Осветитель на светодиодах с удаленным люминофором и внутренним охлаждением
LED-BASED ILLUMINATOR WITH REMOTE LUMINOPHOR AND INTERNAL COOLING

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к светодиодным осветителям повышенной мощности для комфортного освещения промышленных объектов, торговых помещений, спортивных площадок, помещений военного назначения, а также открытых пространств, садово-парковых зон, дворовых участков, дорог и т.п.
Известны мощные светодиодные светильники-осветители с внутренним охлаждением тепловыми трубами (1), термосифонами (2), электровентиляторами (3), разработанными для перечисленных применений, выполненные в защищенном или герметичном корпусе, заполненном воздухом, содержащем объемный светодиодный модуль, собранный га охлаждаемом держателе- тепловой трубе или термосифоне с радиаторами кондуктивно-конвективного охлаждения, вынесенными из корпуса светильника в окружающее пространство.
Недостатки светильников связаны с высокой материалоемкостью и сложностью конструкции, в т.ч. обусловлены необходимостью применения тепловых труб или термосифонов с массивными радиаторами охлаждения или использования электровентиляторов и дополнительных источников питания для них.
Известны светильники на светодиодах с удаленным люминофором компании «Непес Рус» (4), разработанные корейской компанией «Nepes LED» на основе технологии удаленного люминофора, предложенной в изобретении (5).
Светильники(4) выполнены в плоском корпусе с размещением на печатной плате минимодулей, состоящих из светодиодного чипа голубого излучения с силиконовой линзой, индивидуально покрытых трехслойным колпачком (внешний и внутренний колпачек) с размещенным между ними люминофором, удаленным от кристалла с р-п переходом (чипа), переизлучающим, т.е. изменяющим длины волн (λ) указанных чипов с λ 440-480 нм в излучение увеличенных длин волн.
Недостатки аналога обусловлены серьезными потерями излучения (более 20%) на границах и в стенках трехслойных колпачков, а также связаны с необходимостью увеличения габаритов светильника для рассредоточения чипов на плате для обеспечения допустимых температурных режимов при эксплуатации.
Известен светильник (6) на светодиодах собранных в плоском корпусе, перекрытом защитным оптически прозрачным стеклом с нанесенным на внутреннюю поверхность люминофором, в частности, на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием  диспергированным в оптически прозрачный кремнийорганический компаунд, удаленный от собранных на печатной плате в виде кластера мощных светодиодов с λ-440-480 нм люминофор преобразует в излучение с λ-530-580 нм (желтое излучение), суммарно образующие белый свет.
Недостатки прототипа связаны с невозможностью получения кругового светораспределения и неэффективным охлаждением осветителя.
Целью изобретения является улучшение тепловых параметров, повышение светоотдачи и срока службы, минимизация габаритов осветителя повышенной мощности при одновременном снижении расхода конструкционных материалов и люминофора при использовании светодиодов коротковолнового (синего, голубого и белого) излучения.
Поставленная цель достигается тем, что осветитель на светодилодах с удаленным люминофором и внутренним охлаждением, содержащий защищенный корпус со светопропускающими стенками с собранным внутри объемным модулем с излучателями на светодиодах коротковолнового спектра излучения, преобразователь питающей сети, средства охлаждения и монтажа его на объекте выполнен в корпусе с установленным внутри трубопроводом, пропускающим воздух-хладоноситель со стенками из теплопроводного материала и с установленным на них снаружи в тепловом контакте объемным модулем с излучателями на светодиодах синего, голубого или коротковолнового белого спектра излучения, и образующим трубчатый кондуктивно- конвективный теплообменник, герметично соединенный на противоположных концах с патрубками отверстий в торцевых стенках корпуса, пропускающими на входе в корпус воздух из окружающей среды для внутреннего охлаждения осветителя, а на выходе из корпуса трубопровод теплообменника образует дозвуковой диффузор, пропускающий поток воздуха, созданный естественной тягой за счет разности температуры и давления при эксплуатации внутри трубопровода и в окружающей среде и за счет воздействия гравитационных сил при близкой к вертикальной ориентации осветителя в пространстве.
Цель достигается также тем, что корпус осветителя выполнен в виде усеченной пирамиды с боковыми ребрами, образующими окна, герметично перекрытые светопропускающими плоскими или выпуклыми стенками из силикатного стекла или оптического поликарбоната с интегрированным в них люминофором или нанесенным на внутреннюю поверхность слоем оптически прозрачного силикона с размешанным в нем одним или смесью люминофоров, преобразующих коротковолновое излучение светодиодов в белый свет и рассеивающих его в окружающем пространстве.
