СВЕТОДИОДНЫЙ МОДУЛЬ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ С ГИБРИДНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК H01L25/75 H01L23/43 

Техническая область.

Техническое решение относится к области осветительных приборов, а именно к области светодиодных светильников высокой плотности для применения в быту, офисных и производственных помещениях.

Предшествующий уровень техники.

Известен светодиодный блок освещения ([источник [1]: US 7604380 В2) включает в себя по меньшей мере одну опорную пластину, имеющую одно или более внутренних отверстий. По меньшей мере одна светодиодная матрица может быть подключена к светодиодной плате. Светодиодный блок освещения также включает в себя по меньшей мере одну тепловую трубу, соединенную со светодиодной платой, при этом указанная светодиодная плата соединена по меньшей мере с одной опорной пластиной.

Известен светодиодный модуль [источник [2]: RU 2767167], состоящий из основания с посадочной поверхностью, на которой размещаются светодиоды, установленные на сплошную или сегментированную гибкую печатную плату, устройства электропитания и управления, расположенного в полости основания, крышки, закрепленной на основании, и плафона.

Известна светодиодная лампа с жидкостным охлаждением [источник [3]: CN 104019379], содержащая наружную втулочную трубку, торцевые крышки и панель источника светодиодного света, торцевые крышки расположены на двух концах наружной втулочной трубки, панель источника света расположена во внутренней полости наружной втулочной трубки. Внутренняя полость наружной втулочной трубки заполнена теплопроводящей жидкостью.

Недостатком устройства является необходимость во внешних пускорегулирующих устройствах, что повышает габариты устройства и сужает область применения.

Известные конструкции светодиодных модулей требуют решения проблемы, связанной с теплопередачей, так как светоизлучающие диоды часть электроэнергии переводят в тепло, а не в свет (около 70% тепла и 30% света). Если это тепло не отводится, светодиоды работают при высоких температурах, что не только снижает их эффективность, но и делает светодиод менее надежным. Таким образом, управление температурой светодиодов является важнейшей областью исследований и разработок.

Платы светодиодов известных модулей имеют малую полезную площадь участвующей в теплопереносе, а световой потока распределяется не эффективно, не обеспечивается позиционирование источников света (светоизлучающих диодов) в фокус линзы и фокусировка светового потока в параллельный пучок.

Известные модули имеют низкую плотность светового потока с единицы площади и большой вес. Указанные недостатки устраняются предложенным технически решением.

Краткое изложение изобретения.

Техническая задача заключается в совершенствовании конструкции светодиодного модуля, улучшении отвода тепла, уменьшении веса, повышении надежности.

Технический результат заключается в расширение арсенала технических средств, светодиодных модулей высокой плотности с гибридным охлаждением.

Технический результат достигается тем, что светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением, содержит линзу под которой размещены светоизлучающие диоды, в пластиковом корпусе. Линза представляет собой линзу Френеля, светоизлучающие диоды расположены на печатной плате, выполненной на медном основании, корпус выполнен из теплопроводящего пластика, на внутренней поверхности имеет покрытие из высокоотражающего материала с интегральным коэффициентом отражения светового потока не менее 95%, корпус заполнен жидкостью.

Предполагается, что печатная плата может быть оснащена механизмом вертикального перемещения.

Предполагается, что светоизлучающий диод имеет мощность от 2 до 5 Вт и выполнен с керамической теплопроводящей подложкой.

Предполагается, что печатная плата выполнена на медном основании толщиной от 2 до 4 мм, изготовлена по технологии сквозных вертикальных микроканалов;

Предполагается, что слой высокоотражающего материала с интегральным коэффициентом отражения светового потока выше или равным 95% имеет толщину от 0.1 до 0.25 мм.

Краткое описание чертежей.

Техническое решение поясняется настоящим описанием и схемами, на которых изображено:

фиг. 1 - схема, светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением, общий конструктив светового модуля;

фиг. 2 - схема, светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением, с механизмом вертикального перемещения платы со светоизлучающими светодиодами.

