(19) UA (11) (13) U (51) МПК ( ) F21S 8/00 F21V 7/00 F21V 29/00

Transcription

1 УКРАЇНА (19) UA (11) (13) U (1) МПК ( ) F21S 8/00 F21V 7/00 F21V 29/00 ДЕРЖАВНА СЛУЖБА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ УКРАЇНИ (12) ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (21) Номер заявки: u (22) Дата подання заявки: (24) Дата, з якої є чинними права на корисну модель: (46) Публікація відомостей про видачу патенту: , Бюл. 13 (72) Винахідник(и): Ніколаєнко Юрій Єгорович (UA), Рассамакін Борис Михайлович (UA), Хайрнасов Сергій Манісович (UA) (73) Власник(и): НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ", пр. Перемоги, 37, м. Київ-6, 0306 (UA) (4) СВІТЛОДІОДНИЙ ОСВІТЛЮВАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ (7) Реферат: Світлодіодний освітлювальний пристрій містить теплові труби з зонами нагріву, транспорту та охолодження. Зона нагріву кожної теплової труби розміщена нижче її зони транспорту. Теплові труби мають перший згин в межах зони транспорту. В межах зони нагріву кожної зігнутої теплової труби з забезпеченням теплового контакту встановлено щонайменше один модуль потужних світлодіодів, що підключені до джерела електроживлення, та щонайменше один прозорий розсіювач світлового потоку, а зони охолодження виконано з розвинутою поверхнею теплообміну. В межах зони транспорту зігнутих теплових труб виконано другий згин, зона охолодження кожної теплової труби спрямована догори від другого згину. Зони охолодження теплових труб розташовано ближче до вертикальної осі світлодіодного освітлювального пристрою, ніж їхні зони нагріву. Зона нагріву кожної теплової труби з відповідним модулем потужних світлодіодів розташована в окремому прозорому розсіювачі світлового потоку.

2

3 Корисна модель належить до світлотехніки, зокрема до освітлювальних пристроїв, що використовуються для освітлення приміщень. Найчастіше в освітлювальних пристроях для освітлення приміщень (люстрах) як джерело світла використовуються лампи розжарювання та компактні люмінесцентні лампи. Основним недоліком перших є високе енергоспоживання, а других - використання сполук ртуті, що створює проблеми при їх утилізації [див. статтю: Прокопенко А.В., Тменов А.Д. Освещение на ультраярких светодиодах - настоящее и будущее // Промелектро, 20 p., 6, с. 8-]. В останні роки як енергоефективні та екологічно чисті джерела світла для освітлювальних пристроїв застосовуються напівпровідникові світлодіоди, що при випромінюванні приблизно однакового світлового потоку споживають у разів менше електричної енергії порівняно з лампами розжарювання [див., наприклад, статтю: Зеленков И.А., Лахтадыр Е.Е., Мокров И.В. Построение систем освещения с использованием светодиодных модулей // Електроніка та системи управління, 20 p., 2 (24), с ], та є екологічно безпечнішими порівняно з люмінесцентними лампами. З метою забезпечення можливості заміни електричних ламп розжарювання в існуючих люстрах світлодіодними лампами, останні, як правило, виконують зовнішньо схожими на традиційні лампи розжарювання, використовуючи для цього цоколь звичайної електричної лампи розжарювання, до якого приєднують електричний перетворювач напруги, світлодіодний модуль та світлоформувач. Основною проблемою в таких світлодіодних лампах є недостатня ефективність відведення теплоти від світлодіодів та перегрів p-n переходів з підвищенням потужності, що значно знижує надійність