Светодиодная лампа с охлаждением термосифоном и осветитель на её основе
LED LAMP WITH THERMOSYPHON COOLING AND LIGHTER ON ITS BASIS

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к компактным светодиодным /СД/ лампам с объемными СД модулями с мощными светодиодами и световым приборам /осветителям/ на их основе, требующих интенсивного охлаждения при эксплуатации, со встроенными или вынесенными из лампы преобразователями питающей сети и/или устройствами управления светом в арматуру осветителей.
СД-лампы и осветители на их основе /прожектеры заливающего света, промышленные и уличные светильники, облучатели для выращивания растений и др./ мощностью до 600 Вт и более могут быть использованы для замены газоразрядных ламп /ГРЛ/ высокого давления типа ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и световых приборов с этими лампами, имеющими громоздкую пуско-регулирующую аппаратуру, неудовлетворительное качество света, сравнительно низкий срок службы и уступающими по светоотдаче изделиям на светодиодах.
Современные лампы с мощными светодиодами как со встроенными вторичными источниками питания, так и с вынесенными в арматуру светового прибора или специального патрона, между тем, выполнены с применением массивных радиаторов кондуктивно-конвективного охлаждения /1/, либо комбинации радиатора с вентилятором /2/ для принудительного охлаждения.
Применение подобных ламп в световых приборах, в первом случае, требует рассредоточения мощных светодиодов на теплоотводящих платах-кластерах или линейках с алюминиевым основанием с монтажом на металлоемких радиаторах охлаждения увеличенной площади либо, во втором случае, допускает эксплуатацию СД-ламп в незащищенных осветителях с обеспечением сброса тепла в окружающее пространство.
Предложенная в работе /3/ мощная СД-лампа с охлаждением тепловой трубой /ТТ/ с фитилем, имеющим капиллярную структуру в оболочке с жидким двухфазным теплоносителем и кондуктивно-конвективным радиатором охлаждения зоны конденсации пара теплоносителя, установленным на оболочке ТТ, эффективно решает проблему охлаждения медных ламп при эксплуатации в условиях, обеспечивавших сброс тепла преимущественно в окружающее пространство, например, в незащищенных световых приборах.
Кроме того, применение в лампе ТТ с фитилем стандартного цоколя усложняет конструкции, увеличивает ее габариты, требует использования стандартного патрона в осветителе, удорожая арматуру.
Известно светодиодное осветительное устройства /4, 5/ с тепловой трубой термосифонного типа с оболочкой /трубчатым паропроводам/, размещенной в тепловом контакте между двумя теплопроводными пластинами, на одной из которых в зоне испарения теплоносителя установлена плата ее светодиодами, а узел охлаждения размещен на первой и/или второй пластине.
Наряду с неэффективным использованием термосифона недостатки прототипа обусловлены невозможностью произвольной ориентации устройства в пространстве, т.к. для безфитильной ТТ термосифонного типа зона конденсации пара теплоносителя должна обязательно располагаться выше зоны испарения и/или кипения для обеспечения транспортирования конденсата теплоносителя при эксплуатации самотеком за счет действия гравитационных сил. Рассмотренные устройства имеют также неудовлетворительное светораспределение и увеличенные габариты.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, минимизация массы и габаритов СД-лампы и осветителя на ее основе, улучшение эксплуатационных характеристик за счет возможности произвольной ориентации термосифона СД-лампы с осветителем в пространстве, а также эксплуатации ее в герметичных и защищенных световых приборах.
Поставленная цель достигается тем, что светодиодная лампа с охлаждением термосифоном и осветитель на ее основе, содержащая полый объемный светодиодный /СД/ модуль, термосифон с протяженной оболочкой с зонами испарения и/или кипения, транспортирования, охлаждения и конденсации пара жидкого теплоносители, установленной в тепловом контакте зоны испарения и/или кипения со стенками полости СД-модуля, элементы токоподвода и монтажа лампы в осветителе, указанный термосифон выполнен с изогнутой под острым углом к продольной оси оболочкой, окружающей зону охлаждения и конденсации пара жидкого теплоносителя, а СД-модуль содержит опорный фланец, на котором собран плоский кольцевой шарнир, подвижно связывающий оболочку термосифона с упомянутым фланцем с возможностью азимутального поворота ее изогнутой части с зоной охлаждения и конденсации пара теплоносителя для гравитационной ориентации термосифона в пространстве, обеспечивающей транспортирование конденсата теплоносители самотеком из зоны конденсации пара при охлаждении в зону испарения и/или кипения при эксплуатации лампы.
