СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК С ДИНАМИЧЕСКИМ КОНВЕКЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2019 года по МПК F21S4/00 F21S13/10 F21V29/00 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК С ДИНАМИЧЕСКИМ КОНВЕКЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

МПК F21S 04/00, F21S 13/10,

F21V 29/00, F21V 29/02

Изобретение относится к области светотехники, а именно к осветительным устройствам и/или источникам света, с использованием полупроводниковых устройств -светодиодов.

Изобретение может быть использовано в качестве светодиодного источника света для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.

Определение терминов

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока (http://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод).

Светодиодный модуль - это печатная плата с установленными на ней светодиодами, и, возможно, электронными компонентами и вторичной оптикой (http://light.rtcs.ru/products/list.php?SECTION_ID=89). Светодиодные модули (кластеры) представляют собой герметичные блоки из ударопрочного полистирола с расположенными внутри светодиодам. (http://nlt-trading.ru/catalog/index.php?SECTION_ID=4).

Светодиодные осветительные устройства получили широкое распространение в силу присущих им достоинств - высокой световой отдачи, малого энергопотребления, длительного срока службы, высокого уровня безопасности, компактности и малого веса, стойкости к механическим воздействиям, чистоты света, направленности излучения и др. Основной проблемой в промышленном освоении светодиодных осветительных устройств является отвод выделяемого светодиодами тепла. При использовании мощных светодиодов, например, в изготовлении уличных светильников, возникает опасность перегрева светодиодов при эксплуатации, что приводит к уменьшению светоотдачи, срока службы, и надежности работы светильников. Поддержание оптимальной температуры перехода является важным компонентом в разработке эффективной осветительной системы, поскольку светодиоды работают с более высокой световой отдачей и служат дольше, работая при более низких температурах. Рассеивание тепла является важной задачей при проектировании.

Известно светодиодное осветительное устройство - светильник, содержащий секции светодиодов, соединенные с блоком питания, который подключен к питающей сети переменного напряжения, в которых в качестве радиатора охлаждения использован корпус светильника, выполненный из теплопроводящего материала, при этом секции светодиодов установлены на радиаторе охлаждения. В качестве радиатора охлаждения может быть использован блок металлических элементов, расположенных как на корпусе, так и внутри корпуса, а для увеличения рассеиваемой тепловой мощности светодиодов радиатор охлаждения может иметь принудительное охлаждение, например, при помощи нагнетающего вентилятора ( патент РФ № 2313199 на изобретение «СВЕТИЛЬНИК», МПК H05B33/02 , F21S4/00, опубл. 20.12.2007 г. ).   

Известен светильник, 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 вентиляторами 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 (патент РФ № 111253 на полезную модель «СВЕТИЛЬНИК С АКТИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ», МПК F21V29/02 , опубл. 10.12.2011). Недостатком известных светильников является недостаточно эффективный отвод тепла при повышенных тепловых нагрузках, что приводит к сокращению срока службы светильника. Кроме того, использование активного охлаждения с помощью вентиляторов, как и других механических систем перемещения воздуха, сопровождается шумом, характеризуется дополнительными затратами и сложностью технического обслуживания.

Известно осветительное устройство на основе светодиодов, представляющее собой узел из множества светодиодов, расположенный в термической связи с теплоотводом, который образует часть корпуса. Первичный оптический элемент, помещенный внутри передающего давление элемента, располагается выше и оптически выравнивается с каждым светодиодом. Совмещенный вторичный оптический элемент, образующий другую часть корпуса, располагается выше и соединяется посредством сдавливания с передающими давление элементами. Усилие, приложенное ко второму оптическому элементу, передается через передающие давление элементы таким образом, чтобы прижать элемент светодиода к теплоотводу, облегчая передачу тепла. Вторичный оптический элемент может быть установлен так, что не прикладывает напрямую усилие к любому первичному оптическому элементу, уменьшая, таким образом, оптическое отклонение (патент РФ № 2490540 на изобретение «ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ АРМАТУРА НА ОСНОВЕ СВЕТОДИОДОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ, С УЛУЧШЕННЫМ РАССЕИВАНИЕМ ТЕПЛА И ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬЮ», МПК F21S 4/00, опубликован 20.06.2011). Недостатком указанного устройства является сложность изготовления и недостаточно эффективный отвод тепла при повышенных тепловых нагрузках.

