СВЕТОДИОДНАЯ ЛЮСТРА

Полезная модель относится к светотехнике, в частности, к подвесным электрическим светильникам (люстрам), которые используются для внутреннего освещения помещений.
Наиболее часто в традиционных подвесных люстрах в качестве источника света используются лампы накаливания и компактные люминесцентные лампы. Основным недостатком первых является высокое энергопотребление, а вторых - использование соединений ртути, что создает проблемы при их утилизации (см. статью: А.В. Прокопенко, А.Д. Тменов. Освещение на ультраярких светодиодах - настоящее и будущее // Промелектро, 2010 г., №6, с. 8-10).
В последние годы в качестве энергоэффективных источников света для систем освещения разработаны световые приборы на основе полупроводниковых светодиодов, которые при излучении приблизительно одинакового светового потока потребляют в 10 раз меньше электрической энергии по сравнению с лампами накаливания (см., например, статью: И.А. Зеленков, Э.Э. Лахтадыр, И.В. Мокров. Построение систем освещения с использованием светодиодных модулей // Электроника и системы управления, 2010 г., №2 (24), с. 24-27), и являются экологически более безопасными по сравнению с люминесцентными лампами.
Известна хрустальная светодиодная люстра с кристаллическими прозрачными элементами, смонтированными на каркасе люстры вокруг лампы накаливания, в каждом из которых выполнен канал цилиндрической формы, а внутри канала размещен и закреплен с помощью прозрачного клея полупроводниковый светодиод (см. патент США № US 7077555 В2, МПК (2006.01) F21V 7/04, опубл. 18.07.2006 г.). Световые лучи от лампы накаливания и от светодиодов проходят сквозь хрустальные прозрачные элементы, преломляются и отражаються в их теле, создавая соответствующие световые эффекты. Недостатком такой люстры является неэффективное использование электрической энергии, поскольку основная ее часть, потребляемая лампой накаливания, идет на нагрев окружающего воздуха, а использование в люстре свтодиодов не уменьшает этих потерь потребленной электроэнергии. Применение же мощных светодиодов как основного источника света вместо лампы накаливания в известной люстре является невозможным вследствие неблагоприятных условий отвода теплоты от них.
В подвесной светодиодной люстре, известной из патента США № US 7976202 В2, МПК (2006.01) F21V 29/00, опубл. 12.07.2011 г., светодиоды являются основным источником света и установлены с обеспечением теплового контакта на алюминиевом монтажном модуле с плоскими поверхностями и отогнутыми под углом к ним ребрами охлаждения. Монтажный модуль размещен вертикально внутри рассеивателя светового потока, выполненного в виде подвесного прозрачного колпака. Теплота, выделяемая при работе светодиодов люстры, передается за счет теплопроводности алюминиевого монтажного модуля его ребрам охлаждения и отводится от них к воздуху под прозрачным колпаком путем естественной конвекции. Нагретый воздух выходит из под колпака наружу сквозь щелевое отверстие в верхней части прозрачного колпака, а вместо него снизу под колпак поступает более холодный воздух. Недостатком такой светодиодной люстры является недостаточная эффективность охлаждения светодиодов при повышении их мощности, что обусловлено ограниченностью поверхности теплообмена монтажного модуля под колпаком и плохими условиями отвода теплоты из под колпака люстры. Так, при термическом сопротивлении кондуктивной теплопередачи по монтажному модулю 160°C/Вт, характерному для данной конструкции в соответствии с ее детальным описанием в упомянутом патенте, температура светодиода достигнет значения 80°C при его мощности всего 0,5 Вт.
