СПОСОБ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА, СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК, СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА
METHOD OF DESIGN OF A LIGHTING DEVICE, LED LAMP

Представленная группа изобретений относится к конструкциям осветительных устройств, в частности к конструкциям светодиодных светильников и светодиодных ламп.
Из существующего уровня техники известны способы изготовления осветительных устройств, при котором с целью защиты и герметизации осуществляется покрытие источников света светопрозрачным затвердевающим компаундом. Известно прочное, водонепроницаемое осветительное устройство (патент US 6595671 В2, опубл. 22.07.2003). Водонепроницаемость известного устройства обеспечивается помещением светодиодов в монолитную светопропускающую обволакивающую среду. Недостатком способа конструирования известного устройства является высокая стоимость реализации, связанная со сложностью изготовления. Для защиты светодиодов в монолитной среде существует необходимость в применении корпуса с прочной светопропускающей крышкой. Устройства с вариантом применения монолитной заливки светодиодов без дополнительной защитной светопропускающей крышки имеют невысокую прочность, так как смолы, используемые для монолитной заливки, после затвердения хрупкие в массиве и имеют малую стойкость к износу поверхности массива. Кроме того, сама по себе монолитная заливка светодиодов в массив требует применения дополнительных пресс-форм, что повышает стоимость устройств, изготовленных таким способом.
Наиболее близким прототипом первого изобретения группы, способа конструирования осветительного устройства, является способ, примененный при конструировании светодиодного светильника (описание полезной модели к патенту RU 117172 U1, опубл. 20.06.2012). В известном решении проблемы защиты светоизлучающего элемента решаются за счет его помещения в выемку корпуса и заполнения выемки светопрозрачным затвердевающим компаундом, при этом поверхность компаунда может быть дополнительно защищена ударопрочным стеклом. Недостатком известного решения является высокая стоимость изготовленных по такому способу осветительных устройств, связанная со сложностью изготовления корпуса с выемкой и светопрозрачной крышки из ударопрочного стекла. Кроме того, при таком способе конструирования осветительных устройств теряется часть светового потока от светоизлучающего элемента из-за его диафрагмирования краями выемки. Кроме того, ударопрочное стекло при разрушении рассыпается на мелкие осколки, поэтому такие светильники не могут применяться в пищевом производстве.
Задача, решаемая первым изобретением группы, связанных единым изобретательским замыслом технических решений, и достигаемый технический результат заключаются в создании способа конструирования осветительных устройств, применение которого позволяет снизить их стоимость, повысить надежность, ударопрочность и стойкость к разрушающим нагрузкам.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата, в способе конструирования осветительного устройства, при котором по крайне мере один светодиодный источник света защищают светопропускающей крышкой, а полость между светодиодным источником света и светопропускающей крышкой заполняют светопропускающим затвердевающим компаундом, в качестве светопропускающей крышки используют гибкую светопропускающую оболочку из жесткого материала, а полость между светодиодным источником света и гибкой светопропускающей оболочкой заполняют светопропускающим затвердевающим компаундом, эластичным после затвердения.
В качестве прототипа второго изобретения группы - светодиодного светильника, также выбрано известное решение (описание полезной модели к патенту RU 117172 U1, опубликовано 20.06.2012), в котором конструкция светодиодного светильника включает монолитный корпус с выемкой, с размещенным в выемке светоизлучающим элементом, при этом выемка полностью заполнена светопрозрачным компаундом, который может быть защищен ударопрочным стеклом.
Недостатком известного решения является высокая стоимость светильника, связанная со сложностью изготовления корпуса с выемкой и ударопрочного стекла. Кроме того, светильники с ударопрочным стеклом находят ограниченное применение, например в пищевой промышленности, так как при разрушении ударопрочное стекло рассыпается на многочисленные осколки. Кроме того, известное решение имеет низкую эффективность, так как часть светового потока от светоизлучающего элемента диафрагмируется краями выемки.
Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в снижении стоимости, повышении надежности, эффективности, стойкости к разрушающим нагрузкам светодиодного светильника.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата, в светодиодном светильнике, состоящем из светодиодного источника света, установленного на теплопроводящий корпус, светопропускающей крышки, установленной над светодиодным источником света, светопропускающего затвердевающего компаунда, заполняющего полость между установленным на теплопроводящий корпус светодиодным источником света и светопропускающей крышкой, светопропускающая крышка выполнена в виде светопропускающей гибкой оболочки из жесткого термодеформируемого материала, а светопропускающий затвердевающий компаунд выполнен в виде эластичного после затвердения светопропускающего затвердевающего компаунда.