Известен светодиодный светильник с конвекционным охлаждением, содержащий пустотелый корпус из теплопроводящего материала, на наружной поверхности которого установлен светодиодный источник света, подключенный к источнику питания гибким кабелем. Оптическая линза закрывающая светодиоды, имеет кольцеобразную форму, а корпус представляет собой радиатор и имеет вертикальные радиаторные решетки (патент РФ № 2433577 на изобретение «СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК С ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫМ КОНВЕКЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ», МПК H05B33/00, опубл. 10.11.2011). Выполнение внешней боковой поверхности корпуса ребристой в виде вертикальных ребер решеток требует обработки внешней поверхности заготовки корпуса фрезой или резцом, что делает процесс изготовления известного светильника трудоемким.

Известен наиболее близкий по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению и выбранный в качестве прототипа светодиодный светильник с динамическим конвекционным охлаждением, содержащий пустотелый корпус с открытыми торцевыми концами. На наружной поверхности корпуса закреплен светодиодный модуль, подключенный к блоку питания. Корпус выполнен из теплопроводящего материала и представляет собой отрезок полой трубы с открытыми концами Светодиодный модуль установлен в непосредственной близости к одному из открытых концов корпуса и закреплен с помощью разъемного или неразъемного соединения на боковой или на торцевой поверхности корпуса (с возможностью входа воздуха во внутреннюю полость корпуса). Между поверхностями светодиодного модуля и корпуса размещен слой теплопроводящего пастообразного материала. Корпус может иметь прямоугольный, или квадратный, или круглый, или треугольный, или фигурный профиль (патент РФ № 124361 на полезную модель «СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК С ДИНАМИЧЕСКИМ КОНВЕКЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ», МПК F21S 8/00, опубл. 20.01.2013). Известный светильник характеризуется простотой изготовления и высокой теплоотдачей. Вместе с тем, тепловое сопротивление между основанием светодиодного модуля (СДМ) и стенками трубчатого корпуса, в полости которого возникает динамическое конвекционное охлаждение, снижает эффективность рассеивания тепла. Недостатком известного светильника также является сложность автоматизации отдельных этапов производственного процесса, в частности, установка источника питания во внутреннюю полость корпуса. Кроме того, известный светильник, как и другие, характеризуется низкой ремонтопригодностью, поскольку отсутствие возможности разделения светодиодного модуля от корпуса приводит к необходимости замены всего светильника.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание простого в изготовлении высокоэффективного осветительного устройства на основе светодиодов.

Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в улучшении отвода выделяемого светодиодами тепла, упрощении изготовления и эксплуатационного обслуживания, увеличении срока службы.

Указанный технический результат достигается тем, что светодиодный светильник с динамическим конвекционным охлаждением содержит пустотелый корпус с открытыми торцевыми концами. На наружной поверхности корпуса закреплен светодиодный модуль, подключенный к блоку питания. Корпус имеет С-образный профиль. Светодиодный модуль выполнен с габаритными размерами основания, соответствующими габаритным размерам основания корпуса, и жестко закреплен на полках С-образного профиля посредством крепежных средств таким образом, что образует вместе с корпусом замкнутый трубчатый профиль.

Предпочтительно, чтобы светодиодный светильник содержал оптический элемент, жестко прикрепленный посредством крепежных средств к полкам С-образного профиля корпуса, поверх светодиодного модуля.

Предпочтительно, чтобы в качестве крепежных средств были использованы разъемные крепежные средства.

В отдельных случаях выполнения, в качестве крепежных средств могут быть использованы неразъемные крепежные средства.