Достижению цели способствует также то, что по крайней мере одна грань корпуса осветителя выполнена в виде форточки для доступа внутрь при обслуживании излучателей объемного модуля, установленных на трубопроводе-теплообменнике.
Цель достигается и тем, что выполненный в виде усеченной пирамиды корпус имеет отверстия на его торцевых стенках, герметично соединенные с трубопроводом, выступающая из корпуса часть которого установлена в тепловом контакте с отсеком для преобразователя питающей сети, подключенным к излучателям модуля средствами токоподвода.
Поставленная задача решена также тем, что пропускающий воздух-хладоноситель трубопровод на входе в корпус выполнен с отверстиями на боковых стенках для поступления воздуха из окружающей среды в зону охлаждения излучателей, а на выходе из корпуса канал трубопровода образует дозвуковой диффузор с экранированным рассекателем потока воздуха, защищающим трубопровод от проникновения атмосферных осадков.
Решению задачи способствует также то, что объемный светодиодный модуль с функцией трубчатого теплообменника выполнен с ребрами охлаждения, обращенными к светопропускающим стенкам корпуса, между которыми на стенках теплообменника собраны в тепловом контакте светодиодные линейки, светодиодные минимодули или изоляторы, несущие светодиодные филаменты.
Поставленная цель достигается и тем, что интегрированный в светопропускающие стенки или нанесенный на плоские или выпуклые внутренние стенки корпуса удаленный от светодиодов люминофор выбран из группы галофосфатных люминофоров или редкоземельных люминофоров на основе иттрий алюминиевого граната, активированного церием, переизлучающими коротковолновое излучение светодиодов в белый свет и рассеивающими его.
Предпочтительный вариант исполнения осветителя по изобретению показан на чертежах.
Фиг. 1а. Осветитель на светодиодах с удаленным люминофором внутренним охлаждением с отсеком преобразователя питающей сети,
Фиг. 1б. Поперечное сечение А-А осветителя и теплообменника с воздухопроводом и объемным модулем с излучателями на светодиодах.
Показанный на фиг. 1а и б осветитель с удаленным от светодиодов люминофором и внутренним охлаждением содержит защищенный корпус 1 со светопропускающими стенками 2 с собранным внутри объемным модулем 3 с излучателями 4 на светодиодах 5, установленным на держателе.
Внутри корпуса 1 осветителя коаксиально установлен по меньшей мере один трубопровод б(воздухопровод) с каналом 7, пропускающим воздух-хладоноситель в зону охлаждения через отверстие 7а в стенке трубопровода на входе в теплообменник из окружающей среды и отверстие 7б его открытой части (показано стрелками) на выходе воздуха из теплообменника 8. Стенки трубопровода 6 выполнены из теплопроводного материала, трубчатой несущей арматуры 9 корпуса 1 для монтажа осветителя на объектах и размещения внутри кабельных средств подключения его к питающей сети(на фиг. не показаны).
На наружных стенках трубопровода 6 внутри корпуса 1 установлен в тепловом контакте скользящей посадкой через промежуточный слой теплопроводной пасты типа силотерм ЭП-14 ГОСТ 19723 74 или другим способом, держатель объемного модуля 3 с излучателями 4 на светодиодах 5 синего, голубого или коротковолнового белого спектра излучения серий XLamp, ХТ-Е,ХР-£2,ХМ-1 или XQ-E компании GREE (США) (7) или линейки минимодулей серии SunLike компании « Seul Semiconductor)) (4) увеличенной мощности или светодиодные филаменты (Китай) (8).
Линейки и минимодули могут быть собраны непосредственно на стенках трубопровода с выполненными гранями на наружной поверхности.
Трубопровод 6 совместно с элементами арматуры объемного модуля, образующий кондуктивно-конвективный теплообменник 8 на противоположных концах герметично соединен с патрубками отверстий (показан на фиг. 1 патрубок 10) в торцевых стенках 11 и 12 корпуса 1, выступает из него на входе 7а с возможностью теплового контакта с отсеком 13 для преобразователя 14 питающей сети, подключенным к излучателям модуля 3, средствами токоподвода (на фиг. не показаны), а на выходе 76 соединяется с окружающей средой, пропуская поток воздуха- хладоносителя.
