Патент на изобретение №2392538

(54) ЗАЩИЩЕННЫЙ СВЕТОВОЙ ПРИБОР НА МОЩНЫХ СВЕТОДИОДАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к светотехнике, в частности к защищенным, в т.ч. к взрывозащищенным осветительным и светосигнальным световым приборам с круговым светораспределением на мощных светодиодах, работающих с радиаторами охлаждения. Световой прибор выполнен в защищенной оболочке, включающей корпус и оптически прозрачный колпак с установленной внутри лампой или оптическим модулем в виде, по меньшей мере, одного полого многогранника из теплопроводного материала, на гранях которого смонтированы в тепловом контакте мощные светодиоды, электрически подключенные между собой и к электронному преобразователю питающей сети. Многогранник-радиатор охлаждения светодиодов имеет отверстия /прорези, зазоры/ для конвективного теплообмена его внутреннего объема с окружающей средой и находится в тепловом контакте с одним или несколькими дополнительными радиаторами, один из которых перекрывает внутреннюю полость многогранника. Технический результат – улучшение теплофизических параметров светового прибора на мощных светодиодах за счет повышения эффективности кондуктивного и конвективного теплообмена светодиодов лампы или оптического модуля с окружающей средой, способствуя повышению взрывобезопасности и долговечности прибора. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к светотехнике, в частности к световым приборам на мощных светодиодах, например к осветительным приборам, излучающим белый свет или к защищенным светосигнальным световым приборам на светодиодах, излучающим в красном, зеленом, синем, желтом, оранжевом спектральных диапазонах.

Подобные приборы могут быть изготовлены во взрывозащищенном и пожаробезопасном исполнении.

Световые приборы на мощных светодиодах имеют высокую степень защиты от воздействия окружающей среды, могут эксплуатироваться в открытом пространстве в любых климатических зонах, в помещениях с тяжелыми условиями работы, например на нефтеперерабатывающих и химических заводах, для светоограждения промышленных труб, телекоммуникационных вышек, нефте- и газодобывающих платформ, для освещения пороховых складов, нефтеналивных судов, цехов и участков со взрывоопасной атмосферой, а также для традиционного бытового освещения /бензозаправочные станции, подземные переходы, парковки, гаражи/.

Светоотдача мощных светодиодов /прямой ток до 1,5 А/, например светодиодов типа Cree XLamp 7090 ХР-Е фирмы Сrее Lighting /США/ уже превысила 130 лм/Вт при сроке службы, превышающем 50 тыс.часов.

Вместе с тем существуют серьезные проблемы в организации отвода тепла от р-n переходов в кристаллах светодиодов с прямыми токами, превышающими 100 мА, в том числе при использовании радиаторов охлаждения приемлемых размеров, что существенно определяет габариты, влияет на светоотдачу и срок службы светодиодов и световых приборов на их основе.

Высокая температура р-n перехода и высокое тепловое сопротивление контактных структур в процессе эксплуатации приводят к деградации световых характеристик приборов: наряду со снижением светоотдачи изменяются характеристики люминофора для светодиодов белого света, падает показатель светопропускания оптической системы, снижается срок службы.

Известен взрывозащищенный световой на светодиодах /1/, содержащий оптический блок на светодиодах, работающих без радиаторов охлаждения, собранный внутри уплотненного в оправке оптически прозрачного колпака, преобразователь питающей сети и взрывонепроницаемую вводную коробку с уплотненной крышкой и кабельными вводами. Оптический блок на светодиодах имеет взрывобезопасное исполнение и установлен внутри колпака на оправке в форме фланца на крышке взрывонепроницаемой вводной коробки с герметизированным подключением к преобразователю питающей сети.

Прибор не предусматривает применение мощных светодиодов, работающих с радиаторами охлаждения, и поэтому не обеспечивает достаточный теплообмен с окружающей средой, ограничивая тем самым увеличение мощности оптического модуля.

Известен светосигнальный прибор /2/, содержащий герметичный корпус с уплотненным колпаком, внутри которого на держателе установлены оптический модуль – лампа на мощных светодиодах, выполненная в виде совокупности полых, образующих многогранник, правильно усеченных пирамид из теплопроводного материала, установленных с совпадающей продольной осью симметрии, выполняющих функции радиатора охлаждения, и электронный преобразователь питающей сети. Светодиоды смонтированы в тепловом контакте на гранях пирамид.

Недостатки прототипа обусловлены низкой эффективностью теплообмена внутреннего объема полого многогранника-радиатора охлаждения оптического модуля-лампы с окружающей средой, что затрудняет применение светодиодов мощностью более 0,8-1 Вт.

