Светильник светодиодный с теплоотводящим корпусом
LED LAMP WITH HEAT-DISSIPATING BODY

Изобретение относится к области светотехники, а именно к осветительным устройствам для неподвижной установки с использованием полупроводников точечных источников света (светодиодов), и может найти применение при использовании в биотехносистемах типа Синерготрон для освещения проращиваемых растений.
Известен светильник светодиодный, содержащий как минимум один светодиод, теплоотводящее основание, радиатор отвода тепла, который выполнен из набора пластин трапецеидальной или П-образной формы, контактирующих одна с другой плоской горизонтальной частью, длина горизонтальной части каждой последующей по мере приближения к светодиоду пластины радиатора больше предыдущей, а их концы загнуты в сторону, противоположную от теплоотводящего основания, при этом теплоотводящее основание размещено под радиатором отвода тепла (Патент РФ №2511564 опубликован 10.04.2014, Бюл. 10, МПК F21V 29/00, H01L 33/64).
2
2
Недостатками такого светильника являются его малая единичная мощность и низкий коэффициент теплоотдачи тепла к воздуху α в условиях естественной конвекции с обдувом при скорости воздуха до 1 м/с - от 10 до 20 Вт/(м⋅K), так как воздух обладает плохой теплопроводностью.
Известен также светодиодный прожектор, характеризующийся тем, что каждый из светодиодов установлен с возможностью теплового контакта с торцевой поверхностью одного из одинаково направленных и электрически изолированных теплопроводных стержней, боковая поверхность которых снабжена продольными ребрами, образующими открытые воздуховодные каналы. Он снабжен также средством принудительной вентиляции, установленным с возможностью направления потока воздуха вдоль поверхности воздуховодных каналов (Патент РФ №2531367, опубликован 20.10.2014, Бюл. №29, МПК F2L 2/00).
2
2
Недостатками светодиодного прожектора является низкий коэффициент теплоотдачи тепла к воздуху α в условиях принудительной конвекции при обдуве каналов до 5 м/с воздухом - до 30 Вт/(м⋅K), так как воздух обладает плохой теплопроводностью.
Известно светодиодное осветительное устройство, содержащее: осветительную секцию, имеющую подложку, с множеством, установленных на ней светоизлучающих диодных (СИД) элементов, и установочную плиту, которая поддерживает подложку; и охладительную секцию, которая поддерживает и охлаждает установочную плиту, при этом охладительная секция содержит: охлаждающий цилиндр с одним закрытым концом и другим концом, закрытым установочной плитой; и охлаждающую жидкость, заполняющую охлаждающий цилиндр; при этом установочная плита имеет одну поверхность в направлении по ее толщине, служащую в качестве установочной поверхности, на которой закреплена подложка, и другую поверхность в направлении по ее толщине, служащую в качестве задней поверхности.
7
Установочная плита также имеет: множество отдельных выемок, каждая из которых вогнута в направлении установочной поверхности, сформированных в виде сотовой структуры на всей задней поверхности, расположенной в пределах охлаждающего цилиндра; нижнюю поверхность, расположенную между соответствующими нижними поверхностями множества выемок и установочной поверхностью; и боковую поверхность, расположенную между смежными выемками из множества выемок, проходящую над установочной поверхностью и задней поверхностью, и разделяющую множество выемок. При этом, одна часть боковой поверхности расположена по внешней периферии задней поверхности, а другая часть боковой поверхности расположена по центру задней поверхности в пределах охлаждающего цилиндра, соединенные вместе, высота боковой поверхности от нижней поверхности выемок выполнена большей, чем толщина нижней поверхности, и имеет размер, достаточный для обеспечения жесткости установочной плиты, предотвращающей ее деформацию от давления пара охлаждающей жидкости, действующей на установочную плиту, или от вакуумного состояния или пониженного давления, приближенного к вакууму, когда охлаждающая жидкость поступает в охлаждающий цилиндр, и каждый из СИД элементов расположен на подложке так, что находится в пределах контура выемки, противоположной к данному СИД элементу через установочную плиту, если смотреть в направлении толщины установочной плиты (Патент РФ №2616097, опубликован 12.04.2017, Бюл. №11 МПК F21V 29/00).
