ITVI20080177A1 - Struttura di lampada a led con circuito elettronico interno perfezionata - Google Patents

Description

STRUTTURA DI LAMPADA A LED CON CIRCUITO ELETTRONICO INTERNO PERFEZIONATA.

DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda un corpo illuminante che utilizza come sorgente di luce uno o più LED ad alta potenza, particolarmente adatto sia per la dissipazione del calore prodotto dai LED durante il loro funzionamento, sia per la realizzazione dell'isolamento elettrico dei componenti che lo costituiscono.

E' noto che negli ultimi decenni l'utilizzo della luce artificiale e quindi la richiesta di dispositivi atti alla realizzazione di tale luce à ̈ cresciuto esponenzialmente in tutti gli ambienti: privato, pubblico, commerciale e industriale. Perciò la tendenza generale à ̈ quella di realizzare sistemi di illuminazione che permettano di ottenere un'elevata efficienza funzionale e contemporaneamente una notevole riduzione dei consumi energetici, che conseguentemente porta ad una riduzione dell'inquinamento ambientale.

E' altrettanto noto, infatti, che fino a pochi anni fa la tecnologia più diffusa a disposizione per la generazione di luce artificiale consisteva nella realizzazione di lampade ad incandescenza, oggi considerate obsolete e da sempre inefficienti.

Con tale tecnica, infatti, la luce à ̈ generata dal passaggio di un'elevata corrente in un filamento di tungsteno, che diventa incandescente emettendo, di conseguenza, luce (in tutte le direzioni). Il difetto di questo sistema consiste nel fatto che solo il 10% della corrente elettrica viene convertita in energia luminosa, il restante 90% viene dissipato in calore.

Inoltre, la vita media di questa tipologia di dispositivi di illuminazione à ̈ limitata e perciò anche se il costo di una singola lampadina ad incandescenza à ̈ basso, la loro frequente usura e rottura innalza notevolmente la spesa dei complessivi apparati di illuminazione presenti nei vari ambienti pubblici e privati.

Per poter superare queste inefficienze del sistema di illuminazione basato sulla tecnica ad incandescenza, à ̈ noto che si à ̈ cercato di indirizzare le nuove tecnologie sul concetto del basso consumo e tale idea ha portato allo sviluppo delle lampade fluorescenti compatte, chiamate in gergo tecnico “CFL (compact fluorescent lamps)†.

In particolare, le lampade fluorescenti consistono in un sottile tubo di vetro riempito di vapori di argon e mercurio. Il tubo à ̈ sigillato alle estremità con elettrodi metallici ricoperti di ossido alcalino in grado di rilasciare facilmente elettroni. Quando la corrente viene fatta fluire tra gli elettrodi, attraversa i gas ionizzandoli e di conseguenza il tubo fluorescente emette radiazioni ultraviolette.

A questo punto, la superficie interna del tubo essendo rivestita con sostanze fosforescenti, tipicamente come silicati di zinco o tungstati di magnesio, assorbe le radiazioni ultraviolette e reirradia energia come radiazione luminosa visibile.

Svantaggiosamente, questa tipologia di lampade funziona finché lo strato di ossido alcalino sugli elettrodi non si esaurisce.

Quindi, anche in questo caso l'efficienza funzionale della lampadina di tipo CFL Ã ̈ limitata nel tempo.

Infatti, nonostante la vita di tali tipologie di lampadine sia superiore a quella garantita dalle lampadine ad incandescenza, essa à ̈ pur sempre limitata in un intervallo che va dalle 6000 alle 15000 ore di funzionamento.

Inoltre, tali dispositivi presentano altri svantaggi non sottovalutabili che ora andremo ad elencare rapidamente.

Prima di tutto, per poter accendere le lampade a basso consumo a fluorescenza à ̈ necessario fornire una tensione di innesco di circa 800 V, la quale deve essere opportunamente fornita da un circuito elettronico composto da un trasformatore ed un interruttore automatico posto a bordo della lampada stessa.

