PL68933Y1 - Lampa LED - Google Patents

Description

Opis wzoru

Wzór użytkowy dotyczy dziedziny technologii oświetleniowej, w szczególności sprzętu oświetleniowego i jest przeznaczony do użytku w domowych i przemysłowych urządzeniach oświetleniowych różnego przeznaczenia. Główną, charakterystyczną cechą lampy LED jest rozprowadzanie jej strumienia świetlnego do otoczenia. Z zastrzeżeniem co do kształtów i wymiarów ogólnie akceptowanych dla lamp żarowych, lampa LED według wzoru zapewnia jednorodnie rozprowadzone światło rozproszone - w przeciwieństwie do większości współczesnych lamp LED, których kąt wiązki jest inny niż kąt wiązki w lampach LED według wzoru.

Znana jest lampa LED ogólnego oświetlenia, która składa się z trzonka, elementu przejściowego (izolatora) połączonego z nim, który wykonany jest z dielektrycznego tworzywa z dodatkowym wgłębieniem pośrodku, gdzie zlokalizowany jest zasilacz dla działania lampy w sieci elektrycznej, który połączony jest z modułem LED wykonanym na płytce obwodów drukowanych z przewodzącą ciepło metalową podstawą i umieszczonym na radiatorze; radiator jest wykonany jako profil o kształcie pręta ze złożonych segmentów posiadających boczne płaszczyzny skierowane w różnych kierunkach, na których umieszczone są moduły LED, natomiast radiator jest umieszczony wewnątrz elementu rozpraszającego wykonanego z tworzywa, które jest zbliżone do szkła pod względem wydajności optycznej, charakterystyczne jest to że moduły LED na każdej ścianie radiatora są umieszczone przed segmentami elementu rozpraszającego zlokalizowanymi pomiędzy wypustami promieniowymi na rzeczonym elemencie rozpraszającym (US 2012/0313518, N01K1/62, N05K13/00, N01J61/52, opublikowane 13. 12. 2012).

Proces generowania rozprowadzonego rozproszonego światła w tej lampie LED jest taki, że światło z modułów LED przechodzi przez cienką, transparentną ściankę z tworzywa do otoczenia, natomiast część tego światła pada na ścianki wypustów promieniowych i jest odbijana od ich powierzchni. Tak więc zapewnione jest kombinacyjne oświetlenie przestrzeni w obszarze 360° wokół elementu rozpraszającego.

Element rozpraszający posiada złożony, przestrzenny kształt warstwy z promieniowym użebro-waniem, gdzie środek warstwy leży naprzeciwko trzonka i posiada otwór na wskroś celem odprowadzania ciepła z radiatora. Jednakże ten sposób odprowadzania ciepła jest nieskuteczny ponieważ nie zapewnia odprowadzenia ciepła z całej powierzchni takiego elementu w kształcie pręta jak radiator. Jednocześnie radiator w jego dolnej części przylega przestrzennie do zasilacza modułów LED zlokalizowanego w trzonku. W związku z tym, dolna część radiatora jest nieustannie przegrzana natomiast odprowadzanie ciepła z górnej części radiatora poprzez stały otwór z wykorzystaniem konwekcji w elemencie rozpraszającym jest mało skuteczne. Występowanie nadmiernego ciepła w dolnej części radiatora skutkuje tym, że ciepło wpływa na tworzywo elementu rozpraszającego. Nawet przy zastosowaniu takiego tworzywa jak poliwęglan (przepuszczalność światła i transparentność wynoszą do 86%) odpornego na szeroki zakres wysokich temperatur (do 120°C), ciągłe nagrzewanie prowadzi do zarumienienia struktury materiału co ma wpływ na jakość rozpraszania strumienia światła LED. Specjalistyczne powłoki które redukują wpływ promieniowania cieplnego na strukturę materiału są stosowane dla poliwęglanów, ale powłoki te nie zawsze mogą być stosowane w technologii oświetleniowej.

