ТЕПЛОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2016 года по МПК F21V9/02 F21K99/00 F21Y101/02 

Область изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к устройствам на светоизлучающих диодах (далее светодиоды), а более конкретно к регулированию тепла светодиодных устройств большой мощности.

Предпосылки изобретения

Несмотря на резкое улучшение эффективности использования энергии по сравнению с более традиционными источниками света, источники света, использующие светодиоды (СИД), все же преобразуют в тепло от 50 до 80% полученной ими энергии. Вместе с тем характеристики СИД относительно эффективности и стабильности цвета являются весьма чувствительными к повышению температуры и, особенно, для высоких температур свыше 80°C. Эта критичность особенно очевидна в светодиодных приборах большой мощности. Обычно для регулирования тепла светодиодных устройств использовались теплоотводы и принудительная конвекция воздуха. Позднее для регулирования тепла светодиодных устройств применялись тепловые трубки. Тепловая трубка является системой испарителя-конденсатора, в которой жидкость возвращается в испаритель посредством капиллярного действия. Тепловая трубка, в ее самой простой форме, состоит из вакуум-плотной полой трубки с капиллярной структурой вдоль внутренней стенки и рабочей жидкости. Капиллярная структура может быть пористой, например из металлокерамического материала, с покрытием, состоящей из продольно выполненных канавок, стенок и т.д. Центральный канал трубки оставляют открытым для обеспечения потока пара. Тепловую трубку вакуумируют, а затем обратно заполняют с небольшим количеством рабочей жидкости, достаточным только для насыщения капиллярного элемента. Примеры применяемых рабочих текучих сред - это натрий, литий, вода, аммиак и метанол. Атмосфера внутри тепловой трубки установлена посредством равновесия жидкости и пара. Тепловая трубка имеет три зоны: испарителя, адиабатическую и конденсатора. Тепло, направленное в зону испарителя (также называемую ниже горячей частью), поглощается за счет испарения рабочей жидкости. Пар находится под несколько повышенным давлением, которое заставляет его проходить ниже центра тепловой трубки, через адиабатическую зону в зону конденсатора. В зоне конденсатора (также называемой ниже холодной частью) низкие температуры вынуждают пар конденсировать с отдачей скрытой теплоты от испарения. Сконденсированная жидкость затем откачивается обратно в зону испарителя посредством капиллярных сил, действующих в капиллярной структуре. Работа тепловой трубки является полностью пассивной и непрерывной. Этот непрерывный цикл переносит большие количества тепла с очень низкими температурными градиентами. Работа тепловой трубки является пассивной и приводится в действие только посредством переданного тепла. В гравитационном поле испаритель может быть помещен ниже конденсора для того, чтобы способствовать потоку жидкости. Тепловые трубки могут быть собраны с различными формами.

Известным является объединение теплоотвода, тепловых трубок и принудительной конвекции для регулирования тепла осветительных устройств на основе светодиодов. В патенте США No. 7,144,135 B2 раскрыто осветительное устройство, содержащее светодиодный источник света, который выполнен на теплоотводе. Теплоотвод собран с ребрами и/или тепловыми трубками. Оптический отражатель охватывает источник света. Устройство дополнительно содержит внешнюю оболочку, в которой оптический отражатель расположен так, что между оптическим отражателем и оболочкой образован воздушный канал. Ребра и/или тепловые трубки теплоотвода выполнены простирающимися вдоль воздушного канала. Дополнительно, под теплоотводом выполнен вентилятор, и он вынуждает воздух протекать из воздухозаборников и отверстий для откачки воздуха, выполненных в оболочке/оптическом отражателе для охлаждения теплоотвода. В примерном варианте осуществления охлаждают светодиод Luxeon со световым потоком 500 лм.

В US 2009/0059594 А1 раскрыто теплорегулирующее устройство для осветительного устройства на основе светоизлучающих диодов, содержащего теплорассеивающий модуль, который на одной стороне снабжен теплорассеивающими ребрами и который на противоположной стороне снабжен углублениями, в которых установлены светоизлучающие диоды. Отражающие блоки выполнены группами, так что по меньшей мере часть теплорассеивающего модуля охватывает отражающие блоки. Металлические проводящие пластины светодиодов выполнены в тепловом контакте с теплорасеивающим модулем, когда светодиоды установлены в углублениях. Кроме того, ребра теплорассеивающего модуля смачиваются посредством теплопроводящей трубки, причем теплопроводящая трубка является жидкостной системой с накачкой, соединенной с насосом в модуле внешнего охлаждения. Модуль охлаждения, в свою очередь, охлаждается посредством теплорассеивающего вентилятора.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в достижении альтернативного и улучшенного теплорегулирующего устройства для источников света большой мощности.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложено теплорегулирующее устройство для источника света. Теплорегулирующее устройство содержит теплораспределяющий элемент, имеющий верхнюю сторону, выполненную для теплового соединения с по меньшей мере одним источником света, когда по меньшей мере один источник света установлен в теплорегулирующем устройстве, и вторичную оптическую систему (далее оптику) для управления светом, излученным из источника света. Устройство дополнительно содержит теплоотвод, термически соединенный с теплораспределяющим элементом, первый набор тепловых трубок, термически соединенных с теплораспределяющим элементом, и вентилятор для обеспечения принудительной конвекции воздуха на теплоотводе. По меньшей мере часть теплоотвода выполнена с возможностью охвата вторичной оптики. Тепловые трубки являются встроенными в теплоотвод.

