СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК

Предлагаемая полезная модель относится к светотехнике и может использоваться для построения светильников различного назначения для применения как снаружи, так и внутри помещений.
Современные мощные светодиоды находят широкое применение во всех областях осветительной техники благодаря высокой эффективности, высокому качеству света, положительному влиянию на психофизическое состояние человека в условиях искусственного освещения.
Существенной сложностью при конструировании светодиодных светильников является необходимость поддержания жестких температурных режимов работы светодиода (охлаждения).
Известны два наиболее распространенных способа охлаждения светодиодов и светодиодных модулей: принудительное, естественное (конвективное) и смешанное.
Для обеспечения естественного (конвективного) отвода тепла используют специальные охладители (радиаторы) с развитой площадью охлаждающей поверхности см., например, RU 99104 U1 от 18.06.2010. К недостаткам радиаторов можно отнести большие размеры и массу, пропорциональные мощности рассеивания тепла светодиодами и модулями на их основе. Кроме того, эффективность охлаждения зависит от многих внешних факторов, таких как расположение радиатора в пространстве, наличие препятствий для конвекции воздуха и др.
Для принудительного охлаждения используют термоэлектрические охладители (элементы Пельтье), электромеханические вентиляторы, см. например, RU 95068 U1 от 10.06.2010, RU 56558 U1 от 10.09.2006. К недостаткам указанных устройств можно отнести необходимость дополнительных затрат электрической энергии, ограниченный ресурс работы в виду наличия механических движущихся частей, дополнительный уровень акустических шумов, относительно высокую стоимость.
Также известно когда для охлаждения светодиодных светильников используют смешанный способ охлаждения, включающий, как естественное охлаждение светильника, так и принудительное, см. например, RU 95068 U1 от 10.06.2010 или RU 56558 U1 от 10.09.2006. Недостатками данного метода охлаждения, также как и для принудительного метода, является ограниченный ресурс работы в виду наличия механических движущихся частей, дополнительный уровень акустических шумов, относительно высокую стоимость.
Перечисленные недостатки ограничиваю области применения указанных методов охлаждения светодиодов и модулей на их основе.
Наиболее близким светодиодным светильником является светильник раскрытый в US 20100039012 A от 18.02.2010. Данный светильник, используют эффект формирования вторичного потока воздуха в сквозном канале радиатора при периодическом изменении давления на его входе. Эффект изменения давления на входе в канал может быть достигнут путем импульсного кратковременного «впрыска» воздуха в канал через сопло малого размера (Фиг.1). Первичная воздушная импульсная струя может быть создана с помощью источника давления направленного в канал. В качестве импульсного источника давления может использоваться диафрагма, расположенная в замкнутом объеме с малым выходным отверстием, приводимая в колебательное движение пьезоэлектрическим элементом. Устройство, обеспечивающее импульсный впрыск воздушной струю далее будем называть струйным инжектором.
Можно выделить две фазы работы струйного инжектора. В первой фазе (фазе впрыска) (Фиг.2) тонкая струя воздуха из сопла с высокой скоростью впрыскивается в канал охлаждения радиатора, создавая в канале турбулентный вихревой поток. По мере распространения вихревого потока вдоль канала в канале создается разряжение, за счет которого окружающий холодный воздух засасывается в канал, омывая его стенки и обеспечивая отвод тепла от них. Во второй фазе (фазе всасывания) (Фиг.3) разряжение создается у отверстия сопла струйного инжектора, увлекая ко входу в канал окружающий холодный воздух, который в очередной фазе впрыска всасывается в канал охлаждения и т.д.
2
В зависимости от конфигурации канала охлаждения и его длины скорость вторичного потока может в несколько раз превышать скорость первичной струи, обеспечивая эффективность охлаждения большую, чем в случае стационарного турбулентного потока. На Фиг.4 показаны расчетные значения числа Нуссельта для турбулентного потока и измеренные значения для воздушного потока в канале, индуцированного впрыском первичной струи для канала длиной 30 мм с сечением около 100 мм. Фигура показывает, что индуцированный в канале поток имеет более высокие числа Нуссельта, чем стационарный турбулентный поток.
В отличие от систем охлаждения с электрическими вентиляторами описанная система обеспечивает значительно более высокий ресурс за счет отсутствия элементов трения и низкий уровень шума, что позволяет использовать ее в светильниках общего освещения.
Задачей полезной модели является создание компромиссного устройства, сочетающего в себе высокую эффективность отвода тепла и значительное снижение массы и габаритов светильника при минимальных дополнительных затратах электрической мощности на охлаждение.
