DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les systèmes d'éclairage à diodes électroluminescentes (LED, ou DEL), et en particulier les systèmes d'éclairage de forte puissance utilisant des assemblages en matrices de LED. L'invention concerne tout spécialement des dispositifs d'éclairage comportant de tels assemblages de LED et intégrant des moyens d'évacuation, de la chaleur et avantageusement de récupération de la chaleur émise par les LED.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

On connaît des luminaires utilisant des ensembles matriciels de LED. Les problèmes majeurs qui se sont présentés avec ces appareils sont la difficulté à réaliser un éclairage le plus proche possible de la lumière blanche ou de la lumière solaire, le diamètre trop faible de la zone d'éclairement, en particulier pour des luminaires de grande hauteur, et réchauffement des LED et de leurs circuits d'alimentation, ainsi que de leur support, avec pour corollaire une perte de puissance rayonnée et une durée de vie réduite.

Il est connu que les LED sont une alternative très recherchée aux éclairages classiques, notamment aux lampes à incandescence, mais également aux lampes à fluorescence et surtout aux lampes à décharge.

Dans ce contexte, il a déjà été proposé pour des dispositifs d'éclairage de proximité, des matrices de LED visant à étendre le spectre de la lumière émise et à mieux répartir celle-ci sur la surface éclairée (voir WO 2007/032619, EP 0 921 568, US 5.119.174). Il a également été proposé de dissiper la chaleur émise par les LED (voir US 7.331.691, WO 2006/ 123911, WO 2006/099741, WO 02/097884, US 4.729.076, et DE G 93 16 106.9). La puissance d'éclairement et la fiabilité de ces luminaires sont cependant limitées d'une part par la puissance globale réellement émise par cet ensemble matriciel et d'autre part par la nécessité d'évacuer la chaleur émise par chacune des LED. Les systèmes actuellement connus sont ainsi limités dans leur puissance d'éclairement, si bien qu'ils ne peuvent pas être utilisés par exemple dans des applications dans lesquelles l'éclairage émis par le dispositif doit être puisant et doit procurer un faisceau d'éclairage le plus homogène possible et le plus large possible.

Or, on recherche de nos jours à remplacer également les luminaires classiques de forte puissance par des luminaires à LED, pour faire face à un double défi, constitué par le besoin d'économies d'énergie et de la réduction des coûts de maintenance. Les LED doivent alors procurer un éclairage le plus homogène et le plus large possible, tandis que les lampadaires équipés doivent pouvoir être de grande hauteur, en particulier pour des éclairages publics, tels que des éclairages d'autoroutes, d'aires de repos d'autoroutes, d'aéroports, de stades, de terrains de sports, etc., tandis que les ensembles de

LED utilisés doivent avoir la plus longue durée de vie possible.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION

On a maintenant trouvé que ces objectifs, ainsi que d'autres, peuvent être atteints avec des systèmes d'éclairage selon l'invention dans lesquels, séparément ou en combinaison:

• le module d'éclairage est constitué par un ensemble de LED en matrice, de préférence placées et/ ou collées dans des alvéoles unitaires directement agencées dans la matrice-support; • le spectre et la puissance d'éclairage des LED sont optimisés par le recours à des LED à lumière blanche, avantageusement par mélange de LED émettant dans des couleurs différentes, ou de préférence par conversion au phosphore, notamment au phosphore bleu et/ ou jaune, d'une LED émettant dans le bleu (voir brevet US 7.267.787); • le refroidissement des LED et/ ou de leur support est assuré par un dispositif original; et

• dans une forme de réalisation avantageuse, le dispositif de refroidissement comporte en outre des moyens pour la collecte et la récupération de la chaleur ainsi évacuée du système d'éclairage. En ajustant à convenance ces divers paramètres, l'homme du métier parvient ainsi à la réalisation de systèmes d'éclairage personnalisés, comme par exemple des luminaires de grande hauteur, notamment pour les autoroutes, les hypermarchés et leurs abords, les aéroports, etc., qui présentent des avantages inconnus jusqu'alors, et subsidiairement qui procurent un retour exceptionnel sur investissement, notamment en permettant de valoriser la chaleur a priori nuisible, émise par les modules d'éclairage.

