СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области светотехники, в частности к долговечным осветительным устройствам с использованием полупроводниковых устройств (светодиодов), в качестве непосредственно источников света как таковых, и радиатора в качестве пассивного охлаждающего элемента, и может быть использована для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.
В последнее время широкое распространение получили светодиодные светильники, имеющие высокую степень защиты от воздействия окружающей среды, и предназначенные для эксплуатации как на открытом пространстве, например для уличного освещения населенных пунктов и дорог, так и в закрытых помещениях.
Кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления, светодиоды обладают целым рядом других уникальных свойств. Благодаря нетепловой природе излучения светодиодов они обусловливают высокий срок службы, низкое питающее напряжение гарантирует высокий уровень безопасности, а безынерционность делает светодиоды незаменимыми в случаях, когда необходимо высокое быстродействие.
Однако известно, что чем выше температура светодиода, тем меньше его светоотдача (отдаваемый световой поток на единицу потребляемой светодиодом мощности). Это значит, что КПД светодиода существенно уменьшается с ростом его температуры. Помимо этого при большой температуре светодиода происходит его большая деградация (уменьшение светового потока светодиода с течением времени). Поэтому, в отличие от тепловых светоизлучателей (например, ламп накаливания), светодиоды нуждаются в обязательном качественном охлаждении.
Наибольшее распространение получили два способа охлаждения светодиодов или светодиодных модулей: принудительное (активное) охлаждение, с использованием различных охлаждающих устройств, и естественное (пассивное) охлаждение, использующее естественную конвекцию воздуха.
В частности известно светодиодное осветительное устройство с активным охлаждением (патент на полезную модель РФ №100587, публикация 2010 г.), содержащее светодиоды, размещенные на теплопроводящей металлической подложке и соединенные с блоком питания, радиатор и теплопередающую систему, установленную между подложкой со светодиодами и радиатором. При этом теплопередающая система выполнена в виде замкнутого двухфазного контура, заполненного теплоносителем, включающим испарительную камеру с паровой и жидкостной полостями, паропровод и конденсатопровод, соединенные с испарительной камерой и конденсатором, при этом конденсатор размещен в корпусе радиатора, а подложка со светодиодами смонтирована на испарительной камере.
Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, и, как следствие, невысокая надежность.
Также известен светильник с активным охлаждением (патент на полезную модель РФ №111253, публикация 2011 г.), содержащий светодиодный источник света, а также мембранный электровентилятор, помещенный в корпус, в котором выполнены сопловые отверстия, и полый радиатор, наружная поверхность которого снабжена ребрами охлаждения. При этом радиатор и корпус вентилятора установлены таким образом, что межреберные промежутки радиатора образуют каналы для воздушных потоков, создаваемых вентилятором и выходящих через сопловые отверстия его корпуса. Корпус вентилятора и источник света расположены в полости радиатора. При этом светильник содержит установленный над радиатором трубчатый закрытый сверху корпус, в нижней и верхней частях которого выполнены сквозные отверстия.
Недостатком указанного устройства является, во-первых, сложность конструкции, что ведет к снижению надежности устройства в целом. Во-вторых, активное охлаждение (с помощью вентилятора) неэффективно с точки зрения энергосбережения, поскольку энергопотребление такого устройства в целом, вырастает.
Также известен светильник уличный светодиодный (патент на полезную модель РФ №83587, публикация 2009 г.), представляющий собой светильник, закрепленный на опоре, содержащий корпус с источником света, установленным внутри корпуса, и блок питания. При этом вся поверхность корпуса является охлаждающим радиатором, выполненным в виде пластин оребрения, установленных с трех сторон по периметру корпуса. Источник света выполнен в виде светодиодного модуля, в котором светоизлучающие элементы объединены, по меньшей мере, в четыре параллельные линейки последовательно соединенных сверхмощных светодиодов. При этом каждый из светодиодов крепится не только за счет пайки контактных выводов, но и за счет пайки теплоотводящей пятки светодиода к специальным электрически нейтральным контактам печатной платы.