Это достигается тем, что отвод тепла осуществляется на специальный теплоотводящий радиатор, в котором имеются сквозные воздушные каналы, на который установлен струйный инжектор, периодически впрыскивающий воздушные струи в каналы радиатора с целью снижения теплового сопротивления между радиатором и окружающей средой.
2
На фигуре 1 изображен эскиз устройства в разрезе, на фигурах 2 и 3 изображены фазы работы струйного инжектора, поясняющие принцип действия устройства. На фигуре 4 показаны расчетные значения числа Нуссельта для турбулентного потока и измеренные значения для воздушного потока в канале, индуцированного впрыском первичной струи для канала длиной 30 мм. с сечением около 100 мм
Предлагаемый светильник (см. фиг.1) состоит из корпуса 1, металлического (в частности, из алюминиевого сплава) теплоотводящего радиатора 2, на котором размещена, по крайней мере, одна печатная плата 3 с установленными на ней светодиодами (светодиодный кластер), электронными компонентами, вторичной оптикой. Материал печатной платы, тип вторичной оптики, метод крепления печатной платы к профилю значения не имеют и не могут влиять на суть патента. В теплоотводящем радиаторе 2 выполнены воздушные каналы 4, разделенные друг от друга ребрами 5 для увеличения площади поверхности рассеивания тепла. Количество каналов, их площади поперечного сечения и длины выбираются в зависимости от тепловой мощности, которую необходимо отвести от светодиодного кластера 3.
Сверху на радиатор установлено устройство 6 («струйный инжектор»), которое формирует импульсный кратковременный «впрыск» воздушных струй в каналы радиатора 4 через сопла 7. Первичная воздушная импульсная струя может быть создана с помощью источника давления направленного в канал. В качестве импульсного источника давления может использоваться диафрагма, расположенная в замкнутом объеме с малым выходным отверстием, приводимая в колебательное движение пьезоэлектрическим элементом. Поперечное сечение сопел и начальная скорость импульса воздушной струи выбираются в зависимости от тепловой мощности, которую необходимо отвести от светодиодного кластера 3.
В состав светильника также может входить, защитное стекло 8, электронное устройство управления «струйным инжектором» 9, источник тока для электропитания светодиодов 9. Конфигурация корпуса 1, материал и форма защитного стекла 8, схемотехническая реализация устройств 9 и 10 не влияют на суть патента. Для притока воздуха из окружающей среды и выхода наружу светильника нагретого воздуха в корпусе 1 имеются вентиляционные отверстия 11.
Устройство работает следующим образом.
Тепловыделяющие элементы светодиодного кластера 2 передают тепло радиатору 1. «Струйный инжектор» 5 впрыскивает в каналы 3 через сопла 6 импульсные воздушные струи. Можно выделить две фазы работы «струйного инжектора». В первой фазе (фазе впрыска) (Фиг.2) тонкая струя воздуха из сопла с высокой скоростью впрыскивается в канал охлаждения радиатора, создавая в канале турбулентный вихревой поток. По мере распространения вихревого потока вдоль канала в нем создается разряжение, за счет которого окружающий холодный воздух засасывается в канал, омывая его стенки и обеспечивая отвод тепла от них. Во второй фазе (фазе всасывания) (Фиг.3) разряжение создается у отверстия сопла «струйного инжектора», увлекая ко входу в канал окружающий холодный воздух, который в очередной фазе впрыска всасывается в канал охлаждения и т.д. В зависимости от конфигурации канала охлаждения и его длины скорость вторичного потока может в несколько раз превышать скорость первичной струи, обеспечивая эффективность охлаждения большую, чем в случае стационарного турбулентного потока.
Частота смены фаз впрыска/всасывания может находиться в диапазоне от 100 до 500 Гц и оптимизируется исходя из тепловых и геометрических характеристик системы охлаждения. Начальная скорость струи автоматически регулируется в зависимости от температуры окружающей среды, тепловых и геометрических характеристик системы охлаждения для оптимизации охлаждения и энергопотребления.
Частота смены фаз впрыска/всасывания может находиться в диапазоне от 100 до 500 Гц и также автоматически регулируется в зависимости от температуры окружающей среды, тепловых и геометрических характеристик системы охлаждения для оптимизации энергопотребления.
При правильном выборе характеристик: начальной скорости струи, частоты смены фаз впрыска/всасывания, длины канала радиатора, тепловое сопротивление системы светодиодный кластер - радиатор - окружающая среда может быть снижено более чем в 5 раз по сравнению с естественным конвективным охлаждением радиатора той же мощности. Это может быть использовано для снижения массы и габаритов светильника, снижения температуры переходов светодиодов, увеличения срока службы светодиодов, уменьшения стоимости материала печатной платы светодиодного кластера, увеличения плотности светового потока с единицы объема светильника, а также для достижения оптимального сочетания перечисленных преимуществ.