WO2018042070A1 - Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales - Google Patents

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WO2018042070A1
WO2018042070A1 PCT/ES2017/070595 ES2017070595W WO2018042070A1 WO 2018042070 A1 WO2018042070 A1 WO 2018042070A1 ES 2017070595 W ES2017070595 W ES 2017070595W WO 2018042070 A1 WO2018042070 A1 WO 2018042070A1
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thermal
plates
plate
radiation
dimensional
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Lucas GARCÍA RODRÍGUEZ
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Eidopia, S.L.
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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • An opto-thermal system to be applied to lighting devices with heat dissipating elements, mainly passive for LED radiation sources, based on the implementation of one or more two-dimensional plates, with essentially flat faces, thermally, is presented and claimed conductors by phase change or thermal conduction, which directly transmit the heat generated by the radiation source, which is located in a central region of the system, in thermal contact with a central area of the plate or at the junction of plates, towards regions peripherals of the system, by contact of the flat faces of the plates with the fins, radiators or other flat faces of the body of the implantation device.
  • the referred thermal plates can be integrated into the system in two different configurations with respect to the main radiation direction of the radiation source: in parallel configuration, where the radiation direction of the source is parallel to the normal direction of the plate in the region thermal contact; or in "floating source” configuration, where it is perpendicular.
  • the present invention offers as main advantages, substantially improving heat dissipation in the LED devices that integrate it, simplifying the number of system components, without the need for specific components for dissipation and others for the system body, maximizing the use of the interior space, and in the case of a floating source configuration, used in combination with a suitable reflector, to enable a reflective optical assembly in which all the source radiation is reflected and controlled by the reflector.
  • SCOPE SCOPE.
  • the recommended system can be framed within the LED lighting devices or other radiation source characterized by heat dissipation systems, to improve the protection of the source against thermal deterioration, but also within the devices characterized by providing means for improvement of their effectiveness and optical control, finding application in the general lighting sector, whether it be store lighting, spectacular lighting, architectural, theatrical, sports, industrial, exterior, lampposts, with symmetric and asymmetric reflectors, flashlights, wall sconces, projectors, lamps, downlights and gimbal lights, injectors / couplers of fiber optic radiation, front for medicine or mining, and in automotive, applied to the headlights of vehicles.
  • the system can also be integrated as part of two-way and unidirectional communication systems, infrared emission (IR) heaters, UV radiation applications for curing epoxies and other materials, 2D and 3D printing, lithography, disinfection applications, purification and activation of chemical processes by radiation, as well as directional communication or detection systems, static or dynamic imaging system, photo-curing systems for the industry, as well as the growth of plants in horticulture, among others.
  • IR infrared emission
  • UV radiation applications for curing epoxies and other materials
  • 2D and 3D printing lithography
  • disinfection applications purification and activation of chemical processes by radiation
  • static or dynamic imaging system static or dynamic imaging system
  • photo-curing systems for the industry, as well as the growth of plants in horticulture, among others.
  • this light source requires heat dissipation systems to avoid overheating of the LED and ensure its correct operation.
  • the power supply is normally connected externally, although it can also be integrated into the product body itself.
  • active thermal systems are also used, highlighting those based on fans, vibrating membrane systems, or other systems for active liquid refrigerant pumping.
  • thermosiphon tubes also known as heatpipes. These are essentially cylindrical tubes with a liquid inside and fully sealed in a closed circuit, which transmit heat effectively by evaporation, when heated by the radiation source.
  • Patent US20080007954 of Jia-Hao Li, claims a heat dissipation system in which the body is an aluminum extrusion profile provided with semi-closed tubular gutters, with a horseshoe-shaped section, for longitudinally inserting the segments of heat pipe by phase change (heatpipes).
  • the system is noticeably more robust and is more integrated than those referred to above, although in practice it has significant technical and industrialization difficulties, among which the complexity of inserting heatpipes through the tubular gutters of the aluminum profile and achieving a Good thermal contact on the entire surface of the heatpipes, or thermally couple the LED plate, which has a flat base, with the heatpipes, which are tubes with curved faces.
  • this solution requires that part of the heatpipe be left out of one of the ends of the body of the system, because the heatpipe itself stops with the gutter (unless the gutters are opened more, damaging the contact and thermal transfer between heatpipe and body).
  • the present invention is similar to the aforementioned patent, since the heat generated is transferred from the innermost part of the system to the outermost region, although, in this case, heat transmitting plates with flat faces instead of tubes are proposed, as it has been taken into account that LEDs and LED boards are components with an intrinsically flat base. On the other hand, it is generally simpler, more precise and economical to produce pieces with flat surfaces than parts with curved surfaces. And, in addition, thermal contact between two flat surfaces is technically more efficient, and industrially easier to integrate.
  • the present invention seeks to provide a thermal solution based on two-dimensional thermal plates coupled to the essentially flat faces of the external body of the system, more integrated in the global system, which substantially improves the use of the system volume and heat transfer to the outside, making products more compact, simpler, more powerful, with greater heat dissipation capacity and, moreover, more economical.
  • a conventional reflector optical system does not allow full control of the light coming from the LED, since part of it escapes through the reflector's own opening without interacting with it, causing less light control and annoying glare.
  • an ideal lens system allows full control of light, since all light can interact with the lens (or lens system).
  • the lenses do not allow the passage of all the light when passing through it, as there is a proportion of unwanted reflections in each transition of radiation between media. These reflections produce optical losses and uncontrolled light, which also causes annoying glare;
  • optical systems are used that block (block) part of the radiated light, which reduces efficiency and increases the heat of the system.
  • the system object of the present invention allows the light source to "float" and face the reflector, so that the light of the LED source radiates "perpendicular" to the surface of the plate. In this way, all the light interacts with the reflector, without the need for any additional element that blocks the light, and without any glare. Therefore, the present object of the invention has a markedly greater optical efficiency and light control. In addition, it is not based on conducting the LED heat through solid metal plates where one of its major vertices is directly connected to the central part of a dissipation body.
  • thermo conductivity of aluminum and copper is a maximum of 209 W / (mK) or 385 W / mK, respectively, while the thermal conductivity of a heat plate of the present invention can reach 10 000 W / (mK).
  • thermosiphon tube such as the systems of HUIZHOU LIGHT ENGINE LTD and CREE, collected in Spanish patent ES2399 387, with its US version US20090290349, and US20100103678.
  • Patent US20090290349 essentially proposes an initial configuration corresponding to a cylindrical heat pipe by phase change that is thermally coupled to the outer perimeter ring to the outlet of the reflector. Since this heat pipe has an inadequate shape, with curved surfaces it is not easy to implement a good thermal transfer to the main body of the system, which weakens its thermal dissipation efficiency.
  • One of the advantages shown by the present invention is that almost all of the surface of the thermal plate in the peripheral region makes direct and integral contact, by means of flat faces, with the body of the system (Figure 13), which confers an advantage essential regarding existing solutions.
  • the referred system requires additional thermal elements such as coatings (102), which impair thermal transfer.
  • the mechanical pressure exerted to ensure thermal coupling is performed only between the liner and the body, and not between the liner and the heatpipe. That is, the critical surfaces that come into play in the heat transfer have no mechanical pressure, so the heat transfer is drastically reduced.
  • this type of system presents difficulties in the transfer of heat from the heat pipe to the rest of the system, essentially because thermally coupling a tube, with rounded surfaces and tapered ends, to the body, generally with flat walls, is mechanically more complex , less efficient and more expensive than coupling a flat plate to flat faces of the system body, which is one of the main bases on which the present invention is based.
  • the present invention allows an essentially new approach to an existing problem: the configuration in floating source, from the conception of a particular construction in which harmonically optical and thermal coexists, with the help of a two-dimensional thermal plate, that apparently seems a conceptually simple change with respect to the state of the art, but that offers a substantial improvement, with a real practical solution to a problem so far not solved.
  • the opto-thermal system based on two-dimensional thermal plates object of the present invention is formed as part of lighting devices with passive heat dissipating elements, consisting of the following components:
  • a body with essentially flat faces which can be made of extrusion, generally of aluminum, of cylindrical or square section, either a standardized profile or a special profile for this purpose, although other types of sections with or without some are also valid type of symmetry, with the possibility of a subsequent machining process, or an injection body, such as from two halves that, once assembled, imprison the flat faces of the thermal plates, or a drawing body , or notching, or manufactured by any other manufacturing process.
  • This body may have internal fins, with or without air intake inside, external fins or both internal and external fins, or not carry fins, when the power of the light source and the body surface so permits.
  • An optional optics to direct the light beam consisting of a lens, micro-lens matrix and / or a reflector, surface or solid of transparent material, with reflective surfaces - specular, semi-specular or white - or reflectors based on transparent materials with micro-prismatic surfaces that reflect light by total internal reflection, either through diffusers, or a hybrid system of the previous ones.
  • the reflectors can have protective glass or an iron or transparent sheet at the light outlet.
  • An optional anti-glare fence which settles the light source and improves visual comfort.
  • connection socket such as Edison E27, E40, GU10, GU5.3, G53, or by means of an electrified rail connector, or any other type of socket or connector, standard or customized, that allows the connection to the mains, batteries or other power system to be used as a lamp, luminaire or radiant device in general.
  • the system being essentially characterized by integrating in the lighting devices provided with these described components, as in the particular and non-limiting case of LED lamps and luminaires, a two-dimensional flat face plate, being able to be straight or be bent in various geometric shapes resulting on faces with developing surfaces (i.e., whose Gaussian curvature is zero since one of its main curvatures is zero), of a heat conducting material by phase change or by thermal conduction, or several of these plates joined together by their middle part, so that they directly transmit the heat generated by the radiation source, which is located in a central region of the system, in thermal contact with a central point of the plate, or at the junction of plates, towards peripheral regions of the system by the ends of the plate or plates, along the back, anterior or both parts of the system, by solidary contact of the flat faces of the plates with the fins, radiators or other flat faces of the implantation body.
  • Such plates are described as two-dimensional plates because one of its three dimensions, its thickness, is much smaller, in approximately an order of magnitude, than its other two dimensions (length and width).
  • the system can additionally include a thermally conductive base or platform by phase change or by thermal conduction attached to the plate or plate joint, which thermally connects them with The source of radiation.
  • the system may also have one or several additional internal heat sinks or radiators in thermal contact with the plate or plates, on the side adjacent to the light source, on the back or on some side of the body of the lighting device, or a complementary active dissipation subsystem, for example, by integrating a Peltier cell between the platform, which is in contact with the thermal plate, and plate where the source is located, and / or integrating a fan or vibrating membranes that favor a flow of air to increase the transmission of heat to the environment.
  • the two-dimensional thermal plates integrating the system and which are the essential component thereof, preferably consist of thermal plates by phase change, which confine within a very thin hollow structure, with one or several hermetically sealed cavities, a liquid, such as acetone or water, which absorb and transmit by evaporation the heat generated by the radiation source, although they can also be solid plates of a material with high thermal conductivity, metallic, ceramic, crystalline or other.
  • Thermal plates by phase change are constituted by a hollow body of flat faces, with one or several cavities or hermetically sealed chambers supported by some supporting pillars, as many as required depending on the power dissipated, their width and pressure requirements. These chambers have an adequate internal pressure to favor the evaporation of the liquid that confines in the working conditions, which absorbs and transmits the heat by means of phase change along the extension of the plate.
  • An essential feature is the supports or pillars of its inner microstructure that hold the outer flat faces. These allow very thin plates to withstand the internal suction pressure without deforming the faces of the plate due to the great vacuum of the chambers, while in a heat pipe it is not possible, therefore, despite having a greater surface thickness , do not possess this structural support, which makes, with the required vacuum pressure, the surface combe and collapse in case of trying to give flatness and fineness to the heatpipe, as illustrated in figure 16a.
  • these plates allow flat faces with a thickness of very fine material, which can be 0.1 mm thick, so that, on the one hand, it allows for better heat transfer, and on the other hand , plates with a smaller thickness, which is also a substantial difference with conventional heat pipes, which have an essentially cylindrical surface with greater thicknesses, which complicates the thermal transfer and affects the optical performance in floating source configuration.
  • the mentioned plates can have as many supports as required, they allow modularity in the growth of their width according to the needs of the system, without significantly affecting the optical performance.
  • Phase change extrusion plates constituted by extrusion profiles, generally made of aluminum, with hollow and hermetic channels longitudinal to the extrusion direction, which favor heat transfer in said direction, mainly developed for heat exchangers and condensers in air conditioning and refrigeration applications in the automotive and industrial market.
  • Laminated plates for phase change constituted by a sandwich structure of two thermally conductive sheets or films, of different materials and textures, preferably of copper or aluminum (although other films, plastics or other materials are also valid, since if they are thin enough, they conduct heat effectively), with an internal hollow cavity, hermetically sealed at its ends, or sealed by two other plastic outer films, such as PET, by a vacuum thermo-welded process, with various structural supports of internal lift that ensure the interior space of evaporation and condensation.
  • the inner faces of said conductive sheets or films that delineate the cavities of these plates can incorporate an internal material or structure that favors the transport of the liquid by capillarity, called a wick.
  • a wick can have a second layer of porous structure attached, which can be, for example, a copper mesh, copper metallic foam film, or the structure resulting from a sintering process of metallic powder, which, by capillarity, is soaked by the fluid and that acts as a wick.
  • This type of component is usually called heatspread when the two dimensions of the larger plate are similar.
  • the dimension that diametrically crosses the reflector is usually larger, so it could be called heatplate.
  • the internal channels of these thermal plates may be in closed loop and contain an internal structure that exerts a pressure difference (pumping pressure), by capillarity and geometry, sufficient to induce a flow of the circular liquid, without significantly intervening in the force of gravity (loop heatplate), or active elements such as a pump or similar, analogously to the aforementioned solution presented by FUJITSU at SEMITHERM 2015.
  • this implementation also allows bending and making "U" shaped plates, for example, as integrated into the system of Figures 21 and 23.
  • the laminated thermal plates simplify the number of components by combining several plates in one, and developing more complex shapes, as shown in figure 26. All thermal plates by phase change can have an internal division of the channels for reasons of optimization of their operation under change of orientation of the system, since this is dependent on gravity. This division is generally carried out in the region of contact with the source, normally dividing the plate into two similar half-plates. > Solid plates.
  • the two-dimensional thermal plates integrated in the system can also be solid plates of materials with high thermal conductivity, whether of metallic materials, such as copper or aluminum, ceramics, or crystalline synthetic materials, partially crystalline or derived crystalline compounds, by example, of carbon, such as diamond, graphite or carbon nano-tubes (at least periodic crystal in a spatial dimension).
  • These plates can also be a multilayer plate, formed by several layers or films, such as those derived from graphite (pyrolitic graphite sheet) and other layers that allow their adhesion, or by a mixture (blend) of materials such as ABS, nylon, polycarbonate , silicones, with the contribution of some other material, such as graphite, graphene, carbon nanotubes, boron nitride (BN), aluminum nitride (AIN), or others.
  • graphite pyrolitic graphite sheet
  • other layers that allow their adhesion
  • a mixture (blend) of materials such as ABS, nylon, polycarbonate , silicones, with the contribution of some other material, such as graphite, graphene, carbon nanotubes, boron nitride (BN), aluminum nitride (AIN), or others.
  • the mechanical fastening of all these two-dimensional thermal plates with the body of the system can be done with screws, by sliding, by clips, clamped the plate with another supplementary piece, like a sheet also inserted in sliding, by a strap, by glue, adhesive or double-sided film, by magnetic pressure or by any other known method that ensures convenient thermal contact.
  • these plates have a metallic, black or white finish, although other finishes are also perfectly valid, including different finishes on the same plate.
  • one or more electronic plates or power and / or communication lines that feed and / or control the radiation source can coexist, or form part of the plate.
  • All these plates can be presented in the implantation device according to two different configurations with respect to the main radiation direction of the light source: in "parallel configuration", where the main direction of the source radiation is parallel to the normal direction of the plate in the region of contact with the source, which favors an optimal heat transfer between the light source and the peripheral walls of the system body, or, in perpendicular configuration, which we will call “floating source configuration", where the aforementioned addresses are perpendicular, which enables an essentially reflective optical system whereby all of the source radiation is reflected by the reflector, with good heat dissipation and good radiation control, minimizing light disturbance with the thermal system .
