СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2013 года по МПК F21V29/00 

Область техники

Решение относится к светотехнике, а именно, к средствам наружного освещения с использованием светодиодов высокой мощности и может быть использовано в оборудовании для освещения городских площадей, улиц и магистралей, в частности, имеющих движение транспортных средств.

Уровень техники

Светодиоды, являются эффективным источником света, обладают низким потреблением электроэнергии и большим сроком службы.

Однако использование для указанного применения мощных светодиодов создает проблему с рассеиванием выделяемого тепла. Учитывая, что температурный режим работы заметно влияет на срок службы светодиодов, проблема термодинамического равновесия, становится тем острее, чем более мощный световой поток необходимо получить для создания нормируемой освещенности.

Для рассеяния тепла чаще всего используют радиаторы, эффективность работы которых зависит от массотдачи на поверхности теплообмена.

При естественной конвекции эффективность охлаждения имеет ограниченные возможности, так как напрямую связана с площадью теплообмена, которую беспредельно увеличивать невозможно.

Для интенсификации теплообмена используют принудительную конвекцию. Создание таких охлаждающих потоков реализуется с помощью различного рода электромеханических устройств, таких как компрессоры, насосы, вертиляторы и тому подобные, которые имеют движущиеся части с ограниченным сроком службы, являются потребителями электроэнергии, требуют дополнительного обслуживания, поэтому их использование снижает эффективность и надежность светодиодных осветительных устройств.

Известны конструкции содержащие теплопроводный элемент, на одном конце которого закреплены светодиоды, а на другом конце средство рассеяния тепла, снабженное разветвленной поверхностью, охлаждение которой осуществляется естественной конвекцией воздуха (например, EP 2341284; WO 2011023790; CN 201193813; TWM 300866 и др).

Общим недостатком известных решений является ограниченная возможность отвода тепловой энергии. Увеличение световой мощности требует все больших площадей теплообмена, увеличение которых приводит к увеличению габаритов радиаторов и, как следствие, к ограничению области применения светодиодных осветительных устройств.

Известно решение содержащие теплопроводный элемент в виде тепловой трубки, на участке испарения которой закреплены светодиоды, а на участке конденсации - узел рассеяния тепла, снабженный разветвленной поверхностью, охлаждение которого осуществляется потоком воздуха, создаваемого вентилятором (TW M295889, МКИ H05K 7/20, опубликовано 11.08.2006).

Недостатком известного решения является наличие электромеханического средства создания воздушного потока, которое имеет движущиеся части с ограниченным сроком службы, требует дополнительного обслуживания и само является потребителем электроэнергии.

В качестве прототипа выбрано решение по TWM 295889, совпадающее с заявленным решением по большинству существенных признаков.

Техническим результатом решения является повышение срока службы светодиодов и надежности осветительного устройства.

Раскрытие сущности

Решение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:

Светодиодное осветительное устройство, содержащее источники излучения; теплопроводный элемент; узел охлаждения, снабженный разветвленной поверхностью; и средство создания потока воздуха, направленного на разветвленную поверхность узла охлаждения, отличающееся тем, что в качестве средства создания потока воздуха использован воздуховод, установленный в направлении действия силы тяжести, а разветвленная поверхность узла охлаждения размещена в полости воздуховода.

В качестве дополнительных следует указать следующие уточняющие или развивающие признаки:

- поверхность теплообмена узла охлаждения ориентирована вдоль оси воздуховода. Такая ориентация поверхностей теплообмена, с одной стороны, увеличивает теплообмен, а с другой "стороны, создает оптимальные условия для движения воздушного потока;

- разветвленная поверхность узла охлаждения размещена ближе к верхнему концу воздуховода;

- теплопроводный элемент и узел охлаждения выполнены из материала, обладающего теплопроводностью не менее 170 Вт/(м·°C). Такой теплопроводностью обладают алюминий и некоторые его сплавы, золото, медь, серебро, карбоновые композиты. Наиболее практичным для широкого использования следует считать сплавы алюминия;

- теплопроводный элемент выполнен в виде тепловой трубки, при этом источники излучения размещены на участке испарения, а узел охлаждения установлен на участке конденсации.

Воздуховодом в заявленном решении является устройство в виде преимущественно прямого трубопровода, дополненного при необходимости частями, обеспечивающими изменение направления, разделение, расширение или сужение воздушного потока. Воздуховод может иметь круглое или прямоугольное поперечное сечение и изготавливаться из металлических, бетонных или пластических материалов.

Под признаком «воздуховод, установленный вдоль направления действия силы тяжести» понимается такое направление оси воздуховода, которое близко к вертикали или имеет от него отклонение на небольшой длине воздуховода.

