СВЕТИЛЬНИК СВЕТОДИОДНЫЙ УЛИЧНЫЙ
STREET LIGHT-EMITTING DIODE ILLUMINATOR

Область техники
Изобретение относится к области светодиодных осветительных приборов и предназначено для использования в целях освещения преимущественно улиц, дорог, небольших незагруженных шоссе.
Уровень техники
Известен ряд решений светодиодных светильников, использующихся для освещения преимущественно улиц и крепящихся на трубу-консоль опоры освещения:
- RU 123495 U1, F21S 13/00, 25.05.2012;
- RU 122749 U1, F21S 13/00, 15.06.2012;
- RU 120190 U1, F21S 13/00, 10.02.2012;
- RU 109827 U1, F21S 8/00, 09.03.2010;
- EP 2206945 B1, F21S 8/00, F21V 29/00, F21K 99/00, 30.12.2008;
- RU 2473007 C1, F21V 19/00, 10.06.2011;
- RU 91617 U1, F21S 13/00, 27.10.2009;
- RU 125299 U1, F21S 13/10, 13.06.2012;
- RU 83587 U1, F21S 13/10, 20.01.2009;
- RU 117571 U1, F21S 4/00, 15.12.2011;
- RU 112340 U1, F21S 4/00, 11.08.2011;
- RU 83314 U1, F21S 4/00, F21V 14/00, 30.12.2008.
Все они отнесены к аналогам заявляемого изобретения. При этом наиболее близкими из аналогов являются решения:
- RU 109827 U1, F21S 8/00, 09.03.2010;
- RU 125299 U1, F21S 13/10, 13.06.2012;
- RU 83314 U1, F21S 4/00, F21V 14/00, 30.12.2008.
Они содержат минимум компонентов, корпус-радиатор здесь выполнен цельнолитым из теплопроводящего материала (как правило, алюминиевого сплава).
За прототип принят аналог - RU 83314 U1, F21S 4/00, F21V 14/00, 30.12.2008: корпус-радиатор-кронштейн с креплением на консоль опоры освещения. Недостатком устройства является повышенная материалоемкость при его применении на небольших улицах и подобных по характеру территориях с мощностью устройства в диапазоне от 70 до 150 Вт.
Указанный прибор справляется с задачей освещения, однако при его масштабировании в меньшую сторону (уменьшении величины светового потока за счет установки меньшего количества и меньшей мощности источников излучения) он становится менее экономически оправданным, поскольку в этом случае корпус-радиатор-кронштейн имеет избыточную поверхность рассеивания тепла, а следовательно, и массу, что с учетом его выполнения из теплопроводящего материала (алюминиевого сплава) делает его в разы дороже.
Технической задачей при разработке данного устройства являлась задача обеспечения требуемых условий освещения с минимальными затратами на материал, сборку изделия, его монтаж и эксплуатацию, что особенно актуально для устройств массового использования.
Сущность изобретения
Идея изобретения состоит в использовании внешних по отношению к изделию конструкций, а именно металлических консолей опор освещения, крепежных кронштейнов, для целей дополнительного отведения тепла от работающего устройства, т.е. фактически использование консолей опор освещения (крепежных кронштейнов) в качестве радиатора светильника. Опыт эксплуатации аналогичных устройств показывает, что часть тепла от светильника передается внешним конструкциям. Кроме того, в таких изделиях мощность светового потока, как правило, избыточна и больше нормы. Т.е. налицо потери, они сравнительно небольшие, однако при длительных сроках эксплуатации (а светодиодные приборы к ним относятся) потери достигают значительных величин. Следовательно, если подобрать близкое к оптимальному значение мощности светильника, то внешние конструкции будут играть существенную роль в рассеивании тепла и их можно рассматривать как часть светильника.
Приведем теплофизические свойства используемых материалов и внешнего вещества в таблице 1.
Таблица 1
Сталь
Алюминий
Разница в
Воздух
Коэффициент теплопроводности,Вт/(м·К)
43
200
4,7
0,026
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)
440
900
2,3
1005
Следовательно, сталь хуже проводит тепло, чем алюминий, в 4,7 раза, и чтобы нагреть единицу массы детали из стали на 1 градус нужно в 2,3 раза меньше тепла, чем для единицы массы детали из алюминия. Очевидно использование алюминия и сплавов на его основе в качестве радиаторов для световых приборов и не только для них. Однако консоли опор освещения выполнены из стали.
