Светодиодный жидкостный фитооблучатель кругового облучения для растений Российский патент 2022 года по МПК A01G9/24 F21K99/00 F21S2/00 F21V29/00 

Изобретение относится к области светотехники, в частности, к осветительным устройствам на светодиодах и может быть использовано для облучения овощных и зеленных сельскохозяйственных культур на разных стадиях роста в условиях защищенного грунта, фитотронах и промышленных теплицах.

Известно устройство для освещения растений, содержащее светодиодный элемент, размещенный в полости светопрозрачного корпуса, заполненного жидкой охлаждающей средой, в секторе излучения светодиодного элемента. В жидкой охлаждающей среде введены корпусные элементы находящиеся в твердой фазе, имеющие люминофорные и магнитные компоненты, при этом плавучесть корпусные элементов в охлаждающей среде равна нулю, а их количество и размеры обеспечивают возможность свободного взаимоскольжения в пределах полости светопрозрачного корпуса, который снабжен средством приведения охлаждающей среды в движение через воздействие электромагнитным полем. «Светодиодный светильник с люминофором» (Патент RU 2545101, МПК H05B 33/00, 2006 г.).

Недостатками известного устройства являются следующие факторы:

сложность конструкции, увеличение расхода электрической энергии,

уменьшение светопроводимости за счет наличия магнитных корпусных компонентов в плавающем состоянии, в том или ином виде, высокая себестоимость, одностороннее освещение с углом не более 180 градусов в лучшем случае.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа «Излучатель с погружным светодиодным модулем» /Патент RU 201359, МПК F21K 9/00, 2016 г, содержащий связанные с источником питания светодиоды, размещенные на профиле и закрепленные внутри герметичного прозрачного корпуса, заполненного прозрачной теплопроводящей диэлектрической жидкостью. Погружной светодиодный модуль расположен внутри дополнительной внешней емкости с прозрачными стенками с прозрачной жидкостью.

Недостатками известного устройства являются:

- необходимость применения дополнительного оборудования в виде насоса для циркуляции охлаждаемого жидкого теплоносителя,

- большая занимаемая площадь объема конструкционного модульного излучателя в целом, с дополнительным оборудованием,

- затруднительная ремонтопригодность модуля,

- в излучающем модуле присутствуют теневые области, с необходимостью настраивать на конкретно освещаемый объект,

- элементы светодиодных драйверов погружены в жидкую диэлектрическую среду, что затрудняет ремонтопригодность представленной конструкции в момент выхода из строя одного из отдельно выполненного драйвера,

- сложность конструкции.

Техническая задача изобретения заключается в повышении энергоэффективности, надежности системы освещения, увеличение срока службы фитооблучателя, путем обеспечения плавного регулирования интенсивности и спектрального состава излучения, формирование оптимальной световой среды, например для тепличных растений и оранжерей.

Технический результат достигается тем, что светодиодный жидкостный фитооблучатель, содержащий связанные с источником питания осветительные элементы, размещенные на профиле и закрепленные внутри герметичного прозрачного корпуса, заполненного прозрачной теплопроводящей диэлектрической жидкостью, согласно изобретению, он снабжен защитным температурным датчиком, установленным в центральном профиле, и связанным с блоком питания, потенциометром, размещенным на блоке питания, корпус с двух сторон закрыт герметичными плоскими торцевыми крышками и уплотнительными резиновыми кольцами с отверстием под центральный профиль, осветительные элементы выполнены в виде светодиодных филаментов со спектрами излучения: синего диапазона с максимумом излучения 440-460 нм, дальнего красного диапазона с максимумом излучения 730-740 нм, красного диапазона с максимумом излучения 632-660 нм и белого диапазона цветовой температуры излучения 4000 К.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 - представлена схема светодиодного жидкостного фитооблучателя; на фиг. 2 - расположение светодиодных филаментов со смещением друг относительно друга; на фиг. 3 - поперечный разрез B¹-B¹ фитооблучателя с множеством расположенными по кругу филаментами; на фиг. 4 - трехмерное изображение крепления филаментов без светопроницаемого корпуса; на фиг. 5 - трехмерное, увеличенное изображение отдельного участка (a) светодиодных филаментов; на фиг. 6 - трехмерное изображение светодиодных филаментов в светопроницаемом корпусе; на фиг. 7 - поперечный разрез B-B фитооблучателя с множеством светодиодных филаментов, расположенных по кругу.