Большую мощность имеют светодиодные источника света в известной светодиодной люстре (см. патентную заявку США №20120049765 A1, МПК (2006.01) Н05В 37/00, Н01К 1/30, опубл. 01.03.2012 г.), содержащей каркас традиционной люстры с декоративными элементами, в котором вместо ламп накаливания установлены светодиодные лампы, которые выполнены в виде свечек. Каждая светодиодная лампа состоит из металлического трубчатого корпуса, в верхней части которого установлен держатель в виде цилиндра из теплопроводного материала, в центральном отверстии которого вмонтировано металлическое основание с по меньшей мере тремя мощными светодиодами основных трех цветов: красного, зеленого и синего. Мощные светодиоды находятся в прозрачном рассеивателе светового потока, выполненном в виде пламени свечки. Светодиодные лампы электрически соединены с источником питания, контроллером, схемой памяти, схемой управления, схемой передачи данных. Благодаря электронному управлению достигается смешивание основных трех цветов светодиодов с образованием белого цвета или, смешивания их в необходимом соотношении, с образованием разных оттенков и ярких световых эффектов. Недостатком упомянутой светодиодной люстры является ограниченность мощности ее светодиодных ламп на уровне от 8,3 до 16,7 Вт, что обусловлено недостаточной эффективностью системы теплоотвода от светодиодов к окружающему воздуху путем теплопроводности составной конструкции трубчатого корпуса лампы и естественной конвекции воздуха.
В качестве наиболее близького аналога (прототипа) предложенной полезной модели выбрана люстра с мощными светодиодами, известная из патента Украины №68831 U, МПК (2012.01) F21S 8/00, F21V 7/00, опубл. 10.04.2012, бюл. №7, содержащая каркас (арматуру), собранный из нескольких его элементов, по меньшей мере один основной источник света и рассеиватель светового потока, полупроводниковые светодиоды и средство электропитания, при этом полупроводниковые светодиоды объединены в один или несколько мощных светодиодных модулей, являющихся одновременно по меньшей мере одним основным источником света, по меньшей мере один элемент каркаса выполнен в виде тепловой трубы с зонами нагрева и охлаждения, мощные светодиодные модули установлены с обеспечением теплового контакта с зонами нагрева соответствующих тепловых труб и электрически соединены со средством электропитания. Зоны охлаждения тепловых труб выполнены с развитой поверхностью теплообмена и размещены выше зон нагрева и зон транспорта (зона транспорта тепловой трубы - зона между зоной нагрева и зоной охлаждения), а зоны нагрева тепловых труб размещены ниже зон транспорта. Дополнительно люстра содержит электровентилятор для принудительного обдува воздухом зон охлаждения тепловых труб.
Благодаря высокой теплопроводности элементов каркаса люстры-прототипа, выполненных в виде тепловых труб (эквивалентная теплопроводность тепловой трубы на несколько порядков выше теплопроводности таких металлов, как серебро, медь, алюминий и т.п. (см. Семена М.Г., Зарипов В.К., Гершуни А.Н. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами. - К.: Высшая школа, 1984 г., с. 9), работающих по высокоэффективному замкнутому испарительно-конденсационному циклу, значительно повышается тепловой поток, который можно эффективно (с минимальным термическим сопротивлением) отвести от мощных светодиодных модулей, установленных в зонах нагрева тепловых труб, к развитой поверхности теплообмена их зон охлаждения, а от нее - в окружающую среду. Конструкция люстры-прототипа обеспечивает возможность значительного увеличения поверхности теплообмена и улучшение условий отвода теплоты от нее за счет использования принудительной конвекции воздуха. Повышение эффективности теплопередачи позволяет повысить мощность светодиодного модуля по меньшей мере вдвое и обеспечить надежную работу светодиодов за счет обеспечения нормального теплового режима.
Размещение зоны нагрева тепловых труб с установленными на ней светодиодными модулями ниже зоны транспорта и зоны охлаждения способствует возвращению жидкого теплоносителя из зоны охлаждения по зоне транспорта к зоне нагрева за счет действия силы гравитации, но при этом сужает возможности применения и варианты конструктивного выполнения люстры с точки зрения разнообразия форм выполнения элементов каркаса и расположения рассеивателей светового потока в пространстве, в частности, делает невозможным выполнение люстр с отогнутыми вверх нижними концами элементов каркаса, выполненных в виде тепловых труб, с установленными на них светодиодными модулями и с размещением вертикально рассеивателей светового потока и светодиодных модулей для улучшения освещения потолка и пространства помещения, что является основным недостатком прототипа.
В основу технического решения, которое заявляется, поставлена задача расширить возможности применения и разнообразие вариантов выполнения светодиодной люстры с точки зрения расположения рассеивателей светового потока и светодиодных модулей в пространстве для улучшения освещения потолка и пространства помещения.
