СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК

Светодиодный светильник относится к светотехнике, а именно, к конструкциям светильников с источниками света в виде светоизлучающих диодов, и предназначено для освещения улиц, дорог, территорий транспортных узлов и промышленных предприятий, парковок, автозаправочных станций, складских комплексов, наружного и внутреннего освещения производственных зданий, спортивных площадок и других объектов.
Известен светильник светодиодный и теплоотводящий профиль как его корпус [1], который содержит корпус-радиатор из теплопроводного материала с ребрами, две торцевые крышки, как минимум один световой модуль, расположенный в корпусе, как минимум один внешний источник питания, как минимум один монолитный светопрозрачный защитный из ударопрочного материала экран с линзами, закрывающий соответствующий световой модуль. В качестве корпуса-радиатора используется теплоотводящий тянутый профиль, который образован базирующей пластиной с U-образными каналами, делящей корпус на внутреннюю и наружную части, во внутренней П-образной части располагаются световые модули и экраны с креплением к U-образным каналам, а наружная часть содержит ребра, отсек источника питания, выполненный в виде сквозного замкнутого контура, в сечении которого предусмотрены каналы для крепления торцевых крышек, Т-образные пазы для крепления светильника.
Недостатками данного аналога являются:
1) Ограниченный теплоотвод и теплообмен, поскольку монолитный светопрозрачный защитный из ударопрочного материала экран с линзами, закрывающий соответствующий световой модуль, создает условия для образования невентилируемого объема под данным экраном, препятствуя конвективному теплообмену при функционировании светильника;
2) U-образные каналы, содержащиеся в базирующей пластине переменной толщины, ослабляют сечение пластины, уменьшая ее прочность при появлении деформаций и механических напряжений, вызванных изменением температуры при функционировании светильника;
3) Форма поперечного сечения корпуса-радиатора не является рациональной по критерию материалоемкости, поскольку размеры и количество теплоотводящих ребер может быть уменьшено.
Известен светодиодный светильник и теплоотводящий профиль как его корпус [2], который содержит корпус-радиатор с установленными на нем печатными платами с источниками света, светопрозрачным экраном для защиты данных плат от внешних воздействий, торцевыми крышками и внешним источником питания, причем в качестве корпуса-радиатора использован выполненный из алюминиевого сплава теплоотводящий профиль с поперечным сечением П-образной формы и основанием, выполненным в виде пластины, на поверхности которой имеются продольные элементы U-образной формы, из которых центральный элемент U-образной формы расположен вдоль продольной плоскости симметрии, а в качестве боковых стенок профиля представлены элементы, образованные замкнутыми контурами прямоугольного сечения, внешняя боковая поверхность корпуса-радиатора выполнена в виде гладкой анодированной поверхности или поверхности с полимерным пылеотталкивающим покрытием.
