СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО ИСТОЧНИКА СВЕТА
LED LAMP AND METHOD OF COOLING LED LIGHT SOURCE

Представленная группа изобретений относится к источникам света, работающим на основе светодиодов, и может применяться в светодиодных светильниках, используемых для внутреннего и наружного освещения.
Светодиодные источники света в рабочем режиме выделяют много тепла, поэтому для них необходимо эффективное охлаждение, без которого может произойти их перегрев и выход из строя, кроме того, с ростом температуры ускоряется их деградация и снижается эффективность. Чаще всего для охлаждения светодиодных источников света используют радиаторы, отводящие тепло и рассеивающие его в окружающий воздух.
Из существующего уровня техники известен радиатор отвода тепла светодиодного светильника, выполненный в виде набора пластин контактирующих друг с другом (Описание полезной модели к патенту RU 115549 U1, опубл. 27.04.2012). Недостатками данного устройства являются сложность изготовления и излишняя материалоемкость. При отсутствии обдува радиатора внутренние пластины набора не будут эффективно рассеивать тепло светодиодного источника света в окружающий воздух ввиду его вязкости (Антон Шаракшанэ. Журнал «Полупроводниковая светотехника» №3 за 2013 г.). Кроме того, в известном устройстве не решен вопрос теплопередачи как между светодиодным источником света и набором пластин, так и между самими пластинами, что может привести к возрастанию длины пути теплового потока, недостаточной площади теплопроводящих сечений для эффективного отвода тепла и перегреву светодиодного источника света.
Известен светодиодный светильник (Описание полезной модели к патенту RU 95068 U1, опубл. 10.06.2010), содержащий светодиодный источник света и радиатор для рассеивания тепла от светодиодного источника света. Недостатком известного устройства является сложность конструкции из-за необходимости применения вентилятора обдува радиатора, а в варианте выполнения конструкции без вентилятора - излишняя материалоемкость, так как без принудительного обдува частое расположение ребер радиатора неэффективны ввиду вязкости воздуха (Антон Шаракшанэ. Журнал «Полупроводниковая светотехника» №3 за 2013 г.).
Наиболее близким аналогом заявленной группы изобретений является «Светильник светодиодный» (Описание изобретения к патенту RU 2511564 C1, опубл. 10.04.2014), содержащий светодиодный источник света, теплоотводящее основание, радиатор, выполненный из набора пластин, контактирующих одна с другой. Тепло от светодиодного источника света отводится в теплоотводящее основание, а с него - через теплопроводящий материал пластин радиатора к их поверхностям теплообмена, откуда рассеивается в воздух.
Недостатком известного решения является сложность изготовления радиатора, состоящего из набора пластин: каждую пластину из набора необходимо вырезать и согнуть до определенной формы, также необходимо обеспечить тепловой контакт между пластинами на все время срока эксплуатации светильника. Кроме того, в известном решении не указаны зависимости между толщиной радиатора, толщиной и площадью теплоотводящего основания и площадью теплоотвода светодиодного источника света. При недостаточной общей толщине теплоотводящего основания и набора пластин радиатора не создаются условия для отвода тепла от светодиодного источника света, что выразится в локальном прогреве теплоотводящего основания и части набора пластин радиатора только под светодиодным источником света и приведет к перегреву светодиодного источника света. При недостаточной толщине набора пластин радиатора не создаются условия для отвода тепла от теплоотводящего основания через теплопроводящий материал радиатора к его поверхности теплообмена, что выразится в повышенном нагреве теплоотводящего основания и приведет к перегреву светодиодного источника света. Применение же для изготовления пластин радиатора и теплоотводящего основания материала с заведомо избыточной толщиной приводит к повышению материалоемкости, массы и стоимости светодиодного светильника.