Таким образом, обеспечено теплорегулирующее устройство, которое обеспечивает возможность эффективного регулирования тепла для источника света, установленного в теплорегулирующем устройстве, при этом теплорегулирующее устройство имеет вторичную оптику посредством объединения принудительной конвекции и тепловых трубок, которые встроены внутрь теплоотвода. Так как теплоотвод термически соединен с теплораспределяющим элементом, на котором должен быть выполнен источник света, часть образованного тепла передается непосредственно теплоотводу через теплораспределяющий элемент. Кроме того, теплоотвод охватывает вторичную оптику так, чтобы тепло, образованное на вторичной оптике, также могло регулироваться посредством теплоотвода. Эта сборка дополнительно обеспечивает возможность использования большого угла растворения устройства для регулирования тепла. Ссылаясь далее на углы поперечных сечений теплорегулирующего устройства для источника света, который содержит, например, светодиоды, обычная теплорегулирующая система для светодиодного источника света покрывает приблизительно 180° (обычно выполнено ниже светодиодного источника света). Пространство (180°) выше светодиода используют в целях оптики, которая может обеспечить свободу конструирования и применения. По настоящему изобретению для вторичной оптики обычно используют меньше 90° пространства. Вторичная оптика охвачена по меньшей мере частью теплоотвода, и, следовательно, больше чем 250°, и предпочтительно больше чем 270°, и наиболее предпочтительно более чем 300° пространства может быть использовано для теплорегулирующей системы, обеспечивая, таким образом, высокую эффективность регулирования тепла, что является преимущественным для приборов с большой мощностью. Вышеупомянутые углы (заявитель написал “angel”, я полагаю, что это опечатка) относятся к поперечному сечению системы.

В продолжение смачиваемая поверхность теплоотвода должна быть весьма большой, чтобы эффективно рассеивать большое количество тепла посредством естественной или принудительной конвекции. Это, в свою очередь, привело бы к гораздо бульшим температурным градиентам в теплоотводе, даже если используется материал с хорошей проводимостью, такой, например, как алюминий. В настоящем изобретении эти температурные градиенты преимущественно уменьшены за счет использования тепловых трубок, которые встроены в теплоотвод. Дополнительно, может быть выполнен вентилятор для обеспечения принудительной конвекции воздуха на теплораспределяющем элементе, теплоотводе или в обоих. Теплоотвод/тепловые трубки в сочетании с принудительной конвекцией, обеспеченной вентилятором, эффективно охлаждают теплорегулирующее устройство так, чтобы оно было способно рассеивать тепло, образованное источником света большой мощности, установленного в теплорегулирующем устройстве. Теплорегулирующее устройство обеспечивает решение для эффективного регулирования источника света с тепловой мощностью (с необходимостью охлаждения) между 100 Вт и 1000 Вт, и предпочтительно между 200 Вт и 700 Вт, и наиболее предпочтительно между 300 Вт и 500 Вт.

Вторичная оптика может содержать смесительную оптику, коллимационную оптику, отражатели, линзы, оптику для масштабирования и/или фокусирующую оптику, см. US6,200,002, выданный на Marshall и др., который включен в настоящее описание путем ссылки.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства вторичная оптика выполнена на теплораспределяющем элементе и, кроме того, выполнена с возможностью охватывания источника света при установке в теплорегулирующем устройстве, что является преимущественным для обеспечения, например, коллимирующих структур.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства теплоотвод дополнительно содержит полость в проточном сообщении с пространством через по меньшей мере один проем, в пределах полости которой выполнен вентилятор. Таким образом, вентилятор является встроенным в теплоотвод так, что теплоотвод образует наружный кожух для теплорегулирующего устройства.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства первый набор тепловых трубок выполнен простирающимся вдоль вторичной оптики. Тепловые трубки использованы для эффективного соединения температурных градиентов в теплоотводе, таким образом, температурные градиенты снижены, и, таким образом, достигается более эффективное охлаждение.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства первый набор тепловых трубок выполнен на нижней стороне теплораспределяющего элемента.

