RU100587U1

RU100587U1 - LED LIGHTING DEVICE

Info

Publication number: RU100587U1
Application number: RU2010128796/07U
Authority: RU
Inventors: Валерий Михайлович Кисеев; Радислав Мэльсович Мурзин
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2010-12-20

Abstract

1. Светодиодное осветительное устройство, содержащее светодиоды, размещенные на теплопроводящей металлической подложке и соединенные с блоком питания, радиатор и теплопередающую систему, установленную между подложкой со светодиодами и радиатором, отличающееся тем, что теплопередающая система выполнена в виде замкнутого двухфазного контура, заполненного теплоносителем, и включает испарительную камеру с паровой и жидкостной полостями, паропровод и конденсатопровод, соединенные с испарительной камерой и конденсатором, при этом конденсатор размещен в корпусе радиатора, а подложка со светодиодами смонтирована на испарительной камере. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве теплопроводящей металлической подложки использована, по меньшей мере, одна из поверхностей испарительной камеры. ! 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что светодиоды закрыты оптически прозрачным колпаком, закрепленным по периметру поверхности испарительной камеры. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что паропровод, конденсатопровод и конденсатор выполнены из гибких трубок, а конденсатор имеет форму змеевика. ! 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиатор с размещенным в нем конденсатором изготовлен литьем под давлением. ! 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиатор размещен в месте с максимальной естественной и/или вынужденной конвекцией. ! 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопередающая система, из которой предварительно откачан воздух, заполнена теплоносителем в количестве, равном 2/3 от внутреннего объема испарительной камеры. ! 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопередающая сис 1. An LED lighting device comprising LEDs located on a heat-conducting metal substrate and connected to a power supply, a radiator and a heat transfer system installed between the substrate with LEDs and a radiator, characterized in that the heat transfer system is made in the form of a closed two-phase circuit filled with a coolant, and includes an evaporation chamber with steam and liquid cavities, a steam pipe and a condensate pipe connected to the vaporization chamber and a condenser, wherein ator disposed in the radiator enclosure and the substrate with LEDs mounted on the evaporation chamber. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that at least one of the surfaces of the evaporation chamber is used as a heat-conducting metal substrate. ! 3. The device according to claim 2, characterized in that the LEDs are closed by an optically transparent cap fixed along the perimeter of the surface of the evaporation chamber. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the steam pipe, condensate pipe and capacitor are made of flexible tubes, and the capacitor has the shape of a coil. ! 5. The device according to claim 1, characterized in that the radiator with the capacitor located in it is made by injection molding. ! 6. The device according to claim 1, characterized in that the radiator is placed in a place with maximum natural and / or forced convection. ! 7. The device according to claim 1, characterized in that the heat transfer system, from which the air has been previously pumped out, is filled with coolant in an amount equal to 2/3 of the internal volume of the evaporation chamber. ! 8. The device according to claim 1, characterized in that the heat transfer system

Description

Полезная модель относится к светотехнике, в частности, к конструкциям осветительных устройств на светодиодах, предназначенных для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.The utility model relates to lighting engineering, in particular, to the design of lighting devices using LEDs intended for street, industrial, domestic and architectural design lighting.

В последнее время широкое распространение получили светодиодные осветительные устройства, которые, кроме высокой световой отдачи и малого энергопотребления, обладают целым рядом других уникальных свойств: большим сроком службы, высоким уровнем безопасности, компактностью, малым весом, стойкостью к механическим воздействиям, чистотой цвета, направленностью излучения и др.Recently, LED lighting devices have become widespread, which, in addition to high light output and low energy consumption, have a number of other unique properties: a long service life, a high level of safety, compactness, low weight, resistance to mechanical stress, color purity, radiation pattern and etc.

Основной проблемой в промышленном освоении светодиодных осветительных устройств является отвод выделяемого светодиодами тепла. При использовании мощных светодиодов, например, в изготовлении уличных светильников, возникает возможность перегрева светодиодов при эксплуатации, что приводит к уменьшению светоотдачи, срока службы и надежности работы светильников.The main problem in the industrial development of LED lighting devices is the removal of heat generated by LEDs. When using high-power LEDs, for example, in the manufacture of street lamps, there is the possibility of overheating of the LEDs during operation, which leads to a decrease in light output, service life and reliability of the lamps.