Задача, решаемая первым изобретением группы связанных единым изобретательским замыслом технических решений и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного технического решения светодиодного светильника, обеспечивающего эффективное охлаждение светодиодного источника света, отличающегося простотой, надежностью, малой материалоемкостью, низкой стоимостью.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в первом варианте светодиодного светильника, содержащего как минимум один светодиодный источник света, теплоотводящее основание, радиатор, радиатор выполнен из одной теплопроводящей пластины толщиной, равной или большей отношения площади теплоотвода светодиодного источника света к периметру теплоотводящего основания, а общая толщина пластины радиатора и теплоотводящего основания равна или больше отношения площади теплоотвода светодиодного источника света к периметру теплоотвода светодиодного источника света;
кроме этого:
- радиатор может находиться между светодиодным источником света и теплоотводящим основанием;
- теплоотводящее основание может быть выполнено из двух и более теплопроводящих пластин.
Существуют разнообразные способы отвода тепла от светодиодных источников света. Известно устройство (Описание изобретения к патенту RU 2170995 C1, опубл. 20.07.2001), в котором отвод тепла осуществлен за счет размещения светодиодного источника света в области поглощения тепла термоэлементами Пельтье. Недостатком данного способа являются повышение стоимости светодиодного светильника за счет включения в схему элементов Пельтье и снижение эффективности светильника за счет потребления энергии элементами Пельтье. Известно устройство (Описание полезной модели к патенту RU 123112 U1, опубл. 20.12.2012), в котором способ отвода тепла осуществлен за счет того, что светоизлучающий диод установлен на конце стержня из теплопроводящего материала, на втором конце стержня закреплено основание радиатора, внутри стержня выполнена герметичная полость, частично заполненная жидким теплоносителем. Недостатками данного способа отвода тепла являются удорожание конструкции из-за необходимости применения стержня с жидким теплоносителем.
Наиболее близким аналогом заявленной группы изобретений является «Светильник светодиодный» (Описание изобретения к патенту RU 2511564 C1, опубл. 10.04.2014), содержащий светодиодный источник света, теплоотводящее основание, радиатор отвода тепла, выполненный из набора пластин, контактирующих одна с другой. Способ отвода тепла в известном устройстве реализован благодаря тепловым потокам в теплопроводе, образованном материалом теплоотводящего основания и пластин радиатора. Недостатком реализуемого способа отвода тепла является отсутствие условий осуществления отвода тепла, в результате чего, при малых сечениях теплопровода, возрастает разница температур между светодиодным источником света и поверхностью теплообмена радиатора, что приводит к перегреву светодиодного источника света.
Задача, решаемая вторым изобретением группы, в части способа охлаждения светодиодного источника света, и достигаемый технический результат заключаются в создании условий осуществления эффективного отвода тепла от светодиодного источника света к поверхности теплообмена радиатора через теплопроводящий материал при оптимальной толщине теплопроводящего материала.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе отвода тепла от светодиодного источника света к поверхности теплообмена радиатора, заключающемся в отводе тепла через теплопровод, отвод тепла осуществляют через теплопровод с изотермическими теплопроводящими сечениями, равными или большими площади теплоотвода светодиодного источника света.
Сущность изобретений поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - схема светильника с радиатором, состоящим из двух пластин.
На фиг. 2 - схема светильника с радиатором, состоящим из одной пластины.
На фиг. 3 - эквивалентные схемы светильников с различными площадями эквивалентных сечений теплопроводов.
На фиг. 4 - схема светильника при совпадении части периметров теплоотводящего основания и пластины радиатора.
На фиг. 5 - схема светильника с радиатором, расположенным между теплоотводящим основанием и светодиодным источником света.
На фиг. 6 - схема светильника с теплоотводящим основанием, состоящим из двух пластин.
На фиг. 7 - светильник и варианты радиаторов и теплоотводящих оснований для его сборки.
На фиг. 8 - светильник с несколькими светодиодными источниками света.
На фиг. 9 - светодиодный светильник, разработанный согласно способу отвода тепла.
Термины и определения:
- радиатор - устройство для рассеивания тепла излучением и конвекцией;
- поверхность теплообмена радиатора (далее поверхность теплообмена) - поверхность радиатора, с которой осуществляется излучение и конвекция;
- теплоотвод светодиодного источника света (далее теплоотвод) - часть корпуса или специальный вывод светодиодного источника света, используемые для отвода тепла от одного или группы кристаллов светодиодного источника света при непосредственном контакте с теплопроводящим материалом;
- теплопровод - теплопроводное тело с известными теплопроводящими сечениями и длиной теплового пути;
- изотермические теплопроводящие сечения - теплопроводящие сечения с одинаковой температурой;
- плотность теплового потока - количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади.
