СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к светотехнике, в частности, к конструкциям осветительных устройств на светодиодах, предназначенных для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.
В последнее время широкое распространение получили светодиодные осветительные устройства, которые, кроме высокой световой отдачи и малого энергопотребления, обладают целым рядом других уникальных свойств: большим сроком службы, высоким уровнем безопасности, компактностью, малым весом, стойкостью к механическим воздействиям, чистотой цвета, направленностью излучения и др.
Основной проблемой в промышленном освоении светодиодных осветительных устройств является отвод выделяемого светодиодами тепла. При использовании мощных светодиодов, например, в изготовлении уличных светильников, возникает возможность перегрева светодиодов при эксплуатации, что приводит к уменьшению светоотдачи, срока службы и надежности работы светильников.
Известны различные способы отвода тепла в осветительных устройствах, работающих на светодиодах. Большинство из них пространственно не разделяют источник тепла (светодиоды) и сброс тепла (радиатор), так что светодиоды обычно размещены на всей поверхности радиатора и это заметно сужает функциональные возможности этих систем охлаждения для интенсификации теплообмена и увеличения их срока эксплуатации.
Известны светодиодные осветительные устройства - светильники (патент РФ на изобретение №2313199, МПК Н05В 33/02, F21S 4/00, опубликован 20.12.2007), содержащие секции светодиодов, соединенные с блоком питания, который подключен к питающей сети переменного напряжения, в которых в качестве радиатора охлаждения использован корпус светильника, выполненный из теплопроводящего материала, например из алюминия, при этом секции светодиодов установлены на радиаторе охлаждения. Кроме того, в качестве радиатора охлаждения может быть использован блок металлических элементов, расположенный как на корпусе, так и внутри корпуса, а для увеличения рассеиваемой тепловой мощности секций светодиодов радиатор охлаждения может иметь принудительное охлаждение поверхности, например, при помощи нагнетающего вентилятора.
Недостатком известного светильника является недостаточно эффективный отвод тепла от светодиодов при повышенных тепловых нагрузках, что приводит к повышению температуры светодиодов и, как следствие, к снижению эксплуатационной надежности светильника и сокращению срока службы светильника.
Известно устройство охлаждения светодиодной матрицы (патент РФ на полезную модель №56558, МПК F21V 29/00, опубликован 10.09.2006), предназначенное для использования в различных светотехнических приборах, заменяющих лампы накаливания, включающее радиатор, снабженный вентилятором, и термоэлектрический модуль, составленный из элементов, работающих на эффекте Пельте, который размещен между радиатором и светодиодной матрицей (подложкой с размещенными на ней светодиодами), установленной на теплопроводящем слое.
Предложенная конструкция устройства охлаждения позволила снимать со светодиодной матрицы практически все выделяемое на ней тепло и передавать его на радиатор и в окружающее пространство, частично повысить светоотдачу светодиодной матрицы; при стабильно невысоких температурах позволила увеличить срок службы светодиодов и, следовательно, осветительных устройств, работающих на их основе. Кроме того, за счет более интенсивного охлаждения, можно подавать на светодиодную матрицу большие величины токов, тем самым, увеличивая к.п.д. и мощность матрицы и осветительного устройства в целом.
Однако известное устройство охлаждения имеет ряд недостатков:
- дополнительные энергозатраты, необходимые для питания термоэлектрического модуля;
- ограниченный срок службы и дополнительный вес термоэлектрического модуля
- наличие механического вентилятора для обдува радиатора, что требует частую его замену из-за поломок движущихся частей, особенно в жестких климатических условиях.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции светодиодного осветительного устройства при увеличении эффективности отвода тепла от светодиодов, снижение энергозатрат и увеличение срока службы осветительного устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что в светодиодном осветительном устройстве, содержащем светодиоды, размещенные на теплопроводящей металлической подложке и соединенные с блоком питания, радиатор и теплопередающую систему, установленную между подложкой со светодиодами и радиатором, теплопередающая система, выполнена в виде замкнутого двухфазного контура, заполненного теплоносителем, и включает испарительную камеру с паровой и жидкостной полостями, паропровод и конденсатопровод, соединенные с испарительной камерой и конденсатором, при этом конденсатор размещен в корпусе радиатора, а подложка со светодиодами смонтирована на испарительной камере.
В качестве теплопроводящей металлической подложки может быть использована, по меньшей мере, одна из поверхностей испарительной камеры, а светодиоды закрыты оптически прозрачным колпаком, закрепленным по периметру поверхности испарительной камеры.
Паропровод, конденсатопровод, и конденсатор теплопередающей системой могут быть выполнены из гибких трубок, конденсатор выполнен в форме змеевика, при этом радиатор с размещенным в нем конденсатором могут быть изготовлены литьем под давлением, а сам радиатор установлен в любом месте с максимальной естественной и/или вынужденной конвекцией.