Спецификация (обозначения позиций на чертежах):

1 - Линза Френеля;

2 - Светоизлучающий диод средней или большой мощности (от 2 до 5 Вт) с керамической теплопроводящей подложкой;

3 - Печатная плата (англ. printed circuit board, РСВ) РСВ плата на медном основании толщиной от 2 до 4 мм, изготовленная по технологии сквозных вертикальных микроканалов для увеличения площади теплорассеивания;

4 - Корпус;

5 - Покрытие, тонкий слой (от 0.1 до 0.25 мм) высокоотражающего материала (например ALANOD или подобный материал) с интегральным коэффициентом отражения светового потока выше или равным 95%;

6 - Механизм вертикального перемещения платы со светоизлучающими светодиодами, для регулировки фокусного расстояния системы "источник света-линза Френеля". Механизм вертикального перемещения платы может отсутствовать в серийном (массовом) изделии, для снижения стоимости (т.е. предусмотрено два варианта устройства первый с механизма вертикального перемещения и второй без механизма);

7 - Герметичный (IP68) кабельный ввод, для организации стабилизированного питания светоизлучающих светодиодов и передачи показаний температурного датчика (температурный датчик на плате является опциональным);

8 - Жидкость, для иммерсионного жидкостного охлаждения.

Осуществление технического решения.

Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением (см. фиг. 1; фиг. 2), содержит линзу 1 под которой размещены светоизлучающие диоды 2. Линза 1 представляет собой линзу Френеля, светоизлучающие диоды 2 расположены на печатной плате 3, выполненной на медном основании, корпус 4 выполнен из теплопроводящего пластика, на внутренней поверхности имеет покрытие 5 из высокоотражающего материала с интегральным коэффициентом отражения светового потока не менее 95%, корпус содержит герметичный кабельный ввод 7 и заполнен жидкостью 8, для иммерсионного жидкостного охлаждения.

Пример 1.

Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением (фиг. 1), содержит линзу 1 Френеля, под которой размещены светоизлучающие диоды 2. Светоизлучающие диоды 2 имеют мощность 2 Вт и выполнены с керамической теплопроводящей подложкой. Светоизлучающие диоды 2 расположены на печатной плате 3, выполненной на медном основании толщиной 2 мм, изготовленной по технологии сквозных вертикальных микроканалов. Корпус 4 выполнен из теплопроводящего пластика. На внутренней поверхности корпуса 4 выполнено покрытие 5 из слоя высокоотражающего материала с интегральным коэффициентом отражения светового потока 95%, толщиной от 0,1 мм. Корпус 4 содержит герметичный кабельный ввод 7. Корпус 4 заполнен жидкостью 8, для иммерсионного жидкостного охлаждения.

Пример 2.

Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением, с механизмом вертикального перемещения платы со светоизлучающими светодиодами (фиг. 2), содержит линзу 1 Френеля, под которой размещены светоизлучающие диоды 2. Светоизлучающие диоды 2 имеют мощность 5 Вт и выполнены с керамической теплопроводящей подложкой. Светоизлучающие диоды 2 расположены на печатной плате 3, выполненной на медном основании толщиной 4 мм, изготовленной по технологии сквозных вертикальных микроканалов. Корпус 4 выполнен из теплопроводящего пластика. На внутренней поверхности корпуса 4 выполнено покрытие 5 из слоя высокоотражающего материала ALANOD с интегральным коэффициентом отражения светового потока 97%, толщиной от 0,25 мм. Корпус 4 содержит герметичный кабельный ввод 7. Корпус 4 заполнен жидкостью 8, для иммерсионного жидкостного охлаждения. Печатная плата 3 оснащена механизмом вертикального перемещения 6. Плата может быть оснащена температурным датчиком (не обозначен).

Работает устройство следующим образом.

К светоизлучающим диодам 2 подводят электрический ток, и они излучают свет, который фокусируется линзой 1. На плате обеспечена высокая плотность распайки светоизлучающих диодов 2, что позволяет достичь высокой плотности генерируемого светового потока на единицу площади светового выхода светодиодного модуля.

Первичные теплоперенос, от подложки светоизлучающего диода 2 осуществляется посредством РСВ платы 3 на медном теплопроводящем основании. Медная РСВ плата 3 имеет по всей своей структуре вертикальные сквозные пустотные каналы, которые обеспечивают увеличение площади соприкосновения жидкости 8 (жидкого хладагента) с платой 3, а следовательно, увеличение полезной площади, участвующей в теплопереносе.

Жидкость 8 является диэлектриком при высоких показателях теплопроводности (выше теплопроводности воздуха). По мимо непосредственного теплопереноса, жидкость выступает в роли первичной оптики для светорассеивания светового потока. Жидкость переносит тепловую энергию к корпусу 4, выполненному из теплопроводящего пластика, облегчающего конструктив и масса-габаритные характеристики устройства.

