МОЩНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА С ОХЛАЖДЕНИЕМ
HIGH-POWER LED LAMP WITH COOLING

Изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к светодиодным /СД/ лампам с объемным СД-модулем на мощных светодиодах, требующих охлаждения при эксплуатации, со встроенными или вынесенными из лампы преобразователями питающей сети /вторичными источниками питания/.
Такие лампы мощностью, превышающей 15-20 Вт, могут быть использованы для замены газоразрядных ламп /ГРЛ/ высокого давления типа ДРЛ, ДРИ, ДНаТ с громоздкими электромагнитными или электронными пускорегулирующими аппаратами /ПРА/.
Лампы предназначены для применения в светильниках для освещения открытых пространств, цехов предприятий, промышленного выращивания растений, освещения дорог, а также для использования в специальной светотехнике, например во взрывозащищенных светильниках, аэродромных светосигнальных приборах, навигационных маяках и т.п.
Заменяемые ГРЛ, наряду с увеличенными массогабаритными показателями, имеют неудовлетворительное качество света, невысокие светоотдачу и срок службы, низкие экологические показатели из-за использования ртути, а также достаточно высокую стоимость.
a
Например лампы ДРЛ мощностью 125-250 Вт имеют светоотдачу ~56 лм/Вт и низкий индекс цветопередачи R=40-60, а срок службы 12-20 тыс. часов, заметно уступая светодиодам.
Вместе с тем, повышение мощности компактных ламп возможно при использовании в них объемных СД-модулей с эффективными средствами охлаждения /1/.
Однако возможности применяемых в компактных СД-лампах с объемными СД-модулями средств охлаждения ограничены предельными значениями допустимых мощностей, упомянутых выше.
В этой связи ведутся поиски применения более эффективных средств охлаждения СД-ламп.
Известно применение тепловых труб /ТТ/ для локального индивидуального охлаждения силовых полупроводниковых приборов /диодов, тиристоров/, обеспечивающих минимизацию массы и габаритов системы охлаждения /2/. Конструктивное исполнение этих систем неприемлемо для использования в СД-лампах.
Известно светодиодное осветительное устройство с тепловой трубой /3/, размещенной в тепловом контакте между двумя продольными теплопроводными пластинами, на одной из которых установлена плата со светодиодами, причем указанная плата с несущей пластиной заключена в прозрачную оболочку, а узел охлаждения размещен на одной или обеих пластинах.
Конструктивное выполнение аналога, наряду с неэффективным использованием ТТ, не может быть использовано в светодиодной лампе из-за невозможности формирования кругового светораспределения.
Известна лампа на светоизлучающих диодах /4/ с полым протяженным держателем из теплопроводного материала в форме многогранника с установленными на гранях платами со светодиодами с оптическими осями, перпендикулярными стенкам окружающей его колбы, причем держатель сопряжен с выступающим из колбы оребренным радиатором охлаждения.
Известна также лампа на мощных светодиодах с полым объемным СД-модулем в форме выпуклого многогранника из теплопроводного материала с зеркализованными гранями и собранными на них светодиодами с оптическими осями, перпендикулярными стенкам окружающей его колбы, причем СД-модуль сопряжен с кольцевым оребренным радиатором охлаждения, выступающим из колбы в окружающее пространство /5/.
Недостатки ламп обусловлены тем, что возникают трудности с минимизацией габаритов при повышении мощности лампы свыше 15-20 Вт из-за недостаточного сечения теплопередачи, удаленности светодиодов, т.е. источника тепла от радиатора охлаждения, который при этом работает с недостаточным температурным напором.
При естественном воздушном охлаждении лампы увеличение массы и габаритов радиатора охлаждения происходит быстрее, чем рост мощности ее СД-модуля, что приводит к неэффективному использованию конструкционных материалов.
Целью предлагаемого изобретения является повышение мощности и эффективности СД-ламп за счет существенного улучшения тепловых параметров при одновременной минимизации массогабаритных показателей.
Поставленная цель достигается тем, что в мощной светодиодной лампе с охлаждением, содержащей полый объемный светодиодный модуль, выполненный в виде выпуклого элемента из теплопроводного материала со светодиодами, заключенный в светопропускающую колбу или без нее, средства охлаждения и элементы токоподвода, полость указанного СД-модуля выполнена или в ней установлена в тепловом контакте со стенками СД-модуля оболочка испарительной зоны тепловой трубы /ТТ/ с фитилем, имеющим капиллярную структуру, и с частично заполняющим указанную оболочку жидким двухфазным теплоносителем, смачивающим фитиль, причем испарительная зона ТТ соединена через промежуточную короткую адиабатическую зону этой трубы с зоной конденсации пара указанного теплоносителя, заключенной в охлаждаемой, например за счет оребрения стенок, части оболочки ТТ, вынесенной из полости СД-модуля и/или из колбы лампы в окружающее пространство для охлаждения.
