Пластиковый светодиодный светильник с жидкостным охлаждением Российский патент 2023 года по МПК F21S13/02 

Предлагаемое изобретение относится к осветительным приборам общего назначения.

В настоящее время широкое распространение получают светодиодные осветительные приборы. Они имеют множество преимуществ перед конкурирующими технологиями: высокая световая отдача, малое энергопотребление, простота управления, возможность получения различного спектрального состава, долговечность (теоретически 100000 часов и более). Однако, в реальности, именно с долговечностью возникают наибольшие проблемы.

Дело в том, что светодиоды, как и любой полупроводниковый прибор, нуждаются в эффективном охлаждении. Проверка наиболее распространённых светодиодных светильников показывает, что значительная часть устройств не обеспечивает температурный режим работы светодиодов, рекомендованный их производителем, у большинства остальных светильников рабочая температура светодиодов близка к максимально допустимой. Данный фактор кратно снижает срок службы осветительных приборов. Это связано с тем, что производители экономят на охлаждении, так как применение металлических ребристых радиаторов заметно повышает себестоимость изделий. По той же причине многие производители пренебрегают качественной вторичной оптикой (линзы, отражатели).

Предлагаемое изобретение не требует дефицитных материалов и дорогостоящих технологических операций, позволяет обойтись без больших металлических радиаторов и устройств вторичной оптики, обеспечивая при этом как хорошее охлаждение светодиодов, так и оптимальное светораспределение.

Светильник представляет собой закрытый тонкостенный сосуд из прозрачного пластика, заполненный прозрачной жидкостью, выполняющей функцию теплоносителя и являющейся частью оптической системы, с помещенным внутрь светодиодным источником света, закреплённом на небольшом радиаторе.

При включении осветительного прибора происходит нагрев светодиодного излучателя, погружённого в жидкость. Далее, при помощи жидкого теплоносителя, осуществляется отвод тепла от источника света к корпусу светильника. Через тонкий пластиковый корпус избыточное тепло рассеивается в окружающую среду. При формовке поверхности корпуса светильника ей можно придать желаемую форму, например, линзы. Таким образом можно использовать оптические свойства прозрачной жидкости-теплоносителя для получения оптимального светораспределения.

В качестве материала для корпуса подойдут прозрачные пластики (полиэтилентерефталат, поликарбонат и др.). Конкретный материал выбирается исходя из условий работы, химического состава окружающей среды и жидкости-теплоносителя. Для изготовления корпуса предлагается применять широко распространённую технологию выдува из преформ, массово применяемую для производства различной пластиковой тары. Благодаря маленькой толщине (до 0.5 мм.), стенки корпуса обеспечат хорошую теплопередачу от жидкости-теплоносителя к окружающей среде. Несмотря на маленькую толщину, подобные корпуса имеют хорошую механическую прочность. Небольшой вес и низкая цена также являются важными достоинставми данных деталей. Корпус-сосуд должен иметь плотно прилегающую крышку для предотвращения утечки жидкости. Хорошая прозрачность корпуса способствует эффективной передаче светового потока от источника света. Форму корпуса-сосуда следует делать ребристой для увеличения площади поверхности теплообмена. На боковые и заднюю поверхности можно нанести светоотражающее покрытие. При обеспечении достаточного охлаждения источника света, температура корпуса не превысит 50*С, что для большинства пластиков вполне приемлемо.

В качестве теплоносителя можно использовать воду и растворы на её основе. Так как обычная вода является слабым раствором электролитов, необходимо применение герметичных светодиодов, а также тщательная гидроизоляция электрических соединений. Также могут возникнуть сложности при эксплуатации в условиях низких температур. Более интересным вариантом выглядит применение в качестве теплоносителя прозрачных жидкостей-диэлектриков, например, на основе этиленгликоля, пропиленгликоля, трансформаторного масла и т. п. Такое решение даёт возможность использования светодиодов и светодиодных матриц в стандартном исполнении и позволяет разместить внутри корпуса плату источника питания светодиодов (драйвер).

Предварительный расчёт и макетирование подтвердили работоспособность подобных устройств.

В качестве примера рассмотрим простейший подвесной светильник для производственных и складских помещений (фиг. 1). Изделие состоит из корпуса-сосуда из прозрачного пластика (3), крышки (2), соединённой с крышкой полой шпильки (1), закреплённого на шпильке кронштейна-радиатора (5), светодиодного источника света (6), закреплённого на радиаторе, прозрачной жидкости-теплоносителя (4). Дно сосуда напротив источника света выполнено в форме линзы (7). Питающие провода проходят в полости шпильки. Радиатор со светодиодом соединен с крышкой шпилькой и свободно вынимается через горловину корпуса. Источник света может быть смещён вместе с радиатором вдоль оси шпильки для настройки оптимального светораспределения. Светильник размещается в подвесе простейшей конструкции, наподобие кашпо. Возможный внешний вид изделия изображён на фиг.2.

Тепло от источника света передаётся через радиатор охлаждающей жидкости, затем отводится к стенкам корпуса. Теплопередача в жидкости имеет преимущественно конвекционный характер. Данный принцип охлаждения широко используется в технике, например, в электрических машинах и аппаратах для изоляции и охлаждения токоведущих частей, а также гашения дуги.

