PL69364Y1 - Urzadzenie dochłodzenia diody lub diod LED - Google Patents

Description

Opis wzoru

Przedmiotem wzoru użytkowego jest urządzenie do chłodzenia diody lub diod LED, zwłaszcza diod o dużej mocy, których struktury osiągają temperaturę dochodzącą nawet do 120°C.

Znane i stosowane powszechnie diody LED zaliczane są do IV generacji źródeł światła, tak zwanych świecących ciał stałych. Systemy oparte na diodach LED posiadają wiele zalet, do których można zaliczyć: energooszczędność, małe wymiary gabarytowe, odporność na wibracje i uderzenia mechaniczne, dużą sprawność i żywotność, jak również łatwość sterowania tymi systemami. Przytoczone zalety diod LED pozwalają na ich stosowanie między innymi do oświetlania ogólnego i ulicznego, oraz reklamowego. Dzięki tym zaletom diody LED mogą konkurować w branży oświetleniowej zarówno z typowymi żarówkami elektrycznymi jak i lampami fluoroscencyjnymi. Jednocześnie okazało się, że pomimo wielu powyższych zalet diody LED posiadają także wady, a do podstawowej wady należy zaliczyć ściśle określony górny limit temperatury ich pracy, dochodzący maksymalnie do 120°C, a przegrzana dioda LED gwałtownie traci jasność i może być nieodwracalnie uszkodzona. Zatem w przypadku stosowania zwłaszcza do oświetlenia diod LED dużej mocy zachodzi konieczność ich chłodzenia i odprowadzania wytwarzanego przez nie ciepła, zwykle za pomocą radiatorów. Jednakże znane i stosowane do tego celu radiatory wykonywane w kształcie okrągłym, prostokątnym lub heksagonalnym posiadają zbyt duże rozmiary, co stanowi ich podstawową wadę.

Przykładowo znane diody Luxeon firmy Lumileds posiadają wbudowany metalowy radiator pełniący funkcję przenoszenia ciepła wytwarzanego przez tą diodę do podłoża. Poza tym stosowane powszechnie do tego celu radiatory odznaczają się dużym ciężarem, co ogranicza ich zastosowanie w niektórych gałęziach przemysłu, na przykład w lotnictwie.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 204 179 radiator do chłodzenia elementów elektronicznych, w którego podstawie zamocowane są rurki cienkościenne miedziane lub aluminiowe, tworząc polisadę stanowiącą powierzchnię użebrowaną. Polisada ta obudowana jest ściankami, które stanowią kanał dla przepływu powietrza, wymuszanego przez wentylator, przy czym wewnątrz rurek cienkościennych znajduje się akumulujący ciepło materiał PCM, na przykład kwas dodekanowy. W warunkach awaryjnych, na przykład w przypadku uszkodzenia wentylatora materiał PCM przejmuje ciepło generowane przez chłodzony element elektroniczny.

Znana jest również z opisu patentowego nr US 7467878B2 konstrukcja urządzenia do rozpraszania ciepła lampy LED posiadająca gniazdo z osadzonym w nim zestawem kilkunastu rur, których dolne końce przysłonięte są przymocowaną do tego gniazda osłoną denną podgrzewaną przez przylegającą do niego lampę LED. Każda z tych rur posiada dolny koniec podgrzewany i górny koniec skondensowany, a ich gniazdo z otworami przelotowymi w odmianie jego wykonania złożone jest z kilku, na przykład trzech nałożonych na siebie elementów płytkowych, przy czym górne końce tych rur obejmuje radiator rozpraszający ciepło znajdujące się w tych rurach, zwłaszcza w górnych ich końcach. Niedogodnością tego rozwiązania technicznego jest konieczność stosowania dużej ilości stosunkowo długich rur zaślepionych na ich końcach, wymagających szczelnego połączenia ich z gniazdem i jego osłoną podgrzewaną z lampą LED, a zbyt rozbudowana konstrukcja tego urządzenia posiada stosunkowo duże wymiary gabarytowe.

Znane jest także z opisu patentowego US7547124B2 urządzenie chłodzące z lampą LED składające się z podstawy z osadzonymi w niej diodami (lampami) LED, umieszczonego nad nimi radiatora z umieszczoną w nim rurą cieplną, zawierającą w sobie pulsujący płyn roboczy oraz siatkę, przy czym pulsująca rura cieplna jest wielokrotnie wygięta tworząc elementy w kształcie litery „U” a każdy z nich jest dołączony do wewnętrznej powierzchni podstawy diod „LED”. Zawarty w wygiętej rurze w kształt elementów o profilu liter „U” płyn roboczy zawiera w sobie alternatywne segmenty płynne i parowe, przy czym płyn ten porusza się w tej rurze od elementu przyjmującego ciepło z diod LED do radiatora jako elementu zwalniającego ciepło w sposób pulsujący. W poszczególnych odmianach urządzenia według tego wynalazku funkcję radiatora odbierającego ciepło z rury pulsującej ogrzewanej podłożem diod LED spełnia reflektor odbijający światło z diody LED, a rura pulsująca wygięta jest w kształt elementów zbliżonych do liter „V” rozmieszczonych na obwodzie koła. Wadą urządzenia według tego wynalazku jest skomplikowany kształt i budowa rury pulsującej, jej duże wymiary gabarytowe, a tym samym duże wymiary radiatora odbierającego z niej ciepło, co z kolei wiąże się z dużymi kosztami jego wytwarzania.