Предпочтительно, чтобы блок питания был установлен во внутренней полости корпуса.

Предпочтительно также, чтобы корпус был выполнен из теплопроводящего материала, например, алюминия.

Предпочтительно также, чтобы стороны поперечного сечения С-образного профиля соотносились друг к другу как 1: 2, 5÷3, 5.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях исполнения, оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- выполнением корпуса, имеющим С-образный профиль;

- выполнением светодиодного модуля с габаритными размерами основания, соответствующими габаритным размерам основания корпуса;

- выполнением светодиодного модуля жестко закрепленным на полках С-образного профиля с помощью крепежных средств таким образом, что образует вместе с корпусом замкнутый трубчатый профиль

В отдельных случаях исполнения изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- выполнением светодиодного модуля, жестко закрепленным на полках С-образного профиля посредством разъемного крепежного средства;

- наличием оптического элемента, жестко прикрепленного с помощью крепежных средств к полкам С-образного профиля корпуса, поверх светодиодного модуля;

- использованием в качестве крепежных средств разъемных крепежных средств;.

- использованием в качестве крепежных средств неразъемных крепежных средств;

- выполнением блока питания, установленным во внутренней полости корпуса;

- выполнением корпуса из теплопроводящего материала, в том числе из алюминия;

- выполнением сторон поперечного сечения С-образного профиля, соотносящимися друг к другу как 1: 2,5÷3,5.

Предложенная конструкция позволяет улучшить теплофизические параметры светодиодного светильника за счет повышения эффективности конвективного теплообмена. Выполнение корпуса, имеющим С-образный профиль, а светодиодного модуля - с габаритными размерами основания, соответствующими габаритным размерам основания корпуса, а так же жесткое закрепление с помощью крепёжных средств светодиодного модуля на полках С-образного профиля таким образом, что образуется замкнутый трубчатый профиль, практически исключает тепловое сопротивление на участке просвета между полками С-образного профиля, что существенно повышает эффективность рассеивания тепла. Это увеличивает светоотдачу светодиодов и позволяет увеличить срок их службы.

Использование С-образного профиля корпуса, к полкам которого крепится светодиодный модуль, расширяет возможности автоматизации и механизации производственного процесса, в том числе за счет возможности автоматизации операции установки блока питания во внутреннюю полость корпуса, поскольку обеспечивает технологическую возможность предварительного крепления блока питания к основанию светодиодного модуля, до соединения последнего с корпусом, что значительно упрощает процесс сборки светильника.

Использование разъемных крепежных средств для соединения с корпусом светодиодного модуля и крепления оптического элемента повышает ремонтопригодность светодиодного светильника, позволяя осуществлять замену светодиодного модуля. Опытные испытания показали, что при выполнении сторон поперечного сечения С-образного профиля, соотносящимися друг к другу как 1: 2,5÷3,5, обеспечивается наиболее эффективное охлаждение.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемными чертежами, представленными на фиг. 1.

На фиг. 1 представлен сборочный чертеж светодиодного светильника с динамическим конвекционным, общий вид.

В предпочтительном варианте исполнения светодиодный светильник с динамическим конвекционным охлаждением пустотелый корпус 1 С-образного профиля с открытыми торцевыми концами. На наружной поверхности корпуса 1 закреплен светодиодный модуль 2, подключенный к блоку питания 3, установленному во внутренней полости корпуса 1. Габаритные размеры основания светодиодного модуля 2 соответствуют габаритным размерам основания корпуса 1, а именно: длина Lсв основания светодиодного модуля 2 соответствует длине Lкорп основания корпуса 1, а ширина Всв основания светодиодного модуля 2 соответствует ширине Вкорп основания корпуса 1. Светодиодный модуль 2 жестко закреплен на полках 4 С-образного профиля корпуса 1, с помощью крепежных средств 5 таким образом, что образуется замкнутый трубчатый профиль. К полкам 4 С-образного профиля корпуса 1, поверх светодиодного модуля 2, с помощью крепежных средств 5 жестко прикреплен оптический элемент 6. В качестве крепежных средств 5 могут быть использованы разъёмные (саморезы, болты и др.) и/или неразъемные (заклепки и др.) крепежные средства. Корпус 1 может быть выполнен из теплопроводящего материала, например, алюминия. Стороны поперечного сечения С-образного профиля корпуса (высота H и ширина B) соотносятся с друг другом как 1: 2, 5÷3, 5.

