СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК С КОНВЕКТИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к области светотехники, в частности к долговечным осветительным устройствам, которые используют в качестве источника света светоизлучающие диоды, радиатор как составную часть конструкции светильника, и может быть использована для промышленного, уличного и бытового освещения.
В светотехнике все большее распространение получают светильники на светодиодах, которые имеют высокую степень защиты от воздействия окружающей среды и предназначены для эксплуатации как на открытом пространстве, например, для уличного освещения населенных пунктов, дорог, производств и в закрытых помещениях. Помимо высокой световой отдачи, малого энергопотребления, светодиоды обладают следующими отличительными характеристиками. Благодаря нетепловой природе излучения светодиодов они обеспечивают высокий срок службы светильника, низкое подающее напряжение, гарантируют высокий уровень безопасности, безынерционность.
Однако светоизлучающие диоды предъявляют повышенные требования к тепловому режиму их полупроводниковых структур.
Известен светодиодный светильник (патент РФ на полезную модель №85784, МПК Н05В 37/02, дата публикации 10.08.2009), содержащий в качестве источника света светодиоды, подключенные кабелем к модулю питания, оптически прозрачный рассеиватель, корпус, выполненный из полого профиля из алюминиевого сплава.
Недостатком полезной модели является использование в конструкции панелей из алюминиевого сплава, которые закрывают оба торца корпуса, что как следствие снижает эффективность теплоотвода.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является светодиодный светильник с высокоэффективным конвекционным охлаждением (патент РФ на изобретение №2433577, МПК Н05В 33/00. дата публикации 10.11.2011), содержащий в качестве источника света светодиоды, установленные на наружной поверхности корпуса-радиатора и подключенные гибким кабелем к блоку питания, корпус-радиатор выполнен из теплопроводящего материала.
Недостатком известного светодиодного светильника является неэффективное использование светоизлучающей поверхности вследствие монтажа светодиодов по периметру кольца на торце вертикального полого корпуса-радиатора, а также ухудшение теплового режима светодиодов при увеличении количества последних вследствие их близкого взаимного расположения, а также неэффективный теплоотвод от радиатора вследствие большого периметра сечения радиатора и малой длины ребер.
Технической задачей настоящей полезной модели является повышение световых характеристик светодиодного светильника, за счет оптимального использования светорассеивающей поверхности, улучшения теплового режима светоизлучающих диодов, уменьшения температурных напряжений в конструкции светильника, повышения эффективности теплоотвода с одновременным улучшением эксплуатационных и массогабаритных характеристик.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении данной полезной модели, заключается в повышении световых характеристик светодиодного светильника, в обеспечении стабильной работы в широком диапазоне рабочих температур, в оптимизации массогабаритных характеристик светодиодного светильника, уменьшении затрат на изготовление и обслуживание.
Поставленная задача решается следующим образом.
В известном светодиодном светильнике, содержащем в качестве источника света светоизлучающий диод, подключенный к источнику питания гибким кабелем, радиатор, светоизлучающий диод установлен на конце круглого стержня из высокотеплопроводного материала, на втором конце стержня установлено основание радиатора с развитой поверхностью, внутри стержня выполнена герметичная полость, частично заполненная жидким теплоносителем.
Для создания светильника с высоким световым потоком используются несколько светоизлучающих диодов, которые монтируются на наружной поверхности герметичного корпуса, жестко соединенного со стержнем; полость герметичного корпуса заполнена жидким теплоносителем; внутреннее пространство корпуса соединено с полостью стержня.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим.