1
2
2
2
2
Недостатками такого светодиодного осветительного устройства является несбалансированность тепловых потоков по всем стадиям теплоотвода в окружающую среду: первичный интенсивный отбор тепла жидкостью в замкнутом малом объеме от подложки с излучающими светодиодами с коэффициентом восприятия тепла α более 500 Вт/(м⋅K), далее завершается передачей этого количества тепла воздушной окружающей среде с коэффициентом теплоотдачи α в условиях естественной конвекции до 10 Вт/(м⋅K), так как воздух обладает плохой теплопроводностью. При этом общий расчетный коэффициент теплопередачи К этого устройства без принудительного обдува воздухом не превышает 11 Вт/(м⋅K), незначительно отличаясь от прямой теплоотдачи в воздух при обычном металлическом (алюминиевом) радиаторе. Конструкция светильника в сравнении столь малых достигнутых результатов теплоотвода неоправданно усложнена.
Наиболее близким техническим решением является светодиодный светильник, где в качестве корпуса-радиатора теплоотводящего тянутого профиля, в поперечном сечении П-образной формы с основанием, выполненным в виде пластины, на поверхности которой имеются продольные элементы U-образной формы, к тому же, со стороны верхней поверхности основания, по бокам, выполнены вертикальные элементы F-образной формы, направленные пазами друг к другу, а в качестве боковых стенок профиля представлены элементы, образованные замкнутыми контурами прямоугольного сечения, выполнением источников света в виде нескольких линий монтажных плат с некоторым количеством светодиодов на каждой, выполнением защитного экрана плоской формы, выполнением торцевых крышек с внутренней частью, повторяющей сечение корпуса, обеспечивающей плотное прилегание к корпусу (Патент РФ №2513033, опубликованный 20.04.2014, Бюл. №1, МПК F21S 8/00).
ст
2
2
2
Недостатки устройства-прототипа: тепло, воспринятое кондуктивно от светодиодного источника излучения металлическим каркасом с λ в диапазоне 130-209 Вт/(м⋅K), передается далее воздушной среде с коэффициентом теплоотдачи α в условиях естественной конвекции до 10 Вт/(м⋅K), что ограничивает допустимую единичную мощность светильника.
Технический результат, на решение которой направлено изобретение: усиление интенсивности теплоотвода от мощных светодиодов, повышение светоотдачи каждого светодиода, увеличение единичной мощности светодиодного светильника, технологичность и взаимозаменяемость светодиодных модулей и блоков, а также управляющей электроники на теплоотводящем корпусе-радиаторе.
Техническое решение заключается в том, что светодиодный светильник содержит корпус-радиатор теплоотводящего профиля, в котором используется тонкостенная алюминиевая/медная труба прямоугольного сечения, выполненная по площади светильника в виде зигзага/меандра, с поворотами трубы на 180° в конце каждого длинного участка светильника, внутреннее пространство которой заполнено протекающей охлаждающей жидкостью-теплоносителем, а в узких продольных просветах между соседними наружными участками трубы в зигзаге/меандре расположены элементы крепления, проходящие сквозь них и соединяющие светодиодные платы на металлической подложке, источники электропитания со стабилизаторами тока и платы с управляющей электроникой, которые прижимают к тепловоспринимающей плоскости зигзага/меандра с одной стороны корпуса-радиатора платы с тепловыделяющими светодиодами, а с противоположной плоскости фиксируют и прижимают к корпусу-радиатору тепловыделяющие источники питания и плату с электронными элементами управления светильником.
