УЗЕЛ СВЕТОДИОДНОЙ ЛАМПЫ, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ЛАМП
ASSEMBLY OF LED LAMP, ESPECIALLY FOR AUTOMOBILE LAMPS

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к узлу светодиодной лампы, содержащему по меньшей мере два светодиодных источника света, расположенных на двух противоположных сторонах узла лампы, для излучения в противоположных полупространствах, а также фару или сигнальную лампу (т. е. автомобильные лампы), причем узел светодиодной лампы полностью расположен внутри объема, по меньшей мере частично окруженного отражателем автомобильной лампы, так что свет, излучаемый из светодиодных источников света, направляется упомянутым отражателем в направлении излучения света упомянутой лампы.
Предшествующий уровень техники
Галогенные, ксеноновые лампы и лампы накаливания, используемые для приложений, связанных с автомобильными фарами, имеют обладающие высокой яркостью нити накаливания с точной геометрией. С другой стороны, их энергетический КПД, а также срок службы значительно меньше по сравнению с другими технологиями источников света, в частности с технологией светодиодов.
Лампы накаливания, используемые для автомобильных сигнальных ламп, обладают меньшей яркостью, а допуски их геометрии менее критичны. Вместе с тем из-за ограниченного срока службы представляет интерес применение технологии светодиодов для сигнальных ламп.
В настоящее время имеются светодиоды с уровнями яркости, сравнимыми с автомобильными галогенными лампами, или лампами накаливания, или даже значительно превышающими их. Хотя светодиоды излучают только в одной половине сферы, спираль галогенной лампы или лампы накаливания излучает в полной полусфере. Так, оптика фар, разработанная для ламп накаливания, не соответствует диаграмме направленности одиночного светодиода. Приходится компоновать несколько светодиодов высокой яркости, придавая им такую геометрию, что диаграмма направленности, а также сама геометрия напоминают соответствующую диаграмму направленности и геометрию лампы накаливания и позволяют эффективно использовать существующие автомобильные оптические компоненты.
В документе US 2010/0244649 A1 описан узел светодиодной лампы для автомобильных ламп, в котором два светодиода установлены на противоположных сторонах общей установочной пластины для излучения в противоположных полупространствах. Установочная пластина одной стороной находится в тепловом контакте с жаростойким корпусом, содержащим несколько охлаждающих ребер. На задней стороне жаростойкого корпуса расположен вентилятор для создания принудительного воздушного охлаждения жаростойкого корпуса. В предложенной автомобильной лампе оба светодиода расположены внутри объема, окруженного отражателем лампы, а большой жаростойкий корпус и вентилятор расположены снаружи. Такой узел лампы требует другой конструкции лампы по сравнению с известными конструкциями, в которых используются галогенные лампы и лампы накаливания.
Краткое изложение сущности изобретения
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать узел лампы, который может легко заменить известные галогенные лампы и лампы накаливания без изменения конструкции такой лампы.
Эта задача решается с помощью узла светодиодной лампы по пункту 1 формулы изобретения. Пункт 11 формулы изобретения относится к автомобильной лампе, которая может быть сигнальной лампой или фарой, включающей в себя узел светодиодной лампы по пункту 1 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления узла светодиодной лампы и фары или сигнальной лампы являются объектами независимых пунктов формулы изобретения или описаны в последующих частях описания и предпочтительном варианте осуществления.
Предложенный узел светодиодной лампы содержит по меньшей мере два светодиодных источника света, основание электрического соединителя для электрического соединения светодиодных источников света и жаростойкий корпус в тепловом контакте с опорным элементом (опорными элементами) светодиодных источников света. Светодиодные источники света расположены между основанием электрического соединителя и, по меньшей мере, участком жаростойкого корпуса на двух противоположных сторонах узла лампы для излучения в противоположных полупространствах. По выбору в жаростойком корпусе можно расположить вентилятор с электрическим приводом, чтобы увеличить охлаждающую способность.