Wiadomym jest, że wskaźnik sprawności mocnych LED-ów jest o rząd wyższy niż ten dla lamp żarowych. Z drugiej strony większość energii zużywanej przez LED-y (około 75%) jest nadal zużywana na rozproszone ciepło. Emisja ciepła zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia światła ze źródeł LED. Według szacunków niektórych z międzynarodowych i rodzimych ekspertów zapewnienie skutecznego odprowadzania ciepła w technologii oświetleniowej LED jest jednym z najbardziej kluczowych problemów z którymi zmagają się projektanci i producenci tych produktów w obecnych czasach. W przeciwieństwie do konwencjonalnych żarowych i wyładowczych gazowych lamp, współczesne LED-y sa wrażliwe na wysokie temperatury: - po pierwsze, kiedy LED jest przegrzany jego skuteczność jest zmniejszona, strumień świetlny osłabiony, temperatura barwowa jest zmieniona i trwałość może być znacząco zmniejszona; - po drugie, intensywność jasności jest zmniejszona w przybliżeniu o 15% w temperaturze 80°C w porównaniu do intensywności w temperaturze pokojowej. Jako skutek sprzęt oświetleniowy z dwudziestoma LED-ami w temperaturze 80°C może mieć strumień świetlny odpowiadający strumieniowi siedemnastu LED-ów temperaturze pokojowej. Intensywność światła LED może być zredukowana o 40% przy temperaturze przejściowej 150°C. - po trzecie, LED-y mają negatywny wskaźnik temperaturowy dla napięcia przewodzenia to znaczy napięcie przewodzenia LED-ów jest zmniejszone na skutek wzrostu temperatury. Zazwyczaj wskaźnik ten zawiera się od -3 do -6 mV/K, z tego powodu napięcie przewodzenia standardowego LED może wynosić 3.3 V przy +25°C i nie więcej niż 3 V przy +75°C. Jeżeli zasilacz nie pozwala na zmniejszenie prądu na LED-ach, może to skutkować dalszym przegrzewaniem i uszkodzeniem LED-ów. Co więcej wiele źródeł zasilania dla sprzętu oświetleniowego LED jest zaprojektowane na temperaturę pracy do +70°C.

Dlatego istotne jest, aby zapewnić temperaturę nie więcej niż 80°C zarówno w obszarze przejścia p-n jak i w obszarze źródła zasilania dla skutecznego działania urządzeń LED. Nieprzestrzeganie rekomendowanych warunków temperaturowych może skutkować utratą ilości i jakości światła, zwiększeniem kosztu oświetlania urządzeniem LED, a także zmniejszeniem trwałości urządzenia oświetlającego.

Celem wzoru użytkowego jest osiągnięcie rezultatu technicznego, który polega na zwiększeniu niezawodności funkcjonalnej lampy LED na drodze zapewnienia skutecznego odprowadzania ciepła z całej powierzchni radiatora na wskroś jego wysokości.

Określony rezultat techniczny został osiągnięty tym, że lampa LED ogólnego oświetlenia składa się z trzonka, połączonego z nim przejściowego elementu izolującego, który wykonany jest z dielektrycznego tworzywa z wgłębieniem wewnątrz, gdzie umieszczony jest zasilacz pozwalający na działanie lampy w sieci elektrycznej, który połączony jest z modułami LED wykonanymi na płytce obwodów drukowanych z przewodzącą ciepło metalową podstawą i umieszczonymi na radiatorze posiadającym centralny element z profilu segmentowego o kształcie pręta i żeber przy czym centralny element radiatora składa się z bocznych ścian skierowanych w różnych kierunkach, na których umieszczone są rzeczone moduły LED, umieszczone wewnątrz elementu rozpraszającego wykonanego z tworzywa, zbliżonego do szkła pod względem wydajności optycznej charakteryzująca się tym, że element rozpraszający wykonany jest z segmentów powierzchni zewnętrznej rozciągniętych w kierunku od trzonka i wewnętrznych segmentów zatopionych pomiędzy powierzchniami, przed którymi umieszczone są moduły LED na ścianach radiatora wewnątrz elementu rozpraszającego, przy czym radiator wykonany jest z podłużnych żeber umieszczonych na co najmniej części jego wysokości i rozszerzających się od powierzchni centralnego elementu radiatora pomiędzy jego ścianami dla utworzenia powierzchni odprowadzających ciepło, a element rozpraszający jest w postaci nasadki wykonanej jako podłużne segmentowe warstwy, lub element rozpraszający jest wykonany jako oddzielne podłużne segmentowe warstwy, z których każda umieszczona jest przed modułami LED jednej ze ścian centralnego elementu radiatora i zakrywa je, izolując w ten sposób moduły LED od modułów LED umieszczonych na przyległej ścianie, natomiast podłużne żebra są zlokalizowane pomiędzy podłużnymi segmentowymi warstwami.