Poza tym w znanych rozwiązaniach dioda umieszczona jest na podłożu przekazującym ciepło do wyprofilowanej rurki, co wymaga zastosowania cieczy o dużym cieple parowania. Z kolei, znane z opisu patentowego CH695752A5 urządzenie schładzające pręt diod laserowych, składające się ze szczelnego pojemnika prostopadłościennego rozszerzanego w górnym jego końcu, którego wnętrze jest wyścielone materiałem porowatym, który częściowo wypełniony jest cieczą odparowującą w temperaturze 25°C, przy ciśnieniu atmosferycznym, będącą trójchlorkiem fluoro-metanu, a na dolnym końcu tego pojemnika zamocowany jest pręt z diodami laserowymi, umieszczony pomiędzy dwoma prostopadłościennymi blokami metalowymi umieszczonymi na płycie izolującej. Górny rozszerzony koniec tego pojemnika spełnia funkcję jego powierzchni zimnej schładzanej otaczającymi go dwoma modułami Peltiera, których strony ciepłe są schładzane powietrzem za pomocą otaczających te moduły żeberek - radiatorów oraz za pomocą wentylatora. Poza tym urządzenie to wyposażone jest w środki do regulowania temperatury z czujnikiem, który daje napięcie proporcjonalne do ciśnienia panującego wewnątrz tego szczelnego pojemnika. Ciecz zawarta w tym szczelnym pojemniku przy kontakcie z dolną jego powierzchnią ciepłą, na której umieszczony jest pręt z diodami laserowymi, a wytwarzana para z tej cieczy skrapla się na powierzchni zimnej tego pojemnika i opada na jego dno, po czym powtarza się cykl skraplania tej cieczy. Niedogodnością tego urządzenia jest jego zbyt rozbudowana konstrukcja wymagająca stosowania dwóch modułów Peltiera obudowanych żeberkami oraz wentylatora, przy czym moduł Peltiera zawiera kilkanaście ogniw półprzewodnikowych umieszczonych parami pomiędzy płytkami miedzianymi, osłoniętymi płytkami ceramicznymi, z których jedna strona zimna pochłaniania ciepło wytworzonej pary z wrzącej cieczy, a druga strona gorąca tego modułu wydziela ciepło.

Tak skomplikowana konstrukcja tego urządzenia podraża znacznie koszt jego wytwarzania, co z kolei podraża wielokrotnie koszt chłodzenia diod laserowych.

Celem wzoru użytkowego jest opracowanie urządzenia do chłodzenia diody lub diod LED eliminujących przytoczone wyżej wady i niedogodności znanych rozwiązań.

Urządzenie do chłodzenia diody lub diod LED według wzoru użytkowego charakteryzuje się tym, że składa się z pierścieniowej rurki cienkościennej z umieszczoną w niej niewielką ilością cieczy o niskiej temperaturze wrzenia i niskiej przewodności elektrycznej, pod którą w rurce tej zamontowane jest podłoże diody LED stykające się z tą cieczą, natomiast naprzeciw tej diody rurka ta zaopatrzona jest w element przylegający do niej o wysokiej przewodności cieplnej stykający się z radiatorem. Korzystnie w cienkościennej rurce tego urządzenia zamontowanych jest kilka podłoży diod LED stykających się z cieczą w niej umieszczoną o dużej przewodności cieplnej. Korzystnym jest gdy jako ciecz umieszczoną w tej rurce stosuje się węglowodory alifatyczne, zwłaszcza pentan lub etery, zwłaszcza eter dietylowy, lub eter tert-butylowo-metylowy, lub też jako wspomnianą ciecz stosuje się heksan, lub aceton, lub czterochlorek węgla, lub chloroform, lub octan etylu. Korzystnym jest także gdy rurka cienkościenna wyposażona jest tylko w element o wysokiej przewodności cieplnej, a funkcję radiatora spełniała oprawa lampy LED. Korzystnym jest także, gdy element o wysokiej przewodności cieplnej stykający się z rurką cienkościenną wykonany jest z miedzi lub miedzi cynowanej, lub miedzi posrebrzanej lub z aluminium, natomiast przylegająca do niego rurka cienkościenna ma kształt kołowy lub owalny.