макс
Поставленная задача решается за счет того, что в светодиодной люстре, содержащей каркас, выполненный из нескольких его элементов, мощные светодиоды, объединенные в один или несколько мощных светодиодних модулей, по меньшей мере один рассеиватель светового потока, средство электропитания, по меньшей мере один элемент каркаса выполнен в виде тепловой трубы с зонами нагрева, транспорта и охлаждения, причем зона охлаждения выполнена с развитой поверхностью теплообмена, а внутренняя поверхность корпуса тепловой трубы по крайней мере в зонах нагрева и транспорта покрыта слоем капиллярно-пористой структуры, мощные светодиодные модули установлены с обеспечением теплового контакта на зонах нагрева соответствующих тепловых труб, размещены внутри рассеивателей светового потока и электрически соединены со средством электропитания, зона транспорта по меньшей мере одной тепловой трубы выполнена согнутой в виде по меньшей мере одного колена с дугообразным участком, размещенным ниже зоны нагрева тепловой трубы с установленным на ней светодиодным модулем, причем высота H установки верхнего торца светодиодного модуля на зоне нагрева тепловой трубы относительно наиболее низкой поверхности зоны транспорта тепловой трубы не превышает максимальную высоту Н капиллярного равновесия теплоносителя в слое капиллярно-пористой структуры, которая определена по формуле:
,
где θ - краевой угол смачивания материала слоя капиллярно-пористой структуры жидким теплоносителем тепловой трубы;
σ - коэффициент поверхностного натяжения теплоносителя тепловой трубы;
эф
D - эффективный диаметр пор слоя капиллярно-пористой структуры тепловой трубы;
ρ - плотность жидкого теплоносителя тепловой трубы;
g - ускорение силы тяжести.
Дополнительно светодиодная люстра может иметь электровентилятор для принудительного обдува воздухом зон охлаждения тепловых труб.
Выполнение зоны транспорта по меньшей мере одной тепловой трубы согнутой в виде по меньшей мере одного колена с дугообразным участком, размещенным ниже зоны нагрева тепловой трубы с установленным на ней светодиодным модулем, и установка верхнего торца светодиодного модуля на зоне нагрева тепловой трубы относительно наиболее низкой поверхности зоны транспорта тепловой трубы на высоте, которая не превышает максимальную высоту капиллярного равновесия жидкого теплоносителя в слое капиллярно-пористой структуры, которая определена по приведенной выше формуле, в совокупности с другими существенными признаками заявленного технического решения позволяет, в отличие от наиболее близького аналога (прототипа), расширить возможные варианты конструктивного выполнения светодиодной люстры с точки зрения разнообразия форм выполнения элементов ее каркаса, выполненных в виде тепловых труб, и расположения рассеивателей светового потока в пространстве с одновременным обеспечением надежной работы люстры. В частности, это обеспечивает выполнение вариантов люстры с отогнутыми вверх нижними концами элементов каркаса, выполненных в виде тепловых труб, с установленными на них светодиодными модулями и с размещением вертикально рассеивателей светового потока и светодиодных модулей в пространстве для улучшения освещения потолка и пространства помещения.
Суть и принцип действия предложенной светодиодной люстры поясняются чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид светодиодной люстры, в качестве примера, с отогнутыми вверх нижними концами элементов каркаса, выполненных в виде тепловых труб, с установленными на них вертикально светодиодными модулями и рассеивателями светового потока в виде шара; на фиг. 2 - разрез по линии Α-A одного из элементов каркаса светодиодной люстры, выполненного в виде тепловой трубы, с установленным мощным светодиодным модулем; на фиг. 3 - общий вид светодиодной люстры в варианте выполнения с рассеивателями светового потока в виде цветка.