При этом, на выходе из корпуса 1 канал 7 трубопровода 6 образует дозвуковой диффузор 15, экранированный рассекателем 16 потока воздуха (см. фиг. 11а), защищающим указанный канал от проникновения атмосферных осадков в трубопровод и способствующий образованию естественной тяги воздуха при эксплуатации осветителя.
Движение воздуха в трубопроводе 6 организовано естественной тягой при подключении осветителя к питающей сети, выделении и передаче тепла при нагреве несущих излучатели 4 стенок теплообменника до температуры достигающей 80°-120°С при эксплуатации за счет мощности потерь (до 50%) светодиодов излучателей и тепловых потерь в преобразователе 14 питающей сети.
Корпус 1 осветителя выполнен в виде усеченной пирамиды с боковыми ребрами 17, образующими окна, герметично перекрытые светопропускающими плоскими или выпуклыми стенками 2 из силикатного стекла или оптического поликарбоната с интегрированным в них или нанесенным на внутреннюю поверхность слоем размешанного в силиконе одного или смеси люминофоров 18, преобразующих большую часть коротковолнового (синего, голубого или белого) излучения светодиодов 5 с длинами волн -440-480 нм в желтое излучение с λ-530-580 нм, которое смешиваясь с частью синего, голубого или коротковолнового белого излучения образует комфортный белый свет, выходящий из осветителя.
При этом осветитель с удаленным от светодиодов люминофором рассеивает преобразованное излучение в окружающем пространстве с круговым светораспределением.
Использованный в осветителе удаленный люминофор 18- из группы галофосфатных или редкоземельных люминофоров на основе иттрий алюминиевого граната, активированного церием  преобразующими коротковолновое излучение светодиодов в белый свет и рассеивающим его в окружающем пространстве.
Удаление люминофора 18 от р-п переходов кристаллов светодиодов 5 на стенки 2 осветителя исключает их деградацию при нагревании, улучшает тепловые параметры излучателей, повышая тем самым светоотдачу более чем на 20% и долговечность (срок службы) излучателей, что подтверждено исследованиями в России (7) применительно к лампам и за рубежом (8). Для обеспечения доступа к излучателям 4 осветителя, по крайней мере одна стенка 2 корпуса выполнена в виде форточки 19 для доступа внутрь при обслуживании модуля 3, которая может быть установлена в окне корпуса на петли 20 или стенка 2 введена с уплотнениями на ребрах 17.
Объемный модуль 3 осветителя может быть изготовлен в виде кольцевого радиатора-держателя с излучателями 4, экранированными между собой ребрами 21 теплообменника, выполняющими наряду с функцией кондуктивно-конвективного охлаждения внутреннего объема корпуса, модуля, люминофора и светодиодов излучателей, защиту или ограничение радиационного теплообмена между ними.
5
Предложенные варианты осветителя на светодиодах с удаленным люминофором и с внутренним охлаждением их потоком воздуха из окружающей среды обеспечивают повышение светоодачи в 1,2-1,5 раза, увеличение срока службы светодиодов в минимизированных габаритах корпусов осветителей с объемом до 150 см при увеличенной подводимой мощности за счет комбинированного охлаждения излучателей, интенсификации теплообмена при создании кругового светораспределения и использовании охлаждения естественной тягой воздуха.
Литература.
1. Д.П. Ильченко, В-В. Сысун. Патент РФ№2632657,опубл.Бюл. №28, 09.10.2017 г.
2. Буланова С.Ю., Сысун В.В. Патент РФ №2641894, опубл. Бюл. №3 23.01.2018 г.
3. Светильник с лампами серии «Мегсигу AL CL 02» с воздушным охлаждением «АООО Шеньчженьская научно-техническая компания «Чаоциньсань» (www.PCCOOLER. СОМ.Китай, г. Шэнчжэн)
4. Куршев Александр. В России запущено производство светодиодных светильников по уникальной технологии удаленного люминофора CapLED. ж. «Полупроводниковая светотехника», №1, 2014 г., стр. 16-19.
5. Сарычев Г.С., Сысун В.В. Патент РФ№2408816, опубл.Бюл. №1,10.01.2011 г.
6. В.В. Сысун. Патент РФ №2475673, опубл. Бюл.№3,20.02.2013 г.
7. Сысун В.В. Состояние разработок компактных светодиодных излучателей и ламп с удаленным люминофором, ж. «Полупроводниковая светотехника», №6, 2013 г., стр. 39-48.
8. Светодиодные светильники с удаленным люминофором. Яндекс - https://yandex.ru