FI119704B - LED-valaisin - Google Patents

Description

LED-valaisin

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaista va- laisinrakennetta, jossa valaisimen kiinnitys, valolähteen jäähdytys ja heijastaja on 5 integroitu yhdeksi kokonaisuudeksi.

Halogeenivalaistus on yleistynyt valaisturatkaisuissa. Sillä on eräänä etuna, että valaisin toimii pienjännitteellä. Halogeenivalaistusratkaisut antavat tällöin paljon sisustuksellisia vapauksia, kun johdotuksina voidaan käyttää paljaana olevia me-10 talliosia, kuten valaisimen kiinnitykseen tarkoitettuja kiinnityskiskoja ja vaijereita. Lisäksi halogeenivalaisimet ovat pieniä sekä helposti suunnattavia ja kohdennettavia. Niitä käytetään tyypillisesti esimerkiksi kattoon tai kalusteisiin upotettuna tai suunnattavina kohdevalaisimina.

15 Kuva 1 esittää tyypillistä upotettavan halogeenivalaisimen rakennetta. Rakenne käsittää valolähteenä toimivan halogeenilampun 13. Lamppu on kiinnitetty kantaan, joka muodostaa heijastajan 14 ja kontaktit 15 muuntajalta tulevan pienjän-nitteen 12 syöttämiseksi lampulle. Lisäksi rakenteeseen kuuluu asennusrengas 11, jonka avulla valaisin voidaan kiinnittää asennusaukon reunoihin. Halo-20 geenilamppu tuottaa huomattavasti lämpöä, joten riittävästä jäähdytyksestä on huolehdittava. Lampun jäähdyttäminen ratkaisuilla, joissa lämpöä johdettaisiin lampun kannan kautta, on hankala toteuttaa, koska lampun pitää olla irrotettavissa. Lampun lasikupuun ei voida liittää kiinteitä jäähdytys-elementtejä. Halogeenilampun jäähdytys tapahtuukin pääasiassa lämpösäteilynä 15 samaan suun-25 taan kuin valaistus.

Valoa emittoivaa diodia (LED) eli valodiodia on jo vuosikymmeniä käytetty erilaisten sähkölaitteiden merkkivaloina ja näytöissä. LED-tekniikan kehityksen myötä se on valtaamassa alaa sovelluksissa joissa on aiemmin käytetty valolähteenä 30 hehkulamppua tai halogeenilamppua, esimerkiksi sisävalaistuksessa. LED-tekniikan etuja ovat huomattavasti hehkulamppua pienempi energiankulutus, huomattavasti pidempi käyttöikä, vähäinen tilantarve ja paloturvallisuus. Valo-diodi tuottaa myös vähemmän hukkalämpöä, kuin hehkulamppu tai halo-geenilamppu.

2

Valodiodien käyttöiäksi luvataan kymmeniätuhansia tunteja. Käyttöikää ei voi kuitenkaan suoraan verrata perinteisiin valonlähteisiin, sillä käyttöikä riippuu puolijohde-elementin toimintalämpötilasta. Lisäksi valodiodien valovirta alenee käyttöiän myötä ja tämä valon aleneman nopeus on riippuvainen puolijohde-5 elementin toimintalämpötilasta.

Valodiodin valoa tuottava puolijohde-elementti on pinta-alaltaan ja tilavuudeltaan hyvin pieni. Perinteiset hehkulampulla tai halogeenilampulla varustettujen valaisimien jäähdytysratkaisut eivät sovellu LED-valaisimien valodiodin jäähdyttämi-10 seen, sillä valodiodin pienestä pinta-alasta ja tilavuudesta johtuen sen jäähdyttäminen lämpösäteilyn avulla ympäristöön ei ole riittävä.

