Светодиодная лампа с охлаждением тепловой трубой и осветитель на её основе
LED LAMP WITH COOLING BY HEAT PIPE AND ILLUMINATOR ON ITS BASIS

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к компактным светодиодным /СД/ лампам с объемными СД модулями на мощных светодиодах и световым приборам /осветителям/ на их основе, требующими охлаждения при эксплуатации, со встроенными или вынесенными из лампы преобразователями питающей сети и/или средствами управления световым потоком.
Подобные лампы и осветители на их основе /прожекторы заливающего света, светильники, облучатели/ мощностью до 600 Вт и белее могут быть использованы для замены газоразрядных ламп /ГРЛ/ высокого давления типа ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и светильников с этими лампами с громоздкими пускорегулирующими аппаратами /ПРА/ и предназначены для освещения открытых пространств, промышленных объектов, цехов предприятий, автомагистралей, промышленного выращивания растений, а также для применения в специальной светотехнике, во взрывозащищенных световых приборах, светомаяках, в навигационных аэродромных комплексах и т.п.
Современные лампы с мощными светодиодами как ее встроенными источниками питания и управления, так и с выделенными в арматуру осветителя или специального патрона требуют сопряжения плоского или объемного СД модуля с радиатором кондуктивно-конвективного охлаждения /1/. При этом материалоемкость /габариты, масса и цена/ таких радиаторов растет пропорционально с увеличением мощности лампы.
То же касается конструкций полупроводниковых осветителей с мощными светодиодами, требующими рассредоточения их на платах-кластерах или линейках с алюминиевыми основаниями с монтажом в тепловом контакте с материалоемкими радиаторами охлаждения большей площади.
Наиболее существенной проблемой СД ламп с радиаторами охлаждения является то, что их эксплуатация невозможна в герметичных, защищенных невентилируемых световых приборах /осветителях/ из-за трудностей организации эффективного теплообмена /сброса тепла/ в ограниченном замкнутом пространстве корпуса осветителя.
Известно светодиодное осветительное устройстве /2/ с тепловой трубой термосифонного типа, у которой оболочка /трубчатый паропровод/ размещена в тепловом контакте между двумя теплопроводными пластинами, на одной из которых в зоне испарения установлена плата со светодиодами, заключенными в оптически прозрачную колбу, а узел охлаждения размещен на первой и/или второй пластине.
Наряду с неэффективным использованием тепловой трубы /ТТ/ недостатки аналога обусловлены невозможностью произвольной ориентации устройства в пространстве, т.к. для бесфитильных ТТ термосифонного типа зона конденсации пара теплоносителя должна обязательно располагаться выше зоны испарения для обеспечения транспортирования конденсированного жидкого теплоносителя при эксплуатации самотеком за счет действия гравитационных сил.
Этим же недостатком обладают осветительные приборы на светодиодах, построенные применением двух или большего количества вышеуказанных осветительных устройств, описанных в /3/, или осветитель, защищенный патентом Китая /4/, с протяженными СД линейками, установленными на массивном радиаторе охлаждения с цилиндрическими каналами на тыльной стороне, в которых размещены оболочки зон испарения ТТ термосифонного типа с вынесенными из него зонами конденсации пара теплоносителя в верхнюю часть осветителя.
Известна мощная СД лампа, работающая с произвольной ориентацией в пространстве, с охлаждением объемного СД модуля низкотемпературной тепловой трубой /ТТ/, оболочка зоны испарения которой находится в тепловом контакте с фитилем, имеющим капилярную структуру, и частично заполнена жидким двухфазным теплоносителем, смачивающим фитиль, и при этом испарительная зона ТТ соединена через промежуточную адиабатическую зону этой трубы с зоной конденсации пара указанного теплоносителя, на наружных стенках которой изготовлены ребра радиатора охлаждения, а элементы токоподвода лампы выполнены в виде стандартного цоколя, установленного на торцевой части оболочки ТТ в зоне ее охлаждения /5/.
Обладая компактностью и высокими светотехническими характеристиками, описанная лампа-прототип не может эффективно эксплуатироваться в невентилируемых осветителях с высокой степенью защиты от воздействия окружающей среды из-за необходимости организации конвективного теплообмена зоны охлаждения ТТ с этой средой.
В процессе эксплуатации в замкнутом объеме осветителя происходит накопление тепла и снижение градиента температуры между зоной испарения ТТ и зоной конденсации пара теплоносителя ТТ, существенно снижающего эффективность работы ТТ или вызывающего остановку испарительно-конденсационного процесса в трубе.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик, повышение эффективности охлаждения лампы при работе в осветителях с высокой степенью защиты от воздействия окружающей среды или в невентилируемых приборах.