Perciò in questo caso si evidenzia un primo problema dovuto a questa elevata tensione di spunto da fornire all'avvio e un ulteriore problema legato alla dimensione che le lampadine a fluorescenza devono assumere per poter contenere tale apparato di pilotaggio.

Infine, un ulteriore problema da non sottovalutare à ̈ il fatto che questi dispositivi di illuminazione contengono mercurio, perciò, una volta fuori uso, il loro smaltimento risulta difficoltoso e pericoloso.

Si à ̈ cercato perciò, negli ultimi anni, di trovare una differente strada per risolvere il problema dell'efficienza e del basso consumo.

La tendenza attuale à ̈ quella di utilizzare lampadine costituite da un elemento elettronico già noto nel passato, ma che non era ancora stato sfruttato opportunamente a tale scopo.

Tali elementi elettronici sono i “LED†(“Light Emitting Diode†), i quali permettono di ottenere numerosi vantaggi rispetto alle tecniche alternative dell'arte nota.

Uno dei principali vantaggi che ha portato all'utilizzo dei LED per la realizzazione di dispositivi di illuminazione à ̈ il fatto che, a differenza delle lampade ad incandescenza o delle CFL, tali elementi elettronici convertono in energia luminosa quasi la totalità dell'energia elettrica fornita loro.

Inoltre, i LED, grazie alla loro conformazione fisica, consentono di emettere la luce in un'unica direzione senza l'utilizzo di lenti o diffusori, aumentandone l'efficienza e diminuendo i costi di realizzazione.

Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che il periodo temporale in cui i LED funzionano al loro valore nominale à ̈ notevolmente superiore rispetto a quello garantito dai dispositivi di differente tecnologia, descritti in precedenza.

Per quanto riguarda queste ultime tipologie di lampadine a LED, sono note differenti strutture di realizzazione, tra cui quella descritta nella domanda di brevetto US 2006/0232974, che presenta una lampada a LED comprendente una struttura interna di dissipazione alla cui estremità superiore sono posti i LED stessi.

Tale struttura di dissipazione, Ã ̈ contenuta all'interno di una seconda struttura in plastica che ha l'unico scopo di creare un isolamento dei componenti interni e di costituire la conformazione esterna del dispositivo stesso.

Questa lampadina poi comprende un bulbo che ricopre superiormente i LED e una virola posta al di sotto della struttura di dissipazione interna.

Il principale problema di questa tipologia di lampade à ̈ costituito dal fatto che sono composte da LED con capacità di illuminazione limitata, non in grado di ottenere valori paragonabili a quelle di una classica lampadina ad incandescenza o a CFL, neppure collegando in serie o in parallelo più LED tra loro in modo da formare una batteria. E' noto che per superare questo inconveniente, negli ultimi tempi, al posto dei LED di tipo standard si tende ad utilizzare LED ad alta potenza, chiamati in gergo tecnico “HIGH POWER LED".

Infatti, à ̈ noto che due o tre di questi elementi di illuminazione ad alta potenza presentano una capacità di illuminazione paragonabile all'efficienza illuminativa delle lampade realizzare con le tecniche note descritte in precedenza.

A questo punto, le strutture delle lampade a LED dell'arte nota e in particolare quella presentata dal brevetto US 20065/0232974 descritto in precedenza, non garantiscono il funzionamento dei suddetti LED ad alta potenza.

In particolare, la struttura descritta in precedenza non à ̈ in grado di dissipare in maniera efficace il calore prodotto dai LED ad alta potenza ed inoltre non à ̈ in grado di isolare elettricamente in maniera soddisfacente gli stessi LED e l'elettronica necessaria per il loro pilotaggio dall'ambiente esterno.

Questo comporta l'inconveniente che il funzionamento al valore nominale di questi LED ad alta potenza sia limitato nel tempo e la vita dei LED stessi risulti essere inferiore rispetto a quella che effettivamente viene garantita dalle case produttrici.