В преимущественном варианте осуществления упомянутые по меньшей мере два светодиодных источника света расположены на двух противоположных сторонах общего пластинчатого опорного элемента, в частности установочной пластины, для излучения в противоположных полупространствах или направлениях. Основание электрического соединителя и жаростойкий корпус в тепловом контакте с опорным элементом расположены на противоположных боковых краях опорного элемента.
Когда предложенную светодиодную лампу устанавливают в фаре или сигнальной лампе, по меньшей мере, участок жаростойкого корпуса, поэтому, располагается между светодиодами и светоизлучающей стороной фары, блокируя часть света, излучаемого светодиодами непосредственно к этой светоизлучающей стороне. Это расположение имеет преимущество, заключающееся в том, что уменьшается слепящее действие лампы.
При такой конструкции узла светодиодной лампы освещение в обе противоположные полусферы достигается аналогично освещению галогенной ламы и лампы накаливания. Расположение, по меньшей мере, части жаростойкого корпуса на стороне, противоположной основанию электрического соединения, обеспечивает удлиненную форму и размеры, аналогичные форме и размерам известных галогенных ламп и ламп накаливания для автомобильных ламп. Таким образом, светодиодная лампа может легко заменить известные галогенные лампы и лампы накаливания без изменения конструкции такой лампы.
В предпочтительном варианте осуществления два отдельных жаростойких корпуса расположены на двух противоположных краях пластинчатого опорного элемента в тепловом контакте с опорным элементом. Таким образом, один из этих жаростойких корпусов располагается между основанием электрического соединителя и опорным элементом. Жаростойкие корпусы могут содержать несколько охлаждающих ребер. Чтобы повысить охлаждающую способность, в одном или обоих жаростойких корпусах располагают вентилятор с электрическим приводом, так что этот вентилятор генерирует поток охлаждающего газа, в частности охлаждающего воздуха, идущий через зазоры между охлаждающими ребрами жаростойкого корпуса к светодиодным источникам света.
При таком расположении двух жаростойких корпусов на обоих противоположных краях общего пластинчатого опорного элемента тоже можно достичь удлиненной формы узла светодиодной лампы, аналогичной удлиненной форме галогенной лампы или лампы накаливания. Применение вентиляторов на обоих противоположных концах жаростойких корпусов обеспечивает эффективное охлаждение всего узла светодиодной лампы. Благодаря этой конструкции и эффективному охлаждению такой узел светодиодной лампы можно выполнить с малыми размерами, аналогичными размерам тех известных галогенных ламп и ламп накаливания, которые предназначены для автомобильных ламп, даже если те работают, потребляя большую мощность, и поэтому могут заменить такие лампы без какой-либо дополнительной модификации оптической системы и конструкции лампы.
В предпочтительном варианте осуществления оба жаростойких корпуса выполнены так, что зазоры между охлаждающими ребрами открываются к опорному элементу и/или светодиодным источникам света и к ребрам. Таким образом, эти зазоры образуют непрерывные каналы охлаждения, проходящие между вентилятором и светодиодными источниками света. При такой компоновке охлаждающий газ или охлаждающий воздух нагнетается с двух противоположных сторон через жаростойкие корпусы к светодиодным источникам света, а также непосредственно охлаждает эти светодиодные источники света. Противоток охлаждающего газа или охлаждающего воздуха с обеих сторон приводит к дополнительно интенсифицированному охлаждению узла лампы. Благодаря этому эффективному охлаждению жаростойким корпусам можно придать размеры, делающие их еще компактнее, и/или можно возбуждать лампу большей электрической мощностью.
В предпочтительном варианте весь узел светодиодной лампы, даже если он включает в себя два вентилятора, два жаростойких корпуса и промежуточный опорный элемент со светодиодными источниками света, имеет в продольном направлении, т.е. направлении между осями обоих вентиляторов, размер менее 80 мм, предпочтительнее - ≤50 мм, и диаметр, перпендикулярный этому продольному направлению, менее 20 мм, предпочтительнее - ≤15 мм. Термин «диаметр» в этом контексте относится к направлению наибольшей протяженности узла лампы, которое перпендикулярно вышеупомянутому продольному направлению.
