ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

- Область техники
Решение относится к полупроводниковой светотехнике, а именно, к световому оборудованию на основе светодиодов высокой мощности, приспособленному для освещения площадей, улиц и магистралей, в частности, имеющих движение транспортных средств.
- Уровень техники
Светодиоды, являются эффективным источником света, обладают низким потреблением электроэнергии и большим сроком службы.
Однако использование для указанного применения мощных светодиодов создает проблему с рассеиванием выделяемого ими тепла. Температурный режим работы светодиодов заметно влияет на срок их службы. Проблема термодинамического равновесия становится тем острее, чем более мощный световой поток необходимо получить для создания нормируемой освещенности.
При охлаждении светодиодов наибольшее значение имеют теплообмен конвекцией и излучением. Предпочтительным является естественный теплообмен между поверхностью средства охлаждения и окружающей средой без применения принудительных средств охлаждения. Эффективность теплообмена конвекцией зависит от площади поверхности теплообмена и разности температур на границе раздела сред. В этом случае распространение тепла в пространстве осуществляется за счет перемещения воздушной среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой.
Меньшую долю в процессе теплообмена имеет излучение. Однако в некоторых случаях, когда снижение температуры охлаждаемой поверхности даже на несколько градусов оказывает существенное влияние на работоспособность источников света, организация беспрепятственного излучения с поверхности охлаждения имеет решающее значение.
Протекание процессов лучистого теплообмена определяется взаимным расположением в пространстве поверхностей, обменивающихся теплом с окружающей средой, и ее свойствами.
Широко известно использование радиаторов для охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры («Конструирование приборов» под ред. В.Краузе / изд. «Машиностроение», Москва, 1987 г, том 1, с.300)
Известен уличный светильник, в котором светодиоды размещены на радиаторе, поверхность которого охлаждается за счет естественной конвекции нагретого воздуха с поверхности радиатора (CN 101650016 (А), МПК F21V 29/00, опубликовано 17.02.2010).
Использование более мощных светодиодов требует принудительного охлаждения поверхности радиатора. Для этого устройство дополняют вентилятором, как это описано в заявке KR 20110022921 (А), МПК F21S 2/00, опубликованой 08.03.2011, а также в патенте RU 95068, МПК F21S 13/10, опубликованом 10.06.2010.
Механическое увеличение габаритов радиатора или повышение интенсивности принудительного охлаждения приводит к снижению надежности устройства и повышению материалоемкости, что существенно удорожает конструкцию.
Большие возможности для решения проблем теплоотвода имеет тепловая труба, обладающая на два порядка большей теплопроводностью, чем самый теплопроводный металл. При этом имеется возможность быстрого отвода избыточного тепла от светодиодов и перенос его в отдаленную зону конденсации, где установлено средство теплового рассеяния. Такое решение позволяет уменьшить тепловую нагрузку на источники света, оптимизировать процесс теплоотвода и уменьшить материалоемкость устройства. Однако при этом появляется проблема стабильности конвекционного охлаждения с поверхности средства охлаждения в период работы осветительного устройства. Создание теплового баланса между избыточным количеством тепла, выделяемого светодиодами и количеством тепла рассеиваемого с поверхности радиатора, должно обеспечить поддержание рабочей температуры светодиодов.
Известно светодиодное осветительное. устройство, содержащее источники излучения, размещенные на участке испарения тепловой трубы, на участке конденсации которой установлен узел охлаждения, выполненный в виде ребристого радиатора (KR 101022485 (В1), МПК F21S 2/00, опубликовано 15.03.2011).
Главным недостатком аналога является конструкция радиатора. Теплообмен с поверхности радиатора будет сильно затруднен, поскольку плотность размещения ребер не только ограничивает эффективную конвекцию воздуха, но и препятствует тепловому излучению.
Аналогичные недостатки свойственны и другим известным решениям, использующим тепловую трубу: патент CN 201206803 (Y), опубликован 11.03.2009 и патент CN 201246715 (Y), опубликован 27.05.2009.
Известно решение, содержащее источники излучения, размещенные на участке испарения тепловой трубы, на участке конденсации которой установлен узел охлаждения, выполненный в виде радиатора, ребра охлаждения которого закреплены радиально к поверхности тепловой трубы (KR 10103650 (В1), МПК F21V 29/00, опубликовано 29.04.2011).
Недостатком известного решения является нерациональная форма средства охлаждения, часть поверхности которого практически не участвует в процессе теплообмена, поскольку у основания ребер мала разность температур между средами, между которыми происходит теплообмен и конвекционное охлаждение и тепловое излучение происходит в основном с удаленных участков поверхности радиатора..