Кроме того:
- светодиодный источник света состоит из нескольких светодиодов;
- гибкая светопропускающая оболочка из жесткого термодеформируемого материала имеет форму одной или нескольких линз, обладающих в сочетании со светопропускающим затвердевающим компаундом после его затвердения оптическими свойствами, формирующими направление светового потока от светодиодного источника света;
- в полости между установленным на теплопроводящий корпус светодиодным источником света и гибкой светопропускающей оболочкой из жесткого термодеформируемого материала, заполняемой светопропускающим затвердевающим компаундом, установлен драйвер светодиодов;
- в полости между установленным на теплопроводящий корпус светодиодным источником света и гибкой светопропускающей оболочкой из жесткого термодеформируемого материала, заполняемой светопропускающим затвердевающим компаундом, установлено термореле с температурой отключения ниже максимальной рабочей температуры светодиодного источника света.
Наиболее близким аналогом третьего изобретения группы - светодиодной лампы, является «Светодиодная лампа» (Описание изобретения к патенту RU 2546469 C2, опубл. 10.04.2015). В известном решении в качестве источника света применены одна или несколько светодиодных лент (филаментов), которые установлены с помощью держателя в герметичной камере, наполненной газом, имеющим низкий коэффициент вязкости и высокий коэффициент теплопроводности. В процессе работы светодиодные ленты излучают тепло. Проблема отвода тепла от светодиодной ленты решается благодаря тепловым потокам и конвекции в газе, заполняющем камеру.
Недостатком известного решения является ограничение мощности светодиодных лент, связанное с низкой теплопроводностью наполняющего камеру газа и слабой конвекцией, что связано с прогревом газа в малом объеме. Кроме того, для длительного удержания газа необходимо применять герметичные стеклянные колбы, что повышает стоимость лампы. Кроме того, известное устройство (светодиодная лампа) имеет повышенную хрупкость в виду применения стекла.
Задача, решаемая третьим изобретением группы и достигаемый технический результат, заключаются в создании очередного технического решения светодиодной лампы, имеющей высокую надежность, прочность, эффективность, низкую стоимость.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата, в светодиодной лампе, состоящей из цоколя для фиксации и соединения с внешней электрической цепью, драйвера, по крайней мере одного светодиодного источника света, установленных в светопропускающую колбу, теплопроводящего вещества, заполняющего полости светопропускающей колбы, колба выполнена в виде гибкой светопропускающей оболочки из жесткого термодеформируемого материала, а теплопроводящее вещество выполнено в виде светопропускающего затвердевающего эластичного после затвердения компаунда.
Кроме того,
- светодиодный источник света состоит из нескольких светодиодов;
- светодиодная лампа содержит дополнительный цоколь для фиксации и соединения с внешней электрической цепью.
Сущность изобретений поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - светодиодный светильник (частично в разрезе).
На фиг. 2 - светодиодные светильники с матовым и прозрачным рассеивателями.
На фиг. 3 - светодиодная лампа (в разрезе),
На фиг. 4 - светодиодная лампа с выпукло-вогнутой оболочкой.
На фиг. 5 - светодиодная лампа.
На фиг. 6 - светодиодная лампа с двумя цоколями.
Термины и определения:
- под жесткостью подразумевается способность материала сопротивляться деформации при внешнем воздействии;
- под эластичностью затвердевшего компаунда подразумевается его способность восстанавливать размер и форму после деформации;
- под светодиодным источником света подразумевается источник света с одним или несколькими светодиодами, установленными на одной плате, подложке.
Получение технического результата в части надежности, ударопрочности и стойкости к разрушающим нагрузкам у светодиодных устройств, сконструированных с применением заявленного способа, основано на свойствах гибкой оболочки из жесткого материала с наполнителем из затвердевшего эластичного компаунда сохранять объем и форму образованной оболочкой камеры. Сохранение объема происходит благодаря тому, что жесткая оболочка не растягивается, а затвердевший эластичный компаунд практически не сжимается. Жесткая оболочка, заполненная затвердевшим эластичным компаундом, упруго реагирует на удар, подобно закрытой пластиковой бутылке с водой. Кроме того, затвердевший эластичный компаунд сохраняет первоначальную форму оболочки, восстанавливает ее в случае деформации. Снижение стоимости осветительных устройств связано с низкой стоимостью оболочки и компаунда. Оболочка изготавливается методом вакуумной формовки, в котором применяются недорогие алюминиевые или деревянные матрицы.