  • the radiation source which has a flat base, is integrally coupled to the flat face of the thermal plate, so that the radiation direction of the source is parallel to the normal one of the plate in the contact area between the fountain and the plate.
  • non-symmetrical plates are also possible, such as "L” shaped plates, which transmit heat only along one side of the system body.
  • "X" plates can be integrated, with a single laminated plate or with several plates, which increases the transfer on all the sides of the system body. In more complex systems, the plate can have ramifications to optimize heat transfer, according to the specific geometry and requirements. On the other hand, these plates can reach the back of the implantation device, which increases the heat dissipation capacity.
  • This configuration of the system allows the already mentioned incorporation of one or several additional heat radiators in solidarity contact with the flat internal faces of the plate, both on the opposite side where the source of radiation is located, as on the side parts of the platen.
  • the radiation source is essentially suspended and held by one or more two-dimensional thermal plates so that all source emission radiation is made perpendicular to the faces of the plate in the region of contact between the plate and the source, and interacts all with the optics, and so that the flat faces of the thermal plate make solidarity contact with flat faces belonging to the body of the system.
  • This construction maximizes thermal transfer to the outside and, thanks to the flat geometry of the thermal plate, the interaction of the light reflected by a reflector with the thermal system is minimized, improving efficiency, light control and visual comfort.
  • the floating source configuration allows extremely narrow and focused light distributions with large reflectors with generally paraboloid or elliptical surfaces, since all the light interacts with the reflector, which is relatively easy to industrialize.
  • the plates are generally straight, although in more optimized constructions they can be curved, as, for example, in the form of "U”, or adopt more sophisticated forms. It also enables cross plate arrangements in the reflector.
  • the plate or plates can partially section or intersect the reflector, although the most common way is that they only intersect with the anti-glare fence, thermally connecting the source of radiation to the projector body.
  • a heat radiator can be integrated inside the body connected to the thermal plate, in the opposite edge of the source, or longitudinally to the body.
  • the plates in this configuration in floating source may have radiation sources, or LEDs, of lateral emission whose base or electronic PCB board is integral with some of the faces of the plate as described in Figure 37.
  • the main optics can be constituted by a surface or volumetric reflector, where the surface can be metallized or prismatic.
  • the optics are made of a dielectric material, such as PMMA, PC or silicone, it can be totally or partially embedded in the light source and / or the plate.
  • the curvature of the reflector can be designed to minimize the possible interaction of the light reflected by the reflector with the light source itself or its support, including the thermal plate.
  • the plates can support an additional optics close to the radiation source, such as a mini-lens or a mini-reflector.
  • an air flow between an anti-glare and optical fence so as to increase heat transfer to the environment.
  • Light radiation distributions can be modified or redistributed in a controlled manner by inserting additional optical components such as a lens, a Fresnel lens, a micro-lens array.
  • additional optical components such as a lens, a Fresnel lens, a micro-lens array.
  • a flat plate of glass or other material such as methacrylate or polycarbonate into the light outlet to protect the system.
  • These elements can also be incorporated just before the anti-glare fence and allow to provide well-defined patterns, such as oval, linear, or square patterns, among others.
  • the beam of light can also be manipulated by axially moving optical elements, by axial displacement of the reflector, the platform, the plate, the lens or micro-lens matrix, as described below by drawings in the form of realization.
  • a flexible reflector or a flexible lens which, by means of pressure or mechanical traction, is deformed conveniently to change the distribution of the beam.
  • these optical components are usually silicone or polyurethane.
  • the described system can be part of an imaging system so that the light outlet of the opto-thermal system object of the invention can include and illuminate an image-forming system by light transmission, such as a slide, a gobo with a static image or its outline, an LCD panel, or a DMD chip, with dynamic images, for example, along with a lens and / or mirror system that focuses and projects said image in a region of the specific space.
  • an image-forming system by light transmission such as a slide, a gobo with a static image or its outline, an LCD panel, or a DMD chip, with dynamic images, for example, along with a lens and / or mirror system that focuses and projects said image in a region of the specific space.
  • Thermal improvements - Better surface contact and thermal transfer between the body and the thermal plate, and between the source and the plate, since there is a solidarity connection between flat faces of the components, while in existing solutions cylindrical heat pipes are proposed , whose surface is difficult to thermally effectively engage the rest of the system components, even with the help of additional coatings, making it necessary to bend the heatpipe in "S" to increase the contact area and improve the transfer (expensive and large process manufacturing deviations and quality problems).
  • the heat transmission is carried out towards the external body of the system, while existing solutions do so only towards a peripheral ring of the outlet of the reflector, which has no fins or radiant heat elements. That is, the present invention also transfers the heat axially, directly to the nuclear part of the body that contains convection fins, thanks to the width of the plate and / or the construction of the system, which maximizes the transfer capacity of the heat to the environment.
  • the effective section of the plate thickness also influences the light distribution.
  • a tubular system disturbs the output radiation of the system more, causing unwanted shadows, than a two-dimensional plate.
  • the proposed construction is compatible with an extrusion body whose length can be adjusted according to the power of the integrated radiation source, which presents great adaptability, without the need for new developments and new investments associated with a new body.
  • the described system can be implemented and integrated as a means of directional communication -radia / communicates in a specific spatial / angular direction- (and therefore safer and with less interference), unidirectional or bidirectional, using VLC (Visible Light Communication), LIFI (Light Fidelity) technology or any other electromagnetic radiation, including outside the visible spectrum, that can emit the source and detect the sensor. That is, with the incorporation of a radiation sensor close to the source, for example, the system, by means of the source, is capable of sending digital radiation signals for sending data, and the referred sensor, of receiving them, both in A certain address. In this way it is possible to establish a communication in which the opto-thermal system is the signal transducer.
  • VLC Vehicle Light Communication
  • LIFI Light Fidelity
  • This system allows high-speed data to be transmitted, and is more secure than a basic laser communication system, since the latter presents, in addition to difficulties in the tolerances and disturbances of the radiation direction, it has a much higher power space density at the same power, which is more likely to cause irreparable damage to living beings by overexposure.
  • this device can be connected to a private network, or to a public network, such as the Internet (loT - Internet of Things) via wireless connection of any kind, such as WIFI, ZigBee, Z-Wave, Bluetooth or infrared, or via dedicated cable or PLC (Power Line Communication).
  • the power supply can also be done using PoE (Power on Ethernet).
  • the system can also be controlled by a mobile device, such as a smartphone, electronic tablet, a computer, or other similar mobile device.
  • a system consisting of a plurality of the opto-thermal subsystems described with a particular distribution, such as in a linear or two-dimensional matrix, is also included.
  • the present invention seeks to solve the thermal, mechanical and optical problems exposed by one or more two-dimensional thermal plates in a floating source configuration so that its construction maximizes thermal transfer, simplifies the manufacturing of the system and minimizes the light interaction with it and the total volume of the system.
  • Figure 1 shows the head of a standard LED cylindrical projector, with extrusion body and a solid aluminum heat sink with fins or heat radiators
  • figure 2 shows typical projectors with external power equipment (variant a) and internal (variant b and c).
  • FIG 3 shows two applications of known dissipation systems, based on "heatpipes", for projectors of the above type.
  • Drawing a) shows a thermal system with heatpipes and transverse metal plates inside the body
  • drawing b) is a detail of a thermal system where heatpipes are located in the central part of an aluminum extrusion profile with radial fins .
  • Figure 4 shows a diagram of the existing solution according to the ES2365031 patent and the MEGAMAN system, where the LEDs are located on a wall based on the product body.
  • Figure 5 shows in detail the thermal coupling in a floating source configuration in two constructions with tubular heat ducts of the patents ES2399387 and US20090290349.
  • Thick lines indicate surfaces that are under mechanical pressure, essential for proper heat transmission.
  • Figure 6 shows how to implement a two-dimensional thermal plate in parallel configuration in the body of an LED device incorporating internal dissipation fins
  • Figure 7 is an isometric view of the exploded view of components of the system thus formed.
  • Figure 8 is a sectioned perspective view of a body of a projector of cylindrical section without (a) and with (b) additional internal fins to those of the body, in contact with the thermal plate, behind the radiation source , and in figure 9 an internal power supply is added to both device variants.
  • Figure 10 shows how to implement the invention in a floating source configuration in an LED device with extrusion body with radial fins, in which in drawings c) and d) the fence-reflector assembly has been removed for a better understanding of construction
  • Figures 11 and 12 are two variants in isometric views of the essential elements of the opto-thermal system in floating source configuration of the device of the previous figure.
  • Figure 13 contains a detailed isometric drawing of the thermal coupling between a two-dimensional plate and the system body (a), and a schematic of the mechanical pressure lines of the flat faces of the body on the flat faces of the plate.
  • Figure 14 is an illustrative drawing of the optical differences between the current configuration solution of LED devices in floating source, with heat pipe, and the invention solution with thermal plate.
  • Figures 15, 16 and 17 are cross-sectional views of the structure of two-dimensional thermal plates by phase change of different modules, including in figure 16a a conventional heatpipe or heat pipe for comparative purposes.
  • Figure 18 shows a cross-section of a two-dimensional thermal plate by multichannel extrusion phase change in perspective view.
  • Figure 19 shows different variants of a two-dimensional thermal plate by change of laminated phase, cross-sectional views, and Figure 20 the distributions of separators or structural pillars of some of these variants, plan views.
  • Figures from 21 to 33 show different embodiments of the system implemented in parallel configuration in several LED lighting devices, some with corresponding breaks or component details.
  • Figure 34 illustrates three schemes of (a) surface, b) and c) volumetric optics) in floating source configuration.
  • Figures 35 to 52 show different embodiments of the system implemented in floating source configuration in various LED lighting devices, including the headlight of a car ( Figure 51), some with corresponding component parts.
  • Figure 53 schematically illustrates different configurations of the floating source system that allows varying the beam of output light by axial displacement a) of the reflector, b) of the platform, c) of the plate, d) of the lens or micro matrix -lens, or by deformation of e) the reflector, of) the lens.
  • Figures 54, 55, 56 and 57 illustrate mechanisms in devices that allow varying the light beam in some of the ways outlined in the previous figure.
  • Figure 58 shows two schemes of systems in floating source configuration with mini-reflector (a) and with mini-lens (b) near the radiation source.
  • Figure 59 is a schematic drawing of the system in floating source configuration associated with an imaging system using a gobo or LCD.
  • Figure 60 shows an accent lighting luminaire with a two-dimensional thermal plate in a floating source configuration, chosen as a preferred embodiment of the invention.
  • the opto-thermal system developed is applied to any LED lighting device, or another source of radiation of the visible or non-visible spectrum, based on a body with at least some flat faces, where you are faces may preferably be the fins or radiators of heat dissipation arranged radially or longitudinally in a body of revolution.
  • a typical LED cylindrical projector such as those shown in the drawings of figures 1 and 2, consisting of a radiation source (2) LED, an optic (3) with anti-glare fence (4), a power supply unit (5) , which can be external (figure 2a) or internal (figure 2b and 2c), and by a body (1) with a solid and independent extrusion heatsink (13) with heat radiating fins, due to the intrinsic architecture of the design, the transfer of heat to the outside may be ineffective, since, generally, these fins and the hottest parts of the heatsink face the outside, except in some cases the furthest end to the radiation source, which is the least effective part to dissipate, it is the coldest.
  • the solid heatsink (13) is essentially replaced by a two-dimensional flat-face plate (7) bent in a symmetrical "U", in thermal contact by its central part with the radiation source ( Figure 6), which can be installed in parallel configuration by contacting its two wings with the body of the projector, thus forming a thermal system that improves heat transfer from the radiation source to the outside of the device.
  • the radiation source (2) can be regulated in radiation intensity and in the spectrum or bands of radiation frequencies, such as a multi-LED system with LEDs of various dominant colors, for example, an RGB system, or LEDs or other source of radiation outside the visible spectrum for special applications, or mixed systems, with infrared, visible and ultraviolet spectrum radiation.
  • This control can be carried out in an open loop, or by means of a closed loop electronic feedback circuit so that the light levels and spectral characteristics are adjusted accordingly with the desired reference.
  • the system may also include an additional internal radiator heatsink (9) in thermal contact with the plate, in the opposite part of the radiation source, as it is in the cylindrical projector shown in Figure 8b and in the projector with integrated feeding equipment (5) of figure 9b.
  • Figure 10 shows a simple embodiment of a cylindrical extrusion body projector (1 1) with reflector (32) and anti-glare fence (4) in which the opto-thermal system is implemented in floating source configuration based on a two-dimensional plate flat and straight (7), taking advantage of the internal radial fins of dissipation with flat surfaces of the extrusion body (11) for insertion in integral contact with the flat faces of the ends of the plate with said body.
  • the radiation source (2) is positioned and thermally coupled to the plate by a cylindrical platform (8), so that all emitted radiation is directed to the reflector.
  • Figure 11 shows the essential elements of the aforementioned floating source system in a projector where the anti-glare and reflector fence are a single piece, and in Figure 12, in a projector where the fence and reflector are two pieces.
  • figure 13b shows in detail a possible thermal coupling between the two-dimensional plate (7) and a cylindrical body (1) of the projector (figure 13a), by contact between the ends of the plate and the radial fins of the heat sink , as well as a diagram of the pressure lines of the body on the plate in the area of contact with the fins ( Figure 13b), according to a cross-sectional view that reveals the internal hermetic cavities (71) and the structural supports (72) of a thermal plate by phase change.
  • the black lines represent the pressure surfaces, which are precisely those involved in heat transfer.
  • Drawing a) illustrates the currently existing solution, which is higher optical disturbance -and thermal load- due to the use of a heat pipe (101) inside a coating (102), which interacts with the light beam coming from the radiation source (2) located below it, when it is reflected in the reflector (32), while drawing b) is a solution with a two-dimensional thermal plate (7), which by thinning the interaction surface, reduces the thermal load by radiation, decreases the optical disturbance and substantially improves the efficiency of the system.
  • the two-dimensional terminal plates (7) on which the opto-thermal system in question is based are ideally thermal plates by phase change, of the type shown in Figure 15, according to a drawing in longitudinal section of the plate. Its constructive characteristics allow extremely thin plates, thanks to the internal structural pillars (72), which withstands the low internal pressure and allows very small face thicknesses and, in this case, also conform the characteristics of the interior cavities (71) of confinement of the liquid that undergoes the change of phase, such as water or acetone, with a great capacity of heat transfer, and without structural limitations of width, since they are based on a modular structure.
  • Figure 16 compares the section of a typical lightly crushed heatpipe (101) (drawing a) with that of a basic two-dimensional plate by phase change (drawing b).
  • the heatpipe (101) has essential constructive limitations when trying to be flattened, since the internal vacuum necessary for its operation causes its faces to combine, which causes it to lose its void and collapse, negatively affecting its operation.
  • the two-dimensional thermal plate which is characterized by having 2D or 3D pillars or reinforcements (72) between its flat faces capable of supporting the vacuum necessary for the evaporation of the fluid inside at the working temperature, which is
  • the mechanism for extracting heat from the system can be shaped according to an extremely fine structure, with thicknesses of very fine material, which is an essential advantage over a heatpipe already mentioned in the compendium section of the invention.
  • a thermal plate with one or several structural supports (72), which support the two flat faces of the hermetic system against internal vacuum, can be easily modulated and / or dimensionable without a significant detriment to the system's performance, as schematized in the drawings of Figure 17.
  • This modularity which allows a two-dimensional thermal plate width to grow according to the needs of the system, is a fundamental improvement over a heatpipe.
  • These cavities can have the additional wick functionality that, by capillarity, supplies the liquid that will be evaporated in the immediate vicinity of the heat source.
  • Figure 18 shows a cross-section of one of these multi-channel thermal plates, with seven channels that act as airtight chambers (71) with striated walls to improve their capillarity. Power cables and / or control cables can be inserted through one of these cavities.
  • thermo plates by phase change are the laminates (77), constituted, as indicated above, by a sandwich structure of at least two sheets or conductive films (74) that are hermetically sealed at their ends , or by two other plastic outer films (75). Inside are structural support supports (72).
  • FIG 19 different implementations of a two-dimensional thermal plate are represented by change of laminated phase: two sheets (74), generally, metallic of copper or aluminum, which embed: a) two porous layers (76) separated by plastic pillars; b) a porous layer (76) with longitudinal structural combs (72) of the same material; c) a porous layer (76) and a three-dimensional structure with pillars (72) hexagonally distributed with a common platform; d) a mesh that acts as a wick (76) and structural support (72); e) two layers of porous material (76) separated by a metal mesh (72).