Изобретение работает следующим образом.

Светодиодный модуль 4 при включении светодиодного светильника в электрическую сеть переменного тока, через блок питания 5, начинает излучать свет и нагреваться, моментально передавая тепло непосредственно во внутреннее пространство трубы, получившейся при сочленении светодиодного модуля 4 и С-образного профиля корпуса 1. Нагретый воздух начинает двигаться вверх создавая тем самым в трубе динамический конвекционный поток, который охлаждает светодиодный модуль.

Изобретение относится к области светотехники, а именно к осветительным устройствам с использованием полупроводниковых устройств - светодиодов и может быть использовано для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения. Техническим результатом является улучшение отвода выделяемого светодиодами тепла, упрощение изготовления и эксплуатационного обслуживания и увеличение срока службы. Светодиодный светильник содержит пустотелый корпус с открытыми торцевыми концами, на наружной поверхности которого закреплен светодиодный модуль, подключенный к блоку питания. Корпус имеет С-образный профиль. Светодиодный модуль выполнен с габаритными размерами основания, соответствующими габаритным размерам основания корпуса, и жестко закреплен на полках С-образного профиля посредством крепежных средств таким образом, что образует вместе с корпусом замкнутый трубчатый профиль. Светодиодный светильник может быть снабжен оптическим элементом, жестко прикрепленным посредством крепежных средств к полкам С-образного профиля корпуса, поверх светодиодного модуля. В качестве крепежных средств могут быть использованы разъемные крепежные средства. В отдельных случаях выполнения, в качестве крепежных средств могут быть использованы неразъемные крепежные средства. Блок питания может быть установлен во внутренней полости корпуса. Корпус может быть выполнен из теплопроводящего материала, например алюминия. Стороны поперечного сечения С-образного профиля могут соотноситься друг с другом как 1:2, 5:3,5. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Светодиодный светильник с динамическим конвекционным охлаждением, содержащий пустотелый корпус с открытыми торцевыми концами, на наружной поверхности которого закреплен светодиодный модуль, подключенный к блоку питания, отличающийся тем, что корпус имеет С-образный профиль, светодиодный модуль выполнен с габаритными размерами основания, соответствующими габаритным размерам основания корпуса, и жестко закреплен с помощью крепежных средств на полках С-образного профиля таким образом, что образует вместе с корпусом замкнутый трубчатый профиль.

2. Светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит оптический элемент, жестко прикрепленный посредством крепежных средств к полкам С-образного профиля корпуса, поверх светодиодного модуля.

3. Светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве крепежных средств использованы разъемные крепежные средства.

4. Светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве крепежных средств использованы неразъемные крепежные средства.

5. Светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что блок питания установлен во внутренней полости корпуса.

6. Светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из теплопроводящего материала.

7. Светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из алюминия.

8. Светодиодный светильник по любому из пп. 1 -7, отличающийся тем, что стороны поперечного сечения С-образного профиля соотносятся друг к другу как 1:2, 5:3,5.

9. Светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит оптический элемент, жестко прикрепленный посредством крепежных средств к полкам С-образного профиля корпуса, поверх светодиодного модуля, при этом в качестве крепежных средств использованы разъемные или неразъёмные крепежные средства; блок питания установлен во внутренней полости корпуса, выполненного из теплопроводящего материала, например алюминия, а стороны поперечного сечения С-образного профиля соотносятся друг к другу как 1:2, 5:3,5.