La presente invenzione intende eliminare gli inconvenienti sopra elencati.

Un primo scopo dell'invenzione consiste nel realizzare un corpo illuminante dotato di LED ad alta potenza capace di dissipare la quantità di calore prodotta dagli stessi LED, ottenendo una capacità di illuminazione equivalente a quella dei dispositivi illuminanti del tipo noto.

Un ulteriore scopo dell'invenzione à ̈ la realizzazione di un corpo illuminante con un maggior grado di isolamento a livello elettrico dei LED ad alta potenza e dell'elettronica di pilotaggio dei suddetti LED dall'ambiente esterno, rispetto ai dispositivi LED di illuminazione dell'arte nota.

Non ultimo scopo à ̈ la realizzazione di un corpo illuminante che permetta una maggiore robustezza della sua struttura rispetto ai dispositivi dell'arte nota .

Gli scopi detti sono raggiunti da un corpo illuminante avente le caratteristiche secondo la rivendicazione principale.

Ulteriori caratteristiche del corpo illuminante dell'invenzione vengono descritte nella rivendicazioni dipendenti.

Vantaggiosamente, la realizzazione del corpo illuminante dell'invenzione consente di garantire la durata del funzionamento nel tempo dei LED ad alta potenza secondo la loro tipica emissione di luce.

Conseguentemente, un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che c'à ̈ un notevole risparmio energetico in quanto la luce emessa dalla pluralità dei LED consuma notevolmente meno energia per ottenere la stessa luce delle lampade sia ad incandescenza che CFL.

Gli scopi ed i vantaggi detti verranno meglio evidenziati durante la descrizione di una preferita forma di esecuzione dell'invenzione che viene data al seguito a titolo indicativo e non limitativo facendo riferimento alle allegate tavole di disegno ove:

- la fig. 1 rappresenta una vista assonometrica del corpo illuminante dell'invenzione con due differenti tipologie di bulbo;

- la fig. 2 rappresenta la sezione secondo un piano verticale della struttura del corpo illuminate dell'invenzione seconda una prima forma esecutiva;

- la fig. 3 rappresenta la sezione secondo un piano verticale della struttura del corpo illuminate dell'invenzione seconda una seconda forma esecutiva;

- la fig. 4 rappresenta la sezione secondo un piano verticale della struttura del corpo illuminate dell'invenzione seconda una terza forma esecutiva.

Il corpo illuminante dell'invenzione à ̈ rappresentato nella interezza nelle figg. 1 e 2, ove à ̈ indicato con 1.

Si osserva in fig. 2, che esso comprende una struttura tubolare interna 2 costituita da materiale termo-conduttore e elettro- isolante. Nella particolare forma esecutiva qui descritta il materiale in questione à ̈ allumina al 98%.

In differenti realizzazioni, il materiale che costituisce la struttura tubolare interna 2 può essere allumina in una percentuale diversa da quella citata in precedenza o può essere costituita da un altro materiale, ma con caratteristiche equivalenti, ad esempio materiali plastici termo conduttivi e isolanti elettricamente.

Nella particolare forma esecutiva qui descritta e rappresentata in fig.

2, la struttura tubolare interna 2 presenta una prima estremità 3 chiusa tramite una prima parete trasversale fissa 31 e una seconda estremità 4, opposta alla prima, completamente aperta, in modo da permettere la comunicazione tra la cavità interna 5 della struttura tubolare 2 e l'esterno.

In una seconda forma esecutiva, rappresentata in fig. 3, la struttura tubolare interna 2 non prevede una parete trasversale fissa in corrispondenza della prima estremità 3, ma presenta una seconda parete trasversale fissa 41 , in corrispondenza della seconda estremità 4.

Infine, una terza esecuzione non prevede né una prima parete trasversale fissa in corrispondenza della prima estremità 3 né una seconda parete, in corrispondenza della seconda estremità 4, rendendo accessibile la cavità interna 5 della struttura tubolare 2 da entrambe le parti, come si può notare dalla fig. 4.

