СВЕТОДИОДНАЯ ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ ЛАМПА С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
LED-BASED LIGHTING LAMP WITH FLUID COOLING

Область технического применения
Настоящее изобретение относится к области светодиодного освещения, в частности к светодиодным лампам с жидкостным охлаждением.
Предпосылки создания изобретения
С учетом нарастающего глобального дефицита электроэнергии экономия электроэнергии в будущем будет представлять собой очень важную проблему.
Источники света четвертого поколения, именуемые светодиодными источниками света или источниками зеленого свечения, характеризующиеся низким потреблением электроэнергии, низким вредным воздействием на окружающую среду, длительным сроком службы, малыми габаритами и т.д., имеют широкое применение в различных устройствах, например дисплеях, гирляндах, устройствах подсветки, светильниках общего освещения, устройствах ночного фасадного освещения и т.д. В области освещения изделия из светодиодов привлекают широкое внимание как экологические осветительные системы нового типа, определяющие тенденции будущего развития, и двадцать первый век можно считать новой эрой освещения с использованием светодиодных светильников.
Свечение светодиодных чипов вызвано рекомбинацией электронов, и при малом токе они выделяют малое количество тепла, однако использование чипов в светодиодных осветительных лампах большой мощности требует наличия большого тока, сопровождаемого выделением большого количества тепла и, следовательно, высокими рабочими температурами.
Основным фактором, влияющим на яркость свечения светодиода, служит температура светодиодного чипа (рабочая температура p-n перехода); которая, как правило, не превышает 120 градусов и составляет предпочтительно около 100 градусов; повышение температуры перехода на 10 градусов приводит к уменьшению светового потока на 1%, смещению основной длины волны светового излучения на 1 нм и соответствующему сокращению срока службы. Таким образом, при проектировании светодиодных источников света необходимо учитывать степень рассеяния тепла.
Кроме того, объем светодиодного чипа очень мал и он может быть использован в качестве точечного источника света, обладающего высокой направленностью (свет, излучаемый чипом, является линейным, отклонение луча света незначительно), что подразумевает относительно малый угол освещения, при этом степень освещенности быстро уменьшается при отклонении от этого угла, и света не хватает для освещения больших пространств. Для решения проблемы малого угла освещения известно использование освещения с помощью трубчатых светодиодных ламп, при этом арматура для ламп расположена с большой плотностью, что повышает стоимость конструкции, снижает охлаждающую способность и приводит к утрате эффекта экономии электроэнергии.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в создании светодиодной лампы с жидкостным охлаждением, обладающей хорошими теплоотводящими свойствами и простой конструкцией.
Для решения поставленной задачи в настоящем изобретении предложена светодиодная осветительная лампа с жидкостным охлаждением, отличающаяся тем, что она содержит цоколь, сердцевинный элемент и колбу, охватывающую периферию сердцевинного элемента, полость которой заполнена силиконовой жидкостью, обеспечивающей теплообмен, в которую погружен один конец указанного сердцевинного элемента, на другом конце которого указанная колба герметично соединена с цоколем.
Поставленная задача может быть далее усовершенствована за счет приведенных ниже технических решений.
2
Коэффициент вязкости указанной силиконовой жидкости составляет 5-800×10 Па·с.
-2
Коэффициент вязкости указанной силиконовой жидкости составляет 5-5000×10 Па·с.
Указанной силиконовой жидкостью могут служить метилсиликоновая жидкость, этилсиликоновое масло, фенил силиконовая жидкость, водородсодержащая метилсиликоновая жидкость, метил-фенил силиконовая жидкость, метил-хлорфенил силиконовое масло, метил-этоксильное силиконовое масло, метил-трифторпропиловое силиконовое масло, винилметилсиликоновое масло, метилгидросиликоновое масло, водородсодержащее этилсиликоновое масло, водородсодержащее гидроксисиликоновое масло и цианидсодержащее силиконовое масло.