Достоинства изобретения наиболее очевидны при использовании мощных светодиодных излучателей (порядка сотен Ватт), требующих, обычно, применения массивных и дорогих металлических радиаторов, и развитой вторичной оптики. В предлагаемом устройстве охлаждающая способность определяется, главным образом, объёмом и геометрией корпуса-сосуда, который сам по себе очень дёшев. Это лишает смысла экономию на охлаждении, так как разница в стоимости корпусов разного объёма незначительна. Также следует учесть экономию на устройствах вторичной оптики, в предлагаемом устройстве для оптимизации распределения светового потока используются оптические свойства теплоносителя. Светильник, уже в самом простейшем варианте, имеет прекрасную пылевлагозащиту и высокую искробезопасность, так как является, по сути, закрытым сосудом, а напряжение питания единичного светодиода не превышает 3.5 В. Корпуса и детали светильника имеют малый вес, что упрощает их перевозку. Заполнение теплоносителем и сборку можно осуществлять на месте установки.

К недостаткам можно отнести относительно большие габариты и вес готовых изделий.

К общим недостаткам светодиодных светильников с пассивным охлаждением относится невозможность работы в условиях повышенной температуры окружающей среды. Данная проблема может быть решена организацией циркуляции теплоносителя между светильником и внешним теплообменником. Предлагаемая конструкция хорошо подходит для построения систем с принудительным жидкостным охлаждением.

Ближайшим известными аналогами изобретения являются светодиодная лампа, раскрытая в заявке RU2014100647 A от 20.07.2015 и патент KR20140034637 A от 20.03.2014.

Отличия и преимущества предлагаемого изобретения от лампы, раскрытой в заявке RU2014100647 A:

1. Предлагаемое изделие является готовым к использованию светильником, в отличие от лампы из заявки RU2014100647 A, которая является светодиодной лампой, включающей колбу, соединённую с цоколем.

2. Высокая мощность. Предлагаемое изделие предназначено, главным образом, для применения светодиодов и светодиодных матриц большой мощности (до сотен Ватт и более), благодаря большому объёму корпуса, и, как следствие, большой поверхности охлаждения. Лампы с цоколем имеют очень ограниченный объём, их мощность не может превышать 20-30 Вт. Использование светильников с большим количеством ламп приводит к увеличению как себестоимости их изготовления, так и затрат в процессе эксплуатации.

3. Возможность использования мощных светодиодов. Применение металлического радиатора позволяет использовать светодиоды и светодиодные матрицы большой мощности. Без радиаторов применение мощных светодиодных источников света невозможно, так как поверхность теплопередачи от корпуса светодиода к жидкости слишком мала. В заявке RU2014100647 A предложено решение, заключающееся в равномерном размещении большого количества светодиодов малой мощности на плате. Однако данное решение имеет ряд недостатков:

- низкая надёжность, обусловленная большим количеством элементов конструкции, а также тем, что при выходе из строя одного светодиода, выйдет из строя вся цепь последовательно соединённых с ним элементов;

- высокая себестоимость изготовления плат высокой мощности;

- значительные габариты плат высокой мощности, делающие невозможным их помещение внутрь корпуса через относительно узкую горловину.

4. Ремонтопригодность. Благодаря простой конструкции и лёгкости разборки, ремонт предлагаемого светильника не требует дорогостоящего оборудования и высокой квалификации персонала. Лампа в заявке RU2014100647 A не предполагает возможности ремонта и является расходным материалом.

5. Пылевлагозащита. Так как предлагаемый светильник представляет закрытый сосуд, обеспечение его герметичности не составляет никаких проблем. Лампа в заявке RU2014100647 A сама по себе лишена свойства пылевлагозащиты, так как является лампой с цоколем, а не готовым светильником, однако, следует заметить, что применение светодиодных ламп с цоколем в закрытых защищённых светильниках часто приводит к преждевременному выходу из строя этих ламп вследствие плохих условий охлаждения в закрытых корпусах.

Отличия и преимущества предлагаемого изобретения от лампы, раскрытой в патенте KR20140034637 A:

Светильник, раскрытый в материалах патента KR20140034637 A представляет собой сложную модульную конструкцию. Теплоотвод от источников света осуществляется при помощи металлических штыревых радиаторов сложной конструкции, имеющих полости, заполненные теплоносителем. Совершенно очевидно, что себестоимость производства данного типа светильников, как минимум, в десятки раз превысит таковую для предлагаемой мной модели при одинаковой мощности.

Изобретение относится к осветительным приборам общего назначения. Заявленный светильник представляет собой тонкостенный сосуд из прозрачного пластика, имеющий горловину и снабжённый крышкой, заполненный прозрачной жидкостью, выполняющей функцию теплоносителя и являющейся частью оптической системы, с помещенным внутрь светодиодным источником света, закреплённом на небольшом радиаторе. При этом тонкостенный сосуд напротив источника света выполнен в форме линзы, а радиатор со светодиодным источником света соединен с крышкой шпилькой с возможностью его перемещения вдоль оси шпильки и с возможностью его извлечения из корпуса через горловину. Технический результат – повышение эффективности охлаждения светодиодов и оптимальное светораспределение. 2 ил.

Светильник, представляющий собой тонкостенный сосуд из прозрачного пластика, имеющий горловину и снабжённый крышкой, заполненный прозрачной жидкостью, выполняющей функцию теплоносителя и являющейся частью оптической системы, с помещенным внутрь светодиодным источником света, закреплённом на небольшом радиаторе, при этом тонкостенный сосуд напротив источника света выполнен в форме линзы, а радиатор со светодиодным источником света соединен с крышкой шпилькой с возможностью его перемещения вдоль оси шпильки и с возможностью его извлечения из корпуса через горловину.