Мощная филаментная светодиодная лампа
POWERFUL FILAMENT LED LAMP

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности, к светодиодным /СД/ лампам с объемным СД модулем, образованным совокупностью нескольких филаментов, каждый из которых представляет собой протяженную линейку с собранными на ней и подключенными между собой маломощными светодиодами /чипами/ с р-п переходами, генерирующими излучение, покрытыми слоем оптически прозрачного компаунда, в том числе с интегрированным в нем люминофором.
Лампы предназначены для бытового, общепромышленного и специального применения для замены ламп накаливания и газоразрядных ламп малой и средней мощности /1, 2/.
Известны /3, 4/ филаментные СД лампы, выбранные в качестве прототипа, выполненные в герметичной светопропускающей колбе со стандартным цоколем, заполненные газом с низким коэффициентом вязкости и сравнительно высокой теплопроводностью /гелий, водород, их смеси/ под давлением 50-1520 Тор, и установленным внутри объемным СД модулем, образованным из 4-6 филаментов 1-1,3 Вт, собранных на держателе. Филаменты в виде стеклянны, из прозрачной керамики, пластмассы или металлических линеек /лент/ со светодиодами подключены последовательно или параллельно-последовательно между собой, к драйверу и к стандартному цоколю лампы.
Подобные лампы разработаны и освоены в колбах традиционных ламп накаливания /ЛН/ мощностью 2-8 Вт для замены ЛН мощностью до 75 Вт.
Недостатки известных ламп связаны с трудностями организации эффективного теплообмена чипов филамента с окружающим лампу пространством. На долю конвективного теплообмена в замкнутом объеме колбы лампы согласно /2/ приходится ~10% от отводимого тепла, а теплопроводность газов с низким коэффициентом вязкости не превышает 0,2 Вт/м.К /5/. Кроме того, в колбах ламп кроме кондуктивно-конвективного теплопереноса между филаментами происходит дополнительно взаимное нагревание филаментов излучением, т.е. нагревание друг друга излучением филаментов в колбе, которое возрастает с увеличением их количества в лампе.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение теплофизических и светотехнических параметров и повышение мощности ламп за счет увеличения количества и/или мощности филаментов в лампе.
Поставленная цель достигается тем, что в мощной филаментной светодиодной /СД/ лампе, содержащей колбу, заполненную оптически прозрачным газом, объемный СД модуль с тремя, четырьмя или большим количеством собранных на держателе филаментов в виде прозрачной стеклянной или металлической ленты с установленными в тепловом контакте на одной или на обеих сторонах светодиодами /чипами/, последовательно или параллельно-последовательно подключенных между собой, с драйвером и с цоколем, указанные каждый СД филамент объемного СД модуля сопряжен с продольно вогнутым экраном-отражателем, совместно образующими арматуру, перераспределяющую экранированную часть потока оптического и теплового излучения чипов и филаментов на стенки колбы, причем экраны-отражатели затеняют оптическое и ограничивают передачу теплового излучения чипов всех СД филаментов объемного СД модуля, исключая взаимное воздействие излучения между ними и ограничивая кондуктивно-конвективный теплообмен.
Цель достигается также тем, что перераспределяющие экранированную часть потока излучения СД филаментов экраны-отражатели выполнены в виде совокупности вогнутых ячеек единой полой кольцевой арматуры из теплопроводного материала, например, на основе алюминия, установленной на держателе филаментов или на сопрягаемой с ним части колбы.
Цель достигается и тем, что держатель СД филаментов выполнен протяженным из того же материала что и колба лампы, например, из силикатного стекла, в виде совокупности протяженно вогнутых ячеек единой полой кольцевой арматуры или стеклянного штабика с аналогичными ячейками на боковых стенках, покрытыми слоем, отражающим оптическое и тепловое излучение СД филаментов, и приваренных к стенкам колбы.
Задача решается также тем, что каждый, обращенный к стенкам колбы продольно вогнутый экран-отражатель, перераспределяющий излучение в колбе лампы, имеет параболо-цилиндрическую или параболо-коническую форму отражающей излучение поверхности с установленным на фокальной линии СД филаментом.
Цель достигается и тем, что на светопроницаемых филаментах объемного СД модуля установлены в тепловом контакте и электрически подключены между собой светодиоды /чипы/, покрытые вместе с филаментом слоем оптически прозрачного компаунда, например, на основе силикона.