роботи [див. Мельниченко А. Защита мощных светодиодов от перегрева // Электронные компоненты и системы, 200 р., 12 (0), с ]. Тому світлодіодні лампи додатково оснащують металевими радіаторами, розміщуючи останні між цоколем та світлоформувачем [див., наприклад, патент США US В2, МПК F21V 29/00, опубл р. та статтю: Прорыв в бытовом светодиодном освещении // Світло-люкс, 2011 p., 2, с ]. Обмежені габаритні розміри радіаторів, складність забезпечення надійного теплового контакту світлодіодів з радіатором та низький коефіцієнт тепловіддачі від радіаторів при природній повітряній конвекції значно обмежують потужність відомих світлодіодних джерел світла і, відповідно, світловий потік, що вони випромінюють. Тому можливості їх використання в традиційних люстрах є обмеженими і стримуються невирішеністю проблеми тепловідведення. Відомий світлодіодний освітлювальний пристрій, виконаний у вигляді кришталевої люстри з кристалічними прозорими елементами, змонтованими на каркасі люстри навколо лампи розжарювання, в кожному з яких виконано канал циліндричної форми, а всередині каналу розміщено та закріплено за допомогою прозорого клею напівпровідниковий світлодіод [див. патент США US 7077 В2, МПК F21V 7/04, опубл p.]. Світлові промені від лампи розжарювання та від світлодіодів проходять скрізь кришталеві прозорі елементи, заломлюються та відбиваються в їх тілі, створюючи відповідні світлові ефекти. Недоліком такої люстри є неефективне використання електричної енергії, оскільки основна її частина, що споживається лампою розжарювання, йде на нагрів навколишнього повітря, а використання в люстрі світлодіодів не зменшує цих втрат спожитої електроенергії. Застосування ж потужних світлодіодів як основного джерела світла замість лампи розжарювання в відомій люстрі є неможливим внаслідок важких умов відведення теплоти від них. В підвісній світлодіодній люстрі, що відома з патенту США US В2, МПК F21V 29/00, опубл p., світлодіоди є основним джерелом світла і встановлені з забезпеченням теплового контакту на алюмінієвому монтажному модулі з плоскими поверхнями та відігнутими під кутом до них ребрами охолодження. Монтажний модуль розміщено вертикально всередині розсіювача світлового потоку, виконаного у вигляді підвісного прозорого ковпака. Теплота, що виділяється при роботі світлодіодів люстри, передається за рахунок теплопровідності алюмінієвого монтажного модуля його ребрам охолодження та відводиться від них до повітря під прозорим ковпаком за рахунок природної конвекції. Нагріте повітря виходить з під ковпака назовні скрізь щілинний отвір у верхній частині прозорого ковпака, а замість нього знизу під ковпак надходить більш холодне повітря. Недоліком такої світлодіодної люстри є недостатня ефективність охолодження світлодіодів при підвищенні їх потужності, що обумовлено обмеженістю поверхні теплообміну монтажного модуля під ковпаком та поганими умовами відводу теплоти з під ковпака люстри. Так, при термічному опорі кондуктивної теплопередачі по монтажному модулю 160 C/Вт, характерному для даної конструкції згідно з її детальним описом в згаданому патенті, температура світлодіода перевищить температуру оточуючого середовища на 80 C при потужності світлодіода всього 0, Вт. Як прототип запропонованої корисної моделі вибрано світлодіодний освітлювальний пристрій з модулями потужних світлодіодів і ефективним тепловідведенням на основі теплових 1

