Светодиодный светильник
Владельцы патента RU 2531388:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)
Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения за счет увеличения коэффициента теплопередачи охлаждающей среды и выравнивание параметров светового потока по всей площади формируемого светового пятна. Светодиодный светильник содержит светопрозрачный корпус с полостью, в которой размещен светодиод, зафиксированный на основании светопрозрачного корпуса в жидкой охлаждающей среде, размещенной в секторе излучения светодиодного элемента. В указанную жидкую охлаждающую среду введены теплопроводящие элементы, находящиеся в твердой фазе и выполненные из светопрозрачного материала с плавучестью в охлаждающей среде, равной нулю. Количество и размеры теплопроводящих элементов выбраны с возможностью обеспечения их свободного взаимоскольжения в пределах полости светопрозрачного корпуса, который снабжен средством приведения охлаждающей среды в движение. Теплопроводящим элементам могут быть приданы магнитные свойства, обеспечивающие возможность приведения их в движение электромагнитным полем. При этом, по меньшей мере, часть поверхности теплопроводящих элементов, находящихся в твердой фазе, и неизлучающая поверхность светодиодного элемента могут быть снабжены светоотражающим покрытием, а количество теплопроводящих элементов, находящихся в твердой фазе, выбрано из расчета обеспечения светопрозрачности охлаждающей среды. Теплопроводящие элементы могут быть выполнены упругими, с возможностью компенсации теплового расширения жидкой среды. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к осветительным устройствам и может быть использовано для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.
Известен светодиодный светильник с высокоэффективным конвекционным охлаждением, содержащий в качестве источника света светодиоды, установленные на наружной поверхности корпуса и подключенные гибким кабелем к блоку питания, оптическую линзу, корпус-радиатор, выполненный из полого профиля (см. RU №2433577, МПК H05B 33/00, 2011). Особенностью таких светильников является повышенная теплоотдача. Выделенное тепло может отводиться через радиаторы (в других моделях отводится через воздушный обдув нагреваемых элементов).
Однако радиаторы не только существенно увеличивают и утяжеляют конструкцию, но и отводят тепло только от одной внутренней половины светодиода, что достаточно далеко от точки нагрева, которой является p-n-переход светодиода. Кроме того, воздушный обдув ограничен низкой теплопроводностью самого воздуха.
Известна светодиодная лампа с воздушным охлаждением (см. US 20110013383, МПК F2IV 29/00 F21V 21/084, 2011). В данном устройстве происходит активное охлаждение светодиодного элемента встроенным воздушным вентилятором.
Однако при достаточной эффективности устройства по-прежнему недостаточно близко охлаждаемое место к месту разогрева, то есть к p-n-переходу светодиода. При этом все еще низок коэффициент теплопередачи теплоносителя (воздушной среды). Данную проблему можно решить за счет увеличения скорости обдува, но это имеет определенные ограничения при условии не снижения массогабаритных и инерциальных параметров механизма охлаждения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является светодиодный светильник, содержащий светодиодный элемент, размещенный в полости зафиксированного на основании светопрозрачного корпуса в жидкой охлаждающей среде (см. US 20110261563, МПК F21V 29/00, F21S 4/00, 2011). Светильник состоит из светодиодного элемента, укрепленного на основании, и охлаждающей среды, состоящей из жидкой массы. Жидкая масса может быть представлена парафиновым маслом или другой массой, соответствующей задачам работы теплового режима светодиодного элемента. Данная конструкция позволяет наиболее полно реализовать теплопроводные особенности жидкой массы. Жидкая масса обтекает светодиодный элемент в пределах корпуса и, являясь более теплопроводной, чем воздух, эффективно передает тепло от светодиодного элемента наружу. Кроме того, имея определенные светопрозрачные свойства, жидкая масса помогает эффективно рассеивать свет.
Однако эта конструкция имеет ряд недостатков, а именно недостаточный, по сравнению с твердыми материалами, значительно более низкий коэффициент теплопередачи, кроме того, формируемый световой поток имеет выраженную четкую направленность, что приводит к неравномерности светового поля. Эти недостатки ухудшают эксплуатационные характеристики светильника.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение эксплуатационных характеристик светильника.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении коэффициента теплопередачи охлаждающей среды, тем самым повышая эффективность его охлаждения, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую светоотдачу и увеличение срока работы светодиодного элемента. Кроме того, наличие дополнительных тел в охлаждающей среде, рассеивающих свет, обеспечивает выравнивание параметров светового потока по всей площади формируемого светового пятна.
Поставленная задача решается тем, что светодиодный светильник, содержащий светодиодный элемент, размещенный в полости зафиксированного на основании светопрозрачного корпуса, в жидкой охлаждающей среде, отличается тем, что жидкая охлаждающая среда размещена в секторе излучения светодиодного элемента, при этом в нее введены находящиеся в твердой фазе теплопроводящие элементы, выполненные из светопрозрачного материала с плавучестью в охлаждающей среде, равной нулю, причем количество и размеры твердых теплопроводящих элементов обеспечивают возможность их свободного взаимоскольжения в пределах полости светопрозрачного корпуса, который снабжен средством приведения охлаждающей среды в движение.
