МОЩНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА Российский патент 2014 года по МПК F21S8/00 

Предполагаемое изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к лампам на светодиодах различных цветов излучения оптического диапазона спектра, в том числе на светодиодах белого свечения, или на светодиодах коротковолнового излучения, например синего или голубого излучения с преобразованием его в белое свечение при помощи люминофоров.

Мощные светодиодные лампы предназначены для замены ламп накаливания мощностью /100-300 Вт/ или газоразрядных ламп типа ДРЛ, МГЛ, ДНаТ, преимущественно мощностью до 250 Вт, а также компактных люминесцентных ламп, применяемых для общего освещения в составе осветительных приборов промышленного и бытового назначения или для использования в специальном светотехническом приборостроении, например, во взрывозащищенных светильниках.

Анализ современных компактных светодиодных ламп преимущественно белого свечения, обсуждаемый, например, в /1/, а также предложенные фирмами /2/ лампы для реализации на рынке подтверждают отсутствие приемлемых технических решений на мощности, превышающие 10 Вт.

В известных компактных лампах увеличение мощности и количества светодиодов достигается за счет увеличения габаритов общего для них радиатора охлаждения и размеров колбы. Так, например, компания Briaton /2/ предлагает светодиодную лампу BR-LED-GD/E27/I5/28 в светорассеивающей колбе мощностью 15 Вт со световым потоком 800 лм, имеющей габариты ⌀ 100×175 мм. Низкая светоотдача и большие габариты лампы обусловлены преимущественно неудовлетворительными средствами охлаждения светодиодов и потерями излучения при использовании светорассеивающих покрытий на стенках колбы для уменьшения блескости.

Известна светодиодная сборка /3/ для использования в компактных светодиодных лампах, содержащая несущее основание для модуля в форме диска со светодиодами, сопряженного с дополнительными планками со светодиодами, установленными под некоторым углом к продольной оси симметрии сборки.

В устройстве отсутствует радиатор охлаждения светодиодов, что затрудняет использование его в мощных светодиодных лампах.

Известна лампа на мощных светодиодах /4/, содержащая пластины круглой или прямоугольной формы, удерживаемые стягивающим элементом параллельно между собой, на которых установлены индивидуальные радиаторы охлаждения в виде изогнутых под выбранными углами плоских лепестков из теплопроводного материала, разделенных между собой зазорами, находящихся в тепловом контакте с несущими их пластинами, и установленными на них мощными светодиодами, а также преобразователь питающей сети, собранный на печатной плате в камере, сопряженной с цоколем или с гибкими средствами токоподвода.

Недостатки прототипа связаны с необходимостью увеличения площади лепестков-радиаторов охлаждения при увеличении мощности применяемых светодиодов, что не обеспечивает возможности минимизации габаритов, а также со снижением эффективности конвективного теплообмена лепестков-радиаторов со светодиодами при заключении их в колбу.

Целью предполагаемого изобретения является улучшение тепловых параметров лампы увеличенной мощности, минимизация габаритов и защита от воздействия окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что мощная светодиодная лампа, содержащая излучатель на основе светодиодных модулей или линеек, радиаторы охлаждения светодиодов, преобразователь питающей сети и средства токоподвода, выполнена с излучателем, составленным из двух, трех или большего количества индивидуально защищенных светодиодных модулей или линеек, собранных в тепловом контакте на индивидуальных радиаторах охлаждения, разделенных между собой в пространстве, установленных в меридиональных плоскостях параллельно или под острым углом к продольной оси симметрии лампы и подключенных к преобразователю питающей сети, собранному в отделенной от излучателя камере.

Цель достигается и тем, что каждый светодиодный модуль или линейка излучателя заключены в индивидуально защищающую их от воздействия окружающей среды трубчатую оптически прозрачную колбу с продольной прорезью и с торцевыми крышками с выступающим из прорези по всей длине колбы наружу в окружающее пространство протяженным радиатором с ребрами охлаждения, соединенным каналом для средств токоподвода с отделенной от излучателя воздушным зазором камерой для преобразователя питающей сети.