Esimerkiksi sisävalaistuksessa on muodostunut erilaisia standardeja käytössä oleville hehkulamppu- ja halogeenivalaisimille. Pyrkimyksenä on, että vanhoja 15 valaisimia voitaisiin korvata uusilla LED-valaisimilla tai käyttää uusissa kohteissa samankokoisiin asennusaukkoihin kuin perinteisiä valaisimia. On myös kehitetty ratkaisuja, joissa vain valolähde eli lamppu voidaan vaihtaa toisentyyppiseen vaihtamatta itse valaisinta. Eräs tällainen ratkaisu on hehkulampun kierrekantaan sopiva valodiodiin perustuva lamppu, jossa on muuntaja ja valodiodi. Tässä kuten 20 muissakin vanhojen standardien kanssa yhteensopivissa ratkaisuissa muodostuu ongelmaksi valodiodin jäähdytys. Muuntaja ja valoa tuottava puolijohde-elementti molemmat tuottavat lämpöä. Lämmön siirtyminen pienestä puolijohde-elementistä lämpösäteilyn avulla ympäristöön on vähäistä ja kontakti kierre-kannan kautta valaisimen runkoon on jäähdytyksen kannalta puutteellinen. Jos 25 olemassa olevia valaisinratkaisuja sovelletaan valodiodeille, pitää puolijohde-elementin jäähdytys ratkaista. Tyypillisesti valaisimissa on lampulle vain kaksi pientä metallipintaa, jotka on tarkoitettu sähkön syöttämiseksi lampulle. Nämä eivät ole riittäviä siirtämään lämpöä pois suurtehoisesta puolijohde-elementistä.

30 Koska valodiodit eivät merkittävästi säteile lämpöä lämmön siirtyminen on järjestettävä muuta kautta. Aiemmin pienitehoisissa valodiodeissa lämmön johtamiseen käytettiin sähköisiä liitoksia, samoja joiden kautta virta tuodaan valodiodeille. Tehojen kasvaessa suuremmiksi sähköisten liitosten lämmönsiirtokapasiteetti ei kuitenkaan riitä. Valodiodeihin perustuvissa valaisimissa pitää puolijohde- 3 elementille olla riittävän suuri lämmön vastaanottopinta ja jokin jäähdytysrakenne, johon lämpö johdetaan. Ilman riittävää jäähdytystä valodiodit lämpiävät merkittävästi, joka johtaa valontuoton laskuun ja eliniän lyhenemiseen.

5 Keksinnön tavoitteena on esittää valodiodin käyttöön perustuva LED-valaisin, jossa puolijohde-elementin jäähdytys on ratkaistu ja lisäksi itse valaisin-rakenteeseen tarvittavien erillisten osien määrä on minimoitu.

Tunnusomaista keksinnön mukaiselle LED-valaisimelle on rakenne, jossa jäähdyit) tys, kiinnityselementti ja valaisimen heijastaja ovat kaikki integroitu yhtenäiseksi kokonaisuudeksi. Täsmällisemmin keksinnölle tunnusomaiset piirteet on esitetty itsenäisen patentti-vaatimuksen tunnusmerkkiosassa. Keksinnön edullisia suoritusmuotoja on kuvattu epäitsenäisissä patentti-vaatimuksissa.

15 Seuraavassa kuvataan keksinnön käyttöä tarkemmin viittaamalla oheisiin kuviin, jotka esittävät keksinnön yksityiskohtia, joissa kuva 1 esittää poikkileikkauksena tunnetun tekniikan mukaista halogeenivalaisinta, 20 kuva 2 esittää poikkileikkauksena erästä LED-valaisinrakennetta, kuva 3 esittää poikkileikkauksena erästä toista LED-valaisinrakennetta, kuva 4 esittää poikkileikkauksena keksinnön mukaista LED-valaisinrakennetta.

25 Kuva 1 esittää erästä johdanto-osassa käsiteltyä tunnetun tekniikan mukaista halogeenivalaisinta. Kuva 2 esittää erästä ratkaisua, jossa tunnetun tekniikan mukaista halogeenivalaisinta on muunneltu valodiodikäyttöön sopivaksi. Valoa tuottava puolijohde-elementti 23 on liitetty jäähdytysrakenteeseen 25. Puolijohde-elementti 23 on liitetty rakenteeseen 24, jonka avulla järjestetään sähköiset kon-30 taktit puolijohteelle ja hyvä lämmönsiirtyminen jäähdyttävään pintaan 25. Sama jäähdytysrakenne muodostaa myös valaisimen rungon ja kiinnitysrenkaan 21, jonka avulla valaisin voidaan kiinnittää asennusaukkoon. Valaisimen rungossa on aukko 26, johon on sovitettu linssi 22 valon keräämiseksi ja suuntaamiseksi valoa 4 tuottavasta puolijohde-elementistä 23. Lisäksi rakenteessa voi olla rengas tai levy 27, jonka avulla linssi 22 lukitaan paikalleen.