  • a structure identical to case e) is shown, but embedded and hermetically sealed by two outer plastic films (75).
  • Figure 20 shows the detail of some distributions of separators or structural pillars (72) that allow to support the vacuum pressure of the two-dimensional thermal plate, without limitation.
  • Case a) corresponds to the description of Figure 19a and 19c; case b) to figure 19b and case c) to figure 19d.
  • Figure 21 shows a projector body (a) and an exploded view (b) with the main components of the opto-thermal system in parallel configuration, with reflector (32), radiation source (2), folded two-dimensional thermal plate (7) U-shaped symmetrical, extrusion body (1 1) with external fins, internal feeding equipment (5), and rear closure cover of the body.
  • This configuration of the system allows the novel incorporation of one or several additional radiators in contact with the internal flat faces of the plate, both on the opposite side where the source of radiation is located, as on the side parts thereof, which It is perfectly represented in Figure 22 with an extrusion body (1 1) of a cylindrical projector with internal fins and two-dimensional thermal plate (7), which incorporates additional heatsinks (9) in different regions of contact with the thermal plate.
  • two-dimensional plates can be implanted, according to different geometric shapes, with different types of projection bodies.
  • the body of a projector with a square section and internal fins is shown as shown in Figure 23, with three rear two-dimensional thermal plates in contact with all the lateral faces of the body; two "L” shaped plates, and one "U” shaped, which forms a subsystem of "X" plates.
  • Another example is the body of the LED projector of square section, without fins, with four lenses (31) supported on a transverse and internal LED plate of Figure 24, which allows an "X" arrangement of "U-shaped thermal plates. "on both sides of the plate; This solution increases the transfer in the entire periphery of the system body.
  • the main elements of this type of projector are those shown in the exploded drawing of Figure 25.
  • the laminated two-dimensional thermal plates (77) allow simplifying the number of components by combining several plates into one, as in the case of the two devices commented.
  • the plate can have ramifications to optimize heat transfer, as is the case, for example, of the head of a projector like that of Figure 26, where the laminated two-dimensional thermal plate (77) with branches of the figure 27 is integrated in parallel configuration.
  • the body of the projector of Figure 28 is an example of an extrusion body (1 1) of cylindrical section with external and internal longitudinal fins, in which a two-dimensional thermal plate is implanted in parallel configuration, while the body of the projector of the Figure 29 presents longitudinal internal fins and an additional heatsink (9) at its rear in contact with the two-dimensional thermal plate, which increases the heat dissipation capacity.
  • Figure 30 shows a body of a projector of cylindrical section based on a standardized extrusion tube with a two-dimensional thermal plate that, being essentially flat, can be slightly curved to adapt to the surface of the cylindrical body or to be coupled by a thermal blanket, a metal support or similar element.
  • the anchoring system of the elements in the cylinder is similar to existing plumbing solutions with a deformable O-ring (103).
  • Figure 31 shows the main construction elements of the body described.
  • the main optics may consist of a surface or volumetric reflector, such as based on a transparent dielectric material, such as PMMA, PC or silicone, or glass. This can be totally or partially embedded in the source of radiation and / or the thermal plate.
  • a surface reflector there is a surface reflector, and the center (b) and the one on the right (c) refer to optics constituted with a transparent volumetric material inside, which protect the optics and / or the radiation source .
  • the reflection can be performed on the surface by the metallic finish of the optical part or by a micro-prismatic structure that reflects the light by total internal reflection.
  • FIG 35 shows different opto-thermal systems in this configuration in front view, with one, two, three and four two-dimensional thermal plates of thermal connection between the radiation source and the periphery of the system.
  • Figure 36 illustrates three different opto-thermal systems in floating source configuration: drawing a) with external fins, drawing b) with side ventilation openings (36), and drawing c) with front ventilation openings (36) , these last two with internal dissipation fins.
  • the plates can have radiation sources or lateral emission LEDs (21) whose electronic board is parallel and coincides with some of the faces of the two-dimensional thermal plate, as shown in the device of figure 37.
  • the two-dimensional thermal plate can even be formed by the electronic board itself.
  • Figure 38 represents a LED lamp of diameter 11 1 mm with socket (6) of type E27 and incorporating the technology of the present invention in a floating source configuration, with two thermal plates (7) in cross and flat protection glass (33) at the light outlet. Each half of the plate has an independent thermodynamic system, with independent hermetic chambers, which, in many cases, improves the operation before orientations, since gravity influences the system.
  • Figure 39 is an exploded view of the essential components of this type of lamp.
  • Figure 40 shows a comparative view in section of a lamp with two-dimensional thermal extrusion plate (drawing a), and a lamp with two-dimensional laminated thermal plate (drawing b). The latter allows greater flexibility of shapes, as it adapts to particular designs.
  • Figure 41 illustrates a downlight ceiling recessed luminaire using strips that implements the opto-thermal system in floating source configuration.
  • the plates are generally straight. However, in more optimized constructions they can be curved, as, for example, in the form of "U”, as seen in the projector of figure 42, whose essential elements are represented in figure 43; namely: anti-glare fence (4), platform (6) of the radiation source (2) LED, two-dimensional thermal plate (7), reflector (32) and extrusion body (1 1).
  • the LED lamp with the invention system of Figure 44 is an example of a body implemented by an extrusion profile (1 1) subjected to a subsequent machining process.
  • the LED printed circuit is directly coupled to the edge of the two-dimensional thermal plate (7) divided into two halves. Both halves of the plate have independent hermetic chambers (where the fluid is located), since, in this way, in many cases the system is more robust in the face of changes in orientation.
  • Such a heatsink can also be manufactured using a flat aluminum extrusion plate sealed by press drawing.
  • Figure 45 shows two possible subsystems of thermal plates that can be integrated into a projector in a floating source configuration: two-dimensional laminar (77) mono-component thermal plate (drawing a), and a set of three simple plates replacing a plate in "U" mono-component (drawing b).
  • the latter may be more convenient for manufacturing costs, although it is also possible to bend a two-dimensional thermal extrusion plate to give a similar piece, with a certain rounding, as in Figure 43.
  • the main optic may be constituted by a surface or volumetric, metallic or prismatic reflector.
  • the image on the right (b) shows The detail is this reflector based on transparent materials with micro-prismatic surfaces, which reflects the light emitted by the radiation source (2) by total internal reflection.
  • These micro-prisms can be more complex, not necessarily aligned with the radii of the reflector or with the same length.
  • the device of Figure 47 illustrates in several views a way in which an additional heat radiator (9) can be integrated inside the body connected to a thermal plate Two-dimensional flat, longitudinally to the body, which transfers heat from the radiation source to the external body and to the internal fins of the additional heatsink. In this case all these fins are longitudinal to the air flow, which favors heat transfer.
  • components, such as the optical system, have been removed for a better understanding of them.
  • Figure 48 shows the main components of a simplified AR1 lamp 11 with central ventilation opening (36) for that purpose, and Figure 49 the body of a projector with central ventilation opening (36) in the main reflector. It is also possible to allow an air flow between an anti-glare fence and the optics, as shown in the drawings of Figure 50, which correspond to the cross-sectional view of a lamp (drawing a) and a projector (drawing b) with a thermal plate in floating source configuration, which favors air flow and heat transfer.
  • FIG. 51 An example of a projector with two-dimensional thermal plate, where the reflector does not have symmetries, is shown in Figure 51.
  • This type of system can be integrated as vehicle headlights or street lighting so as to avoid direct glare of the radiation source.
  • the light radiation distributions can be modified or redistributed in a controlled manner by inserting additional components into the optics, or by mechanically influencing the shape of the reflector and / or its relative position on the axial axis with respect to the radiation source
  • the schematic drawing of Figure 52 shows a device with a thermal plate in said configuration incorporating a thin refractive optic composed of a matrix of micro-lenses (37) that make up the beam of output light.
  • This microstructure can be rotated or displaced, so that, together with a faceted or microstructured reflector or lens, it modulates the light distribution.
  • Figure 53 shows six strategies of floating source optical systems that allow varying the beam of output light, either manually, or by means of actuators and motors, by axial displacement: a) of the reflector, b) of the platform, c) of the plate, d) of the lens or micro-lens matrix, or by deformation of e) the reflector, of) the lens.
  • the first scheme (a) illustrates an optical system with axially mobile reflector that changes its distribution depending on the position of the reflector.
  • the following illustrations (b and c) are similar, except that in these cases the platform and the thermal plate move longitudinally, respectively.
  • a mobile lens is displaced to manipulate the distribution.
  • Figures 54, 55, 56 and 57 illustrate some details of the manipulative systems of the described beam.
  • Figure 54 shows the detail of a variable beam optical system with regulation of the positioning of the radiation source, integral to its platform, which is axially displaced by rotating it. This detail illustrates an example of mechanical implementation of the system depicted in Figure 53b.
  • Figure 55 shows a system with a movable mechanism that allows axial displacement of the reflector with respect to the radiation source thanks to guides in the reflector or thread, which provides a regulation of the distribution of the light beam. It is not necessary that these guides pass through the piece forming an opening.
  • the anti-glare fence is in solidarity with the body of the system.
  • the system is an example of the implementation of the system represented in Figure 53a.
  • Figure 56 shows the exploded view of the essential parts of the system of the previous figure, where the radiation source PCB comprises a large part of the edge of the thermal plate and contains five LEDs: red, green, blue and amber, and a presence sensor in the center.
  • Figure 57 represents the implementation of an opto-thermal system in floating source configuration with variable beam optics by means of a fixed reflector and an axially movable lens.
  • This system is a possible implementation of the system shown in Figure 53d.
  • Examples of thermal plates that incorporate an initial optic near the radiation source we have them in the schematic drawings of Figure 58 on systems with: a) a mini-reflector (35) and b) a mini-lens (34), both next to the radiation source to adapt the radiation directed to the reflector, protect the radiation source and / or shield the direct radiation from the source by optical leaks.
  • Figure 59 shows a diagram of the opto-thermal system of the invention in a floating source configuration associated with a light transmission image projection system, such as an LCD or a gobo (104), with one or several lenses (31 ), which can be mobile to properly adapt the image on the surface to be projected.
  • a floating source configuration also allows the illumination of DMD chips to represent images by reflection.
  • a similar system with an elliptical, or pseudo-elliptical, optics can be integrated as a subsystem for fiber optic light injection.
  • one of the preferred embodiments is the compact adjustable light projector with two-dimensional thermal plate in floating source configuration of Figure 60, constituted by a two-dimensional thermal plate (7) in an aluminum extrusion body (1 1) , an anti-glare fence (4), a reflector (32) with essentially cylindrical symmetry, a platform (8) located in the central part of the plate, a source of LED radiation (2) integrated in the platform, and a power equipment (5) adjustable, so that the heat generated by the LED is efficiently transferred to the outermost part of the system, further characterized in that:
  • the two-dimensional thermal plate has its flat faces and is multichannel, so that each channel is separated by a structural wall (72) essentially perpendicular to the face of the plate, which supports the pressure from the outside, and each channel (71) is Hermetically sealed, partially filled with acetone, and vacuum.
  • the aluminum extrusion body of the luminaire has an essentially circular section, with inner fins, and has grooves with flat faces where part of the thermal plate is inserted, allowing direct and solidary contact between the thermal plate and the body.
  • the system is in a floating source configuration so that the LED radiates perpendicular to the faces of the plate and faces a reflector that redirects all the radiation coming from the LED.

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Abstract

Sistema opto-térmico para dispositivos de iluminación con elementos disipadores de calor, principalmente para fuentes de radiación LED con disipadores pasivos, basado en la implementación en dos configuraciones distintas, paralelo o "fuente flotante", de una o varias pletinas bidimensionales con caras planas, rectas o dobladas, térmicamente conductoras, mediante cambio de fase o conducción térmica, que transmiten directamente el calor generado por la fuente de radiación, que se encuentra en una región central del sistema, en contacto térmico con un área central de la pletina o en la unión de pletinas, hacia regiones periféricas, por contacto de las caras planas de las pletinas con las aletas, radiadores u otras caras planas del cuerpo d el dispositivo de implantación. Este sistema mejora la disipación de calor y el aprovechamiento del espacio en los dispositivos que lo integran, y en caso de configurarse en fuente flotante, posibilita un conjunto óptico-reflexivo en donde la totalidad de la radiación de la fuente es reflejada y controlada por el reflector.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales.
Se presenta y reivindica de invención, un sistema opto-térmico para ser aplicado a dispositivos de iluminación con elementos disipadores de calor, principalmente pasivos para fuentes de radiación LED, basado en la implementación de una o varias pletinas bidimensionales, con caras esencialmente planas, térmicamente conductoras mediante cambio de fase o conducción térmica, que transmiten directamente el calor generado por la fuente de radiación, que se encuentra en una región central del sistema, en contacto térmico con un área central de la pletina o en la unión de pletinas, hacia regiones periféricas del sistema, por contacto de las caras planas de las pletinas con las aletas, radiadores u otras caras planas del cuerpo del dispositivo de implantación.
Las referidas pletinas térmicas pueden integrarse en el sistema en dos configuraciones distintas respecto a la dirección principal de radiación de la fuente de radiación: en configuración paralela, donde la dirección de radiación de la fuente es paralela a la dirección normal de la pletina en la región de contacto térmico; o en configuración de "fuente flotante", donde es perpendicular.
La presente invención ofrece como ventajas principales, el mejorar sustancialmente la disipación de calor en los dispositivos LED que lo integran, simplif icar el número de componentes del sistema, sin necesidad de componentes específicos para la disipación y otros para el cuerpo del sistema, maximizando el uso del espacio interior, y en caso de la configuración en fuente flotante, utilizado en combinación con un reflector adecuado, el posibilitar un conjunto óptico reflexivo en donde la totalidad de la radiación de la fuente es reflejada y controlada por el reflector. CAMPO DE APLICACIÓN.
El sistema preconizado puede enmarcarse dentro de los dispositivos de iluminación LED u otra fuente de radiación caracterizados por sistemas de disipación de calor, para mejorar la protección de la fuente frente al deterioro térmico, pero también dentro de los dispositivos caracterizados por proveer medios para la mejora de la eficacia y control óptico de los mismos, encontrando aplicación en el sector de la iluminación en general, ya sea de iluminación de tiendas, iluminación espectacular, arquitectónica, teatral, deportiva, industrial, exterior, farolas, con reflectores s imétrico y asimétricos, linternas, apliques de pared, proyectores, lámparas, downlights y focos cardánicos, inyectores /acopladores de radiación en fibra óptica, frontales para medicina o la minería, y en automoción, aplicado a los faros de vehículos. El sistema también puede ser integrado como parte de sistemas de comunicación bidireccional y unidireccional, calentadores de emisión infrarroja (IR), aplicaciones de radiación UV para el curado de epoxis y otros materiales, impresión 2D y 3D, litografía, aplicaciones de desinfección, depuración y activación de procesos químicos por radiación, así como sistemas de comunicación o de detección direccionales, sistema de proyección de imágenes estáticas o dinámicas, sistemas de foto-curado para la industria, así como el crecimiento de plantas en horticultura, entre otros.
ESTADO DE LA TÉCNICA. El continuo desarrollo de la tecnología LED (diodo emisor de luz) en la industria de la iluminación ha motivado la concepción de nuevos sistemas ópticos y térmicos asociad os a esta fuente de luz que posibilitan mejorar sus prestaciones.
Desde el punto de vista térmico, esta fuente de luz requiere sistemas de disipación de calor para evitar el sobrecalentamiento del LED y asegurar su correcto funcionamiento.
Actualmente, la estrategia más habitual para la disipación del calor del LED se realiza mediante el uso de radiadores de calor pasivos constituidos por una base maciza, generalmente de aluminio, en contacto directo con la placa (PCB) donde se encuentra el LED o los LEDs, con aletas o pilares (pin-fins) que favorecen la transferencia térmica del calor al entorno por convección (figura 1 y 2). En muchos casos, estas aletas están cubiertas por una carcasa por cuestiones estéticas, dificultando la disipación de calor.
Debido al gran volumen y peso que ocupa el disipador, además de razones térmicas, el equipo de alimentación, normalmente va conectado externamente, aunque también puede integrase en el propio cuerpo del producto.
En algunos casos también son empleados sistem as térmicos activos, destacando aquéllos basados en ventiladores, sistemas de membranas vibrantes, u otros sistemas por bombeo activo de refrigerante líquido.