Цель достигается также тем, что полый объемный СД-модуль выполнен в виде оболочки зоны испарения ТТ с наружной поверхностью в форме протяженной прямо призмы или цилиндра с продольно скошенными боковыми стенками, образующими грани, на которых установлены в тепловом контакте СД-линейки, СД-мини-модули или отдельные светодиоды с оптическими осями, ориентированными перпендикулярно или под небольшими углами к перпендикуляру на стенки колбы и/или равномерно распределенными в окружающем пространстве более чем в полусферу.
Цель достигается и тем, что оболочка зоны испарения ТТ установлена в тепловом контакте скользящей посадкой или по резьбе внутри полости объемного СД-модуля, наружная поверхность которого имеет форму правильного многогранника, например усеченного икосаэдра, одной или двух сопряженных между собой основаниями усеченных пирамид или прямой призмы с собранными на гранях в тепловом контакте СД-мини-модулями, СД-линейками или отдельными светодиодами.
Поставленная задача решается также тем, что часть оболочки зоны испарения ТТ и/или по меньшей мере часть адиабатической зоны ТТ окружена теплоизолированным от нее отсеком, например кольцевым отсеком, с собранными в нем электронным преобразователем питающей сети и/или средствами управления световым потоком, подключенными к СД-модулю и к элементам токоподвода лампы.
Задача решается и тем, что элементы токоподвода, выполненные, например, в виде стандартного резьбового цоколя, установлены через изолятор на торцевой части оболочки зоны конденсации ТТ с возможностью подключения к СД-модулю и/или к электронному преобразователю питающей сети, собранному в лампе или вынесенному из нее.
Цель достигается также тем, что полый объемный СД-модуль выполнен или в нем установлена оболочка испарительной зоны низкотемпературной ТТ с фитилем, имеющим капиллярную структуру, например, на основе металлической сетки, стеклоткани или пористой керамики, смачиваемым жидким двухфазным теплоносителем, выбранным из группы спиртов, фреонов, дистиллированной воды с температурой кипения в пределах 36-145°C, обеспечивающих транспортирование теплоносителя в оболочке ТТ при произвольной ориентации лампы в пространстве и работоспособность в режимах испарения и/или кипения.
Достижению цели способствует и то, что полый объемный СД-модуль выполнен или в нем установлена ТТ с разъемной оболочкой в адиабатической зоне, например, с резьбовым соединением через уплотнение ее составных частей.
Решению задачи способствует также выполнение СД-модуля со светодиодами, собранными на светоотражающих, например зеркализованных, стенках выпуклого элемента и/или на СД-линейках, СД-мини-модулях, и выбранными в спектральном интервале глубоко синего, голубого или фиолетового излучения, а стенки колбы покрыты или в них интегрирован дистанцированный люминофор, преобразующий часть указанного излучения светодиодов в белое свечение и рассеивающий его.
Поставленная цель достигается и тем, что полый объемный СД-модуль выполнен на мощных светодиодах белого, красного, зеленого или желтого излучения и установлен в тепловом контакте на оболочке испарительной зоны ТТ в лампе без светопропускающей колбы, эксплуатируемой в защищенных световых приборах.
Предпочтительные варианты исполнения мощной светодиодной лампы с охлаждением показаны на чертежах.
Фиг.1. Лампа с СД-модулем в виде оболочки зоны испарения ТТ, имеющем форму прямой призмы: здесь “a” - вид сбоку, частично в разрезе; “б” - сечение А-А.
Фиг.2. СД-лампа со съемной ТТ и преобразователем, собранным в кольцевом отсеке, окружающем ее адиабатическую зону, вид сбоку, частично в разрезе.
Фиг.3. Лампа с СД-модулем в виде сопряженных между собой основаниями усеченных пирамид и разъемной ТТ в адиабатической зоне, вид сбоку, частично в разрезе.
Показанная на фиг.1а, 1б мощная светодиодная лампа с охлаждением выполнена с полым цельным объемным СД-модулем 1 в виде выпуклого элемента из теплопроводного материала, например из меди, алюминия или его сплавов, который является оболочкой 2 испарительной зоны 3 низкотемпературной тепловой трубы 4 с наружной поверхностью в форме протяженной прямой призмы или цилиндра с продольно скошенными боковыми стенками 5 /см. фиг.1б/, образующими грани 6, с установленными на них в тепловом контакте линейками 7 со светодиодами 8 или отдельными светодиодами. Оптические оси 00 светодиодов 8 ориентированы перпендикулярно или под небольшими углами к перпендикуляру /до 15°/ на стенки светопропускающей колбы 9 в форме вытянутого эллипсоида вращения, в которой заключен СД-модуль 1.