Настоящее изобретение имеет следующие положительные свойства: светодиодная осветительная лампа с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению обладает:
1) простой конструкцией и технологичностью;
2) хорошими теплоизоляционными свойствами и энергоэффективностью.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 схематически показана структурная схема первого варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.2 схематически показана структурная схема сердцевинного элемента первого варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.3 показан вид в разрезе второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.4 схематически показана структурная схема светодиодного источника освещения с широким углом рассеяния второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.5 схематически показана структурная схема проводящей системы второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.6 показан вид в разрезе проводящей системы второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.7 показана схема сборки чипов светодиодного источника освещения с широким углом рассеяния второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.8 показан вид сверху узла чипов светодиодного источника освещения с широким углом рассеяния второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.9-12 показаны схемы сборки сердцевинного элемента второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению;
На Фиг.13-17 показаны схемы сборки второго варианта светодиодной лампы с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению.
На чертежах цифрами обозначены:
1 - цоколь лампы;
2 - сердцевинный элемент лампы;
21 - держатель расположенных рядами светодиодов;
22 - соединительная деталь;
6 - светодиодный источник освещения с широким углом рассеяния;
61 - проводящая система;
611 - держатель положительного электрода (анода);
6111 - опорный стержень;
6112 - призматическая головка, выполненная в виде прямой призмы;
612 - держатель отрицательного электрода (катода);
6121 - призматическая установочная опора, выполненная в виде прямой призмы;
61221 - паз для установки линзы;
6122 - позиционирующий стержень;
6123 - резьбовой стержень;
6124 - полый цилиндрический канал;
62 - линза;
63 - соединительный провод;
7 - металлическая трубка;
8 - стержень сердцевинного элемента лампы;
3 - колба лампы;
4 - силиконовая жидкость;
5 - корпус устройства накапливания мощности возбуждения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачи, технические решения и преимущества настоящего изобретения станут очевидными на основе приведенного ниже подробного описания светодиодной ламы с жидкостным охлаждением, рассмотренного вместе с чертежами и примерами. Следует понимать, что рассмотренные конкретные примеры осуществления изобретения приведены исключительно для объяснения настоящего изобретения и не ограничивают его объем.
Пример 1
Светодиодная осветительная лампа с жидкостным охлаждением (Фиг.1) содержит цоколь 1, сердцевинный элемент 2 и колбу 3, охватывающую периферию сердцевинного элемента 2, полость которой заполнена силиконовой жидкостью 4, обеспечивающей теплообмен, в которую погружен один конец указанного элемента 2, на другом конце которого указанная колба 3 герметично соединена с цоколем 1.
2
Предпочтительно коэффициент вязкости указанной силиконовой жидкости составляет 5-800×10 Па·с.
-2
Предпочтительно коэффициент вязкости указанной силиконовой жидкости составляет 5-5000×10 Па·с.
Указанной силиконовой жидкостью предпочтительно могут служить метилсиликоновая жидкость, этилсиликоновое масло, фенил силиконовая жидкость, водородсодержащая метилсиликоновая жидкость, метил-фенил силиконовая жидкость, метил-хлорфенил силиконовое масло, метил-этоксильное силиконовое масло, метил-трифторпропиловое силиконовое масло, винилметилсиликоновое масло, метилгидросиликоновое масло, водородсодержащее этилсиликоновое масло, водородсодержащее гидроксисиликоновое масло и цианидсодержащее силиконовое масло.
Указанный сердцевинный элемент 1 (Фиг.2) предпочтительно содержит держатель 21 для расположенных рядами светодиодов, окруженный печатной платой на основе алюминия, на каждой боковой поверхности которого и верхней поверхности одного его конца расположено множество массивов светодиодных чипов, причем другой конец держателя 21 соединен с соединительной деталью 22, герметично соединенной, в свою очередь, с цоколем 1. Алюминиевая печатная плата обладает превосходной теплопроводностью, вследствие чего теплопроводность держателя светодиодов также очень хорошая. Тепло, выделяемое большим количеством светодиодных чипов, может быть передано держателю светодиодов, а поскольку расстояния между силиконовой жидкостью и держателями светодиодов различны, то температуры будут также различны, что приводит к образованию конвекционного тока, отводящего лишнее тепло держателей светодиодов; при этом площадь контакта колбы с атмосферным воздухом велика, что способствует рассеянию тепла.
Указанный держатель для расположенных рядами светодиодов 21 предпочтительно выполнен полым, а на каждой его боковой поверхности выполнено множество отверстий. Тепло, выделяемое множеством светодиодных чипов, передается держателю светодиодов, при этом образуется разность температур силиконовой жидкости между внешней поверхностью и полой частью держателя светодиодов, и скорость рассеиваемого тепла может быть увеличена за счет конвекции силиконовой жидкости между внешней поверхностью и полой частью держателя светодиодов через множественные отверстия.