Целью изобретения является улучшение теплофизических параметров светового прибора на мощных светодиодах за счет повышения эффективности кондуктивного и конвективного теплообмена светодиодов лампы или оптического модуля с окружающей средой, способствуя повышению взрывобезопасности и долговечности прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в защищенном световом приборе на мощных светодиодах, содержащем защищенную оболочку, включающую корпус и оптически прозрачный колпак с установленной внутри лампой или оптическим модулем в виде по меньшей мере одного многогранника из теплопроводного материала, по крайней мере на части граней которого смонтированы в тепловом контакте и электрически подключены между собой мощные светодиоды, а также электронный преобразователь питающей сети, по меньшей мере один полый многогранник-радиатор охлаждения светодиодов выполнен с отверстиями для конвективного теплообмена его внутреннего объема с окружающей средой и находится в тепловом контакте с одним или несколькими дополнительными радиаторами охлаждения, один из которых полностью или частично перекрывает полость, ограниченную стенками вышеуказанного многогранника-радиатора.

Цель достигается и тем, что внутри одного или нескольких полых многогранников-радиаторов аксиально установлен стягивающий элемент – дополнительный радиатор из теплопроводного материала, находящийся в тепловом контакте с одного конца по крайней мере с одной из граней полого многогранника, а с противоположного конца с дополнительным радиатором, выполненным в виде плоского или оребренного элемента, перекрывающего внутреннюю полость многогранника-радиатора и выступающего на периферии с возможностью сопряжения в тепловом контакте с корпусом прибора.

Поставленная задача решается также тем, что грани полого многогранника-радиатора выполнены в виде плоских лепестков – индивидуальных радиаторов охлаждения светодиодов, изогнутых под выбранными углами к продольной оси многогранника с заданной ориентацией в пространстве и разделенных зазорами /отверстиями/ между собой для конвективного теплообмена внутреннего объема лампы или оптического модуля с окружающей средой.

Цель достигается и тем, что несущий мощные светодиоды полый многогранник-радиатор выполнен с кольцевым или лепестковыми элементами на периферии, установленными в тепловом контакте с плоским или оребренным дополнительным радиатором прибора.

Достижению цели способствует и то, что мощные светодиоды с последовательным или параллельно-последовательным подключением между собой распаяны на печатной плате с индивидуальным или групповым шунтированием стабилитронами, которая установлена на внутренней или наружной стороне дополнительного радиатора, перекрывающего внутреннюю полость многогранника-радиатора.

Поставленная задача решается и тем, что электронный преобразователь питающей сети, собранный на отдельной печатной плате, установлен на дополнительном радиаторе охлаждения и залит электроизоляционным компаундом, например керамико-полимерным теплопроводящим диэлектрическим компаундом, с подключением к безвинтовой клеммной колодке, а корпус выполнен из теплопроводного материала и снабжен взрыв-каналами в виде резьбового и/или щелевого лабиринта.

Цель достигается также тем, что дополнительный радиатор охлаждения в виде плоского или оребренного элемента разделяет защищенную оболочку прибора на два изолированных между собой отсека, один из которых, с установленным в нем электронным преобразователем питающей сети с клеммной колодкой, выполнен взрывозащищенным со взрыв-каналами, изготовленными в корпусе прибора.

Один из наиболее предпочтительных вариантов исполнения устройства согласно изобретению показан на чертежах.

Фиг.1. Защищенный световой прибор на мощных светодиодах, вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг.2. То же, что и на фиг.1, вид снизу по стрелке /без колпака/.

Показанный на фиг.1 и 2 защищенный световой прибор содержит защищенную или взрывозащищенную /взрывонепроницаемую/ оболочку, включающую корпус 1, сопряженный с оправкой 2, в которой средствами герметизации 3 уплотнен оптически прозрачный колпак 4.

Оправка 2 с колпаком 4 навинчивается на корпус 1 по резьбе 5, которая может быть выполнена в виде лабиринтового взрыв-канала в комбинации со щелевым, а зона сопряжения защищается эластичным уплотнителем 6, способным выдавливаться при взрыве внутри оболочки прибора в кольцевую балластную полость /не показано/.

Внутри колпака 4 защищенной оболочки установлена лампа или оптический модуль 7 на мощных светодиодах 8, выполненные в виде по меньшей мере одного /для оптического модуля/, двух, трех или более /для лампы/ полых многогранников-радиаторов 9 и 10, например в виде правильно усеченных пирамид из теплопроводного материала на основе сплавов алюминия или меди.

По крайней мере на части граней названных полых многогранников-радиаторов 9 и 10 смонтированы в тепловом контакте /прижатые винтами 11/ мощные светодиоды 8, выбранные, например из серии XLD-AL-001 или XLD-AL-003 на печатных платах с алюминиевым основанием, фирмы Cree Light /США/ /3/, или на мощных отечественных светодиодах типа У-345Бл-2Т, У-140Бл и др. фирмы НПЦ “ОПТЭЛ”, Москва /Россия/ /4/, в металлических транзисторных корпусах /не показано/.