De forma algo más minoritaria, y originariamente desarrollados para disipación en electrónica de potencia en aplicaciones militares, aeroespaciales, y posteriormente para microprocesadores y tarjetas gráficas, también son empleados sistemas de disipación pasiva basados en tubos termosifones bifásicos, también conocidos como heatpipes. Éstos son esencialmente tubos de sección cilindrica con un líquido en su interior y totalmente herméticos en un circuito cerrado, que transmiten el calor eficazmente mediante evaporación, al ser calentado por la fuente de radiación.
Generalmente, los sistemas actuales basados en heatpipes transmiten el calor generado en el LED solamente a través de su zona central, es decir, de forma troncal a lo largo del núcleo o región interna del sistema. La transferencia del calor desde el interior hacia regiones externas del sistema se realiza mediante el acoplamiento térmico de una pluralidad de aletas metálicas a estos tubos, que desprenden el calor al exterior por convección, tal y como se muestra en la figura 3 del apartado de figuras de la presente memoria. Normalmente estos sistemas son concebidos y diseñados como un componente independiente y autónomo, frágil y difícilmente integrable en el interior del sistema global: o van al aire del sistema, lo que los hace muy vulnerables a las inclemencias externas, o van cubiertos, reduciendo su capacidad de disipación del calor al exterior. La patente US20080007954, de Jia-Hao Li, reivindica un sistema de disipación de calor en el que el cuerpo es un perfil de extrusión de aluminio provisto de canalones tubulares semi-cerrados, con sección en forma de herradura, para insertar longitudinalmente los segmentos de tubo de calor por cambio de fase (heatpipes). El sistema es notablemente más robusto y queda más integrado que aquéllos referidos anteriormente, si bien, en la práctica tiene importantes dificultades técnicas y de industrialización, entre las que destaca la complejidad de insertar los heatpipes por los canalones tubulares del perfil de aluminio y conseguir un buen contacto térmico en toda la superficie de los heatpipes, o bien, acoplar térmicamente la placa LED, que tiene una base plana, con los heatpipes, que son tubos con caras curvas. Además, esta solución exige que parte del heatpipe quede fuera de uno de los extremos del cuerpo del sistema, pues el propio heatpipe hace tope con el canalón (a no ser que se abran más los canalones, perjudicando el contacto y la transferencia térmica entre heatpipe y cuerpo).
La presente invención guarda similitud con la referida patente, puesto que el calor generado se trasfiere de la parte más interna del sistema a la región más externa, si bien, en este caso se plantean pletinas transmisoras de calor con caras planas en vez de tubos, pues se ha tenido en cuenta que los LEDs y las placas LEDs son componentes con una base intrínsecamente plana. Por otro lado, generalmente es más sencillo, preciso y económico producir piezas con superficies planas que piezas con superficies curvas. Y, además, el contacto térmico entre dos superficies planas es técnicamente más eficiente, e industrialmente más sencillo de integrar.
Por todo ello, la presente invención trata de dar una solución térmica basada en pletinas térmicas bidimensionales acopladas a las caras esencialmente planas del cuerpo externo del sistema, más integrado en el sistema global, lo que permite mejorar sustancialmente el uso del volumen del sistema y la transferencia de calor hacia el exterior, haciendo productos más compactos, más sencillos, más potentes, con mayor capacidad de disipación de calor y, además, más económicos.
Por otra parte, desde el punto de vista óptico, la demanda en el mercado de la iluminación y la automoción de ópticas que presenten menor deslumbramiento, mayor control de la luz y haces de luz más direccionales y/o estrechos y eficientes, es una realidad difícilmente alcanzable con las tecnologías actuales por las razones que a continuación se exponen.
Un sistema óptico reflector convencional no permite un control total de la luz proveniente del LED, puesto que parte de ésta se escapa por la propia apertura del reflector sin interaccionar con éste, causando menor control de la luz y deslumbramientos molestos.
A diferencia de un sistema reflector clásico, un sistema de lentes ideal permite un control completo de la luz, pues toda la luz puede interaccionar con la lente (o sistema de lentes). Sin embargo, tiene dos dificultades inherentes importantes: i) Las lentes no permiten el paso de la totalidad de la luz al atravesar ésta, pues se produce una proporción de reflexiones indeseadas en cada transición de la radiación entre medios. Estas reflexiones producen pérdidas ópticas y luz descontrolada, lo que también origina deslumbramientos molestos; ii) además, cuanto mayor sea el control de la luz o sean requeridos haces luminosos muy direccionales y estrechos, por cuestiones geométricas, y puesto que la fuente de luz tiene una dimensión concreta, mayor ha de ser el tamaño de la lente, que, generalmente, deben de ser macizas para optimizar las prestaciones ópticas. Por tanto, sistemas eficientes con haces estrechos requieren lentes esencialmente macizas de grandes dimensiones, lo que dificulta el proceso de fabricación y la viabilidad de aplicación, pues implica costes significativos del componente (la inyección de materiales plásticos macizos con espesores variables es compleja con las tecnologías actuales, en parte por la dificultad de controlar el gradiente térmico espacial en el proceso de enfriamiento del material inyectado) y su materia prima, además del correspondiente peso del material. Es por ello que hoy en día, dadas las dimensiones y flujos de los LEDs, difícilmente existe en el mercado una solución competitiva para iluminación con haces con una apertura angular muy pequeña.
La búsqueda de soluciones ópticas que mejoren estas dificultades técnicas de dispersión, deslumbramiento, pérdidas ópticas y descontrol indeseado de la radiación, ha llevado a plantear métodos alternativos basados en tecnología láser, como el fabricante de la industria de la automoción BMW, si bien no mejora completamente estos problemas y, hoy en día, encarece sustancialmente los costes.
Actualmente, en aplicaciones en las que se requiere un haz muy colimado, como iluminación teatral o espectacular, son usados sistemas ópticos que obturan (bloquean) parte de la luz radiada, lo cual reduce la eficiencia e incrementa el calor del sistema.
Una configuración óptica en la que la fuente de radiación se sitúa enfrentado a un reflector de modo que toda la luz interacciona con el reflector presenta a priori varias ventajas frente a las demás soluciones del mercado, pues existe un control de la luz completo sin dispersión. A esta configuración la llamaremos configuración de fuente flotante y se caracteriza por presentar un excelente control de la luz y adecuado confort visual libre de deslumbramiento.
Su implementación, en la práctica, no es trivial; es un reto técnico e industrial por cuestiones ópticas, térmicas y mecánicas. La mayor dificultad estriba en que cualquier elemento que permita posicionar y refrigerar la fuente de luz en esta configuración es susceptible de bloquear la luz y de perturbar negativamente la distribución y la eficiencia del sistema. Además, esta perturbación provoca, a su vez, una absorción de la radiación que incrementa la dificultad de refrigerar el sistema. En el mercado ha habido varios intentos que tratan de dar soluciones aproximadas a la configuración de fuente flotante. Entre ellas destaca la que ofrece la compañía MEGAMAN, de acuerdo a una tecnología esencialmente descrita en la patente ES2365031 , que consiste en un reflector partido por una o varios muros "macizas" de un material conductor, como el aluminio, según se aprecia en la figura 4. En cada una de las caras se sitúa una fuente de luz LED. Es de destacar que, en esta solución existente, los LEDs radian "paralelamente" a la superficie del muro, con lo que aproximadamente la mitad de la luz emitida por la fuente no interacciona con el reflector. De este modo, para evitar deslumbramientos, se añade un capuchón que tiene por objeto bloquear esta radiación proveniente directamente de la fuente. La adición de este capuchón provoca una disminución significativa de la eficiencia (de igual manera que la histórica lámpara halógena AR1 11). Además, a pesar de la incorporación de este capuchón bloqueante, por cuestiones geométricas, no es posible evitar que parte de la luz proveniente de la fuente salga del sistema sin interaccionar con el reflector, ocasionando deslumbramientos molestos y luz descontrolada.
A diferencia del referido sistema correspondiente a la patente ES2365031 , e l sistema objeto de la presente invención permite que la fuente de luz "flote" y se enfrente ante el reflector, de forma que la luz de la fuente LED radie "perpendicular" a la superficie de la pletina. De esta forma, toda la luz interacciona con el reflector, sin que sea necesario ningún elemento adicional que bloquee la luz, y sin que haya deslumbramiento. Por ello, el presente objeto de invención presenta una eficiencia óptica y control lumínico notablemente mayores. Además, ésta no se basa en conducir el calor del LED por pletinas metálicas macizas donde uno de sus vértices mayores está directamente conectado a la parte central de un cuerpo de disipación. Por el contrario, se fundamenta, preferentemente, en una tecnología de disipación significativamente más compleja, basada en pletinas huecas bidimensionales de calor (heatpiate), donde se extrae el calor de la fuente por el cambio de fase de estado líquido a estado gaseoso que sufre un líquido en cámaras herméticas de la pletina de calor y a baja presión. Cabe señalar que la conductividad térmica del aluminio y del cobre, propia de la transferencia de calor en la que se basa la patente ES2365031 , es como máximo de 209 W/(mK) ó 385 W/mK, respectivamente, mientras que la conductividad térmica de una pletina de calor propia de la presente invención puede llegar a 10 0000 W/(mK). Estas conductividades térmicas tan elevadas tienen un impacto esencial en la configuración del sistema, pues permiten que la fuente de radiación y la pletina térmica de calor queden "flotando", sin necesidad de que ninguno de sus lados ni vértices mayores quede esencialmente en contacto directo con el cuerpo del sistema, y sin necesidad de cortar el reflector, de forma que se pueda posicionar la fuente de forma óptima. Por otro lado, también han sido propuestas algunas tentativas que hacen una aproximación a la configuración de fuente flotante mediante la adición de un tubo termosifón bifásico (heatpipe), como los sistemas de HUIZHOU LIGHT ENGINE LTD y de CREE, recogidos en la patente española ES2399 387, con su versión de Estados Unidos US20090290349, y la patente US20100103678.
La patente US20090290349 plantea esencialmente una configuración inicial que corresponde a un tubo de calor cilindrico por cambio de fase que está acoplado térmicamente al anillo exterior perimetral a la boca de salida del reflector. Puesto que este tubo de calor tiene una forma inadecuada, con superficies curvas hace que no sea sencillo implementar una buena transferencia térmica al cuerpo principal del siste ma, lo cual debilita su eficacia de disipación térmica.
En este sistema, el calor es transferido de forma deficiente del heatpipe al anillo circular periférico, ya que los extremos del tubo de calor acaban en una forma cónica (debido al proceso de fabricación) en la que apenas hay contacto térmico solidario entre el heatpipe y los demás componentes, tal y como se muestra en la figura 5a, reduciendo la conducción de calor.
Una de las ventajas que muestra la presente invención es que la práctica totalidad d e la superficie de la pletina térmica en la región periférica hace contacto directo y solidario, mediante caras planas, con el cuerpo del sistema (figura 13), lo que confiere una ventaja esencial respecto a las soluciones existentes.
Con objeto de mejorar las dificultades de transferencia térmica, la patente US20090290349 plantea un revestimiento en forma de pletina con sección en "U", con caras planas, que permite, mediante unas lengüetas, atornillarlo a la base del cuerpo del sistema. Sin embargo, este acoplamiento térmico entre el heatpipe "redondo", la pletina "plana" y el cuerpo, ilustrado en la figura 5b, es generalmente insuficiente. De hecho, tal y como se describe en todas sus reivindicaciones, la transferencia principal del calor se realiza hacia el anillo superficial correspondiente al borde perimetral de la boca exterior del reflector y no al propio cuerpo del sistema. Sin embargo, dicho anillo tiene unas capacidades limitadas para transferir el calor al exterior.
Además, el sistema referido precisa elementos térmicos adicionales como revestimientos (102), que perjudican la transferencia térmica. Por otra parte, la presión mecánica ejercida para asegurar el acoplamiento térmico se realiza solamente entre el revestimiento y el cuerpo, y no entre el revestimiento y el heatpipe. Es decir, las superficies críticas que entran en juego en la transferencia de calor no tienen presión mecánica, por lo que la transferencia de calor se reduce drásticamente. En conclusión, este tipo de sistema presenta dificultades en la transferencia del calor del tubo de calor al resto del sistema, esencialmente, porque acoplar térmicamente un tubo, con superficies redondeadas y extremos cónicos, al cuerpo, generalmente con paredes planas, es mecánicamente más complejo, menos eficiente y más caro que acoplar una pletina plana a caras planas del cuerpo del sistema, que es una de las bases principales en lo que se fundamenta la presente invención.
De hecho, debido a esta dificultad técnica esencial, el titular de la patente ES2399387, el mismo que la comentada patente US20090290349, renuncia a sistemas con un heatpipe recto, pues éste presenta los problemas técnicos ya descritos respecto a la deficiente transferencia de calor del tubo termosifón bifásico al resto del sistema: esta patente solamente reivindica el caso particular cuando el tubo de calor tiene forma en "S", lo que incrementa la superficie de contacto del tubo de calor con el resto de los componentes, sobrepasando el problema descrito y proporcionando viabilidad técnica al sistema únicamente con heatpipes en "S".
Este resultado también fue concluido posteriormente a la mencionada patente por la empresa CREE, según su patente US20100103678, que plantea solamente un heatpipe en forma de "S", que es, según nuestro conocimiento, la única estrategia planteada hasta la fecha para asegurar un buen acoplamiento térmico del heatpipe con el cuerpo del sistema en configuración de fuente flotante.
En la presente invención se propone un sistema particular en el que se integran pletinas térmicas bidimensionales con caras planas coincidentes con caras planas del cuerpo del sistema, que es una mejora con una repercusión nuclear respecto a las soluciones existentes en cuanto a la construcción, transferencia térmica, eficiencia óptica y a los costes de componentes y de montaje del producto industrial.
Este tipo de pletinas térmicas planas, bidimensionales, están en los últimos años, en proceso de investigación, mejora y desarrollo, gracias a la demanda de consumibles electrónicos portátiles como los smartphones, phablets o tablet, con mayor capacidad computacional (más densidad de potencia), más finos, ligeros y eficientes. Cabe destacar el sistema presentado por Fujitsu en marzo de 2015, Semiconductor Thermal Measurement Modeling and Management Symposium 31 (SEMITHERM), en San José, California con un grosor menor de 1 mm de espesor y capacidad de transferir 20W de forma eficiente. Por consiguiente, la presente invención permite un enfoque esencialmente nuevo a un problema existente: la configuración en fuente flotante, a partir de la concepción de una construcción particular en la que coexiste armoniosamente óptica y térmica, con la ayuda de una pletina térmica bidimensional, lo que aparentemente parece un cambio conceptualmente sencillo respecto al estado de la técnica, pero que ofrece una mejora sustancial, con una solución práctica real a un problema hasta ahora no resuelto.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN. El sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales objeto de la presente invención se conforma como parte de dispositivos de iluminación con elementos disipadores de calor pasivos, constituidos por los siguientes componentes:
Un cuerpo con caras esencialmente planas , que puede ser de extrusión, generalmente de aluminio, de sección cilindrica o cuadrada, ya sea un perfil normalizado o un perfil especial para tal fin, si bien, también son válidos otros tipos de secciones con o sin algún tipo de simetría, con la posibilidad de un proceso posterior de mecanizado , o bien, un cuerpo de inyección, como por ejemplo a partir de dos mitades que, una vez ensambladas, aprisionan las caras planas de las pletinas térmicas , o un cuerpo de embutición, o de entallado, o manufacturado por cualquier otro proceso de fabricación. Este cuerpo puede tener aletas internas, con o sin entrada de aire en el interior, aletas externas o tanto aletas internas como externas, o no llevar aletas, cuando la potencia de la fuente de luz y la superficie del cuerpo así lo permite. - Una fuente de radiación o fuente de luz LED blanca, RGB, o/y otra fuente de radiación fuera del espectro visible, incluyendo radiación IR y/o UV, que puede incorporar uno o varios sensores de radiación, de forma que permita la detección de cambios o niveles de radiación espectral en la región espacial y angular establecida por el subsistema óptico y actuar en consecuencia, para dotarle de funcionalidades extendidas como activación/regulación de la radiación mediante sensores de presencia o sensores de luz, detección y comunicación digital de información, o para adaptar el espectro de radiación de la fuente según la radiación medida.