Поставленная задача решается также тем, что каждый светодиодный модуль излучателя выполнен в виде протяженного полого элемента с по меньшей мере двумя разделенными продольном щелью рабочими гранями, на которых изготовлены или установлены печатные платы с мощными светодиодами или отдельные светодиоды, причем эти грани объединены и находятся в тепловом контакте с несущим их основанием, установленным в тепловом контакте с протяженным радиатором охлаждения, выступающим из прорези колбы наружу по всей ее длине.

Цель достигается также тем, что каждая светодиодная линейка излучателя, установленная в тепловом контакте с индивидуальным радиатором охлаждения, фронтально перекрыта плоским оптически прозрачным защитным стеклом с образованием щелевого отсека.

Цель достигается и тем, что на удаленных от камеры преобразователя торцевых крышках индивидуальных радиаторов со светодиодными модулями или линейками установлены в тепловом контакте дополнительные модули с мощными светодиодами на круглых или многоугольных платах, защищенные оптически прозрачными колпаками.

Задача решается и тем, что камера преобразователя питающей сети сопряжена через кольцевой изолятор со стандартным цоколем или выполнена с гибкими средствами токоподвода.

Достижению цели способствует и то, что модули или линейки излучателя выполнены с мощными светодиодами голубого и/или синего излучения, а трубчатая колба - с прорезью, плоское защитное стекло и защитные колпаки изготовлены из силикатного стекла или из оптически прозрачного поликарбоната, покрыты изнутри или с диспергированными в их стенки одним или смесью люминофоров, выбранных из группы иттрий- алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных преимущественно церием, преобразующих большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белый свет и рассеивающих его.

Наиболее предпочтительные варианты исполнения устройств согласно предполагаемому изобретению показаны на чертежах.

Фиг.1. Мощная светодиодная лампа с тремя параллельно установленными светодиодными модулями на индивидуальных радиаторах охлаждения в меридиональных плоскостях. Вид спереди, частично в разрезе.

Фиг.2. То же, что и на фиг.1. Вид на излучатель лампы по стрелке, частично в разрезе одного модуля.

Фиг.3. Мощная светодиодная лампа с четырьмя светодиодными линейками на индивидуальных радиаторах охлаждения. Вид спереди, частично в разрезе.

Фиг.4. То же, что и на фиг.3. Вид по оси ZZ лампы, сечение А-А, частично в разрезе.

Показанная на фиг.1 и 2 мощная светодиодная лампа содержит излучатель 1, составленный из трех разделенных между собой в пространстве одинаковых индивидуально защищенных от воздействия окружающей среды протяженных модулей 2 с мощными светодиодами 3, собранных в тепловом контакте на индивидуальных радиаторах 4 охлаждения и установленных в меридиональных плоскостях под углом 120° параллельно между собой и к продольной оси ZZ симметрии лампы.

Протяженные модули 2 с цепочками с последовательным или параллельно-последовательным подключением мощных светодиодов 3 между собой микроразъемами 5 и средствами токоподвода 6, размещенными в каналах втулок 7, подключены к электронному преобразователю 8 питающей сети, собранному в общей для них камере 9, отделенной от излучателя 1I воздушным зазором 10, т.е. теплоизолированной от радиаторов модулей.

Каждый модуль 2 с мощными светодиодами 3 индивидуально заключен в защищающую его от воздействия окружающей среды трубчатую оптически прозрачную колбу 11 с продольной прорезью /например, часть трубчатых колб Т8 или T12/, образуя протяженную камеру, защищенную торцевыми крышками 12, и установлен в тепловом контакте с выступающим из прорези колбы по всей ее длине наружу протяженным индивидуальным радиатором 4 с ребрами охлаждения 13.