Опорный элемент предпочтительно выполнен как единое целое с жаростойким корпусом (жаростойкими корпусами), но может быть и механически соединенным с жаростойким корпусом (жаростойкими корпусами) каким-либо иным образом. Опорный элемент изготовлен из материала с высокой теплопроводностью, предпочтительно из металлической пластины.
Предложенный узел светодиодной лампы может заменить широко применяемые лампы H7 в автомобильных фарах или - в будущем - даже ксеноновые газоразрядные лампы высокой интенсивности. Несмотря на это, узел светодиодной лампы можно также использовать в других лампах, в частности в отражателях ламп указателей поворота или противотуманных фар.
Предложенная фара или сигнальная лампа содержит, по меньшей мере, отражатель и предложенный узел светодиодной лампы. В такой фаре или сигнальной лампе узел светодиодной лампы расположен полностью внутри объема, окруженного отражателем, так что свет, излучаемый светодиодными источниками света, направляется упомянутым отражателем в направлении излучения света лампы.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными из варианта осуществления, описываемого и поясняемого ниже.
На чертежах:
на фиг. 1 показано сечение возможного узла светодиодной лампы в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 показано перспективное изображение части узла лампы без вентиляторов;
на фиг. 3 схематически показана компоновка предложенного узла светодиодной лампы в лампе фары;
на фиг. 4 показан вид галогенной лампы, которую можно заменить светодиодной лампой;
на фиг. 5 показан пример светодиодной лампы в соответствии с изобретением, заменяющей галогенную лампу согласно фиг. 4;
на фиг. 6 схематически показана компоновка предложенного узла светодиодной лампы в лампе фары согласно дополнительному варианту осуществления; и
на фиг. 7 схематически показано сечение узла светодиодной лампы в соответствии с изобретением согласно дополнительному примеру.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг. 1 показан в сечении пример предложенного узла светодиодной лампы. В этом примере узел светодиодной лампы 10 содержит два светодиода 2 высокой яркости, установленных задними сторонами друг к другу на очень тонкой металлической пластине 1 и излучающих в противоположных направлениях или полупространствах. Жаростойкий корпус 3, 4 установлен перпендикулярно металлической пластине 1 или поверхностям светодиодов на противоположных сторонах у краев металлической пластины 1. Жаростойкие корпусы 3, 4 содержат несколько охлаждающих ребер 7, проходящих между светодиодами 2 и вентиляторами 5, 6, установленными на задних сторонах жаростойких корпусов 3, 4. Зазоры 8, образованные между охлаждающими ребрами 7 жаростойких корпусов 3, 4, открываются к вентиляторам 5, 6 и к светодиодным источникам света 2. При такой компоновке максимального эффекта охлаждения можно достичь путем продувки воздуха в противоположных направлениях к светодиодам 2.
В варианте осуществления согласно фиг. 1 жаростойкие корпуса скошены на своих концах, обращенных к светодиодам 2, чтобы достичь излучения света светодиодами в пределах большого телесного угла. Электрические соединения со светодиодами и вентиляторами, а также основанием электрического соединителя на рассматриваемом чертеже не показаны. Эти электрические соединения могут быть созданы посредством изолированных проводов, прикрепленных к металлической пластине 1 и жаростойким корпусам 3, 4 или к охлаждающим ребрам 7 этих жаростойких корпусов.
Весь узел лампы 10 выполнен имеющим размер, который в каждом состоянии согласуется с отражателем автомобильной фары ближнего света, дальнего света, лампы указателя поворота или противотуманной фары. Рассматривая, например, модернизированную фару H7, отмечаем, что сумма максимального диаметра D жаростойкого корпуса 3, 4 и вентилятора 5, 6 составляет 15 мм. Максимальная длина L узла светодиодной лампы, измеренная вдоль продольного направления, соединяющего оси 9 вентиляторов 5, 6, включая жаростойкие корпусы и вентиляторы, составляет 50 мм. Когда вводят такой узел светодиодной лампы в фару H7, можно достичь четкого контура, и дозволенная законом форма луча ближнего света оказывается возможной уже при некоторой доле потребления мощности соответствующего источника света на основе галогенной лампы или лампы накаливания.