2
Рассмотрим распределение температур на стальной консоли Ø 48×3, L=1 м, к одному из концов которой приложена температура 60°C (начальный порог ограничения теплового режим работы светового прибора), что соответствует работе 20 Вт светодиодного уличного светильника. Наружная температура принята 18°C, режим ламинарный (в помещении). Коэффициент теплоотдачи стальной трубы h=13,81 Вт/м·К. Рассмотрим результаты моделирования (теоретический эксперимент): представленные графиком зависимости температуры по длине трубы консоли на рис. 1 и эпюрой распределения температур по трубе консоли на рис. 2.
Вывод: температура падает до комнатной уже через 20-25 см, т.е. работает только 1/5 часть трубы.
Если принять турбулентный режим (на улице), то коэффициент теплоотдачи стальной трубы будет в 2-2,5 раза больше, следовательно на улице с помощью консоли можно дополнительно «снимать» тепло от светового прибора 40-50 Вт.
Практический эксперимент:
Приведем результаты испытания окрашенной краской в три слоя стальной трубы наружным диаметром Ø48 мм с толщиной стенки 3 мм при следующих условиях.
Установка внутри помещения на расстоянии 0,5 м от пола горизонтально. Температура 18°C. Источник тепла - транзистор корпус ТО220 закреплен в двух см от конца трубы, термодатчик - так же, только на противоположной стенке трубы.
Нагрев трубы наблюдается на протяжении 40-50 см от источника тепла. Такая разница по сравнению с теоретическим экспериментом объясняется наличием краски, которая препятствует отдаче тепла (как изолятор) и труба прогревается по длине. Результаты измерений приведены в таблице 2.
Таблица 2
Подводимая мощность, Вт
20
18
16
14
12
10
8
Температура рядом с источником тепла, °C
61
59
56
54
49
43
40
Разница температур
43
41
38
36
31
25
22
Таким образом, в помещении ограничение по мощности светового прибора до 20 Вт (соответствует температуре 60°C). На улице - до 50 Вт.
Результаты испытания светильника 36 Вт, установленного на окрашенной трубе Ø48×3 в помещении, обнаруживают сходную картину. По показаниям тепловизора, температура корпуса светильника 55°C, температура на трубе в месте соединения со светильником 39-40°C и спадает на длине 50-60 см до комнатной. Из-за наличия краски «работает» собственно материал по длине консоли и, конечно же, сам корпус светильника - в сравнении с 1-ым практическим экспериментом, где 20 Вт подводились непосредственно к трубе.
Если принять мощность светового прибора 100 Вт, то тогда половину излучаемого тепла способны рассеять внешние конструкции. Следовательно, массу корпуса светового прибора можно снизить в 2 раза или изготовить не один, а два корпуса световых приборов с теми же затратами на материал, что с учетом стоимости сплавов на основе алюминия и массовости изделия приводит к существенной экономии. Конечно, поскольку теплофизические свойства стали менее выгодны по сравнению с алюминием (или подобным теплопроводным материалом), внешними конструкциями будет рассеиваться меньшая часть тепла. Кроме того, технический результат здесь проявляется при температуре окружающего воздуха 25-30°C, т.е. в жаркую погоду (при меньшей температуре корпус будет справляться с задачей теплорассеивания самостоятельно). Однако именно жаркая погода является граничным условием функционирования светильника.
Таким образом, наиболее актуально это для устройств с мощностью до 100 Вт. При большей мощности из-за разницы в теплопроводности стали и алюминия (ему подобных) эффект теряется, поскольку вклад внешних конструкций в общей картине становится незначительным.
Задача сводится к поиску наименьшей массы корпуса светильника и, как следствие, самого светильника с сохранением качества изделия и его эксплуатационных характеристик. Особую актуальность идея настоящего изобретения приобретает для уличных светильников, поскольку в подавляющем большинстве случаев они устанавливаются на консоль опоры освещения. Светильник может иметь следующую реализацию.
Корпус из теплопроводящего материала с установленным в нем световым(и) модулем(ями) с твердотельным(и) источником(ами) света и источником(ами) тока для их питания, который может быть размещен как внутри корпуса (на корпусе), так и за его пределами, например в консоли или в теле опоры. Корпус выполняется из профиля, литым, выштампованным или сборным из этих частей. Для более эффективного отвода тепла в корпусе могут выполняться прорези (отверстия) охлаждения. Для формирования полуширокой КСС (характерно для уличных светильников) часть световых модулей размещаются под наклоном по периферии корпуса. Возможно применение плафона, который для получения различных диаграмм направленности может иметь модульную оптику в виде линз сложной формы со смещением (без смещения) твердотельных полупроводниковых источников света относительно их фокуса, либо без него с заливкой компонентов компаундом. Световые(ой) модули(ь) содержат (содержит) хотя бы один твердотельный полупроводниковый источник света, в т.ч. и выполненный по технологии chip-on-board (чип на плате) или монохромные (в этом случае внутренняя поверхность плафонов покрыта люминофором, в результате чего монохромный свет преобразуется в белый). Крепление световых модулей осуществляется саморезами, винтами, теплопроводным клеем, теплопроводной клейкой лентой.
