Светодиодная лампа с внутренним охлаждением
LED LAMP WITH INTERNAL COOLING

Изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности, к светодиодным /СД/ лампам преимущественно с объемным СД модулем, образованным совокупностью нескольких СД минимодулей, филаментов или протяженных линеек с собранными на них светодиодами с р-n переходами, генерирующими оптическое излучение, покрытыми слоем оптически прозрачного компаунда, в том числе с интегрированным в нем люминофором, изменяющим спектральный состав излучения светодиодов.
Лампы предназначены для бытового, общепромышленного и специального применения для замены ламп накаливания и газоразрядных ламп малой и средней мощности.
Известны светодиодные лампы с полым объемным СД модулем, принудительно охлаждаемым изнутри тепловыми трубами /1, 2/ или электровентиляторами /3, 4/, установленными в теплорассеивающем оребренном корпусе лампы.
Наряду с возможностями существенного повышения мощности ламп за счет интенсификации теплообмена, лампы обладают недостатками, обусловленными необходимостью усложнения конструкции, увеличения габаритов, связанных с применением металлоемких наружных радиаторов и средств принудительного охлаждения (вентиляторов), повышения стоимости.
Известна СД филаментная лампа /5/, выбранная в качестве прототипа, выполненная в герметичной светопропускающей колбе с цоколем, заполненная газом с низким коэффициентом вязкости и приемлемой теплопроводностью (гелий, водород, их смеси) под давлением 50-1500 Тор, и установленным внутри объемным СД модулем из 4-6 СД филаментов, собранных на держателе, подключенных последовательно или параллельно-последовательно между собой, к драйверу и к стандартному цоколю.
Подобные лампы разработаны в колбах традиционных ламп накаливания и имеют мощность 6-8 Вт, а дальнейшее повышение мощности связано со снижением светоотдачи и срока службы ламп.
Недостатки известной СД лампы обусловлены трудностями организации эффективного теплообмена светодиодов и филаментов с окружающим лампу пространством.
На долю конвективного теплообмена в замкнутом объеме колбы лампы согласно /6/ приходится 10% от общего отводимого тепла, а теплопроводность газов с низким коэффициентом вязкости не превышает 0,2 Вт/ (м.К.) /7/. Кроме того, в колбах ламп кроме кондуктивно-конвективного теплообмена между СД филаментами и стенками колбы происходит дополнительно взаимное нагревание СД филаментов между собой излучением, которое возрастает с увеличением их количества и мощности светодиодов, т.е. при повышении мощности лампы, а также при уменьшении габаритов колбы.
Целью предполагаемого изобретения является повышение эффективности теплообмена светодиодов и несущей их арматуры с окружающей лампу средой, повышение мощности лампы и улучшения светотехнических и эксплуатационных характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что в светодиодной лампе с внутренним охлаждением, содержащей колбу со светопропускающими стенками, заполненную оптически прозрачным теплопроводным газом, с собранными в ней объемным светодиодным модулем с двумя, тремя или большим количеством протяженных светодиодных /СД/ филаментов или СД линеек с теплопроводным основанием, подключенных между собой, с драйвером и с цоколем лампы, указанная колба лампы выполнена с коаксиально установленным трубопроводом- кондуктивно-конвективным теплообменником с арматурой трубопровода круглого, многоугольного или звездообразного поперечного сечения, герметично соединенного на противоположных концах с отверстиями в стенках колбы и образующего в ней продольный канал, пропускающий воздух-хладоноситель, и создающего внутренний радиатор охлаждения объемного СД модуля лампы с естественной тягой за счет разности температуры и давления при эксплуатации внутри трубопровода и в окружающем лампу пространстве.
Цель достигается также тем, что трубопровод теплообменника выполнен цилиндрическим, в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, из теплопроводного материала с ребрами охлаждения на поверхности, обращенной к стенкам светопропускающей колбы, формирующими ячейки вогнутых зеркализованных или диффузно рассеивающих излучение отражателей с установленными на фокальных плоскостях протяженными СД филаментами или с установленными на дне ячеек СД линейками объемного СД модуля в тепловом контакте со стенками трубопровода.
Цель достигается и тем, что протяженные ребра охлаждения выполнены на наружных и/или внутренних стенках трубопровода, имеющего шероховатую поверхность для турбулизации пограничного слоя потока воздуха-хладоносителя.
Поставленная задача решается также тем, что ребра охлаждения, выполненные на наружных стенках трубопровода и образующие вогнутые ячейки отражателей, перераспределяющих излучение светодиодов на стенки колбы, одновременно затеняют излучение соседних СД филаментов или СД линеек объемного СД модуля, исключая радиационный теплообмен между ними и ограничивая кондуктивно-конвективный теплообмен в колбе.
Достижению цели способствует и то, что арматура трубопровода теплообменника выполнена из того же материала, что и колба лампы, в частности, из силикатного стекла и зеркализована или покрыта диффузно отражающим излучение слоем в зоне, обращенной к светопропускающим стенкам колбы.