Недостатком указанного светильника является, во-первых, размещение блока питания в одном корпусе с источниками света. Как известно, КПД блоков питания всегда менее 100%, и поэтому блок питания всегда выделяет тепло, тем самым влияя на общий тепловой режим светильника, снижая эффективность охлаждения светодиодов. Во-вторых, корпус указанного светильника выполнен прямоугольной формы, со значительной площадью поверхности, расположенной параллельно или слегка наклонно к поверхности земли, что приводит к значительной снеговой и грязевой нагрузке во время эксплуатации. В-третьих, в указанном светильнике светодиоды рассредоточены по всей площади светильника в виде отдельных линеек. Каждая линейка, или отдельный диод, снабжены групповой или индивидуальной линзой, что приводит к увеличение конструктивных элементов устройства и, как следствие, к усложнению конструкции в целом.
Также известен маленький светодиодный светильник (ближайший аналог) со сменными рабочими компонентами и дугообразными ребрами для обеспечения улучшенного рассеивания тепла (патент на изобретение США № US 8262255 B1, публикация 2012 г.). Светодиодный светильник имеет съемный элемент (радиатор), содержащий поперечные дугообразные продольные ребра рассеивания тепла для эффективного рассеивания тепла, и отражатель, имеющий внутренние круговые поперечные перегородки для эстетического прохождения света.
Недостатком данного светильника является наличие канала большого диаметра внутри корпуса радиатора. Невозможно отвести большую тепловую мощность на радиатор, выполненный в виде полого цилиндра, так как приемником тепла будут служить узкие стенки цилиндра с небольшой площадью.
Задачей настоящей полезной модели является создание светодиодного осветительного устройства с улучшенными условиями охлаждения источников света, и с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении эффективности охлаждения светодиодов, улучшении эксплуатационных свойств осветительного устройства, упрощении конструктивных элементов осветительного устройства и упрощении процедуры сборки осветительного устройства. Предлагаемое светодиодное осветительное устройство расширяет арсенал технических средств указанного назначения.
Поставленная задача решается тем, что светодиодное осветительное устройство, закрепляемое на внешней опоре, содержит, по меньшей мере, один охлаждающий радиатор, по меньшей мере, один светодиодный источник света, и, по меньшей мере, один блок питания, соединенный с источником света посредством проводов токоподвода. Охлаждающий радиатор выполнен в виде сплошного цилиндра с радиально расположенными на его внешней цилиндрической поверхности продольными теплоотводящими ребрами. На одном из торцов охлаждающего радиатора закреплен светодиодный источник света. Противоположный торец охлаждающего радиатора и блок питания прикреплены к рамной конструкции, выполненной с возможностью крепления на внешней опоре.
Ребра охлаждающего радиатора выполнены постоянной высоты по всей его длине. При этом высота ребер охлаждающего радиатора больше диаметра цилиндра охлаждающего радиатора, причем ребра выполнены раздваивающимися по направлению к окружности образованной краями ребер. Предложенная конструкция дает возможность отвода большой плотности тепловой мощности от небольшой площадки (торец охлаждающего радиатора), на которой сосредоточен массив светодиодов.
Поверхность охлаждающего радиатора обработана путем анодирования и выполнена черным цветом, что существенно улучшает отвод тепла от радиатора.
Рамная конструкция содержит изогнутую металлическую ленту, металлический стакан с цилиндрической частью и дном, выполненный с возможностью крепления на внешней опоре, и две жесткие поперечины. Концы ленты закреплены на цилиндрической части стакана, центральный участок ленты изогнут по дуге окружности, а жесткие поперечины прикреплены к противолежащим участкам изогнутой ленты. При этом охлаждающий радиатор установлен внутри рамной конструкции соосно дуге окружности, образованной изогнутым участком ленты, с зазором между изогнутой лентой и торцевыми участками ребер. Охлаждающий радиатор закреплен на одной из поперечин, а на второй поперечине закреплен блок питания устройства.
Предложенное пространственное разделение блока питания и охлаждающего радиатора также способствует повышению эффективности охлаждения светодиодов, за счет минимизации влияние теплового излучения блока питания на охлаждающий радиатор. Помимо этого, применение рамной конструкции приводит к снижению ветровой нагрузки на устройство.