На фиг. 2 показано перспективное изображение примера такого узла лампы, при этом вентиляторы 5, 6 не изображены. На чертеже можно разглядеть жаростойкие корпусы 3, 4, металлическую пластину 1, образующую опорный элемент, а также один из светодиодов 2. На чертеже схематически показаны также охлаждающие ребра 7 и зазоры 8 между этими охлаждающими ребрами.
На фиг. 3 и фиг. 6 показаны примеры фары, в которой такой узел лампы 10 установлен вместо галогенной лампы. Фиг. 3 относится к узлу лампы с двумя жаростойкими корпусами, а фиг. 6 - к узлу лампы лишь с одним жаростойким корпусом. Фара содержит отражатель 11 для отражения света, излучаемого светодиодами узла лампы 10 в направлении 12 излучения автомобильной лампы. Наличие лишь одного жаростойкого корпуса на стороне излучения лампы имеет преимущество, заключающееся в том, что может быть достигнуто распределение света, обуславливаемое излучением лампы, аналогичное распределению света при использовании галогенной лампы и лампы накаливания. В случае двух жаростойких корпусов, как на фиг. 3, часть света светодиодов может блокироваться вторым (внутренним) жаростойким корпусом, который необходим для достижения такого идентичного распределения света с помощью отражателя.
В нижеследующем разделе жизнеспособность предложенного решения показана посредством изучения конкретной ситуации, проведенного на моделирующей аппаратуре ANSYS - универсальной программной системе анализа методом конечных элементов. Предположим, что надо заменить лампу H7 в предназначенном для нее доступном пространстве. Показанная белая область - это доступное пространство, которое можно использовать для замены светодиодов, жаростойкого корпуса и двух вентиляторов. Все эти компоненты не перекрываются с заштрихованной областью, показанной сплошными параллельными линиями, которую по-другому можно назвать оптическим барьером. Размеры, указанные на чертеже, выражены в миллиметрах.
Конструкция жаростойкого корпуса для такой системы показана на фиг. 5. Два вентилятора 5, 6 схематически обозначены прямоугольниками на двух концах жаростойкого корпуса 3, 4. Эти вентиляторы 5, 6 размещены в 1 мм от жаростойкого корпуса 3, 4. Как показано, светодиоды 2 размещены на двух противоположных сторонах пластины 1 основания жаростойкого корпуса. Суммарное рассеяние тепла этих светодиодов 2 полагается составляющим 6 Вт. Плоскость 13 начала отсчета на фиг. 4 - это область раздела между передней и задней сторонами галогенной лампы, и она моделируется плоскостью 13 раздела, показанной на фиг. 5. Жаростойкий корпус 3, 4, включающий в себя пластину 1 основания, изготовлен из меди с теплопроводностью 400 Вт/м⋅К. Как показано на фиг. 5, эти компоненты размещены во внутреннем воздушном пространстве 14, длина, ширина и глубина которого составляют 110 мм × 75 мм × 40 мм соответственно.
Характеристики вентилятора 5 идентичны характеристикам UF3H3-700, который является вентилятором от корпорации Sunon и имеет максимальный расход воздуха 16,27 л/мин при нулевом статическом давлении. В качестве вентилятора 6 выбран UF3F3-700 того же поставщика вентиляторов, имеющий максимальный расход воздуха 8,75 л/мин при нулевом статическом давлении. При моделировании учитывались кривые зависимостей давления от расхода этих вентиляторов.
Очевидно, что левая сторона согласно фиг. 4 - это задняя сторона фары легкового автомобиля, где та подвергается воздействию режима температуры и потока, обуславливаемых двигателем легкового автомобиля. Правая сторона согласно фиг. 4 - это сторона, подвергающаяся воздействию окружающей среды снаружи. Чтобы смоделировать эти внешние условия, применяют граничные условия, иллюстрируемые на фиг. 5. Моделирование проводили на моделирующей аппаратуре универсального программного комплекса ANSYS CFX с помощью модели турбулентности при переносе напряжения сдвига. Для учета механизмов переноса излучения в рассмотрение включили модель излучения от поверхности к поверхности.
