевый) корпус в виде трубы, в полости которой установлен драйвер. На противоположных сторонах этого корпуса прямо против полости трубы жестко закреплены две одинаковые плоскопараллельные пластины, расположенные таким образом, чтобы их боковые края соединялись между собой прямо против полости этой трубы, а сами пластины находятся в одной плоскости, расположенной ортогонально диаметру этой трубы. На каждой пластине на одной из сторон установлены светодиоды со световой отдачей 112 люмен/Вт каждый и платы с электрической схемой питания светодиодов, причем, все эти светодиоды установлены по известной технологии, обеспечивающей передачу тепла от светодиода через слой теплопроводящего вещества на корпус. Все светодиоды во время работы создают световой поток в 6000 люменов и потребляют при этом электроэнергию мощностью 60 Вт. На стороне каждой из пластин без светодиодов выполнены ребра, расположенные вдоль корпуса осветителя взаимно параллельно друг другу и равномерно разнесенные но плоскости этой пластины. Из-за наличия ребер и пластин осветитель имеет большие массогабаритные характеристики, сложен в изготовлении и неудобен в эксплуатации - на пластинах между указанными ребрами со временем набираются мусор и грязь, которые существенно снижают теплоотдачу корпуса и поэтому их необходимо регулярно вычищать.
Ближайшим из известных является светодиодный уличный светильник "СВЕТЕКО" марки SVETECO-96/10752/120, изготавливаемый компанией ООО "Ледел" - Россия, Республика Татарстан, г.Казань, сайт  03.04.2012 г.
Светильник содержит сплошной алюминиевый корпус, в теле которого выполнены две сквозные полости, имеющие форму трубы и расположенные вдоль корпуса параллельно друг другу. На корпусе с одной его стороны закреплены три алюминиевых пластины, имеющие форму линейки, на каждой из этих пластин установлены в один ряд светодиоды, причем, все эти светодиоды установлены по известной технологии, обеспечивающей передачу тепла от светодиода через слой теплопроводящего вещества на корпус. Алюминиевые пластины плотно прикреплены к корпусу осветителя стороной без светодиодов, все они расположены так, чтобы установленные на них светодиоды находились в одной плоскости, а их светоизлучающие окна были направлены в противоположную от корпуса сторону. На поверхности корпуса светильника со стороны, где нет светодиодов, установлен драйвер и выполнены металлические ребра, равномерно разнесенные по этой поверхности, что создает высокую площадь теплоотвода от светодиодов. Из-за наличия ребер светильник имеет большие весогабаритные характеристики, сложен в изготовлении и неудобен в эксплуатации - между ребрами со временем набираются мусор и грязь, которые существенно снижают теплоотдачу корпуса, регулярного вычищения.
Задача полезной модели - упрощение и снижение себестоимости светильника при изготовлении и эксплуатации.
Поставленную задачу решает осветитель со светодиодами для улиц, содержащий корпус из алюминиевого сплава, представляющий полую трубу с поперечным сечением в виде полукольца и плоским основанием, равным диаметру трубы и толщиной 3-10 мм. На внутренней поверхности корпуса выполнено посадочное место, на котором закреплен драйвер. На внешней стороне плоского основания расположены платы с электрической схемой питания и светодиодами, отражатели и плафон, выполненный из листового светопрозрачного материала выпуклым по отношению к плоскому основанию корпуса, радиус полукольца R и длина L корпуса определяются из соотношения
,
-3
2
где µ=1×10 м/Вт,
c
Т
η=η/η,
η - световая отдача используемых светодиодов,
Т
η - предельно возможная (теоретически обоснованная) световая отдача светодиода, равная 250 лм/Вт,
ПРА
η - кпд драйвера,
с
P - мощность, потребляемая системой светодиодов, Вт.
На фиг.1 показана схема поперечного сечения осветителя. Осветитель со светодиодами для улиц содержит корпус 1 из алюминиевого сплава, представляющий полую трубу с поперечным сечением в виде полукольца и плоским основанием 2, равным диаметру трубы и толщиной 3-10 мм. На внутренней поверхности корпуса выполнено посадочное место, на котором закреплен драйвер 3. На внешней стороне плоского основания 2 расположены платы с электрической схемой питания и светодиодами 4, отражателями 5. К корпусу 1 крепится плафон 6, выполненный из листового светопрозрачного материала выпуклым по отношению к плоскому основанию корпуса. Радиус полукольца R и длина L корпуса определяются из соотношения
,
-3
2
где µ=1×10 м/Вт,
c
Т
η=η/η,
η - световая отдача используемых светодиодов,
Т
η - предельно возможная (теоретически обоснованная) световая отдача светодиода, равная 250 лм/Вт,
ПРА
η - кпд драйвера,
с
P - мощность, потребляемая системой светодиодов, Вт.