Необязательно, первый набор тепловых трубок также может быть (по меньшей мере частично) встроен в теплораспределяющий элемент. При наличии теплоотвода, который к тому же простирается в направлении от нижней стороны теплораспределяющего элемента, тепловые трубки выполнены с возможностью эффективного соединения температурных градиентов в этой части теплоотвода, который является преимущественным для обеспечения эффективного охлаждения.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства устройство дополнительно содержит второй набор тепловых трубок, термически соединенных с теплораспределяющим элементом и выполненных на противоположной стороне теплораспределяющего элемента относительно первого набора тепловых трубок, что обеспечивает увеличенную эффективность охлаждения и более равномерное распределение температуры в большом теплоотводе, которое может простираться в двух противоположных направлениях от теплораспределяющего элемента света. Теплоотвод может быть преимущественно выполнен простирающимся, по существу, симметрично относительно теплораспределяющего элемента.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства тепловые трубки по меньшей мере частично являются встроенными в теплораспределяющий элемент. Зоны испарителя тепловых трубок преимущественно выполнены встроенными в теплораспределяющий элемент для высокой эффективности регулирования тепла. Зона конденсатора каждой тепловой трубки встроена в теплоотвод. Это преимущественно снижает температурные градиенты, которые возникают между теплораспределяющим элементом, у которого самая высокая температура, обычно создаваемая на источнике света, и теплоотводом (отдаленными частями теплоотвода).

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства вторичная оптика имеет одну из параболической, овальной, конусной формы.

Вторичная оптика может быть коллимирующим блоком, что является типовым оптическим компонентом для осветительного устройства.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства теплоотвод содержит параболическую или коническую полость, в которой выполнена вторичная оптика. Это обеспечивает возможность для выполнения вторичной оптики либо путем установки вторичной оптики в полости, либо для фактического обеспечения вторичной оптики в качестве интегрированной части теплоотвода, например, посредством диэлектрического или металлического покрытия на поверхности полости. Это обеспечивает механически прочное устройство. Дополнительно, в последнем случае уменьшено количество составных частей устройства.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства выполнен теплоотвод, содержащий ребра. Для эффективного рассеяния значительного количества тепла посредством естественной или принудительной конвекции смоченная поверхность теплоотвода должна быть значительно большой. Посредством снабжения теплоотвода ребрами смачивающаяся поверхность преимущественно увеличивается, что, в свою очередь, повышает эффективность охлаждения теплорегулирующего устройства.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства ребра выполнены так, что внешняя форма теплоотвода образует усеченный сфероид, цилиндр или усеченный конус. Эти формы теплоотвода являются преимущественными, поскольку достигается высокая степень отношения между смачивающейся поверхностью и общим объемом теплорегулирующего устройства.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства по меньшей мере один источник света является твердотельным светоизлучающим элементом, в частности светоизлучающим диодом или лазером. Таким образом, настоящее изобретение преимущественно обеспечивает эффективное теплорегулирующее устройство для светодиодных приборов большой мощности.

Согласно варианту осуществления теплорегулирующего устройства по меньшей мере одна из тепловых трубок является плоской тепловой трубкой. Плоские тепловые трубки преимущественно используются для того, чтобы служить как для распределения тепла, так и для обеспечения смоченных поверхностей. Кроме того, плоские тепловые трубки могут быть выполнены менее чувствительными к ориентации (то есть с уменьшенным влиянием силы тяжести на тепловые трубки). Более того, использование плоских тепловых трубок является эффективным, когда оптика устройства является направленной вниз, например в приборах типа театральных прожекторов.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено осветительное устройство, использующее теплорегулирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением. Осветительное устройство содержит по меньшей мере один источник света, установленный в теплорегулирующем устройстве.

Таким образом, как описано выше, теплорегулирующее устройство является высокоэффективным для регулирования тепла, произведенного по меньшей мере одним источником света. Таким образом, обеспечено осветительное устройство, которое обеспечивает возможность использования большого количества источников света или одинарного источника света высокой мощности для обеспечения повышенной яркости. Осветительное устройство преимущественно охлаждают посредством сочетания принудительной конвекции и тепловых трубок, которые встроены в теплоотвод. Кроме того, осветительное устройство преимущественно образует компактный функциональный блок источника света высокой яркости.