Недостатками данного аналога являются:
1) Недостаточно эффективный отвод тепла, выделяемого при функционировании светильника, поскольку конвективному теплообмену, осуществляемому при перемещении и при перемешивании массы неравномерно нагретого воздуха, препятствуют торцевые крышки, а также замедленный теплообмен в углах внутреннего пространства алюминиевого профиля, образованных замкнутыми контурами прямоугольного сечения;
2) Невысокая надежность и эффективность светоотдачи светодиодов, как следствие указанного выше в пункте 1 недостаточно эффективного отвода тепла при функционировании светильника;
3) Невысокая прочность и жесткость корпуса, в котором теплоотводящий профиль П-образной формы имеет основание, выполненное в виде пластины, на поверхности которой имеются продольные элементы U-образной формы, к тому же со стороны верхней поверхности имеется один центральный U-образной формы паз. Наряду с другими особенностями аналога, центральный паз существенно уменьшает прочность и жесткость корпуса устройства;
4) Недостаточная эффективность конструкции корпуса по критерию материалоемкости, поскольку указанная выше в пункте 2 невысокая прочность, а также невысокая жесткость корпуса может быть компенсирована увеличением толщины, а значит дополнительным расходом материала для указанной выше в пункте 2 пластины, соединяющей элементы, образованные замкнутыми контурами прямоугольного сечения.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства, выбранным в качестве прототипа, является светодиодный светильник [3], содержащий корпус-радиатор, торцевые крышки, элемент крепления светильника, печатную плату, выполненные из теплопроводного материала, светодиоды, закрепленные на печатной плате, а также блок питания с электропроводкой, соединенной с печатной платой, и защитный экран, выполненный из оптически прозрачного материала, при этом корпус-радиатор выполнен в виде удлиненного профиля с продольной вертикальной стенкой и открытыми торцами, двумя продольными вертикальными перегородками, образующими в корпусе-радиаторе верхний отсек с верхней и нижней плоскостями, два боковых замкнутых отсека и нижний отсек, имеющий плоскость закрепления печатной платы, причем продольная вертикальная стенка соединяет нижнюю плоскость верхнего отсека и плоскость закрепления печатной платы, в верхнем отсеке корпуса-радиатора размещен блок питания, при этом две продольные вертикальные стенки установлены с возможностью образования центральной теплоизолирующей полости, в которой размещена нижняя часть электропроводки блока питания, и двух боковых вентиляционных полостей, в которых размещены крепежные пластины элемента крепления светильника. Внешняя боковая поверхность корпуса-радиатора в известном светильнике выполнена в виде гладкой анодированной поверхности или поверхности с полимерным пылеотталкивающим покрытием.
Недостатками светодиодного светильника, выбранного в качестве прототипа, являются:
1) Невысокая надежность функционирования светильника и ограниченная область его применения, поскольку конструкция данного светильника функционирует с использованием эффекта вытяжной трубы, который в данном устройстве реализуется, если только светильник устанавливается под некоторым углом к освещаемой поверхности, поскольку только в этом случае в данной конструкции образуется тяга воздуха и создается указанный эффект вытяжной трубы, когда воздушный поток проходит через прорези в торцевых крышках и через продольные каналы, выполненные в боковых замкнутых отсеках корпуса-радиатора, имеющих открытые торцы. Таким образом, если светильник установлен без наклона, то эффект вытяжной трубы не возникает, теплообмен уменьшается, температура светодиодов повышается, как следствие, уменьшается их светоотдача и усиливается деградация, что снижает надежность функционирования светильника и ограничивает область его применения;
2) Невысокая интенсивность теплообмена элементов светильника с окружающей средой, поскольку защитный экран, хотя и выполнен из оптически прозрачного материала, перекрывает плату с установленными на ней светодиодами по всей ее площади, что препятствует конвективному отводу тепла от платы и от светодиодов по направлению их светового потока, снижает интенсивность теплообмена в светильнике и, по причине возможного перегрева, снижает, как отмечено выше, надежность функционирования светильника и ограничивает область его применения;
3) Кроме того, имеет место невысокая интенсивность отвода тепла от корпуса и платы светодиодного светильника, поскольку внешняя боковая поверхность корпуса-радиатора выполнена в виде гладкой поверхности, что уменьшает интенсивность теплообмена по сравнению с негладкой, например, рифленой поверхностью.
Достигаемый технический результат состоит в устранении недостатков прототипа, а именно, в повышении надежности функционирования светильника и в увеличении светоотдачи светодиодов за счет интенсификации отвода тепла, выделяемого при функционировании светильника, путем конструктивно обеспеченного усиления теплообмена элементов светильника друг с другом и с окружающей средой. Повышение надежности функционирования светильника, интенсификация теплообмена и, как следствие, улучшение светоотдачи достигается в неразрывной структурно-функциональной связи с конструктивными особенностями предлагаемого светодиодного светильника, в том числе с повышением прочности корпуса-радиатора светильника, его жесткости и уменьшении материалоемкости.