Известны различные способы отвода тепла в осветительных устройствах, работающих на светодиодах. Большинство из них пространственно не разделяют источник тепла (светодиоды) и сброс тепла (радиатор), так что светодиоды обычно размещены на всей поверхности радиатора и это заметно сужает функциональные возможности этих систем охлаждения для интенсификации теплообмена и увеличения их срока эксплуатации.There are various methods of heat dissipation in lighting devices operating on LEDs. Most of them do not spatially separate the heat source (LEDs) and heat discharge (radiator), so the LEDs are usually located on the entire surface of the radiator and this significantly reduces the functionality of these cooling systems to enhance heat transfer and increase their service life.

Известны светодиодные осветительные устройства - светильники (патент РФ на изобретение №2313199, МПК Н05В 33/02, F21S 4/00, опубликован 20.12.2007), содержащие секции светодиодов, соединенные с блоком питания, который подключен к питающей сети переменного напряжения, в которых в качестве радиатора охлаждения использован корпус светильника, выполненный из теплопроводящего материала, например из алюминия, при этом секции светодиодов установлены на радиаторе охлаждения. Кроме того, в качестве радиатора охлаждения может быть использован блок металлических элементов, расположенный как на корпусе, так и внутри корпуса, а для увеличения рассеиваемой тепловой мощности секций светодиодов радиатор охлаждения может иметь принудительное охлаждение поверхности, например, при помощи нагнетающего вентилятора.Known LED lighting devices - fixtures (RF patent for the invention No. 2313199, IPC НВВ 33/02, F21S 4/00, published December 20, 2007), containing sections of LEDs connected to a power supply unit that is connected to an ac mains supply, in which as a cooling radiator, a lamp housing made of a heat-conducting material, for example, aluminum, is used, while the LED sections are mounted on a cooling radiator. In addition, as a cooling radiator, a block of metal elements located both on the housing and inside the housing can be used, and to increase the dissipated thermal power of the LED sections, the cooling radiator can have forced cooling of the surface, for example, by means of an injection fan.

Недостатком известного светильника является недостаточно эффективный отвод тепла от светодиодов при повышенных тепловых нагрузках, что приводит к повышению температуры светодиодов и, как следствие, к снижению эксплуатационной надежности светильника и сокращению срока службы светильника.A disadvantage of the known luminaire is the insufficient heat removal from the LEDs at high thermal loads, which leads to an increase in the temperature of the LEDs and, as a result, to a decrease in the operational reliability of the lamp and a reduction in the lamp life.

Известно устройство охлаждения светодиодной матрицы (патент РФ на полезную модель №56558, МПК F21V 29/00, опубликован 10.09.2006), предназначенное для использования в различных светотехнических приборах, заменяющих лампы накаливания, включающее радиатор, снабженный вентилятором, и термоэлектрический модуль, составленный из элементов, работающих на эффекте Пельте, который размещен между радиатором и светодиодной матрицей (подложкой с размещенными на ней светодиодами), установленной на теплопроводящем слое.A device for cooling an LED matrix is known (RF patent for utility model No. 56858, IPC F21V 29/00, published September 10, 2006), intended for use in various lighting devices that replace incandescent lamps, including a radiator equipped with a fan, and a thermoelectric module composed of elements working on the Pelt effect, which is placed between the radiator and the LED matrix (the substrate with the LEDs placed on it) mounted on a heat-conducting layer.

Предложенная конструкция устройства охлаждения позволила снимать со светодиодной матрицы практически все выделяемое на ней тепло и передавать его на радиатор и в окружающее пространство, частично повысить светоотдачу светодиодной матрицы; при стабильно невысоких температурах позволила увеличить срок службы светодиодов и, следовательно, осветительных устройств, работающих на их основе. Кроме того, за счет более интенсивного охлаждения, можно подавать на светодиодную матрицу большие величины токов, тем самым, увеличивая к.п.д. и мощность матрицы и осветительного устройства в целом.The proposed design of the cooling device made it possible to remove from the LED matrix almost all the heat released on it and transfer it to the radiator and into the surrounding space, to partially increase the light output of the LED matrix; at stably low temperatures allowed to increase the service life of LEDs and, therefore, lighting devices operating on their basis. In addition, due to more intensive cooling, it is possible to apply large amounts of currents to the LED matrix, thereby increasing the efficiency and the power of the matrix and the lighting device as a whole.

Однако известное устройство охлаждения имеет ряд недостатков:However, the known cooling device has several disadvantages:

- дополнительные энергозатраты, необходимые для питания термоэлектрического модуля;- additional energy required to power the thermoelectric module;

- ограниченный срок службы и дополнительный вес термоэлектрического модуля- limited service life and additional weight of the thermoelectric module

- наличие механического вентилятора для обдува радиатора, что требует частую его замену из-за поломок движущихся частей, особенно в жестких климатических условиях.- the presence of a mechanical fan for blowing the radiator, which requires frequent replacement due to breakdowns of moving parts, especially in harsh climatic conditions.

Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции светодиодного осветительного устройства при увеличении эффективности отвода тепла от светодиодов, снижение энергозатрат и увеличение срока службы осветительного устройства.The objective of the proposed utility model is to simplify the design of the LED lighting device while increasing the efficiency of heat removal from the LEDs, reducing energy consumption and increasing the life of the lighting device.

Поставленная задача решается за счет того, что в светодиодном осветительном устройстве, содержащем светодиоды, размещенные на теплопроводящей металлической подложке и соединенные с блоком питания, радиатор и теплопередающую систему, установленную между подложкой со светодиодами и радиатором, теплопередающая система, выполнена в виде замкнутого двухфазного контура, заполненного теплоносителем, и включает испарительную камеру с паровой и жидкостной полостями, паропровод и конденсатопровод, соединенные с испарительной камерой и конденсатором, при этом конденсатор размещен в корпусе радиатора, а подложка со светодиодами смонтирована на испарительной камере.The problem is solved due to the fact that in the LED lighting device containing LEDs placed on a heat-conducting metal substrate and connected to a power supply unit, a radiator and a heat transfer system installed between the substrate with LEDs and a radiator, the heat transfer system is made in the form of a closed two-phase circuit, filled with coolant, and includes an evaporation chamber with steam and liquid cavities, a steam pipe and a condensate pipe connected to the vaporization chamber and the condenser with a sensor, while the condenser is placed in the radiator case, and the substrate with LEDs is mounted on the evaporation chamber.

В качестве теплопроводящей металлической подложки может быть использована, по меньшей мере, одна из поверхностей испарительной камеры, а светодиоды закрыты оптически прозрачным колпаком, закрепленным по периметру поверхности испарительной камеры.At least one of the surfaces of the evaporation chamber can be used as a heat-conducting metal substrate, and the LEDs are covered by an optically transparent cap fixed along the perimeter of the surface of the evaporation chamber.

Паропровод, конденсатопровод, и конденсатор теплопередающей системой могут быть выполнены из гибких трубок, конденсатор выполнен в форме змеевика, при этом радиатор с размещенным в нем конденсатором могут быть изготовлены литьем под давлением, а сам радиатор установлен в любом месте с максимальной естественной и/или вынужденной конвекцией.The steam pipe, the condensate pipe, and the condenser with a heat transfer system can be made of flexible tubes, the condenser is made in the form of a coil, while the radiator with the condenser located in it can be made by injection molding, and the radiator itself is installed anywhere with maximum natural and / or forced convection.

Теплопередающая система, из которой предварительно откачан воздух, заполнена теплоносителем в количестве, равном 2/3 от внутреннего объема испарительной камеры, и с температурой замерзания ниже климатической.The heat transfer system, from which air was previously pumped out, is filled with coolant in an amount equal to 2/3 of the internal volume of the evaporation chamber, and with a freezing temperature below the climatic one.

Блок питания может быть снабжен функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях, при этом блок питания светодиодов с функциональными датчиками может быть установлен на поверхностях испарительной камеры.The power supply unit can be equipped with functional sensors that provide control, monitoring and system reliability functions in certain climatic conditions, while the power supply unit for LEDs with functional sensors can be installed on the surfaces of the evaporation chamber.

В осветительном устройстве для возврата конденсата в испарительную камеру использованы капиллярные или гравитационные силы.In the lighting device, capillary or gravitational forces are used to return condensate to the evaporation chamber.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема светодиодного осветительного устройства.The proposed technical solution is illustrated by the drawing, which shows the General scheme of the LED lighting device.

Осветительное устройство содержит испарительную камеру 1 с паровой 2 и жидкостной 3 полостями, паропровод 4 и конденсатопровод 5, соединенные с испарительной камерой 1 и конденсатором 6, выполненным в виде змеевика и размещенным в корпусе радиатора 7, образующие теплопередающую систему, выполненную в виде замкнутого двухфазного контура. Паропровод 4, конденсатопровод 5, и конденсатор 6 теплопередающей системой могут быть выполнены из гибких трубок, при этом радиатор 7 с размещенным в нем конденсатором 6 могут быть изготовлены литьем под давлением, а сам радиатор 7 установлен в любом месте с максимальной естественной и/или вынужденной конвекцией.The lighting device comprises an evaporation chamber 1 with steam 2 and liquid 3 cavities, a steam pipe 4 and a condensate pipe 5 connected to the evaporation chamber 1 and a condenser 6, made in the form of a coil and placed in the radiator body 7, forming a heat transfer system made in the form of a closed two-phase circuit . The steam pipe 4, the condensate pipe 5, and the condenser 6 with a heat transfer system can be made of flexible tubes, while the radiator 7 with the capacitor 6 located in it can be injection molded, and the radiator 7 itself is installed in any place with maximum natural and / or forced convection.