Per quanto riguarda in generale il corpo illuminante 1 dell'invenzione, esso comprende, inoltre, uno o più LED 6 associati alla prima estremità 3 della struttura tubolare interna 2.

In particolare, il o i LED 6 sono applicati ad un circuito stampato (PCB) 7, il quale a sua volta à ̈ associato alla prima estremità 3 della struttura tubolare interna 2, come descritto in precedenza.

Nella specifica forma esecutiva qui descritta, il o i LED 6, utilizzati per la realizzazione del corpo illuminate 1 , sono LED ad alta potenza con una capacità di illuminazione molto superiore rispetto ai LED di tipo standard.

Non à ̈ escluso comunque, che in differenti esecuzioni non descritte, il corpo illuminante 1 sia dotato di differenti tipologie di LED.

Per il pilotaggio del o dei LED 6 ad alta potenza suddetti, all'interno della struttura tubolare interna 2 Ã ̈ presente un Circuito di controllo elettronico 8 che regola la corrente in maniera fissa e costante.

Preferibilmente ma non necessariamente, nella forma esecutiva qui descritta, il circuito di controllo 8 non necessita di un trasformatore per il pilotaggio della pluralità di LED 6, per cui le sue dimensioni sono piuttosto esigue e si adattano in maniera adeguata allo spazio ricavato all'interno della struttura tubolare interna 2.

In corrispondenza della seconda estremità 4 della struttura tubolare interna 2, opposta alla suddetta prima estremità 3, à ̈ presente una virola 9 connessa elettricamente con il circuito di controllo 8.

L'associazione tra la virola 9 e la struttura tubolare interna 2 avviene tramite un supporto di materiale isolante elettricamente 10, come si osserva in fig.2, in modo da garantire un isolamento elettrico univoco dei i due elementi sopracitati

Preferibilmente ma non necessariamente, nella forma esecutiva qui descritta il materiale isolante elettricamente 10 à ̈ realizzato in plastica Ulteriormente, il corpo illuminante 1 comprende un manicotto 11 , che viene disposto esteriormente alla struttura tubolare interna 2, in modo da definire in corrispondenza della prima estremità 3 della stessa struttura tubolare interna 2, un alloggiamento anulare 12 in cui viene accolta l'estremità inferiore 131 di un bulbo 13.

La funzione del bulbo 13 à ̈ quelle di ricoprire e proteggere la pluralità di LED 6 e di fare da ottica alla luce dei LED.

Tale bulbo 13, nella preferita forma esecutiva qui descritta, Ã ̈ costituito da materiale vetroso.

Non à ̈ escluso che in altre forme esecutive, il bulbo 13 possa essere realizzato con altri materiali, come per esempio in materiali plastici. Ancora, il bulbo 13 nella forma esecutiva qui descritta e rappresentata in fig. 1 , à ̈ di tipo così detto “Reflector†13b, il bulbo subisce un trattamento superficiale di metallizzazione nella metà inferiore tale da aumentare la rifrazione della luce e di conseguenza il flusso luminoso dei LED, il che significa che la luce emessa dai LED 6 non viene filtrata dalla metallizzazione nella parte inferiore, ma lo oltrepassa nella parte superiore, che subisce un trattamento di satinatura, arrivando direttamente all'oggetto posto di fronte.

In alternativa, possono essere applicati bulbi di tipo “Satinato†13a, dove il bulbo subisce un trattamento superficiale completo di satinatura per aumentare la diffusione della luce, emanata dagli stessi LED.

Tali trattamenti superficiali sui bulbi 13 migliorano l'efficienza luminosa emessa dal o dai LED 6.

Secondo l'invenzione, il manicotto 11 Ã ̈ realizzato in materiale termicamente conduttore che, nella particolare forma esecutiva qui descritta, corrisponde ad allumino.

Non à ̈ escluso che in diverse forme esecutive tale materiale possa essere differente dall'alluminio, purché presenti le medesime caratteristiche di temoconducibilità.