Покрытие 5 выполнено из материала схожего с «ALANOD» необходимо для отражения светового потока, ушедшего в жидкую среду к поверхности светового выхода - линзе 1.

Механизм вертикального перемещения 6 (механизм юстировки) платы 3 (пример 2), необходим для позиционирования источников света (светоизлучающих диодов 2) в фокус линзы Френеля 1. Линза 1 Френеля отличается от других линз компактными масса-габаритными характеристиками и позволяет сфокусировать световой поток в параллельный пучок. Механизм вертикального перемещения 6 для серийного производства, может отсутствовать (пример 1), в силу позиционирования источников света в заводских условиях.

Герметичный кабельный ввод 7 необходим для обеспечения герметичного ввода кабеля питания-управления светоизлучающих диодов 2 на РСВ плате 3. Подразумевается, что герметичный кабельный ввод может служит техническим клапаном для заливки жидкости 8.

Материал для корпуса 4 пластик, например теплопроводящая композиция, содержащая материал пластика и от 40 до 80 мас. % добавки, выбранной из незосиликатов, металлического кремния и их смесей, или теплорассеивающая пластмасса «Теплосток», CoolPoly, LATICONTER, Fortran и т.п.

Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением обладает следующими преимуществами:

- достижение высокой плотности светового потока с единицы площади;

- экономия дорогостоящих теплопроводящих материалов;

- снижение веса конструктива.

Особенностью светодиодного модуля высокой плотности с гибридным охлаждением является синтез различных способов по обеспечению теплопереноса от полупроводниковых структур, а именно:

- применение иммерсионного охлаждения с жидким хладагентом 8 для переноса тепла от платы 3 с источниками света 2 к корпусу 4 модуля.

- корпус 4 модуля выполнен из теплопроводящей пластмассы.

- РСВ плата 3 с медным теплопроводящем основанием, имеющим сквозные микроструктурные вертикальные каналы для увеличения площади охлаждения и повышения площади соприкосновения хладагента с платой.

Сферы применения:

- Разработка высокомощных осветительных приборов прожекторного типа и осветительных установок на их основе.

- Создание светосигнальных установок высокой габаритной яркости.

- Специализированные осветительные и облучательные установки.

Промышленная применимость.

Изготовление возможно с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов.

Изобретение относится к области осветительных приборов, а именно к области светодиодных светильников высокой плотности для применения в быту, офисных и производственных помещениях. Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением, содержащий линзу 1 под которой размещены светоизлучающие диоды 2, в пластиковом корпусе 4. Отличается тем, что линза 1 представляет собой линзу Френеля, светоизлучающие диоды 2 расположены на печатной плате 3, выполненной на медном основании, корпус 4 выполнен из теплопроводящего пластика, на внутренней поверхности имеет покрытие 5 из высоко отражающего материала с интегральным коэффициентом отражения светового потока не менее 95%, корпус заполнен жидкостью 8. Изобретение обеспечивает расширение арсенала технических средств, а именно в создании светодиодного модуля с усовершенствованной конструкцией, улучшение отвода тепла светодиодного модуля, уменьшение его веса и повышение надежности. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением, содержащий линзу, под которой размещены светоизлучающие диоды, в пластиковом корпусе, отличающийся тем, что линза представляет собой линзу Френеля, светоизлучающие диоды расположены на печатной плате, выполненной на медном основании, корпус выполнен из теплопроводящего пластика, на внутренней поверхности имеет покрытие из высокоотражающего материала с интегральным коэффициентом отражения светового потока не менее 95%, корпус заполнен жидкостью.

2. Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением по п. 1, отличающийся тем, что печатная плата оснащена механизмом вертикального перемещения.

3. Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением по п. 1, отличающийся тем, что светоизлучающий диод имеет мощность от 2 до 5 Вт и выполнен с керамической теплопроводящей подложкой;

4. Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением по п. 1, отличающийся тем, что печатная плата выполнена на медном основании толщиной от 2 до 4 мм, изготовлена по технологии сквозных вертикальных микроканалов;

5. Светодиодный модуль высокой плотности с гибридным охлаждением по п. 1, отличающийся тем, что слой высокоотражающего материала с интегральным коэффициентом отражения светового потока выше или равен 95%, имеет толщину от 0.1 до 0.25 мм.