Фиг. 1 иллюстрирует схему светодиодного светильника со светодиодным источником света 1, теплоотводящим основанием 2 и радиатором из пластин 3′ и 3″. Тепловой поток (условно обозначен стрелками) от светодиодного источника света 1 через теплоотводящее основание 2 поступает в пластины радиатора 3′ и 3″, откуда рассеивается благодаря конвекции и излучению. Количество рассеянного тепла при постоянной температуре пропорционально площади поверхности теплообмена. Сборка радиатора из нескольких пластин 3′, 3″ объясняется попыткой увеличения поверхности теплообмена. При отсутствии движения воздуха, из-за его вязкости, конвекция между близкорасположенными пластин практически отсутствует (Антон Шаракшанэ, журнал «Полупроводниковая светотехника» №3 за 2013 г.), а излучение не эффективно, так как оно происходит не в окружающее пространство, а с одной пластины на другую. Отсутствие движения воздуха является худшим условием эксплуатации светодиодного светильника, однако его конструкция должна быть рассчитана для худших условий. Радиатор, выполненный из набора пластин, в отсутствии движения воздуха практически эквивалентен радиатору из одной пластины, толщина которой равна толщине набора пластин - фиг. 2, поз. 3, а площадь равна площади большей из набора пластин. Кроме того, выполнение радиатора из одной теплопроводящей пластины повышает надежность светодиодного светильника, так как исключается проблема перегрева светодиодного источника света из-за плохого теплового контакта между пластинами радиатора в результате коррозии при длительной эксплуатации.
Устройство по первому варианту изобретения работает следующим образом: светодиодный источник света 1 (фиг. 2) установлен на теплоотводящее основание 2, которое установлено на радиатор 3. Поверхности, соприкасающиеся с воздухом, являются поверхностями теплообмена. Основная часть поверхности теплообмена образована пластиной радиатора и расположена за периметром теплоотводящего основания, обозначенного пунктиром 5. Тепловой поток от теплоотвода через теплопровод, образованный теплопроводящим материалом пластины радиатора и теплоотводящего основания, поступает к поверхности теплообмена, откуда рассеивается в воздухе. Конвекция и излучение пропорциональны температуре поверхности, поэтому поверхность теплообмена нагревается только до определенной, установившейся температуры, при которой мощности конвекции и излучения сравнивается с мощностью теплового потока от теплоотвода. Температура теплоотвода равна температуре максимально нагретого участка поверхности теплообмена, увеличенной на разницу температур между теплоотводом и этим участком поверхности теплообмена. Разница температур между теплоотводом и поверхностью теплообмена определяется свойствами теплопровода между ними. Небольшая часть теплового потока, поступающего с теплоотвода, рассеивается фрагментами поверхности теплообмена, ограниченными периметром теплоотвода и периметром теплоотводящего основания (обозначены пунктирами 4 и 5 на фиг. 2). Площади этих фрагментов по сравнению со всей площадью поверхности теплообмена малы и они оказывают малое влияние на охлаждение светодиодного источника света. Тепловой поток к основной части поверхности теплообмена поступает через теплопровод, образованный материалами теплоотводящего основания и радиатора. Образованный теплопровод является теплопроводом сложной формы, который ограничен площадью теплоотвода и площадями теплопроводящих сечений, которые определяются периметрами теплоотвода 1 и теплоотводящего основания 2 (обозначены пунктиром 4, 5 на фиг. 2).