Колба 9 лампы может быть изготовлена из силикатного стекла или оптического поликарбоната и покрыта или в ее стенки интегрированы светорассеивающие компоненты для снижения блескости.
Выполняющая совмещенные функции объемного СД-модуля и средств охлаждения светодиодов этого модуля лампы тепловая труба 4 содержит коаксиально установленный внутри протяженный цилиндрический фитиль 10, имеющий капиллярную структуру, примыкающий к боковым стенкам оболочки 2. При этом указанная оболочка ТТ частично заполнена жидким двухфазным теплоносителем 11, смачивающим фитиль 10 при любой ориентации лампы в пространстве. Испарительная зона 3 ТТ соединена через промежуточную короткую /в 1,5-3 раза меньшую зоны испарения/ адиабатическую зону 12 этой трубы с зоной конденсации 13 пара, который образуется в зоне 3 при нагревании фитиля за счет кондуктивной передачи тепла от светодиодов СД-модуля в процессе эксплуатации лампы. Охлаждение конденсата теплоносителя 11 в зоне 13 осуществляется за счет оребрения стенок части оболочки ТТ с ребрами 14 охлаждения указанной зоны, вынесенной из колбы лампы в окружающее пространство.
Для уменьшения радиационного воздействия рассеянного внутри колбы 9 излучения и вывода его в окружающее пространство наружная поверхность адиабатической зоны 12, расположенной в колбе, покрыта светоотражающим слоем 15.
На торцевой части зоны конденсации 13 оболочки ТТ установлены через кольцевой изолятор 16 элементы токоподвода лампы, выполненные, например, в виде стандартного резьбового цоколя типа Е27, подключенного к СД-модулю 1 и обеспечивающего возможность подключения к электронному преобразователю питающей сети, вынесенному из лампы.
Второй вариант исполнения мощной светодиодной лампы с охлаждением показан на фиг.2.
Здесь выпуклый элемент в виде правильного многогранника, в частности усеченного икосаэдра, образует объемный СД-модуль 17 с зеркализованной наружной поверхностью с собранными на гранях СД-мини-модулями треугольной формы или отдельными светодиодами 18.
СД-модуль 17 выполнен с цилиндрической полостью, внутри которой установлена в тепловом контакте скользящей посадкой или по резьбе 19 на стенке оболочки испарительной зоны 20 низкотемпературная тепловая труба 21.
Объемный СД-модуль 17 выполнен из теплопроводного материала с кольцевым фланцем 22, одна сторона которого сопряжена через уплотнение с окружающей его усеченной шаровой светопропускающей колбой 23, а другая сторона примыкает к кольцевому отсеку 24 с собранным в нем электронным преобразователем 25 питающей сети и/или электронными средствами управления световым потоком, например диммером /на фиг. не показано/, с подключением к СД-модулю 17 и резьбовому цоколю 26 средств токоподвода.
Отсек 24 с преобразователем 25 окружает оболочку адиабатической зоны 27 ТТ, теплоизолирован от нее кольцевым воздушным зазором 28 и находится в тепловом контакте с фланцем 22 СД-модуля, примыкающего к зоне испарения 20 ТТ, т.е. охлаждаемого ею, но может быть также теплоизолирован от фланца и трубы и иметь индивидуальные средства охлаждения.
Оболочка зоны охлаждения 29 ТТ окружена спирально приваренной к ней полосой из теплопроводного материала, образующей оребрение 30, а торцевая часть ТТ соединена через изолятор с цоколем 26 лампы.
В стенках полосы оребрения 30 вблизи оболочки ТТ выполнены отверстия для прохождения воздуха, а также для размещения защищенных элементов токоподвода к цоколю 26 лампы.
+3
+3
Собранные на зеркализованных гранях икосаэдра СД-модуля или на светоотражающих мини-модулях светодиоды 18 выбраны в спектральном диапазоне глубоко синего, голубого или фиолетового излучения, например первого из них серии XLamp XTE ARY компании CREE, с оптическими осями 00, перпендикулярными стенкам колбы 23, покрытой слоем толщиной 0,8-1 мм размещенного в силиконе люминофора 31, выбранного, в частности, из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированного церием /YAG:Ce, GaAG:Ce/, или их смеси, в том числе с добавками других люминофоров, обеспечивают возможность получения направленно-рассеянного белого свечения лампы за счет преобразования и смещения с излучением светодиодов, с минимальными оптическими потерями в стенках колбы.