Указанный держатель светодиодов 21 предпочтительно может быть частично или полностью погружен в указанную силиконовую жидкость 4.
Пример 2
На Фиг.3 в качестве примера осуществления изобретения показана светодиодная осветительная лампа с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению, которая содержит цоколь 1, сердцевинный элемент 2, колбу 3, силиконовую жидкость 4, обеспечивающую теплообмен и корпус 5 устройства накапливания мощности возбуждения; отличающаяся тем, что указанная колба 3 охватывает периферию сердцевинного элемента 2, а полость колбы 3 заполнена силиконовой жидкостью 4, в которую погружен один конец указанного сердцевинного элемента 2, другой конец которого герметично соединен с цоколем 1 через корпус 5 устройства накапливания мощности возбуждения, имеющий жесткое соединение с указанной колбой 3.
2
Коэффициент вязкости указанной силиконовой жидкости предпочтительно составляет 5-800×10 Па·с.
-2
Коэффициент вязкости указанной силиконовой жидкости предпочтительно составляет 5-5000×10 Па·с.
Указанной силиконовой жидкостью предпочтительно могут служить метилсиликоновая жидкость, этилсиликоновое масло, фенил силиконовая жидкость, водородсодержащая метилсиликоновая жидкость, метил-фенил силиконовая жидкость, метил-хлорфенил силиконовое масло, метил-этоксильное силиконовое масло, метил-трифторпропиловое силиконовое масло, винилметилсиликоновое масло,
метилгидросиликоновое масло, водородсодержащее этилсиликоновое масло, водородсодержащее гидроксисиликоновое масло и цианидсодержащее силиконовое масло.
Указанный сердцевинный элемент 2 (Фиг.4) содержит светодиодный источник освещения с широким углом рассеяния 6, содержащий проводящую систему 61, линзу 62, светодиодный чип и соединительный провод 63.
Указанная проводящая система 61 (Фиг.5 и 6) состоит из держателя положительного электрода 611 и держателя отрицательного электрода 612, пространство между которыми заполнено изоляционной теплопроводящей пластмассой, т.е. держатели положительного 611 и отрицательного 612 электродов являются соответственно электропроводящими, а пространство между ними является изоляционным и теплопроводящим. Держатель положительного электрода 611 соединен с положительным электродом цепи, а держатель отрицательного электрода 612 соединен с отрицательным электродом цепи.
Держатель положительного электрода 611 содержит опорный стержень 6111, на конце которого расположена призматическая головка 6112, выполненная в виде прямой призмы, нижняя поверхность которой имеет форму правильного восьмиугольника. Радиус призматической головки 6112 длиннее радиуса опорного стержня 6111, а длина опорного стержня 6111 превышает длину держателя отрицательного электрода 612.
На держателе отрицательного электрода 612 сверху вниз последовательно расположены призматическая установочная опора 6121, выполненная в виде прямой призмы, позиционирующий стержень 6122 (описание его работы будет приведено ниже) и резьбовые стержни 6123 (описание их функции также будет приведено ниже). Нижняя поверхность призматической установочной опоры 6121, выполненной в виде прямой призмы, имеет форму правильного восьмиугольника; резьбовой стержень 6123 имеет самый короткий радиус, радиус призматической установочной опоры 6121 имеет промежуточное значение, а радиус позиционирующего стержня 6122 имеет самое большое значение. В центральной части держателя отрицательного электрода 612 по всей его длине в продольном направлении выполнен полый цилиндрический канал 6124, радиус которого ненамного превышает радиус опорного стержня 6111, но короче радиуса призматической головки 6112. На верхней поверхности позиционирующего стержня 6122 выполнен кольцевой паз 61221, внутри которого закреплена линза 62.
Указанный опорный стержень 6111 держателя положительного электрода 611 проходит сквозь указанный полый канал 6124 и может выступать за пределы нижнего конца держателя отрицательного электрода 612 с помощью призматической головки 6112, размещенной на верхней части призматической установочной опоры 6121.
