Светодиодная лампа с охлаждением тепловой трубой
LED LAMP WITH HEAT PIPE COOLING

Изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к компактным светодиодным (СД) лампам с объемным СД-модулем на мощных светодиодах, требующих охлаждения при эксплуатации, со встроенными в арматуру лампы или вынесенными из нее электронным преобразователем питающей сети и/или средствами управления светом.
Подобные лампы мощностью до 400 Вт и более предназначены для замены газоразрядных ламп (ГРЛ) высокого давления серий ДРЛ, ДРИ, ДНаТ с громоздкой пускорегулирующей аппаратурой, имеющих недостаточную светоотдачу и срок службы, неудовлетворительное качество света, низкие экологические показатели из-за использования ртути, а также достаточно высокую стоимость.
Известно, что повышение мощности и минимизация габаритов компактных ламп возможны при использовании объемных СД-модулей [1] и более эффективных средств охлаждения, в том числе применения принудительного охлаждения электровентилятором [2] или охлаждения тепловой трубой [3] с жидким двухфазным теплоносителем с температурой гашения, близкой к минимально допустимой температуре эксплуатации р-n структур светодиодов.
Использование тепловой трубы (ТТ) в арматуре мощных СД-ламп наряду с повышением эффективности охлаждения и надежности позволяет существенно уменьшить габариты радиатора и СД-модуля за счет более плотного монтажа светодиодов и значительного повышения теплопередачи.
3
2
2
Теплоотвод от СД-модуля к радиатору охлаждения возрастает до уровня 30-50⋅10 Вт/м⋅К по сравнению с теплопередачей в условиях свободной конвекции медной или алюминиевой арматуры (~10 Вт/м⋅К) за счет высокой эквивалентной теплопроводности, т.е. отношения передаваемого теплового потока к площади поперечного сечения ТТ и перепаду температуры на единице длины трубы [4, 5].
Наиболее эффективными средствами охлаждения СД-ламп в настоящее время обладает конструкция, предложенная в работе [3], где мощная СД-лампа выполнена с охлаждением объемного СД-модуля низкотемпературной ТТ, зона испарения которой установлена в тепловом контакте со стенками полости указанного модуля. При этом внутри оболочки ТТ расположен протяженный фитиль, примыкающий к ее стенкам, имеющий капиллярную структуру, смоченный частично заполняющим трубу жидким двухфазным теплоносителем, испарение, транспортирование и конденсация которого в зоне охлаждения пара в трубе с оребрением обеспечивает отвод тепла в условиях свободной конвекции. Торцевая оребренная часть оболочки ТТ сопряжена со стандартным цоколем лампы.
Недостатки прототипа обусловлены прежде всего тем, что эксплуатация лампы затруднительна или невозможна в герметичных, с высокой степенью защиты и невентилируемых световых приборах, лишенных эффективного теплообмена с окружающей средой, из-за трудностей организации сброса тепла в ограниченном пространстве корпуса прибора.
Кроме того, использование в лампе традиционного резьбового цоколя предусматривает применение стандартного патрона, что увеличивает габариты арматуры световых приборов с этими лампами, затрудняет организацию кондуктивного теплоотвода на корпус прибора.
Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения СД-лампы в том числе в герметичных, защищенных и невентилируемых световых приборах и улучшение эксплуатационных характеристик за счет упрощения монтажа лампы на объекте и процедуры замены тепловой трубы.
Поставленная цель достигается тем, что светодиодная лампа с охлаждением тепловой трубой, содержащая полый объемный СД-модуль, заключенный в светопропускающую колбу или без нее, тепловую трубу (ТТ) в оболочке с зонами испарения, транспортирования и конденсации пара жидкого двухфазного теплоносителя, установленную в полости СД-модуля и средства токоподвода и монтажа лампы на объекте, указанный СД-модуль выполнен из теплопроводного материала с горловиной с кольцевым опорным фланцем, несущим средства токоподвода и монтажа лампы на объекте, а в осевом канале горловины и полости СД-модуля установлена оболочка с зонами испарения и транспортирования пара жидкого двухфазного теплоносителя съемной ТТ в тепловом контакте с внутренними стенками СД-модуля и с выступающей из его горловины в окружающее пространство частью оболочки ТТ с зоной конденсации пара вышеуказанного теплоносителя для охлаждения в условиях свободной или вынужденной конвекции.
Цель достигается также тем, что установленные на опорном фланце горловины СД-модуля средства токоподвода выполнены в виде изолятора с микроразъемами и/или с соединителями, подключенными к СД-модулю, и с гибкими изолированными проводниками для подключения лампы к электронному преобразователю питающей сети и/или к средствам управления светом, вынесенным из лампы на объект.