Светодиодная люстра (см. фиг. 1) содержит каркас, выполненный из нескольких его элементов, два из которых выполнены в виде тепловых труб 1 и 2, а два других - в виде декоративных элементов 3 и 4, два мощные светодиодные модули 5 и 6, два рассеивателя светового потока 7 и 8 и средство электропитания 9. Каждая из тепловых труб 1 и 2 имеет зону нагрева, на которой с обеспечением теплового контакта установлены мощные светодиодные модули 5 и 6 соответственно, и зону охлаждения с развитой поверхностью теплообмена в виде ребер охлаждения 10 и 11 соответственно. Ребра охлаждения 10 и 11 имеют одновременно и декоративное назначение. Для принудительного обдува воздухом зон охлаждения тепловых труб снизу люстры установлен электровентилятор 12.
Между зоной нагрева и зоной охлаждения каждой тепловой трубы размещена ее зона транспорта, которая выполнена согнутой в виде по меньшей мере одного колена с дугообразным участком. Дугообразный участок размещен ниже зоны нагрева соответствующей тепловой трубы с установленным на ней светодиодным модулем. Мощные светодиодные модули 5 и 6 размещены внутри рассеивателей светового потока 7 и 8, выполненных в виде шара (см. фиг. 1) из прозрачного материала, например, стекла или поликарбоната, электрически соединены со средством электропитания 9 (электрические провода соединения на фигурах не показаны) и состоят из мощных светодиодов 13. Внутренняя поверхность корпуса 14 (см. фиг. 2) тепловой трубы по крайней мере в зонах нагрева и транспорта покрыта слоем 15 капиллярно-пористой структуры. При выполнении корпуса тепловых труб, например, из меди слой 15 капиллярно-пористой структуры может быть спечен, например, из медных волокон диаметром 50 мкм, длиной 3 мм и иметь толщину 0,8 мм, пористость 65%, эффективный диаметр пор 100 мкм. Высота H (см. фиг 1) установки верхнего торца светодиодного модуля на зоне нагрева тепловой трубы относительно наиболее низкой поверхности зоны транспорта тепловой трубы не превышает максимальной высоты Нмакс капиллярного равновесия теплоносителя в слое капиллярно-пористой структуры, которая определена по формуле:
,
где θ - краевой угол смачивания материала слоя капиллярно-пористой структуры жидким теплоносителем тепловой трубы;
σ - коэффициент поверхностного натяжения теплоносителя тепловой трубы;
эф
D - эффективный диаметр пор слоя капиллярно-пористой структуры тепловой трубы;
ρ - плотность жидкого теплоносителя тепловой трубы;
g - ускорение силы тяжести.
-4
3
2
-4
-6
эф
макс
Корпус тепловых труб частично заполнен жидким теплоносителем, коррозионно совместимым с материалом корпуса тепловых труб и слоя капиллярно-пористой структуры. В качестве жидкого теплоносителя могут использоваться дистиллированная вода, ацетон, этиловый спирт, хладон и т.п.. При выполнении корпуса тепловой трубы и слоя капиллярно-пористой структуры из меди в конкретном примере выполнения люстры в качестве теплоносителя использована дистиллированная вода. В этом варианте выполнения максимальная высота капиллярного равновесия воды (для воды, например, при температуре насыщения 50°C σ=676,9·10 Н/м; ρ=988,1 кг/м) при условии полного смачивания материала слоя капиллярно-пористой структуры и корпуса тепловой трубы (cos θ=1) при D=100 мкм и g=9,8 м/с составляет: Н=4·1·676,9·10/(100·10·988,1·9,8)=0,28 м. Таким образом, высота H (см. фиг 1 и фиг. 3) установки верхнего торца светодиодного модуля на зоне нагрева тепловой трубы относительно наиболее низкой поверхности зоны транспорта тепловой трубы меньше, чем 0,28 м и составляет для каждой тепловой трубы светодиодной люстры, например, 0,20 м.
Средство электропитания 9 выполнено, например, в виде электронного преобразователя электрической сети переменного тока напряжением 220 В в низковольтную сеть питания постоянного или импульсного тока с напряжением 5-20 В. В пределах каждого светодиодного модуля светодиоды 13 соединены между собой в электрическую цепь последовательно. При мощности одного светодиода, например, 5 Вт и количества светодиодов в модуле, например, 12 шт мощность одного модуля составляет 60 Вт, люстры с двумя светодиодными модулями - 120 Вт.