Согласно варианту осуществления осветительного устройства данное устройство приспособлено для переоснащения осветительного прибора, использующего накаливающийся (получаемого при накаливании) источник свет, обеспечивающий, таким образом, осветительное устройство, вставляемое в светильник, в котором обычно используют, например, накаливающийся источник света большой мощности. В контексте настоящего изобретения термин «переоснащение» означает вставку в осветительный прибор, используемый обычно для накаливающихся источников света, таких как лампочка с нитью накаливания, галогенная лампа и т.д. Другими словами, согласно настоящему изобретению под переоснащением источника света в светильник, обычно использующий накаливающийся источник света, понимается замена накаливающегося источника света в светильнике источником света согласно настоящему изобретению.

Кроме того, второй аспект изобретения в целом имеет аналогичные признаки и преимущества, как первый аспект.

Некоторые из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривают новый и альтернативный способ регулирования тепла, образованного источниками света. Преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения состоит в том, что они обеспечивают лучшее регулирование тепла, а также механически прочное и компактное устройство с интегрированным активным охлаждением. Отмечено, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, описанных в формуле изобретения.

Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из нижеследующего подробного описания, из приложенных зависимых пунктов формулы изобретения, а также из чертежей.

В общем, все использованные в формуле изобретения термины должны быть истолкованы согласно их обычному значению в данной области техники, если это явно не определено иначе. Все ссылки на "неопределенный/определенный (элемент, устройство, компонент, средство и т.д.)" должны быть открыто истолкованы со ссылкой на по меньшей мере один пример из элемента, устройства, компонента, средства и т.д., если явно не изложено иначе.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты настоящего изобретения описаны ниже более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, изображающие варианты осуществления изобретения, в которых:

фиг. 1 - схематический вид в разрезе в перспективе варианта осуществления теплорегулирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 2a - схематический вид спереди в перспективе, фиг. 2b - вид в поперечном разрезе, изображающий вариант осуществления теплорегулирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением, а фиг. 2c - вид альтернативного варианта осуществления теплорегулирующего устройства, показанного на фиг. 2a и 2b, в поперечном разрезе;

фиг. 3 в поперечном разрезе изображает распространение тепла варианта осуществления теплорегулирующего устройства согласно настоящему изобретению как результат моделирования тепла, выполненного в ANSYS CFX v11.0;

фиг. 4a и 4b изображают распространение тепла в варианте осуществления теплорегулирующего устройства согласно настоящему изобретению как результат моделирования тепла, выполненного в ANSYS CFX v11.0;

фиг.5 a и 5b изображают вид сверху и снизу в перспективе соответственно теплораспределяющего элемента, снабженного первым и вторым набором тепловых трубок в соответствии с вариантом осуществления теплорегулирующего устройства согласно настоящему изобретению.

Подробное описание

Варианты осуществления согласно настоящему изобретению будут описаны ниже более полно со ссылкой на приложенные чертежи, в которых показаны определенные варианты осуществления изобретения. Это изобретение, однако, может быть осуществлено во многих различных формах и не должно быть истолковано ограничивающим варианты осуществления, изложенные ниже; более того, эти варианты осуществления представлены в качестве примера таким образом, чтобы это описание было подробным и законченным и полностью давало представление специалисту в этой области техники об объеме изобретения. Схожие ссылочные позиции относятся к схожим элементам по всему документу.

Примерный вариант осуществления теплорегулирующего устройства 100 изображен на фиг.1. Теплорегулирующее устройство 100 содержит теплораспределитель 104 цилиндрической формы, выполненный в тепловом контакте и на суженном конце теплоотвода 101, который выполнен в форме, схожей с усеченным конусом. Часть верхней поверхности 104a теплораспределителя 104 охвачена параболической стенкой, образованной теплоотводом 101.

Дополнительно, вторичная оптика 103 выполнена в пределах параболической стенки, образованной теплоотводом 101. Вторичная оптика 103 является здесь коллимирующей структурой в форме усеченного конуса, который собран с узким отверстием, выполненным около теплораспределителя 104 с целью коллимирования света, излученного из светодиодов 106. Светодиоды 106 выполнены на верхней поверхности 104a теплораспределителя 104. Проем 101a в теплоотводе 101 обеспечивает доступ для охлаждения воздухом и необязательно к электронной схеме (не показана) для контроля и электропитания источников 106 света. В этом примерном варианте осуществления проём 101a выполнен так, чтобы нижняя поверхность теплораспределителя 104, которая является противолежащей относительно верхней поверхности 104a, была доступной.