Радиаторы 4 с ребрами 13 охлаждения изготовлены из теплопроводного материала, например из алюминиевых сплавов, методом экструзии или литьем под давлением. Однако могут быть изготовлены также из теплопроводной керамики типа рубалит /Al₂O₃/ или из теплорассеивающей пластмассы типа "Теплосток" фирмы "Спецпласт-М" /Россия/, имеющей охлаждающую способность, близкую к алюминиевым радиаторам, но меньшую себе стоимость и в два раза меньшую массу.

Протяженные радиаторы 4 могут быть также соединены между собой каналами /на фиг. не показано/ для последовательного подключения светодиодных модулей или линеек излучателя.

Каждый светодиодный модуль 2 излучателя 1 выполнен в виде протяженного полого элемента с по меньшей мере двумя разделенными продольной щелью 14 рабочими гранями 15 и 16, на которых изготовлены или установлены печатные платы с мощными светодиодами 8 /преимущественно мощностью 0,5-3 Вт/. На указанных гранях могут быть установлены в тепловом контакте навесным монтажем отдельные мощные светодиоды.

Грани 15 и 16 объединены между собой и находятся в тепловом контакте с несущим их основанием 17, которое, в свою очередь, установлено в тепловом контакте, например, за счет прижатия винтами I8 с протяженным индивидуальным радиатором 4 с ребрами 13 охлаждения, обеспечивающим кондуктивный теплоотвод от р-n переходов кристаллов светодиодов 3. Радиатор 4 с ребрами охлаждения выступает из прорези колбы II в окружающее пространство по всей ее длине, обеспечивая конвективный теплообмен.

Ребра 13 охлаждения могут быть выполнены вдоль протяженного радиатора 4, как показано на фиг.1 и 3 /для эксплуатации ламп преимущественно в вертикальном положении/, поперек радиатора или игольчатой формы, т.е. в виде игл, перпендикулярных поверхности радиатора, для эксплуатации ламп с произвольной ориентацией в пространстве.

Рабочие грани 15 и 16 могут быть выполнены с образованием единого полого элемента с несущим и отводящим тепло основанием радиатора 4 охлаждения, что возможно при использовании для производства технологии экструзии /на фиг. не показано/.

Преобразователь 8 питающей сети, собранный в камере 9, может быть выполнен многоканальным, например трехканальным, для подключения индивидуальных модулей 2 излучателя лампы.

Камеру 9 преобразователя изготавливают из теплопроводного материала с оребрением, но возможно также исполнение с порфорированными стенками.

По оси симметрии ZZ лампы камера S сопряжена через кольцевой изолятор 19 со стандартным цоколем 20, например, типа Е27, или снабжена гибкими средствами токоподвода /см. фиг.3/,

В одном из вариантов исполнения для улучшения светораспределения лампы по оси ZZ на удаленных от камеры преобразователя торцевых крышках 12 индивидуальных радиаторов 4 охлаждения протяженных модулей 2 с мощными светодиодами 3 установлены в тепловом контакте с подключением в цепи питания к указанным светодиодам дополнительные модули 21 с такими же светодиодами 22, собранными на круглых или многоугольных печатных платах с алюминиевым основанием, индивидуально защищенные оптически прозрачными колпаками 23.

Второй вариант мощной светодиодной лампы, показанный на фиг.3 и 4, предусматривает выполнение излучателя 24 в виде четырех разделенных между собой в пространстве и установленных в меридиональных плоскостях линеек 25 с мощными светодиодами 26. Линейки собраны в тепловом контакте на протяженных индивидуальных радиаторах 27 с ребрами охлаждения и расположены под острым углом наклона /преимущественно 10-30° к продольной оси ZZ симметрии лампы.

Каждая линейка 25 с мощными светодиодами 26 излучателя выполнена в виде протяженной печатной платы с алюминиевым основанием и фронтально перекрыта плоским оптически прозрачным защитным стеклом 28, установленным и уплотненным на выступавших боковых стенках индивидуальных радиаторов 27 охлаждения с образованием щелевого отсека 29 для светодиодов 26, герметизированного торцевыми крышками.