Una óptica opcional para dirigir el haz de luz, formada por una lente, matriz de micro-lentes y/o un reflector, superficial o macizo de material transparente, con superficies reflectantes -especulares, semi-especulares o blancas-, o reflectores basados en materiales transparentes con superficies micro-prismáticas que reflejan la luz por reflexión total interna, o bien mediante difusores, o un sistema híbrido de los anteriores. Los reflectores pueden disponer de vidrio de protección o una plancha o lámina transparente a la salida de la luz. - Un cerco antideslumbrante opcional, que retranquea la fuente de luz y mejora el confort visual.
Un equipo de alimentación en el interior del cuerpo o en su exterior, para las fuentes de radiación que lo requieran, o un equipo electrónico de alimentación y/o control gobernado por un microcontrolador o un microprocesador; y
Una interconectividad opcional mediante un casquillo de conexión, como por ejemplo el casquillo Edison E27, E40, GU10, GU5.3, G53, o mediante un conector a carril electrificado, o cualquier otro tipo de casquillo o conector, estándar o personalizado, que permita la conexión a la red eléctrica, baterías u otro sistema de alimentación para ser empleado como una lámpara, luminaria o dispositivo radiante en general.
Estando el sistema esencialmente caracterizado por integrar en los dispositivos de iluminación provistos de estos componentes descritos, como en el caso particular y no limitativo de lámparas y luminarias LED, una pletina bidimensional de caras planas, pudiendo ser recta o estar doblada en diversas formas geométricas resultando en caras con superficies desarrollabas (es decir, cuya curvatura gaussiana es cero puesto que una de sus curvaturas principales es cero), de un material conductor de calor por cambio de fase o por conducción térmica, o varias de estas pletinas unidas entre sí por su parte media, de forma que transmiten directamente el calor generado por la fuente de radiación, que se encuentra en una región central del sistema, en contacto térmico con un punto central de la pletina, o en la unión de pletinas, hacia regiones periféricas del sistema por los extremos de la pletina o pletinas, a lo largo de la parte posterior, anterior o a ambas partes del sistema, por contacto solidario de las caras planas de las pletinas con las aletas, radiadores u otras caras planas del cuerpo de implantación.
Dichas pletinas se describen como pletinas bidimensionales porque una de sus tres dimensiones, su espesor, es mucho menor, en aproximadamente un orden de magnitud, que sus otras dos dimensiones (largura y anchura).
Si bien puede haber una conexión térmica directa entre la pletina o pl etinas y la fuente de radiación o la PCB de la fuente, que puede tener forma plegada en U para ejercer un contacto solidario entre su cara plana y las caras planas de la pletina térmica, el sistema puede incluir, adicionalmente, una base o plataforma térmicamente conductor por cambio de fase o por conducción térmica adosada a la pletina o unión de pletinas, que las conecta térmicamente con la fuente de radiación.
El sistema puede disponer también de uno o varios disipadores o radiadores de calor adicionales interno en contacto térmico con la pletina o pletinas, en la parte contigua a la fuente de luz, en la parte posterior o en algún lateral del cuerpo del dispositivo de iluminación, o un subsistema de disipación activa complementario , por ejemplo, integrando una célula Peltier entre la plataforma, que está en contacto con la pletina térmica, y placa donde se encuentra la fuente, y/o integrando un ventilador o membranas vibrantes que favorezcan un flujo de aire para incrementar la transmisión del calor al ambiente. Las pletinas térmicas bidimensionales integrantes del sistema, y que son el componente esencial del mismo, consisten preferentemente en pletinas térmicas por cambio de fase, que confinan dentro de una finísima estructura hueca , con una o varias cavidades herméticamente selladas, un líquido, como acetona o agua, que absorben y transmiten por evaporización el calor generado por la fuente de radiación, si bien también pueden ser pletinas macizas de un material con alta conductividad térmica, metálico, cerámico, cristalino u otro.
> Pletinas térmicas por cambio de fase. Las pletinas térmicas por cambio de fase desarrolladas para la finalidad perseguida están constituidas por un cuerpo hueco de caras planas, con una o varias cavidades o cámaras herméticamente selladas sustentadas por unos pilares de sujeción, tantos como sea requerido en función de la potencia disipada, su anchura y los requerimientos de presión. Estas cámaras tienen una presión interna adecuada para favorecer la evaporación del líquido que confinan en las condiciones de trabajo, que absorbe y transmite el calor mediante cambio de fase a lo largo de la extensión de la pletina.
Una característica esencial son los soportes o pilares de su micro -estructura interior que sujetan las caras planas exteriores. Éstas permiten pletinas muy finas al soportar la presión de succión interna sin que las caras de la pletina se deformen debido al gran vacío de las cámaras, mientras que en un tubo de calor no es posible, pues, pese a tener un grosor de superficie mayor, no poseen este soporte estructural, lo que hace que, con la presión de vacío requerida, la superficie combe y colapse en caso de tratar de darle planitud y finura al heatpipe, tal y como se ilustra en la figura 16a.
Además, gracias a estos soportes internos estructurales, estas pletinas posibilitan caras planas con un espesor de material muy fino, que pueden ser de 0.1 mm de espesor, de forma que permite, por un lado, una mejor transferencia de calor, y por otro lado, pletinas con un espesor menor, lo que también que es una diferencia sustancial con los tubos de calor convencionales, que tienen una superficie esencialmente cilindrica con espesores mayores, lo que complica la transferencia térmica y afecta el rendimiento óptico en configuración en fuente flotante.
Asimismo, puesto que las comentadas pletinas pueden tener tantos soportes como sea requerido, permiten modularidad en el crecimiento de su anchura según las necesidades del sistema, sin que afecte significativamente en el rendimiento óptico.
Se han propuesto fundamentalmente las siguientes tecnologías de fabricación distintas para las pletinas bidimensionales por cambio de fase, que se describen a continuación: a) Pletinas de extrusión por cambio de fase: constituidas por perfiles de extrusión, generalmente de aluminio, con canales huecos y herméticos longitudinales a la dirección de extrusión, que favorecen la transferencia de calor en dicha dirección, fundamentalmente desarrollados para intercambiadores de calor y condensadores e n aplicaciones de aire acondicionado y refrigeradores en el mercado de automoción e industrial.
Estas pletinas eximidas se pueden doblar industrialmente tanto respecto de las caras planas como respecto de los cantos de la pletina. También pueden dividirse en dos mitades con cámaras independientes, cerrando la parte central con un golpe de prensa. b) Pletinas laminadas por cambio de fase: constituidas por una estructura en sándwich de dos láminas o films térmicamente conductores, de diferentes materiales y texturas, preferentemente de cobre o aluminio (aunque también son válidos otros films, plásticos o de otros materiales, puesto que si son suficientemente delgados, conducen eficazmente el calor), con una cavidad hueca interna, sellada herméticamente por sus extremos, o sellada mediante otros dos films exteriores plásticos, como PET, por un proceso de termo-soldado al vacío, con varios soportes estructurales de sustentación internos que aseguran el espacio interior de evaporación y condensación. Las caras interiores de dichas láminas o films conductores que delimitan las cavidades de estas pletinas pueden incorporar un material o estructura interna que favorece el transporte del líquido por capilaridad, denominado mecha. Concretamente, pueden llevar adheridas una segunda capa de estructura porosa que puede ser, por ejemplo, una malla de cobre, film de espuma metálica de cobre, o la estructura resultante de un proceso de sinterizado de polvo metálico, que, por capilaridad, es empapada por el fluido y que hace la función de mecha.
También es posible conseguir un efecto similar que favorece la capilaridad con un tratamiento superficial de la cara interna del film de cobre (u otro material), como un texturizado, estriado o estructurado químico, mecánico, eléctrico o por láser.
Este tipo de componente suele ser llamado heatspread cuando las dos dimensiones de la pletina mayores son parecidas. En la presente invención la dimensión que atraviesa diametralmente el reflector suele ser mayor, por lo que podría llamarse heatplate.
Los canales internos de estas pletinas térmicas pueden estar en lazo cerrado y contener una estructura interna que ejerza una diferencia de presión (presión de bombeo), por capilaridad y geometría, suficiente como para inducir un flujo del l íquido circular, sin que intervenga significativamente la fuerza de la gravedad (loop heatplate), ni elementos activos como una bomba o similar, de forma análoga a la referida solución presentada por FUJITSU en SEMITHERM 2015.
Al igual que las pletinas térmicas de extrusión, esta implementación también permite doblados y realizar pletinas en forma de "U", por ejemplo, como la integrada en el sistema de la figura 21 y 23. Además, las pletinas térmicas laminadas permiten simplificar el número de componentes al combinar varias pletinas en una sola, y desarrollar formas más complejas, como se muestra en la figura 26. Todas las pletinas térmicas por cambio de fase pueden tener una división interna de los canales por cuestiones de optimización de su funcionamiento bajo cambio de orientación del sistema, pues éste es dependiente de la gravedad. Esta división se realiza generalmente en la región de contacto con la fuente, fraccionando normalmente la pletina en dos medias-pletinas semejantes. > Pletinas macizas.
Como se ha dicho, las pletinas térmicas bidimensionales integrantes del sistema pueden ser también pletinas macizas de materiales con alta conductividad térmica, ya sea de materiales metálicos, como cobre o aluminio, cerámicos, o materiales sintéticos cristalinos, parcialmente cristalinos o compuestos cristalinos derivados, por ejemplo, del carbono, como el diamante, el grafito o nano-tubos de carbono (cristal al menos periódico en una dimensión espacial). Estas pletinas pueden también ser una placa multicapa, formada por varias capas o films, como aquéllas derivados del grafito (pyrolitic graphite sheet) y otras capas que permitan su adhesión, o bien mediante una mezcla (blend) de materiales como ABS, nylon, policarbonato, siliconas, con aporte de algún otro material, como el grafito, grafeno, nanotubos de carbono, nitruro de boro (BN), nitruro de aluminio (AIN), u otros.
La sujeción mecánica de todas estas pletinas térmicas bidimensional con el cuerpo del sistema puede ser realizada con tornillos, por corredera, mediante clips, aprisionado la pletina con otra pieza suplementaria, como una chapa insertada también en corredera, mediante un fleje, mediante pegamento, adhesivo o film a doble cara, mediante presión magnética o mediante cualquier otro método conocido que asegure un contacto térmico conveniente.
Preferentemente, estas pletinas tienen un acabado metalizado, negro o blanco, si bien, otros acabados también son perfectamente válidos, incluyendo distintos acabados en una misma pletina.
En el interior de las pletinas térmicas puede coexistir, o formar parte de la pletina, una o varias placas electrónicas o líneas de alimentación y/o comunicación que alimente y/o controle la fuente de radiación.
Todas estas pletinas pueden presentarse en el dispositivo de implantación según dos configuraciones distintas respecto a la dirección principal de radiación de la fuente de luz: en "configuración paralela", donde la dirección principal de la radiación de la fuente es paralela a la dirección normal de la pletina en la región de contacto con la fuente, que favorece una óptima transferencia de calor entre la fuente de luz y las paredes periféricas del cuerpo del sistema, o bien, en configuración perpendicular, que llamaremos "configuración en fuente flotante", en donde las referidas direcciones son perpendiculares, lo cual posibilita un sistema óptico esencialmente reflexivo por el cual la totalidad de la radiación de la fuente es reflejada por el reflector, con una buena disipación del calor y buen control de la radiación, minimizando la perturbación de la luz con el sistema térmico.
> Configuración en paralelo.
En configuración en paralelo la fuente de radiación, que tiene una base plana, se acopla solidariamente a la cara plana de la pletina térmica, de forma que la dirección de radiación de la fuente es paralela a la normal de la pletina en el área de contacto entre la fuente y la pletina.
Aunque estas pletinas son generalmente simétricas con forma en "U", de modo que se transmite el calor a lados opuestos del cuerpo, propio de un producto simétrico, también es posibles pletinas no simétricas, como pletinas en forma en "L", que transmiten el calor únicamente a lo largo de un lateral del cuerpo del sistema. Asimismo, en el sistema descrito pueden integrarse pletinas en "X", con una sola pletina laminada o bien con varias pletinas, lo que incrementa la transferencia en todos los flancos del cuerpo del sistema. En sistemas más complejos la pletina puede tener ramificaciones para optimizar la transferencia de calor, de acuerdo con la geometría y requerimientos concretos. Por otro lado, estas pletinas pueden llegar a la parte posterior del dispositivo de implantación, lo que incrementa la capacidad de disipación de calor.
Esta configuración del sistema permite la ya comentada incorporación de uno o varios radiadores de calor adicionales en contacto solidario con las caras planas internas de la pletina, tanto en la parte opuesta en donde se encuentra la fuente de radiación, como en las partes laterales de la pletina.
> Configuración en fuente flotante.
En este caso de configuración en fuente flotante, la fuente de radiación está esencialmente suspendida y sujeta por una o varias pletinas térmicas bidimensionales de modo que toda la radiación de emisión de la fuente se realiza en dirección perpendicular a las caras de la pletina en la región de contacto entre la pletina y la fuente, e interacciona toda ella con la óptica, y de forma que las caras planas de la pletina térmica hacen contacto solidario con caras planas pertenecientes al cuerpo del sistema. Esta construcción maximiza la transferencia térmica al exterior y, gracias a la geometría plana de la pletina térmica, se minimiza la interacción de la luz reflejada por un reflector con el sistema térmico, mejorando la eficiencia, el control lumínico y confort visual.
Además, la configuración en fuente flotante permite distribuciones lumínicas extremadamente estrechas y focalizadas con reflectores grandes con superficies generalmente paraboloides o elípticas, pues toda la luz interacciona con el reflector, lo que es relativamente fácil industrializar.
En esta configuración las pletinas generalmente son rectas, si bien en construcciones más optimizadas pueden ser curvadas, como, por ejemplo, en forma de "U", o bien adoptar formas más sofisticadas. También posibilita disposiciones de pletinas en cruz en el reflector.
En cualquier caso, la pletina o pletinas pueden seccionar o interseccionar parcialmente el reflector, aunque la forma más habitual es que sólo interseccionen co n el cerco antideslumbrante, conectando térmicamente la fuente de radiación al cuerpo del proyector.
Adicionalmente, y como ocurre en la configuración en paralelo, puede integrarse un radiador de calor en el interior del cuerpo conectado a la pletina térm ica, en el canto opuesto al que se encuentra la fuente, o bien longitudinalmente al cuerpo .
Las pletinas en esta configuración en fuente flotante pueden disponer de fuentes de radiación, o LEDs, de emisión lateral cuya base o placa electrónica PCB sea solidaria con alguna de las caras de la pletina tal y como se describe en la figura 37.
La óptica principal puede estar constituida por un reflector superficial o volumétrico, donde la superficie puede ser metalizada o prismática. En los casos en que la ópti ca está constituida por un material dieléctrico, como PMMA, PC o silicona, ésta puede embeber total o parcialmente a la fuente de luz y/o a la pletina.
La curvatura del reflector puede ser diseñada para minimizar la posible interacción de la luz reflejada por el reflector con la propia fuente de luz o su soporte, incluyendo la pletina térmica.
Con el fin de pre-adecuar la luz que posteriormente incide en la óptica principal, para optimizar la eficiencia, proteger la fuente y/o para apantallar las posibles fugas ópticas de radiación directa, las pletinas pueden sustentar una óptica adicional próxima a la fuente de radiación, como puede ser una mini-lente o un mini-reflector.
Por otro lado, debido a las características opto-térmicas particulares de la configuración en fuente flotante, es posible establecer una apertura de ventilación en la región central del reflector de forma que permita un flujo de aire (o del gas o líquido del ambiente -si está en un medio sumergido-) que favorece la transferencia térmica y refrigeración del sistema. Se evita que desde cualquier punto contenido en la superficie radiante de la fuente pueda ser visible la referida apertura, pues es apantallada por una pletina reflectora que re-direcciona la luz adecuadamente.
Asimismo, también es posible permitir un flujo de aire entre en cerco antideslumbrante y la óptica, de forma que incremente la transferencia de calor al entorno. Las distribuciones de radiación lumínica pueden ser modificadas o redistribuidas controladamente insertando componentes ópticos adicionales como una lente, una lente Fresnel, una matriz de micro-lentes. Asimismo, es posible incorporar una plancha plana de vidrio u otro material como metacrilato o policarbonato en la boca de salida de luz para proteger el sistema. Estos elementos también pueden incorporarse justo antes del cerco antideslumbrante y permiten proporcionar patrones bien definidos, como patrones ovales, lineales, o cuadrados, entre otros.
