ITTO20080857A1 - Sorgente luminosa a led - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SORGENTE LUMINOSA A LED”

La presente invenzione è relativa ad una sorgente luminosa a Led.

Nel campo dell’illuminazione mediante led è noto l’utilizzo di sorgenti luminose comprendenti uno o più led ciascuno dei quali comprende una struttura di supporto, un dispositivo integrato elettroluminescente, nel seguito indicato con il termine di “chip”, presentante contatti elettrici sporgenti all’esterno della stessa struttura di supporto e protetto da una massa di resina epossidica. Il chip e la resina epossidica sono alloggiati in un involucro esterno permeabile alla luce e realizzato in materiale plastico.

Le sorgenti note del tipo sopra descritto, sebbene utilizzate, sono sempre limitate in potenza in quanto la specifica struttura ed i materiali utilizzati non permettono di dissipare oltre certi limiti il calore generato dal funzionamento del dispositivo integrato.

Surriscaldamenti e, quindi, elevate escursioni termiche di funzionamento, devono essere accuratamente evitati ed inibiti anche per il fatto che le resine epossidiche hanno un coefficiente di dilatazione in genere molto diverso dal materiale utilizzato per la realizzazione del chip e, quindi, in presenza di elevate escursioni termiche, ad esempio per applicazioni all’esterno, vengono a generarsi tra le varie parti tensioni che influenzano il funzionamento dello stesso chip che, pertanto, può risultare essere, nel tempo, danneggiato dalla stessa resina epossidica, anziché protetto.

Tali tipologie di sorgenti sono note come sorgenti “a bassa potenza” e vengono pertanto utilizzate prevalentemente in applicazioni di segnalazione.

Il problema della dissipazione del calore prodotto viene in parte risolto dalla sorgenti led cosiddette ad “alta potenza”, nelle quali alla struttura di supporto è associato un elemento scambiatore di calore, normalmente in lega di alluminio e, in alcuni casi, collegato ad un impianto di raffreddamento.

Nelle sorgenti luminose ad alta potenza, la protezione del chip spesso viene migliorata prevedendo all’esterno del suddetto involucro un secondo involucro e riempiendo lo spazio compreso tra i due involucri sempre mediante una resina epossidica. Tale modalità costruttiva, se, da un lato, irrigidisce o rinforza la sorgente luminosa, comporta, dall’atro, una o più deviazioni del fascio luminoso emesso dal chip durante l’attraversamento delle superfici di interfaccia tra gli involucri e le resine epossidiche.

Le sorgenti note, proprio per la presenza dell’elemento scambiatore e dell’eventuale circuito di raffreddamento dell’elemento scambiatore stesso, presentano, poi, elevati ingombri trasversali che determinano le dimensioni finali delle sorgenti luminose a led. Tentativi di riduzione degli ingombri utilizzando tecniche di miniaturizzazione dei diversi componenti hanno portato alla realizzazione di sorgenti luminose che, a fronte di costi particolarmente elevati, generano, comunque, problemi di surriscaldamento tutt’altro che trascurabili. E che di fatto impediscono la miniaturizzazione o l’incremento della potenza dissipabile dal dispositivo.

Ulteriormente il fatto di avere un unico elemento scambiatore e/o dell’eventuale circuito di raffreddamento dell’elemento scambiatore stesso può comportare impedimenti di posizionamento della sorgente luminosa.

Scopo della presente invenzione è quella di realizzare una sorgente luminosa a led, la quale consenta di risolvere in maniera semplice ed economica i problemi sopra esposti.

Secondo la presente invenzione viene realizzata una sorgente luminosa a led comprendente almeno un gruppo emettitore a led ed un involucro esterno di alloggiamento del detto gruppo emettitore; il gruppo emettitore comprendendo una struttura di supporto ed almeno un dispositivo integrato elettroluminescente atto ad emettere un fascio luminoso, caratterizzato dal fatto che il detto involucro alloggia un liquido refrigerante trasparente.

Preferibilmente, nella sorgente luminosa sopra definita il liquido refrigerante è un liquido polidimetilsiliconico presentante, convenientemente, una conduttività termica variabile tra 0.10 e 0.20 W|(mK) ed un fattore di dissipazione a 25° e 50 Hz variabile tra 0.00009 e 0,00015.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

la figura 1 illustra schematicamente, in elevazione laterale, una preferita forma di attuazione della sorgente a led secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una figura analoga alla figura 1 ed illustra una variante di un particolare della figura 1; e la figura 3 illustra in elevazione laterale e sostanzialmente a blocchi una ulteriore variante della sorgente luminosa secondo la presente invenzione.

Nella figura 1, con 1 è indicata, nel suo complesso, una sorgente luminosa a Led.

Nel particolare esempio descritto, la sorgente 1 comprende un gruppo emettitore 2 a led meccanicamente connesso ad un blocco 8 di materiale termicamente dissipativo, di per sé noto, per dissipare parte dell’energia termica prodotta dallo stesso gruppo emettitore 2.

