СВЕТОДИОДНЫЙ ПРОЖЕКТОР
LED-BASED LIGHTSPOT

Область техники
Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при изготовлении светотехнического оборудования для архитектурной подсветки зданий, спортивных площадок, театральных и концертных залов, городских площадей, аэропортов, железнодорожных объектов.
Уровень техники
Светодиоды, являются эффективным источником света, обладают низким потреблением электроэнергии и большим сроком службы, способны создавать высокоинтенсивные световые потоки, достаточные для нормированного освещения больших площадей со значительного расстояния.
Однако использование для указанных применений мощных светодиодов создает проблему с рассеиванием выделяемого светодиодами тепла. При этом стабильность яркости светодиодов заметно зависит от температуры кристалла светодиода. Проблема создания термодинамического равновесия становится тем острее, чем более мощный световой поток необходимо получить для создания требуемой освещенности. Особенно актуальной эта проблема становится при использовании светодиодов в устройствах, предназначенных для создания длительной работы.
Известно светодиодное осветительное устройство, содержащее общую для множества светодиодов плату, размещенную внутри конического корпуса, принудительное охлаждение которых осуществляется вентиляторами, размещенными на оси лампы внутри и вне ее корпуса (патент CN 2937826, МКИ F21V 29/00, опубл. 22.08.2011).
Недостатком известного решения является отсутствие вариативности в характеристиках светового потока. Их изменение возможно только при качественной замене светодиодов. Размещение на общей, установленной поперек корпуса плате большого количества светодиодов затрудняет их охлаждение. Этим объясняется наличие в известном решении нескольких вентиляторов.
Известна высокомощная светодиодная лампа, предназначенная для автомобиля, содержащая общий держатель четырех светодиодов, установленный с возможностью теплообмена на широком торце фланцеобразной стойки, снабженной радиатором, спаренным с вентилятором (патент CN 201297550, МКИ F21S 8/10, опубл. 26.08.2009).
Известна высокомощная светодиодная лампа, содержащая общую плату со множеством светодиодов и преобразователь переменного тока, размещенные в общем герметичном корпусе (патент CN 201028328, МКИ F21S 2/00, опубл. 27.02.2008).
Недостатком известного решения является размещение на общей, установленной поперек корпуса плате большого количества светодиодов, что затрудняет их охлаждение.
Известна высокомощная светодиодная лампа, содержащая цилиндрический корпус и установленные на его оси общая плата со множеством светодиодов, размещенную на радиаторе, источник питания, устройство управления и вентилятор (KR 100907618, МКИ F21V 29/00, опубл. 14.07.2009).
Недостатком известного решения является размещение на общей плате большого количества светодиодов, что затрудняет их охлаждение. Кроме того, принудительному охлаждению источников излучения препятствуют также радиатор, расположенный между платой и вентилятором на пути охлаждающего потока.
Известно светодиодное осветительное устройство для сценического освещения, содержащее цилиндрический корпус и установленную на его оси плату с источником излучения. Это может быть один или множество светодиодов. Плата закреплена на радиаторе, за которым установлены источник питания, вентилятор и устройство управления (WO 2009033051, МКИ F21S 8/00, опубл. 12.03.2009).
Принудительному охлаждению источников излучения препятствуют плата со светодиодами и радиатор, расположенный на пути охлаждающего потока. Известное решение по заявке WO 2009033051 является ближайшим аналогом заявленного изобретения по основным конструктивным признакам и назначению.
Техническим результатом изобретения является улучшение теплового режима работы источников излучения за счет создания эффективного охлаждающего потока. Другим результатом является технологичность и взаимозаменяемость светодиодных модулей. В качестве дополнительного положительного результата можно указать простоту сборки и обслуживания светодиодного прожектора.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.
Светодиодный прожектор, содержащий источники излучения в виде светодиодов, оптическую систему, размещенную перед светодиодами, средство рассеяния тепловой энергии, имеющее развитую поверхность, отличающийся тем, что каждый из светодиодов установлен с возможностью теплового контакта с торцевой поверхностью одного из регулярно размещенных и одинаково направленных в пространстве теплопроводных стержней, развитая боковая поверхность которых образует открытые воздуховодные каналы.