Цель достигается и тем, что арматура трубопровода теплообменника выполнена из теплопроводного металла на основе алюминиевого сплава, латуни или ковара, зеркализована в зоне, обращенной к светопропускающим стенкам колбы и герметично соединена с патрубками отверстий в стенках колбы кремний -органическим компаундом или припоем.
Решению поставленной задачи способствует также то, что протяженные СД филаменты или СД линейки объемного СД модуля собраны на кольцевых изоляторах, установленных в арматуре трубопровода и/или/на патрубках отверстий в стенках колбы.
Задача решается также тем, что драйвер заключен в защищенный корпус, выполненный из теплопроводного материала и установлен в цоколе лампы с возможностью размещения его выступающей части в канале внутреннего радиатора охлаждения теплообменника с естественной тягой с подключением средствами токоподвода к СД филаментам и СД линейкам и теплоизолирован от арматуры трубопровода воздушным зазором.
Достижению цели способствует и то, что протяженные СД филаменты или СД линейки выполнены на светодиодах синего, голубого, фиолетового или коротковолнового белого излучения, а обращенные к светодиодам внутренние стенки светопропускающей колбы покрыты слоем оптически прозрачного силикона с размешанным в нем люминофором или указанный люминофор интегрирован в стенки колбы для переизлучения коротковолнового излучения светодиодов в белый свет и рассеивания его.
Предпочтительные варианты исполнения устройства согласно изобретению показаны на чертежах.
Фиг. 1. Светодиодная лампа с внутренним охлаждением в колбе с кондуктивно-конвективным теплообменником в виде металлической арматуры трубопровода с каналом для воздуха-хладоносителя и радиатором охлаждения. Вид сбоку, частично в разрезе и с поперечным сечением А-А.
Фиг. 2. Светодиодная лампа с внутренним охлаждением теплообменником со стеклянной арматурой трубопровода для воздуха-хладоносителя. Вид сбоку, частично в разрезе с сечением А-А.
Показанная на фиг. 1. светодиодная лампа с внутренним охлаждением содержит стеклянную или выполненную из оптического поликарбоната колбу 1 со светопропускающими стенками, заполненную оптически прозрачным газом преимущественно с низким коэффициентом вязкости и повышенной теплопроводностью, с собранным в ней объемным светодиодным (СД) модулем 2 с двумя, тремя или большим количеством протяженных СД линеек 3 с теплопроводным основанием со светодиодами 4 или СД филаментами (см. фиг. 2).
СД линейки 3 подключены последовательно или параллельно последовательно между собой и к электронному преобразователю питающей сети - к драйверу 5, установленному в цоколе 6 лампы.
Коаксиально установленный внутри колбы 1 протяженный объемный СД модуль 2 собран на стенках трубопровода 7 арматуры 8, изготовленной из теплопроводного материала преимущественно на основе алюминиевого сплава с наружной поверхностью в форме усеченной пирамиды с фланцем 9, несущим и герметизирующим колбу. Арматура 8 выполнена с горловиной 10, трубопровода 7 - кондуктивно-конвективного теплообменника с продольным каналом 11 для истечения воздуха-хладоносителя (показан стрелками) и имеет круглое, многоугольное или звездообразное сечение, в частности, шестиугольное поперечное сечение.
Арматура 8 трубопровода 7 герметично соединена на противоположных концах с патрубками отверстий в стенках колбы 1 и таким образом образует продольный канал 11, пропускающий воздух-хладоноситель, создавая тем самым внутренний радиатор с ребрами 12 и 13 охлаждения лампы сестественной тягой за счет разности температуры и давления внутри трубопровода 7 при эксплуатации и в окружающем лампу пространстве.
Для повышения эффективности охлаждения внутреннего объема колбы, выполненный из теплопроводного материала трубопровод 7, содержит вышеупомянутые ребра охлаждения 12 на поверхности, обращенной к светопропускающим стенкам колбы. Дополнительно ребра охлаждения 13 могут быть выполнены также на внутренних стенках трубопровода 7. Ребра охлаждения 12 образуют протяженные вогнутые зеркализованные ячейки отражателей 14, которые могут иметь параболо-цилиндрическую или параболо-коническую форму отражающей поверхности, т.е. выполнены с профилем параболы в поперечном сечении.
При этом ребра охлаждения 12 ячеек 14, выполненные на наружных стенках трубопровода 7, образуя светоотражающие ячейки, одновременно полностью или частично затеняют излучение остальных СД филаментов СД модуля или боковое излучение СД линеек, исключая радиационный теплообмен между ними и ограничивают кондуктивно-конвективный теплообмен в колбе.
Арматура 8 трубопровода 7 теплообменника выполнена из теплопроводного материала, в частности из алюминиевого сплава, латуни или ковара методом литья под давлением, экструзией или штамповкой с последующей гибкой, сваркой и зеркализацией зон, обращенных к светопропускающим стенкам колбы.