Светодиоды 8 электрически подключены между собой последовательно или параллельно-последовательными цепочками и токоведущими изолированными проводниками 12, в частности на печатной плате 13, с собранными на ней шунтирующими светодиоды стабилитронами 14, и далее к электронному преобразователю /драйверу/ 15 питающей сети.

Цепочка светодиодов 8 может быть непосредственно подключена к драйверу 15 /не показано/.

Один или все полые многогранники-радиаторы 9 и 10 охлаждения светодиодов выполнены с отверстиями 16, например в виде щелей /прорезей/ вдоль ребер усеченных пирамид, для обеспечения конвективного теплообмена внутреннего объема указанных полых многогранников-радиаторов с окружающей средой. Отверстия для этих целей могут быть выполнены на гранях этих многогранников /не показано/.

При этом по крайней мере один /например, нижний на фиг.1/ полый радиатор охлаждения с аксиально установленным светодиодом находится в тепловом контакте с аксиально установленным дополнительным радиатором 17 охлаждения из теплопроводного материала, выполняющим эту функцию за счет соединения его торцевой части винтами 18 с гранью полой усеченной пирамиды 9, на которой собран по меньшей мере один светодиод. Дополнительный радиатор 17 по боковой поверхности находится также в тепловом контакте с гранью полой усеченной пирамиды 10.

В свою очередь противоположный конец дополнительного радиатора 17 установлен в тепловом контакте за счет стягивания винтами 19 еще с одним дополнительным радиатором охлаждения 20, выполненным в виде плоского или оребренного элемента, полностью или частично перекрывающего внутреннюю полость, ограниченную стенками многогранника-радиатора 10.

Вышеуказанный, аксиально установленный внутри одного /для оптического модуля/ или нескольких /для лампы/ полых многогранников 9 и 10 выполнен массивным из теплопроводного материала, служит одновременно для кондуктивного отвода тепла от граней многогранников и в качестве стягивающего элемента между полыми усеченными пирамидами многогранника и дополнительным радиатором 20, выступающим при этом на периферии с возможностью сопряжения в тепловом контакте с корпусом 1 прибора за счет стягивания винтами 21 /см. фиг.2/, обеспечивающим кондуктивный теплоотвод на оребренные стенки корпуса.

В одном из вариантов исполнения светового прибора, как это показано на чертежах, грани полого многогранника-радиатора могут быть выполнены в виде плоских лепестков 22 – индивидуальных радиаторов охлаждения светодиодов, изогнутых под выбранными углами к продольной оси ZZ многогранника с заданной ориентацией в пространстве и разделенных между собой отверстиями 16 в виде зазоров для конвективного теплообмена внутреннего объема лампы или оптического модуля с окружающей средой.

Такое исполнение полого многогранника-радиатора охлаждения светодиодов упрощает технологию производства светового прибора.

Несущий мощные светодиоды многогранник-радиатор 10 может быть выполнен с кольцевым или лепестковыми элементами 23 на периферии /на фиг.2 доказаны лепестковые элементы 23/, установленными при помощи винтов 21 в тепловом контакте с плоским или оребренным дополнительным радиатором 20 прибора.

На перекрывающем внутреннюю полость многогранника дополнительном радиаторе 20, на его внутренней или наружной стороне устанавливают печатную плату 13 с подключенными проводниками 12 светодиодами /цепочками светодиодов/ и стабилитронами 14 с зонами пайки, защищенными теплопроводящим электроизоляционным компаундом.

Во взрывозащищенном варианте исполнения светового прибора электронный преобразователь питающей сети 15 целесообразно выполнить в виде моноблока, залитого электроизоляционным компаундом, например керамико-полимерным теплопроводящим диэлектрическим компаундом с подключением к встроенной безвинтовой клеммной колодке 24. Корпус прибора при этом изготавливают из теплопроводного материала на основе сплава алюминия с кремнием /силумина/ и с выполненными в нем взрыв-каналами /комбинации щелевого по плоскости и лабиринтового типа по резьбе 5/ и по резьбе 25 тупикового или транзитных кабельных вводов 26 с уплотнением 27, выдавливаемым при взрыве внутри прибора.

Взрывозащищенный световой прибор на мощных светодиодах может быть выполнен таким образом, что допонительный радиатор охлаждения 20, т.е. плоский или оребренный элемент разделяет защищенную оболочку прибора на два изолированных между собой отсека, один из которых, с установленным в нем электронным преобразователем 15 и клеммной колодкой 24, выполнен взрывозащищенным со взрыв-каналами 5 и 25, изготовленными в корпусе 1 прибора, а во втором отсеке установлена светодиодная лампа или оптический модуль, выполненные во взрывобезопасном исполнении за счет защиты зон пайки токоведущих проводников 12, сведиодов 8 и стабилитронов 14 на печатной плате 13 электроизоляционным компаундом. В этом случае должна быть предусмотрена герметичная /взрывонепроницаемая/ изоляция разделенных отсеков светового прибора.