Дополнительно, вторичная оптика 103 выполнена с возможностью вставки в теплоотвод 101. Вторичная оптика может быть изготовлена из тонких гибких листов, например, из алюминия или фольг Миро (см. www.Alanod.de). Эти фольги могут быть выполнены в форме, соответствующей требованиям конкретного устройства, например форма, заданная формой теплоотвода. В альтернативных вариантах осуществления вторичная оптика может быть необязательно подвержена поверхностной обработке внутренней поверхности теплоотвода, например, посредством испарения отражающего покрытия или множественных тонких слоев материалов для образования фильтра полного внутреннего отражения (TIR). Вторичная оптика может быть отделена от теплораспределителя тонким изолирующим слоем или расстоянием (не показаны).

Кроме того, множество тепловых трубок 102 являются частично встроенными в теплораспределитель 104. Тепловые трубки 102 выполнены простирающимися от теплораспределителя 104 в теплоотвод 101, и далее по протяженности стенки теплоотвода 101. На фиг. 1 видны семь тепловых трубок 102. Тепловые трубки симметрично выполнены в теплорегулирующем устройстве 100 с первым концевым участком 102a, простирающимся в радиальном направлении от центра теплораспределителя 104. Кроме того, вторые концевые участки 102b тепловых трубок 102 выполнены простирающимися вдоль стенки теплоотвода 101 и, таким образом, вдоль вторичной оптики 103.

Светодиоды 106 установлены на верхней поверхности 104a теплораспределителя 104 посредством пайки, обеспечивая, таким образом, эффективный тепловой контакт между теплораспределителем 104 и светодиодами 106. Установка светодиодов может быть необязательно выполнена посредством теплопроводящего клея или механического прикрепления к теплораспределителю. Как упомянуто выше, светодиоды дополнительно выполнены с монтажной схемой электропроводки для подключения электропитания и/или управления светодиодами. Электропроводка предпочтительно выполнена простирающейся через теплораспределитель и далее через проем 101a к блоку электропитания и/или управления (не показаны). Электропроводка и внешний блок электропитания и/или управления не показаны здесь для упрощения.

Материалом теплоотвода 101 может быть, например, алюминий, алюминиевый сплав, латунь, медь, сталь, нержавеющая сталь или любой подходящий теплопроводящий материал, смесь или соединение. Теплораспределитель 104 изготовлен из данного материала или содержит Cu, Au, Al, Fe, сталь, или керамический материал, такой как AlN, Al₂O₃, или MCPCB (печатная плата на металлической основе), или IMS (изолированная металлическая подложка, где металлом является Cu, Al или сталь). Таким образом, материалом предпочтительно является подходящий материал с высокой теплопроводностью, который способен обеспечивать эффективную теплопередачу от источников тепла, то есть, в основном, от светодиодов.

Кроме того, на узком конце теплоотвода 101 выполнен вентилятор 110. В теплоотводе и теплораспределителе обеспечена принудительная конвекция воздуха через проем 101a. Предпочтительно, вентилятор расположен на нижнем конце теплорегулирующего устройства и, предпочтительно, на оси симметрии системы. Необязательно, вентилятор размещают в любом подходящем местоположении для обеспечения принудительной конвекции воздуха на теплоотводе 101. Задачей вентилятора 110 является увеличение передачи тепла от смоченных поверхностей в воздух.

Далее со ссылкой на фиг. 2a и 2b представлен вариант 200 осуществления в соответствии с настоящим изобретением. Теплорегулирующее устройство 200 содержит теплораспределитель 104, выполненный в форме цилиндра и выполненный на узком конце конической части 201 теплоотвода 221 в тепловом контакте с ней. Коническая часть 201 выполнена в форме схожей с усеченным конусом. Часть верхней поверхности 104a теплораспределителя 104 охватывается параболической стенкой, образованной конической частью 201.

Кроме того, вторичные оптики 203 выполнены в пределах параболической стенки, образованной теплоотводом 201. Вторичная оптика 203 управляет направлением света, излученного из светодиодов 106, которые выполнены на верхней поверхности 104a теплораспределителя 104. В качестве вторичной оптики 203 здесь обеспечена алюминиевая фольга, установленная для покрытия внутренней поверхности конической части 201.

Более того, множеств тепловых трубок 202 частично встроены в теплораспределитель 104 и выполнены простирающимися от теплораспределителя 104 в коническую часть 201 и далее по протяженности стенки конической части 201. На фиг. 2b видны две тепловые трубки 202. Тепловые трубки выполнены симметрично в теплорегулирующем устройстве 200 и, по существу, установлены, как в вышеописанном варианте 100 осуществления. Однако здесь тепловые трубки 202 простираются вдоль стенки до внешней кромки конической части 201. Необязательно, тепловые трубки могут простираться наружу от наружной кромки конической части 201.