Określone cechy są niezbędne i powiązane z utworzeniem stabilnej kombinacji zasadniczych cech, które są wystarczające dla osiągnięcia wymaganego rezultatu technicznego.

Przedmiot wzoru użytkowego przedstawiono w korzystnej postaci na rysunku, który ilustruje możliwość osiągnięcia wymaganego rezultatu technicznego i której nie należy traktować jako wyczerpującej i ograniczającej wzór użytkowy: fig. 1 przedstawia ogólny widok lampy LED do instalacji w standardowych oprawach elektrycznych (oprawkach elektrycznych) E27 (E14); fig. 2 przedstawia widok lampy od strony sekcji transparentnego elementu rozpraszającego na modułach LED; fig. 3 przedstawia rozkład ciepła w zakresie temperatury wzdłuż wysokości radiatora; fig. 4 przedstawia rozkład ciepła w zakresie temperatury wzdłuż przekroju poprzecznego radiatora.

Konstrukcja lampy LED ogólnego oświetlenia zaprojektowanej do instalacji w oprawach elektrycznych (oprawkach elektrycznych) E27 (E26, E14, E12, E17, B22d, B15d) jest wykonana według przedmiotu wzoru użytkowego. Lampa według wzoru użytkowego wykonana jest w standardowych (konwencjonalnych/powszechnych) wymiarach dla zastąpienia odpowiadających jej powszechnych źródeł światła. Moduły oświetleniowe, które są w postaci jednostronnych płytek obwodów drukowanych o wyższym przewodzeniu ciepła z LED-ami jednolicie na nich zlokalizowanymi i włączone przez wspólny schemat są umieszczone pod elementem rozpraszającym wykonanym z tworzywa oświetleniowego. LED-y w modułach są rozmieszczone w taki sposób, że dają jednolite rozprowadzenie strumienia świetlnego z lampy na wszystkie kierunki w przestrzeni (360°). Korpus i trzonek lampy zawierają zasilacz pozwalający na działanie w systemach prądu zmiennego 220V/50Hz.

Lampa LED według wzoru ma wysoką niezawodność operacyjną, zwiększoną sprawność świetlną (wynikającą z jednolitego rozprowadzenia strumienia świetlnego we wszystkich kierunkach).

Lampa LED ogólnego oświetlenia (rys. 1 i 2) składa się z trzonka 1, połączonego z nim przejściowego elementu izolującego 2 (izolatora), który wykonany jest z dielektrycznego tworzywa z wgłębieniem wewnątrz, gdzie umieszczony jest zasilacz 3 pozwalający na działanie lampy w sieci elektrycznej. Zasilacz 3 połączony jest z modułami LED 4 wykonanymi na płytce obwodów drukowanych z przewodzącą ciepło metalową podstawą, które połączone są na radiatorze 5.

Radiator 5 posiada centralny element 6 z profilu segmentowego o kształcie pręta z bocznymi ścianami skierowanymi w różnych kierunkach, na których umieszczone są rzeczone moduły LED 4.

Radiator 5 jest umieszczony wewnątrz elementu rozpraszającego 7 wykonanego z tworzywa, które jest zbliżone do szkła pod względem wydajności optycznej. Radiator 5 wykonany jest z podłużnych żeber 8 umieszczonych co najmniej na części wysokości radiatora 5 i rozszerzających się od powierzchni radiatora 5 pomiędzy jego ścianami dla utworzenia powierzchni odprowadzających ciepło. Radiator 5 jest wykonany jako złożony profil segmentowy z podłużnymi żebrami 8 w części zewnętrznej, które leżą na płaszczyznach przechodzących przez oś lampy. Radiator 5 wykonany jest korzystnie z aluminium lub lekkich stopów aluminium, miedzi lub ceramiki.