Un objectif de l'invention est ainsi de procurer un système d'éclairage puissant et fiable, utilisant au moins une matrice de LED en remplacement des ampoules classiques, notamment à incandescence, à fluorescence ou à décharge.

Un autre objectif de l'invention est de proposer un système d'éclairage puissant utilisant des matrices de LED ayant un fort pouvoir d'édairement, tout en assurant le refroidissement du système et, en option, la récupération de la chaleur ainsi recueillie.

Ces objectifs sont atteints au moyen d'un système d'éclairage à diodes électroluminescentes (LED) dans lequel, isolément ou en combinaison:

• les LED sont agencées selon une matrice, de préférence carrée ou rectangulaire, mais également circulaire, ovale ou de toute autre forme, directement sur un support usiné pour y définir sur l'une des faces principales, des cavités destinées à recevoir chacune au moins une LED et dont les espacements sont avantageusement tels que soient évitées ou substantiellement évitées les interférences fréquentes dans ce type d'assemblage, tandis que ledit support est lui-même en métal, tel que par exemple du cuivre;

• les LED sont fixées sur le fond et/ ou la paroi des dites cavités en des endroits ajustés pour pouvoir en option orienter le faisceau de la LED concernée, tandis que la géométrie de la cavité peut être adaptée pour procurer au faisceau de la LED concernée une concentration plus ou moins grande, selon les besoins;

• ledit support métallique usiné fait lui-même office d'élément de refroidissement ou radiateur, ledit radiateur constituant un système de refroidissement de type passif ou actif à circulation de fluide caloporteur;

• le système est équipé de moyens d'évacuation de la chaleur, notamment de type radiateur, eux-mêmes couplés avec des moyens formant collecteur à passage de fluide et/ ou, en option, avec des moyens de refroidissement à changement de phase, avantageusement en relation thermique étroite avec ledit radiateur; et

• en option, un dispositif de type pompe à chaleur pour la récupération de tout ou partie des calories émises par ledit système d'éclairage. En variante, le module de refroidissement peut comporter un thermosiphon, en sus ou à la place de l'ensemble micropompe-radiateur.

Dans une forme de réalisation préférée, le système d'éclairage à LED selon l'invention est agencé pour constituer une ampoule substituable aux ampoules à incandescence ou à fluorescence, et surtout aux lampes à décharge classiques. Dans cette forme de réalisation, le système de refroidissement comporte avantageusement, en option, une micropompe reliée d'une part à la face arrière du support des LED, contre laquelle ladite micropompe ou tout dispositif équivalent, actif ou passif, est apte à faire circuler un fluide caloporteur approprié, et d'autre part à un radiateur pour l'évacuation de la chaleur ainsi recueillie.

Ledit ensemble micropompe-radiateur ou ledit thermosiphon peut être intégré à l'arrière du support ou platine supportant les LED, ou en variante il peut être placé sur ou au voisinage du mat d'un lampadaire doté d'au moins un système d'éclairage à LED selon l'invention, de préférence dans une position verticale ascendante ou assimilée.

Sous un aspect, le système d'éclairage à LED selon l'invention comporte ainsi un support de LED pourvu de cavités destinées à recevoir chacune au moins une LED, tandis que le fond des dites cavités est pourvu, sur la face intérieure sur laquelle les LED sont fixées, d'un revêtement réfléchissant, notamment en Ag métal, doté d'une protection contre l'oxydation, et/ ou en Ni /Cr.