Как показано на Фиг.7 и 8, светодиодный чип закреплен на верхней поверхности призматической головки 6112 и каждой боковой поверхности призматической установочной опоры 6121. Положительный (отрицательный) электрод светодиодного чипа соединен с держателем положительного электрода 611 (держателем отрицательного электрода 612) через соединительный провод 63. После крепления светодиодного чипа и установки светодиодного источника освещения с большим углом рассеяния, на позиционирующем стержне 6122 может быть образован участок, к которому может быть приложен крутящий момент, (на котором может быть использован торсион) упрощающий крепление и установку.
Светодиодным источником освещения с большим углом рассеяния по настоящему примеру осуществления изобретения может служить сферический светодиодный источник, угол освещения которого больше 270 градусов, а световой эффект приближен к световому эффекту обычных ламп накаливания; следовательно, такие источники могут заменить обычные лампы накаливания, обеспечивая при этом экономию электроэнергии на 90%. В современном светодиодном источнике освещения светодиодные чипы расположены на полигональной поверхности, и только один светодиодный чип расположен на боковой поверхности, образуя, таким образом, бабочкообразное световое пятно. В светодиодном источнике освещения с большим углом рассеяния по настоящему примеру осуществления изобретения светодиодные чипы расположены на верхней поверхности призматической головки 6112 и на полигональной поверхности, вследствие чего световое излучение имеет сферическую форму.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения внутрь паза для установки линзы 61221 может быть добавлен герметик и обработан методом технического прессования, обеспечивающим установку линзы с высокой степенью герметичности светодиодного источника освещения с большим углом рассеяния, что значительно повышает уплотнительный эффект.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения светодиодным чипом служит синий светодиодный чип, а в линзу 62 добавлен флуоресцирующий порошок для возбуждения белого свечения, относительное содержание которого не превышает 10%. Возбуждение белого свечения имеет место при прохождении через линзу голубых лучей света. Добавление в линзу 62 флуоресцирующего порошка для возбуждения белого свечения вызывает необходимость выполнения операции выявления пятен флуоресцирующего вещества (клея) на чипах светодиодов синего (голубого) свечения для значительного повышения эффективности производства и снижения процента дефектных изделий; позволяет снизить погрешность измерения координат цвета и предотвратить недостаточную интенсивность свечения вследствие наличия флуоресцирующего порошка, а также недостаточную эффективность преобразования голубого свечения, излучаемого синим светодиодным чипом, в свечение белого цвета.
В предпочтительном примере осуществления изобретения сборка держателя положительного электрода 611 и держателя отрицательного электрода 612 с элементами может быть осуществлена методом литьевого прессования. Литьевое прессование с элементами представляет собой своего рода процесс заливки пластмассы в форму под давлением методом впрыска, согласно которому пластмасса может быть впрыснута в пространство между двумя или более частями, т.е. служит средством формирования целого из нескольких частей.
В предпочтительном примере осуществления изобретения держатель положительного электрода 611 и держатель отрицательного электрода 612 обработаны сырой медью, а их поверхности покрыты чистым серебром или чистым золотом для увеличения электропроводности.
В примере осуществления изобретения призматической головкой 6112, выполненной в виде прямой призмы, является любая прямая призма с 3-10 гранями.
Указанный сердцевинный элемент 2 содержит светодиодный источник освещения с большим углом рассеяния 6, а также включает в себя металлическую трубку 7 и стержень сердцевинного элемента 8 и изолирован в пространстве между ними; причем указанная металлическая трубка 7 соединена с держателем положительного электрода 611, а стержень сердцевинного элемента 8 соединен с держателем отрицательного электрода 612.
На внутренней стенке одного конца стержня сердцевинного элемента 8 выполнена резьба, а на внешней боковой стенке другого его конца выполнен паз. Металлическая трубка 7 и опорный стержень 6111 имеют муфтовое соединение, стержень сердцевинного элемента 8 тесно связан с резьбовым стержнем 6123, резьба которого покрыта теплопроводящим герметиком, а пространство между металлической трубкой 7 и стержнем сердцевинного элемента 8 также заполнено теплопроводящим герметиком, таким образом металлическая трубка 7 соединена с положительным электродом цепи, а стержень сердцевинного элемента 8 соединен с отрицательным электродом цепи. Конец сердцевинного элемента и горловина колбы лампы уплотнены методом прессования, таким образом, колба лампы 3 герметично заполнена силиконовой жидкостью 4, обеспечивающей теплообмен.
