Светодиодный фитосветильник с системой охлаждения
LED PHYTO-LAMP WITH COOLING SYSTEM

Изобретение относится к светотехнике, в частности к световым приборам на мощных светодиодах, с устройством охлаждения предназначенных для основного освещения при культивации (выращивании) растений в закрытом помещении, без солнечного света и с контролируемой средой.
С развитием науки и появлением новых технологий, в освещении активно разрабатываются фитосветильники, в которых в качестве источников излучения используются светодиоды различного цвета, вырабатывающие комбинированный свет со спектром, оптимизированным для фотосинтеза и фото стимуляции роста растений.
Существуют различные способы отвода тепла в осветительных устройствах, работающих на светодиодах.
Известны различные способы отвода тепла в осветительных устройствах, работающих на светодиодах. Большинство из них пространственно не разделяют источник тепла (светодиоды) и сброс тепла (радиатор), так что светодиоды обычно размещены на всей поверхности радиатора, и это заметно сужает функциональные возможности этих систем охлаждения для интенсификации теплообмена и увеличения их срока эксплуатации.
Таким образом, стали появляться фитосветильники на светодиодах, содержащие корпус с источниками излучения, в качестве которых используются синие и красные светодиоды, и теплоотвод, выполненный в виде радиатора, причем тепло от светодиодов передается на теплопроводящее основание, «растягивается» по всей его площади и затем передается на радиатор (патент US 20070058368, патент US 5278432). Авторы патента US 6921182 нашли, что лучшими характеристиками обладает композиция, составленная из синего, оранжево-красного (612 нм) и красного (660 нм) светодиодов. Там же было рекомендовано использовать в источнике фитоактивного освещения растений 12 красных светодиодов (660 нм), 6 оранжевых (612 нм) и только одного синего.
Подобные фитосветильники на светодиодах более легкие, безопасные, имеют больший срок службы и употребляют меньше энергии. Однако таким фитосветильникам присущи следующие недостатки: большое энергопотребление, поскольку им для работы требуется преобразователь напряжения; неравномерное освещение из-за отсутствия линз на каждом светодиоде; низкий теплоотвод, поскольку тепло от светодиодов поступает на радиатор и «растягивается» по всей его площади не равномерно, что приводит к повышению температуры работы светильника, а также к неравномерному освещению.
Для улучшения теплоотвода были разработаны фитосветильники, в которых для отвода тепла от светильников вместо радиатора использовали канал для принудительного водяного охлаждения.
Известен Линейный светодиодный фитосветильник (патент RU 2709465, МПК F21S 4/24, A01G7/0, оп. 18.12.2019), содержащий алюминиевый корпус, светодиодную ленту, установленную в нижней части алюминиевого корпуса, и канал для принудительного водяного охлаждения, отличающийся тем, что алюминиевый корпус выполнен в виде Ω (омега) профиля, в нижней плоской части которого установлена указанная светодиодная лента, а в верхней закругленной части профиля, вдоль светодиодной ленты расположен канал для принудительного водяного охлаждения, на боковых торцах алюминиевого корпуса расположены законцовки, выполненные в виде штуцера для подачи охлаждающей воды с уплотнительными резиновыми сальниками для изоляции корпуса фитосветильника, светодиодная лента содержит светодиоды различного спектра свечения, при этом на каждый светодиод, при помощи держателя, устанавливается линза, создающая световой луч с углом 60°. При этом светодиодная лента содержит светодиоды красного спектра, синего спектра, желтого спектра и УФ-спектра.
Недостатком известного технического решения является недостаточный теплоотвод, канал для принудительного водяного охлаждения расположен посередине алюминиевого корпуса и предназначен для отвода тепла не только от светодиодов, но и от платы схемы управления светодиодами, которая расположена с противоположной стороны канала, что приводит к повышению температуры работы фитосветильника, а также к неравномерному освещению. Также недостатком прототипа является неравномерное освещение, поскольку наличие светопропускающего стекла вдоль всей светодиодной ленты, вместо линз на каждом светодиоде, приводит к недостаточному освещению, необходимому для нормального протекания физиологических процессов. Еще одним недостатком прототипа является низкая герметичность фитосветильника, поскольку уплотнительная лента расположена на передней стороне светодиодной ленты и предназначена для герметизации светодиодов, при этом герметизация канала для принудительного водяного охлаждения отсутствует. Также отсутствует возможность подключения систем охлаждения к светильнику.