Теплопередающая система, из которой предварительно откачан воздух, заполнена теплоносителем в количестве, равном 2/3 от внутреннего объема испарительной камеры, и с температурой замерзания ниже климатической.
Блок питания может быть снабжен функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях, при этом блок питания светодиодов с функциональными датчиками может быть установлен на поверхностях испарительной камеры.
В осветительном устройстве для возврата конденсата в испарительную камеру использованы капиллярные или гравитационные силы.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема светодиодного осветительного устройства.
Осветительное устройство содержит испарительную камеру 1 с паровой 2 и жидкостной 3 полостями, паропровод 4 и конденсатопровод 5, соединенные с испарительной камерой 1 и конденсатором 6, выполненным в виде змеевика и размещенным в корпусе радиатора 7, образующие теплопередающую систему, выполненную в виде замкнутого двухфазного контура. Паропровод 4, конденсатопровод 5, и конденсатор 6 теплопередающей системой могут быть выполнены из гибких трубок, при этом радиатор 7 с размещенным в нем конденсатором 6 могут быть изготовлены литьем под давлением, а сам радиатор 7 установлен в любом месте с максимальной естественной и/или вынужденной конвекцией.
g
В зависимости от месторасположения радиатора 7 в осветительном устройстве для возврата конденсата используют капиллярные или гравитационные силы: если радиатор 7 расположен выше испарителя 1, то после конденсации пара в конденсаторе 6, конденсатопровод 5 имеет столб жидкости с перепадом давления (ΔP), обеспечивающим возврат конденсата в испаритель 1, тем самым, замыкая испарительно-конденсационный цикл и обеспечивая циркуляцию теплоносителя. Если же испаритель 1 расположен выше или на одном горизонте с радиатором 7, то для организации циркуляции теплоносителя используется капиллярная структура, расположенная в испарителе 1, которая при испарении теплоносителя обеспечивает капиллярное давление, необходимое для возврата теплоносителя от конденсатора 6 к испарителю 1.
Светодиоды 8, размещены на теплопроводящей металлической подложке 9, в качестве которой использована нижняя поверхность испарительной камеры 1. Светодиоды 8 закрыты оптически прозрачным колпаком 10, закрепленным по периметру нижней поверхности испарительной камеры 1. На верхней поверхности испарительной камеры 1 расположены блоки питания 11 светодиодов 8 с функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях, которые покрыты колпаком 12.
Теплопередающая система, из которой предварительно откачан воздух, заполнена теплоносителем в количестве, равном 2/3 от внутреннего объема испарительной камеры 1, и с температурой замерзания ниже климатической.
Например, в южных районах, где температура воздуха в зимний период не ниже +5ºС в качестве теплоносителя может быть использована дистиллированная вода, а в северных районах с температурой воздуха в зимний период ниже +5ºС в качестве теплоносителя могут быть использованы метанол, ацетон, этанол, температура замерзания которых ниже -60ºС.
Осветительное устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения на светодиоды 8, они излучают световую энергию, при этом происходит выделение тепловой энергии, которая через подложку 9 передается жидкости, находящейся в жидкостной полости 3 испарителя 1. Жидкость испаряется или кипит (в зависимости от плотности теплового потока), превращаясь в пар и выделяя скрытую теплоту парообразования (которая высока у большинства жидкостей и превышает их теплоемкость в сотни раз), при этом давление пара в паровой полости 2 больше давления пара в конденсаторе 6, из-за разности температур между ними, и пар устремляется по паропроводу 4 в конденсатор 6, где конденсируется и отдает скрытую теплоту при превращении пара в жидкость конденсатору 6 и от него посредством радиатора 7 в окружающую среду. Образовавшийся конденсат возвращается по конденсатопроводу 5 в жидкостную полость 2 за счет действия гравитационных или капиллярных сил, тем самым, замыкая испарительно-конденсационный цикл теплопередачи.
Использование в качестве насоса для обеспечения циркуляции теплоносителя гравитационных или/и капиллярных сил, приводит к отсутствию движущихся частей в системе транспорта теплоносителя и к существенному увеличению срока службы.
Предлагаемая конструкция осветительного устройства позволяет трансформировать тепловую энергию от светодиодов, которые компактно расположены на металлической подложке, имеющей размер существенно меньше размеров радиатора, пространственно (от 10 см до нескольких метров) разделять источник (светодиоды) и сток тепла (радиатор), что, вместе с отсутствием движущихся деталей в системе охлаждения, создает положительный эффект, обусловленный увеличением термодинамической эффективности (за счет использования большой скрытой теплоты парообразования и в свободе размещения радиатора в местах наиболее интенсивной теплоотдачи при естественной и/или вынужденной конвекции) и функциональных возможностей предлагаемой конструкции системы охлаждения. Это приведет к уменьшению потребляемой энергии, увеличению светоотдачи светодиодной матрицы и срока ее службы при повышении эксплуатационной надежности всего устройства в целом.