Применение несущих светодиоды радиаторов охлаждения с дополнительными радиаторами, обеспечивающими интенсификацию одновременно кондуктивного и конвективного теплообмена зоны тепловыделения многогранника-радиатора и работающих мощных светодиодов с окружающей средой позволяет существенно улучшить теплофизичеекие параметры светового прибора, обеспечить возможность применения более мощных светодиодов /3-5 Вт/, в том числе во взрывозащищенных световых приборах с уменьшенными массогабаритными показателями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Взрывозащищенный световой прибор на светодиодах. Пат. РФ 2251050, кл. F21S 13/14. Бюл. 12. Опубл. 27.04.2005 г.

2. Светосигнальный огонь кругового обзора. Пат. РФ 2153623, кл. F21S 2/00. Бюл. 21. Опубл. 27.07.2000 г.

3. Каталог продукции компании “Прософт”. М., Электронные компоненты, 3, 2007/08, вып. 3, стр.21, 22.

4. Информационные листы фирмы НПЦ “ОПТЭЛ”. Семейство мощных светодиодов белого свечения. М., 2007.

Формула изобретения

1. Защищенный световой прибор на мощных светодиодах, содержащий защищенную оболочку, включающую корпус и оптически прозрачный колпак с установленным внутри оптическим модулем в виде, по меньшей мере, одного полого многогранника-радиатора охлаждения из теплопроводного материала, по крайней мере, на части граней которого смонтированы в тепловом контакте и электрически подключены между собой мощные светодиоды, а также электронный преобразователь питающей сети, отличающийся тем, что по меньшей мере один полый многогранник-радиатор охлаждения светодиодов выполнен с отверстиями для конвективного теплообмена его внутреннего объема с окружающей средой и находится в тепловом контакте с одним или несколькими дополнительными радиаторами охлаждения, один из которых полностью или частично перекрывает полость, ограниченную стенками вышеуказанного полого многогранника-радиатора охлаждения.

2. Защищенный световой прибор по п.1, отличающийся тем, что внутри одного или нескольких полых многогранников-радиаторов охлаждения аксиально установлен стягивающий элемент – дополнительный радиатор охлаждения из теплопроводного материала, находящийся в тепловом контакте с одного конца, по крайней мере, с одной из граней полого многогранника-радиатора охлаждения, а с противоположного конца с дополнительным радиатором охлаждения, выполненным в виде плоского или оребренного элемента, перекрывающего внутреннюю полость полого многогранника-радиатора охлаждения и выступающего на периферии с возможностью сопряжения в тепловом контакте с корпусом прибора.

3. Защищенный световой прибор по п.1, отличающийся тем, что грани полого многогранника-радиатора охлаждения выполнены в виде плоских лепестков – индивидуальных радиаторов охлаждения светодиодов, изогнутых под выбранными углами к продольной оси многогранника с заданной ориентацией в пространстве и разделенных зазорами (отверстиями) между собой для конвективного теплообмена внутреннего объема оптического модуля с окружающей средой.

4. Защищенный световой прибор по п.1, отличающийся тем, что несущий мощные светодиоды полый многогранник-радиатор охлаждения выполнен с кольцевым или лепестковыми элементами на периферии, установленными в тепловом контакте с плоским или оребренным дополнительным радиатором охлаждения прибора.

5. Защищенный световой прибор по п.1, отличающийся тем, что мощные светодиоды с последовательным или параллельно-последовательным подключением между собой распаяны на печатной плате с индивидуальным или групповым шунтированием стабилитронами, которая установлена на внутренней или наружной стороне дополнительного радиатора охлаждения, перекрывающего внутреннюю полость полого многогранника-радиатора охлаждения.

6. Защищенный световой прибор по п.1, отличающийся тем, что электронный преобразователь питающей сети, собранный на отдельной печатной плате, установлен на дополнительном радиаторе охлаждения и залит электроизоляционным компаундом, с подключением к безвинтовой клеммной колодке, а корпус прибора выполнен из теплопроводного материала и снабжен взрыв-каналами в виде резьбового и/или щелевого лабиринта.

7. Защищенный световой прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный радиатор охлаждения в виде плоского или оребренного элемента разделяет защищенную оболочку прибора на два изолированных между собой отсека, один из которых, с установленным в нем электронным преобразователем питающей сети и клеммной колодкой, выполнен взрывозащищенным со взрыв-каналами, изготовленными в корпусе прибора.

РИСУНКИ