Теплопровод сложной формы при известных теплопроводящих сечениях в расчетах условно может быть заменен эквивалентным теплопроводным стержнем с равной длиной теплового пути и эквивалентным теплопроводящим сечением (теорема Гарвина). Схемы светильников, на которых теплопроводы условно заменены на эквивалентные теплопроводные стержни, проиллюстрированы на фиг. 3. Позиция 6 обозначает эквивалентные теплопроводные стержни между светодиодными источниками света 1 и условными поверхностями теплообмена 7. Слева на фиг. 3 проиллюстрирован случай, когда площадь сечения эквивалентного теплопроводного стержня больше площади теплоотвода, справа - когда площадь сечения эквивалентного теплопроводного стержня меньше площади теплоотвода. Очевидно, что сокращение площади теплопроводящего сечения эквивалентного теплопроводного стержня, следовательно, и сокращение эквивалентного сечения теплопровода до меньшей, чем площадь теплоотвода, эквивалентно сокращению площади теплоотвода.
Площадь теплоотвода светодиодного источника света определяется на этапе конструирования исходя из плотности теплового потока, требований к температуре кристаллов светодиодов и ряда других параметров. Отвод тепла от светодиодного источника света, при котором создаются условия, аналогичные уменьшению его площади теплоотвода, как правило, приводят к перегреву светодиодного источника света.
Сокращение площади эквивалентного теплопроводящего сечения теплопровода до меньшей, чем площадь теплоотвода, возможно в случае сокращения площадей теплопроводящих сечений, обозначенных пунктирами 4, 5 (фиг. 2) до меньших, чем площадь теплоотвода.
Площадь теплопроводящего сечения, обозначенного пунктиром 4, сокращается до меньшей, чем площадь теплоотвода при условии, когда общая толщина пластины радиатора и теплоотводящего основания меньше отношения площади теплоотвода к периметру теплоотвода.
Площадь теплопроводящего сечения, обозначенного пунктиром 5, сокращается до меньшей, чем площадь теплоотвода при условии, когда толщина пластины радиатора меньше отношения площади теплоотвода светодиодного источника света к периметру теплоотводящего основания.
Таким образом, во избежание перегрева светодиодного источника света необходимо, чтобы общая толщина пластины радиатора и теплоотводящего основания была равной или большей отношения площади теплоотвода к его периметру, а толщина пластины радиатора была равна или больше отношения площади теплоотвода к периметру теплоотводящего основания.
Для эффективной работы радиатора важен его равномерный прогрев от поступающего теплового потока, в противном случае с менее нагретых участков конвекция и излучение осуществляются в меньшей степени, что аналогично уменьшению площади поверхности теплообмена.
Разность температур между различными фрагментами поверхности теплообмена вычисляется исходя из закона теплопроводности Фурье (Б.М. Яворский, А.А. Деддаф «Справочник по физике», М., НАУКА, ФИЗМАТ-ЛИТ, 1996 г.):
grad T=-g/k,
где - g вектор плотности теплового потока, k - коэффициент теплопроводности. Плотность теплового потока от теплоотвода после теплопроводящего сечения 5 уменьшается, так как часть теплового потока расходуется на конвекцию и излучение, а также возрастают площади теплопроводящих сечений. Уменьшение плотности теплового потока способствует уменьшению разности температур между фрагментами поверхности теплообмена, т.е. равномерному прогреву пластины радиатора, благодаря чему конвекция и излучение происходит со всей контактирующей с воздухом поверхности. Таким образом, выполнение радиатора из одной теплопроводящей пластины определенной выше толщины приводит к эффективному использованию поверхности теплообмена благодаря равномерному прогреву.
При совпадении части периметров радиатора и теплоотводящего основания (фиг. 4) при расчете толщины пластины радиатора учитывается только несовпадающая часть периметра теплоотводящего основания.
При конструктивной необходимости радиатор может находиться между теплоотводящим основанием и светодиодным источником света - фиг. 5, так как при любом его расположении теплопроводы между теплоотводом и поверхностью теплообмена эквивалентны.
Материалоемкость теплоотводящего основания можно уменьшить, выполнив его из нескольких более тонких пластин различных размеров. Фиг. 6 иллюстрирует теплоотводящее основание 2, состоящее из двух пластин.
В случаях, когда в светодиодном светильнике установлены 2 и более светодиодных источников света, расчет толщины пластины радиатора осуществляется исходя из суммарной площади их теплоотводов.
Теплопроводность материала теплоотводящего основания должна соответствовать теплопроводности материала теплоотвода.