Технический результат: - повышение эффективности теплоотдачи с единицы массы светильника, Вт/кг;
- повышение эффективности светоотдачи, светотехнических характеристик, например светового потока с единицы массы светильника, Люмен/кг;
- снижение материалоемкости корпуса-радиатора-кронштейна, как следствие всего светильника.
Технический результат достигается:
- соотношением геометрической конфигурации, массы светильника и его мощности: масса светильника при мощности до 50 Вт не превышает 0,9 кг; масса светильника при мощности до 100 Вт не превышает 2 кг;
- возможным использованием теплопроводного материала между корпусной частью и консолью.
Перечень чертежей
Сущность одной из возможных реализаций изобретения поясняется следующими графическими материалами, представленными на фиг. 1-12:
Фиг. 1 - Светильник светодиодный уличный (вид в аксонометрии снизу);
Фиг. 2 - Светильник светодиодный уличный (вид спереди);
Фиг. 3 - Светильник светодиодный уличный (вид сбоку);
Фиг. 4 - Светильник светодиодный уличный (вид сверху);
Фиг. 5 - Светильник светодиодный уличный (вид снизу);
Фиг. 6 - Светильник светодиодный уличный (вид в аксонометрии снизу, плафоны условно не показаны);
Фиг. 7 - Корпус-радиатор-кронштейн светильника светодиодного уличного (вид в аксонометрии снизу);
Фиг. 8 - Светильник светодиодный уличный (вид в аксонометрии сверху);
Фиг. 9 - Светильник светодиодный уличный увеличенной мощности (вид в аксонометрии сверху);
Фиг. 10 - Светильник светодиодный уличный увеличенной мощности (вид в аксонометрии снизу);
Фиг. 11 - Светильник светодиодный уличный (вид в аксонометрии снизу, иллюстрация);
Фиг. 12 - Светильник светодиодный уличный увеличенной мощности (вид в аксонометрии сверху, иллюстрация).
Перечень позиций, указанных на фигурах
1 - Корпус-радиатор-кронштейн (корпус) светильника;
1-1 - Центральный отсек корпуса светильника;
1-2 - Опорная площадка центрального светового модуля светильника;
1-3 - Ниша для установки периферийных световых модулей светильника;
1-4 - Отверстие для проводки питающих проводов периферийных световых модулей;
1-5 - Кронштейн корпуса светильника;
1-6 - Конструктивный элемент для фиксации светильника на консоли;
1-7 - Внутренняя полость кронштейна корпуса светильника;
1-8 - Периферийный отсек корпуса;
2 - Источник питания;
3 - Центральный световой модуль светильника;
4 - Периферийный световой модуль светильника;
5 - Центральный плафон светильника;
6 - Периферийный плафон светильника;
6-1 - Линза модульной оптики периферийного плафона светильника.
Осуществление изобретения
Одна из возможных реализаций светильника осуществляется и работает следующим образом.
В центральный отсек 1-1 корпуса-радиатора-кронштейна 1 устанавливаются источники питания 2. Далее осуществляется монтаж световых модулей: центрального 3 - по опорной площадке 1-2, периферийных 4 - в ниши 1-3 периферийных светоизлучающих отсеков, при этом питающие провода для этих модулей подаются через отверстия 1-4. Наличие периферийных отсеков обусловлено полуширокой КСС. Светильник герметизируется двумя периферийными плафонами 6 и центральным 5, имеющими линзы модульной оптики для формирования различных КСС. Монтаж светильника осуществляется на консоль опоры освещения посредством кронштейна 1-5, фиксация производится болтами по конструктивным элементам 1-6. Предварительно на внутреннюю полость кронштейна 1-7 может наноситься теплопроводящий материал (термопаста, теплопроводные смазки и т.д.), уменьшающий тепловое сопротивление на границе корпус-консоль. При работе светильника периферийными зонами и центральной формируется необходимая КСС (широкая, полуширокая или иная, зависит от расположения источников света относительно фокуса линз модульной оптики). Часть тепла от периферийных зон рассеивается самостоятельно боковыми радиаторами, тепло от центрального светового модуля 3 по опорным площадкам 1-2 отводится центральной частью корпуса-радиатора-кронштейна и внешними конструкциями консоли.