В альтернативных вариантах осуществления длина тепловых трубок 202 составляет 0,5-2 длины вторичной оптики и предпочтительно 0,7-1,3 длины вторичной оптики. В предпочтительном варианте осуществления используют 5 - 30 тепловых трубок в первом наборе тепловых трубок, предпочтительно от 7 до 21, наиболее предпочтительно 7, 9, 14 или 18. Количество тепловых трубок предпочтительно выбрано в соответствии с симметрией используемой вторичной оптики.

Кроме того, второй набор тепловых трубок 211 выполнен частично встроенным в теплораспределитель 104 и простирается в направлении от нижней стороны теплораспределителя 104 в полость 201a, которая выполнена под теплораспределителем 104.

Теплоотвод 221 дополнительно выполнен с множеством ребер 207. Ребра 207 выполнены по периферии (и необязательно симметрично) частично на наружной поверхности теплоотвода 201 и дополнительно простираются ниже конической части 201. Ребра необязательно могут быть выполнены исключительно на конической части. Полная наружная поверхность ребер согласно предпочтительному варианту осуществления составляет 0,05-0,8 м², предпочтительно 0,1-0,6 м², наиболее предпочтительно между 0,2-0,4 м². Количество ребер согласно предпочтительному варианту осуществления составляет 7-32, предпочтительно 10-20, а наиболее предпочтительно 12-16. Альтернативно, количество ребер определено соответственно количеству тепловых трубок: в 1, 2, 3 или 4 раза превышая количество тепловых трубок. Общая протяженность конической части 201 и ребер 207 обычно выполнены простирающимися либо для вставки вторичной оптики, либо, как в данном примерном варианте осуществления, так, чтобы быть приблизительно в два раза длиннее, чем вторичная оптика. Материал ребер 207 является данным материалом или содержит металл (как, например, Al, Cu, Fe), керамический материал (такой, например, как Al₂O₃, AlN, TiO_x) и/или материал, содержащий углерод (такой, например, как графит, алмаз или соединения, включающие в себя органические молекулы).

Полость 210 образована внутри теплоотвода 221, в котором вентилятор 110 выполнен для обеспечения принудительной конвекции воздуха.

Источник света, применяемый согласно настоящему изобретению, является типичной матрицей светодиодов, имеющих небольшой размер. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения подходящими являются диаметры от 10 мм до 100 мм источников света, предпочтительно от 20 мм до 50 мм, а наиболее предпочтительно приблизительно 30 мм. Плотность мощности в примерном источнике света обычно составляет 1×10⁶-5×10⁷ Вт/м².

Результирующий перепад температуры между теплораспределителем и окружающим воздухом (при 25°C) составляет <100°C, предпочтительно <90°C, наиболее предпочтительно <80°C.

В варианте осуществления источник света содержит множество светодиодов, предпочтительно матрицу светодиодов, содержащую предпочтительно 9-500 светодиодов, а более предпочтительно 50-200 светодиодов. В предпочтительном варианте осуществления светодиоды тесно скомпонованы вместе с шагом (расстоянием между отдельными светоизлучающими элементами) от 200 мкм до 5 мм, предпочтительно от 500 мкм до 3 мм, а наиболее предпочтительно от 2 мм до 3 мм.

В другом предпочтительном варианте осуществления источник света содержит множество отдельно доступных цветных светодиодов (излучающих свет таких цветов, как R, G, B, A, C, W, WW, NW).

Фиг. 2c изображает вариант осуществления, подобный варианту осуществления, описанному выше относительно фиг. 2a и 2b, в котором вентилятор 110 выполнен ниже теплоотвода 221.

Для демонстрации изобретения тепловые имитационные модели примерного варианта осуществления проиллюстрированы на фиг. 3 и 4. Осветительное устройство 300 имеет, по существу, ту же самую конструкцию, как вариант осуществления теплорегулирующего устройства 200 для источников 106 света, описанного со ссылкой на фиг. 2. Тепловые трубки расположены таким способом, чтобы минимизировать действие силы тяжести. Один способ для минимизирования действия силы тяжести может быть в том, чтобы использовать множество тепловых трубок, причем тепловые трубки размещают в различных направлениях так, чтобы по меньшей мере некоторые из них всегда указывали в направлении вверх (независимо от направления источника света, так как направление источника света может быть изменено в устройстве).

В альтернативном варианте осуществления (не показан) длинные тепловые трубки выполнены так, что середина тепловых трубок встроена в теплораспределитель таким образом, чтобы противоположные концы длинных тепловых трубок образовывали две холодные части, к которым может выходить пар от горячей части (середина длинных трубок).