El haz de luz también puede ser manipulado mediante elementos ópticos móviles axialmente, mediante desplazamiento axial del reflector, de la plataforma, de la pletina, de la lente o matriz de micro-lente, tal y como más adelante se describe mediante dibujos en la forma de realización.
De forma novedosa, también se plantea un reflector flexible o una lente flexible que, mediante presión o tracción mecánica se deforma convenientemente para cambiar la distribución del haz. En estos dos casos, estos componentes ópticos son normalmente de silicona o poliuretano.
Gracias al gran control lumínico, el sistema descrito puede formar parte de un sistema de proyección de imágenes de forma que la boca de salida de luz del sistema opto -térmico objeto de invención puede incluir e iluminar un sistema formador de imágenes por transmisión de luz, como una diapositiva, un gobo con una imagen estática o su contorno, un panel LCD, o un chip DMD, con imágenes dinámicas, por ejemplo, junto con un sistema de lentes y/o espejos que enfoca y proyecta dicha imagen en una región del espacio concreta.
En relación al estado de la técnica, la configuración en fuente flotante con las pletinas bidimensionales y la construcción propuesta posibilita una serie de mejoras esenciales que se exponen a continuación:
Mejoras térmicas: - Mejor contacto superficial y transferencia térmica entre el cuerpo y la pletina térmica, y entre la fuente y la pletina, puesto que existe una unión solidaria entre caras planas de los componentes, mientras que en soluciones existentes se plantean tubos de calor cilindricos, cuya superficie es difícilmente acoplable térmicamente de forma efectiva al resto de los componentes del sistema, incluso con ayuda de revestimientos adicionales, haciendo necesario curvar en "S" el heatpipe para aumentar el área de contacto y mejorar la transferencia (proceso caro y con grandes desviaciones de fabricación y problemas de calidad).
Mayor capacidad de disipación de calor, puesto que la anchura de la pletina térmica bidimensional puede ser dimensionada adecuadamente para la potencia requerida, sin aumentar el espesor de la misma, y, por tanto, sin que afecte sensiblemente el rendimiento óptico del sistema.
La transmisión de calor se realiza hacia el cuerpo externo del sistema, mientras que soluciones existentes lo hacen sólo hacia un anillo periférico de la boca de salida del reflector, que no tiene aletas ni elementos radiantes de calor. Es decir, la presente invención transfiere el calor también de forma axial, directamente a la parte nuclear del cuerpo que contiene aletas de convección, gracias a la anchura de la pletina y/o a la construcción del sistema, lo que maximiza la capacidad de transferencia del calor al entorno.
La presión mecánica ejercida entre la pletina de calor y el cuerpo es normal a la superficie plana de contacto, lo que mejora el contacto térmico, contrariamente a las soluciones existentes. De hecho, la patente US20090290349 y ES2 399 387 detallan una construcción mecánica en la que el heatpipe recto no sufre presión mecánica, sino sólo su revestimiento. La presión mecánica tiene una gran influencia en la efectividad del contacto térmico entre componentes. Menor número de componentes, sin necesidad de revestimientos ni aro externo adicionales para el acoplamiento térmico, lo que reduce la resistencia térmica y mejo ra la transferencia de calor. - Menor carga térmica de radiación absorbida por la pletina térmica bidimensional puesto que su área eficaz es menor: A igual capacidad de transferencia de calor, una pletina bidimensional interacciona con la luz mucho menos que un sistema tubular propio de tecnologías existentes. Mejoras ópticas:
Puesto que el área eficaz de la pletina percibida por la radiación reflejada es mucho menor en una pletina térmica bidimensional (muy fina) que en un tubo (heatpipe), en el primer caso sufre menos pérdidas ópticas. Se ha investigado la influencia del rendimiento óptico por la forma y la dimensión del tubos y pletinas térmicas en configuración en fuente flotante: Para una configuración estándar con un diámetro de reflector de 90 mm , los resultados arrogan que una pletina de calor bidimensional puede reducir las pérdidas ópticas un 500% con respecto a la alternativa con un sistema tubular de calor, a igual sección e igual capacidad de transferencia calorífica. Esta diferencia, por sí misma, supone una mejora sustancial sobre el estado de la técnica y permite proporcionar un sistema hasta un 30% más eficiente.
La sección efectiva del grosor de la pletina influye también en la distribución de luz. Un sistema tubular perturba más la radiación de salida del sistema, ocasionando sombras indeseadas, que una pletina bidimensional.
Menores costes:
Menores costes de componentes, pues el sistema básico de la presenta invención en fuente flotante, sólo requiere esencialmente un reflector, una pletina bidimensional, una placa LED y un cuerpo, si necesidad de componentes adicionales. Además, la pletina térmica puede estar contenida en un plano, sin necesidad de curvarse, evitando los problemas industriales de doblarla en "S" como en las soluciones existentes. - Menores costes de ensamblaje, pues los componentes básicos pueden ser integrados por presión, si necesidad de herramientas. En particular, la construcción del sistema permite una inserción de la pletina térmica por presión en los surcos del cuerpo. Facilidad de automatización de montaje. Una pletina térmica bidimensional puede ser insertada en el cuerpo del producto de forma relativamente sencilla con sistemas automáticos y robotizados, a diferencia de un tubo en forma de "S" que, debido a problemas de tolerancias en su fabricación, dificultad de identificación, agarrado, posicionamiento e inserción de la pieza en el sistema.
La construcción propuesta es compatible con un cuerpo de extrusión cuyo largo puede ser ajustado según la potencia de la fuente de radiación integrada, lo que presenta gran adaptabilidad, sin necesidad de nuevos desarrollos y nuevas inversiones asociadas a un nuevo cuerpo.
Por otra parte, el sistema descrito puede ser implementado e integrado como medio de comunicación direccional -radia/comunica en una dirección espacial/angular determinada- (y por tanto más segura y con menos interferencias), unidireccional o bidireccional, mediante VLC (Visible Light Communication), tecnología LIFI (Light Fidelity) o cualquier otra radiación electromagnética, incluyendo fuera del espectro visible, que pueda emitir la fuente y detectar el sensor. Es decir, con la incorporación de un sensor de radiación próximo a la fuente, por ejemplo, el sistema, mediante la fuente, es capaz de mandar señales digitales de radiación para el envío de datos, y el referido sensor, de recibirlas, ambos en una dirección determinada. De esta forma es posible establecer una comunicación en la que el sistema opto-térmico es el transductor de la señal. Este sistema permite transmitir datos a alta velocidad, y es más seguro que un sistema básico de comunicación por láser, pues, este último presenta, además de dificultades en las tolerancias y perturbaciones de la dirección de radiación, posee una densidad espacial de potencia mucho mayor a igual potencia, que es más susceptible de causar daños irreparables a los seres vivos por sobrexposición.
Asimismo, este dispositivo puede ser conectado a una red privada, o a una red pública, como internet (loT - Internet of Things) mediante conexión inalámbrica de cualquier tipo, como WIFI, ZigBee, Z-Wave, Bluetooth o infrarrojos, o mediante cable dedicado o PLC (Power Line Communication). La alimentación puede asimismo ser realizada mediante PoE (Power on Ethernet). El sistema también puede ser controlado mediante un dispositivo móvil, como un teléfono inteligente, tableta electrónica, un ordenador, u otro dispositivo móvil similar. Como extensión de la presente invención, también se engloba un sistema constituido po r una pluralidad de los subsistemas opto-térmicos descritos con una distribución particular, como en una matriz lineal o bidimensional. Por todo ello, con la presente invención se trata de resolver los problemas térmicos, mecánicos y ópticos expuestos mediante una o varias pletinas térmicas bidimensionales en configuración en fuente flotante de forma que su construcción maximiza la transferencia térmica, simplifica la fabricación del sistema y minimiza la interacción de la luz con la misma y el volumen total del sistema.
> Ventajas de la invención.
El planteamiento innovador basado en pletinas térmicas bidimensionales con caras planas en contacto directo con también caras planas del cuerpo del sistema proporciona una serie de ventajas que, sin carácter limitativo, se presentan a continuación:
En términos térmicos:
Mejora la transferencia y distribución de calor de la fuente de radiación a su entorno mediante contacto directo de las caras planas de las pletinas térmicas con el cuerpo del sistema.
Mayor flujo de aire en el interior del sistema por efecto chimenea, que mejora la transferencia de calor.
Permite aletas de disipador de calor efectivas, tanto externas como internas, en el propio cuerpo del sistema, lo que incrementa la capacidad de disipación, sin necesidad de disipadores adicionales. En términos ópticos, en configuración en fuente flotante:
Sistema óptico más eficiente puesto que se minimiza la perturbación entre el sistema óptico y el sistema térmico. - Permite haces radiados de salida más direccionales y con menor dispersión de la luz. Mayor control de la radiación de salida, pues toda la emisión de la luz interacciona con el sistema óptico.
Reduce sustancialmente el deslumbramiento, pues no es posible la visión directa de la fuente de luz.
En términos constructivos:
Mayor aprovechamiento del espacio, ofreciendo productos más compactos.
Productos más ligeros, pues, generalmente, se precisa menos material que con las soluciones existentes.
Integración total del sistema térmico, conformando un conjunto más compacto y armónico.
Posibilidad de sistemas con menor altura, ya que el sistema térmico puede extenderse únicamente en los laterales del sistema. En términos económicos e industriales:
Posibilita productos más económicos, pues el cuerpo del producto y el disipador se combinan en un único componente. - Productos más económicos, pues el proceso de ensamblaje de sistemas con pletinas térmicas bidimensionales es generalmente más sencillo que con tubos de calor, en el que generalmente es necesario revestirlo y doblarlo en "S", y precisa menos materiales y componentes que un sistema clásico (con un disipador macizo adicional). FIGURAS Y DIBUJOS.
Al final de la presente memoria descriptiva se incluye el siguiente ju ego de figuras con dibujos y esquemas ilustrativos del sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales descrito y de sus diferencias con el estado de la técnica más próximo, así como de los dispositivos de iluminación LED donde, con carácter no limitativo, encuentra aplicación, con sus distintos componentes y efectos producidos, además de varias realizaciones preferentes de lámparas y luminarias con el sistema integrado, todo lo cual es después explicado en detalle en el apartado sobre la forma de realización.
La figura 1 muestra la cabeza de un proyector cilindricos LED estándar, con cuerpo de extrusión y un disipador de calor de aluminio macizo con aletas o radiadores de calor, y en la figura 2 se muestran proyectores típicos con equipos de alimentación externo (variante a) e interno (variante b y c).
La figura 3 muestra dos aplicaciones de sistemas de disipación conocido, basado en "heatpipes", para proyectores del tipo anterior. El dibujo a) muestra un sistema térmico con heatpipes y chapas metálicas transversales en interior del cuerpo, y el dibujo b) es un detalle de un sistema térmico donde los heatpipes se encuentran en la parte central de un perfil de extrusión de aluminio con aletas radiales. En la figura 4 muestra un esquema de la solución existente según la patente ES2365031 y el sistema de MEGAMAN, en donde los LEDs se ubican en un muro con base en el cuerpo del producto.
En la figura 5 se aprecia en detalle el acoplamiento térmico en configuración de fuente flotante en dos construcciones con conductos de calor tubulares propias de las patentes ES2399387 y US20090290349. Arriba (a): sistema sin cuerpo, en donde el calor es transferido de forma deficiente del heatpipe al anillo circular periférico puesto que no hay un contacto directo con el heatpipe. Derecha (b): vista en sección del sistema con cuerpo, donde el flujo de calor pasa desde el heatpipe por el revestimiento, luego por el anillo circular y por el reflector, hasta alcanzar el cuerpo del sistema donde se encuentran las aletas de disipación. Las líneas gruesas indican las superficies que se encuentran bajo presión mecánica, fundamental para la correcta transmisión de calor.
La figura 6 muestra la forma de implementación de una pletina térmica bidimensional en configuración paralela en el cuerpo de un dispositivo LED que incorpora aletas de disipación internas, mientras que la figura 7 es una vista en isométrica del despiece de componentes del sistema así formado.
La figura 8 es una vista en perspectiva seccionada de un cuerpo de un proyector de sección cilindrica sin (a) y con (b) aletas internas adicionales a las propias del cuerpo, en contacto con la pletina térmica, por detrás de la fuente de radiación, y en la figura 9 se adiciona a ambas variantes de dispositivo un equipo de alimentación interno. La figura 10 muestra la forma de implementación de la invención en configuración fuente flotante en un dispositivo LED con cuerpo de extrusión con aletas radiales, en la que en los dibujos c) y d) se ha eliminado el conjunto cerco-reflector para una mejor comprensión de la construcción.
Las figuras 11 y 12 son dos variantes en vistas en isométrico de los elementos esenciales del sistema opto-térmico en configuración fuente flotante del dispositivo de la figura anterior.
La figura 13 contiene un dibujo de detalle en isométrico del acoplamiento térmico entre una pletina bidimensional y el cuerpo del sistema (a), y un esquema de las líneas de presión mecánica de las caras planas del cuerpo sobre las caras planas de la pletina. La figura 14 es un dibujo ilustrativo de las diferencias ópticas entre la solución actual de configuración de dispositivos LED en fuente flotante, con tubo de calor, y la solución de invención con pletina térmica.
Las figuras 15, 16 y 17 son vistas en sección transversal de la estructura de pletinas térmicas bidimensionales por cambio de fase, de diferentes módulos, incluyendo en la figura 16a un heatpipe o tubo de calor convencional a efectos comparativos.
La figura 18 muestra un corte transversal de una pletina térmica bidimensional por cambio de fase de extrusión multicanal vista en perspectiva.
La figura 19 muestra distintas variantes de una pletina térmica bidimensional por cambio de fase laminada, vistas en sección transversal, y la figura 20 las distribuciones de separadores o pilares estructurales de algunas de estas variantes, vistas en planta. Las figuras de 21 a 33 muestran diferentes realizaciones del sistema implementado en configuración paralela en varios dispositivos de iluminación LED, algunos con los correspondientes despieces o detalles de componentes.
La figura 34 ilustra tres esquemas de ópticas (a) superficial, b) y c) volumétricas) en configuración de fuente flotante. Las figuras de 35 a 52 muestran diferentes realizaciones del sistema implementado en configuración fuente flotante en varios dispositivos de iluminación LED, incluyendo el faro delantero de un automóvil (figura 51 ), algunos con los correspondientes despieces de componentes.
La figura 53 ilustra esquemáticamente distintas configuraciones del sistema en fuente flotante que permite variar el haz de luz de salida mediante desplazamiento axial a) del reflector, b) de la plataforma, c) de la pletina, d) de la lente o matriz de micro -lente, o mediante deformación de e) el reflector, o f) la lente.
Las figuras 54, 55, 56 y 57 ilustran mecanismos en dispositivos que permiten variar el haz de luz de algunas de las maneras esquematizadas en la figura anterior.
La figura 58 muestra sendos esquemas de sistemas en configuración en fuente flotante con mini-reflector (a) y con mini-lente (b) próximo a la fuente de radiación.
La figura 59 es un dibujo esquemático del sistema en configuración de fuente flotante asociado a un sistema de proyección de imágenes mediante un gobo o LCD. La figura 60 muestra una luminaria de iluminación de acento con una pletina térmica bidimensional en configuración de fuente flotante, elegida como una realización preferente de la invención.
FORMA DE REALIZACIÓN.
Tomando como referencia las figuras indicadas se observa que el sistema opto-térmico desarrollado se aplica a cualquier dispositivo de iluminación LED, o de otra fuente de radiación del espectro visible o no visible, basado en un cuerpo con al menos algunas caras planas, donde estas caras pueden ser, preferentemente, las propias aletas o radiadores de disipación de calor dispuestas de forma radial o longitudinal en un cuerpo de revolución.
En un proyector cilindrico LED típico, como los mostrados en los dibujos de las figuras 1 y 2, constituidos por una fuente de radiación (2) LED, una óptica (3) con cerco antideslumbrante (4), un equipo de alimentación (5), que puede ser externo (figura 2a) o interno (figura 2b y 2c), y por un cuerpo (1) con un disipador de extrusión macizo e independiente (13) con aletas radiadoras de calor, debido a la arquitectura intrínseca del diseño, la transferencia de calor al exterior puede ser poco efectiva, pues, generalmente, estas aletas ni las partes más calientes del disipador dan al exterior, salvo en algún caso el extremo más lejano a la fuente de radiación, que es la parte menos efectiva para disipar, pues es la más fría.