Разделенные в пространстве индивидуальные радиаторы 27 с ребрами охлаждения обеспечивают эффективное кондуктивно-конвективное охлаждение светодиодных линеек излучателя преимущественно за счет увеличения поверхности теплообмена с окружающей средой.

Линейки 25 со светодиодами, собранные на радиаторах охлаждения, подключены между собой /на фиг. не показано/ и/или с преобразователем питающей сети, установленным в теплоизолированной от них камере 30, снабжены гибкими выводами 31 для подключения лампы к питающей сети, а также кронштейнами для монтажа указанной камеры в тепловом контакте на стенке корпуса, например, взрывозащищенного светильника.

Предложенные варианты мощной светодиодной лампы с излучателями, составленными из светодиодных модулей или линеек, целесообразно выполнить с мощными светодиодами 3, 22 и 26 синего или голубого излучения, а трубчатую оптически прозрачную колбу 11 с продольной прорезью, охватывающую светодиодный модуль 2, плоское оптически прозрачное защитное стекло 28, фронтально перекрывающее светодиодную линейку 25 и оптически прозрачные колпаки 23, защищающие дополнительные модули 21 излучателей, при этом изготавливают из силикатного стекла или из оптически прозрачного поликарбоната и покрывают преимущественно изнутри слоем 32 /см. фиг.3/ или в их стенки диспергируют /интегрируют/ один или смесь люминофоров, выбранных из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных преимущественно церием, преобразующих большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белый свет и эффективно рассеивающих его. Это позволяет существенно снизить блескость излучателей, повышая тем самым световой кпд лампы в сравнении с лампами в колбах с традиционно матированными или с рассеивающими покрытиями стенками.

Удаление люминофоров от кристаллов с р-n переходами снижает также тепловыделение на кристалле, способствуя повышений светоотдачи и срока службы излучателя.

В качестве мощных светодиодов, используемых в модулях или линейках излучателей ламп, предпочтительно применены светодиоды белого свечения серии 219A, например, типа NVSW219AT фирмы Nichia /5/ мощностью 1 Вт со световым потоком 140 лм и углом рассеяния 2Θ_0,5=120°, либо светодиоды серии ML-E мощностью 0,5 Вт, 2Θ=120°, или серии XP-G мощностью 1-3 Вт, 2Θ=125° фирмы CREE /6/.

Преобразователи питающей сети АС-DC для применения в разработанных лампах целесообразно использовать от компании MEAN WELL L/Тайвань/ или ЗАО ММП-ИРБИС /Москва/.

Предложенные мощные светодиодные лампы с компактными излучателями на основе протяженных светодиодных модулей или линеек с разделенными индивидуальными радиаторами охлаждения обеспечивают возможность увеличения мощности в 2-3 раза и светового потока до 3000 лм и более в габаритах, сопоставимых, например, с лампами мощностью 12-15 Вт компании Briaton /2/, и имеющими существенно меньшие габариты по сравнению со светильниками с матрицами светодиодов, сравнимого по световому потоку, например, типа LL-ДВУ-0I-050-02XX-65Д компании "Лидер Лайт Треид" /Москва/ /7/.

При этом в предложенной конструкции светодиодной лампы существенно улучшены тепловые параметры за счет выполнения излучателя с разделенными в пространстве индивидуальными для светодиодных модулей или линеек радиаторами охлаждения, имеющими увеличенную поверхность конвективного теплообмена с окружающей средой, и обеспечивающего одновременно компактное исполнение излучателей лампы.

Литература.

1. Хартмут Пошманн. Светодиодные лампы на пути к массовому рынку Ж.: Полупроводниковая светотехника, №6/8/, 2010, с.4-8.

2. Каталог продукции светодиодные лампы и светильники, 20I0. Компаний Briaton, с.30. www.briaton.ru.

3. С.В.Герасимов. Светодиодная сборка, ПМ РФ №I06336, кл.P21S 13/00. Приор. 12.04.2011.

4. Сысун В.В. Лампа на мощных светодиодах. Пат. РФ №2347975 кл. F21S 8/00, приор. 17.04.2007.