4 труб, відомий з патенту США US В2, МПК F21V 29/00, опубл , що містить каркас з дном та бічними стінками, в яких встановлені теплові труби з зонами нагріву, транспорту та охолодження, причому зона нагріву кожної теплової труби розміщена нижче її зони транспорту, теплові труби мають один згин в зоні транспорту, на плоскому торці вертикально розташованої частини кожної зігнутої теплової труби розміщена зона нагріву, на якій за допомогою монтажної плати змонтовано модулі потужних світлодіодів, що підключені до джерела електроживлення, при цьому зони нагріву всіх теплових труб з модулями потужних світлодіодів встановлені в отворах дна каркасу, а своїми світловипромінюючими поверхнями потужні світлодіоди спрямовані донизу та закриті знизу загальним прозорим розсіювачем світлового потоку. Зони охолодження зігнутих теплових труб оснащені поперечними ребрами охолодження, розташовані горизонтально ззовні каркасу та далі від вертикальної вісі світлодіодного освітлювального пристрою, ніж їхні зони нагріву. Завдяки високій теплопровідності теплових труб (еквівалентна теплопровідність теплової труби на декілька порядків вище за теплопровідності таких металів, як срібло, мідь, алюміній тощо (див. Семена М.Г., Зарипов В.К., Гершуни А.Н. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами. - К.: Вища школа, 1984, с. 9), що працюють за високоефективним замкненим випаровувально-конденсаційним циклом, значно підвищується тепловий потік, який можна ефективно (з мінімальним термічним опором) відвести від потужних світлодіодів, встановлених в зонах нагріву теплових труб, до їхніх зон охолодження та закріплених на них поперечних ребер охолодження, а від них - до оточуючого середовища. Оскільки зона нагріву теплових труб розміщена нижче зони транспорту, то поверненню сконденсованого рідкого теплоносія до зони нагріву сприяє сила тяжіння, що не потребує виконання на внутрішній поверхні зон нагріву та транспорту складної капілярної структури, наприклад, металоволоконної, оскільки можна використовувати найпростішу капілярну структуру у вигляді канавок та капілярних каналів. Конструкція прототипу забезпечує ефективне відведення теплоти, дозволяє використовувати в якості джерела світла енергоефективні потужні світлодіоди та забезпечити їх надійну роботу за рахунок забезпечення нормального теплового режиму. Разом з тим, оскільки у відомого світлодіодного освітлювального пристрою з потужними світлодіодами та ефективним тепловідведенням на основі теплових труб (прототипу) всі зони нагріву теплових труб з модулями потужних світлодіодів сконцентровано в загальному дні каркасу у вигляді згрупованого єдиного світлодіодного модуля з потужним світловим потоком, спрямованим донизу, закритого знизу загальним прозорим розсіювачем світлового потоку, то такий освітлювальний пристрій більше придатний для освітлення вулиць і малопридатний для освітлення житлових та громадських приміщень (залів бібліотек, навчальних закладів, дошкільних дитячих закладів тощо), де для більшої рівномірності освітлення приміщення, як правило, використовують освітлювальні пристрої з декількома джерелами світла, встановленими розосереджено навколо вертикальної вісі освітлювального пристрою і розміщеними в окремих розсіювачах світлового потоку. Тому обмеженість застосування відомого світлодіодного освітлювального пристрою-прототипу для освітлення житлових та інших приміщень є суттєвим його недоліком. В основу технічного рішення, поставлено задачу створити такий світлодіодний освітлювальний пристрій з потужними світлодіодами та ефективним тепловідведенням на основі зігнутих теплових труб, зони нагріву яких розміщено нижче зон транспорту, який можна було б використовувати для освітлення житлових та інших приміщень (залів бібліотек, навчальних закладів, дошкільних дитячих закладів тощо) з більш рівномірним розсіюванням світлового потоку в просторі приміщення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в світлодіодному освітлювальному пристрої, що містить теплові труби з зонами нагріву, транспорту та охолодження, причому зона нагріву кожної теплової труби розміщена нижче її зони транспорту, теплові труби мають перший згин в межах зони транспорту, в межах зони нагріву кожної зігнутої теплової труби з забезпеченням теплового контакту встановлено щонайменше один модуль потужних світлодіодів, що підключені до джерела електроживлення, та щонайменше один прозорий розсіювач світлового потоку, а зони охолодження виконано з розвинутою поверхнею теплообміну, в межах зони транспорту зігнутих теплових труб виконано другий згин, зона охолодження кожної теплової труби спрямована догори від другого згину, при цьому зони охолодження теплових труб розташовано ближче до вертикальної осі світлодіодного освітлювального пристрою, ніж їхні зони нагріву, а зона нагріву кожної теплової труби з відповідним модулем потужних світлодіодів розташована в окремому прозорому розсіювачі світлового потоку. Принаймні частина потужних світлодіодів своїми світловипромінюючими 2