Dans la pratique, l'homme du métier adapte alors la dimension et la forme des cavités aux besoins auxquels il est confronté. Cela permet d'obtenir un système d'éclairage à LED approprié à un cas ponctuel, ou encore d'obtenir une panoplie de systèmes d'éclairage à LED dans laquelle on peut choisir, au cas par cas, un système parfaitement approprié, notamment par la géométrie de son faisceau, la puissance rayonnée, avantageusement avec concentration, de manière à procurer un système d'éclairage convenant pour des éclairages de grande hauteur.

La cavité unitaire dans laquelle une ou plusieurs LED sont introduites dans des positions choisies selon l'invention procure en effet un moyen original pour éviter ou atténuer les phénomènes d'interférences entre LED voisines, pour permettre d'orienter les uns par rapport aux autres, si on le souhaite, et/ ou de concentrer/ disperser les faisceaux de plusieurs LED proches, avec pour effet une distribution optimale du faisceau d'ensemble, avec moins d'effets d'ombre et/ ou de suréclairement dans les zones de recouvrement des faisceaux individuels, et avec une gestion optimale de la puissance lumineuse rayonnée. L'invention concerne également des dispositifs complets d'éclairage comportant de tels assemblages de LED et intégrant des moyens d'évacuation de la chaleur et avantageusement de récupération de la chaleur émise par les LED, ainsi qu'une ossature support, telle qu'un mât.

Le système selon l'invention tel que décrit plus haut permet de réaliser en toutes occasions un éclairage répondant aux critères de qualité et de fiabilité requis, tout en procurant des économies aux différents niveaux évoqués plus haut.

D'autres objets de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit et des dessins annexés, où les formes de réalisation décrites sont fournies uniquement à des fins illustratives, et ne limitent en aucune manière la portée de l'invention.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise en référence aux planches de dessin annexées, dans lesquelles:

Fig. 1 représente une vue en perspective d'une tête de mât de lampadaire d'extérieur, munie d'un réflecteur intégrant une matrice de LED, elle-même reliée à un radiateur extérieur.

Fig. 2a représente une vue en coupe transversale schématique partielle d'une plaquette de LED, montrant trois LED fixées dans des cavités respectives usinées selon des profils asymétriques. Fig. 2b illustre les contours des trois zones d'éclairage obtenues dans un plan perpendiculaire au plan moyen des LED, et éloigné d'environ 6 m de celles-ci.

Fig. 3a illustre, en perspective, un dispositif constituant un radiateur du type à fluide caloporteur, en position ouverte. Fig. 3b montre le même système sur la face active duquel est directement appliquée et fixée une plaquette de LED., dont la face éclairante est dirigée vers l'extérieur.

Fig. 4 est une représentation schématique en élévation d'un ensemble de modules de LED reliés à un radiateur extérieur. Fig. 5 est un schéma illustrant l'intégration d'un système de récupération de la chaleur recueillie sur un module de LED dans un circuit de chauffage domestique ou industriel.

Fig. 6 illustre en vue de côté et coupe longitudinale partielle une platine d'un module de LED combinée avec une pompe. et munie à une extrémité d'un culot pour son intégration dans une douille à vis, notamment E27 ou E40, d'un luminaire.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION L'invention vise un système d'éclairage à LED de forte puissance, notamment mais non exclusivement pour luminaire à mât vertical ou sensiblement vertical.

Pour simplifier, l'invention est décrite ci-après en référence à un tel mât, mais sans que cela soit limitatif. L'homme du métier est apte, sur la base de ses connaissances et des présentes indications, à transposer les indications fournies ici à d'autres applications mettant en oeuvre des matrices de LED.

Comme le montre la Fig. 1, le mât 1 d'un lampadaire droit comporte une tête 2 dans laquelle peut être logée une matrice de LED 3 ou la platine munie d'un culot E40 ou E27 (Fig. 6). La face arrière de celle-ci est raccordée par une conduite ou tuyau, souple et/ ou rigide, à un évaporateur de chaleur ayant la configuration d'un radiateur 4.