Третий вариант исполнения мощной светодиодной лампы с охлаждением показан на Фиг.3.
Здесь оболочка зоны испарения 32 ТТ размещена в тепловом контакте скользящей посадкой внутри полого выпуклого элемента, образующего объемный СД-модуль 33, наружная поверхность которого имеет форму многогранника в виде двух сопряженных между собой основаниями усеченных пирамид 34 со светоотражающими гранями. На них установлены в тепловом контакте короткие СД-линейки, спаренные мини-модули или отдельные светодиоды 35 с оптическими осями, почти перпендикулярными стенкам колбы 36.
Таким образом, зона испарения 32 ТТ СД-модулем 33 заключена в колбу 36 в форме вытянутого эллипсоида вращения, уплотненную на кольцевом держателе 37, примыкающем к оболочке адиабатической зоны 38 ТТ. К этой зоне примыкает также теплоизолированный от нее кольцевой отсек с электронным преобразователем 39 питающей сети и/или средствами управления световым потоком, подключенными к СД-модулю и к цоколю 40 лампы, установленному на торцевой части оребренной зоны конденсации 41 ТТ.
Тепловая труба лампы выполнена с разъемной оболочкой в адиабатической зоне 38, состоящей из медной или алюминиевой части трубы 42, большая часть которой выполнена или охвачена объемным СД-модулем, образующей зону испарения, и части трубы 43, например из алюминиевого сплава, большая часть которой изготовлена с ребрами 44 охлаждения.
Составленные части 42 и 43 ТТ герметично соединены между собой через фторопластовое уплотнение 45 по резьбе 46, но может быть использовано фланцевое соединение /на фиг. не показано/.
Выполнение лампы с составной трубой упрощает технологию сборки ТТ, заполнение ее теплоносителем, а также позволяет уменьшить расход дорогостоящих конструкционных материалов, например меди.
Все три исполнения СД-лампы предусматривают, что полый объемный СД-модуль 1, 17 или 33 выполнен в виде оболочки ТТ /см. фиг.1/, или в его полости установлена /см. фиг.2 и 3/ оболочка испарительной зоны низкотемпературной ТТ с фитилем 10 /см. фиг.1/, имеющим капиллярную структуру, примыкающим к боковым стенкам ТТ, например, на основе металлической сетки из меди, нержавеющей стали, никеля и др., или из стеклоткани, пористой керамики. Однако фитиль может быть изготовлен также на внутренних стенках оболочки ТТ в виде протяженных канавок, в том числе перекрытых металлической сеткой или перфорированной обечайкой /на фиг. не показано/.
При этом любая разновидность фитилей смачивается жидким двухфазным теплоносителем 11 /см. фиг.1/, обеспечивающим ламинарное транспортирование жидкости по фитилю /показано прямой стрелкой/ из зоны конденсации в зону испарения теплоносителя при любой ориентации лампы в пространстве.
Теплоноситель 11 выбран из группы спиртов, фреонов или дистиллированной воды с температурой кипения 36-145°C, близкой или не превышающей максимально допустимую температуру нагрева р-n-структуры использованных в СД-модулях ламп светодиодов 8, 18 или 35 /см. фиг.1, 2, 3/.
Эффективность теплопереноса в трубе, а значит, охлаждения СД-модулей ламп определяется также величиной открытой теплоты парообразования, коэффициентом теплопроводности и поверхностного натяжения и других показателей теплоносителя.
Указанные показатели обеспечивают противоположно направленное транспортирование теплоносителя по фитилю в жидкой фазе и возвращение его в зону конденсации в паровой фазе /показано изогнутыми стрелками на всех чертежах/ в режимах испарения и/или кипения в зоне СД-модуля ТТ.
В качестве низкотемпературных теплоносителей, не вызывающих коррозию фитиля и оболочки ТТ, могут быть использованы, например, дистиллированная вода, этиловый спирт, фреон-113, основные теплофизические параметры которых приведены в таблице, а также метиловый спирт, фреон-30 и др.
Основные теплофизические параметры теплоносителей ТТ
Теплоноситель*
Т<sub>кип</sub>, °C
L, кДж/кг
σ, Н/м
λ<sub>ж</sub>, Вт/м·К
Дистиллированная вода
100
2251,2
0,589
0,68
Этиловый спирт
78,3
960
0,173
0,169
Фреон-113 C<sub>2</sub>F<sub>3</sub>Cl<sub>3</sub>
47,7
143,8
0,159
0,071
* Параметры измерены при Т<sub>кип</sub>: L - скрытая теплота парообразования; σ - поверхностное натяжение; λ<sub>ж</sub> - коэффициент теплопроводности жидкости.