Охлаждающий радиатор расположен в пространстве таким образом, что его ребра располагаются вертикально. Такая пространственная ориентация охлаждающего радиатора (расположение теплоотводящих поверхностей радиатора перпендикулярно поверхности земли), во-первых, не препятствует естественной конвекции воздуха, что повышает эффективность отвода тепла от радиатора и, следовательно, повышается эффективность охлаждения светодиодов.
Во-вторых, предложенная пространственная ориентация охлаждающего радиатора приводит к сокращению возможной снеговой и грязевой нагрузки на осветительное устройство во время его эксплуатации на открытом воздухе, в реальных условиях снегопада или листопада. А также решает задачу регулярной профилактической очистки осветительного устройства.
Провода токоподвода от блока питания к светодиодному источнику света пропущены через отверстие, образованное в цилиндре охлаждающего радиатора. При этом в целях дополнительной термоизоляции провода токоподвода от блока питания к светодиодному источнику света могут проходить через трубку из термостойкого материала, расположенную в отверстии, образованном в цилиндре охлаждающего радиатора.
Выполнение всех мест ввода/вывода проводов токоподвода к охлаждающему радиатору и/или к блоку питания с герметизацией через втулку-сальник, а также выполнение блока питания в герметичном корпусе приводит к улучшения пыле- и влагозащиты устройства в целом и отсутствию необходимости изготовления отдельного корпуса большего размера. Это упрощает конструкцию устройства в целом и улучшает его эксплуатационные свойства, а также ведет к общему снижению стоимости устройства, изготовленного на основании такого решения.
Светодиодный источник света может располагаться на печатной плате, которая крепится к торцу цилиндра охлаждающего радиатора крепежными винтами или теплопроводящим клеем. Это способствует упрощению конструктивных элементов осветительного устройства, т.к. для размещения светодиодов можно использовать платы любой формы (круг, квадрат, прямоугольник и т.д.) с единственным ограничением в виде размера платы, позволяющим вписать упомянутую плату в габариты торца цилиндра охлаждающего радиатора.
Для защиты от воздействия окружающей среды источник света закрывается линзой из оптически прозрачного материала, устойчивого к воздействию окружающей среды. Упомянутая линза может быть выполнена из стекла или поликарбоната или акрила. Предложенное реализация линзы дает возможность применения оптического элемента небольшого размера и несложного в производстве, и как следствие способствует упрощению конструкции устройства и его удешевлению.
В целях улучшения пыле- и влагозащищенности устройства в целом, линза из оптически прозрачного материала крепится к охлаждающему радиатору через герметизирующую прокладку с помощью крепящего кольца и винтов. При этом в случае необходимости использовать линзу большого размера, упомянутая линза может крепиться к охлаждающему радиатору не напрямую, а с использованием переходника, выполненного в виде кольца, внешний диаметр которого больше диаметра цилиндра охлаждающего радиатора. Упомянутый переходник крепится к охлаждающему радиатору с помощью винтов. Между переходником и охлаждающим радиатором располагается слой герметика, что также направлено на улучшению пыле- и влагозащищенности устройства.
Предложенное техническое решение схематично представлено на чертежах, где:
на Фиг.1 представлен общий вид светодиодного осветительного устройства сверху;
на Фиг.2 представлен общий вид светодиодного осветительного устройства снизу;
на Фиг.3 представлен крупным планом общий вид охлаждающего радиатора с расположенным на нем светодиодом и линзой из оптически прозрачного материала, закрепленной на охлаждающем радиаторе с помощью переходника;
на Фиг.4 представлен в разрезе вид сбоку охлаждающего радиатора с расположенным на нем светодиодом и линзой из оптически прозрачного материала, закрепленной на охлаждающем радиаторе с помощью переходника, а также фрагмент рамной конструкции.
Светодиодное осветительное устройство, закрепляемое на внешней опоре, содержит, по меньшей мере, один охлаждающий радиатор (1), по меньшей мере, один светодиодный источник света (2), и, по меньшей мере, один блок питания (3), соединенный с источником света посредством проводов токоподвода (4), причем охлаждающий радиатор (1) выполнен в виде цилиндра с радиально расположенными на его внешней цилиндрической поверхности продольными теплоотводящими ребрами (1.1), отличающееся тем, что охлаждающий радиатор выполнен в виде сплошного цилиндра, на одном из торцов которого закреплен светодиодный источник света (2), а противоположный торец охлаждающего радиатора и блок питания прикреплены к рамной конструкции (5), выполненной с возможностью крепления на внешней опоре.