Пластины радиатора могут быть изготовлены из материала с более низкой теплопроводностью, чем теплоотводящее основание, при этом толщину радиатора или периметр теплоотводящего основания следует увеличить кратно снижению теплопроводности материала.
В случаях, если толщина радиатора больше, чем отношение площади теплоотвода светодиодного источника света к его периметру, теплоотводящая пластина не нужна.
Пластина радиатора может иметь специальную форму и быть изогнута для осуществления конструктивного или художественного замысла.
Функцию теплоотводящего основания может выполнять вторая пластина радиатора. На фиг. 7 проиллюстрирован светодиодный светильник (слева), который может быть выполнен из двух пластин 8 или из теплоотводящего основания 9 и пластины 10. По охлаждающим свойствам оба варианта выполнения аналогичны, но вариант из двух пластин 8 выгоднее с экономической точки зрения, так как при раскрое алюминиевого листа остается меньше отходов.
Выполнение радиатора и теплоотводящего основания из плоского материала является наименее затратным с точки зрения производства, так как это не требует пресс-форм, литья и т.п.
Условия отвода тепла, предложенные в способе отвода тепла, позволяют создать различные конструкции светодиодных светильников с эффективным охлаждением светодиодного источника света при оптимальной материалоемкости теплопроводящих материалов. Роль теплоотводящего основания во всех рассмотренных конструкциях светильников по первому варианту изобретения сводится к обеспечению необходимых площадей теплопроводящих сечений между теплоотводом и поверхностью теплообмена, т.е. к реализации предложенного способа отвода тепла. Предложенный способ отвода тепла позволяет рассчитать минимально необходимые сечения не только в плоском радиаторе, но и в радиаторе с переменной толщиной теплопроводящего материала.
Один из вариантов выполнения светодиодного светильника проиллюстрирован фиг. 8. На фиг. 8 несколько светодиодных источников света 1 установлены на теплоотводящем основании 2, которое установлено на пластине радиатора 3. Условия отвода тепла, согласно способу, выполняются, когда общая толщина теплоотводящего основания и пластины радиатора больше, чем отношение площади теплоотвода одного из светодиодных источников света (большего по площади) к его периметру, а толщина пластины радиатора больше, чем отношение суммы площадей теплоотводов к периметру теплоотводящего основания. Так как часть периметра теплоотводящего основания совпадает с периметром пластины радиатора (на торцах), то в расчетах совпадающая часть не учитывается.
С применением способа спроектирован светодиодный светильник фиг. 9. Радиатор светильника состоит из алюминиевой пластины радиатора 3 и теплоотводящего основания 2. Алюминий в качестве материала радиатора и теплоотводящего основания выбран в соответствии с материалом теплоотвода светодиодного источника света. В качестве светодиодного источника света 1 используется светодиодная матрица SDW05F1C с квадратным алюминиевым теплоотводом размерами 28×28 мм, площадью теплоотвода 784 мм, длиной периметра 112 мм. Суммарная толщина теплоотводящего основания и радиатора, согласно заявляемому способу отвода тепла, должна быть не менее 7 мм (784/112). Толщина теплоотводящего основания выбрана 4 мм, толщина пластины радиатора 3 мм. Периметр теплоотводящего основания при толщине пластины радиатора 3 мм должен быть не менее 261,3 мм, он увеличен до 550 мм из-за соображений удобства крепления линзы (показано в разрезе), формирующий световой поток светильника, к пластине радиатора. При таком периметре теплоотводящего основания толщина пластины радиатора может быть уменьшена (при соответствующем увеличении толщины пластины теплоотводящего основания) до 1,43 мм. Уменьшение толщины пластины радиатора признано нецелесообразным из соображений прочности. Теплоотводящее основание и пластина радиатора имеют прямоугольные формы, что обусловлено уменьшением отходов при их резке их листового алюминия. Углы пластины радиатора загнуты внутрь для объемного внешнего вида и защиты линзы в упаковке при транспортировании светильника. При токе через матрицу 1.1 А после прогрева светильника при температуре окружающей среды 25°C температура пластины радиатора непосредственно под светодиодной матрицей составляет 40°C, температура края радиатора 38°C. Температура теплоотвода в его контрольной точке 45°C.