Указанный технический результат достигается тем, что: в верхней части каждого из боковых продольных вентиляционных каналов корпуса-радиатора выполнены вытяжные отверстия, суммарная площадь вытяжных отверстий каждого вентиляционного канала составляет 80-120% от суммарной площади отверстий в открытых торцах вентиляционного канала, причем внутренние и внешние поверхности стенок вентиляционных каналов выполнены волнообразными с отношением высоты волны к шагу волны от 1,2 до 2,5; кроме того, светильник содержит, по меньшей мере, два световых модуля, расположенных на опорной пластине, суммарная площадь светоизлучающих поверхностей всех световых модулей составляет 40-60% площади опорной пластины.
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими материалами, представленными на фиг. 1 - фиг. 3.
Фиг. 1: светодиодный светильник с двумя световыми модулями (вид общий, в изометрии, повернуто светоизлучающими поверхностями световых модулей вверх).
Фиг. 2: корпус-радиатор светодиодного светильника (вид общий, в изометрии, повернуто светоизлучающими поверхностями световых модулей вниз).
Фиг. 3: корпус-радиатор светодиодного светильника с установленным в нем блоком питания (вид сбоку, повернуто светоизлучающими поверхностями световых модулей вниз).
Светодиодный светильник состоит из корпуса-радиатора 1 в виде удлиненного теплоотводящего профиля с двумя боковыми продольными вентиляционными каналами 2 с открытыми торцами, причем каналы соединены опорной 3 и несущей 4 пластинами, торцевых крышек 5 с отверстиями, элементов крепления светильника 6, световых модулей 7, включающих печатные платы и светодиоды, закрепленные на печатных платах, блок питания с электропроводкой 8, соединенный с печатными платами, и защитные экраны 9 из оптически прозрачного материала. В верхней части каждого из боковых продольных вентиляционных каналов 2 корпуса-радиатора 1 выполнены вытяжные отверстия 10, причем внутренние 11 и внешние 12 поверхности стенок вентиляционных каналов выполнены волнообразными.
Повышение надежности функционирования светодиодного светильника и расширение области его применения достигается за счет использования эффекта «вытяжной трубы», который в предлагаемом устройстве реализуется при любом угле наклона светодиодного светильника к освещаемой поверхности, даже при угле наклона 0°. Данный эффект заключается в следующем: воздух, находящийся внутри вентиляционных каналов 2, в процессе функционирования светильника нагревается, т.е. его температура становится выше температуры воздуха снаружи светильника, за счет чего создается разность давлений внутри вентиляционных каналов 2 и снаружи, вследствие чего образуется тяга воздуха. Нагретый воздух из вентиляционных каналов 2 проходит через вытяжные отверстия 10, освобождая определенный объем для более холодного воздуха, поступающего из окружающей среды по вентиляционным каналам 2 через отверстия в их торцах. Как следствие, увеличивается интенсивность теплообмена и уменьшается температура светодиодов, что способствует повышению их светоотдачи и уменьшению деградации, что повышает надежность функционирования светильника. Суммарная площадь вытяжных отверстий 10 для каждого вентиляционного канала 2 составляет 80-120% от суммарной площади отверстий в его открытых торцах. Если суммарная площадь вытяжных отверстий 10 меньше 80% от суммарной площади отверстий в открытых торцах канала 2, то интенсивность теплообмена недостаточна. С увеличением площади вытяжных отверстий 10 интенсивность теплообмена возрастает. Однако, если суммарная площадь вытяжных отверстий 10 больше 120% от суммарной площади отверстий в открытых торцах канала 2, то существенно ослабляется механическая прочность конструкции корпуса-радиатора и уменьшается интенсивность теплообмена.