Как известно, тепло, выделяемое светодиодами и драйвером, отводят через стенки корпуса на его поверхность, она должна быть достаточно большой. Проведенные ранее исследования показывают, что при подаче на осветитель электрической энергии мощностью более 70 Вт выделяется такое количество тепла, при котором на корпусе осветителя необходимо делать ребра для увеличения площади обмена со средой.
Проанализированный процесс перехода в тепло электрической энергии, поступающей на светодиоды, показал, что в случае применения современных светодиодов с высокой световой отдачей в тепло переходит не более 50% электрической энергии, а остальная ее часть переходит в световой поток и рассеивается в пространстве без нагревания объема, в котором расположены светодиоды. Расчетным путем и путем компьютерного моделирования установлено, что при подаче на светодиоды с драйвером электрической энергии мощностью выше 70 Вт для эффективного отвода тепла необходимо, чтобы геометрические размеры корпуса светильника находились в определенном соотношении, а именно - соотношением внешнего радиуса R и длиной L этого корпуса.
Тепловое сопротивление теплопроводящего элемента - в нашем случае стенок корпуса осветителя - определяет разность температур, возникающую между тепловыделяющим элементом или системой тепловыделяющих элементов - в нашем случае системой светодиодов - и средой, окружающей систему тепловыделяющих элементов
рад
срелы
где ΔT - разность температур окружающей среды и средней температуры радиатора ΔT=(T-T),
в
P - мощность, выделяемая системой тепловыделяющих элементов.
Тепловое сопротивление при конвективном теплообмене определяется выражением
2
где α - коэффициент теплоотдачи, выраженный в единицах Вт/(мК),
P
2
S - площадь корпуса светильника, выраженная в м.
в
p
P
в
Из выражений (1) и (2) следует ΔT/P=1/(α×S). Отсюда S=P/(α×ΔT) (3)
c
c
в
из
из
с
с
в
с
т
с
т
Если Р - мощность, потребляемая системой светодиодов излучения, то Р=Р+Р, где Р - мощность светового излучения. В зависимости от световой отдачи η=Ф/Р (лм/Вт), где Ф - световой поток, излучаемой системой светодиодов, мощность Р=(1-η/η)×Р, где η - предельно возможная, теоретически обоснованная световая отдача светодиода, равная 250 лм/Вт (Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. Под ред. А.Э.Юновича - 2-е издание. - М. ФИЗМАТ ЛИТ, 2008. - 496 с). Тогда:
Типовое значение ΔT не должно превышать 30°С, тогда:
T
c
c
R=30/((1-η/250)×P)
2
2
При естественной конвекции коэффициент теплоотдачи а находится в пределах от 6 до 10 Вт/(мК). Обычно при предварительных расчетах выбирается α=10 Вт/мК.
В соответствии с фиг.1 поверхность корпуса, через которую осуществляется конвективный теплообмен, можно аппроксимировать полуцилиндрической поверхностью. Тогда эта площадь будет примерно равна
где R - радиус трубы, L - длина трубы
Из (4) и (5):
c
c
(1η/250)×P/(α×ΔT)=π×R×L.
Отсюда:
c
c
R×L=(1-η/250)×P/(α×ΔT)/π
или, подставляя данные
c
c
R×L=(1-η/250)×P/(10×ΔT×π) или
пра
с
Чтобы учесть мощность, выделяемую пускорегулирующей аппаратурой - драйвером, необходимо добавить к мощности, потребляемой световой частью светильника, величину, равную (1-η)×Р,
пра
где η - КПД пускорегулирующей аппаратуры. Тогда:
Приведенные выше расчеты подтверждаются компьютерным моделированием и экспериментальными данными.
Такая конструкция корпуса осветителя существенно упрощает технологию его изготовления, поскольку все металлические детали могут изготавливаться методом экструзии, существенно упрощает его эксплуатацию - на поверхности корпуса не собирается грязь и мусор, которые требуется регулярно вычищать. Кроме того, используя полученное выражение, можно рассчитать длину корпуса для данного его поперечного сечения для любой потребляемой светильником мощности.