Достижению цели способствует также выполнение филаментов в виде металлических лент, преимущественно из никеля, латуни или нержавеющей стали, покрытых теплопроводным компаундом, с установленными на них в тепловом контакте на одной или на обеих сторонах последовательно или параллельно-последовательно подключенными между собой светодиодами, покрытыми вместе с филаментами слоем оптически прозрачного компаунда на основе силикона.
В одном из вариантов исполнения цель достигается тем, что СД филаменты выполнены на светодиодах синего, голубого или фиолетов излучения и покрыты слоем оптически прозрачного силикона с интегрированным в него люминофором, переизлучающим большую часть коротковолнового излучения указанных светодиодов в белое свечение и рассеивающим его.
Цель также может быть достигнута тем, что филаменты объемного СД модуля выполнены на светодиодах синего, голубого или фиолетового излучения, покрыты слоем оптически прозрачного силикона, а внутренние стенки колбы покрыты слоем силикона с интегрированным в него люминофором или указанный люминофор интегрирован в стенки колбы для переизлучения коротковолнового излучения вышеуказанных светодиодов в белый свет и рассеивания его.
Решению поставленной задачи может способствовать монтаж каждого филамента объемного СД модуля в тепловом контакте со стенками экрана отражателя на дне его вогнутой части.
Цель достигается также тем, что подключенный к светодиодам филаментов объемного СД модуля драйвер установлен в полости кольцевой арматуры указанного СД модуля и/или в сопряженном с колбой цоколе лампы.
Наиболее предпочтительные варианты исполнения устройства по изобретению показаны на чертежах.
Фиг. 1. Мощная филаментная СД лампа с металлической кольцевой арматурой из параболо-конических экранов-отражателей. Вид сбоку, частично в разрезе и с поперечным сечением А-А.
Фиг. 2. Мощная филаментная СД лампа со стеклянной кольцевой арматурой из параболо-цилиндрических экранов-отражателей. Вид сбоку, частично в разрезе и с сечением А-А.
Показанная на фиг. 1 мощная филаментная светодиодная /СД/ лампа содержит типовую заполненную оптически прозрачным газом светопропускающую колбу 1, преимущественно из теплопроводного стекла, внутри которой установлен объемный светодиодный модуль 2 с тремя, четырьмя или большим количеством собранных на держателе 3 филаментов 4, каждый из которых выполнен в виде линейки /ленты/, с установленными в тепловом контакте на одной или обеих сторонах светодиодами 5 /чипами/, которые последовательно или параллельно-последовательно подключены на каждом из упомянутых филаментов между собой. При этом филаменты 4 также последовательно или параллельно-последовательно подключены между собой и к преобразователю питающей сети - драйверу 6 и к цоколю 7 лампы.
Каждый СД филамент 4 объемного СД модуля 2 сопряжен с ячейкой продольно вогнутого экрана-отражателя 8, т.е. установлен в его световом центре. Экраны-отражатели 8 совместно образуют арматуру 9 произвольной конфигурации, а преимущественно кольцевую арматуру со световыми центрами отражателей, равноудаленными от стенок колбы 1 лампы, перераспределяющую экранированную часть отраженного потока оптического и теплового излучения светодиодов /чипов/ и филаментов 4 на стенки колбы 1, причем, экраны-отражатели 8 при этом затеняют оптическое излучение и ограничивают передачу теплового излучения всех филаментов 4 объемного СД модуля 2 между собой, исключая взаимное воздействие излучения между ними и ограничивая кондуктивно-конвективный теплообмен в колбе, что обеспечивает существенное снижение температуры светодиодов 5 и несущих их лент филаментов за счет организации передачи тепла на ее стенки и цоколь лампы, преимущественно в результате радиационного теплообмена излучением.
Перераспределяющие экранированную часть потока излучения СД филаментов 4 экраны-отражатели 8 могут быть индивидуально установлены на держатель выводов филаментов /на фиг. не показано/ или выполнены в виде единой полой, преимущественно кольцевой арматуры 9 из теплопроводного материала, например, на основе алюминия, установленной основанием 10 на держателе 3 филаментов 4, а возможно и в тепловом контакте с ним.
Арматура 9 экранов-отражателей 8 может быть собрана также на сопрягаемой с держателем части колбы 1, в том числе с механическим креплением на ее вершине /на фиг. не показано/.