Известен Светодиодный светильник с жидкостным охлаждением (патент RU 125300, МПК F21S 15/00, опубл. 27.02.2013), содержащий корпус из теплопроводящего материала, снабженный ребрами, установленными с трех сторон по его периметру, и заполненный теплоотводящей жидкостью, источник света, представленный светодиодной линейкой, защищенный оптически прозрачным рассеивателем, выполненным из стекловидного материала, герметично закрывающиеся крышку и отверстие для заливания жидкости, отличающийся тем, что внутренний объем корпуса разделен на три отсека двумя продольно ориентированными планками из материала с низкой теплопроводностью, установленными с зазорами относительно торцевых стенок корпуса, источник света смонтирован в центре наружной части основания корпуса непосредственно либо через печатную плату с ориентацией в продольном направлении, крышка снабжена ребрами, расположенными под острым углом к его продольной оси. В качестве теплоотводящей жидкости используется антифриз.
К недостаткам известного технического решения относится то, что светильник выполнен с замкнутой системой перераспределения тепла и равномерного охлаждения воздухом корпуса, не подключен к системе активного охлаждения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является светодиодное осветительное устройство (RU, №103596 U1, F21S 10/00), взятое за прототип. Осветительное устройство содержит теплопередающую систему, выполненную в виде герметичной камеры, частично заполненной теплоносителем (например, водой, спиртом, ацетоном и др.) На нижней наружной поверхности камеры смонтирована теплоотводящая металлическая подложка со светодиодами. Боковая поверхность камеры снабжена ребрами и выполняет функцию радиатора. Для циркуляции теплоносителя используются либо гравитационные силы, либо капиллярная структура внутренней поверхности камеры, в зависимости от месторасположения металлической подложки со светодиодами.
Недостатком описываемых конструкций является возможность перегрева при определенных погодных условиях, и, как следствие, выход светильника из строя.
Отличие данного решения - в том, что внутри корпуса известного светильника находится жидкость, которая при нагреве светодиода начинает циркулировать внутри корпуса светильника для эффективной передачи тепла к корпусу светильника, который в свою очередь охлаждается воздухом вокруг светильника и не обеспечивает отвод тепла из помещения, где он установлен.
Изобретение решает задачу эффективного отвода тепла от светодиодов для увеличения срока их службы, она не решает задачи отвода тепла из помещения, где он установлен.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции светодиодного осветительного устройства при увеличении эффективности отвода тепла от светодиодов, снижение энергозатрат и увеличение срока службы осветительного устройства.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение теплоотвода от светодиодов, улучшение излучающих характеристик светодиодов.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что светодиодный фитосветильник с системой охлаждения, представляющий собой замкнутую систему в виде герметичного контура для циркуляции по нему жидкого теплоносителя, включающий корпус из теплопроводящего материала для заполнения теплоотводящей жидкостью, светодиоды, закрытые оптическими прозрачными линзами и соединенные с блоком питания, радиатор, блок питания, который снабжен функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях, согласно изобретению, герметичный контур содержит охладитель, установленный внутри корпуса светильника, трубопровод, к которому подключен охладитель через штуцер, радиатор с принудительным охлаждением вентилятором, трубопровод для транспортировки жидкостного теплоносителя к радиатору, распределительную гребенку, насос для циркуляции жидкого теплоносителя, при этом светодиоды установлены на охладителе, который находится внутри корпуса, радиатор установлен снаружи герметичного контура.
Отличительная особенность изобретения в следующем:
- в известных технических решениях применена замкнутая автономная система, жидкость используется только для транспортировки тепла к корпусу светильника, который охлаждается воздухом;
- внутри корпуса светильника находится жидкость, которая при нагреве светодиода начинает циркулировать внутри корпуса светильника для эффективной передачи тепла к корпусу светильника, который в свою очередь охлаждается воздухов вокруг светильника и не обеспечивает отвод тепла из помещения, где он установлен;
- в изобретении использована совокупность устройств, обеспечивающих подвод охлаждающей среды к светодиодам светильника и отвод от них и из помещения, где они установлены лишней теплоты, которая должна обеспечивать наибольшую степень охлаждения и возможность поддержания в требуемых пределах теплового состояния светильника при различных режимах и условиях работы.