Создание естественного конвекционного потока в заявленном решении основано на переносе теплоты в воздухе, возникающем в поле силы тяжести при неравномерном нагреве столба воздуха в воздуховоде. Воздух, нагретый сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы перемещается относительно менее нагретого вещества. Хотя в основе возникновения свободной конвекции в воздуховоде лежат естественные причины, считать такой организованный конвекционный поток естественным будет не совсем правильно. Более точным характеризовать его как естественно-принудительное.

При размещении в полости воздуховода узла охлаждения создамся условия для возникновения дополнительной локальной принудительной конвекции, возникающей в следствие нераномерности нагрева воздуха у поверхности радиатора узла охлаждения и температурой естественного конвекционного потока в воздуховоде. Совместное действие естественно-принудительной и принудительной конвекции среды в воздуховоде показало высокую эффективность решения. Так, при размещении узла охлаждения осветительного устройства в воздуховоде длиной менее 1 метра падение температуры светодиодов составило 5°C.

Признак «поверхность теплообмена узла охлаждения ориентирована вдоль оси воздуховода» означает поверхность узла охлаждения любой формы, простирающуюся вдоль оси воздуховода. Например, в случае ребристого радиатора поверхностью теплообмена являются боковые плоскости ребер.

Привлекательной особенностью заявленного светодиодного осветительного устройства является отсутствие в его конструкции не только электромеханических узлов, но вообще подвижных элементов, что обусловливает его высокую надежность.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

на фиг.1 показана схема относительного положения узлов светодиодного осветительного устройства;

на фиг.2 изображена схема варианта расположения светодиодного осветительного устройства при его использовании совместно с дорожными осветительными столбами;

на фиг.3 показана схема варианта расположения светодиодного осветительного устройства при его использовании в строительстве зданий.

Светодиодное осветительное устройство (фиг.1) содержит источники узлучения 1, теплопроводный стержень 2, узел охлаждения 3 и воздуховод 4 с нижним 4' и верхним 4'' концами.

Согласно другому варианту (фиг.2) светодиодное осветительное устройство 5 размещено на столбе 6 дорожной осветительной системы. В этом варианте функцию воздуховода выполняет полость в столбе 6. Патрубки 7 обеспечивают разделение воздушного потока, поднимающегося от вентиляционного отверстия 8 в основании столба 6 и направление его на поверхность теплообмена узла охлаждения 3 (фиг.1).

Следующий вариант расположения светодиодного осветительного устройства 5 представлен на фиг.3. Воздуховод 4, смонтированный вертикально вдоль фасада здания 9, обеспечивает направление воздушного потока, поднимающегося от вентиляционного отверстия 8 в основании воздуховода 4, омывает поверхность теплообмена узла охлаждения 3, расположенного внутри воздуховода.

Возможность промышленного применения

Приведенные в описании варианты осветительного устройства не являются исчерпывающими. Они могут быть изменены для реализации конретных целей освещения. Элементы конструкции осветительного устройства известны и могут быть изготовлены с использованием известных средств, имеющих автоматизированное управление.

Изобретение относится к средствам наружного освещения, использующим светодиоды высокой мощности, и может быть использовано для освещения городских площадей, улиц и магистралей. Теплопроводный стержень выполнен в виде тепловой трубки, на участке испарения которой размещены источники излучения. Узел охлаждения установлен на участке конденсации. Воздуховод установлен вдоль направления действия силы тяжести. Разветвленная поверхность узла охлаждения ориентирована вдоль оси воздуховода и размещена ближе к верхнему концу воздуховода. Теплопроводный стержень и узел охлаждения выполнены из материала, обладающего теплопроводностть не менее 170 Вт/(м·°C). Воздуховод может иметь круглое или прямоугольное поперечное сечение и изготовлен из бетонных, пластических и/или металлических материалов. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности охлаждения светодиодов, повышение срока службы светодиодов и надежности осветительного устройства. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Светодиодное осветительное устройство, содержащее источники излучения, теплопроводный стержень, узел охлаждения, снабженный разветвленной поверхностью, воздуховод, установленный с возможностью направления потока воздуха на разветвленную поверхность узла охлаждения, отличающееся тем, что теплопроводный стержень выполнен в виде тепловой трубки, на участке испарения которой размещены источники излучения, а узел охлаждения установлен на участке конденсации, при этом воздуховод установлен вдоль направления действия силы тяжести, а разветвленная поверхность узла охлаждения ориентирована вдоль оси воздуховода.

2. Светодиодное осветительное устройство по п.1, отличающееся тем, что разветвленная поверхность узла охлаждения размещена ближе к верхнему концу воздуховода.

3. Светодиодное осветительное устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводный стержень и узел охлаждения выполнены из материала, обладающего теплопроводностью не менее 170 Вт/(м·°C).

4. Светодиодное осветительное устройство по п.1, отличающееся тем, что воздуховод имеет круглое или прямоугольное поперечное сечение и изготовлен из бетонных, пластических и/или металлических материалов.