CN102563423A - Led防爆灯具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED防爆灯具，由LED光源、透镜、散热器、驱动电路组成，透镜内表面为光线入射表面，呈半球面，LED光源发光表面的中心置于透镜球面的球心；透镜外表面为光线出射表面，由中心区、保护区和连接区组成，中心区和保护区曲面为自由曲面，连接区为连接中心区和保护区的圆锥面。与不进行截光处理的LED防爆灯具相比，本发明不仅显著减小了眩光对视觉的不利影响，而且在截光角范围内输出的总光通量也得到提高，当截光角度为70度时，可以提高12%，当截光角度为60度时，可以提高25%；与使用反射器截光的LED灯具相比，本发明所公开的LED防爆灯的配光元件与灯罩合二为一，结构紧凑，在截光角范围内输出的总光通量高。

Description

LED防爆灯具

技术领域

本发明涉及一种以LED作为光源的灯具，尤其涉及一种能够满足截光要求的LED防爆灯具。

背景技术

LED是一种固态光源，使用直流供电，具有光效高、寿命长和体积小等优点，是比较理想的光源。在LED灯具的设计中，散热和配光是需要解决的两个关键问题。

LED对温度比较敏感，随着结温的升高，LED的发光效率会明显下降，使用寿命也会显著缩短。目前已公开的LED防爆灯具的设计方案一般采用散热片或热管实现散热，根据灯具的功率和防护与隔爆要求需要合理设计散热器的结构和尺寸。

LED光源亮度较高，无透镜的LED或使用球面透镜的LED的光强在2π的空间中近似于余弦分布。与传统光源相比，LED光源的光辐射立体角较小，有利于提高光通量的利用率。不过，为了能够更加高效地在受照面上得到所需的光度分布，仍然要运用非成像光学技术设计合理的照明光学系统。

在受照面上产生均匀的照明是灯具设计的基本要求之一。发明专利ZL 200610113463.4、200910022409.2和200910046129.5等公开了可以形成矩形光斑的透镜的设计方法，这样的光学系统可以用于道路照明灯具，每个灯具能够独立在路面上产生均匀的照明。发明专利200910099552.1、实用新型ZL 200720047134.4和CN 201521855U等公开了可以形成圆形均匀照明光斑的LED透镜的设计方法，可以用于筒灯、矿灯和台灯等。上述LED灯具的光学设计都是针对单个灯具独立照明的情况，在车间、办公室和仓库等照明面积较大且照度要求较高的场合，通常需要使用多个灯具以提供足够的光通量，受照面上的光度分布是多只灯具叠加照明的结果。单独可以产生均匀照明的LED灯具，当分散布置时，叠加照明的效果未必能够满足均匀度方面的要求。

在一些场合对灯具有截光的要求，近似余弦分布的LED光源在孔径角较大的区域光强较小，但仍然不能满足截光型灯具的技术要求。如果不进行遮光处理，不仅易导致视觉不适，还可能成为安全隐患。

在配光方面，已公开的LED防爆灯的设计方法可以分为四种类型：1）使用反射器配光（如CN 201731301U）；2）使用球面透镜配光（如CN 201615372U）；3）利用LED的安装位置实现配光（如CN 201715291U）；4）使用配光镜进行配光（CN 201615372U）。使用反射器配光的方法通过缩小照明范围提高目标区域的照度，反射器覆盖的立体角越大，改变光强分布的作用越明显，不过反射器导致的光能损失也会随之增大。使用球面透镜的方法能够在一定程度上调整光强分布，不过可能导致照明区域与非照明区域的分界线过于明显，从而影响多个灯具叠加照明的均匀度。将LED安装在多面体的表面可以扩大灯具的照明范围，不过，灯具结构比较复杂，增加了制造难度和成本，同时还会产生炫目问题。配光镜表面由不同半径的柱面或不同角度的楔面构成，可以改变光路，从而得到所需的光强分布。由于表面结构比较复杂，柱面或楔面之间的连接处容易产生较大的加工误差，从而引起杂散光，并导致一定程度的光能损失。

发明内容

本发明是要提供一种LED防爆灯具，适用于需要多只灯具联合照明的场合，利用截光型非成像透镜实现配光，能够满足防爆和截光要求，并具有较高的照明均匀度和光能利用率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种LED防爆灯具，由LED光源、透镜、散热器、驱动电路组成，透镜内表面为光线入射表面，呈半球面，LED光源发光表面的中心置于透镜球面的球心；透镜外表面为光线出射表面，由中心区、保护区和连接区三部分组成，其中，中心区和保护区曲面为自由曲面，连接区曲面为连接中心区和保护区的圆锥面。