Inoltre, sempre secondo l'invenzione, il manicotto 11 esterno e in particolare la sua superficie interna 111 , risulta a contatto con la superficie esterna 21 della struttura tubolare interna 2, come si può osservare in fig. 2.

Tale contatto permette di realizzare verso l'esterno la dissipazione per convenzione del calore trasmessogli per contatto dalla stessa superficie tubolare interna 2, raggiungendo il primo scopo del presente brevetto.

In particolare per aumentare la dissipazione verso l'ambiente esterno, nella particolare forma esecutiva qui descritta, il manicotto 11 à ̈ dotato di una superficie esterna sagomata 112 in cui à ̈ definita una pluralità di alette di dissipazione 14.

Preferibilmente ma non necessariamente, le alette di dissipazione 14 suddette hanno la direzione di sviluppo prevalentemente parallela all'asse principale del manicotto 11 stesso.

In differenti forme realizzative, le alette 14, presenti sulla superficie esterna 112 del manicotto 11 , possono essere disposte con direzione di sviluppo prevalentemente anulare lungo la stessa superficie.

Ancora, in una differente forma esecutiva la superficie esterna 112 del manicotto 11 può essere liscia.

Infine, la forma realizzativa qui descritta prevede l'inserimento di uno strato di adesivi termoconduttivi, posti tra la superficie interna 111 del manicotto 12 e la superficie esterna 21 della struttura tubolare 2, in modo da aumentare sia l'aderenza tra i due elementi, che per migliorare il reciproco scambio termico.

Per verificare e dimostrare l'efficienza del corpo illuminante descritto nel seguente brevetto, l'applicante ha effettuato molteplici prove di laboratorio per verificare il consumo energetico, le resistenze termiche e i flussi luminosi emessi.

I risultati delle prove effettuate, che si andranno a presentare qui di seguito, sono stati confrontati con i dati relativi alle lampadine ad incandescenza e alle lampadine CFL con equivalente emissione di luminosità, dati dai costruttori.

Per prima cosa, Ã ̈ opportuno premettere che le lampade a basso consumo CFL consumano il 75% in meno delle lampade ad incandescenza.

Per quanto riguarda, invece, il corpo illuminante descritto in questo brevetto, esso consente di ottenere un risparmio energetico fino al 56% con lampade a LED da 3,5 Watt rispetto alle lampade di tipo CFL da 8 Watt, e del 36% con lampade a LED da 7 Watt rispetto alle lampade di tipo CFL da 11 Watt. Quindi risulta evidente il notevole risparmio energetico ottenibile con il corpo illuminate dell'invenzione rispetto alle lampadine delle altre tecnologie e di conseguenza un notevole risparmio economico.

E' importante sottolineare inoltre che la vita media di una lampadina ad incandescenza à ̈ di circa 1000 ore, una lampada CFL, come già detto in precedenza mantiene il suo valore nominale di luminosità non oltre le 15000 ore, invece una lampadina costituita dal corpo illuminate dell'invenzione permette una durata minimo 3 volte superiore a quella della lampade CFL, con la stessa efficienza luminosa tipica di partenza.

Questi dati consentono di affermare che, anche se il prezzo di una singola lampadine a LED ad alta potenza può essere di 20/25 volte superiore rispetto al costo di una lampadina ad incandescenza con equivalente capacità di illuminazione, per poter raggiungere lo stesso tempo di massima efficienza funzionale, per esempio 35000 ore, ci vogliono minimo 35 lampadine ad incandescenza.

Al contrario, basta una sola lampadina costituita dal corpo illuminate dell'invenzione per ottenere le stesse prestazioni.

Quindi à ̈ evidente che sussiste un notevole risparmio economico sull'acquisto delle lampadine a LED dell'invenzione.

La stessa cosa vale se confrontate con le lampadine CFL.