В результате моделирования в положениях светодиодов оказалось возможным достижение максимальной температуры 140°C, которой можно было легко манипулировать посредством светодиодов LUXEON F. Отвод тепла из жаростойкого корпуса в воздух происходит в два этапа:
1. отвод тепла из каналов охлаждения жаростойкого корпуса в воздух;
2. отвод тепла из середины жаростойкого корпуса в положениях светодиодов.
Первый механизм теплопередачи интенсифицируется посредством вентиляторов, нагнетающих в направлении друг к другу, а это ведет к «утонению пограничного слоя», которое увеличивает коэффициент теплопередачи на поверхности каналов охлаждения. Второй механизм теплопередачи опять интенсифицируется посредством вентиляторов, работающих в этой особой конфигурации. Два основных потока воздуха встречаются друг с другом на высокой скорости в середине жаростойкого корпуса, где расположены светодиоды, а это ведет к «удалению пограничного слоя» в самой горячей точке системы, что значительно увеличивает интенсивность теплопередачи. Это явление аналогично струйному охлаждению «горячих пятен», где пограничный слой удаляется за счет того, что поток воздуха наталкивается на перпендикулярную ему поверхность. В этом изобретении перпендикулярная поверхность создается или имитируется вентилятором, нагнетающим в противоположном направлении.
На фиг. 7 схематически показано сечение узла светодиодной лампы в соответствии с изобретением согласно дополнительному примеру. В этом примере два светодиода 2 высокой яркости установлены на отдельных опорных элементах 15, которые в этом примере закреплены под углом 120° друг к другу на боковой поверхности жаростойкого корпуса 3. Этот угол не ограничивается величиной 120° и предпочтительно выбран в диапазоне между 20° и 160°. Жаростойкий корпус соединен с основанием 16 электрического соединителя. Благодаря этой компоновке светодиоды также излучают в противоположных полупространствах (на чертеже - к верхней стороне и нижней стороне). Такой вариант осуществления выгоден для использования в сигнальной лампе, поскольку большинство света, излучаемого светодиодами 2, направляется к центральной части отражателя (не показан) и поэтому излучается за счет отражения на отражателе к направлению излучения лампы.
Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеизложенном описании, такие иллюстрация и описание следует считать ознакомительными и возможными, а не ограничительными. Изобретение не ограничивается приведенными вариантами осуществления. Исходя из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения, специалисты в области практического воплощения данного изобретения смогут понять другие изменения, которые могут быть внесены в описанные варианты осуществления. Жаростойкие корпусы также могут быть выполнены по-иному, нежели показано на чертежах. Зазоры, образованные между охлаждающими ребрами, могут проходить параллельно друг другу и параллельно продольному направлению узла лампы. Как бы то ни было, эти зазоры также могут проходить под наклоном друг к другу и к этому продольному направлению. Хотя на чертежах показаны лишь два противоположных светодиодных источника света, возможно также расположение более чем 2-х светодиодов. В формуле изобретения слово «содержащий (-ая, -ее, -ие)» не исключает другие элементы или этапы, а признак единственного числа не исключает множество. Сам факт, что определенные меры приводятся во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что нельзя с выгодой использовать совокупность этих мер. В частности, признаки пп. 7-11 формулы изобретения можно свободно объединить с признаками всех предыдущих пунктов формулы изобретения. Любые позиции чертежей в формуле изобретения не следует считать ограничивающими объем притязаний формулы изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 Металлическая пластина
2 Светодиод
3 Жаростойкий корпус
4 Жаростойкий корпус
5 Вентилятор
6 Вентилятор
7 Охлаждающее ребро
8 Зазор
9 Ось вентилятора
10 Узел светодиодной лампы
11 Отражатель
12 Направление излучения
13 Плоскость начала отсчета или плоскость раздела
14 Внутреннее воздушное пространство
15 Опорный элемент
16 Основание электрического соединителя