Способ конструирования осветительного устройства, светодиодный светильник, светодиодная лампа.

Способ конструирования осветительного устройства, светодиодный светильник, светодиодная лампа.

 

Автор: Сергей Титков, генеральный директор ООО «Сетилюмен». Статья опубликована в журнале "Современная Светотехника" №5 2016г

Известны способы изготовления осветительных устройств, при которых с целью защиты и герметизации осуществляется заливка источников света светопрозрачным затвердевающим компаундом. Например, патент US 6595671 B2, опубликованный 22.07.2003, защищает «прочное, водонепроницаемое осветительное устройство», в котором светодиоды помещаются в «монолитную светопропускающую обволакивающую среду», один из вариантов изобретения иллюстрирует рис.1.


В этом варианте изобретения монолит из застывшей смолы герметизирует светодиоды и образует корпус светильника. Недостатком такого осветительного устройства является низка прочность корпуса из-за высокой хрупкости монолитов из застывших смол. Кроме того, изготовление подобных осветительных устройств, в связи с затратами времени на затвердевание смол, требует наличия определённого количества сравнительно дорогих пресс-форм, что повышает конечную стоимость.

Другим примером использования прозрачного компаунда является решение, защищаемое патентом на полезную модель RU117172U1, в котором проблемы герметизация и механическая защита светоизлучающего элемента решаются за счёт его помещения в выемку корпуса и заполнения выемки светопрозрачным затвердевающим компаундом, при этом поверхность компаунда может быть дополнительно защищена ударопрочным стеклом. Недостатком решения является высокая стоимость изготовленных по такому способу осветительных устройств, связанная со сложностью изготовления корпуса с выемкой и светопрозрачной крышки из ударопрочного стекла. Кроме того, при таком способе конструирования осветительных устройств теряется часть светового потока от светоизлучающего элемента из-за его диафрагмирования краями выемки. Следует подчеркнуть, что светильники с ударопрочным стеклом находят ограниченное применение, например в пищевой промышленности, так как при разрушении ударопрочное стекло рассыпается на многочисленные осколки.

Вместе с тем сплошная заливка внутренних полостей осветительных устройств со светодиодными источниками света прозрачным затвердевающим компаундом привлекательна, так как может обеспечить абсолютную герметизацию осветительного устройства, повысить их механическую прочность, улучшить охлаждение.

Компания «Сетилюмен» разработала способ конструирования осветительных устройств с применением затвердевающего светопропускающего компаунда, позволяющий производить недорогие надёжные светодиодные светильники и светодиодные лампы. Подана заявка на группу изобретений, связанных единым изобретательским замыслом технических решений: «Способ конструирования осветительного устройства, светодиодный светильник, светодиодная лампа».

Первое изобретение группы, способ конструирования осветительного устройства, применим к светодиодным светильникам и светодиодным лампам. Способ предполагает защиту светодиодного источника света светильника, в некоторых случаях вместе с драйвером, тонкой светопропускающей оболочкой и заполнение внутренних полостей оболочки светопропускающим компаундом. Под светодиодным источником света подразумевается источник света с одним или несколькими светодиодами, установленными на одной плате, подложке. Сущность способа заключается в свойствах тонкой оболочки из жёсткого материала с эластичным наполнителем сохранять первоначальную форму. Под жесткостью подразумевается способность материала сопротивляться деформации при внешнем воздействии, под эластичностью подразумевается способность наполнителя восстанавливать размер и форму после деформации. Сохранение объёма происходит благодаря тому, что жесткая оболочка не растягиваться, а затвердевший эластичный компаунд практически не сжимается. Жесткая оболочка, наполненная затвердевшим эластичным компаундом, упруго реагирует на удар, выдерживает значительные статические нагрузки. Кроме того, затвердевший эластичный компаунд сохраняет первоначальную форму оболочки, восстанавливает её в случае деформации. Примером наполненной оболочки является пластиковая бутылка с водой - несмотря на тонкие стенки, бутылка сохраняет объём при значительных статических и ударных нагрузках.

Для некоторых типов светильников способ позволяет значительно упростить конструкцию корпуса, сведя его в сущности к теплоотводящей пластине. Светодиодный источник света, датчики, драйвер размещаются под оболочкой, которая после наполнения компаундом является частью корпуса.         Второе изобретение группы, светодиодный светильник, проиллюстрировано на рис.2.