Поставленная цель достигается тем, что светодиодная лампа с охлаждением тепловой трубой и осветитель на ее основе, содержащая полный объемный светодиодный /СД/ модуль, выполненный или установленный в тепловом контакте на оболочке испарительной зоны тепловой трубы /ТТ/ с фитилем, имеющим капилярную структуру, и жидким двухфазным теплоносителем, смачивающим фитиль, соединенной через промежуточную адиабатическую зону с зоной конденсации пара этого теплоносителя, средства охлаждения указанной зоны, элементы токоподвода и монтажа лампы в осветителе, упомянутые средства охлаждения зоны конденсации пара теплоносителя ТT выполнены в виде съемного кольцевого радиатора охлаждения, установленного по резьбе и/или скользящей посадкой на оболочке ТТ в тепловом контакте с ее боковыми стенками, а элементы токоподвода и монтажа лампы в осветителе собраны на опорном фланце, выполненном на оболочке в месте примыкания адиабатической зоны ТТ к зоне конденсации пара, с подключением к СД модулю.
Цель достигается также тем, что съемный кольцевой радиатор охлаждения ТТ выполнен с возможностью установления теплового контакта при монтаже лампы в осветителе с его теплопроводной стенкой и герметичного соединения с ней через уплотнение.
Поставленная задача решается и тем, что собранные на опорном фланце элементы токоподвода выполнены в виде изолятора с по меньшей мере одним микроразъемом и/или двумя соединителями, подключенными к СД модулю, и гибких изолированных токоведущих проводников для подключения лампы к электронному преобразователю питающей сети и/или к средствам управления световым потоком, вынесенными из лампы.
Задача решается и тем, что электронный преобразователь питающей сети и/или средства управления световым потоком собраны в кольцевом отсеке, охватывающем оболочку адиабатической зоны и/или часть испарительной зоны ТТ, и с подключением к питающей сети элементами токоподвода на опорном фланце.
Достижению цели способствует также то, что опорный фланец, выполненный или установленный на оболочке ТТ, имеет отверстия для байонетного механического крепления лампы на плоской стенке объекта, в частности осветителя, с возможностью теплового контакта с ней за счет прижатия торцевой частью съемного кольцевого радиатора охлаждения ТТ.
Цель достигается и тем, что полый объемный СД модуль выполнен в оптически прозрачной колбе, сопряженной с кольцевым опорным фланцем или с крышкой кольцевого отсека для электронного преобразователя питающей сети и/или средств управления световым потоком.
Решению задачи способствует и то, что полный объемный СД модуль выполнен на светодиодах синего или голубого излучения, а колба лампы изготовлена из силикатного стекла или поликарбоната и покрыта изнутри или в ее стежки интегрирован один или смесь люминофоров, выбранных из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных церием, преобразующих большую часть излучения светодиодов в белый свет и рассеивающих его.
Поставленная цель достигается также тем, что осветитель на основе СД лампы с охлаждением ТТ, содержащий защищенный или невентилируемый корпус с одним или двумя гнездами для монтажа СД лампы со светящим телом, установленным в световом центре вогнутого отражателя, преобразователь питающей сети и/или средства управления световым потоком, элементы токоподвода и крепления корпуса на объекте, каждое из указанных гнезд корпуса выполнено в виде плоской стенки, перпендикулярной главной оптической оси отражателя, и с осевым отверстием для размещения оболочки зоны конденсации пара теплоносителя ТТ, вынесенной из запрещенного или невентилируемого корпуса в окружающее пространство, с уплотнением и тепловым контактом указанной стенки между опорным фланцем лампы и ее съемным радиатором охлаждения оболочки ТТ.
Цель достигается и тем, что защищенный корпус осветителя выполнен с параболоцилиндрическим отражателем и двумя аксиально установлениями СД лампами в гнездах на его плоских торцевых стенках с отверстиями, через каждое из которых выступает в окружающее пространство оболочка ТТ, охваченная съемным радиатором охлаждения, а тыльная часть корпуса выполнена с отсеком для преобразователя питающей сети и/или средств управления световым потоком, подключенных гибкими элементами токоподвода к микроразъемам на опорном фланце лампы.
Задача решена и тем, что невентилируемый корпус совмещен с параболоидным отражателем и выполнен с кронштейном для крепления на объекте и с гнездом с плоской стенкой и осевым отверстием для аксиального монтажа на опорный фланец лампы с байонетным зацеплением оболочки зоны конденсации пара теплоносителя ТТ, выступающей из гнезда в окружающее пространство и прижатой к нему с уплотнением съемным кольцевым радиатором охлаждения, а преобразователь питающей сети и/или средства управления световым потоком собраны в кольцевом отсеке на опорном фланце лампы внутри корпуса осветителя.
Предпочтительные варианты исполнения светодиодной лампы с охлаждением ТТ и осветителей на ее основе показаны на чертежах.