Кроме того, теплопроводящим элементам приданы магнитные свойства с возможностью приведения в движение электромагнитным полем.
При этом, по меньшей мере, часть поверхности находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов и неизлучающая поверхность светодиодного элемента снабжены светоотражающим покрытием, причем в этом случае количество находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов обеспечивает светопрозрачность охлаждающей среды.
Кроме того, теплопроводящие элементы выполнены упругими, с возможностью компенсации теплового расширения жидкой среды.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак, указывающий, что «жидкая охлаждающая среда размещена в секторе излучения светодиодного элемента», позволяет приблизить охлаждающую среду к месту разогрева, то есть к p-n-переходу светодиода.
Признаки, указывающие, что в жидкую охлаждающую среду «введены находящиеся в твердой фазе теплопроводящие элементы», направлены на увеличение теплопроводности охлаждающей среды, т.к. теплопроводность материала находящегося в твердой фазе элемента много выше теплопроводности указанной жидкой массы и «плавучесть которых в охлаждающей среде равна нулю» позволяют сосредоточить их относительно равномерно в жидкой среде. При этом использование находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов из «светопрозрачных» материалов улучшает светопропускную способность, что дополнительно дает новое декоративное светорассеивающее свойство, особенно заметное ввиду разных коэффициентов преломления жидкой среды и находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов.
Признаки «…количество и размеры теплопроводящих элементов обеспечивают возможность их свободного взаимоскольжения в пределах полости светопрозрачного корпуса, который снабжен средством приведения охлаждающей среды в движение…» позволяют в состоянии движения, а именно при конвекции, к стандартному теплообмену жидкая масса - стенки, добавить теплообмен жидкая масса - твердые тела с добавлением эффектов обтекания твердых тел и теплообмен твердые тела - стенки. В результате увеличения конвекции и, в итоге теплопроводности, увеличивается охлаждение светодиодного элемента, а значит, и эффективность работы светодиодного элемента.
Признаки, указывающие, что «теплопроводящим элементам приданы магнитные свойства с возможностью приведения в движение электромагнитным полем» являются вариантом, обеспечивающим конвекцию или движение в системе охлаждения, т.к. воздействие магнитного поля на эти теплопроводящие элементы приводит их в движение, что в итоге обеспечивает конвекцию.
Признаки, указывающие, что «по меньшей мере, часть поверхности находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов и неизлучающая поверхность светодиодного элемента снабжены светоотражающим покрытием, причем количество находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов обеспечивают светопрозрачность охлаждающей среды» позволяют лучам, исходящим от светодиодных элементов, отражаться, а не поглощаться. При этом лучи, упавшие на корпус, держащий светодиодный элемент, также отражаются, что дополнительно позволяет обеспечить достаточный светопоток при широком секторе рассеяния света.
Признаки, указывающие, что «теплопроводящие элементы выполнены упругими, с возможностью компенсации теплового расширения жидкой среды», позволяют при любых режимах охлаждения компенсировать избыточное давление P жидкой массы за счет сжатия находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов, что, в свою очередь, приводит к компенсации избыточного давления.
На фиг.1 показана схема светодиодного светильника; на фиг.2 показано прохождение лучей через жидкую массу и светопрозрачные твердые теплопроводящие элементы; на фиг.3 - прохождение лучей при охлаждении внешней стороны корпуса за счет конвекции жидкой массы и твердых теплопроводящих элементов посредством направленного действия электромагнитного поля от соответствующим образом ориентированных электромагнитов на твердые теплопроводящие элементы; на фиг.4 - прохождение лучей через жидкую массу и отражение их как от твердых теплопроводящих элементов с нанесенным на них светоотражающим составом, так и от основания светодиодного элемента, также имеющего нанесенный светоотражающий состав; на фиг.5 - прохождение лучей в жестком и замкнутом корпусе.
На чертежах показаны: светодиодный элемент 1, основание 2, жидкая охлаждающая среда 3, находящиеся в твердой фазе светопрозрачные теплопроводящие элементы 4, корпус 5, средство 6 приведения охлаждающей среды 3 в движение, электромагнитные элементы 7, светоотражающие покрытия 8.
Светодиодный светильник (см. фиг.1) содержит светодиодный элемент 1, размещенный в полости светопрозрачного корпуса 5 на основании 2 в жидкой охлаждающей среде 3. Жидкая охлаждающая среда 3 (например, парафиновое масло либо масла аналогичных составов) размещена в секторе излучения светодиодного элемента 1. В нее введены находящиеся в твердой фазе теплопроводящие элементы 4, выполненные из светопрозрачного материала, плавучесть которых в охлаждающей среде 3 равна нулю. Плавучесть подбирается за счет того, что находящийся в твердой фазе теплопроводящий элемент 4 имеет внутри воздушный пузырь, приравнивающий плотность и объем находящихся в твердой фазе светопрозрачных теплопроводящих элементов 4 к плотности жидкой охлаждающей среды 3. Кроме того, находящийся в твердой фазе теплопроводящий элемент 4 имеет коэффициент теплопроводности значительно больший чем у жидкой охлаждающей среды 3. В качестве находящихся в твердой фазе светопрозрачных теплопроводящих элементов 4 могут быть использованы, например, прозрачные полимерные композиты с кварцевостеклянными наполнителями. Количество и размеры теплопроводящих элементов 4 обеспечивают возможность их свободного взаимоскольжения в пределах полости светопрозрачного корпуса 5, который снабжен средством 6 приведения охлаждающей среды 3 в движение, например насосом. При протекании охлаждающей среды 3 над светодиодным элементом 1, то есть в зоне излучения светодиодного элемента 1, световой поток проходит через жидкую охлаждающую среду 3 (см. фиг.2). Оптические свойства значительно улучшатся, если твердые теплопроводящие элементы 4 изготовлены из светопрозрачных материалов.