На рис.2 светодиодный источник света поз.1, со светодиодами поз.10 установлен на теплопроводящий корпус поз.2. Светодиодный источник света накрыт светопропускающей оболочкой, выполненной из жесткого материала - поз.3 (показана в разрезе), полость между светодиодным источником света и светопропускающей оболочкой заполнена светопропускающим затвердевшим эластичным компаундом поз.4, (показан в разрезе). Под оболочкой могут быть установлены драйвер поз.5 и тепловое реле поз.6. Поз.11 – удерживающая пластина. Светопропускающая оболочка определяет габариты светильника перед наполнением компаундом и защищает застывший компаунд, который, в свою очередь, предохраняет оболочку от деформации. Для изготовления оболочки целесообразно использовать метод вакуумной формовки, позволяющий изготовить оболочки из жесткого термодеформируемого светопропускающего материала практически любой сложности и любых типоразмеров при минимальных затратах.

Образцом практической реализации изобретения является светильник СТЛ «Медиа-17», проиллюстрированный рис. 3. На рис. 3 справа проиллюстрирована гибкая светопропускающая оболочка, применяемая в производстве светильника.


В светильнике применён светодиодный источник света со встроенным драйвером, выполненный по технологии Acrich, SMJD-3V16W1P3. Гибкая светопропускающая оболочка выполнена методом вакуумной формовки из полиэтилентерефталата (ПЭТ, температура размягчения 2600С) толщиной 0.35 мм. Диаметр светопропускающего окна светильника составляет 100 мм. Полости под оболочкой заполнены прозрачным затвердевшим силиконом «Силагерм 2206» с коэффициентом теплопроводности 0.4 Вт/(м*К), твердостью 40 (по Шору) и рабочей температурой после затвердения -600С +2500С. Высота заполняемой силиконом полости между оболочкой и источником света составляет от 4.5 до 6.5 мм. Под оболочкой установлено тепловое реле с температурой отключения 950С в виде термоконтакта KSD-9700M-95-NC. Тепловое реле защищает светильник от перегрева при нарушении охлаждения или при включении под палящим солнцем, увеличивая тем самым время наработки на отказ светильника. Теплоотводящим корпусом светильника является алюминиевая пластина толщиной 3 мм, рассчитанная по методике, описанной в [1] для условий отвода тепла при установке светильника на поверхность или воздушном охлаждении. Оболочка из материала ПЭТ имеет большое сопротивление разрыву и истиранию. Гибкая оболочка с затвердевшим компаундом упруго реагирует на удары, светильник выдерживает давление от наехавшего колеса автомобиля. Применение теплопроводящего компаунда улучшило охлаждение светодиодов, эффективность которых имеет обратную зависимость от рабочей температуры. Благодаря низкой стоимости оболочки, компаунда и корпуса, светильник имеет низкую себестоимость даже при мелкосерийном производстве, которая определяется в основном стоимостью светодиодного источника света.

Для равномерности излучения по поверхности выходного окна в силикон светильника может быть добавлен рассеивающий пигмент, такой светильник проиллюстрирован на рис.4.


Для рассеивания светового потока светильника возможно применение рассеивающего рельефа на поверхности гибкой светопропускающей оболочки. Рельеф оболочки может быть выполнен в форме одной или нескольких линз для формирования кривой силы света светильника. В светильнике могут быть применены светодиоды с излучением голубого (синего) света и удалённый люминофор, излучающий дополнительные цвета. Отдалённый люминофор может наноситься на светопропускающую оболочку или равномерно размешан в прозрачном компаунде.

Наиболее близким аналогом третьего изобретения группы – светодиодной лампы, является «Светодиодная лампа», описанная в патенте RU2546469C2, опубликованном 10.04.2015. В качестве источника света в лампе применены филаменты – светодиодные аналоги нити накаливания. Филамент представляет собой стержень из искусственного сапфира или стекла длиной около 3 см, на стержне установлены светодиоды, покрытые общим слоем люминофора. Филаменты установлены с помощью держателя в герметичной камере, наполненной газом, имеющим низкий коэффициент вязкости и высокий коэффициент теплопроводности. Проблема отвода тепла от филаментов решается благодаря тепловым потокам и конвекции в газе, заполняющим камеру. Недостатком известного решения является ограничение мощности лампы, связанное с низкой теплопроводностью наполняющего камеру газа и малоэффективной конвекцией. Кроме того, для длительного удержания газа необходимо применять герметичные стеклянные колбы, что повышает стоимость лампы.