Фиг. 1. Светодиодная лампа с охлаждением тепловой трубой с ее радиатором охлаждения, снятым с оболочки ТТ. Вид сбоку, частично в разрезе и с поперечным сечением А-А.
Фиг. 2. Защищенный осветитель прожекторного типа заливающего света с двумя СД лампами со съемными радиаторами ТТ: а/ фронтальный вид, частично в разрезе; б/ вид сбоку, сечение А-А.
Фиг. 3. Невентилируемый осветитель - светильник с СД лампой со съемным радиатором охлаждения оболочки ТТ.
Показанная на фиг. 1 светодиодная лампа с тепловой трубой и радиатором охлаждения, снятым с оболочки ТТ, содержит полый объемный СД модуль 1, выполненный непосредственно на оболочке 2 испарительной зоны 3 тепловой трубы 4 с фитилем 5, имеющим капилярную структуру, смачивающимся жидким двухфазным теплоносителем, частично заполняющим полость указанной оболочки.
Наружная поверхность части оболочки 2, окружающая зону испарения ТТ, выполнена с продольно скошенными стенками или имеет форму протяженной прямой призмы, на стенках которой установлена в тепловом контакте линейка 6 с металлизированным основанием и с собранными на ней мощными светодиодами 7 или светодиодными минимодулями.
Испарительная зона 3 ТТ соединена через промежуточную адиабатическую зону 8 /отмечена на фиг. 1 пунктирными линиями/ с зоной 9 конденсации пара теплоносителя, заполняющего трубу при эксплуатации ламп.
Зона 9 в оболочке ТТ окружена средствами кондуктивно-конвективного охлаждения, выполненными в виде съемного оребренного радиатора 10 охлаждения, установленного на цилиндрической части оболочки 2 по резьбе 11 и/или скользящей посадкой в тепловом контакте с ее боковыми стенками. Сопряжение радиатора 10 с оболочкой 2, окружающей зону 9 охлаждения ТТ, может быть выполнено с применением теплопроводной пасты /на фиг. не показано/.
Для эффективной эксплуатации лампы в герметичных, защищенных или невентилируемых осветителях съемный оребренный кольцевой радиатор 10 охлаждения ТТ выполнен с плоской торцевой стенкой 12 и с возможностью монтажа его вне корпуса осветителя в тепловом контакте при установке лампы с его теплопроводной стенкой /см. фиг. 2а/ и герметичного соединения с ней через кольцевое уплотнение 13.
В отличие от традиционных цоколей, применяемых в лампах, в предложенной конструкции предусмотрено выполнение элементов токоподвода и средств монтажа лампы в осветителях на опорном фланце 14, установленном на оболочке в месте примыкания адиабатической зоны 8 ТТ к зоне конденсации пара 9 теплоносителя.
Собранные на опорном фланце 14 элементы токоподвода выполнены в виде изолятора 15 с по меньшей мере одним 2-позиционным микроразъемом, например, серии SSL для подключения "кабель-плата" и с соединителями типа Cool Splice компании "Tyco Electronics" для подключения к СД модулю 1, запрещенными цилиндрическим экраном, а также с гибкими изолированными токоведущими проводниками 16 для подключения к электронному преобразователю питающей сети и/или к средствам управления световым потоком, вынесенным из лампы, например, в отсек осветителя, как показано на фиг. 2б.
Опорный фланец 14, установленный при помощи сварки или соединенный пайкой, или установленный по резьбе на оболочке ТТ, имеет отверстия 17 /см. фиг. 1, сечение А-А/ для байонетного механического крепления лампы на плоской стенке объекта, например на стенке гнезда осветителя /фиг. 2а/, с возможностью теплового контакта с ней за счет прижатия торцевой стенкой 12 съемного кольцевого радиатора 10 охлаждения ТТ при монтаже его на оболочке 2 по резьбе 11 и/или скользящей посадкой и стопорением.
Ha фиг. 2а, б показан защищенный осветитель прожекторного типа заливающего света с двумя СД лампами 18 с охлаждением ТТ съемными оребренными радиаторами охлаждения, изображенными на фиг. 1 в разобранном виде.
Осветитель содержит защищенный корпус 19, перекрытый защитным стеклом 20, с двумя гнездами, каждое из которых выполнено в виде плоской стенки 21 с осевым отверстием 22 для аксиального монтажа СД ламп 18 со светящими телами, сформированными объемными СД модулями, установленными в световом центре /на фокальной оси ZZ/ вогнутого параболоцилиндрического отражателя 23. Плоская стенка 21 каждого гнезда с отверстием 22 перпендикулярна фокальной оси отражателя. В указанном отверстии гнезда размещена оболочка зоны конденсации пара теплоносителя ТТ каждой лампы таким образом, что установленный на ней оребренный кольцевой радиатор 24 герметизирует осевое отверстие 22 гнезда для монтажа лампы в корпусе 19 осветителя при сжатии кольцевого уплотнения 13 /см. фиг. 1/, установленного в кольцевой канавке на его торцевой стенке 12, при посадке радиатора по резьбе 11 и/или скользящей посадкой на выступающей из корпуса цилиндрической части оболочки ТТ.