Под термином «стержень» заявителем понимается деталь удлиненной формы, длина которой превышает его ширину и которая обычно является осевой или опорной частью, например, круглого, квадратного или иного сечения.
Возможно монолитное выполнение теплопроводный стержней. В этом случае теплопроводные стержни не имеют внутри каких-либо специальных полостей.
Для целей изобретения важным является высокая теплопроводность стержней. В случае выполнения стержней монолитными приходится учитывать стоимость подходящих для этих целей материалов. Оптимальным для целей изобретения следует считать выполнение стержней из алюминия или его сплавов. Деталь необходимой формы из этого металла может быть получена литьем или экструзией.
Выражение «развитая боковая поверхность» означает такую поверхность теплообмена теплопроводного стержня, которая способна обеспечить рассеивание выделяемой светодиодом тепловой энергии при помощи принудительного потока воздуха или свободной конвекции. Учитывая, что высокомощные светодиоды в прожекторе располагаются в малом объеме пространства, принудительное охлаждение является предпочтительным, а в некоторых случаях и единственно возможным для обеспечения долговременной работы светодиодов прожектора. Конструктивно признак «развитая боковая поверхность» может быть реализован, например, в виде продольных ребер, плоская поверхность теплообмена которых является естественным продолжением боковой цилиндрической поверхности стержней. Величину поверхности теплообмена можно, в частности, регулировать путем изменения длины стержня, что практически не потребует изменения конструкции смежных узлов и деталей.
В качестве варианта устройства следует указать возможность выполнения теплопроводных стержней в виде тепловых трубок, размещенных в полости цилиндрического радиатора, ребра которого можно рассматривать как продолжение поверхности теплообмена теплопроводного стержня. Учитывая возможности минимизации теплового сопротивления между поверхностью тепловой трубки и радиатором, такая комбинация понимается заявителем как соответствующая содержанию признака «теплопроводный стержень и его развитая боковая поверхность».
Для простоты дальнейшего изложения светодиод, установленный на теплопроводном стержне, и его развитая боковая поверхность именуются «светодиодный модуль».
Признак «открытые воздуховодные каналы» следует понимать как незамкнутую часть пространства, ограниченную поверхностями теплообмена развитой боковой поверхности теплопроводных стержней.
В качестве дополняющих и развивающих признаков можно указать следующие:
- элементом развитой боковой поверхности теплопроводных стержней могут являться пластины с плоской поверхностью, которых может быть несколько, и некоторые из них могут содержать вспомогательные элементы крепления;
- светодиодный прожектор содержит четыре светодиодных модуля, по существу параллельных в пространстве и соединенных общей неэлектропроводной деталью. Для удобства сборки и/или обслуживания прожектора, боковая поверхность светодиодных модулей снабжена направляющими, выполненными с возможностью образования поступательной пары с поверхностью неэлектропроводной соединительной детали. В случае агрегатирования четырех электрически изолированных светодиодных модулей образуется оптимальный вариант светодиодного прожектора, именуемый в дальнейшем «светодиодный блок».
Для корректировки желаемой цветовой температуры суммарного светового потока достаточно установить один или несколько светодиодных модулей, оснащенных светодиодом, создающим излучение в требуемой области спектра. Например, в случае использования в светодиодном блоке трех модулей с белым светодиодом, четвертый может быть с красным спектром излучения, в совокупности создающих «теплый» белый цвет. Подробное описание возможных комбинаций источников излучения для получения результирующего светового потока с желаемой цветовой температурой не является целесообразным, так как индивидуальные характеристики такого устройства зависят от конкретных потребностей освещения.