Рамная конструкция (5) содержит изогнутую металлическую ленту (5.1), металлический стакан (5.2) с цилиндрической частью и дном, выполненный с возможностью крепления на внешней опоре, и две жесткие поперечины (5.3), причем концы ленты (5.1) закреплены на цилиндрической части стакана (5.2), центральный участок ленты изогнут по дуге окружности, а жесткие поперечины (5.3) прикреплены к противолежащим участкам изогнутой ленты (5.1), при этом охлаждающий радиатор (1) установлен внутри рамной конструкции (5) соосно дуге окружности, образованной изогнутым участком ленты (5.1), с зазором между изогнутой лентой (5.1) и торцевыми участками ребер, и закреплен на одной из поперечин (5.3), а на второй поперечине (5.3) закреплен блок питания устройства (3).
Ребра (1.1) охлаждающего радиатора (1) выполнены постоянной высоты по всей его длине. Высота ребер (1.1) охлаждающего радиатора (1) больше диаметра цилиндра охлаждающего радиатора (1), причем ребра (1.1) выполнены раздваивающимися по направлению к окружности образованной краями ребер. Охлаждающий радиатор (1) расположен в пространстве таким образом, что его ребра располагаются вертикально.
В целях лучшего теплоотведения поверхность охлаждающего радиатора (1) обработана путем анодирования и выполнена черного цвета.
Провода токоподвода (4) от блока питания (3) к светодиодному источнику света (2) пропущены через отверстие (1.2), образованное в цилиндре охлаждающего радиатора (1). При этом в целях дополнительной термоизоляции проводов токоподвода (4) в отверстии (1.2), образованном в цилиндре охлаждающего радиатора (1), может быть расположена трубка (6) из термостойкого материала, через которую проходят упомянутые провода токоподвода (4).
В целях улучшения пыле- и влогозащиты устройства в целом все места ввода/вывода проводов токоподвода (4) к охлаждающему радиатору (1) и/или к блоку питания (3) и/или к металлическому стакану с цилиндрической частью и дном (5.2) выполнены с герметизацией через втулку-сальник (7). Сам блок питания (3) выполнен в герметичном корпусе.
Светодиодный источник света (2) может располагаться на печатной плате (8), которая крепится к торцу цилиндра охлаждающего радиатора (1) крепежными винтами (9). В месте установки светодиодного источника света, между его основанием и торцом радиатора располагается слой термоинтерфейса (10) (термопасты или теплопроводящего клея).
Для защиты от воздействия окружающей среды светодиодный источника света (2) закрывается линзой из оптически прозрачного материала (11), устойчивого к воздействию окружающей среды, например, стекла или поликарбоната или акрила. Упомянутая линза (11) крепится к охлаждающему радиатору (1) через герметизирующую прокладку (12) с помощью крепящего кольца (13) и винтов (14).
При необходимости использования линзы (11), диаметр которой больше диаметра торца цилиндра охлаждающего радиатора (1), упомянутая линза (11) крепится к охлаждающему радиатору (1) не напрямую, а через переходник (15), выполненный в виде кольца, которое в свою очередь закрепляется на торце охлаждающего радиатора (1) с помощью винтов (16). Для целей обеспечения герметизации конструкции, в месте соединения торца охлаждающего радиатора (1) и переходника (15) между ними располагается слой герметика (17). В качестве герметика может быть использован, например, любой нейтральный силиконовый герметик. При этом линза (11) крепится к переходнику (15) также через герметизирующую прокладку (12) с помощью крепящего кольца (13) и винтов (14).
Предлагаемая конструкция светодиодного осветительного устройства позволяет повысить эффективность охлаждения светодиодов, улучшить эксплуатационные свойства осветительного устройства, упростить конструктивные элементы осветительного устройства и процедуру его сборки. Предлагаемое светодиодное осветительное устройство расширяет арсенал технических средств указанного назначения.
Предлагаемое светодиодное осветительное устройство расширяет арсенал средств данного назначения.