5. Петропавловский Ю. Современные светодиоды компаний Toyoda Gosei и Nichia". Ж.:Полупроводниковая светотехника, №4, 2011, с.25.

6. Каталог фирмы "Прософт". Электронные и электромеханические компоненты, 2010, с.29.

7. Каталог компании "Лидер Лайт Трейд". Светодиодное освещение, сент. 2010.

Изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к светодиодным лампам для общего освещения и специального применения, например, во взрывозащищенных светильниках. Техническим результатом является улучшение тепловых параметров лампы за счет увеличения поверхности конвективного теплообмена радиаторов. Лампа выполнена с излучателем, составленным из по меньшей мере двух протяженных индивидуально защищенных светодиодных модулей или линеек, собранных в тепловом контакте на индивидуальных радиаторах охлаждения, разделенных между собой в пространстве, установленных в меридиональных плоскостях параллельно или под острым углом к продольной оси лампы и подключенных к преобразователю питающей сети, расположенному в отдельной теплоизолированной камере. Каждый светодиодный модуль или линейка заключены в трубчатую оптически прозрачную колбу с продольной прорезью с выступающим из прорези по всей ее длине наружу протяженным радиатором с ребрами охлаждения, соединенным каналом для средств токоподвода с камерой преобразователя питающей сети. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мощная светодиодная лампа, содержащая излучатель на основе светодиодных модулей или линеек, радиаторы охлаждения светодиодов, преобразователь питающей сети и средства токоподвода, отличающаяся тем, что излучатель составлен из двух, трех или большего количества индивидуально защищенных светодиодных модулей или линеек, собранных в тепловом контакте на индивидуальных радиаторах охлаждения, разделенных между собой в пространстве, установленных в меридиональных плоскостях параллельно или под острым утлом к продольной оси симметрии лампы и подключенных к преобразователю питающей сети, собранному в отделенной от излучателя камере.

2. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что каждый светодиодный модуль или линейка излучателя заключены в индивидуально защищающую их от воздействия окружающей среды трубчатую оптически прозрачную колбу с продольной прорезью и с торцевыми крышками, с выступающим из прорези по всей длине колбы наружу в окружающее пространство протяженным радиатором с ребрами охлаждения, соединенным каналом для средств токоподвода с отделенной от излучателя воздушным зазором камерой для преобразователя питающей сети.

3. Лампа по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый светодиодный модуль излучателя выполнен в виде протяженного полого элемента с по меньшей мере двумя разделенными продольной щелью рабочими гранями, на которых изготовлены или установлены печатные платы с мощными светодиодами или отдельные светодиоды, причем эти грани объединены и находятся в тепловом контакте с несущим их основанием, установленным в тепловом контакте с протяженным радиатором охлаждения, выступающим из прорези колбы наружу по всей ее длине.

4. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что каждая светодиодная линейка излучателя, установленная в тепловом контакте с индивидуальным радиатором охлаждения, фронтально перекрыта плоским оптически прозрачным защитным стеклом с образованием щелевого отсека.

5. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что на удаленных от камеры преобразователя торцевых крышках индивидуальных радиаторов со светодиодными модулями или линейками установлены в тепловом контакте дополнительные модули с мощными светодиодами на круглых или многоугольных печатных платах, защищенные оптически прозрачными колпаками.

6. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что камера преобразователя питающей сети сопряжена через кольцевой изолятор со стандартным цоколем или выполнена с гибкими средствами токоподвода.

7. Лампа по .п.2, или 4, или 5, отличающаяся тем, что модули или линейки излучателя выполнены с мощными светодиодами голубого и/или синего излучения, а трубчатая колба - с прорезью, плоское защитное стекло и защитные колпаки изготовлены из силикатного стекла или из оптически прозрачного поликарбоната, покрыты изнутри или с диспергированными в их стенки одним или смесью люминофоров, выбранных из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных преимущественно церием, преобразующими большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белый свет и рассеивающими его.