Каждый, обращенный рабочей поверхностью к стенкам колбы 1 продольно вогнутый экран-отражатель 8 арматуры 9, зеркализован со стороны, обращенной к указанным стенкам и перераспределяет излучение внутри колбы. Ход лучей в ячейке арматуры лампы показан стрелками на фиг. 2б.
Экраны-отражатели 8 имеют параболо-коническую форму отражающей излучение поверхности с установленными на фокальных линиях 00' СД филаментами 4, формирующими объемный СД модуль 2 в виде усеченней пирамида /или усеченного конуса/, боковые ребра /или образующие/ которых созданы на линиях разделения указанных ячеек, т.е. экранов-отражателей между собой. На светопроницаемых или непрозрачных филаментах 4 объемного СД модуля 2 установлены в тепловом контакте и электрически подключены между собой светодиоды 5 /чипы/, покрытые вместе с основанием - филаментом слоем оптически прозрачного компаунда, преимущественно на основе силикона.
Основание филаментов 4 может быть выполнено из теплопроводного силикатного стекле, из светопропускающей керамики, пластмассы /из оптического поликарбоната/ или в виде металлических линеек /лент/, преимущественно из никеля, латуни, нержавеющей стали, покрытых теплопроводным изоляционным компаундом. На лентах монтируют в тепловом контакте на одной или на обеих сторонах последовательно или параллельно-последовательно подключенные между собой светодиоды 5 /чипы/, также покрытые вместе с лентой филамента слоем оптически прозрачного компаунда, преимущественно на основе силикона, в том числе с интегрированным, т.е. размешанным в нем люминофором при использовании чипов коротковолнового излучения.
Показанный на фиг. 2 второй вариант конструкции мощной СД лампы содержит протяженный объемный СД модуль-держатель 11 СД филаментов 4, выполненный из того же материала, что и цилиндрическая колба 12 лампы, преимущественно из силикатного стекла, в виде совокупности протяженно вогнутых ячеек 13, т.е. экранов-отражателей единой полой кольцевой арматуры 14.
Каждая ячейка, т.е. экран-отражатель 13 представляет собой параболо-цилиндрический отражатель, на фокальной линии 00' которого установлен СД филамент 4, и которые совместно образуют СД модуль с последовательно подключенными между собой токопроводящими перемычками 15, механически удерживающими филаменты в арматуре 14 указанного модуля.
Стеклянные стенки 13 арматуры 14 покрыты слоем 16, отражающим оптическое и тепловое излучение СД филаментов 4, например, зеркализованы или покрыты диффузно-рассеивающей излучение моноокисью кремния.
Арматура 14 с обращенными к стенкам колбы 12 продольно вогнутыми экранами-отражателями 13 с филаментами приварена к стенкам колбы в нижней ее части, примыкающей к цоколю лампы.
Стеклянная арматура с экранами-отражателями может иметь форму, аналогичную той, которая предложена для первого варианта исполнения лампы, показанной на фиг. 1.
Кольцевая арматура, несущая филаменты и перераспределяющая оптическое и тепловое излучение в колбе, может быть выполнена в виде стеклянного штабика с продольно вогнутыми ячейками экранов-отражателей на боковых стенках, приваренного к стеклянному держателю, в том числе, с механическим креплением свободного конца на вершине цилиндрической колбы лампы /на фиг. не показано/.
Еще в одном варианте исполнения СД лампы монтаж каждого филамента объемного СД модуля допускает выполнение в тепловом контакте непосредственно со стенками экрана-отражателя арматуры на дне его вогнутой части /на фиг. не показано/.
Преобразователь питающей сети, т.е., драйвер 17 целесообразно установить в полости 18 арматуры 14 /показано пунктиром на фиг. 2б/, но возможно также монтаж его в цоколе 19 лампы.
+3
Филаменты 4, выполненные с применением светодиодов синего, голубого или фиолетового излучения, покрывают слоем оптически прозрачного силикона с интегрированным /размешанным в нем/ люминофором, преимущественно на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного церием /YAC:Се/, переизлучающим большую часть коротко-волнового излучения светодиодов в белое свечение и рассеивающим его.