Положительный (отрицательный) электрод сердцевинного элемента лампы соединен с положительным (отрицательным) электродом устройства задания мощности возбуждения, а положительный (отрицательный) электрод устройства задания мощности соединен с положительным (отрицательным) электродом цоколя 1.
Способ изготовления светодиодной лампы с жидкостным охлаждением состоит в следующем.
Операция 1
Как показано на Фиг.9, металлическая трубка 7 закреплена во внешнем гнезде опорного стержня 6111 методом уплотнения по диаметру, таким образом металлическая трубка 7 и держатель положительного электрода 611 образуют положительный электрод.
Операция 2
Как показано на Фиг.10 и 11, стержень сердцевинного элемента 8 тесно соединен с резьбовым стержнем 6123, резьба которого покрыта теплопроводящим герметиком, пространство между металлической трубкой 7 и стержнем сердцевинного элемента 8 также заполнено теплопроводящим герметиком, таким образом стержень сердцевинного элемента 8 и держатель отрицательного электрода 612 образуют отрицательный электрод, а пространство между положительным электродом и отрицательным электродом изолировано и проводит тепло.
Операция 3
Дно паза сердцевинного элемента 2 покрыто герметиком (Фиг.12).
Таким образом, сборка сердцевинного элемента 2 завершена.
Операция 4
Как показано на Фиг.13, колба 3 лампы через горловину может быть заполнена определенным количеством силиконовой жидкости, обладающей высокой теплопроводностью.
Операция 5
Сердцевинный элемент 2 (Фиг.14 и 15) помещен в колбу лампы 3, паз сердцевинного элемента и горловина колбы 3 лампы могут быть уплотнены методом прессования после нанесения герметика, обеспечивая, таким образом, герметичность силиконовой жидкости в колбе 3; при этом светодиодный источник освещения с большим углом рассеяния полностью погружен в силиконовую жидкость, обладающую высокой теплопроводностью, а т.к. линза 62 установлена методом технического прессования, то в светодиодном источнике освещения с большим углом рассеяния силиконовая жидкость отсутствует.
Таким образом, завершена сборка сердцевинного элемента 2 и колбы лампы 3.
Операция 6
Корпус 5 устройства накапливания мощности возбуждения (Фиг.16) соединен с колбой лампы 3 с помощью штыкового патрона, а положительный (отрицательный) электрод сердцевинного элемента 2 соединен с положительным (отрицательным) электродом устройства задания мощности возбуждения.
Операция 7
Корпус 5 устройства накапливания мощности возбуждения (Фиг.16) соединен с цоколем лампы 1, а положительный (отрицательный) электрод устройства 5 соединен с положительным (отрицательным) электродом цоколя 1 лампы.
Сборка светодиодной лампы с жидкостным охлаждением завершена.
Тепло, выделяемое светодиодными чипами, входящими в состав светодиодной лампы с жидкостным охлаждением, может рассеиваться следующими способами.
Тепло, выделяемое светодиодными чипами, расположенными на каждой стороне призматической установочной планки, может поступать на позиционирующий стержень и далее в силиконовую жидкость, обеспечивая теплоотвод через позиционирующий стержень с последующим рассеиванием тепла. Часть тепла, выделяемого светодиодными чипами, расположенными на верхней поверхности призматической головки, выполненной в виде прямой призмы, рассеивается через держатель положительного электрода и длинную металлическую трубку; а часть этого тепла поступает на позиционирующий стержень через призматический установочный стержень, выполненный в виде прямой призмы, и далее, через позиционирующий стержень, в теплоотводящую силиконовую жидкость, обеспечивая рассеяние тепла.
Светодиодная осветительная лампа с жидкостным охлаждением по настоящему изобретению обладает простой конструкцией и технологичностью, имеет большой угол освещения и хорошие теплопередающие свойства, а также обеспечивает экономию электроэнергии.
В заключение необходимо отметить, что специалистами в данной области могут быть выполнены различные изменения и модификации настоящего изобретения без выхода за пределы его сущности и объема. Таким образом, если эти модификации и изменения являются частью формулы настоящего изобретения в пределах объема технических эквивалентов, то настоящее изобретение охватывает эти изменения и модификации.