Открытые концы арматуры 8 трубопровода 7 т.е. горловину 10 и основание, приваренное к фланцу 9 трубопровода 7 герметично соединяют с осевыми отверстиями в стенке колбы 1 лампы кремний-органическим компаундом или оловянным припоем с последующим вакуумированием и заполнением колбы рабочим газом с приемлемой теплопроводностью, например, смесью гелия и водорода с добавкой азота для повышения электрической пробивной прочности смеси.
На горловине 10 арматуры 8 установлен кольцевой изолятор 15 для монтажа и последовательного или параллельно-последовательного подключения токоведущих выводов СД линеек модуля 2 между собой и последующего подключения к кабельным средствам токоподвода, установленным в каналах одного или двух полых кронштейнов 16, соединяющих СД модуль 2 со вторым кольцевым изолятором 17, на котором собран цоколь с подключением к выступающему из него в канал воздухопровода 11 драйвер 5, охлаждаемый потоком воздуха-хладоносителя /показано стрелками на фиг. 1/ при эксплуатации лампы. Драйвер 5отделен воздушным зазором 18 от фланца 9 арматуры 8, уменьшая теплообмен между ними/8/.
Второй вариант исполнения СД лампы с внутренним охлаждением /см. фиг. 2 предусматривает монтаж в протяженной колбе 19, изготовленной из силикатного стекла, коаксиально внутри объемного СД модуля 20, образованного СД филаментами 21, арматуры 22 трубопровода 23 теплообменника, выполненной из того же материала, что и колба лампы.
Для повышения теплообмена стенки внутри трубопровода 23 теплообменника могут иметь шероховатую поверхность для турбулизации пограничного слоя потока воздуха-хладоносителя.
Наружная поверхность трубопровода 23 зеркализована слоем 24 алюминия или покрыта диффузноотражающим излучение слоем моноокиси кремния и обеспечивает отражение части излучения СД филаментов 21 объемного СД модуля на светопропускающие стенки колбы 19.
На наружных боковых стенках трубопровода 23 могут быть изготовлены разделяющие СД филаменты ребра охлаждения со светоотражающими стенками, формирующие ячейки, перераспределяющие излучение светодиодов на стенки колбы /на фиг. 2 не показано/.
Стенки открытых концов трубопровода 23 арматуры 22 приварены к краям аксиальных отверстий в стенках колбы 19.
СД филаменты объемного СД модуля лампы последовательно или параллельно-последовательно подключены между собой, собраны на стенках арматуры 22 и подключены к драйверу 25 и к цоколю 26 лампы.
Оба варианта конструкции СД ламп построены на СД линейках или СД филаментах со светодиодами малой или средней мощности белого свечения, например, серии XL amp X-ТЕ компании CREE или с использованием СД филаментов компании «ГАУСС ИНТ.ГРУПП ЛТД», КНР.
+3
В лампах могут быть использованы светодиоды синего, голубого, фиолетового или коротковолнового белого излучения, применяемых названными компаниями. При этом обращенные к светодиодам и СД филаментам внутренние светопропускающие стенки колбы покрывают слоем оптически прозрачного силикона с размешанным в нем люминофором, преимущественно на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного церием/ YAG: Се/, переизлучающим большую часть коротко-волнового излучения светодиодов в белое свечение и рассеивающим его. Указанный люминофор может быть интегрирован в стенки колбы для выполнения той же функции.
Предложенные варианты СД ламп с внутренним охлаждением обеспечивают повышение эффективности теплообмена светодиодов и СД филаментов в колбах 50 - 100 мм с окружающей лампу средой и/или увеличивают их мощности более чем в 3 раза, повысив при этом светоотдачу и срок службы за счет комбинированного ограничения теплообмена излучением, теплоизоляции драйвера от колбы лампы воздушным зазором и кондуктивно-конвективного теплообмена, организованного внутренним радиатором охлаждения с естественной тягой.
Литература
1. В.В. Сысун «Мощная светодиодная лампа с охлаждением». Патент RU №2568105, опубл. Бюл. 31, 10.11.2015 г.
2. В.В. Сысун «Светодиодная лампа с охлаждением тепловой трубой». Патент RU №2636747, опубл. Бюл. 34, 30.09.2016 г.
3. С. Никифоров, А. Архипов. «Ремикс по-светотехнически». Ж. Полупроводниковая светотехника», 2014, №5, с. 8-15.
4. С.Ю. Буланова, В.В. Сысун. «Мощная светодиодная лампа с принудительным охлаждением». Патент RU №2577679, опубл. Бюл. 8, 20.03.2016 г.
5. Г.Э. Шибао. и др. «Светодиодная лампа». Патент Китая RU №2546469, опубл. 10.04.2015, Бюл. 10
6. Доброзраков И.Е. «Светодиодная филаментная лампа «Лисма»: новое слово на рынке источников света», Ж. «Светотехника», №5, 2015, с. 48-50.
7. С. Титков. «Способ конструирования осветительного устройства». Ж. «Современная светотехника», №5/43/, 2016, с. 29.
8. В.В. Сысун. «Светодиодная лампа». Патент RU №2464488, опубл. Бюл. 29, 20.10.2012 г.