Цель достигается и тем, что оболочка термосифона с зоной охлаждения и конденсации пара теплоносителя изогнута под острым углем и пределах 6-90° к продольной оси трубчатой части оболочки с зоной испарения и/или кипения и заполнена жидким двухфазным теплоносителем в объеме 30-50% от внутреннего объема термосифона.
Цель достигается также тем, что плоский кольцевой шарнир выполнен в виде накидной гайки, охватывающей оболочку термосифона и навинчиваемой на плоский кольцевой выступ опорного фланца СД-модуля через промежуточную кольцевую уплотнительную прокладку со стопорением для фиксации выбранного углового положения оболочки термосифона в СД-модуле лампы, произвольно ориентированной в пространстве.
Поставленная задача решатся и тем, что оболочка зоны испарения и/или кипения термосифона подвижно установлена в полости СД-модуля в тепловом контакте и скользящей посадкой на его внутренних стенках, покрытых теплопроводной пастой, и удерживается в СД-модуле уплотнительной прокладкой плоского кольцевого шарнира.
Достижению цели способствует и то, что на оболочке зоны охлаждения и конденсации пара жидкого двухфазного теплоносителя термосифона установлен в тепловом контакте съемный радиатор для охлаждения ее в условиях свободной или вынужденной конвекции.
Цель достигается также за счет того, что элементы токоподвода и монтажа лампы в осветителе установлены на обращенной к СД-модулю части его опорного фланца, на противоположной стороне которого собран плоский кольцевой шарнир.
Цель достигается и тем, что в осветителе на основе СД-лампы с охлаждением термосифоном, содержащем герметичный, защищенный или невентилируемый корпус с одним или двумя гнездами для монтажа СД-лампы со светящим телом, установленным в световом центре вогнутого отражателя, преобразователь питающей сети и/или средства управления светом, элементы токопровода и монтажа корпуса на объекте, каждое гнездо указанного корпуса выполнено в виде плоской стенки с осевым отверстием для сопряжения с неподвижно установленным на ней кольцевым опорным фланцем полого объемного СД-модуля лампы, в полости которого подвижно установлена в тепловом контакте со стенками протяженная оболочка зоны испарения и/или кипения жидкого двухфазного теплоносителя термосифона, противоположная часть которой, изогнутая под острым углом к ее предельной оси, окружающая зону охлаждении и конденсации пара теплоносителя термосифона, выступает в окружающее пространство из полости модуля и из гнезда корпуса осветителя для охлаждения, установлена с возможностью поворота в этой полости для гравитационной ориентации зоны охлаждения в пространстве при эксплуатации и фиксации положения оболочки накидной гайкой шарнира.
Решению задачи способствует также то, что на изогнутой части оболочки термосифона, выступающей из корпуса, установлен в тепловом контакте стационарно или съемный радиатор охлаждения зоны конденсации пара жидкого теплоносителя.
Достижению цели способствует и то, что преобразователь питающей сети и/или средства управления светом установлены в отсеке корпуса и подключены гибкими элементами токоподвода к микроразъемам СД-лампы, собранным на опорном фланце СД-модуля.
Цель достигается и тем, что элементы монтажа корпуса осветителя на объекте выполнены в виде плоского кольцевого шарнира с осевым винтовым креплением и стопорением для фиксации положения осветителияв выбранной плоскости пространства при эксплуатации.
Предпочтительные варианты исполнения светодиодной лампы с охлаждением термосифоном и осветителя на ее основе показаны на чертежах.
Фиг. 1. Светодиодная лампа с охлаждением термосифоном с шарниром для гравитационной ориентации оболочки зоны охлаждения. Вид сбоку, частично в разрезе и поперечное сечение А-А.
Фиг. 2. Герметичный осветитель прожекторного типа с двумя СД-лампами с охлаждением термосифонами: а/ фронтальный вид, частично в разрезе, б/ вид сбоку на накидную гайку шарнира и сечение термосифона.
Светодиодная лампа /фиг. 1/ с охлаждением термосифоном содержит полый объемный СД-модуль 1, в полости которого в тепловом контакте се стопками установлен термосифон с протяженной оболочкой 2 и 2', частично заполненной жидким двухфазным теплоносителем с зоной испарения и/или кипения 3, с зоной 4 транспортирования пара и с зоной 5 охлаждения и конденсации пара теплоносителя.
Термосифон выполнен с изогнутой под острым углом ϕ к продольной оси ZZ протяженной оболочкой и таким образом, что изгиб оболочки располагается на границе зоны 3 испарения и/или кипения теплоносителя и транспортной зоны 4, отделяющей ее от зоны 5 охлаждения и конденсации пара указанного теплоносителя, располагаемой в изогнутой части 2' оболочки.