Цель достигается и тем, что электронный преобразователь питающей сети и/или средства управления светом собраны в защищенном кольцевом отсеке на опорном фланце, окружающем горловину СД-модуля.
Поставленная задача решается и тем, что светопропускающая колба лампы установлена на кольцевом опорном фланце горловины СД-модуля или на крышке кольцевого отсека для электронного преобразователя питающей сети или средств управления светом.
Задача решается также тем, что средства монтажа лампы на объекте выполнены на кольцевом опорном фланце горловины СД-модуля в виде байонетных прорезей с винтовым пазом запирающего устройства для зацепления и механического крепления опорного фланца на плоской стенке объекта, имеющего отверстие для размещения с выводом съемной оболочки ТТ в окружающее пространство.
Достижению цели способствует и то, что оболочка зоны конденсации ТТ охвачена съемным радиатором охлаждения, установленным в тепловом контакте с ней и с возможностью герметичного соединения с плоской стенкой объекта при эксплуатации.
Решению задачи способствует также то, что горловина с опорным фланцем СД-модуля выполнена разъемной в части, примыкающей к транспортной зоне оболочки ТТ с герметичным соединением составных частей через кольцевое уплотнение, охватывающее также оболочку ТТ.
Цель достигается и тем, что внутри оболочки съемной ТТ установлен примыкающий к стенкам фитиль с капиллярной структурой, и она частично заполнена смачивающим фитиль жидким двухфазным теплоносителем с температурой кипения, не превышающей допустимую температуру эксплуатации светодиодов, собранных на СД-модуле.
Еще одним средством достижения цели является применение съемной безфитильной ТТ термосифонного типа с оболочкой, заполненной жидким двухфазным теплоносителем в объеме, не превышающем 33% от ее внутреннего объема.
Достижению цели способствует также то, что оболочка зоны испарения ТТ установлена в полости СД-модуля с горловиной скользящей посадкой на внутренних стенках, покрытых теплопроводной пастой, и удерживается в модуле по резьбе и/или кольцевой уплотняющей прокладкой.
Предпочтительные варианты исполнения СД-лампы с охлаждением ТТ показаны на чертежах.
На фиг. 1 - СД-лампа с охлаждением ТТ с объемным СД-модулем с горловиной и кольцевым опорным фланцем (в разобранном виде, частично в разрезе с поперечным сечением А-А). Здесь: а) объемный СД-модуль с опорным фланцем, б) ТТ с фитилем и жидким двухфазным теплоносителем.
На фиг. 2 - СД-лампа с охлаждением безфитильной ТТ (термосифоном) с жидким двухфазным теплоносителем. Вид сбоку, частично в разрезе.
Показанная на фиг. 1а, 1б и 2 мощная СД-лампа с охлаждением тепловой трубой (ТТ) выполнена с полым объемным СД-модулем из теплопроводного материала 1, цилиндрическая полость 2 которого служит для установки в тепловом контакте с боковыми стенками в условиях эксплуатации съемной тепловой трубы 3, оболочка 4 которой изготовлена из теплопроводного материала, например из меди, алюминия или сплавов на их основе. ТТ содержит стационарный или съемный радиатор 5 охлаждения части оболочки.
Полый объемный СД-модуль 1 выполнен с протяженной горловиной 6, продольная ось Z которой совпадает с продольной осью полого модуля, и с кольцевым опорным фланцем 7, несущим средства токоподвода и монтажа СД-модуля на объекте, содержащим гнездо с плоской стенкой 33 (фиг. 2) и осевым отверстием для размещения оболочки ТТ.
В качестве объектов для эксплуатации СД-ламп могут быть использованы уличные и промышленные светильники, специальные осветители, взрывозащищенные световые приборы, облучатели для выращивания растений.
Конфигурация опорного фланца 7 на горловине СД-модуля лампы может иметь другую форму, например, в виде звезды, треугольника или прямоугольного кронштейна для монтажа модуля на объекте преимущественно в тепловом контакте со стенкой гнезда корпуса этого объекта.
Горловина 6 СД-модуля выполнена со средствами механического удержания съемной ТТ 3 в цилиндрической полости 2 указанного модуля, в частности, за счет соединения ее по резьбе 8 и ответной резьбе 9 на части оболочки 4 ТТ.
Наружная поверхность полого объемного СД-модуля 1 имеет форму правильного многогранника, в частности в виде многоугольной прямой призмы 10, усеченной пирамиды и т.п., на плоских протяженных гранях которых установлены в тепловом контакте плоские СД-модули с металлизированным основанием (линейки), минимодули 11 или отдельные светодиоды 12, последовательно или параллельно-последовательно подключенные между собой и к средствам токоподвода, собранным на опорном фланце 7. Указанные средства токоподвода к СД-модулю выполнены в виде изолятора 13 с микроразъемами 14 (или соединителями, не показаны), подключенными к модулю и к гибким изолированным проводникам 15, подключаемыми к электронному преобразователю питающей сети и/или к средствам управления светом, вынесенным из лампы на объект.