Второе изобретение группы, светодиодный светильник, иллюстрируется фиг. 1. Светодиодный источник света поз. 1, со светодиодами поз. 10 установлен на теплопроводящий корпус поз. 2. Светодиодный источник света накрыт гибкой светопропускающей оболочкой поз. 3 (показана в разрезе), полость между светодиодным источником света и гибкой светопропускающей оболочкой заполнена светопропускающим затвердевшим эластичным компаундом поз. 4, (показан в разрезе).
Технический результат согласно второму изобретению группы, светодиодного светильника, - повышение надежности и стойкости к разрушающим нагрузкам, получен благодаря применению в качестве светопропускающей крышки светильника светопропускающей оболочки из жесткого термодеформируемого материала и находящемуся под ней затвердевшему компаунду. Оболочка защищает светильник от проникновения посторонних предметов, компаунд от ударов, сдавливания. Заявленный технический результат, снижение стоимости, получен благодаря дешевизне изготовления оболочки и низкой стоимости компаунда. Повышение эффективности достигается благодаря применению теплопроводящего компаунда, что приводит к дополнительному охлаждению светодиодов, эффективность которых имеет обратную зависимость от рабочей температуры.
Фиг. 2 иллюстрирует светодиодные светильники, изготовленные с применением второго изобретения группы. Слева проиллюстрирован светильник с добавкой в компаунд рассеивающего пигмента. Мощность светильников 17,5 Вт, световой поток 1400 люмен, размеры 100×120 мм. В светильниках применены светодиодные источники света со встроенным драйвером SMJD-3V16W1P3. Теплоотводящими корпусами светильников являются алюминиевые пластины толщиной 3 мм. Светопропускающие крышки выполнены в виде гибкой светопропускающей оболочки, полученной методом вакуумной формовки из полиэтилентерефталата (ПЭТ, температура размягчения 260°С) толщиной 0.35 мм. Диаметр светопропускающего окна светильников составляет 100 мм. Полости под оболочкой заполнены прозрачным силиконом «Силагерм 2206» с коэффициентом теплопроводности 0.4 Вт/(м⋅К), твердостью 40 (по Шору) и рабочей температурой после затвердения -60°С+250°С. Для равномерности излучения со всей поверхности выходного окна в силикон левого светильника добавлен рассеивающий белый пигмент. Высота заполняемой силиконом полости в каждом светильнике составляет от 4.5 до 6.5 мм. Под оболочками установлены тепловые реле с температурой отключения 95°С в виде термоконтактов KSD-9700M-95-NC. Светильники выдерживают удары молотком, нагрузки в 100 кг, абсолютно герметичны.
Рассеивающий белый пигмент, примененный в одном из светильников, частично поглощает световой поток от светодиодного источника света. Для рассеивания светового потока светильника возможно применение рассеивающего рельефа на поверхности гибкой светопропускающей оболочки. Рельеф оболочки может быть выполнен в форме одной или нескольких линз для формирования кривой силы света светильника. В светильнике могут быть применены светодиоды с излучением голубого света и удаленный люминофор, излучающий дополнительные цвета под действием излучения голубого цвета. Отдаленный люминофор может наноситься на светопропускающую оболочку или равномерно размешан в прозрачном компаунде.
В полости между установленным на теплопроводящий корпус светодиодным источником света и светопропускающей крышкой, заполняемой светопропускающим затвердевающим компаундом, может быть установлен драйвер светодиодов.
При нарушении теплообмена тепло, выделяемое светодиодами и драйвером светильника, может привести к повышению температуры светильника и к его неисправности. Для предотвращения таких ситуаций в полости, заполняемой компаундом, может быть размещено термореле с температурой отключения, соответствующей максимальной температуре элементов светильника. Термореле в виде термоконтактов KSD-9700M-95-NC, установленные в светильниках, проиллюстрированных фиг. 2, имеют низкую стоимость и высокую.