Avantageusement, le module de LED est constitué d'une matrice carrée ou rectangulaire d'un grand nombre de LED agencées de manière classique pour les LED en "chip". Selon une variante avantageuse, ce module de LED peut en outre comporter une optique de couverture et/ ou un collimateur, et au moins une partie des LED sont intégrées dans des cavités usinées dans le module support. L'ensemble est naturellement complété par les câblages, les connexions et les raccordements, ainsi que les isolants, et en option au moins un sel de phosphore et une résine, traditionnels pour ce type de produit.

Comme le montre la Fig. 2a, la disposition des LED 5 dans les cavités 6 peut être dissymétrique. Un tel système peut donner (voir Fig. 2b) un éclairement selon des zones 7, 7', 7" en recouvrement partiel sur une surface perpendiculaire au plan moyen du module de LED et à une certaine distance de celui-ci. Sous un autre aspect, le module de LED peut également comporter un dispositif optique de recouvrement, comportant un élément en matière plastique (notamment en PMMA) formant collimateur, conçu pour n'absorber au mieux que 9% environ de la lumière, tandis que ledit collimateur vise essentiellement à réduire l'éblouissement et/ ou à contrôler l'angle de diffusion de l'éclairage.

La totalité ou une partie des cavités 6 peuvent, si on le souhaite, être revêtues au moyen d'un traitement de surface réfléchissant approprié (par exemple pour un dépôt de Cr, Ag, etc.). Dans la forme de réalisation représentée sur la Fig. 2a, les cavités du support pour LED dans lesquelles sont placées au moins une partie des LED constituant le module considéré sont usinées de manière adéquate pour avoir un profil transversal symétrique ou asymétrique, de manière à procurer ainsi un faisceau d'éclairement respectivement symétrique ou asymétrique, selon ce que l'on souhaite. En pratique, une partie seulement des dites cavités peut avoir, en option, un tel profil transversal asymétrique. Ainsi, le simple échange d'un module de LED par un autre ayant une configuration différente permet de modifier très facilement et à moindres frais les caractéristiques d'éclairement d'un lampadaire, dont les éléments constitutifs et les autres éléments fonctionnels peuvent alors rester inchangés, ce qui constitue un avantage économique indéniable.

Comme l'illustrent les Figs. 3a et 3b, le support 8 comportant au moins une matrice 9 de cavités garnies de LED peut être appliqué directement sur la face active 10, en métal tel que par exemple du cuivre, d'un dispositif collecteur de chaleur classique 11, encore dénommé système refroidisseur, de type actif (à circulation de fluide tel que: air, eau, huile, etc), ou avantageusement passif. Le système collecteur (Cu, Al, etc.) capte par sa face externe la majeure partie de la chaleur générée par le module de LED 9 en fonctionnement. Conformément à la variante de mise en oeuvre représentée sur la Fig.

4, le dispositif collecteur 11 est avantageusement couplé à au moins un radiateur 13, au moyen d'une ou plusieurs conduites souples ou rigides appropriées.

Un tel système avec collecteur et radiateur permet un contrôle très précis des températures et une excellente maîtrise du fonctionnement des modules de LED qui y sont raccordés. On peut alors opérer dans la gamme des températures ambiantes ou basses. Or, un tel transfert thermique a un impact positif sur l'éclairement des LED et sur la durée de vie de celles-ci.