Por ello, en una de las realizaciones de la invención, esencialmente se sustituye el disipador macizo (13) por una pletina bidimensional de caras planas (7) doblada en "U" simétrica, en contacto térmico por su parte central con la fuente de radiación (figura 6), que puede instalarse en configuración paralela por contacto de sus dos alas con el cuerpo del proyector, quedando así conformado un sistema térmico que mejora la transferencia de calor desde la fuente de radiación hacia la parte externa del dispositivo.
La fuente de radiación (2) puede ser regulada en intensidad de radiación y en el espectro o bandas de frecuencias de radiación, como un sistema multi-LED con LEDs de varios colores dominantes, por ejemplo, un sistema RGB, o LEDs u otra fuente de radiación fuera del espectro visible para aplicaciones especiales, o sistemas mixtos, con radiación en espectro infrarrojo, visible y ultravioleta. Este control puede ser realizado en lazo abierto, o bien mediante un circuito electrónico de retro-alimentación en lazo cerrado de forma que los niveles de luz y características espectrales se ajusten consecuentemente con la referencia deseada.
En la figura 6 y 7 se observan los elementos esenciales de un proyector con las características señaladas, en configuración paralela con una pletina bidimensional (7) en "U" conectado térmicamente a un cuerpo de extrusión (1 1) con aletas internas. En esta realización particular se utiliza una base o plataforma (8) térmicamente conductora para la conexión de la pletina bidimensional con la PCB donde se encuentra la fuente de radiación, pero esta pletina en muchos casos es prescindible.
El sistema también puede incluir un disipador de radiadores adicional (9) interno en contacto térmico con la pletina, en la parte opuesta a la fuente de radiación, tal y como queda en el proyector de sección cilindrica mostrado en la figura 8b y en el proyector con equipo de alimentación (5) integrado de la figura 9b.
La figura 10 muestra una realización sencilla de un proyector de cuerpo de extrusión cilindrico (1 1) con reflector (32) y cerco antideslumbrante (4) en el que el sistema opto- térmico se implementa en configuración en fuente flotante basado en una pletina bidimensional plana y recta (7), aprovechando las aletas radiales internas de disipación con superficies planas del cuerpo de extrusión (11) para la inserción en contacto solidario con las caras planas de los extremos de la pletina con dicho cuerpo. En este caso, la fuente de radiación (2) se posiciona y acopla térmicamente a la pletina mediante una plataforma (8) en forma cilindrica, de tal forma que toda la radiación emitida es dirigida al reflector.
En la figura 11 se observan los elementos esenciales del comentado sistema en fuente flotante en un proyector donde el cerco antideslumbrante y reflector son una única pieza, y en la figura 12, en un proyector donde cerco y reflector son dos piezas.
El dibujo de la figura 13b muestra en detalle un posible acoplamiento térmico entre la pletina bidimensional (7) y un cuerpo (1) cilindrico del proyector (figura 13a), mediante contacto entre los extremos de la pletina y las aletas radiales del disipador de calor, así como un esquema de las líneas de presión del cuerpo sobre la pletina en la zona de contacto con las aletas (figura 13b), según una vista en sección transversal que deja a la vista las cavidades herméticas (71) internas y los soportes estructurales (72) de una pletina térmica por cambio de fase. Las líneas negras representan las superficies de presión, que son justamente las que intervienen en la transferencia de calor. La diferencia en términos térmicos de la invención (figura 13) respecto del estado de la técnica para configuración en fuente flotante, ilustrado en la muestra en la figura 5, es clara, pues en este último caso la pared curva del tubo de calor de sección cilindrica (101) están en contacto parcial y deficiente con las caras planas del revestimiento (102), sin que haya ninguna presión mecánica de ningún tipo, y, además, de forma que el flujo de calor se obstaculiza por el paso por múltiples componentes, cada uno con una resistencia térmica, antes de llegar al cuerpo con aletas. De hecho , los extremos del heatpipe, que son las regiones más críticas en la trasferencia de calor por contacto con el resto de componentes, termina en forma cónica, lo que dificulta aún más este contacto térmico y la transferencia de calor, a diferencia de la solución propuesta, que es un contacto directo y solidario entra caras planes de la pletina térmica y el cuerpo bajo presión.
Las diferencias existentes en términos ópticos entre la solución de invención para dispositivos LED mediante el uso de pletinas térmicas bidimensionales e n una configuración en fuente flotante, con respecto a la solución actual de dispositivos en esta configuración utilizando tubos de calor, anteriormente, se plasma en los dos dibujos de la figura 14. El dibujo a) ilustra la solución actualmente existente, que supone mayor perturbación óptica -y carga térmica- debido al uso de un tubo de calor (101) dentro de un revestimiento (102), que interacciona con el haz lumínico proveniente de la fuente de radiación (2) situada por debajo del mismo, cuando es reflejado en el reflector (32), mientras que el dibujo b) es una solución con una pletina térmica bidimensional (7), que al adelgazar la superficie de interacción, reduce la carga térmica por radiación, disminuye la perturbación óptica y mejora sustancialmente la eficiencia del sistema.
Las pletinas terminas bidimensionales (7) en las que se base al sistema opto-térmico en cuestión, son idealmente pletinas térmicas por cambio de fase, del tipo a la mostrada en la figura 15, según un dibujo en sección longitudinal de la pletina. Sus características constructivas permiten pletinas extremadamente finas, gracias a los pilares estructurales internos (72), que soporta la baja presión interna y permite espesores de las caras muy reducidos y, en este caso, también conforman las características de las cavidades interiores (71) de confinamiento del líquido que experimenta el cambio de fase, como agua o acetona, con una gran capacidad de transferencia de calor, y sin limitaciones estructurales de anchura, pues se basan en una estructura modular.
En la figura 16 se compara la sección de un heatpipe típico (101 ) ligeramente aplastado (dibujo a) con la de una pletina bidimensional básica por cambio de fase (dibujo b). El heatpipe (101) tiene unas limitaciones constructivas esenciales al tratar de ser aplanado, pues el vacío interior necesario para su funcionamiento hace que sus caras se comben, lo que provoca que se pierda vacío y colapse, afectando negativamente su funcionamiento. Sin embargo, la pletina térmica bidimensional, qu e se caracteriza por tener unos pilares o refuerzos 2D o 3D (72) entre sus caras planas capaces de soportar el vacío necesario para la evaporación del fluido en su interior a la temperatura de trabajo, que es el mecanismo de extracción del calor del sistem a, puede conformarse según una estructura extremadamente fina, con unos espesores de material también muy fino, lo que supone una ventaja esencial respecto a un heatpipe ya comentada en el apartado de compendio de la invención.
Una pletina térmica con uno o varios soportes estructurales (72), que sostienen las dos caras planas del sistema hermético ante el vacío interno , puede ser fácilmente modulable y/o dimensionable sin un detrimento significativo del rendimiento del sistema, tal y como queda esquematizado en los dibujos de la figura 17. Esta modularidad, que permite un crecimiento de la anchura de la pletina térmica bidimensional según las necesidades del sistema, es una mejora fundamental con respecto a un heatpipe. Estas cavidades pueden tener la funcionalidad adicional de mecha que, por capilaridad, abastece del líquido que será evaporado en las inmediaciones de la fuente de calor.
Dentro de las pletinas térmicas bidimensionales por cambio de fase, que son la esencia del sistema, destacan las constituidas por perfiles de extrusión (73) de aluminio con canales huecos longitudinales a la dirección de extrusión. La figura 18 muestra un corte transversal de una de estas pletinas térmicas multicanal, con siete canales que hacen las veces de cámaras herméticas (71) con paredes estriadas para mejorar la capilaridad de las mismas. Por alguna de esas cavidades puede insertarse cables de alimentación y/o control.
Otra modalidad de este tipo de pletinas térmicas por cambio de fase son las laminadas (77), constituidas, como se ha indicado anteriormente, por una estructura en sándwich de al menos dos láminas o films conductores (74) que se sellan herméticamente por sus extremos, o mediante otros dos films exteriores plásticos (75). En su interior se encuentran soportes estructurales (72) de sustentación. En la figura 19 se representan distintas implementaciones de una pletina térmica bidimensional por cambio de fase laminada: dos láminas (74), generalmente, metálicas de cobre o de aluminio, que embeben: a) dos capas porosas (76) separadas por pilares plásticos; b) una capa porosa (76) con peines estructurales (72) longitudinales del mismo material; c) una capa porosa (76) y una estructura tridimensional con pilares (72) distribuidos hexagonalmente con una plataforma común; d) una malla que hace de mecha (76) y soporte estructural (72); e) dos capas de material poroso (76) separadas por una malla metálica (72). En el caso de la variante f) se muestra una estructura idéntica al caso e), pero embutida y herméticamente termo-sellada por dos films plásticos (75) exteriores.
En la figura 20 se observa el detalle de algunas distribuciones de separadores o pilares estructurales (72) que permiten soportar la presión de vacío de la pletina térmica bidimensional, sin carácter limitativo. El caso a) corresponde a la descripción de la figura 19a y 19c; el caso b) a la figura 19b y el caso c) a la figura 19d.
> Realizaciones del sistema en configuración paralela.
La figura 21 muestra un cuerpo proyector (a) y una vista explosionada (b) con los principales componentes del sistema opto-térmico en configuración paralela, con reflector (32), fuente de radiación (2), pletina térmica bidimensional (7) doblada en forma de "U" simétrica, cuerpo de extrusión (1 1) con aletas externas, equipo de alimentación (5) interno, y tapa de cierre trasero del cuerpo.
Esta configuración del sistema permite la novedosa incorporación de uno o varios radiadores adicionales en contacto con las caras planas internas de la pletina, tanto en la parte opuesta en donde se encuentra la fuente de radiación, como en las partes laterales de la misma, lo cual queda perfectamente representado en la figura 22 con un cuerpo de extrusión (1 1) de un proyector de sección cilindrica con aletas internas y pletina térmica bidimensional (7), que incorpora disipadores adicionales (9) en regiones distintas de contacto con la pletina térmica.
Dentro de la configuración en paralelo, donde la dirección principal de la radiación de la fuente es paralela a la dirección normal de la pletina en la región de contacto con la fuente de radiación, las pletinas bidimensionales pueden implantarse, según diferentes formas geométricas, con diferentes tipos de cuerpos proyectores.
A modo de ejemplo no limitativo, se presente el cuerpo de un proyector de sección cuadrada y aletas internas como el mostrado en la figura 23, con tres pletinas térmicas bidimensionales posteriores en contacto con todas las caras laterales del cuerpo; dos pletinas en forma de "L", y una en forma de "U", que conforma un subsistema de pletinas en "X".
Otro ejemplo es el cuerpo del proyector LED de sección cuadrada, sin aletas, con cuatro lentes (31) sustentada en una placa LEDs transversal e interior de la figura 24, que permite una disposición en "X" de pletinas térmicas en forma de "U" a ambos lados de la placa; solución ésta que incrementa la transferencia en toda la periferia del cuerpo del sistema. Los elementos principales de este tipo de proyector son los mostrados en el dibujo explosionado de la figura 25. Las pletinas térmicas bidimensionales laminadas (77) permiten simplificar el número de componentes al combinar varias pletinas en una sola, como en el caso de los dos dispositivos comentados.
En sistemas más complejos la pletina puede tener ramificaciones para optimizar la transferencia de calor, como el caso, por ejemplo, de la cabeza de un proyector como el de la figura 26, donde la pletina térmica bidimensional laminada (77) con ramificaciones de la figura 27 se integra en configuración paralela. El cuerpo del proyector de la figura 28 es un ejemplo de cuerpo de extrusión (1 1) de sección cilindrica con aletas longitudinales externas e internas, en el que se implanta una pletina térmica bidimensional en configuración paralela, mientras que el cuerpo del proyector de la figura 29 presenta aletas internas longitudinales y un disipador adicional (9) en su parte posterior en contacto con la pletina térmica bidimensional , lo que incrementa la capacidad de disipación de calor.
La figura 30 muestra un cuerpo de un proyector de sección cilindrica basado en un tubo de extrusión normalizado con una pletina térmica bidimensional que , siendo esencialmente plana, puede curvarse ligeramente para adaptarse a la superficie del cuerpo cilindrico o para acoplarse mediante una manta térmica, un soporte metálico o elemento similar. El sistema de anclaje de los elementos en el cilindro es semejante a las soluciones existentes en fontanería con una junta tórica (103) deformable. En la figura 31 se representan los elementos principales de construcción del cuerpo descrito.
Como último ejemplo de proyectores con sistema opto-térmico en configuración paralela tenemos el proyector de la figura 32, que consta de un cuerpo de extrusión (1 1) de sección cuadrada basado en un perfil de extrusión normalizado con una pletina térmica bidimensional posterior a la fuente de radiación, en forma de "U", en donde los elementos se anclan al perfil por presión, mediante deformación de una junta tórica (103). Este cuerpo no lleva aletas porque su propia superficie radia y disipa el calor necesario para que la fuente permanezca a una correcta temperatura. Los componentes esenciales del mismo quedan visibles en el despiece de la figura 33.
> Realizaciones del sistema en configuración fuente flotante.
En esta configuración la óptica principal puede estar constituida por un reflector superficial o volumétrico, como por ejemplo en base a un material dieléctrico transparente, como PMMA, PC o silicona, o vidrio. Ésta puede embeber total o parcialmente a la fuente de radiación y/o a la pletina térmica. Estas posibilidades quedan plasmadas en los esquemas de la figura 34; en el dibujo a) se encuentra un reflector superficial, y el central (b) y el de la derecha (c) se refieren a ópticas constituidas con un material volumétrico transparente en su interior, que protegen la óptica y/o la fuente de radiación. En todos los casos la reflexión puede ser realizada en la superficie por el acabado metalizado de la pieza óptica o por una estructura micro-prismática que refleja la luz por reflexión total interna. Como se ha explicado en el compendio de la invención, en la configuración en fuente flotante la pletina o pletinas pueden seccionar o interseccionar parcialmente el reflector, aunque la forma más habitual es que sólo interseccione con el cerco antideslumbrante, conectando térmicamente la fuente de radiación al cuerpo del proyector. En la figura 35 se ilustran distintos sistemas opto-térmicos en esta configuración en vista frontal, con una, dos, tres y cuatro pletinas térmicas bidimensionales de conexión térmica entre la fuente de radiación y la periferia del sistema. La figura 36 ilustra tres distintos sistemas opto-térmicos en configuración en fuente flotante: el dibujo a) con aletas externas, el dibujo b) con aberturas de ventilación (36) laterales, y el dibujo c) con aberturas de ventilación (36) frontales, estos dos últimos con aletas de disipación internas. Una de las características de esta configuración es que las pletinas pueden disponer de fuentes de radiación o LEDs de emisión lateral (21) cuya placa electrónica es paralela y coincidente con alguna de las caras de la pletina térmica bidimensional, tal y como se muestra en el dispositivo de la figura 37. La pletina térmica bidimensional puede estar incluso formada por la propia placa electrónica.
La figura 38 representa una lámpara LED de diámetro 11 1 mm con casquillo (6) del tipo E27 y que incorpora la tecnología propia de la presente invención en configuración de fuente flotante, con dos pletinas térmicas (7) en cruz y vidrio plano de protección (33) en la boca de salida de luz. Cada mitad de la pletina tiene un sistema termodinámico independiente, con cámaras herméticas independientes, lo que, en muchos casos, mejora el funcionamiento ante orientaciones, pues la gravedad influye sobre el sistema. La figura 39 es una vista explosionada de los componentes esenciales de este tipo de lámpara. La figura 40 muestra una comparativa vistan en sección de una lámpara con pletina térmica bidimensional de extrusión (dibujo a), y una lámpara con pletina térmica bidimensional laminada (dibujo b). Ésta última permite mayor flexibilidad de formas, pues se adapta a los diseños particulares. En ambos casos el cuerpo es de inyección de aluminio (12) y está concebido en dos mitades , donde, una vez insertada la pletina y el reflector se unen para formar un único conjunto aprisionando la pletina térmica como un sándwich. La figura 41 ilustra una luminaria de empotrar en techo tipo downlight mediante flejes que implementa el sistema opto-térmico en configuración en fuente flotante.