A loro volta, il gruppo emettitore 2 ed il blocco 8 sono connessi alla struttura di supporto 3 che può essere costituita da un corpo di materiale dielettrico.

Il gruppo emettitore 2 comprende, poi, almeno due differenti elettrodi 7A e 7B collegati al gruppo emettitore 2 e sporgenti all’esterno della struttura di supporto 3.

Tali elettrodi hanno lo scopo di collegare elettricamente il gruppo emettitore 2 alla sorgente esterna di potenza al dispositivo.

Sempre con riferimento alla figura 1, la sorgente luminosa 1 comprende, inoltre, un involucro esterno 10 stagno di copertura e protezione del gruppo emettitore 2. L’involucro esterno 10 si appoggia alla struttura di supporto 3 di materiale dielettrico circondante il blocco 8 di materiale termicamente dissipativo.

L’involucro esterno 10 è realizzato da un corpo tubolare 13 cilindrico nel quale, una porzione terminale è accoppiata alla struttura di supporto 3 a tenuta di fluido e la porzione terminale libera opposta, la quale delimita una apertura assiale 14 chiusa, sempre a tenuta di fluido, è accoppiata ad un corpo 15 permeabile alla luce. Il corpo 15 permeabile alla luce è, convenientemente, costituito da un comune corpo trasparente o colorato. Alternativamente, il corpo 15 è costituito da una lente mono o plurifocale trasparente o colorata o da un insieme di lenti per convergere o diffondere e, in generale, modificare sia geometricamente, che cromaticamente il fascio luminoso emesso dal gruppo emettitore 2.

Il corpo tubolare 13 può anche assolvere alla funzione di scambiatore di calore se è realizzato con materiale termicamente dissipativo, convenientemente una lega di alluminio.

Altrimenti l’incremento della capacità refrigerante del dispositivo è affidata esclusivamente all’incremento di superficie di scambio termico tra il gruppo emettitore 2 e il blocco 8 che ora non risulta essere solo la superficie a contatto tra il gruppo emettitore 2 e il blocco 8 ma anche quella tra il blocco 8 e il liquido refrigerante.

L’involucro 13, unitamente alla struttura di supporto 3 definisce una camera stagna 16, nella quale è disposto un liquido refrigerante avente un aspetto cristallino e quindi un’ottima permeabilità alla luce. Preferibilmente, il liquido refrigerante è un liquido polidimetilsiliconico presentante una conduttività termica variabile tra 0.10 e 0.20 W|(mK), un fattore di dissipazione a 25° e 50 Hz variabile tra 0.00009 e 0,00015, una temperatura di combustione maggiore di 350° ed un potere calorifico basso rispetto ad altri liquidi isolanti di classe K.

Nella variante illustrata nella figura 2, l’involucro esterno 10 alloggia anche uno strato 18 di resina, convenientemente, ma non necessariamente, di tipo epossidico, disposta a copertura del gruppo emettitore 2, di parte della struttura di supporto 3 e di parte del blocco 8, così da isolare completamente il gruppo emettitore 2 stesso dal liquido polidimetilsiliconico.

Questa variante può essere vantaggiosa qualora si desideri realizzare dei gruppo emettitore 2 molto robusti alle vibrazioni e nel contempo migliorare le capacità di scambio termico del blocco 8 che risulta essere raffreddato non soltanto nella sua parte posteriore ma anche dalla parte a contatto con il liquido refrigerante.

La forma di realizzazione illustrata nella figura 3, è relativa ad una sorgente luminosa 20, la quale comprende una pluralità di gruppi emettitori 2 provvisti o meno dello strato di resina epossidica e disposti in modo da essere a contatto con la parete 21 di base di un involucro stagno 22 in posizioni fra loro accostate.

Oltre alla base, l’involucro stagno 22 comprende, inoltre un corpo tubolare 23 comune realizzato dello stesso materiale del corpo tubolare 13 e, come il corpo tubolare 13, è chiuso, frontalmente, da un corpo 24 permeabile alla luce realizzato allo stesso modo del corpo 15. L’involucro stagno 22 delimita una camera stagna 25 riempita completamente o almeno parzialmente con lo stesso liquido refrigerante ospitato nell’involucro 10.

Sperimentalmente si è potuto constatare che l’utilizzo di un fluido refrigerante in sostituzione o unitamente alle tradizionali resine epossidiche disposte nell’intorno del gruppo emettitore 2 ed all’interno dell’involucro di protezione permette di aumentare lo scambio termico con l’esterno e quindi la dissipazione del calore generato dal gruppo emettitore 2 ed, inevitabilmente di incrementare la potenza della sorgente luminosa.