Наружная поверхность СД-модуля 1 лампы имеет форму протяженной прямой призмы, например шестигранника, изготовленного из теплопроводного материала с установленными на гранях в тепловом контакте светодиодами 6 или линейками с подобными светодиодами /на чертеже не показаны/.
Полый СД-модуль 1 со стенками полости, примыкающими к теплопередающим стенкам части оболочки 2 термосифона с зоной 3 испарения и/или кипения теплоносителя, имеет на открытом конце кольцевой опорный фланец 7 для монтажа СД-лампы на объекте, например, в осветителе /фиг. 2/.
На тыльной стороне фланца 7 установлен плоский кольцевой шарнир 8, подвижно связывающий оболочку 2 термосифона с указанным фланцем с возможностью азимутального поворота вокруг оси ZZ ее изогнутей части 2' с зоной 5 охлаждения и конденсации пара теплоносителя для гравитационной ориентации термосифона в пространстве, обеспечивающей транспортирование конденсата 9 теплоносителя самотеком из зоны 5 конденсации пара при охлаждении в части оболочки 2' в зону 3 испарения и/или кипения теплоносителя при эксплуатации СД-лампы.
Оболочка термосифона с зоной 5 охлаждения и конденсации пара теплоносителя изогнута под острым углом в пределах ϕ=6-90° к продольной оси ZZ ее трубчатой части 2 с зоной 3 испарения и/или кипения. При этом оболочка термосифона заполнена жидким двухфазным теплоносителем, в частности дистиллированной водой, этиловым или метиловым спиртом, фреоном-113, фреоном-30 и др. в объеме 30-50% от внутреннего объема термосифона.
Плоский кольцевой шарнир 8 выполнен в виде накидной гайки 10, охватывающей цилиндрическую часть оболочки 2 термосифона, навинчиваемой на плоский кольцевой выступ 11 открытой части опорного фланца 7 СД-модуля через промежуточную кольцевую уплотнительную прокладку 12 и шайбу, вытесняющей часть эластичной прокладки и прижимающей ее к наружной цилиндрической стенке оболочки для стопорения аксиально подвижного и вращающегося термосифона для фиксации выбранного углового положении его оболочки в СД-модуле 1 лампы, при ориентации ее в пространстве.
Таким образом, оболочка 2 зоны 3 испарения и/или кипения термосифона аксиально подвижно и с возможностью вращения установлена в полости СД-модуля 1 лампы в тепловом контакте и скользящей посадкой на его внутренних стенках, покрытых теплопроводной пастой 13, и механически удерживается в лампе уплотнительной прокладкой 12 плоского кольцевого шарнира 8.
На изогнутой части 2' оболочки термосифона с зоной 5 охлаждения и конденсации пара жидкого двухфазного теплоносителя установлен в тепловом контакте со стенками стационарно или съемный радиатор 14 для охлаждения ее в условиях свободной или вынужденной конвекции, например, за счет организации его принудительного охлаждения /на чертеже не показано/.
Элементы токоподвода, в том числе при монтаже СД-лампы осветителе, выполнены в виде микроразъемов 15 с гибкими изолированными выводами, собраны на обращенной к СД-модулю части его опорного фланца 7, на противоположной стороне которого установлен плоский кольцевой шарнир 8. Здесь же на опорном фланце имеются байонетные прорези 16 для монтажа лампы в осветителе.
Разработанный осветитель прожекторного типа /см. фиг. 2а и б/ на основе одной или двух СД-ламп 17 с индивидуальным охлаждением термосифонами выполнен в герметичном, защищенном или невентилируемом корпусе 18 с выходным отверстием, перекрытым рамкой 19 с защитным стеклом. Корпус 18 содержит одно или два аксиально выполненных гнезда для монтажа СД-ламп 17 со светящими телами /СД-модулями/, установленными в световом центре вогнутого отражателя 20 с подключением к преобразователю 21 питающей сети и/или средствам управлении светом, собранным в отсеке 22 корпуса.
Преобразователь 21 подключен элементами токоподвода с микроразъемами 23 и гибкими изолированными выводами, собранными на опорном фланце СД-модуля каждой лампы, к соответствующему модулю внутри корпуса осветителя.
Несущее СД-модуль каждое гнездо корпуса 18 выполнено в виде плоской стенки 24 с осевым отверстием 25, перекрытым неподвижно установленным на ней и удерживаемого винтами 26 и прорезями байонетного зацепления, кольцевым опорным фланцем 27 и накидной гайкой 28 плоского шарнира 29 указанного модуля лампы.