Como se ve en los dibujos que preceden, en la presente configuración en fuente flotante las pletinas generalmente son rectas. No obstante, en construcciones más optimizadas pueden ser curvadas, como, por ejemplo, en forma de "U", tal y como se ve en el proyector de la figura 42, cuyos elementos esenciales se representan en la figura 43; a saber: cerco antideslumbrante (4), plataforma (6) de la fuente de radiación (2) LED, pletina térmica bidimensional (7), reflector (32) y cuerpo de extrusión (1 1).
La lámpara LED con el sistema de invención de la figura 44 es un ejemplo de un cuerpo implementado por un perfil de extrusión (1 1) sometido a un proceso posterior de mecanizado. El circuito impreso del LED está directamente acoplado al canto de la pletina térmica bidimensional (7) dividida en dos mitades. Ambas mitades de la pletina tienen cámaras herméticas independientes (donde se encuentra el fluido), puesto que, de esta forma, en muchos casos el sistema es más robusto ante cambios de orientación. Un disipador de éste tipo también puede fabricarse mediante una plancha plana de extrusión de aluminio sellada por embutición en prensa. La figura 45 muestra dos posibles subsistemas de pletinas térmicas integrables en un proyector en configuración de fuente flotante: pletina térmica bidimensional laminar (77) en "U" mono-componente (dibujo a), y conjunto de tres pletinas simples sustitutivo de una pletina en "U" mono-componente (dibujo b). Esta última puede ser más conveniente por costes de fabricación, si bien, también es posible doblar una pletina térmica bidimensional de extrusión para dar una pieza similar, con cierto redondeo, como en la figura 43.
Como se ha visto (figura 34), la óptica principal puede estar constituida por un reflector superficial o volumétrico, metalizado o prismático. Un ejemplo de óptica con reflector micro-prismático (38), que permite reflejar y dirigir la luz mediante un dieléctrico transparente por reflexión total interna, se encuentra en el dispositivo de la figura 46. En la imagen de la derecha (b) se muestra el detalle este reflector basado en materiales transparentes con superficies micro-prismáticas, que refleja la luz emitida por la fuente de radiación (2) por reflexión total interna. Estos micro-prismas pueden ser más complejos, no necesariamente alineados con los radios del reflector ni con la misma longitud.
El dispositivo de la figura 47 ilustra en varias vistas una forma en que puede integrarse un radiador de calor adicional (9) en el interior del cuerpo conectado a una pletina térmica plana bidimensional, longitudinalmente al cuerpo, que transfiere el calor de la fuente de radiación al cuerpo externo y a las aletas internas del disipador adicional. En este caso todas estas aletas son longitudinales al flujo de aire, lo que favorece la transferencia de calor. En algunos dibujos se han eliminado componentes, como el sistema óptico, para una mejor comprensión de los mismos.
Anteriormente, se ha explicado que en la configuración en fuente flotante es posible crear una apertura de ventilación en la región central del reflector para favorecer un flujo de aire y, por consiguiente, la refrigeración del sistema sin perturbar significativamente las características ópticas. La figura 48 muestra los componentes principales de una lámpara AR1 11 simplificada con abertura de ventilación (36) central con dicha finalidad, y la figura 49 el cuerpo de un proyector con abertura de ventilación (36) central en el reflector principal. También es posible permitir un flujo de aire entre en cerco antideslumbrante y la óptica, tal y como se muestra en los dibujos de la figura 50, que corresponden a la vista transversal de una lámpara (dibujo a) y un proyector (dibujo b) con una pletina térmica en configuración en fuente flotante, lo que favorece el flujo de aire y la transferencia de calor. Un ejemplo de proyector con pletina térmica bidimensional, donde el reflector no presenta simetrías, es mostrado en la figura 51. Este tipo de sistemas puede ser integrado como faros de vehículos o iluminación de viales de forma que evita el deslumbramiento directo de la fuente de radiación. En el dispositivo de la presente invención, las distribuciones de radiación lumínica pueden ser modificadas o redistribuidas controladamente insertando componentes adicionales en la óptica, o bien influyendo mecánicamente en la forma del reflector y/o en su posición relativa en el eje axial con respecto a la fuente de radiación. El dibujo esquemático de la figura 52 muestra un dispositivo con una pletina térmica en dicha configuración que incorpora una óptica refractiva delgada compuesta por una matriz de micro-lentes (37) que conforman el haz de luz de salida. Esta micro -estructura, puede ser rotada o desplazada, de forma que, junto con un reflector o lente facetado o micro-estructurado, modula la distribución de luz.
En la figura 53 se representan seis estrategias de sistemas ópticos en fuente flotante que permiten variar el haz de luz de salida, bien manualmente, o mediante actuadores y motores, por desplazamiento axial: a) del reflector, b) de la plataforma, c) de la pletina, d) de la lente o matriz de micro-lente, o mediante deformación de e) el reflector, o f) la lente.
El primer esquema (a) ilustra un sistema óptico con reflector axialmente móvil que cambia su distribución dependiente de la posición del reflector. Las siguientes ilustraciones (b y c) son similares, salvo que en estos casos se desplazan longitudinalmente la plataforma y la pletina térmica, respectivamente. En el caso d) se desplaza una lente móvil para manipular la distribución. Las figuras 54, 55, 56 y 57 ilustran algunos detalles de los sistemas manipuladores del haz descrito.
La figura 54 muestra el detalle de un sistema óptico de haz variable con regulación del posicionamiento de la fuente de radiación, solidaria a su plataforma, que es desplazada axialmente girando ésta. Este detalle ilustra un ejemplo de implementación mecánica del sistema representado en la figura 53b.
La figura 55 muestra un sistema con un mecanismo móvil que permite un desplazamiento axial del reflector respecto de la fuente de radiación gracias a unas guías en el reflector o rosca, lo que proporciona una regulación de la distribución del haz luminoso. No es necesario que estas guían atraviesen la pieza formando una apertura. El cerco antideslumbrante se encuentra solidario con el cuerpo del sistema. El sistema es un ejemplo de implementación del sistema representado en la figura 53a. La figura 56 muestra el despiece de las partes esenciales del sistema de la figura anterior, en donde la PCB de la fuente de radiación comprende gran parte del canto de la pletina térmica y contiene cinco LEDs: rojo, verde, azul y ámbar, y un sensor de presencia en el centro. La figura 57 representa la implementación de un sistema opto-térmico en configuración de fuente flotante con óptica de haz variable mediante un reflector fijo y una lente móvil axialmente. Este sistema es una posible implementación del sistema mostrado en la figura 53d. Ejemplos de pletinas térmicas que incorporan una óptica inicial próxima a la fuente de radiación, los tenemos en los dibujos esquemáticos de la figura 58 sobre sistemas con: a) un mini-reflector (35) y b) una mini-lente (34), ambos próximos a la fuente de radiación para adecuar la radiación dirigida al reflector, proteger la fuente de radiación y/o apantallar la radiación directa de la fuente por fugas ópticas.
En la figura 59 se representa un esquema del sistema opto-térmico de invención en configuración de fuente flotante asociado a un sistema de proyección de imágenes por transmisión de luz, como un LCD o un gobo (104), con una o varias lentes (31), que pueden ser móviles para adecuar correctamente la imagen en la superficie a proyectar. Esta configuración en fuente flotante también permite la iluminación de chips DMD para representar imágenes por reflexión. Un sistema similar con una óptica elíptica, o pseudo- elíptica puede ser integrado como subsistema para la inyección de luz en fibra óptica.
> Realización preferente del sistema.
Sin carácter limitativo, una de las realizaciones preferentes es el proyector compacto de luz orientable con pletina térmica bidimensional en configuración de fuente flotante de la figura 60, constituido por una pletina térmica bidimensional (7) en un cuerpo de extrusión de aluminio (1 1), un cerco antideslumbrante (4), un reflector (32) con simetría esencialmente cilindrica, una plataforma (8) situada en la parte central de la pletina, una fuente de radiación (2) LED integrada en la plataforma, y un equipo de alimentación (5) regulable, de forma que el calor generado por el LED se transfiere eficientemente a la parte más externa del sistema, adicionalmente caracterizado porque:
La pletina térmica bidimensional tiene sus caras planas y es m ulticanal, de forma que cada canal está separado por una pared estructural (72) esencialmente perpendicular a la cara de la pletina, que soporta la presión del exterior, y cada canal (71) está herméticamente sellado, parcialmente lleno con acetona, y al vacío.
El cuerpo de extrusión de aluminio de la luminaria tiene una sección esencialmente circular, con aletas interiores, y posee unos surcos con caras planas en donde se inserta parte de la pletina térmica, lo que permite el contacto directo y solidario entre la pletina térmica y el cuerpo.
El sistema se encuentra en configuración en fuente flotante de forma que el LED radia perpendicular a las caras de la pletina y está enfrentado a un reflector que redirige toda la radiación proveniente del LED.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, aplicable a dispositivos de radiación electromagnética con elementos disipadores de calor, constituidos esencialmente por un cuerpo (1 ) con, al menos, una cara plana, que puede ser de extrusión (1 1 ), o inyección (12), fabricado a partir de una o varias piezas, con o sin aletas o radiadores internos y/o externos de disipación de calor, y con o sin aberturas para entradas de refrigeración en su parte frontal, lateral, posterior, o en varias de estas partes; una fuente de radiación (2), como una fuente de luz LED, RGB, o de radiación IR y/o UV, que puede incorporar uno o varios sensores de intensidad de radiación, de color, de presencia, o de proximidad; una óptica (3), formada por una o varias lentes (31 ), matriz o matrices de micro-lentes (37) y/o uno o varios reflectores (32) superficiales o macizos de material transparente, con un recubrimiento reflector o basado en micro-prismas (38); un equipo de alimentación (5), salvo en fuentes de radiación que no lo requieran, como los AC LED, y/o un equipo electrónico de alimentación y/o control gobernado por un microcontrolador o un microprocesador; y, preferentemente, con un cerco antideslumbrante (4), un vidrio, plancha o film transparente de protección (33) a la salida de radiación y una interconectividad del tipo casquillo o conector (6); caracterizado por integrar una pletina térmica bidimensional de caras planas (7), rectas o dobladas en diversas formas geométricas, de un material conductor, por cambio de fase o por conducción térmica, o varias de estas pletinas unidas entre sí por su parte media, que transmiten el calor generado por la fuente de radiación, que se encuentra en una región central del sistema en contacto térmico con una zona central de la pletina o en la unión de pletinas, hacia regiones periféricas en los extremos de la pletina o pletinas, que se extienden a lo largo de la parte lateral, posterior, anterior, o varias de estas zonas del sistema, por contacto solidario de las caras planas de las pletinas con caras planas de las aletas, radiadores u otras partes del cuerpo del dispositivo de implantación.
2. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según primera reivindicación, caracterizado por incluir una base o plataforma (8) de un material conductor del calor, por conducción térmica o por cambio de fase, adosada a la pletina o unión de pletinas que las conecta térmicamente con la fuente de radiación.
3. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según primera y segunda reivindicaciones, caracterizado por incluir uno o varios radiadores de calor adicionales internos (9) en contacto térmico con la pletina o pletinas térmicas, en la parte contigua a la fuente de radiación, y/o en el lateral del cuerpo del dispositivo, y/o uno o varios radiadores de calor externo en la parte posterior o anterior, y/o un subsistema de disipación activa complementario por ventilador, membrana vibrante o célula Peltier, este último integrado entre la superficie donde se encuentra la fuente de radiación, o la plataforma, y la pletina térmica, o entre la fuente de radiación y la plataforma.
4. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las pletinas (7) integrantes del sistema son pletinas térmicas por cambio de fase, constituidas por un cuerpo hueco de caras externas planas y finas, con soportes o pilares estructurales (72) de sujeción, y con una o varias cavidades herméticamente selladas (71 ) que confinan un líquido como acetona o agua, que absorbe y transmite por cambio de fase y evaporación el calor generado por la fuente de radiación hacia toda la extensión de la pletina térmica.
5. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según cuarta reivindicación, caracterizado porque la o las pletinas térmicas por cambio de fase están constituidas por perfiles de extrusión (73), preferentemente de aluminio, con canales huecos longitudinales a la dirección de extrusión a lo largo de cada pletina o mitad de la pletina.
6. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según cuarta reivindicación, caracterizado porque la o las pletinas térmicas por cambio de fase están constituidas por una estructura laminar en sándwich de, dos láminas o films térmicamente conductores (74), de diferentes materiales y texturas, preferentemente de cobre o aluminio, con una o varias cavidades hueca interna, selladas herméticamente por sus extremos, o selladas med iante otros dos films exteriores plásticos (75), como PET, por un proceso de termo-soldado al vacío, con varios soportes estructurales (72) de sustentación, pudiendo llevar adheridas internamente a dichas láminas o films conductores una segunda capa de estructura porosa (76) que puede ser, preferentemente, una malla de cobre, film de espuma metálica de cobre, o la estructura resultante de un proceso de sinterizado de polvo metálico que, por capilaridad, es empapada por el fluido y hace la función de mecha.
7. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según antenor reivindicación 6, caracterizado porque el canal o los canales internos de las pletinas térmicas laminadas pueden estar en lazo cerrado.
8. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la o las pletinas térmicas bidimensionales (7) integrantes del sistema son pletinas macizas compuestas por uno o varios materiales con alta conductividad térmica, ya sean de materiales metálicos, cerámicos, cristalinos, cuasi-c stalinos, como cobre, aluminio, nitruro de boro, nitruro de aluminio, grafito, grafeno o nanotubos de carbono, incluyendo materiales compuestos, o combinación de ellos, bien en forma de una sola pl aca, o en forma de una placa multicapa formada por varias capas o films derivados de estos.
9. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se presentan en "configuración paralela", es decir, la dirección principal de radiación de la fuente de radiación (2) es paralela a la dirección normal de la superficie de la o las pletinas en la región de contacto entre la fuente y la pletina.
10. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según antenor reivindicación 9, caracterizado porque las pletinas son dobladas, por sus caras planas o por sus cantos, con forma en "U", con forma en "L", o son pletinas con aletas en cruz "X", con una pletina laminada con ramificaciones o con varias pletinas.
11. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se presenta en "configuración en fuente flotante", es decir, la dirección principal de radiación de la fuente de radicación (2), que está suspendida y sujeta por la o las pletinas, es perpendicular a la dirección normal de las caras de la o las pletinas en la región de contacto entre la fuente y la pletina, interaccionando toda la radiación con un reflector enfrentado a la fuente.
12. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según undécima reivindicación, caracterizado porque la o las pletinas disponen de fuentes de radiación de emisión lateral (21 ) cuya base o placa electrónica es solidaria con alguna de las dos caras de la pletina, o forman parte de ésta.
13. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 1 a 12, caracterizado porque la pletina incorpora una óptica adicional próxima a la fuente de radiación, como una mini-lente (34) o un mini- reflector (35).
14. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 1 a 13, caracterizado porque en la región central del reflector, en la vertical de la fuente radiante acoplada a la pletina, lleva practicada una abertura de (36) ventilación (36) que permite un flujo de aire, gas o líquido del ambiente.
15. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 1 a 14, caracterizado porque la pletina (7), la plataforma, la fuente de radiación, la óptica, o varios de estos elementos son movibles axialmente, de modo que la distribución del haz de radiación puede vanarse desplazando estos elementos ópticos móviles a lo largo de su eje axial.
16. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 1 a 13, caracterizado porque la pletina (7), con la plataforma y/o fuente de radiación, va asociada a una lente o reflector flexibles, de modo que la distribución del haz de radiación puede vanarse mediante una deformación, por presión, de estos elementos flexibles.
17. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 1 1 a 16, caracterizado porque las pletinas (7) son planas y rectangulares, pudiendo seccionar o interseccionar parcialmente el reflector óptico, y/o el cerco antideslumbrante.
18. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales según reivindicaciones 1 1 a 17, caracterizado por una disposición de pletinas en cruz o en estrella que confluyen en la región donde se encuentra la fuente de radiación.
19. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales, según reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque las pletinas son dobladas por sus cantos en forma de "U", y/o en forma de "L", insertadas en surcos con las caras planas del cuerpo del dispositivo.
20. Sistema opto-térmico basado en pletinas térmicas bidimensionales constituido por una pluralidad de subsistemas según todas las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una distribución espacial y/o angular particular de estos subsistemas, como en una matriz lineal o bidimensional.
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