В полость стержня заливается жидкий теплоноситель. Затем стержень нагревается до температуры кипения жидкости. Жидкость испаряется, и ее пары выходят из капилляра, увлекая и остатки воздуха из полости. Когда по результатам взвешивания количество жидкости в полости стержня испаряется до нужного уровня, капилляр пережимают, нагрев прекращают. Затем капилляр запаивается. После остывания в полости создается давление много ниже атмосферного (примерно 0,05 атм), а температура кипения жидкости составит 20÷30°С. Описанный процесс подготовки стержня к использованию позволяет удалить из герметичной полости стержня воздух, наличие которого ухудшает процессы теплообмена внутри стержня. После выполнения указанных выше операций в полости теплопроводного стержня теплоноситель находится частично в сконденсированном состоянии, частично в парах.
Использование в светодиодном светильнике теплоносителя, находящегося частично в жидком состоянии, обеспечивает эффективный отвод тепла от светоизлучающего диода, что позволит улучшить тепловой режим светодиода. Процесс теплоотвода внутри стержня происходит при незначительном перепаде температур, при этом обеспечивается изотермичность стержня, в результате чего уменьшаются температурные напряжения в конструкции светильника. Использование герметичного корпуса, заполненного жидким теплоносителем, позволяет установить на его наружной поверхности несколько светоизлучающих диодов, при этом эффективность теплоотвода от светодиодов не снижается, эффективность использования площади поверхности корпуса увеличивается.
4
2
2
Температура кипения теплоносителя примерно равна температуре эксплуатации среды. Процессы кипения и конденсации отличаются очень высокой интенсивностью, при этом коэффициенты теплообмена достигают 4·10 Вт/(м·К), что существенно выше, чем, например, естественная конвекция в воздухе (5÷10 Вт/м·К). При нагреве нижнего конца стержня, жидкость начнет испаряться, ее пары поступают вверх и конденсируются на охлаждаемом конце трубки. На другом конце стержня установлено основание радиатора, на котором закреплена развитая поверхность. Тепловая мощность от светодиода передается через стержень к основанию радиатора, а затем конвекцией передается воздуху в пространстве близкого к радиатору и излучением к окружающим поверхностям.
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, где изображен светильник со стержнем с полостью с теплоносителем, частично находящимся в жидком состоянии и фиг.2, где представлен светильник со светодиодами, установленными на наружной поверхности герметичного корпуса, заполненного жидким теплоносителем; внутреннее пространство корпуса соединено с полостью стержня.
Светодиодный светильник с конвективным охлаждением содержит светоизлучающий диод 1, подключенный к источнику питания гибким кабелем (на черт. не показан) и закрепленный на торце круглого стержня 2 из высокотеплопроводного материала, стержень имеет герметичную полость 3, заполняемую теплоносителем, на втором конце стержня закреплено основание 4 радиатора, на котором закреплена развитая поверхность 5.
Герметичная полость 3, заполнена теплоносителем, находящимся частично в жидком, частично - в газообразном состоянии.
На фиг.2 изображен светильник, в котором установлено несколько светодиодов 1 на наружной поверхности герметичного корпуса 6, заполненного жидким теплоносителем; внутреннее пространство корпуса соединено с полостью 3 стержня 2.
При работе светоизлучающих диодов 1 жидкость в полости 3 кипит, пары движутся в холодный конец стержня 2, где за счет конденсации теплота передается к основанию 4 радиатора и далее посредством развитой поверхности 5 (на фиг. представлена в виде ребер). - в окружающую среду.
При наличии герметичного корпуса 6, представленного на фиг.2, тепло от светоизлучающих диодов 1 передается жидкому теплоносителю внутри корпуса, далее к теплоносителю внутри герметичной полости 3 теплопроводного стержня 2, далее, за счет конденсации теплота передается к основанию 4 радиатора и далее, посредством развитой поверхности 5 (на фиг. представлена в виде ребер) - в окружающую среду.
2
Работу предлагаемого светодиодного светильника можно пояснить на примере использования в качестве светоизлучающего диода OCM-X006R01A производства фирмы «Optogan». Его излучающая поверхность имеет диаметр 12 мм, а контактная поверхность, которой он крепится к стержню, имеет вид прямоугольника размерами 14×16 мм. Светоизлучающий диод дает световой поток 680 лм, достаточный для освещения площади 10 м.
