Устройство для охлаждения осветительных приборов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Васильев Леонард Леонидович Васильев Леонид Леонардович Куликовский Вадим Казимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для охлаждения осветительных приборов, содержащих светодиоды, размещенные на монтажной панели, выполненной из теплопроводного материала и связанной с теплопроводным корпусом в виде тепловой трубы с обеспечением теплового контакта, отличающееся тем, что тепловая труба выполнена в виде плоского змеевика с замкнутым контуром, теплоноситель которой дополнительно содержит наночастицы, при этом участки зоны испарения тепловой трубы снабжены наноструктурным пленочным покрытием.(56) 1. Зеленков И.А., Лахтадыр Э.Э., Мокров И.В. Построение систем освещения с использованием светодиодных модулей // Електронка та систем управлння. - 2010.2(24). - С. 24-27. 2. Мельниченко. Защита мощных светодиодов от перегрева // Электронные компоненты и системы. - 2005. -12(100). - С. 22-23. 3. Патент США 7806564, МПК 21 29/00, 2010. 4. Патент РФ 2 452 894, МПК 21 29/00, 2012. 5. Патент РФ 95795, МПК 21 29/00, 2010. Предлагаемое техническое решение относится к осветительным устройствам, в частности к устройствам для охлаждения преимущественно светодиодных осветительных приборов, и может найти применение в системах промышленного, уличного и бытового освещения. В настоящее время в качестве энергоэффективных источников света для систем освещения разработаны световые приборы на основе полупроводниковых светодиодов, которые при излучении приблизительно одинакового светового потока потребляют в 10 раз меньше электрической энергии по сравнению с лампами накаливания 1. Известно, что для защиты мощных светодиодов от перегрева 2 с целью обеспечения универсальности применения и возможной замены электрических ламп накаливания в существующих системах освещения световые приборы на основе полупроводниковых светодиодов, как правило, выполняют внешне похожими на традиционные лампы накаливания. Для этого используют цоколь обычной электрической лампы накаливания, к которому присоединяют электрический преобразователь напряжения, светодиодный модуль и светоформирователь. Основной проблемой в таких источниках света (светодиодных лампах) является недостаточная эффективность отвода тепла от светодиодов и перегрев -переходов с повышением мощности, что значительно снижает надежность работы. Как известно, срок службы светодиодов и величина светового потока обратно пропорциональны температуре их полупроводниковых переходов. Известно устройство для соединения светодиодных ламп с охлаждающими ребрами3, в котором светодиодные лампы дополнительно снабжают металлическими радиаторами для отвода тепла, которые размещают между цоколем и светоформирователем. Однако ограниченные габаритные размеры радиаторов, сложность обеспечения надежного теплового контакта светодиодов с радиатором и низкий коэффициент теплоотдачи от радиаторов при естественной воздушной конвекции значительно ограничивают мощность известных светодиодных источников света и, соответственно, световой поток, который они излучают. Известен осветительный прибор 4, в котором теплоотвод осуществляют прокачкой жидкости с помощью мембранного насоса. Данный способ охлаждения имеет существенный недостаток, так как необходимы механическое устройство для прокачки теплоносителя и дополнительные затраты электроэнергии. В качестве прототипа предлагаемой полезной модели для решения проблемы теплоотвода выбрано светодиодное осветительное устройство 5 (устройство для охлаждения осветительных приборов). Устройство содержит светодиоды, размещенные на монтажной панели, выполненной из теплопроводного материала, соединенной с теплопроводным корпусом с обеспечением теплового контакта. Корпус может быть выполнен в виде трубы с продольным или поперечным оребрением, снабженной торцевой крышкой герметично, и выполнен в виде термосифона или в виде тепловой трубы. Термосифон представляет собой вакуумированную трубу, содержащую небольшое количество рабочей жидкости. Ос 2 94892013.08.30 ветительное устройство такой конструкции предназначено для эксплуатации при вертикальном расположении устройства в пространстве, т.е. монтажная панель с размещенными на ней светодиодами должна быть направлена вниз. При работе такого осветительного устройства нижний конец термосифона (монтажная панель с размещенными на ней светодиодами) нагревается, что вызывает испарение рабочей жидкости и движение ее к холодному 4 концу термосифона, где пар конденсируется, Тепловая труба аналогична термосифону, т.е. представляет собой вакуумированную трубу, содержащую небольшое количество жидкости, но в отличие от термосифона конденсат, образующийся на участке конденсации, возвращается на участок испарения не под действием гравитационных сил, а под действием капиллярных сил, для чего в тепловой трубе на внутренней стенке укреплен фитиль. Недостатками указанного технического решения являются небольшие площади светодиодных сборок, которые можно разместить на круглой поверхности тепловой трубы. Для увеличения площади контакта светодиодной монтажной панели необходимо применять распределительные теплопроводные вставки (спредеры), которые будут вносить дополнительное термическое сопротивление. Таким образом, существуют ограничения, накладываемые на конструктивные исполнения осветительных приборов ввиду необходимости придерживаться ориентации термосифона в поле силы тяжести. Если прототип выполнен с использованием тепловой трубы, то существует ограничение теплоотвода на больших нагрузках из-за запаривания фитиля. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности устройства для охлаждения любых осветительных приборов за счет обеспечения высокой теплопередающей способности в широком диапазоне тепловых нагрузок и упрощение конструкции устройства. Задача решается следующим образом. Устройство для охлаждения осветительных приборов, содержащих светодиоды, размещенные на монтажной панели, выполненной из теплопроводного материала и связанной с теплопроводным корпусом в виде тепловой трубы с обеспечением теплового контакта, отличается тем, что тепловая труба выполнена в виде плоского змеевика с замкнутым контуром (плоская тепловая труба), теплоноситель которой дополнительно содержит наночастицы. Наличие наночастиц в теплоносителе приводит к уменьшению термического сопротивления тепловой трубы. Участки зоны испарения (внутренняя поверхность корпуса, над которой расположена монтажная панель со светодиодами) тепловой трубы снабжены наноструктурным пленочным покрытием, которое создает условия для пульсирующего движения теплоносителя (двухфазный теплоноситель) по замкнутому контуру. При этом происходят локальные изменения плотности теплоносителя, т.е. образовавшиеся кластеры пара при испарении жидкости продвигают теплоноситель по замкнутому контуру в зону конденсации, где размер и количество паровых кластеров уменьшается вследствие конденсации пара и теплопередачи тепла скрытой теплоты парообразования к стенкекорпуса. Таким образом, плоская тепловая труба благодаря интенсивной циркуляции двухфазного теплоносителя позволяет получить высокую изотермичность поверхности тепловой трубы. Возможность работы плоской тепловой трубы при различной ориентации в поле силы тяжести без капиллярной структуры или других усложняющих конструкций обеспечивает высокую технологичность производства и низкую стоимость тепловой трубы. На фиг. 1 изображена схема общего вида предлагаемого устройства. На фиг. 2 - расположение светодиодов на монтажной панели. Устройство содержит светодиоды 1, размещенные на монтажной панели 2, образующие световой поток, излучаемый в помещение. Плоская тепловая труба имеет зону испарения 3 и зону конденсации 4, а корпус тепловой трубы выполнен в виде плоского змеевика 5 с замкнутым контуром. Корпус плоской тепловой трубы может быть выполнен из металла или пластмассы с высокой 3 94892013.08.30 теплопроводностью, содержащей наночастицы. Теплоноситель, дополнительно содержащий наночастицы 6, содержит образующиеся паровые кластеры 7. Участки зоны испарения 3 снабжены пленочным наноструктурным покрытием 8. Плоская тепловая труба работает следующим образом. К зоне испарения 3 поступает тепловой поток от - переходов светодиодов 1 монтажной панели 2 за счет теплопроводности материалов, из которых выполнены светодиоды, монтажная панель и стенки тепловой трубы, выполненной в виде плоского змеевика 5 с замкнутым контуром. Процесс парообразования идет в основном на участках с наноструктурным покрытием 8. Наноструктурное покрытие 8 участков зоны испарения 3 может быть получено путем нанесения пленок окислов металлов, осаждения угольных нанотрубок и фуллеренов. В качестве наночастиц 6 теплоносителя могут быть использованы частицы металлов (100300 ), окислов, угольные нанотрубки, фуллерены и другие наночастицы. Содержание наночастиц 6 в 1 литре жидкости может варьироваться от 2-3 мг до 100-150 мг, что приводит к уменьшению термического сопротивления тепловой трубы на 20-80 . Наличие наночастиц 6 в теплоносителе снижает термическое сопротивление тепловой трубы посредством нескольких аспектов работы в комплексе. Снижается термическое сопротивление между стенкой тепловой трубы и поверхностью испарения в паровом кластере 7 через пленку теплоносителя с наночастицами 6. Теплопроводность за счет наличия наночастиц 6 может быть не только изотропно увеличена, но на выделенном направлении (перпендикулярно к внутренней стенке) может быть значительно выше за счет упорядоченного расположения наночастиц 6 под действием сил поверхностного натяжения. Так как теплоноситель в пульсирующем режиме движется по замкнутому контуру змеевика 5 от зоны испарения 3 к зоне конденсации 4, то теплопередача может осуществляться дополнительно прокачкой теплоносителя с наночастицами 6 в дополнение к теплопередаче по циклу испарения-конденсации, наличие жидкости с высокой теплопроводностью также улучшает этот процесс. Корпус плоской тепловой трубы в зоне конденсации 4 обычно имеет ребра, выполненные методом подрезанного оребрения(ребра отделяются резцом от металла, таким образом, обеспечивая идеальный контакт ребра и корпуса), для передачи тепла окружающей среде. Это значительно интенсифицирует теплообмен при минимальных перегревах теплонагруженной поверхности. Процесс пульсирующего движения теплоносителя с наночастицами 6 в замкнутом контуре плоского змеевика 5 достигается локальным увеличением количества и размеров паровых кластеров 7 в зоне испарения 3 в процессе испарения жидкости, что приводит к вытеснению и пульсирующему движению теплоносителя с наночастицами 6 в замкнутом контуре плоского змеевика 5. Наличие наноструктурного покрытия 8 участков испарения обеспечивает стабильность процесса за счет облегчения процесса парообразования. Процесс парообразования в зоне испарения 3 компенсируется конденсацией пара посредством отвода тепла в зоне конденсации 4, что приводит к уменьшению количества паровых кластеров 7 по мере продвижения теплоносителя в зону конденсации 4. Так как конденсат и пар находятся в движущемся кластере 7, не происходит разделения наночастиц и жидкости в процессе испарения-конденсации. Таким образом, благодаря высокой теплопроводности элементов конструкции предлагаемого устройства с плоской тепловой трубой, работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу, значительно повышается тепловой поток, который можно с минимальным термическим сопротивлением отвести от мощных светодиодов светодиодных модулей. Это позволяет значительно повысит эффективность устройства, использовать любые мощные светодиодные модули и повысить надежность его работы. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5