Ближайшим аналогом полезной модели выбрано решение по патенту KR 10103650 (В1), описывающее изделие того же назначения, что и заявленное и содержащее наибольшее количество сходных существенных признаков.
Техническим результатом заявленного решения является оптимизация конвекционного и радиационного теплообмена между поверхностью радиатора и окружающей средой при одновременном уменьшении материалоемкости и габаритов средства охлаждения.
- Описание сущности решения
Развитость поверхности теплообмена может быть обеспечена ее формой, например, наличием ребер, возвышающихся над поверхностью теплообмена и/или нанесением на нее теплопроводящего покрытия, имеющего развитую поверхность.
Как следует из закона Ламберта максимальное излучение тепловой энергии происходит в направлении нормали к поверхности теплообмена и пропорционалено косинусу угла между ними. Для целей данной заявки может быть сформулировано общее требование, определяющее возможность максимального использования теплового излучения с поверхности теплообмена, в соответствии с которым нормаль к участку поверхности теплообмена не должна пересекать смежную поверхность теплообмена. В частном случае, для варианта выполнения развитой поверхности в виде ребер, общее требование может быть сформулировано следующим образом: угол β между смежными участками поверхности теплообмена выбран из выражения: β≥90°.
Для поддержания рабочего диапазона темпертур в интервале 30-80°С, теплоотвод может быть обеспечен за счет увеличения поверхности или придания ей развитой структуры, например, рифленной или складчатой формы, и/или путем нанесения сплошного или частичное покрытия, имеющего высокую излучательную способность М в диапазоне длин волн 3-20 мкм. В качестве простейшего варианта такого покрытия может быть использована теплопроводная краска, например, на основе оксида алюминия.
Заявленное решение характеризуется следующей совокупностью признаков:
Осветительное устройство, содержащее светодиоды, размещенные в зоне испарения тепловой трубы, и средство охлаждения, установленное в зоне конденсации тепловой трубы и снабженное поверхностью теплообмена, отличающееся тем, поверхность теплообмена выполнена в виде совокупности участков, нормаль к поверхности каждого из которых не пересекает смежный участок поверхности теплообмена, а излучательная способность М поверхности теплообмена в спектральном диапазоне 3-20 мкм выбрана из выражения:
0,2<М<0,9, где:
М - излучательная способность поверхности теплообмена.
В качестве развивающих признаков, дополняющих вышеприведенную совокупность, необходимо отметить особое выполнение формы тепловой трубы, участок конденсации которой образует тупой угол с участком испарения. Указанная форма обусловлена необходимостью свободного стекания конденсата теплоносителя обратно в зону испарения и возможностью варьирования габаритами системы охлаждения устройства.
- Краткое описание чертежей.
Решение иллюстрируется следующими графическими материалами:
на фиг.1 показано осевое сечение осветительного устройства с прямолинейной тепловой трубой;
на фиг.2 показано поперечное сечение устройства, изображенного на фиг.1;
на фиг.3 показано осевое сечение варианта заявленного устройства с изогнутой тепловой трубой.
Осветительное устройство (фиг.1 и фиг.2)содержит тепловую трубу 1, в зоне 1' испарения которой закреплена пластина 2, на которой размещены светодиоды 3. В зоне 1" конденсации тепловой трубы 1 установлено средство охлаждения 4, снабженное развитой поверхностью в виде ребер охлаждения 5. Поверхность теплообмена с анодированной поверхностью, имеющая излучателеную способность 0,4 на длине волны 5 мкм. Величина угла между теплообменными поверхностями 5 составляет 95°.
Вариант с изогнутой тепловой трубой 1 иллюстрируется на фиг.3. Как видно из чертежа, тепловая труба 1 имеет зону испарения 1', а участок конденсации 1" расположен к нему под углом, немногим больше 90°. Для получения дополнительных преимуществ в этом варианте, средство охлаждения 4 может иметь четыре ребра (не показаны), размещенные симметрично вдоль тепловой трубы 1.
- Возможность промышленного применения
Приведенные в описании варианты осветительного устройства не являются исчерпывающими. Они могут быть изменены или заменены эквивалентными решениями для достижения конретного технического результата. Средство охлаждения может быть получено методом экструзии. Изготовление других элементов конструкции осветительного устройства может быть осуществлено с использованием известных средств, на автоматизированном оборудовании с применением программного управление.