Жидкостный светодиодный фитооблучатель состоит из корпуса 1, изготовленного из светопроницаемого материала, например, из прозрачного пластика, стекла, оргстекла, поликарбоната, боросиликатного или кварцевого стекла, проницаемого для ультрафиолетового излучения. На корпусе 1 размещены две герметичные плоские торцевые крышки 2, изготовленные, например, из эластичного пластика, с уплотнительными резиновыми кольцами 3. В центре пространства светопроницаемого корпуса 1 находится центральный светопроницаемый трубчатый профиль 4, на котором закреплены светодиодные филаменты 5. Профиль 4 может быть выполнен из, стекла, пластика и т.д. Корпус 1 заполнен теплопроводящей диэлектрической жидкостью 6. Светодиодные филаменты 5 подключены к блоку питания 7 с потенциометром 8, посредством электрического кабеля проходящего через пластиковый гермоввод 9 с герметичной затяжной гайкой.

Удержание жидкости 6 в трубчатом светопроницаемом корпусе 1 осуществляется уплотнительными резиновыми кольцами 3, размещенными в торцах корпуса, и герметичными плоскими торцевыми крышками 2. Торцевые крышки 2 выполнены с отверстием для фиксации центрального трубчатого профиля 4.

Внутри профиля 4 закреплен защитный температурный датчик от перегрева (на фиг. не показано), связанный с блоком питания 7. При превышении температуры выше выставленной, происходит автоматическое отключение блока питания 7, а при последующем понижении температуры ниже заданного уровня, происходит автоматическое включение блока питания 7, в следствии чего, работа осветительного прибора возобновляется. Таким образом осуществляется защита от перегрева и выхода из строя фитооблучателя сохраняя его свойства.

Жидкостный фитооблучатель может быть оснащен системой управления при помощи контроллера (на фиг. не показано), совмещенного с блоком питания 7. Контроллер способен управлять системой спектрального облучения и интенсивностью светового потока, при помощи системы управления, посредством цифровой передачи данных, как беспроводных, так и проводных систем управления. Такими устройствами являются, например: персональный компьютер, планшет, телефон и иные цифровые устройства.

Блок питания 7 жидкостного фитооблучателя может располагаться как за пределами фитооблучателя, так и внутри корпуса 1 с упрощенной схемой блока питания 7.

Жидкостный фитооблучатель с теплопроводящей диэлектрической жидкостью может содержать и люминесцирующие вещества, переизлучающие световую волну от кристалла светодиодного филамента 5 в необходимый световой спектр, необходимый для растений. Филаменты 5, например, могут быть выполнены на основе ультрафиолетовых или синих кристаллов, вызывающих люминесценцию.

Люминофорный материал может быть в составе теплопроводящей жидкости, материала корпуса или нанесен на внешнюю или внутреннюю его поверхность. Подбирая химический состав люминофора, имеется возможность получать желаемый спектральный состав излучения под конкретную выращиваемую овощную культуру.

Светодиодные филаменты могут быть выполнены на основе ультрафиолетовых или синих кристаллов, входящих в состав фитооблучателя с люминофорной структурой, а также может применятся фиксация светодиодных филаментов на центральном основании под различным углом, например в поперечном виде или в виде спирали. Смещение филаментов друг относительно друга, позволяет устранять градации темной и светлой полосы освещения в фитооблучателе в целом. Теплопроводящая диэлектрическая жидкость, заполняющая внутреннее пространства корпуса фитосветильника, предназначена для отведения тепловой энергии от светодиодных филаментов.