Устройство состоит из корпуса-радиатора 1 (фиг. 1), выполненного зигзагообразно/меандром из алюминиевых труб прямоугольного сечения таким образом, что длинные стороны периметра каждой трубы образуют суммарно верхнюю и нижнюю тепловоспринимающие плоскости, а короткие стороны периметров труб снаружи формируют между ними продольные щели для возможности прохода элементов крепления перпендикулярно общей плоскости. К корпусу-радиатору приварены штуцера 2 на входе и выходе из него для присоединения к внешней жидкостной магистрали, с отводом отепленной жидкости-теплоносителя от светильника. На штуцере входа потока жидкости смонтирован запирающий клапан 3 и дроссель регулирования проходящего потока 4. К нижней плоскости корпуса-радиатора плотно притянуты крепежными элементами 5, проходящими сквозь его продольные щели, съемные печатные платы планарной структуры 6 на металлической подложке с размещенными на них тепловыделяющими точечными источниками света - светодиодами 7 (фиг. 2). Платы закрыты общим светопрозрачным экраном 8. К верхней плоскости корпуса-радиатора 1 плотно прилегают монтируемые на нее с использованием крепежных элементов 5 платы 9 с источниками электропитания со стабилизаторами тока и платы 10 управления светильником. На плате 10 посредством электронной сборки размещены беспроводные модемы 11 для дистанционного управления работой светодиодов, снабженных идентификационными номерами, а также контроллер 12, управляющий интенсивностью свечения светодиодов и их включением-выключением.
Печатные платы 6 допускают замену их на другие аналогичные по площади, но с иным спектром излучения светодиодов 7 и подводимой электрической мощности, что влечет за собой замену плат с источниками электропитания 9 и платы управления светильником 10.
2
Устройство работает следующим образом. При включении светильника с подачей на источники электропитания 9 соответствующего токового напряжения с его стабилизацией, одновременно происходит срабатывание электропривода запирающего клапана 3, после чего теплоноситель-жидкость начинает поступать внутрь корпуса-радиатора. Дросселем 4 регулируют поток жидкости таким образом, чтобы ее температура на выходе не превышала 50°С. Начинают излучать свет и, соответственно, нагреваться светодиоды 7 с печатными платами 6 на металлической подложке, источники электропитания 9 и электронные элементы 11 и 12 с платой управления светильником. Выделяемое ими тепло (до 70% от поданной к светильнику электрической мощности, остальная мощность уходит в пространство в виде лучистой энергии ультрафиолетового, светового и инфракрасного диапазона) передается охлаждающей жидкости-теплоносителю кондуктивным путем вследствие плотного соприкосновения разогретых элементов с верхней и нижней поверхностями корпуса-радиатора 1 через тонкую алюминиевую стенку с К=180-200 Вт/(м⋅K), которая выводит тепловую энергию за пределы светильника. Температуру жидкого теплоносителя регулируют программно, что обеспечивает максимальную световую отдачу от светодиодов и долговечность их службы.
Таким образом, мощный светодиодный светильник при подведенной к нему электрической мощности 1,5 кВт выделяет в окружающее пространство примерно 0,5 кВт используемой лучистой энергии для целей освещения, а 1 кВт превращается в тепло и выводится с теплоносителем-жидкостью из корпуса-радиатора. При температуре жидкости на входе 20°С и на выходе 50°С ее расход для указанного светильника составляет примерно 25 л/час. При этом, температура излучающих светодиодов, элементов питания и управляющей электроники не превышает 55°С, что является благоприятным режимом для продолжительной работы всего светильника в течение многих лет.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков отличительной части формулы изобретения обеспечивает заявленному светильнику возможность существенного увеличения на неизменном корпусе-радиаторе единичной световой мощности с одновременным улучшением его эксплуатационных свойств за счет усиления интенсивности теплоотвода. Другими положительными отличительными признаками от прототипа являются технологичность и взаимозаменяемость светодиодных модулей и блоков, а также управляющей электроники на теплоотводящем корпусе. Это позволяет утверждать о возможности решения с использованием предложенного устройства различных функциональных задач для создания экологически безопасного светового климата в жилых помещениях и широкого использования в теплицах и различных агробиотехносистемах открытого и закрытого типа как фитотроны и синерготроны.