Средства монтажа лампы на объекте выполнены на кольцевом опорном фланце 7 горловины СД-модуля в виде байонетных прорезей 16 с винтовым пазом запирающего устройства для зацепления и механического крепления опорного фланца на плоской стенке в гнезде объекта с использованием штифтов или винтов (фиг. 2).
В первом варианте исполнения мощной СД-лампы, показанной на фиг. 1а и 1б, в разобранном виде применена съемная ТТ 3 с фитилем 17, установленным в оболочке 4 трубы, частично заполненной жидким двухфазным теплоносителем с образованием зоны испарения 18, нагреваемой при эксплуатации выделяющими тепло светодиодами 12 модуля 1, транспортной (адиабатической) зоны 19, в которой перемещается пар теплоносителя (показано изогнутыми стрелками) в зону 20 охлаждения и конденсация этого пара в оболочке, охваченной радиатором 5 охлаждения, вынесенной из полости СД-модуля 2 через отверстие в стенке гнезда объекта, в котором установлена лампа.
Съемная ТТ устанавливается в горловине 6 СД-модуля после монтажа его на объекте таким образом, что часть ее оболочки, окружающая зону 20 конденсации пара теплоносителя, выступает из горловины и за пределы объекта в окружающее пространство для охлаждения в условиях свободной или вынужденной конвекции.
В последнем случае на объекте могут быть использованы средства вынужденного охлаждения радиатора ТТ (не показано).
На обращенной к стенке объекта торцевой части съемного радиатора 5 может быть установлено кольцевое уплотнение 21 для герметизации ТТ на объекте.
В качестве двухфазного теплоносителя в низкотемпературной ТТ целесообразно использовать дистиллированную воду, этиловый или метиловый спирт, фреоны, например фреон-30, фреон-113 и др., эксплуатируемые в трубе в режиме испарения и/или кипения в температурном интервале ~40-150°C, соответствующем режимам эксплуатации р-n структур, применяемых в лампах светодиодов.
Названные теплоносители обладают удовлетворительным смачиванием конструкционных материалов ТТ (фитиля и оболочки), не вызывают их коррозию при эксплуатации, имеют приемлемую скрытую теплоту парообразования и коэффициент теплопроводности в жидкой фазе.
В качестве фитиля с капилярной структурой, примыкающего к боковым стенкам ТТ для лампы (фиг. 1а и 1б), эксплуатируемой с произвольной ориентацией в пространстве с обеспечением ламинарного транспортирования жидкого теплоносителя в трубе (показано прямыми стрелками), могут быть использованы фитили на основе сетки из меди, нержавеющей стали, никеля и др., или из стеклоткани, пористой керамики.
Двухфазный теплоноситель и пористый с капилярной структурой фитиль 17 обеспечивают организацию и поддержание при эксплуатации испарительно-конденсационного процесса в ТТ с транспортированием противоположно направленных потоков горячего пара и конденсируемой жидкой фазы из зоны 18 испарения и/или кипения теплоносителя в зону 20 охлаждения и конденсацию его при произвольней ориентации лампы в пространстве, т.е. при воздействии гравитационных сил, когда транспортирование жидкости по фитилю происходит из положения зоны 18, располагаемой выше зоны 20 в пространстве.
Второй вариант исполнения мощной СД-лампы с охлаждением съемной безфитильной ТТ термосифонного типа 22 (фиг. 2) с оболочкой 23, заполненной жидким двухфазным теплоносителем 24, в объеме, не превышающем 33% от ее внутреннего объема, предназначен для эксплуатации лампы с ориентацией оболочки ТТ в пространстве, обеспечивающей воздействие гравитационных сил на возвращение конденсата 25 теплоносителя 24 из окруженной радиатором зоны 26 охлаждения трубы в зону 27 испарения и/или кипения его самотеком по стенкам оболочки 23.
Эта лампа со съемным термосифоном 22 с жидким двухфазным теплоносителем безфитильной ТТ, собранной в тепловом контакте со стенками полости СД-модуля 23 с горловиной 29 и с опорным фланцем 30 на ней, выполнена таким образом, что указанные горловина с фланцем отделены от СД-модуля, т.е. являются разъемными в части, примыкающей к транспортной зоне 31 оболочки ТТ с уплотненным соединением составных частей 28 и 29 через кольцевое уплотнение 32, охватывающее также стенки указанной оболочки ТТ.