LED光源发光表面的中心对透镜外表面中心区的平面张角为α，对保护区104的平面张角β=π/2-α，其中，α为截光角度。

透镜中心区和保护区两部分曲面任意点的法线方向满足：在不计透镜材料吸收损失和界面反射损失的条件下，在Ω1立体角中由LED光源发出的光通量和Ω2立体角中经透镜输出的光通量相等，其中，Ω1立体角对应入射光线的孔径角为θ1，Ω2立体角对应折射光线的孔径角为θ2； 0≤θ2≤α，灯具在θ2方向的光强由配光要求确定。

散热器为叶片型散热器，由圆柱形芯轴和均匀分布在圆柱形芯轴外圆柱面上的若干个散热片组成，散热片的母线与圆柱形芯轴的中心线平行，圆柱形芯轴下面安装LED光源和透镜，透镜通过压圈和密封圈与圆柱形芯轴密封连接，LED光源电源线通过圆柱形芯轴中的通孔连接驱动电路。

驱动电路安装在电器箱中，电器箱由上盖、箱体以及密封垫圈和连接件组成，箱体内放置驱动电路，箱体上端固定连接上盖，下端用密封垫圈和连接件与散热片固定密封连接。

LED防爆灯具中的LED光源为单个大功率集成封装的LED光源或多个单芯片独立封装的LED光源或多芯片集成封装的LED光源，且每个LED光源配置一个透镜。

本发明的有益效果是： 1）可以满足截光型灯具的技术要求； 2）在同时使用多只灯具的情况下，可以在受照面形成均匀度较高的照明效果；3）仅使用透镜实现配光，且透镜也作为灯罩，因此结构简单，光学系统的光能传输损失也较小，同时，光源所发出光被聚集在截光角范围以内，使光能得到充分利用。与不进行截光处理的LED防爆灯具相比，本发明所公开的LED防爆灯具不仅显著减小了眩光对视觉的不利影响，而且在截光角范围内输出的总光通量也得到提高，当截光角度为70度时，可以提高12%，当截光角度为60度时，可以提高25%；与使用反射器截光的LED灯具相比，本发明所公开的LED防爆灯的配光元件与灯罩合二为一，结构较紧凑，在截光角范围内输出的总光通量也较高。

附图说明

图1是本发明的截光型透镜的结构剖视图；

图2是本发明的截光型透镜带有一体底座的结构剖视图；

图3是本发明光学系统的光路图；

图4是本发明的截光型透镜外表面中心区与保护区曲面计算示意图；

图5是本发明的发光强度分布曲线（即配光曲线）图，其中，图（a)为在截光角范围内呈均匀分布的配光曲线，图（b) 为在截光角范围内呈余弦分布的配光曲线；

图6是本发明使用单个LED光源的结构剖视图；

图7是本发明使用多个LED光源的结构立体示意图；

图8是使用四只LED灯照明受照面的照度分布示意图；

图9是使用十二只LED灯照明受照面的照度分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图6，7所示，本发明的LED防爆灯具采用LED作为光源，可以使用一个多芯片集成封装的大功率LED光源1，也可以使用多个单芯片独立封装或多芯片集成封装的LED光源。每个LED光源1配置一个透镜2，透镜2的内表面为光线入射表面101，呈半球面，图1所示，LED光源1发光表面的中心位于透镜2球面的球心。透镜2的外表面为光线出射表面，分为中心区102、保护区104和连接区103三个部分，其中，中心区102和保护区104为自由曲面，连接区103为连接中心区102和保护区103的圆锥面。

上述透镜2的外表面的中心区102和保护区104曲面是根据配光要求通过逐点计算求出，分别使不同立体角范围内的光线发生折射。配光要求包括将LED光源1发出的光线限制在截光角α对应的立体角Ω范围内，且在该立体角Ω范围内，灯具的光强满足特定分布（图3）。在同时使用多个灯具对一个区域进行照明时，所述特定光强分布能够使照明区域内的照度或亮度均匀度满足要求。根据上述配光要求，首先确定透镜的外表面的中心区102和保护区104的角度覆盖范围。    

如附图1所示，设截光角度为α，则LED光源1发光表面的中心对中心区102的平面张角为α，对保护区104的平面张角β等于π/2-α.然后分别计算透镜2外表面的中心区102和保护区104曲面的L1母线113和L2母线114，见图4。母线的计算由特定的起点开始，起点根据透镜内表面的半径和透镜厚度确定，根据各点处法线方向依次求出后续各点。各点处的法线                                                112满足以下条件：设入射光线的孔径角为θ1，对应的Ω1立体角110；折射光线的孔径角为θ2，对应的Ω2立体角111，则在Ω1立体角110中由LED光源1发出的光通量和Ω2立体角111中经透镜2输出的光通量相等；0≤θ2≤α，灯具在θ2方向的光强由配光要求确定。最后通过绕主光轴旋转L1，L2母线113，114得到透镜2外表面的中心区102和保护区104曲面。