Третье изобретение группы, светодиодная лампа, иллюстрируется фиг. 3. На фиг. 3 поз. 1 - светодиодные источники света, поз. 10 - светодиоды, поз. 3 - гибкая светопропускающая оболочка, поз. 4 светопропускающий затвердевший эластичный компаунд, поз. 5 - драйвер, поз. 6 - тепловое реле, поз. 7 - держатель, поз. 8 - цоколь. В отличие от прототипа лампа имеет гибкую светопропускающую оболочку, выделенное светодиодами тепло отводится благодаря тепловым потокам в затвердевшем светопропускающем компаунде.
Технический результат - высокая надежность, прочность, низкая стоимость, достигается аналогично второму изобретению группы за счет применения гибкой светопропускающей оболочки, заполненной затвердевшим эластичным компаундом. Повышение эффективности лампы достигается за счет улучшения охлаждения светодиодов и драйвера благодаря применению теплопроводящего вещества с большим коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности применяемых в прототипе для отвода тепла газов (водород и/или гелий) при рабочих температурах светодиодов не превышает 0.2 Вт/(м⋅К). Гравитационная конвекция, оговоренная в описании прототипа, не оказывает существенного влияния на охлаждение лампы ввиду малого объема колбы. Применяемый для отвода тепла компаунд имеет теплопроводность выше, чем теплопроводность газов. Например, прозрачный затвердевающий силикон «Силагерм 2206» имеет коэффициент теплопроводности 0.4 Вт/(м⋅К). Коэффициент теплопроводности компаунда повышают путем введения в него теплопроводящих прозрачных добавок, например стеклянных микрошариков.
Температура светодиодных источников света лампы зависит от температуры оболочки, длины теплового пути от источника света до оболочки, теплопроводящих сечений тепловых потоков и коэффициента теплопроводности материала теплопровода - компаунда и выражается известным уравнением теплопроводности Фурье:
где ΔТ - разность температур между температурой источника света и оболочки лампы, Р - мощность теплового потока, L - длина теплового пути, k - коэффициент теплопроводности компаунда, S - площадь теплопроводящего сечения теплового потока.
Температура оболочки лампы обратно пропорциональна ее площади, с которой тепло рассеивается в окружающий воздух благодаря конвекции и излучению. Увеличение площади оболочки может привести к возрастанию объема лампы и соответственно к чрезмерному увеличению ее веса, что связано с плотностью наполняющего ее компаунда. Изготовление оболочки из жесткого термодеформируемого материала позволяет без технологических затрат придать ей любую форму, например, как на фиг. 4. Впадины поз .9 на фиг. 4 могут уменьшить объем и соответственно вес лампы при сохранении или увеличении площади оболочки. Кроме того, расположение светодиодного источника в выступе оболочки лампы приводит к сокращению теплового пути L и увеличению площади теплопроводящего сечения теплового потока S (уравнение теплопроводности) и таким образом к снижению температуры светодиодных источников света.
Площадь теплопроводящего сечения теплового потока S определятся площадями теплопроводных сечений, через которые направляется тепловой поток, в том числе площадью поверхности колбы, с которой происходит рассеяние тепла и площадью поверхности светодиодного источника света, с которой происходит отвод тепла. В общем случае такая площадь определятся как:
где F(x) - функция сечения переменного тела, L - длина теплового пути (теорема Гарвина). Таким образом, увеличение площади теплопроводящего сечения теплового потока S в лампе возможно за счет увеличения площади светодиодного источника света, например, увеличением площади теплопроводящей платы, на которой установлены светодиоды.
В отличие от прототипа, в лампе может отсутствовать держатель светодиодных источников света - их удержит компаунд после затвердевания. Затвердевший компаунд может выполнять функции рассеивателя, для этого в него необходимо размешать рассеивающий пигмент или полые стеклянные микросферы. В лампе могут быть применены светодиоды с излучением голубого света и удаленный люминофор, излучающий дополнительные цвета под действием излучения голубого цвета. Отдаленный люминофор может наноситься на светопропускающую оболочку или равномерно размешан в прозрачном компаунде.
Возможность практической реализации светодиодной лампы иллюстрируется фиг. 4.
Колба лампы, проиллюстрированной на фиг. 4, выполнена из компонентов, которые использовались при выполнении светодиодного светильника, проиллюстрированного на фиг. 2. Светодиодные источники света лампы выполнены в виде филаментов - светодиодных нитей, представляющих собой стеклянную или сапфировую подложку, на которой размещено множество светодиодов, покрытых общим люминофором. Применением двух цоколей возможно изготовление лампы, проиллюстрированной фиг. 6.