В полости СД-модуля каждой лампы подвижно установлена в тепловом контакте со стенками, как описано выше /см. фиг. 1/ съемная протяженная оболочка 2 термосифона с зоной испарения и/или кипения жидкого двухфазного теплоносителя. При этом противоположная часть оболочки 2', изогнутая под углом 90° к продольной оси ZZ и части оболочки 2, окружающая зону охлаждения и конденсации пара теплоносителя термосифона, выступает в окружающее осветитель пространстве по оси Z' из полости СД-модуля и из гнезда для монтажа лампы через отверстие 25 в стенке 24 корпуса для охлаждения /см. фиг. 2а/.
Кроме того, оболочка 2 и 2' термосифона /оболочка 30/ установлена в полости СД-модуля таким образом, что обеспечивается возможность поворота ее изогнутой части в этой полости для гравитационной ориентации зоны охлаждения 5 в пространстве, т.е. установления оси Z' вертикально при эксплуатации независимо от ориентации в пространстве оптической оси 00 осветителя. Установленное вертикально положение изогнутой части с зоной охлаждения термосифона при монтаже осветителя на объекте фиксируется /стопорится/ накидной гайкой 28 шарнира, выступающей из корпуса.
Охлаждение гравитационно ориентированной изогнутой части оболочки 30 термосифона осуществляется за счет установленного на ней в тепловом контакте со стенками стационарного или съемного радиатора 31 охлаждения зоны конденсации пара жидкого теплоносителя с возможностью возвращения/транспортирования/ конденсата 32 самотеком в рабочую зону испарения и/или кипения при эксплуатации осветителя.
Ориентация в пространстве оптической оси, т.е. положения осветителя выполняется при монтаже его и при помощи несущего корпус 18 кронштейна 33 с плоскими кольцевыми шарнирами с осевым винтовым креплением 34 и 35 со стопорением дополнительными винтами на объекте 36 с выбранной горизонтальной или вертикальной плоскостями эксплуатации.
Разработанная мощная СД-лампа с охлаждением термосифоном имеет полый объемный СД-модуль с опорным фланцем из теплопроводного материала на основе алюминиевого сплава с установленными на гранях модуля светодиодами мощностью 0,5-5 Вт белого или цветного свечения, например, серии ХL, амр ХТ-Е, ХР-Е2, XM-L или XQ-E компании СREЕ и с возможностью минимизации теплового сопротивления между стенками полости модуля и оболочки термосифона, установленной скользящей посадкой с применением теплопроводной пасты, в частности, типа "силотерм ЭП-14" ГОСТ 19783-74.
Выполнение опорного фланца со средствами токоподвода для монтажа лампы на теплопроводную стенку осветителя и подключения ее гибкими элементами токоподвода к питающей сети, заменяющими традиционный резьбовой цоколь и патрон уменьшает массу и габариты лампы и осветителя, позволяет увеличить теплопередачу от СД-модуля на стенку гнезда корпуса осветителя и вместе с термосифоном способствует эффективному сбросу тепла в окружающую среду.
Этому способствует также вынесение из корпуса осветители наружу радиатора охлаждения зоны конденсации пара теплоносители термосифона, обеспечивающих работоспособность СД-лампы в герметичных и защищенных световых приборах.
Отмеченные возможности гравитационной ориентации зоны охлаждения термосифона в арматуре лампы и осветители существенно улучшают их эксплуатационные характеристики.
Предложенные технические решения являются основанием дли проектирования СД-ламп с компактным светящим телом и осветителей на их основе высокой мощности, превышающей существующие более чем в 2 раза.
Литература
1. В.В. Сысун. Состояние разработок компактных излучателей и ламп с удаленным люминофором. "Полупроводниковая светотехника", 2013, №6, с. 39-48.
2. В.В. Сысун. Светодиодная лампа с системой принудительного охлаждения. Пат. РФ №2595258, кл. F21S 8/00, опубл. 27.08.2016. Бюл. №24.
3. В.В. Сысун. Мощная светодиодная лампа с охлаждением. Пат. РФ №2568105, кл. F21S 8/00, F28D 15/04, опубл. 10.11.2015. Бюл. №31.
4. С.М. Гвоздев и др. Высокоинтенсивное осветительное устройство. Пат. ПМ РФ №123107, приор. 04.04.2012, кл. F21S 2/00.
5. Д.В. Мариничев и др. Об особенностях конструкции и параметрах системы охлаждения мощного осветительного прибора со светодиодами. "Светотехника", 2013, №3, с. 29-32.