5 поверхнями спрямована в різні сторони. Світлодіодний освітлювальний пристрій додатково може містити електровентилятор для примусового обдуву повітрям зон охолодження теплових труб та декоративні елементи для створення естетичного художнього вигляду світлодіодного освітлювального пристрою. Виконання в межах зони транспорту теплових труб другого згину зі спрямуванням зон охолодження догори від нього разом з розташуванням зон охолодження ближче до вертикальної осі світлодіодного освітлювального пристрою, ніж їхніх зон нагріву, та розташуванням зон нагріву кожної теплової труби з відповідним модулем потужних світлодіодів в окремому прозорому розсіювачі світлового потоку у сукупності з іншими суттєвими ознаками дозволяє, на відміну від прототипу, розосередити потужні джерела світла навколо вертикальної осі освітлювального пристрою та підвищити рівномірність освітлення простору приміщення. Суть та принцип дії запропонованого світлодіодного освітлювального пристрою пояснюються кресленнями. На фіг. 1 наведено загальний вигляд світлодіодного освітлювального-пристрою, як приклад, з чотирма розосереджено встановленими в окремих прозорих розсіювачах світлового потоку у вигляді куль модулями потужних світлодіодів; на фіг. 2 - розріз по лінії А-А однієї з теплових труб з встановленим в межах її зони нагріву модулем потужних світлодіодів. Світлодіодний освітлювальний пристрій (див. фіг. 1) містить елементи несучого каркаса 1 та закріплені на ньому теплові труби 2, кожна з яких має зону нагріву 3, зону транспорту 4 та зону охолодження. Зона транспорту 4 кожної теплової труби 2 розташована між її зонами нагріву 3 та охолодження. Зона нагріву 3 кожної теплової труби розміщена нижче її зони транспорту 4. В межах зони транспорту теплової труби виконано перший згин 6 та другий згин 7. Ділянка теплової труби, що спрямована донизу від першого згину 6 закінчується зоною нагріву 3, а ділянка теплової труби, що спрямована догори від другого згину 7 є зоною охолодження кожної теплової труби 2, при цьому зони охолодження теплових труб 2 розташовано ближче до вертикальної осі світлодіодного освітлювального пристрою, ніж їхні зони нагріву 3 (вертикальну вісь світлодіодного освітлювального пристрою на фіг. 1 показано штрихпунктирною лінією). Зони охолодження виконано з розвинутою поверхнею теплообміну у вигляді ребер охолодження 8. Ребра охолодження 8 мають одночасно і декоративне призначення. В межах зони нагріву 3 кожної теплової труби 2 з забезпеченням теплового контакту встановлено щонайменше один модуль 9 потужних світлодіодів. Принаймні частина потужних світлодіодів своїми світловипромінюючими поверхнями спрямовані в різні сторони для підвищення рівномірності освітлення приміщення. Зона нагріву 3 кожної теплової труби 2 з відповідним модулем 9 потужних світлодіодів розташована в окремому прозорому розсіювачі світлового потоку 11, виконаному, наприклад у вигляді кулі. Потужні світлодіоди у межах кожного світлодіодного модуля 9 з'єднані між собою в електричне коло паралельно-послідовно та електрично підключені до джерела електроживлення 12 (електричні проводи з'єднання на кресленнях не показано). Джерело електроживлення 12 виконано, наприклад, у вигляді електронного перетворювача електричної мережі змінного струму напругою 220 В у низьковольтну мережу живлення постійного або імпульсного струму з напругою -20 В. Світлодіодний освітлювальний пристрій містить електровентилятор 13 для примусового обдуву повітрям зон охолодження теплових труб та декоративні елементи 14 для створення естетичного художнього вигляду світлодіодного освітлювального пристрою. На внутрішній поверхні корпусу 1 (див. фіг. 2) теплових труб, принаймні в межах її зони нагріву, виконана найпростіша капілярна структура, наприклад, у вигляді капілярних каналів 16, а корпус теплової труби частково заповнено рідким теплоносієм, корозійно сумісним з матеріалом корпусу теплових труб. При виконанні корпусу теплової труби, наприклад, з алюмінієвого сплаву АД 31 як рідкий теплоносій можуть використовуватися аміак, ацетон, пропіленгліколь, хладон тощо. За допомогою елементів несучого каркаса 1 світлодіодний освітлювальний пристрій підвішується до стелі приміщення. В межах формули даної корисної моделі можливі й інші варіанти виконання світлодіодного освітлювального пристрою для освітлення приміщень. Наприклад, світлодіодний освітлювальний пристрій може мати одну теплову трубу з розгалуженими зонами нагріву і транспорту та загальною або розгалуженими зонами охолодження, що мають загальний паровий простір. В інших варіантах виконання світлодіодний освітлювальний пристрій може мати значну кількість теплових труб, наприклад більше штук, причому зони нагріву певної кількості теплових труб з відповідними модулями потужних світлодіодів можуть бути розміщено по висоті в різних ярусах, утворюючи різноярусні люстри. Теплові труби можуть бути виконані 3