Infatti, per raggiungere le 35000 ore, ci vogliono dalle 2 alle 3 lampadine del tipo CFL, anche in questo caso il risparmio economico risulta evidente.

In base a quanto detto si comprende quindi che il corpo illuminate dell'invenzione dotato di LED ad alta potenza raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare à ̈ raggiunto lo scopo di realizzare un corpo illuminante dotato di LED ad alta potenza capace di dissipare la quantità di calore prodotta dagli stessi LED, ottenendo una capacità di illuminazione equivalente a quella dei dispositivi illuminanti del tipo noto.

Ulteriore scopo raggiunto à ̈ la realizzazione di un corpo illuminante con un maggior grado di isolamento a livello elettrico dei LED ad alta potenza e l'elettronica di pilotaggio dei suddetti LED dall'ambiente esterno, rispetto ai dispositivi LED di illuminazione dell'arte nota.

Infine à ̈ raggiunto lo scopo di realizzare un corpo illuminante che permette una maggiore robustezza della sua struttura rispetto ai dispositivi dell'arte nota.

In fase esecutiva, al corpo illuminante potranno essere apportate modifiche e varianti, non descritte e non rappresentate, realizzate al fine di migliorarne la funzionalità e di renderne più economica la costruzione.

Tali varianti esecutive non descritte ed altre eventuali non citate, qualora dovessero rientrare nell'ambito delle rivendicazioni che seguono, si dovranno ritenere tutte protette dal presente brevetto.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Corpo illuminante (1) a LED del tipo comprendente: - una struttura tubolare interna (2) in materiale termoconduttore e elettroisolante; - uno o più LED (6) associati ad una prima estremità (3) di detta struttura tubolare interna (2); - un circuito di controllo elettronico (8) di detto uno o più LED (6) alloggiato all'interno di detta struttura tubolare interna (2); - una virola (9) associata ad una seconda estremità (4) di detta struttura tubolare interna (2) dalla parte opposta di detta prima estremità (3) e connessa elettricamente a detto circuito di controllo (8); - un manicotto (11) disposto esternamente e coassiale a detta struttura tubolare interna (2) che definisce in corrispondenza di detta prima estremità (3) di detta struttura interna (2) un alloggiamento anulare (12) in cui viene accolta un'estremità inferiore (131) di un bulbo (13) che ricopre detto uno o più LED (6); caratterizzato dai fatto che detto manicotto (11) à ̈ realizzato in materiale termicamente conduttore avente la superficie interna (111) a contatto con la superficie esterna (21) di detta struttura tubolare interna (2) per realizzare verso l'esterno la dissipazione per convezione del calore che riceve per contatto con detta struttura tubolare interna (2); 2) Corpo illuminante secondo la rivendicazione 1) caratterizzato dai fatto che detto uno o più LED (6) comprende LED ad alta potenza. 3) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dai fatto che detto materiale costituente detta struttura tubolare interna (2) à ̈ allumina. 4) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto uno o più LED (6) à ̈ applicato ad un circuito stampato (PCB) (7) che a sua volta à ̈ associato a detta prima estremità (3) di detta struttura tubolare interna (2). 5) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di prevedere uno strato di adesivo termoconduttivo posto tra detta superficie esterna (21) di detta struttura tubolare interna (2) e detta superficie interna (111) di detto manicotto (1 1). 6) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto materiale termicamente conduttore costituente detto manicotto (11) à ̈ alluminio. 7) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di prevedere un supporto di materiale isolante elettricamente (10) tra detta virola (9) e detta seconda estremità (4) di detta struttura tubolare interna (2) in modo da garantire detta connessione in maniera elettricamente isolata. 8) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto bulbo (13) à ̈ realizzato in vetro con trattamenti superficiali di metallizzazione e satinatura. 9) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto manicotto (11) presenta una superficie esterna sagomata (112) in cui sono definiste alette di dissipazione (14). 10) Corpo illuminante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1) a 8) caratterizzato dal fatto che detto manicotto (11) presenta una superficie esterna liscia. Per incarico.