Kuva 3 esittää erästä toista ratkaisua, jossa tunnetun tekniikan mukaista halo-5 geenivalaisinta on muunneltu valodiodikäyttöön sopivaksi. Valoa tuottava puolijohde-elementti 33 on liitetty jäähdytysrakenteeseen 35. Puolijohde-elementti 33 on liitetty rakenteeseen 34, jonka avulla järjestetään sähköiset kontaktit puolijohteelle ja hyvä lämmönsiirtyminen jäähdytyspintaan 35. Sama jäähdytysrakenne muodostaa myös valaisimen rungon ja kiinnitysrenkaan 31, jonka avulla valaisin 10 voidaan kiinnittää asennusaukkoon. Valaisimen rungossa on aukko 36, johon on sovitettu heijastaja 37 valon keräämiseksi ja suuntaamiseksi valoa tuottavasta puolijohde-elementistä 33.

Kuva 4 esittää keksinnön mukaista LED-valaisimen rakennetta. Pyrkimyksenä on 15 ollut yksinkertaistaa rakennetta ja tehostaa jäähdytystä. Asennusratkaisuissa, joissa valaisimen takana, jäähdytysripojen 45 ympärillä, on riittävästi ilmatilaa, saadaan riittävä jäähdytys takakautta 44. Jos valaisin on upotettu esimerkiksi kattoon ja valaisimen takana on vain pieni ilmatila, on tarvetta saada mahdollisimman suuri osa lämmöstä siirtymään myös etukautta, eli valaisun suuntaan. 20 Parempi lämmön siirtyminen eteenpäin saadaan aikaan lyhentämällä lämmönsiir-tomatkaa puolijohde-elementistä 43 valaisimen ulkoreunaan, tässä tapauksessa kiinnitysrenkaaseen 41. Toinen lämmönsiirtymistä edistävä tekijä on valaisimen rungon seinämien paksuntaminen puolijohde-elementin 43 valaisimen ulkoreunan 41 välillä. Tällöin on oivallettu, että valaisimen rungon sisäpuolen reunat 42 voi-25 daan samalla muotoilla heijastajan muotoon, jolloin paremman lämmönsiirtymi-sen lisäksi päästään eroon erillisestä heijastajasta 32 tai erillisestä linssistä 22 ja mahdollisesta linssin tai heijastajan kiinnityselementistä 27. Etukautta tapahtuvaa jäähdytystä voidaan lisäksi tehostaa lisäämällä kiinnitysrengasosan 41 avulla etuosan pinta-alaa, jolloin lämmön siirtyminen ilmaan etukautta tehostuu. Tämä 30 voidaan tehdä renkaan halkaisijaa lisäämällä tai järjestämällä siihen esimerkiksi ympyrämäisiä tai säteittäisiä jäähdytysripoja. Pinnan poimuttamisella tai sopivalla värityksellä voidaan myös tehostaa lämmön siirtymistä. Lämmönsiirtoa voidaan tarvittaessa tehostaa lisää urittamalla koko valaisimen metallirunko myös sivulta. Rengasosan 41 avulla valaisin voidaan kiinnittää rakennuksen rakenteissa tai 5 kalusteissa olevaan aukkoon. Yksittäisiä valaisimia voidaan kiinnittää myös esimerkiksi erilliseen runkoon valaisinryhmän muodostamiseksi.

LED-valaisimen runko voi olla esimerkiksi alumiinia tai muuta hyvin lämpöä johta-5 vaa metallia ja valmistaa valamalla tai työstämällä. Pinta 42 voidaan saada hyvin heijastavaksi esimerkiksi kiillottamalla, maalaamalla tai pinnoittamalla eri menetelmin. Heijastavaan pintaan voidaan myös liimata heijastava kalvo. Mikäli rakenne on valodiodin pitkästä käyttöiästä johtuen sellainen, että valodiodia ei ole tehty vaihdettavaksi, voidaan valodiodin päälle valaa suojaksi muovimassa. Muovi-10 massalla voidaan täyttää heijastajan muotoinen aukko osittain tai kokonaan.