6 також у вигляді термосифонів, тобто не мати капілярної структури на внутрішній поверхні, але при цьому дещо погіршаться теплопередавальні характеристики теплових труб. Розсіювачі теплового потоку можуть бути виконані у вигляді квітки, купола, полум'я свічки тощо. Робота запропонованого світлодіодного освітлювального пристрою здійснюється наступним чином. При включенні світлодіодного освітлювального пристрою у електричну мережу електрична напруга подається на джерело електроживлення 12, що живить потужні світлодіоди кожного модуля 9. Потужні світлодіоди випромінюють світловий потік. Оскільки світловипромінюючі поверхні принаймні частини потужних світлодіодів спрямовані в різні сторони, то надалі світловий потік від них, сформований розсіювачами світлового потоку 11, виконаними у вигляді куль, випромінюється у приміщення у всі сторони з високим ступенем рівномірності. Теплота, що виділяється при цьому в p-n переходах потужних світлодіодів кожного модуля 9, передається завдяки теплопровідності до зони нагріву 3 відповідної теплової труби 2 і нагріває її корпус 1 (фіг. 2) в зоні нагріву. Рідкий теплоносій, що знаходиться в капілярних каналах 16 на внутрішній поверхні корпусу 1 теплової труби в зоні нагріву, починає випаровуватися або кипіти (в залежності від густини теплового потоку), інтенсивно поглинаючи при цьому підведену теплоту. Пара теплоносія надходить в зону охолодження відповідної теплової труби і конденсується на її внутрішній поверхні, віддаючи теплоту корпусу теплової труби та ребрам охолодження 8, що з'єднані з її корпусом в межах зони охолодження та обдуваються електровентилятором 13. Оскільки зона нагріву теплових труб розміщена нижче зони транспорту, то поверненню сконденсованого рідкого теплоносія до зони нагріву сприяє сила тяжіння, і конденсат теплоносія, завдяки дії сили тяжіння та капілярних сил, повертається по капілярних каналах 16 в зону нагріву і цикл випаровування-конденсації повторюється. Теплота від зон охолодження теплових труб, їхніх ребер охолодження 8 ефективно відводиться в оточуюче середовище завдяки примусовій конвекції повітря, створеної електровентилятором 13. Таким чином забезпечується нормальний тепловий режим потужних світлодіодів та надійна робота світлодіодного освітлювального пристрою. Запропоноване технічне рішення дозволяє, на відміну від прототипу, забезпечити освітлення житлових та громадських приміщень (залів бібліотек, навчальних закладів, дошкільних дитячих закладів тощо) та підвищити при цьому рівномірність їх освітлення. Так, виконання в межах зони транспорту теплових труб другого згину зі спрямуванням зон охолодження догори від нього разом з розташуванням зон охолодження ближче до вертикальної осі світлодіодного освітлювального пристрою, ніж їхніх зон нагріву, та розташуванням зон нагріву кожної теплової труби з відповідним модулем потужних світлодіодів в окремому прозорому розсіювачі світлового потоку у сукупності з іншими суттєвими ознаками дозволяє, на відміну від прототипу, розосередити потужні джерела світла в просторі та підвищити рівномірність розсіювання потужного світлового потоку, що дозволяє використовувати запропонований світлодіодний освітлювальний пристрій для енергоефективного освітлення житлових та громадських приміщень (залів бібліотек, навчальних закладів, дошкільних дитячих закладів тощо). Енергоефективність запропонованого пристрою можна проілюструвати наступним прикладом. Наприклад, при потужності одного світлодіоду 6 Вт і кількості світлодіодів у модулі 8 шт потужність одного модуля складає 48 Вт, а світлодіодного освітлювального пристрою з чотирма світлодіодними модулями Вт, що еквівалентно світловому потоку від ламп розжарювання потужністю 1920 Вт. Таким чином, у порівнянні з люстрами, в яких як джерела світла використовуються традиційні лампи розжарювання, запропонований світлодіодний освітлювальний пристрій при випромінюванні еквівалентного світлового потоку, споживає електричну потужність на 1728 Вт менше. Таким чином, запропонований світлодіодний освітлювальний пристрій є промислово придатним і забезпечує більш рівномірне енеогоефективне освітлення житлових та інших приміщень. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Світлодіодний освітлювальний пристрій, що містить теплові труби з зонами нагріву, транспорту та охолодження, причому зона нагріву кожної теплової труби розміщена нижче її зони транспорту, теплові труби мають перший згин в межах зони транспорту, в межах зони нагріву кожної зігнутої теплової труби з забезпеченням теплового контакту встановлено щонайменше один модуль потужних світлодіодів, що підключені до джерела електроживлення, та щонайменше один прозорий розсіювач світлового потоку, а зони охолодження виконано з розвинутою поверхнею теплообміну, який відрізняється тим, що в межах зони транспорту 4

7 зігнутих теплових труб виконано другий згин, зона охолодження кожної теплової труби спрямована догори від другого згину, при цьому зони охолодження теплових труб розташовано ближче до вертикальної осі світлодіодного освітлювального пристрою, ніж їхні зони нагріву, а зона нагріву кожної теплової труби з відповідним модулем потужних світлодіодів розташована в окремому прозорому розсіювачі світлового потоку. 2. Світлодіодний освітлювальний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що принаймні частина потужних світлодіодів своїми світловипромінюючими поверхнями спрямована в різні сторони. 3. Світлодіодний освітлювальний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить електровентилятор для примусового обдуву повітрям зон охолодження теплових труб та декоративні елементи для створення естетичного художнього вигляду світлодіодного освітлювального пристрою.

8 Комп ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 4, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП Український інститут промислової власності, вул. Глазунова, 1, м. Київ 42,