В зависимости от месторасположения радиатора 7 в осветительном устройстве для возврата конденсата используют капиллярные или гравитационные силы: если радиатор 7 расположен выше испарителя 1, то после конденсации пара в конденсаторе 6, конденсатопровод 5 имеет столб жидкости с перепадом давления (ΔP_g), обеспечивающим возврат конденсата в испаритель 1, тем самым, замыкая испарительно-конденсационный цикл и обеспечивая циркуляцию теплоносителя. Если же испаритель 1 расположен выше или на одном горизонте с радиатором 7, то для организации циркуляции теплоносителя используется капиллярная структура, расположенная в испарителе 1, которая при испарении теплоносителя обеспечивает капиллярное давление, необходимое для возврата теплоносителя от конденсатора 6 к испарителю 1.Depending on the location of the radiator 7 in the lighting device, capillary or gravitational forces are used to return the condensate: if the radiator 7 is located above the evaporator 1, then after the condensation of the vapor in the condenser 6, the condensate conduit 5 has a liquid column with a pressure drop (ΔP _g ) that provides condensate return in the evaporator 1, thereby closing the evaporation-condensation cycle and ensuring the circulation of the coolant. If the evaporator 1 is located above or on the same horizon with the radiator 7, then the capillary structure located in the evaporator 1 is used to organize the circulation of the coolant, which, when the coolant is evaporated, provides the capillary pressure necessary to return the coolant from the condenser 6 to the evaporator 1.

Светодиоды 8, размещены на теплопроводящей металлической подложке 9, в качестве которой использована нижняя поверхность испарительной камеры 1. Светодиоды 8 закрыты оптически прозрачным колпаком 10, закрепленным по периметру нижней поверхности испарительной камеры 1. На верхней поверхности испарительной камеры 1 расположены блоки питания 11 светодиодов 8 с функциональными датчиками, обеспечивающими функции управления, контроля и надежности системы в определенных климатических условиях, которые покрыты колпаком 12.The LEDs 8 are placed on a heat-conducting metal substrate 9, which is used as the bottom surface of the evaporation chamber 1. The LEDs 8 are closed by an optically transparent cap 10, mounted around the perimeter of the lower surface of the evaporation chamber 1. On the upper surface of the evaporation chamber 1 are power supplies 11 LEDs 8 s functional sensors that provide control, monitoring and system reliability functions in certain climatic conditions, which are covered with a cap 12.

Теплопередающая система, из которой предварительно откачан воздух, заполнена теплоносителем в количестве, равном 2/3 от внутреннего объема испарительной камеры 1, и с температурой замерзания ниже климатической.The heat transfer system, from which air was previously pumped out, is filled with heat carrier in an amount equal to 2/3 of the internal volume of the evaporation chamber 1, and with a freezing temperature lower than the climatic one.

Например, в южных районах, где температура воздуха в зимний период не ниже +5ºС в качестве теплоносителя может быть использована дистиллированная вода, а в северных районах с температурой воздуха в зимний период ниже +5ºС в качестве теплоносителя могут быть использованы метанол, ацетон, этанол, температура замерзания которых ниже -60ºС.For example, in the southern regions, where the air temperature in winter is not lower than + 5ºС, distilled water can be used as a heat carrier, and in the northern regions with winter air temperatures below + 5ºС, methanol, acetone, ethanol can be used as a heat carrier, the freezing temperature of which is below -60ºС.

Осветительное устройство работает следующим образом.Lighting device operates as follows.