Осветительное устройство 300 снабжено источником света, содержащим матрицу светодиодов из 100 светодиодов 106. Следует отметить, возможное применение устройства с более чем 100 светодиодами. С большим количеством светодиодов является возможным достигать 500 люменов, излучаемых осветительным устройством. Это приводит, в свою очередь, к созданию значительной тепловой нагрузки порядка 400 Вт (и, возможно, больше, в зависимости от светодиодов), тепло которых создается в небольших областях порядка 10 см² или, возможно, меньше. Выполнены светодиоды 3-х разных цветов, например красного, зеленого и синего, что обеспечивает возможность хорошего смешивания цветов.

Свет, излучаемый светодиодами 106, коллимируют посредством воронкообразного отражателя 203, который, как описано в US6200002 В1, также является эффективным смесителем цветов. Сегменты рефлектора в одном направлении являются плоскими, а в другом - изогнутыми. Поверхность отражателя 203 является тонкой пленкой из Miro Silver от Alanod с высокой отражательной способностью.

Осветительное устройство 300 дополнительно содержит источник энергии и блок управления цветом, который непосредственно здесь не показан. Осветительное устройство 300 собрано так, что группа светодиодов 106 установлена на теплораспределителе 104 теплорегулирующего устройства 200. Вследствие этого можно достичь осветительное устройство 300 с регулируемым цветовым пятном высокой яркости, причем с возможностью регулирования тепла, произведенного в устройстве высокой мощности.

Диаметр L теплоотвода 322 составляет здесь 20 см, а длина Н теплоотвода 322 составляет здесь 30 см. Доступный для приобретения вентилятор 110 (SUNON mec0251-v-3) используют в имитационных моделях с его рабочей характеристикой. Это вентилятор размером 120×120×25, который выбран из-за его низкого шумоизлучения. Геометрия теплоотвода 322 выбрана здесь так, что его можно получить посредством алюминия для литья под давлением. Количество толстых конических ребер выбирают от 27 до 36, со средней толщиной около 2,5 мм. Необязательно можно использовать большее количество тонких (0,2 мм) ребер, полученных путем экструзии. Соотношение между количеством тепловых трубок и ребер определено здесь 2/1 (одна тепловая трубка на каждые два ребра), что гарантирует равномерное рассеивание тепла. Однако соотношение 3/1 является вполне подходящим при возникновении необходимости компромисса между рассеиванием тепла и сложностью конструкции.

Фиг. 3 изображает вид в разрезе осветительного устройства 300, иллюстрирующий имитационные модели с использованием ANSYS CFX v11.0. Профиль распределения температур на теплоотводе показан в левой половине варианта осуществления на фиг. 3, где можно видеть, что при этом обеспечено равномерное рассеивание температуры вдоль стороны тепловых трубок 302. Профиль распределения температур на левой половине варианта осуществления на фиг. 3 взят в плоскости сечения. На ней отображена увеличенная передача тепла, выполненная посредством тепловых трубок. Температурный градиент является менее крутым по профилю распределения температур. Фиг. 4 изображает тепловые имитационные модели на варианте осуществления в целом: профиль распределения температур на наружном поверхностном слое теплоотвода соответствует сечению на фиг. 3.

Размер теплоотвода 102, 322 должен быть по возможности максимально большим. Ограничивающими факторами являются габарит всего теплорегулирующего устройства или осветительного устройства 100, 200, 300 и эффективность тепловых трубок и возможность обеспечения их равномерной (и возможно высокой) температуры. Имитационные модели демонстрируют, настоящее изобретение делает возможным отведение теплоты до 500 Вт, при этом обеспечивая максимальную температуру в теплораспределителе ниже 90°С (температура окружающего воздуха 25°С). Соответствующая температура перехода светодиодов тогда находится в диапазоне между 120°С и 135°С, что является выполнимым с настоящей светодиодной технологией. Теплорегулирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность поддержания температуры перехода светодиодов в матрице светодиодов в рабочих условиях (температура окружающего воздуха 25°С), по существу, ниже 150°С, предпочтительно ниже 135°С и наиболее предпочтительно ниже 120°С, а самое предпочтительное ниже 90°С.

Фиг. 5a и 5b изображают часть варианта осуществления, где первый набор тепловых трубок 401 и второй набор тепловых трубок 411 собраны в виде плоских тепловых трубок, которые частично встроены в теплораспределяющем элементе 404. Основная особенность варианта осуществления состоит в использовании плоских тепловых трубок 411, расположенных очень близко к вентилятору (на фиг. 5 не показано). Тепловые трубки 411 в этом случае служат и в качестве поверхностей для распределения тепла, и в качестве смоченных поверхностей, например, в контакте с потоком воздуха, созданного вентилятором (позиция 110 на предшествующих фиг. 1-4). Реализация является преимущественной для конструкций, которые нуждаются в уменьшении чувствительности к ориентации (то есть силе тяжести) и которые обеспечивают улучшенное распределение тепла. Фактически, плоские тепловые трубки 411 необязательно могут простираться к области, где температура и теплоотвода 322 и воздуха является сравнительно небольшой. Плоские тепловые трубки являются особенно эффективными в варианте, где оптика направлена вниз, как в приборах, подобных театральным прожекторам вследствие максимальной эффективности для тепловых трубок.