Urządzenie do chłodzenia diody lub diod LED według wzoru użytkowego posiada prostą i zwartą konstrukcję o małych wymiarach gabarytowych, złożoną z niewielkiej ilości jego części składowych o prostej konstrukcji, co ogranicza znacznie koszt jego wytwarzania. Zastosowanie w urządzeniu cieczy o niskiej temperaturze wrzenia i niskiej przewodności elektrycznej, charakteryzującej się dużym ciepłem parowania pozwoliło na bezpośrednie zanurzenie trzonu diody LED w tej cieczy bez konieczności stosowania kosztownych połączeń pomiędzy tą diodą i rurką z wrzącą cieczą. Poprawiło to znacznie sprawność transportu ciepła bezpośrednio z jego źródła powstania do cieczy chłodzącej zawartej w rurce.

Przedmiot wzoru użytkowego został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym urządzenie do chłodzenia zamontowanej w nim diody LED w przekroju osiowym.

Urządzenie według wzoru użytkowego składa się z rurki cienkościennej (1) wykonanej w kształcie pierścienia eliptycznego, z miedzi lub z aluminium, z umieszczoną w niej niewielką ilością cieczy o niskiej temperaturze wrzenia i niskiej przewodności elektrycznej, pod którą w rurce tej zamontowane jest podłoże diody LED (5), natomiast naprzeciw tej diody rurka ta zaopatrzona jest w element (3) przylegający do niej o wysokiej przewodności cieplnej stykającej się z radiatorem (4). Jako ciecz (2) umieszczoną w rurce cienkościennej (1) o dużej przewodności cieplnej zastosowano eter dietylowy, zaś w innych przykładach wykonania tego urządzenia w rurce tej jako ciecz (2) umieszczono, eter tert--butylowo-metylowy lub pentan. Poza tym w zależności od tolerancji temperaturowej diody stosowano

również inne ciecze spełniające warunek niskiej przewodności elektrycznej oraz wysokiego ciepła parowania, w tym także heksan, aceton, czterochlorek węgla, chloroform oraz octan etylu. Również w innych przykładach wykonania urządzenia według wzoru użytkowego niepokazanych na rysunku rurkę cienkościenną (1) naprzeciw zamontowanej lub zamontowanych w niej podłoży diod LED (5) wyposażono tylko w element (3) o wysokiej przewodności cieplnej, natomiast funkcję radiatora (4) wówczas spełniała oprawa lampy LED, przy czym element (3) wykonany był z miedzi lub miedzi cynowanej, lub miedzi posrebrzanej lub z aluminium, zaś rurka cienkościenna (1) miała kształt kołowy lub owalny. Wytworzone przez świecącą się diodę LED (5) ciepło poprzez jej podłoże posiadające również wysoką przewodność cieplną powoduje nagrzewanie się cieczy (2) oraz jej wrzenie, w wyniku czego ciecz ta w stanie wrzenia zamienia się w jej opary (6) wypełniające dolną część rurki (1), które rozszerzając się docierają rurką (1) pod chłodny element (3) współpracujący z radiatorem (4), którym oddaje ciepło parowania i przechodzi w stan skraplania (7), wracając grawitacyjnie do wyjściowego stanu ciekłego (2), po czym cały proces chłodzenia diody LED (5) się powtarza. W dalszych przykładach wykonania urządzenia według wzoru użytkowego, niepokazanych na rysunku w rurce cienkościennej (1) zamontowano kilka podłoży diod LED (5) stykających się z cieczą (2) umieszczoną w tej rurce.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia ochronne

   1. Urządzenie do chłodzenia diody lub diod LED zawierające radiator, rurkę wypełnioną cieczą odbierającą ciepło z tej diody, znamienne tym, że składa się z pierścieniowej rurki cienkościennej (1) z umieszczoną w niej niewielką ilością cieczy (2) o niskiej temperaturze wrzenia i niskiej przewodności elektrycznej, pod którą w rurce tej zamontowane jest podłoże diody LED (5) stykające się z tą cieczą, natomiast naprzeciw tej diody rurka ta zaopatrzona jest w element (3) przylegający do niej o wysokiej przewodności cieplnej stykający się z radiatorem (4).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w jego cienkościennej rurce (1) zamontowanych jest kilka podłoży diod LED (5) stykających się z cieczą (2).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jako ciecz (2) umieszczoną w rurce cienkościennej (1) o dużej przewodności cieplnej stosuje się korzystnie węglowodory alifatyczne lub etery.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że jako węglowodory alifatyczne stosuje się korzystnie pentan, a jako etery stosuje się eter dietylowy lub eter tert-butylowo--m etylowy.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rurka cienkościenna (1) wyposażona jest tylko w element (3) o wysokiej przewodności cieplnej, a funkcję radiatora (4) spełniała oprawa lampy LED.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element (3) korzystnie wykonany jest z miedzi lub miedzi cynowanej, lub miedzi posrebrzanej, lub z aluminium.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rurka cienkościenna (1) korzystnie ma kształt kołowy lub owalny.