Element rozpraszający 7 jest w postaci nasadki wykonanej jako podłużne segmentowe warstwy 9, lub element rozpraszający jest wykonany jako oddzielne podłużne segmentowe warstwy 9 różnego kształtu (w zależności od typu lampy), z których każda umieszczona jest przed modułami LED 4 jednej ze ścian centralnego elementu 6 i zakrywa je, izolując w ten sposób moduły LED od modułów LED umieszczonych na przyległej ścianie. Element rozpraszający o złożonym kształcie w segmencie pionowym urzeczywistnia kształt powszechnej lampy (A60, C37, G45, P45 itd.) i jest wykonany z tworzywa, które jest zbliżone do szkła pod względem wydajności optycznej np. poliwęglanu.

Podłużne żebra 8 radiatora 5 są umieszczone pomiędzy segmentowymi warstwami 9 w taki sposób, że część radiatora 5 z LED-ami jest umieszczona wewnątrz grupy elementów rozpraszających 7. Radiator 5 wykonany jest jako złożony profil segmentowy z podłużnymi zebrami 8 w części zewnętrznej, które leżą na płaszczyznach przechodzących przez oś lampy i jest umieszczony w otworze korpusu wykonanego z dielektrycznego tworzywa i przymocowywany do niego mechanicznie, natomiast korpus jest również mechanicznie łączony z podstawą izolatora. Izolator posiada otwory 10 na wskroś dla dodatkowego odprowadzania ciepła z otoczenia zasilacza 3. LED-y w lampie LED są podzielone na kilka grup (modułów) połączonych ze sobą w obwody szeregowe lub równoległe lub szeregowo-równoległe lub równoległo-szeregowe. Moduły LED są wykonane z przewodzącą ciepło metalową podstawą i umieszczone na korpusie radiatora 5 w taki sposób, aby zapewnić jednolite rozprowadzanie strumienia świetlnego w wewnętrznej objętości segmentów elementu rozpraszającego 7, a tym samym strumienia świetlnego lampy. LED-y na płytce są umieszczone w taki sposób, aby zapewnić jednolity końcowy rozbłysk materiału elementu rozpraszającego 7.

Zaletą lampy LED według wzoru użytkowego jest to, że LED-y na każdej ścianie radiatora są umieszczone we własnych transparentnych warstwach, bezpośrednio emitując na powierzchnie końcowe i powierzchnie boczne warstw. Jednakże należy wziąć pod uwagę to, że najbardziej powszechna metoda usuwania nadmiernego ciepła z mocnych LED-ów i mikro-obwodów to jego przeniesienie do płytki obwodu drukowanego (uwzględniając płytki z metalową podstawą takie jak MC PCB, AL PCB, IM PCB), składnika lub innego elementu strukturalnego urządzenia elektronicznego. Jest również możliwe zainstalowanie radiatora na przegrzanym komponencie (lub przegrzanego komponentu na radiatorze), który zwiększy obszar wymiany radiacyjnej i konwekcyjnej. Ciepło jest przenoszone do otoczenia głównie na drodze konwekcji. Jednakże powierzchnie źródła ciepła i pochłaniacza ciepła w rzeczywistości są faliste i nieregularne. Luki (mikro-wgłębienia), które zawierają powietrze pojawiają się w większości przypadków podczas kontaktu z płaszczyznami. W rezultacie kontakt między płaszczyznami występuje punktowo, tym samym znacząco zwiększając skuteczność oporu cieplnego. Istotnym jest że powietrze posiada współczynnik przewodności cieplnej około 0,02 W/mK, co jest wartością bardzo niską i w przybliżeniu 40 razy niższą niż ta dla typowych past przewodzących. Tak więc, wysoka oporność dla strumienia ciepła pojawia się pomiędzy kontaktującymi się powierzchniami ze względu na obecność powietrza a sprawność odprowadzania ciepła jest znacząco zmniejszona. Materiał przewodzący ciepło, który wypełnia luki jest używany w celu zapobiegania temu negatywnemu efektowi ze względu na obecność powietrza. W tym przypadku ciepło modułu jest przenoszone do radiatora przez kontakt. W tym samym czasie ciepło jest odprowadzane przez żebra które są cofnięte na obwód i umieszczone zewnętrznie do segmentów. Odpowiednio, temperatura nie wzrasta powyżej ustalonego poziomu wewnątrz segmentowych warstw. Badania pokazały (patrz rys. 3 i 4), że na pod-