Тепловая энергия от светодиодных филаментов 5 через теплопроводящую диэлектрическую жидкость 6 переходит на стенку светопрозрачного корпуса 1 и далее рассеивается в воздушном пространстве вокруг корпуса 1, охлаждая фитооблучатель в целом. Теплопроводящей антикоррозионной диэлектрической прозрачной жидкостью 6 может являться, например: иммерсионное, минеральное, силиконовое масло, или иные некорродируемые материалы, с подобными свойствами. Жидкость циркулирует внутри колбы 1 за счет теплового эффекта конвекции от нагрева светодиодных филаментов 5. Нет необходимости установки громоздких теплоотводящих алюминиевых, или иных охладительных элементов, на которые крепятся светодиодные филаменты 5. Достаточно использовать держатели 10 светодиодных филаментов 5, закрепленные на центральном профильном основании 4.

Чем меньше температура светодиода, тем выше КПД и светоотдача лм/Вт. При этом в разы уменьшается деградация светодиода, увеличивая срок его службы, без потери свойств по светоизлучению.

Теплопроводящая диэлектрическая жидкость в замкнутом пространстве при изменении температурных характеристик меняет свой объем. Для компенсации температурного расширения предусмотрен воздушный зазор 5-10% от занимаемого объема диэлектрической теплопроводящей жидкости.

На центральном прозрачном трубчатом стержневом профиле 4 филаменты 5 могут быть расположены под различным углом. Особое внимание необходимо уделить смещению филаментов 5 друг относительно друга, что позволяет избежать неравномерности светового потока. Такое расположение светодиодных филаментов 5 на светопрозрачном трубчатом профиле 4 обеспечивает равномерное распределение потока излучения на 360°.

В лабораторных условиях на базе ФГБНУ ФНАЦ ВИМ в специально сконструированном гроубоксе успешно прошли испытания жидкостного фитооблучателя.

Светодиодный жидкостный фитооблучатель работает следующим образом.

Блок питания 7 связан с источником переменного напряжения 220 В посредством электрического кабеля, проходящего через пластиковый гермоввод 9, со светодиодными филаментами 5. Блок питания 7 оснащен потенциометром 8, регулирующим интенсивность излучения светового потока.

Светодиодные филаменты 5 излучают световую волну с тепловым эффектом в жидкую теплопроводную диэлектрическую антикоррозионную среду 6. Жидкая среда 6 под действием физических свойств пассивной конвекционной циркуляции приходит в движение, при этом возникает круговорот в жидких средах, который переносит тепловую энергию к стенкам светопроницаемого корпуса 1 и передает ее в окружающее пространство, тем самым, охлаждая фитооблучатель.

В разный вегетационный период роста растений необходимо оптимально подбирать спектральный состав и интенсивность освещения. В рассадный период необходимо увеличивать долю синего излучения 440-460 нм для предотвращения вытягивания рассады. В период цветения необходимо увеличивать долю красного излучения 632-660 нм. На стадии плодоношения и созревания необходимо увеличивать долю зеленого излучения 535-570 нм.

Излучение установленных групп филаментов, может регулироваться в широких пределах со следующими спектрами волн:

- один элемент синего диапазона с максимумом излучения 440-460 нм;

- два элемента дальнего красного диапазона с максимумом излучения 730-740 нм;

- два элемента красного диапазона с максимумом излучения 632-660 нм;

- три элемента белого диапазона цветовой температуры излучения 4000 К;

Применение прозрачной теплопроводящей диэлектрической жидкости снижает эффект переотражения светового потока от светопроницаемого трубчатого корпуса, что позволяет повысить светоотдачу на 15%.

Положительной особенностью является распределение светового потока на 360° градусов и отсутствие теневых областей. Тем самым увеличивается энергоэффективность фитооблучателя. Температура жидкости фитооблучателя повышается на 8-15°C в зависимости от температуры окружающей среды.

Повышение равномерности светового потока от светодиодного фитооблучателя возможно достичь за счет использования теплопроводящей диэлектрической жидкости, в тандеме с люминесцирующими веществами, при которых снижается тепловая деградация люминофоров в жидком агрегатном состоянии, за счет более эффективного теплоотвода. Таким образом, нахождение люминофорного материала вдали от светодиодов и других горячих элементов в светодиодном излучателе в итоге, увеличивает срок службы спектрального люминофорного материала переизлучающего световую волну.