- для улучшения теплоотвода в известных технических решениях разработаны фитосветильники, в которых для отвода тепла от светильников вместо радиатора использовали канал для принудительного водяного охлаждения. Функцию радиатора в осветительном устройстве выполняет свободная от светодиодов боковая поверхность камеры.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
фиг. 1 представлен светодиодный фито светильник с системой охлаждения, общий вид;
фиг. 2 - то же, светодиодный фито светильник, общий вид;
фиг. 3 - то же, светодиодный фитосветильник, разрез;
фиг. 4 - то же, светодиодный фитосветильник, вид сбоку.
Позиции обозначают: светодиодный фито светильник 1; трубопровод 2; радиатор 3; насос 4; гребенка распределительная 5; корпус 6 светильника 1, линза светодиода 7, светодиод 8, охладитель 9, штуцер охладителя 10.
Устройство представляет собой замкнутую систему жидкостного охлаждения.
Светодиоды 8 при свечении выделяют большое количество тепла, фитосветильник 1 служит освещением для роста растений в модулях, который представляет собой любое помещение с контролируемой средой (температура, влажность), оборудованное для культивирования растений, температура в которых очень важна для нормального роста и должна быть в приделах не выше 18-22 градуса. Для отвода тепла светодиоды 8 установлены на охладителе 9, который находится внутри корпуса 6 светильника 1. Охладитель 9 подключен через штуцер 10 к трубопроводу 2, по которому подается теплоноситель от системы охлаждения. Теплоноситель по трубопроводу 2 попадает в охладитель 9, в котором нагревается, при этом охлаждает светодиоды 8. Нагретый теплоноситель поступает по трубопроводу 2 в радиатор 3, который установлен снаружи модуля.
Устройство работает следующим образом.
Светодиодный фитосветильник 1 размещают над поверхностью площадки с выращиваемыми растениями, устанавливая его на выбранной высоте. При подаче электропитания все светодиоды излучают свет. В зависимости от выбираемой поверхности площадки для выращиваемых растений (теплицы, оранжереи, зимние сады, агропромышленные комплексы, или домашние условия) выбирают необходимое количество фито светильников.
В системе циркулирует жидкостный теплоноситель по герметичному контуру, нагреваясь от источника тепла - охладителя 9, установленного в корпусе 6 светильника 1, на котором установлены светодиоды 8, и остывая в охлаждающем контуре - радиаторе 3 с принудительным охлаждением вентилятором, который установлен в другом помещении либо на открытом воздухе. Светодиоды 8, установленные на охладителе 9, передают тепло жидкостному теплоносителю который, через штуцер 10 по трубопроводу 2 транспортируется до радиатора 3, в котором охлаждается до заданной температуры, регулируемой с помощью термостата (не показано) и поступает в систему жидкостного охлаждения с температурой не ниже + 15°С для недопущения образования конденсата после охлаждения. Жидкостный теплоноситель по трубопроводу 2 поступает к распределительной гребенке 5, которая используется для транспортировки жидкости по контурам потребления. С помощью гребенки 5 теплоноситель распределяется на каждый светодиодный фитосветильник, и поступает в охладитель 9 светильника через штуцер 10. Циркуляция жидкостного теплоносителя обеспечивается насосом 4.
Пример применения изобретения.
Для реализации процесса охлаждения фито-светильников, устанавливают следующие технические средства, датчики и исполнительные устройства:
1) Регулятор температуры, например, двухканальный с RS-485 ТРМ202-Щ2.РР.
2) Термометр сопротивления, например, TC054-Pt100.B3.100/2 - Датчик температуры с кабелем (Pt100, L=100 мм, d=6 мм, M16×1, 5, (-50…+250°С).
3) Насос циркуляционный для отопления, например, Циркуль 25/40, ДЖИЛЕКС.
4) Радиатор двигателя, комплектно с вентилятором 12V 16400-28350.
5) DENDOR Клапан электромагнитный Vp-IA-15-n/c-V-Z2-B нормально закрытый.
При включении светильников в заданное время с 6 ч 00 мин до 01 ч 00 мин (обеспечивается биодень для растений) включается циркуляционный насос 4 (см. «Функциональная схема автоматизации. Охлаждение фитосветильников), происходит движение теплоносителя по малому контуру внутри помещения, при условии, что значение температуры находится в интервале от 17°С - 21°С, первый клапан (не показано) открыт, другой клапан закрыт, радиатор 3 охлаждения отключен.
При значении температуры теплоносителя выше 21°С, первый клапан закрывается, другой клапан открывается и запускается двигатель вентилятора охлаждения. Охлаждение теплоносителя происходит по большому контуру охлаждения, охлаждение происходит до заданного значения температуры в 17°С.