Вместе с тем, изготовленные на вышеуказанных светодиодах 5 филаменты 4 объемного СД модуля 2 /фиг. 1/ или 11 /фиг. 2а, б/ могут быть защищены слоем оптически прозрачного силикона и заключены в стеклянную или из оптического поликарбоната колбу 1 или 12 с внутренними стенками также покрытыми слоем 20 /см. фиг. 2/ силикона /или другого оптически прозрачного компаунда/ с интегрированным в него упомянутым выше люминофором или этот люминофор содержится в стенках колбы лампы для переизлучения коротковолнового излучения светодиодов филаментов в белый свет и рассеивания его.
Стеклянные колбы предложенных ламп заполнены не взаимодействующим с конструкционными материалами прозрачным при температурах эксплуатации газом, преимущественно с низким коэффициентом вязкости для интенсификации конвективного теплообмена и приемлемым коэффициентом теплопроводности, в частности, гелием, неоном, водородом, их смесями с добавкой азота для повышения электрической прочности смеси, состава 15% азота, 20% гелия и не более 65% водорода при давлении 0,3-0,9 бар.
Одноатомные и двухатомные газы с симметричными молекулами являются прозрачными для теплового излучения при низких и умеренных температурах /6, с. 23/, что гарантирует эффективный теплообмен излучением в колбах, заполненных перечисленными выше смесями газов.
Эффективность теплообмена излучением в светодиодных лампах достигает 83% по сравнению с охлаждением за счет конвекции /17%/, что иллюстрируется в работе /7/ на примере соотношения теплового сопротивления в тепловом процессе охлаждения корпуса лампы в газообразной среде.
Выполнение колб филаментных ламп и арматуры 14 модуля из силикатного стекла имеет ощутимое преимущество по сравнению с оптическим поликарбонатам, т.к. это стекло имеет в 5 раз более высокую теплопроводность, на 13-20% увеличенное светопропускание в полосе спектра 500-650 нм и в 6 раз более высокую абразивостойкость.
Металлическая кольцевая арматура 9 /см. фиг. 1/ с параболо-коническими экранами-отражателями 8 изготовлена из тонко-листовой алюминиевой полосы толщиной 0,5-1,0 мм методом штампования в развернутом виде с последующим формованием арматуры 9 в форме обечайки, устанавливаемой совместно с филаментами 4 на основании 10 и/или держателе 3.
Стеклянная кольцевая арматура 14 /см. фиг. 2а, б/ с параболо-цилиндрическими ячейками экранов-отражателей 13 изготовлена из того же материала, что и колба лампы, в частности, из силикатного стекла, например, методом формования нагретой заготовки из размягченного стекла или литья расплавленного стекла в заданную форму оснастки, с с последующей зеркализацией наружной рабочей поверхности экранов-отражателей, монтажа филаментов 4, драйвера 17 в арматуре или в цоколе, и приваривания сборки держателя 11 объемного СД модуля к стенкам колбы 12 лампы.
Предложенные варианты мощных филиментных СД ламп позволяют удвоить количество применяемых в них филаментов в колбах ∅60×100 мм и/или увеличить их мощность в 2-2,5 раза в габаритах ламп накаливания, сохранив или повысить при этом светоотдачу ламп за счет существенного улучшения теплофизических параметров при использовании теплообмена излучением.
Литература.
1. Абрашкина М., Доброзраков И. и др. "Филамент светодиодный на смену вольфрамовой спирали." Ж. "Полупроводниковая светотехника" №4, 2015, с. 6-10.
2. Доброзраков И.E. "Светодиодная филаментная лампа "Лисма": новое слово на рынке источников света". Ж. "Светотехника", №5, 2015, с. 48-50.
3. Шигао Г.Э. и др. "Светодиодная лампа". Пат. Китая RU №2546469, кл. F21V 19/00. Публ. 10.04.2015, Бюл. №10.
4. Силкин Е.М. "Светодиодная филаментная лампа". Пол. модель RU №164748, кл. F21S 8/00, Публ. 10.09.2016, Бюл. №25.
5. Титков С. "Способ конструирования осветительного устройства…" Ж. "Современная светотехника", №5/43/, 2016, с. 29.
6. Э.М. Сперроу, Р.Д. Сеес. "Теплообмен излучением". Изд. "Энергия". Л.0., 1971, с. 23.
7. Мотойа, Каи М. и др. "Управление тепловым режимом светодиодных ламп". Ж. "Полупроводниковая светотехника", №4, 2011, с. 43-45.