При этом обеспечивается тепловой контакт гнезда для монтажа лампы в корпусе 19 сжатием сопрягаемых элементов между опорным фланцем 25 лампы и торцевой стенкой радиатора 24, вынесенного из защищенного корпуса осветителя в окружающее пространство для эффективного конвективного охлаждения.
На тыльной части корпуса 19 осветителя /фиг. 2б/ выполнен отсек 26 для размещения вынесенного из ламп 18 электронного преобразователя питающей сети 27 /целесообразно применение двухканального преобразователя/ и/или средств управления световым потоком с подключением кабелем питающей сети через сальниковый ввод 28, а также лира 29 для крепления корпуса на объекте.
На фиг. 3 показан вариант невентилируемого осветителя - подвесного светильника с СД лампой со светопропускающей колбой и со съемным радиатором охлаждения зоны конденсации пара теплоносителя оболочки ТТ.
Осветитель содержит совмещенный с параболоидным отражателем корпус 30 с кронштейном 31 для крепления на объекте и с гнездом с плоской стенкой 32 и осевым отверстием для аксиального монтажа на опорный фланец 33 СД лампы 34 с байонетным зацеплением указанного фланца и оболочки 35 зоны 36 конденсации пара теплоносителя ТТ, выступающей из гнезда этого корпуса 30 в окружающее пространство, охваченной и прижатой, с уплотнением съемным кольцевым радиатором 37 охлаждения, подобным описанному для осветителя на фиг. 2а, б. Корпус невентилируемого осветителя может бить перекрыт защитным стеклом / на фиг. не показано/
Использованный в осветителе вариант СД лампы 34 с охлаждением ТТ предусматривает размещение объемного СД модуля 38 в тепловом контакте на оболочке 35 ТТ и в оптически прозрачной колбе 39, установленной открытой частью на крышке 40 кольцевого отсека 41 с собранным в нем электронным преобразователем 42 питающей сети и/или средствами управления световым потоком. Преобразователь подключен к сети соединителем 43.
Колба 39 может быть установлена и уплотнена непосредственно на опорном фланце 33, окружая отсек 41, вне зоны байонетного зацепления /на фиг. не показано/.
Объемный СД модуль 38 выполнен в виде двух, сопряженных основаниями усеченных пирамид из теплопроводного материала, установленных в тепловом контакте на оболочке 35 зоны испарения теплоносителя ТТ.
Разработанные СД лампы предусматривают выполнение СД модулей на мощных светодиодах /0,5-3 Вт/ белого свечения, например, серии XL amp ХТ-Е, ХР-Е2 или ХМ-L компании CREE. Возможно применение светодиодов большой мощности.
+3
+3
Вместе с тем, более эффективным вариантом исполнения лампы, показанной на фиг.3, является применение объемного СД модуля на светодиодах синего или голубого излучения, например, типа XL amp ХТ-Е АР /λ≈470 нм, при использовании колбы 39, изготовленной из силикатного стекла или оптического поликарбоната, покрытой изнутри или с интегрированным в ее стенки одним или смесью люминофоров, выбранных из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных церием /YAG:Ce или GaAC:Ce/, преобразующих большую часть излучения светодиодов в белый свет и рассеивающих его.
Предложенные варианты исполнения СД лампы с охлаждением тепловой трубой имеют улучшенные эксплуатационные характеристики за счет белее эффективного охлаждения и работоспособность в защищенных от воздействия окружающей среды осветителях со степенью защиты не ниже IP-54…IP-67 по ГОСТ 14254.80, а также в невентилируемых осветителях.
Световые приборы на основе предложенной лампы имеют уменьшенные габариты и обладают улучшенными тепловыми параметрами, а значит имеют белее высокую светоотдачу и срок службы.
Литература
1. В.В. Снеун. Состояние разработок компактных светодиодных излучателей и ламп с удаленным люминофором. "Полупроводниковая светотехника, 2013, №6, с. 39-48.
2. С.М. Гвоздев и др. Высокоинтенсивное светодиодное осветительное устройство. Пат. ПМ РФ №123107, приор. 04.04.2012, кл. F21S 2/00.
3. Д.В. Мариничев и др. Об особенностях конструкции и параметрах системы охлаждения мощного осветительного прибора со светодиодами. "Светотехника", 2013, №3, с. 29-32.
4. Патент Китая CN 101315155 А, кл. F2IS 8/00, приор. 2008.5.21.
5. В.В. Сысун. Мощная светодиодная лампа с охлаждением. Пат. РФ №2568105, опубл. 10.09.2015, Бюл. №31.