为便于安装，透镜2的下部可增加一体的底座105，底座105可以采用空心的圆柱体等便于与其他零件链接的结构形式，如图2所示。

透镜2也用作灯具的透光灯罩。在防爆要求级别较高的场合，透镜采用玻璃材料制造，并进行钢化处理。在防爆要求级别较低的场合，透镜可以采用PMMA或PC材料制造。

LED防爆灯具使用叶片型散热器3。在结构上，散热器3由圆柱形芯轴和均匀分布在芯轴外圆柱面上呈放射状的散热片组成，散热叶片的母线与芯轴的中心线平行（图6）。LED光源1、透镜2、压圈9和密封圈8安装在散热器芯轴的下端面。芯轴中有通孔，LED光源1的电源线经通孔连接驱动电路6。

LED防爆灯具的电源驱动电路6安装在电器箱中，电器箱由上盖5、箱体4以及密封垫圈7和连接件等组成，在散热器3与电器箱的连接处设置密封垫圈7（图6）。散热器3和电器箱体均为导热性能良好的铝合金材料制造，使LED光源1和驱动电路6产生的热量能够及时传导至灯具外部。

散热器3和电器箱的结构尺寸主要根据LED光源1的功率和封装形式确定， 图6和图7分别显示了采用单个集成封装LED的防爆灯具的结构和采用多个LED的防爆灯具的结钩。

下面通过实例进一步说明本发明的实施方法。

实例一：要求照明正方形区域，在照明区域中间L米×L米的范围内照度均匀度大于0.75，灯具的截光角度为65度。根据照明要求，使用四只LED防爆灯具，间隔L米，灯具采用均匀光强分布，配光曲线如图5a所示，根据光强分布求出的透镜外形如图1所示，得到的照明效果如图8所示。在65度截光角对应的立体角范围内，灯具输出的光通量达到光源总光通量的92%.

实例二：要求照明长方形区域，在照明区域中间L米×W米的范围内照度均匀度大于0.7，灯具的截光角度为70度。根据照明要求，使用N只LED防爆灯具，间隔D米，按m行n列布局，n=INT（L/D），m=INT（W/D），在截光角范围内灯具的光强符合余弦分布，配光曲线如图5b所示，根据光强分布求出的透镜外形如图1所示，得到的照明效果如图9所示。在70度截光角对应的立体角范围内，灯具输出的光通量达到光源总光通量的92%.

本发明的LED防爆灯具的透镜也可以用于其他类型LED灯具。

Claims (6)

1.一种LED防爆灯具，由LED光源（1）、透镜（2）、散热器（3）、驱动电路（6）组成，其特征在于：所述透镜（2）内表面为光线入射表面（101），呈半球面，LED光源（1）发光表面的中心置于透镜（2）球面的球心；透镜（2）外表面为光线出射表面，由中心区（102）、保护区（104）和连接区（103）三部分组成，其中，中心区（102）和保护区（104）曲面为自由曲面，连接区（103）曲面为连接中心区（102）和保护区（104）的圆锥面。

2.根据权利要求1所述的LED防爆灯具，其特征在于：所述LED光源（1）发光表面的中心对透镜（2）外表面中心区（102）的平面张角为α，对保护区（104）的平面张角β=π/2-α，其中，α为截光角度。

3.根据权利要求1所述的LED防爆灯具，其特征在于：所述透镜的中心区（102）和保护区（104）两部分曲面任意点的法线方向满足：在Ω1立体角（110）中由LED光源（1）发出的光通量和Ω2立体角（111）中经透镜（2）输出的光通量相等，其中，Ω1立体角（110）对应入射光线的孔径角为θ1，Ω2立体角（111）对应折射光线的孔径角为θ2，且0≤θ2≤α。

4.根据权利要求1所述的LED防爆灯具，其特征在于：所述散热器（3）为叶片型散热器，由圆柱形芯轴和均匀分布在圆柱形芯轴外圆柱面上的若干个散热片组成，散热片的母线与圆柱形芯轴的中心线平行，圆柱形芯轴下面安装LED光源（1）和透镜（2），透镜（2）通过压圈（9）和密封圈（8）与圆柱形芯轴密封连接，LED光源（1）电源线通过圆柱形芯轴中的通孔连接驱动电路（6）。

5.根据权利要求1所述的LED防爆灯具，其特征在于：所述驱动电路（6）安装在电器箱中，电器箱由上盖（5）、箱体（4）以及密封垫圈（7）和连接件组成，箱体（4）内放置驱动电路（6），箱体（4）上端固定连接上盖（5），下端用密封垫圈（7）和连接件与散热片（3）固定密封连接。

6.根据权利要求1所述的LED防爆灯具，其特征在于：所述LED防爆灯具中的LED光源（1）为单个大功率集成封装的LED光源或多个单芯片独立封装的LED光源或多芯片集成封装的LED光源，且每个LED光源（1）配置一个透镜（2）。

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