Тепловая трубка предпочтительно ориентирована так, чтобы горячая часть тепловой трубки была помещена ниже по местоположению, чем холодная часть, что без затруднения обеспечивает возможность перемещения пара к холодной части. Если бы горячая часть, производящая пар, была бы расположена в положении выше, чем холодная часть, при этом обеспечивалось бы менее эффективное нагревание, поскольку постоянный тепловой поток обеспечить труднее. В варианте с плоскими тепловыми трубками есть в основном два направления для отведения пара от горячей части. Более вероятно, что одно из этих двух направлений направленно вверх и к холодной части тепловой трубки.

Настоящее изобретение применимо, например, для автомобильного переднего освещения, точечных светильников или других обычных осветительных блоков, театральных прожекторов и освещения высокой мощности.

Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено описанными выше предпочтительными вариантами осуществления. Наоборот, модификации и изменения в объеме приложенной формулы изобретения являются возможными.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения осветительных приборов большой мощности. Теплорегулирующее устройство для источника света (100) содержит теплораспределяющий элемент (ТЭ) (104), содержащий верхнюю сторону, предназначенную для термического соединения с по меньшей мере одним источником (106) света, вторичную оптику (103) для управления излучаемым светом, теплоотвод (101), термически соединенный с ТЭ, и вентилятор (110). Для достижения технического результата устройство снабжено первым набором тепловых трубок (102), которые термически соединены с ТЭ (104) и встроены в теплоотвод (101), а вентилятор (110) размещен на теплоотводе (101). Осветительное устройство содержит по меньшей мере один источник (106) света, установленный в теплорегулирующем устройстве (100). 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Теплорегулирующее устройство (100) для источника света, содержащее:
теплораспределяющий элемент (104), имеющий верхнюю сторону (104а), обеспечивающую термическое соединение с по меньшей мере одним источником (106) света, когда по меньшей мере один источник света установлен в теплорегулирующем устройстве;
вторичную оптику (103) для управления светом, излученным из источника света;
теплоотвод (101), термически соединенный с теплораспределяющим элементом; и
вентилятор (110);
отличающееся тем, что дополнительно содержит:
первый набор тепловых трубок (102), термически соединенных с теплораспределяющим элементом;
при этом вентилятор размещен для обеспечения принудительной конвекции воздуха на теплоотводе, и
при этом тепловые трубки встроены в теплоотвод.

2. Теплорегулирующее устройство по п. 1, в котором вторичная оптика (103) размещена на теплораспределяющем элементе и дополнительно выполнена с возможностью охвата источника (106) света, когда по меньшей мере один источник света установлен в теплорегулирующем устройстве.

3. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором теплоотвод дополнительно содержит полость в проточном сообщении с пространством через по меньшей мере один проем, причем в этой полости размещен вентилятор.

4. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором первый набор тепловых трубок проходит вдоль вторичной оптики.

5. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором первый набор тепловых трубок размещен на нижней стороне теплораспределяющего элемента.

6. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, дополнительно содержащее второй набор тепловых трубок, термически соединенных с теплораспределяющим элементом и размещенных на противоположной стороне теплораспределяющего элемента относительно первого набора тепловых трубок.

7. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, при этом тепловые трубки по меньшей мере частично встроены в теплораспределяющий элемент.

8. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором вторичная оптика является параболической, эллиптической, или конической, или воронкообразной.

9. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором теплоотвод содержит параболическую или коническую полость, в которой размещена вторичная оптика.

10. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором теплоотвод выполнен с ребрами.

11. Теплорегулирующее устройство по п. 10, в котором ребра выполнены так, что внешняя форма теплоотвода образует одно из усеченного сфероида, цилиндра или усеченного конуса.

12. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере один источник света является твердотельным светоизлучающим элементом, в частности светоизлучающим диодом или лазером.

13. Теплорегулирующее устройство по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере одна из тепловых трубок является плоской тепловой трубкой.

14. Осветительное устройство, содержащее по меньшей мере один источник света, установленный в теплорегулирующем устройстве по любому из предшествующих пунктов.

15. Осветительное устройство по п. 14, дополнительно приспособленное для переоснащения в светильник, использующий накаливающийся источник света.