Oltre che per effetto del liquido refrigerante, lo scambio termico con l’esterno è enormemente agevolato e amplificato anche dalle caratteristiche realizzative del o degli involucri esterni 10 e 22, i quali, a differenza degli involucri delle soluzioni note, possono, per la maggior parte, essere realizzati con materiali altamente dissipativi, quali sono i materiali metallici, in generale, e le leghe di alluminio, in particolare. Utilizzando involucri esterni con pareti metalliche, la superficie termicamente dissipativa diventa più che doppia rispetto alle attuali soluzioni realizzative e questo consente di innalzare sensibilmente la potenza delle attuali sorgenti luminose a led, indipendentemente dal fatto che queste siano del tipo ad alta o a bassa potenza.

Per quanto concerne, invece, il fascio luminoso emesso da ciascuno dei gruppi emettitore 2, è da rilevare che la presenza del liquido refrigerante utilizzato non costituisce assolutamente un ostacolo alla propagazione delle onde luminose, soprattutto se questo appartiene alla famiglia dei liquidi polidimetilsiliconici, i quali associano ad una elevata conducibilità termica un aspetto perfettamente cristallino.

Sempre per quanto riguarda la propagazione delle radiazioni luminose è, poi, da rilevare che queste, sempre rispetto alle soluzioni note, nelle sorgenti 1 e 20 descritte sono agevolate dall’assenza di interfacce di rifrazione, qualora nel relativo involucro esterno 10,22 sia presente unicamente la massa di liquido refrigerante, mentre la distribuzione del fascio luminoso di uscita, il suo colore e la sua tonalità cromatica sono immediatamente realizzabili variando la tipologia dei corpi di chiusura dei corpi tubolari metallici 13 e 23 oppure introducendo un liquido opportunamente colorato.

Per quanto riguarda, infine, gli ingombri, è da rilevare che la presenza del liquido refrigerante permette di aumentare la potenza della sorgente luminosa a parità di ingombro della sorgente luminosa stessa, ossia a parità di dimensioni dell’involucro esterno, ma soprattutto permette di disporre più gruppi emettitori 2 in posizioni accostate in quanto il liquido refrigerante in cui sono immersi, unitamente al relativo involucro di contenimento comune è in grado di dissipare agevolmente il calore generato dai diversi gruppi emettitori 2 anche se questi sono disposti accostati l’uno all’altro e, in alcuni casi, anche se privi dei rispettivi tradizionali scambiatori termici.

Da quanto precede appare evidente come alle sorgenti luminose 1 e 20 descritte possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo definito dalla rivendicazione 1.

In particolare, il liquido refrigerante descritto potrebbe essere diverso da quello indicato a titolo di esempio ma sempre caratterizzato da elevate capacità refrigeranti e contraddistinto da un aspetto cristallino.

Diverso da quello indicato potrebbe essere anche il materiale metallico utilizzato per la realizzazione degli involucri esterni 10 e 22.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Sorgente luminosa a led comprendente almeno un gruppo emettitore a led atto ad emettere un fascio luminoso; ed un involucro esterno di alloggiamento del detto gruppo emettitore; caratterizzato dal fatto che il detto involucro alloggia un liquido refrigerante. 2.- Sorgente secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto liquido refrigerante è un liquido polidimetilsiliconico. 3.- Sorgente luminosa secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che il detto liquido refrigerante presenta una conduttività termica variabile tra 0.10 e 0.20 W|(mK). 4.- Sorgente luminosa secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzata dal fatto che il detto liquido refrigerante presenta un fattore di dissipazione a 25° e 50 Hz variabile tra 0.00009 e 0,00015. 5.- Sorgente luminosa secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzata dal fatto che il detto liquido refrigerante presenta una temperature di combustione maggiore di 350° 6.- Sorgente secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il detto involucro esterno è realizzato, almeno in parte, di materiale termicamente dissipativo. 7.- Sorgente secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che il detto involucro esterno comprende almeno una porzione dissipativa in lega di alluminio. 8.- Sorgente secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno un ulteriore dispositivo integrato elettroluminescente alloggiato nel detto involucro esterno ed almeno parzialmente annegato nel detto fluido refrigerante. 9.- Sorgente secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere una massa di resina epossidica disposta a contatto del detto liquido refrigerante. 10.- Sorgente secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi a lente disposti a chiusura del detto involucro esterno per focalizzare/uniformare il fascio luminoso emesso da ciascun dispositivo integrato elettroluminescente alloggiato nel detto involucro esterno. 11.- Uso di un liquido elettricamente isolante e refrigerante all’interno di un involucro stagno di una sorgente luminosa a led comprendente almeno un gruppo emettitore a led atto ad emettere un fascio luminoso. 12.- Uso di un liquido polidimetilsiliconico all’interno di un involucro stagno di una sorgente luminosa a led comprendente almeno un gruppo emettitore a led atto ad emettere un fascio luminoso.