Оптическая система прожектора может включать рефлекторы около светодиодов, корректирующие линзы или световоды, функцию которого выполняет осевая полость, выполненная в цилиндрическом радиаторе (далее именуется - узел световода), установленном на той же торцевой поверхности теплопроводного стержня, что и светодиод. Узел световода, кроме дополнительного охлаждения источника излучения, определяет апертуру светового потока, излучаемого светодиодным модулем. Необходимо отметить, что корректировка апертуры светового потока возможна также индивидуальными линзами.
Источник питания и контроллер выполнены в виде электронной сборки на плате и устанавливаются вдоль оси прожектора так, чтобы не препятствовать движению воздушного потока охлаждения по воздушным каналам вдоль теплопроводного стержня.
В источник питания может быть встроен контроллер, управляющий интенсивностью света каждого светодиода, его выключением и включением, а также беспроводной модем для дистанционного управления работой каждого светодиода, снабженного идентификационным номером.
Следует указать на возможность объединения нескольких светодиодных блоков, целесообразность мультиплицирования которых зависит от решаемой задачи. Например, для создания освещения спортивного состязания, проходящем на открытом стадионе, могут быть объединены 16 светодиодных блоков.
Перечень графических материалов
На фиг.1 показано объемное изображение теплопроводного стержня, снабженного развитой боковой поверхностью;
на фиг.2 - объемное изображение светодиодного блока с установленными светодиодами;
на фиг.3 - объемное изображение показанного на фиг.2 светодиодного блока в разобранном виде;
на фиг.4 - объемное изображение светодиодного блока, снабженного вариантом оптической системы в виде рефлекторов;
на фиг.5 - объемное изображение светодиодного блока с удаленной для наглядностиполовиной;
на фиг.6 - объемное изображение светодиодного блока;
на фиг.7 - мультиплицированный прожектор, содержащий 16 светодиодных блока.
Теплопроводный стержень 1 (фиг.1) светодиодного модуля имеет торцевую поверхность 2 и развитую боковую поверхностью 3, образованную комбинацией цилиндрических поверхностей с образующей, параллельной оси теплового стержня 1. Элементы крепления 4 сформированы на развитой боковой поверхности 3. Развитая боковая поверхность 3 теплопроводного стержня 1 образует воздуховодные каналы 5.
Светодиодный блок (фиг.2) содержит четыре светодиодных модуля (фиг.1), каждый из которых оснащен высокомощным светодиодом 6, закрепленным на торце 2 теплопроводного стержня 1. Под «высокомощным» понимается светодиод, генерирующий световой поток не менее 200 люмен. При помощи соединительной детали 7 и элементов крепления 4 на разветвленной боковой поверхности 3 каждого теплового стержня 1 светодиодные модули объединены в светодиодный блок.
Светодиодный блок (фиг.3) оснащен средством 8 создания направленного воздушного потока, выполненным в виде вентилятора 15, установленного в корпусе 9. Плата 10 источника питания и контроллера размещена вдоль оси светодиодного блока.
Оптическая система 11, показанная на фиг.4, выполнена в виде блока рефлекторов 12, смонтированных на решетчатом основании 13, позволяющем беспрепятственно проходить сквозь нее охлаждающему воздушному потоку.
В другом варианте (на чертежах не показан) оптическая система включает световод, установленный так, чтобы его оптическая ось совпадала с оптической осью светодиода, а торцевая поверхность радиатора световода находилась в тепловом контакте с элементами развитой боковой поверхности теплопроводного стержня светодиодного модуля. Такое расположение узла световода позволяет изменять характеристики светового потока и обеспечивать дополнительное охлаждение светодиода. Важно отметить, что для обеспечения эффективного отвода тепла радиатор световода не должен перекрывать движения воздушного потока вдоль теплопроводного стержня.
Возможность промышленного применения
Приведенные в описании варианты комбинаций элементов светодиодного прожектора не являются исчерпывающими. Они могут быть изменены для реализации конкретных целей освещения. Элементы конструкции светодиодного прожектора имеют простые формы, которые могут быть изготовлены с использованием известных средств, имеющих автоматизированное управление.