При близком контакте люминофорной структуры с элементом светодиодного филамента 5 происходит частичное или полное выгорание люминофорной поверхности, что приводит к частичной или полной потере заданного изначально спектрального диапазона световой волны. При нахождении люминофора между светодиодными филаментами 5 и светопроницаемым корпусом 1, отсутствует критический нагрев, так как жидкость находится в естественной конвекции и люминофор постоянно циркулирует под действием теплового нагрева светодиодных филаментов 5, тем самым частицы люминофора подменяют друг друга из дальних уголков замкнутой колбы двигаясь под действием конвекционного физико-теплового воздействия в жидких средах.

За счет эффективного отведения тепловой энергии от полупроводниковых элементов при помощи теплоотводящей диэлектрической антикоррозийной жидкости, увеличивается срок службы светодиодов, встроенных в фитооблучатель.

Фитооблучатель способен функционировать во влажных климатических условиях, например, в теплицах, оранжереях, уличном, подводном и надводном освещении. Он защищен от попадания пыли, грязи, влаги и распыления искусственно созданного аэрозоля, например, при орошении овощных и зеленных культур.

Отсутствуют шумовые эффекты, обеспечена полная герметичность фитооблучателя, так как все соединительные швы герметизированы на силиконовый клеевой материал. Имеется автоматическая защита от перегрева фитосветильника датчиком температуры.

Использование фитооблучателя позволит увеличить срок службы светодиодных элементов, повысить световое излучение на 15%, энергоэффективность и надежность системы, урожайность и качество продукции, сформировать оптимальную световую среду для тепличных растений, обеспечить отсутствие ожогов лиственного покрова вблизи фитооблучателя, сократить сроки вегетации растений.

Изобретение относится к области светотехники, в частности к осветительным устройствам на светодиодах и может быть использовано для облучения овощных и зеленных сельскохозяйственных культур. Технический результат - повышение срока службы светодиодных элементов, энергоэффективности и надежности фитооблучателя. Жидкостный фитооблучатель для растений содержит связанные с источником питания светодиодные филаменты, размещенные на профиле и закрепленные внутри герметичного прозрачного корпуса, заполненного прозрачной теплопроводящей диэлектрической жидкостью. В центральном профиле установлен защитный температурный датчик, связанный с блоком питания, на котором размещен потенциометр. Корпус с двух сторон закрыт герметичными плоскими торцевыми крышками и уплотнительными резиновыми кольцами с отверстием под центральный профиль, осветительные элементы выполнены в виде светодиодных филаментов, закрепленных на профиле с зазором. Объем диэлектрической теплопроводящей жидкости на 5-10% меньше объема колбы. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Светодиодный жидкостный фитооблучатель кругового облучения для растений, содержащий связанные с источником питания осветительные светодиодные элементы, размещенные на профиле и закрепленные внутри герметичного прозрачного корпуса, заполненного прозрачной теплопроводящей диэлектрической жидкостью, корпус с двух сторон закрыт герметичными плоскими торцевыми крышками и размещенными внутри корпуса уплотнительными кольцами и профиль, блок питания оснащен элементом потенциометром, регулирующим интенсивность излучения светового потока, отличающийся тем, что он снабжен связанными с блоком питания защитным температурным датчиком, установленным в профиле, и контроллером, профиль выполнен трубчатым, из прозрачного диэлектрического материала, блок питания размещен снаружи фитосветильника, потенциометр расположен на блоке питания, осветительные элементы выполнены в виде светодиодных филаментов и закреплены на профиле с зазором, крышки выполнены с центральным отверстием под профиль, объем диэлектрической теплопроводящей жидкости на 5-10% меньше объема колбы для компенсации температурного расширения.

2. Жидкостный фитооблучатель для растений по п. 1, отличающийся тем, что филаменты выполнены на основе ультрафиолетовых или синих кристаллов.

3. Жидкостный фитооблучатель для растений по п. 1, отличающийся тем, что люминофорный материал может быть в составе теплопроводящей жидкости, материала корпуса или нанесен на внешнюю или внутреннюю его поверхность.