При подаче напряжения на светодиоды 8, они излучают световую энергию, при этом происходит выделение тепловой энергии, которая через подложку 9 передается жидкости, находящейся в жидкостной полости 3 испарителя 1. Жидкость испаряется или кипит (в зависимости от плотности теплового потока), превращаясь в пар и выделяя скрытую теплоту парообразования (которая высока у большинства жидкостей и превышает их теплоемкость в сотни раз), при этом давление пара в паровой полости 2 больше давления пара в конденсаторе 6, из-за разности температур между ними, и пар устремляется по паропроводу 4 в конденсатор 6, где конденсируется и отдает скрытую теплоту при превращении пара в жидкость конденсатору 6 и от него посредством радиатора 7 в окружающую среду. Образовавшийся конденсат возвращается по конденсатопроводу 5 в жидкостную полость 2 за счет действия гравитационных или капиллярных сил, тем самым, замыкая испарительно-конденсационный цикл теплопередачи.When voltage is applied to the LEDs 8, they emit light energy, and thermal energy is released, which is transferred through the substrate 9 to the liquid in the liquid cavity 3 of the evaporator 1. The liquid evaporates or boils (depending on the density of the heat flux), turning into steam and emitting latent heat of vaporization (which is high in most liquids and exceeds their heat capacity by hundreds of times), while the vapor pressure in the vapor cavity 2 is greater than the vapor pressure in the condenser 6, due to the temperature difference between mi, and the steam flows through the steam line 4 to the condenser 6, where it condenses and gives off latent heat when the steam is converted into liquid by the condenser 6 and from it by means of the radiator 7 into the environment. The condensate formed is returned via the condensate line 5 to the liquid cavity 2 due to the action of gravitational or capillary forces, thereby closing the evaporative-condensation heat transfer cycle.

Использование в качестве насоса для обеспечения циркуляции теплоносителя гравитационных или/и капиллярных сил, приводит к отсутствию движущихся частей в системе транспорта теплоносителя и к существенному увеличению срока службы.The use of gravitational or / and capillary forces as a pump for circulating the coolant leads to the absence of moving parts in the coolant transport system and to a significant increase in the service life.

Предлагаемая конструкция осветительного устройства позволяет трансформировать тепловую энергию от светодиодов, которые компактно расположены на металлической подложке, имеющей размер существенно меньше размеров радиатора, пространственно (от 10 см до нескольких метров) разделять источник (светодиоды) и сток тепла (радиатор), что, вместе с отсутствием движущихся деталей в системе охлаждения, создает положительный эффект, обусловленный увеличением термодинамической эффективности (за счет использования большой скрытой теплоты парообразования и в свободе размещения радиатора в местах наиболее интенсивной теплоотдачи при естественной и/или вынужденной конвекции) и функциональных возможностей предлагаемой конструкции системы охлаждения. Это приведет к уменьшению потребляемой энергии, увеличению светоотдачи светодиодной матрицы и срока ее службы при повышении эксплуатационной надежности всего устройства в целом.The proposed design of the lighting device allows you to transform the thermal energy from the LEDs, which are compactly located on a metal substrate having a size significantly smaller than the size of the radiator, spatially (from 10 cm to several meters) to separate the source (LEDs) and heat sink (radiator), which, together with the absence of moving parts in the cooling system, creates a positive effect due to an increase in thermodynamic efficiency (due to the use of large latent heat of the vapor knowledge and freedom of placement of the radiator in places of the most intense heat transfer during natural and / or forced convection) and the functionality of the proposed design of the cooling system. This will lead to a reduction in energy consumption, an increase in the light output of the LED matrix and its service life while increasing the operational reliability of the entire device as a whole.

Claims

1. An LED lighting device comprising LEDs located on a heat-conducting metal substrate and connected to a power supply, a radiator and a heat transfer system installed between the substrate with LEDs and a radiator, characterized in that the heat transfer system is made in the form of a closed two-phase circuit filled with a coolant, and includes an evaporation chamber with steam and liquid cavities, a steam pipe and a condensate pipe connected to the vaporization chamber and a condenser, wherein ator disposed in the radiator enclosure and the substrate with LEDs mounted on the evaporation chamber.

2. The device according to claim 1, characterized in that at least one of the surfaces of the evaporation chamber is used as a heat-conducting metal substrate.

3. The device according to claim 2, characterized in that the LEDs are closed by an optically transparent cap fixed along the perimeter of the surface of the evaporation chamber.

4. The device according to claim 1, characterized in that the steam pipe, condensate pipe and capacitor are made of flexible tubes, and the capacitor has the shape of a coil.

5. The device according to claim 1, characterized in that the radiator with the capacitor located in it is made by injection molding.

6. The device according to claim 1, characterized in that the radiator is placed in a place with maximum natural and / or forced convection.

7. The device according to claim 1, characterized in that the heat transfer system, from which the air has been previously pumped out, is filled with coolant in an amount equal to 2/3 of the internal volume of the evaporation chamber.

8. The device according to claim 1, characterized in that the heat transfer system is filled with a coolant with a freezing temperature below climatic.

9. The device according to claim 1, characterized in that the power supply is equipped with functional sensors that provide the control, monitoring and reliability of the system in certain climatic conditions.

10. The device according to claim 9, characterized in that the power supply of the LEDs with functional sensors is mounted on the surface of the evaporation chamber.

11. The device according to claim 1, characterized in that capillary or gravitational forces are used to return the condensate to the evaporation chamber.