В другом варианте выполнения светодиодная люстра может иметь рассеиватели светового потока 16 и 17, выполненные в виде цветка, которые расположены вертикально для улучшения освещения потолка и пространства помещения (см. фиг. 3).
1
2
1
2
макс
Светодиодная люстра в других вариантах выполнения может иметь несколько тепловых труб с установкой верхнего торца светодиодного модуля на зоне нагрева тепловой трубы относительно наиболее низкой поверхности зоны транспорта тепловой трубы на одной высоте H=H и несколько тепловых труб с установлением светодиодных модулей на другой высоте H=Н, причем и Н и Н не превышают значения, определенного по приведенной формуле для Н.
Светодиодная люстра может иметь, как вариант, одну тепловую трубу с разветвленными зонами нагрева и транспорта и общей или разветвленными зонами охлаждения, которые имеют общее паровое пространство.
макс
Работа предложенной светодиодной люстры осуществляется следующим образом. При включении люстры в электрическую сеть электрическое напряжение подается на средство электропитания 9, которое питает мощные светодиоды 13 каждого светодиодного модуля 5 и 6. От светодиодных модулей 5 и 6 световой поток, сформированный рассеивателями светового потока 7 и 8, выполненными в виде шара (см. фиг. 1), излучается в помещение. Теплота, выделяемая при этом в p-n переходах мощных светодиодов 13 каждого светодиодного модуля 5 и 6 передается теплопроводностью к элементам каркаса люстры, выполненным в виде тепловых труб 1 и 2, а именно - к их зонам нагрева. Жидкий теплоноситель, находящийся в порах слоя 15 (см. фиг. 2) капиллярно-пористой структуры на внутренней поверхности корпуса 14 каждой тепловой трубы в зоне нагрева, начинает испаряться или кипеть (в зависимости от плотности теплового потока), интенсивно поглощая при этом подведенную теплоту. Пар теплоносителя поступает в зону охлаждения соответствующей тепловой трубы и конденсируется на ее внутренней поверхности, отдавая теплоту корпусу соответствующей тепловой трубы в зоне охлаждения и ребрам охлаждения, которые соединены с корпусом и обдуваются електровентилятором 12. Конденсат теплоносителя, благодаря действию силы тяжести и капиллярных сил, возвращается в зону нагрева и цикл испарения-конденсации повторяется. Поскольку верхние торцы светодиодных модулей 5 и 6 установлены относительно наиболее низкой поверхности зоны транспорта соответствующей тепловой трубы 1 и 2 на высоте Н, которая не превышает максимальную высоту Н капиллярного равновесия теплоносителя в слое капиллярно-пористой структуры, то капиллярные силы, несмотря на противодействие им силы тяжести на этом участке (от наиболее низкой поверхности зоны транспорта до верхнего торца светодиодного модуля), обеспечивают постоянное насыщение слоя капиллярно-пористой структуры жидким теплоносителем в зоне нагрева каждой тепловой трубы, на которой установлен соответствующий светодиодный модуль с мощными светодиодами, выделяющими теплоту при своей работе, и таким образом обеспечивают надежную работу тепловых труб. Теплота от зон охлаждения тепловых труб и их ребер охлаждения эффективно отводится в окружающую среду принудительной конвекцей воздуха, создаваемой электровентилятором 12.
Таким образом, предложенное техническое решение является новым, промышленно пригодным и позволяет, по сравнению с прототипом, расширить возможности применения и разноообразие вариантов конструктивного выполнения светодиодной люстры с точки зрения разнообразия форм выполнения элементов ее каркаса и расположения светодиодных модулей и рассеивателей светового потока в пространстве для улучшения освещения потолка и пространства помещения с одновременным обеспечением надежной работы люстры за счет эффективного охлаждения светодиодов. В частности, заявленное техническое решение обеспечивает выполнение вариантов люстр с отогнутыми вверх нижними концами элементов каркаса, выполненных в виде тепловых труб, с установленными на них светодиодными модулями и с размещением вертикально как светодиодных модулей, так и рассеивателей светового потока, выполненных, например, в виде цветка, что повышает равномерность освещения помещения и, кроме того, улучшает внешний декоративный вид люстры.