Устройство и внешний вид разработанной светодиодной лампы иллюстрирует рис.5. На рис.5: 1- филаменты (или светодиоды на плате), 3 - гибкая светопропускающая оболочка, 4 – затвердевший компаунд, 5 – драйвер, 6 – термореле, 7 – держатель, 8 – цоколь, 10 – светодиоды. Вместо стеклянной колбы в лампе используется, как и в описанном выше светодиодном светильнике, гибкая светопропускающая оболочка из жесткого материала, заполненная светопропускающим затвердевшим эластичным компаундом. Благодаря применению компаунда в качестве наполнителя достигается лучшее охлаждение филаментов, чем в прототипе, что объясняется более высокой теплопроводностью застывшего компаунда. Коэффициент теплопроводности применяемых в прототипе для отвода тепла газов (водород и/или гелий) при рабочих температурах светодиодов не превышает 0.2 Вт/(м*К). Теплопроводность прозрачного затвердевшего силикона «Силагерм 2206» составляет 0.4 Вт/(м*К), которую можно повысить путём введения в него теплопроводящих прозрачных добавок, например, стеклянных микрошариков.

Лампа, проиллюстрированная на рис.5 справа, имеет максимальную мощность 4 ватта, которою нельзя повысить из-за угрозы перегрева филаментов в связи с малой площадью колбы лампы и соответственно малой поверхности рассеивания. Температура филаментов внутри лампы зависит от температуры оболочки, длины теплового пути от филаментов до оболочки, теплопроводящих сечений тепловых потоков и коэффициента теплопроводности материала теплопровода (компаунда) и выражается известным уравнением теплопроводности Фурье:


где ∆T – разность температур между температурой филаментов и оболочки лампы, Р- мощность теплового потока, L – длина теплового пути, k – коэффициент теплопроводности компаунда, S – площадь теплопроводящего сечения теплового потока. Температура оболочки лампы обратно пропорциональна её площади, с которой тепло рассеивается в окружающий воздух благодаря конвекции и излучению. Увеличение площади оболочки может привести к возрастанию объёма лампы и соответственно к чрезмерному увеличению её веса, что связано с плотностью наполняющего её компаунда. Например, выполнение оболочки лампы в соответствии со стандартными размерами лампы накаливания (обозначены пунктиром на рис.5), приведёт к нежелательному лишнему весу. Изготовление оболочки из жесткого термодеформируемого материала позволяет без технологических затрат придать ей любую форму, например, как на рис.6.


Впадины поз.9 на рис.6 могут уменьшить объём и соответственно вес лампы при сохранении или увеличении площади оболочки. Кроме того, расположение филамента в выступе оболочки лампы приводит к сокращению теплового пути L и увеличению площадь теплопроводящего сечения теплового потока S (уравнение теплопроводности) и таким образом к снижению температуры филамента.

Применение в качестве источников света лампы светодиодов, установленных на плату, позволяет улучшить их охлаждение по сравнению с филаментами. Площадь теплопроводящего сечения теплового потока S определятся площадями теплопроводных сечений, через которые направляется тепловой поток, в том числе площадью поверхности колбы, с которой происходит рассеяние тепла и площадью поверхности светодиодного источника света, с которой происходит отвод тепла. В общем случае, площадь теплопроводящего сечения определятся как:


где F(x) – функция сечения переменного тела, L длина теплового пути (теорема Гарвина). Таким образом, увеличение площади теплопроводящего сечения теплового потока S в лампе возможно за счёт увеличения площади светодиодного источника света, например, увеличением площади теплопроводящей платы, на которой установлены светодиоды.

В отличие от прототипа, в лампе может отсутствовать держатель светодиодных источников света – их удержит компаунд после затвердения. Затвердевший компаунд может выполнять функции рассеивателя, для этого в него необходимо размешать рассеивающий пигмент или полые стеклянные микросферы. В лампе могут быть применены светодиоды с излучением голубого (синего) света и удалённый люминофор, излучающий дополнительные цвета. Отдалённый люминофор может наноситься на светопропускающую оболочку или равномерно размешан в прозрачном компаунде.

      

   Предлагаемая технология применима для светодиодных аналогов длинных люминесцентных ламп накаливания. 


Литература:
1.    Титков С.И. «Оптимальные параметры радиатора светодиодного светильника». Журнал: «Современная светотехника» №4 за 2015г.
 


                          

        Рубрику «Изобретения в светотехнике» в журнале «Современная Светотехника» ведём с 2015 года. Обязательный ежемесячный анализ новых изобретений позволяет быть в курсе всего нового.