En variante, en particulier pour les applications à un éclairage de haute puissance, on peut également envisager de munir les modules de LED d'au moins un système de transfert /collecte de chaleur opérant par thermosiphon ou changement de phase, qui permet alors un fonctionnement à des températures inférieures à zéro, si on le souhaite dans des applications particulières. Si l'on se réfère maintenant à la variante de mise en oeuvre représentée sur la Fig. 5, le dispositif tel que représenté sur la Fig. 4 débouche, non pas sur un radiateur 13, mais sur un système de récupération d'énergie thermique, notamment du type pompe à chaleur classique 14. Un tel système peut ainsi alimenter un circuit de chauffage d'habitation, ou de locaux industriels ou de bureaux, au lieu de laisser la chaleur recueillie se disperser dans l'environnement,

Dans la variante du système d'éclairage par LED selon l'invention illustrée sur la Fig. 6, on procure un module d'éclairage à LED 15 constituant une ampoule 16 avec culot 17, et muni sur sa face arrière d'un radiateur 18 rayonnant dans une micropompe 19 à évacuation ou un thermosiphon par circulation d'eau ou d'un autre fluide de refroidissement, ou en communication fluidique avec un radiateur extérieur de plus grandes dimensions, avantageusement implanté sur ou aux alentours de l'extrémité supérieure du mât du lampadaire concerné. Pour faciliter la fixation et le remplacement d'une telle ampoule avec matrice de LED dans ladite tête de luminaire, il est avantageux que l'ampoule 16 comporte un culot à vis, ou même un culot tournant pour permettre de visser le culot 17 sur la douille d'alimentation sans faire tourner l'ampoule et/ ou la tête de luminaire, qui peuvent ainsi conserver leur orientation privilégiée par rapport au plan choisi, en pratique un plan sensiblement horizontal, en vue d'un éclairage optimisé.

Dans des formes de mise en œuvre avantageuses des différents aspects de l'invention tels que décrits ci-dessus, l'une ou l'autre des dispositions /modalités suivantes peut être utilisée, séparément ou en combinaison: l'alimentation et/ ou l'électronique du système selon l'invention sont reportées dans la partie basse du lampadaire, c'est-à-dire en pratique au niveau du sol ou à hauteur d'homme, afin de faciliter les interventions, notamment de contrôle, de réglage et de dépannage éventuels; le système utilise du phosphore (selon une technique connue de l'homme du métier et de préférence telle que décrite dans le brevet US 7.267.787), mais intégré, en pratique sous forme de phosphore sur base silicate et/ ou aluminate, dans le collimateur et/ ou sur la face interne de celui-ci ; l'évacuation de chaleur du module de LED peut s'effectuer par thermosiphon, sans pompe; la géométrie du réflecteur du luminaire est telle que l'évacuation de la chaleur reçue par celui-ci, par exemple sous l'effet de l'ensoleillement, soit facilitée; le réflecteur du luminaire est configuré de manière à libérer une ventilation passive sur sa face inférieure, entre celle-ci et le module de LED, afin d'optimiser l'évacuation de la chaleur émise par les LED ainsi que de celle résultant de réchauffement du réflecteur du luminaire du fait de l'ensoleillement; les moyens formant collecteur de chaleur peuvent être en relation thermique étroite avec au moins un ventilateur, de préférence fixé sur une structure formant lampadaire de grande hauteur, notamment pour bâtiments publics, industriels et/ ou de stockage; - la matrice de LED comporte un ensemble d'environ 30 à 400 LED selon la puissance désirée, avantageusement d'environ 100 LED, agencées en une matrice sensiblement rectangulaire comportant 3-20 lignes et 10-20 colonnes; le support des LED comporte les câblages et connexions requis, avantageusement sous forme de circuits imprimés, hybrides ou nanométriques.

L'homme du métier comprendra aisément que la mise en oeuvre de la présente invention procure des avantages indéniables et des progrès significatifs par rapport aux techniques actuellement connues et pratiquées. Ainsi, il est possible de réaliser des économies substantielles et de simplifier les modalités d'intervention sur site avec la technique selon l'invention.

En particulier, le système d'éclairage à LED selon l'invention peut être appliqué à la réalisation de luminaires de grande hauteur et/ ou de forte puissance, opérant sous des tensions pouvant aller en pratique de 12-24 volts à 240 volts, et procurant un flux lumineux d'environ 10.000-19.000 lumens, soit plus de 100 Im/ W.