Mikäli LED-valaisinta käytetään käyttökohteessa, jossa valaisimen takana on suljettu tila, ei takana olevista jäähdytysrivoista ole välttämättä juurikaan hyötyä ja ne voidaan mahdollisesti jättää pois. Keksinnön mukaisesti voidaan siis valmistaa 15 LED-valaisin, jossa ei ole takajäähdytysripoja 45. Myös sellainen keksinnön mukainen rakenne on mahdollinen, että jäähdytysrivat 45 ovat elementti, jonka on kierteellä tai ruuveilla kiinni perusrungossa. Tällöin takajäähdytys voidaan lisätä asennuskohteissa, joissa valaisimen takana on riittävästi ilmatilaa. Koska kierre-tai ruuvikiinnityksellä saadaan pinta-alaltaan suuri ja tiukka metalli vastaan metalli 20 kiinnitys, on lämmönsiirto tällaisessa ratkaisussa hyvä. Tällainen lisäjäähdytys-elementti voidaan valmistaa samasta materiaalista ja samalla menetelmällä kuin itse valaisimen runkokin. Valaisimen runko-osaa voidaan joissakin tapauksissa käyttää virransyöttöön valodiodille ja korvata näin toinen erillisistä syöttöjohdoista.

25 Edellä on esitetty eräistä vaihtoehtoja keksinnön toteuttamiseksi. Alan ammattilaiselle on selvää, että keksinnön suojapiirin puitteissa voidaan toteuttaa tässä kuvatuista poikkeavia ratkaisuja niin käytettävien materiaalien, mitoituksen kuin rakenteen toteutuksen yksityiskohtienkin suhteen.

30 ;

Claims (8)

1. Kiinteästi asennettavaksi tarkoitettu LED-valaisin, joka käsittää valoa muodostavan puolijohde-elementin (43), ainakin yhden jäähdytyselementin (45, 41) puolijohde- 5 elementin jäähdyttämiseksi, heijastajan (42) valon suuntaamiseksi ja rakenteen (41) valaisimen kiinnittämiseksi asennusalustaan ja puolijohde-elementin jäähdyttämiseksi tunnettu siitä, että jäähdytyselementti (45,41), heijastajan (42) muodon määräävä rakenne ja valaisimen kiinnitysrakenne (41) ovat samalla menetelmällä ja samasta materiaalista valmistettu yhtenäinen kokonaisuus. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen LED-valaisin .tunnettu siitä, että etuosan jäähdytyselementti (41) ja takaosan jäähdytyselementti (45) ovat samalla menetelmällä ja samasta materiaalista valmistettu yhtenäinen kokonaisuus.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen LED-valaisin .tunnettu siitä, että takaosan jäähdytyselementti (45) on samalla menetelmällä ja samasta materiaalista valmistettu kuin heijastajan (42) muodon määräävä rakenne ja valaisimen kiinnitysrakenne (41), mutta se on irrotettavissa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen LED-valaisin, tunnettu siitä, että heijastajan (42) pinta on kiillotettu, pintakäsitelty tai pinnoitettu.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen LED-valaisin, tunnettu siitä, että valaisimen kiinnityksen tarkoitettua etuosaa (41) on muotoiltu sileästä pinnasta poikkeavaksi sen 25 pinta-alan lisäämiseksi ja puolijohde-elementin (43) jäähdyttämisen tehostamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen LED-valaisin, tunnettu siitä, että valaisimen etuosan jäähdytyselementti (41) muodostaa samalla kauluksen, jonka avulla aukkoon asennettu valaisin voidaan kiinnittää. 30

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen LED-valaisin, tunnettu siitä, että valaisin on tarkoitettu upotettavaksi ja kiinnitettäväksi etuosastaan (41) rakennuksen rakenteissa tai kalusteissa olevaan aukkoon.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen LED-valaisin, tunnettu siitä, että valaisin on tar koitettu kiinnitettäväksi etuosastaan (41) runkoon, joka muodostaa valaisinryhmän.