Все рассмотренные варианты мощных СД-ламп с охлаждением ТТ могут быть выполнены со светодиодами коротковолнового спектра излучения и с дистанцированным люминофором, как это показано на фиг.2.
Вместе с тем, лампы могут быть выполнены с применением полых объемных СД-модулей, содержащих мощные светодиоды белого, красного, зеленого или желтого излучения, причем полый СД-модуль выполнен или установлен в тепловом контакте на оболочке испарительной зоны ТТ в лампе без светопропускающей колбы, эксплуатируемой в защищенных световых приборах, например во взрывозащищенных световых приборах, аэродромных светосигнальных огнях, навигационных светомаяках и других устройствах, имеющих высокую степень защиты от воздействия окружающей среды.
Разработанные мощные СД-лампы с охлаждением на основе ТТ работают следующим образом.
исп
исп
Генерируемая светодиодами СД-модуля тепловая мощность /более 50%/ нагревает за счет кондуктивной теплопередачи часть оболочки - зону испарения 3 относительно короткой ТТ /см. фиг.1/, у которой отношение длины зоны испарения /l/ к диаметру канала /d/ трубы удовлетворяет условию l/d≤10.
Поскольку ТТ является испарительно-конденсационным устройством для передачи тепла, в ее оболочке 2 осуществляется перенос скрытой теплоты парообразования за счет испарения жидкого теплоносителя 11 в зоне 3 подвода тепла, переносимого паром через короткую адиабатическую зону 12, и конденсации этого пара в зоне 13 отвода тепла, в частности оболочки ТТ, вынесенной из СД-модуля и из колбы 9 лампы, а замкнутая циркуляция двухфазного теплоносителя осуществляется за счет фитиля 10, насыщенного его жидкой фазой, поддерживается действием капиллярных сил, зависящих от сил поверхностного натяжения теплоносителя и некоторых других параметров трубы, а также частично действием массовых /гравитационных/ сил при определенной ориентации лампы в пространстве.
Разделяющая зоны 3 и 13 короткая адиабатическая зона 12 ТТ является зоной равновесного адиабатического процесса, в которой транспортируется за счет перепада температур и давления пар теплоносителя и обратно направленный ламинарный поток его жидкой фазы по фитилю 10 и в которой физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее в окружающее пространство.
Объемные СД-модули всех вариантов предложенных ламп установлены в колбах таким образом, что оптические оси светодиодов перпендикулярны или близки к перпендикуляру на стенки колбы с нанесенными или интегрированными в стенки дистанцированным люминофором и/или светорассеивающими компонентами, обеспечивая направленно-рассеянное свечение, как это показано на фиг.2. Подобная конфигурация оптической системы СД-ламп существенно снижает оптические потери в светорассеивающих колбах за счет отражения на стенках и полного внутреннего отражения на границах сред /1/.
4
Первый вариант предложенной лампы /фиг.1/, выполненный на упомянутых выше светодиодах серии XT-E, позволяет повысить мощность до уровня 120 Вт со световым потоком до 2,1·10 лм при светоотдаче, более чем в 2 раза превышающей коммерческие СД-лампы с плоскими модулями и традиционными средствами охлаждения и почти в 3 раза превышающие светоотдачу, т.е. эффективность газоразрядных ламп высокого давления серий ДРЛ, ДРИ, а также ряда ламп серии ДНаТ с улучшенной цветопередачей. При этом массогабаритные показатели СД-ламп не превышают 230 г и ⌀55×160 мм соответственно, что в 1,5-2 раза ниже чем у названных ламп с близкими световыми потоками.
Литература
1. В.В. Сысун. Состояние разработок компактных светодиодных излучателей и ламп с удаленным люминофором. “Полупроводниковая светотехника”, 2013, №6.
2. А.И. Исакеев и др. “Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов”. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд., 1982.
3. С.М. Гвоздев и др. Высокоинтенсивное светодиодное осветительное устройство. Пат. ПМ РФ №12307, приор. 04.04.2012, кл. F21S 2/00.
4. Л.А. Борыняк, Ю.К. Непочатов. Лампа на светоизлучающих диодах Пат. РФ №2446346, приор. 28.05.2010, кл. F21S 8/10.
5. Г.С. Сарычев, В.В. Сысун. Светодиодная лампа белого свечения. Пат. РФ №2408816, приор. 27.01.2009, кл. F21S 8/00.