Чтобы повысить интенсивность теплообмена в дополнение к эффекту «вытяжной трубы», внутренние 11 и внешние 12 поверхности стенок вентиляционных каналов 2 выполнены волнообразными с отношением высоты волны h к шагу волны t от 1,2 до 2,5. Такое техническое решение приводит к увеличению площади охлаждаемой поверхности и, как следствие, к увеличению интенсивности теплообмена по сравнению с гладкими стенками вентиляционных каналов 2. При этом влияние волновообразной поверхности становится незначительным, если указанное отношение меньше 1,2. С увеличением данного отношения площадь теплообмена растет, однако с увеличением данного отношения сверх 2,5 возрастает материалоемкость, а интенсивность теплообмена возрастает незначительно.
В целях повышения надежности светильник содержит, по меньшей мере, два световых модуля 7. При этом если выйдет из строя один световой модуль 7, то функционирование предлагаемого светильника прекращается не полностью, а лишь частично. С увеличением числа модулей 7 надежность функционирования светильника в целом повышается.
Кроме того, повышение надежности функционирования светодиодного светильника достигается тем, светоизлучающие поверхности световых модулей 7, перекрывают опорную пластину 3 из теплопроводящего материала только по части площади опорной пластины 3, что интенсифицирует отвод тепла от опорной пластины 3 в той части ее поверхности, которая не закрыта светоизлучающей поверхностью световых модулей 7. Суммарная площадь светоизлучающих поверхностей всех световых модулей 7 составляет 40-60% площади опорной пластины 3. Если суммарная площадь светоизлучающих поверхностей всех световых модулей 7 больше 60% площади опорной пластины 3, то площадь отвода тепла с поверхности опорной пластины 3, не занятой светоизлучающей поверхностью световых модулей 7, недостаточна для эффективной работы светодиодного светильника. С уменьшением закрытой от светоизлучающей поверхности световых модулей 7 площади опорной пластины 3 интенсивность теплообмена возрастает. Однако, уменьшение суммарной площади светоизлучающих поверхностей всех световых модулей 7 ниже 40% площади опорной пластины 3, ведет к незначительному возрастанию интенсивности теплообмена, при этом резко возрастают габариты и материалоемкость светильника, что в свою очередь ведет к существенному увеличению его себестоимости и снижению конкурентоспособности на рынке светодиодных светильников.
Увеличение прочности и жесткости корпуса светодиодного светильника при тепловом и механическом воздействии достигается тем, что боковые вентиляционные каналы 2 соединены опорной 3 и несущей 4 пластинами, расстояние между наружными плоскостями которых равно высоте боковых продольных вентиляционных каналов 2. Уменьшение данного расстояния снизит прочность и жесткость корпуса-радиатора 1 и затруднит размещение и монтаж блока питания 8 и токопроводящих элементов между блоком питания 8 и светодиодами. Увеличение данного расстояния приведет к нерациональному увеличению габаритов светильника.
Функционирование светодиодного светильника частично изложено выше, при описании его структурных элементов и их назначения. Однако, для полноты изложения, необходимы следующие дополнения. Светильник механически соединяется с кронштейном или иной внешней опорой. Функционирование светодиодного светильника предполагает подключение блока питания к внешней электрической сети, не являющейся элементом данного светильника. Блок питания светильника механически соединен с корпусом-радиатором, при этом блок питания электрически соединен с помощью изолированных проводников с светоизлучающими диодами. Подключенные к блоку питания светоизлучающие диоды, как составные части световых модулей, являющихся, в свою очередь, необходимыми элементами светильника и механически с ним соединенными, функционируют как источники светового потока. Световой поток проходит через оптически прозрачные защитные экраны данных световых модулей, освещая тем самым требуемый объект.
ИСТОЧНИКИ
1. Описание полезной модели к патенту RU 149674 «Светильник светодиодный и теплоотводящий профиль как его корпус» (Пак В.А. Опубл.: 20.01.2015).
2. Описание изобретения к патенту RU 2513033 «Светодиодный светильник и теплоотводящий профиль как его корпус» (Пак В.А., Кабанов А.А. Опубл.: 20.04.2014).
3. Описание полезной модели к патенту RU 154191 «Светодиодный светильник» (Курмаев И.Х. Опубл.: 20.08.2015).