Кроме стандартных методов конвекции, которые предполагают использование средств 6 приведения охлаждающей среды 3 в движение, например насосов, возможно использование электромагнитного поля. Для этого находящимся в твердой фазе теплопроводящим элементам 4 приданы магнитные свойства с возможностью приведения в движение электромагнитным полем, возбуждаемым соответствующим образом ориентированными электромагнитными элементами 7 (см. фиг.3), которое воздействует на теплопроводящие элементы 4, имеющие определенные магнитные свойства, и заставляет их двигаться в заданном направлении, а вместе с ними увлекается в движение жидкая масса 3 за счет имеющегося у находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов 4 определенного сопротивления в жидкости. Магнитные свойства теплопроводящим элементам 4 могут быть приданы через применение в теплопроводящих элементах 4, например, прозрачных ферромагнитных наполнителей.
Часть поверхности находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов 4 и неизлучающая поверхность светодиодного элемента 1 снабжены светоотражающим покрытием 8, причем в этом случае количество находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов 4 обеспечивает светопрозрачность жидкой охлаждающей среды 3. Снабжение находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов 4 и основания светодиода 2 светоотражающим покрытием 8 позволяет световому излучению от светодиодного элемента 1 с минимальными потерями, переотражаясь от твердых теплопроводящих элементов 4 и основания светодиода 2, излучаться во внешнюю среду (см. фиг.4).
Находящиеся в твердой фазе теплопроводящие элементы 4 выполнены упругими, с возможностью компенсации теплового расширения жидкой охлаждающей среды 3. В процессе работы светодиодного элемента 1 (см. фиг.5) при любых режимах охлаждения возможно нагревание как основания 2 светодиодного элемента 1 со всем светопрозрачным корпусом 5, так и жидкой охлаждающей среды 3. При этом плотность жидкой охлаждающей среды 3 уменьшается, что при закрытом цикле охлаждения может привести к нежелательному увеличению давления. Чтобы компенсировать избыточное давление P жидкой охлаждающей среды 3, твердые теплопроводящие элементы 4 изготавливают таким образом, что воздушная полость, находящаяся в них, легко подвергается сжатию за счет соответствующей толщины и гибкости находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов 4, что, в свою очередь, приводит к компенсации избыточного давления.
Светодиодный светильник работает следующим образом. Светодиодный элемент 1, находясь на основании 2 светодиодного элемента 1, излучает свет и тепло в жидкую охлаждающую среду 3. Жидкая охлаждающая среда 3 нагревается и передает тепло на основание 2 светодиодного элемента 1 и соответственно корпусу 5. Наличие находящихся в твердой фазе светопрозрачных теплопроводящих элементов 4 увеличивает в статическом состоянии передачу тепла за счет суммарного объемного уменьшения теплового сопротивления и соответственно суммарного увеличенного коэффициента теплопередачи. При конвекции жидкой охлаждающей среды 3 теплопередача увеличивается, так как находящиеся в твердой фазе теплопроводящие элементы 4 непосредственно контактируют со светодиодным элементом 1.
1. Светодиодный светильник, содержащий светодиодный элемент, размещенный в полости зафиксированного на основании светопрозрачного корпуса в жидкой охлаждающей среде, отличающий тем, что жидкая охлаждающая среда размещена в секторе излучения светодиодного элемента, при этом в нее введены находящиеся в твердой фазе теплопроводящие элементы, выполненные из светопрозрачного материала с плавучестью в охлаждающей среде, равной нулю, плавучесть которых в охлаждающей среде равна нулю, причем количество и размеры теплопроводящих элементов обеспечивают возможность их свободного взаимоскольжения в пределах полости светопрозрачного корпуса, который снабжен средством приведения охлаждающей среды в движение.
2. Светодиодный светильник по п.1, отличающийся тем, что теплопроводящим элементам приданы магнитные свойства с возможностью приведения в движение электромагнитным полем.
3. Светодиодный светильник по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть поверхности находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов и неизлучающая поверхность светодиодного элемента снабжены светоотражающим покрытием, причем в этом случае количество находящихся в твердой фазе теплопроводящих элементов обеспечивает светопрозрачность охлаждающей среды.
4. Светодиодный светильник по п.1, отличающийся тем, что теплопроводящие элементы выполнены упругими с возможностью компенсации теплового расширения жидкой среды.