Опорный фланец 30 горловины 29 аналогичен по конструкции лампе, показанной на фиг. 1а, сечение А-А, и установлен в тепловом контакте на плоской стенке 33 в гнезде 34 объекта с использовавшем штифтов или винтов 35 (фиг. 2).
Оболочка зоны испарения 27 съемной ТТ-термосифона установлена в полости разъемного СД-модуля 28 лампы скользящей посадкой на внутренних стенках, покрытых теплопроводной пастой 36, например пастой типа "силотерм ЭП-14 /кп 8/" ГОСТ 19783-74, и механически удерживается в модуле кольцевым уплотнением 32, сжимаемым составными частями 28 и 29 модуля по резьбе их соединяющей.
Наружная часть СД-модуля 28 имеет форму правильно усеченной пирамиды, на протяженных боковых гранях которой установлены в тепловом контакте СД-минимодули 37 с металлизированным основанием с мощными светодиодами 38.
На опорном фланце 30 горловины СД-модуля выполнен защищенный кольцевой отсек 39, окружающий горловину 29, для монтажа электронных компонентов преобразователя питающей сети 40 и/или средств управления светом, подключенных к вышеупомянутым СД-минимодулям 37 и к питающей сети гибкими изолированными проводниками 45.
Оболочка зоны 26 охлаждения и конденсации пара теплоносителя ТТ-термосифона 22 охвачена съемным (возможно стационарно собранным) радиатором 42 охлаждения, вынесенным из лампы за пределы плоской стенки 33 гнезда объекта и установленным в тепловом контакте с ней и с возможностью герметичного соединения через уплотнение на объекте при эксплуатации.
Разъемный СД-модуль 28, часть горловины 29 с кольцевым уплотнением 32 зоны их соединения, например, по резьбе 43 заключены в светопропускающую колбу 44, которая может быть выполнена со светорассеивающими стенками или с интегрированным в стенки или нанесенным на них дистанцированным люминофором, преобразующим большую часть коротковолнового излучения в белый свет при использовании, например, синих светодиодов 38, с обеспечением заданной цветовой температуры излучения лампы и рассеиванием его.
Колба 44 установлена на крышке 45 кольцевого отсека 39 для преобразователя (фиг. 2), но может быть собрана и уплотнена также на кольцевом опорном фланце 7 горловины 6 (фиг. 1а) с выведением через отверстие в нем гибких изолированных проводников 15 для подключения СД-модуля лампы к преобразователю питающей сети и/или к средствам управления светом, вынесенным из лампы на объект (не показано).
Разработанные мощные СД-лампы с охлаждением ТТ предусматривают выполнение СД-модулей на светодиодах мощностью 0,5-3 Вт белого или цветного свечения, например, серии ХI, аmр ХТ-Е, XP-E2, XM-I или XQ-E компании СRЕЕ. Успешно могут быть использованы отечественные светодиоды на платах холдинга "Светлана-Оптоэлектроника".
Предложенные варианты исполнения СД-ламп со съемными ТТ с вынесенными за пределы объекта охлаждения радиаторами, в том числе с ТТ термосифонного типа, имеющих более простую конструкцию за счет исключения фитиля, обладают высокой эффективностью охлаждения в результате организации комбинированного теплоотвода от СД-модуля на стеках оболочки ТТ и на стенках модуля и кольцевого опорного фланца за счет кондуктивной теплопередачи в гнезде на стенку объекта, а также за счет конвективного и радиационного теплообмена на вынесенном за пределы светового прибора радиатора охлаждения ТТ, что особенно важно при эксплуатации лампы в защищенных и невентилируемых приборах.
Существенным также является улучшение эксплуатационных характеристик в результате упрощения монтажа и замены СД-модуля в лампе, имеющего долговечность, уступающую сроку службы тепловой трубы.
Литература
1. В.В. Сысун. Состояние разработок компактных излучателей и ламп с удаленным люминофором. "Полупроводниковая светотехника", 2013, №6, с. 39-48.
2. C.Ю. Буланова, В.В. Сысун. Мощная светодиодная лампа с принудительным охлаждением. Пат. РФ №2577679, кл. F21S 8/00, опубл. 20.03.2016, Бюл. №8.
3. В.В. Сысун. Мощная светодиодная лампа с охлаждением. Пат. РФ 12568105, кл. F21S 8/00, F28D 15/04, опубл. 10.11.2015,Бюл. №31.
4. М.Г. Семена, А.Л. Гершуни, B.K. Заринов. Тепловые трубы с металло-волокнистыми капиллярными структурами. – Киев: ВИЩА ШКОЛА, 1984.
5. А.И. Исакеев, И.Г. Киселев, В.В. Филатов. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. - Л.: Энергоиздат, 1982, с. 13, 19.