вн
ст
2
Общая мощность тепловыделений в светоизлучающем диоде составляет 5 Вт. Рабочая температура p-n-перехода не должна превышать 90°С при температуре окружающей среды 50°С. Тепловой поток от полупроводниковой структуры идет к контактной поверхности, причем перепад температуры между структурой и этой поверхностью ΔТ составляет 3 К. Величина коэффициента контактного теплообмена при тщательной обработке торца стержня и применении теплопроводной пасты в зоне контакта светоизлучающего диода и стержня может быть получена до 20 Вт/(м·К). В результате перепад температур между торцом стержня и контактной поверхностью диода будет приблизительно 1 К. Перепад температур на стержне ΔТ составит порядка 1 К.
общ
вн
конт
ст
рад
2
Если из общего перепада температур между кристаллом и средой ΔТ, равного 40 К, вычесть ΔТ, ΔТ, ΔТ, то радиатор должен рассеивать 5 Вт при температурном напоре между основанием и средой ΔТ не более 30 К. Тепловое сопротивление радиатора не должно превышать 6 К/Вт. В условиях свободной конвекции коэффициент конвективного теплообмена на ребрах радиатора будет равен 7,8 Вт/м·К, и необходимое тепловое сопротивление будет обеспечено радиатором, у которого на кольцевом основании укреплены восемь ребер длиной 45 мм, толщиной 1 мм и высотой 30 мм, выполненных из сплава АМГ5.
Тепловое сопротивление стержня с герметичной полостью, заполненной теплоносителем практически перестает зависеть от его длины и теплоту от светоизлучающего диода можно передавать на большое расстояние, в рассматриваемом случае до 1 метра. Указанное свойство позволит увеличить площадь основания радиатора, и, как следствие, улучшить теплоотвод.
В качестве примера конкретного выполнения предлагается светодиодный светильник, в котором для изготовления стержня используется тонкостенная трубка с припаянным фланцем для установки светоизлучающего диода, на другом конце трубки припаивается пробка с проходящей через нее капиллярной медной трубкой. Через эту трубку в полость заливается жидкий теплоноситель (например вода, этанол, трифтортрихлорэтан, перфтортриэтиламин). Для крепления в зоне контакта светоизлучающего диода и стержня примененяется теплопроводная паста, например КПТ-8.
Стержень можно изготовить из алюминиевого сплава с теплопроводностью 120÷220 Вт/(м·К), меди с теплопроводностью 380 Вт/(м·К) углерод-углеродной композиции с теплопроводностью 200÷250 Вт/(м·К), а также из теплорассеивающей пластмассы, что повышает технологичность изготовления.
В конструкции радиатора можно использовать различные виды развитой поверхности: ребристая, игольчато-штырьевая, типа «краб», жалюзийная, петельно-проволочная, что обеспечивает унификацию изделия и снижает себестоимость, а также позволять выбрать наиболее оптимальный вид развитой поверхности.
Герметичный корпус, используемый для установки нескольких светоизлучающих диодов, можно изготовить из алюминиевого сплава с теплопроводностью 120÷220 Вт/(м·К), меди с теплопроводностью 380 Вт/(м·К) углерод-углеродной композиции с теплопроводностью 200÷250 Вт/(м·К). Форма плоскости корпуса, используемая для крепления светоизлучающих диодов, может быть различной: круглой, квадратной, прямоугольной и т.д. Толщина внутреннего пространства герметичного корпуса не превышает 10 мм.
В заявляемой конструкции полезной модели достигается наиболее эффективное использование светорассеивающей поверхности, большая площадь радиатора при меньшей поверхности основания, а также снижение температурных напряжений.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемой полезной модели состоит в улучшении эксплуатационных и массогабаритных характеристик, снижение себестоимости и капитальных затрат.