CN104456285A - 户外用大功率led灯照明装置 - Google Patents

Abstract

户外用大功率LED照明装置，包括：将集中光源区域(21)形成在高放热性基板(20)上，集中光源区域(21)内集中排列具有进行30～80W的高亮度LED发光的数量的LED芯片(3)，构成提高光效率的聚光型LED光源部(2)，在灯具用散热设备盒(10)的安装空间部(14)顶面紧贴固定具有30～80W大功率的聚光型LED光源部(2)的高放热性基板(20)，将固定一个配光用透镜(30)使其位于聚光型光源部(2)的下方的盖板(40)与散热设备盒(10)连接，配光用透镜(30)形成有抛物面形凹入内面(32)和非球面形凸出突出外面(34)，使由聚光型LED光源部(2)放射的单一聚光束由凹入内面(32)进行一次折射后接续由凸出外面(34)进行二次折射，形成灯具用配光分布。

Description

户外用大功率LED灯照明装置

技术领域

本发明涉及户外用LED(Light Emitting Diode，发光二极管)照明装置，特别是涉及能够适用于路灯、保安灯、公园灯、公路隧道灯、地下车道灯等户外灯的大功率LED灯照明装置。

背景技术

国内外LED照明市场的规模正在扩大。目前，市场中普及的LED照明在适用于产业领域或户外时被指出消耗的能量大。

特别是将LED照明适用于路灯、保安灯、公园灯、公路隧道灯、地下车道灯、如发电站等大规模设备、其他等规定的户外(outdoor)用照明时具有低效率放电等问题。另外，在此一般普及的放电灯也具有寿命短、消耗维护费用高的问题。另外，还需要用于驱动LED灯所需的LED模块电源供给的转换器(converter)即如SMPS(Switching Mode Power Supply，开关电源)等的附属装置。

用于大规模设备或户外的LED照明灯具有40W、60W、80W、100W级LED，这种30～80W的LED照明灯是在高的设置高度(路灯设置高度为8m，保安灯设置高度为4～6m)上也能够确保地面照明度的大功率(high-power)LED照明。

作为户外用大功率LED照明灯装置中的一者的LED路灯具有色度好且无需维护、寿命长等优点的同时，相比于如今设置的一般路灯具有节约能量的优点。因此，将当前的路灯替换为LED路灯是在公共事业部分上可以称为革命的程度具有大的影响力。但是，普及大功率LED路灯过程中具有多的障碍。

包括LED路灯的户外用大功率LED照明灯需要得到高效率认证(KS认证为751m/W以上)。具体地，作为相应灯具在需求高的设置高度上也需要确保地面照明度，并且也要确保在规定的水平面照明度。另外，光效率(1m/W)，光速保持率，显色性等的实验基准也要符合要求规定。

另外，需要能够采用与普通一般路灯相似的尺寸，并能够通过冷却器顺利实现由大功率发光引起的放热，也需要符合根据LED灯具的形状规定的配光范围。路灯或者保安灯等的灯具可以分为截光型(Cut Off)、半截光型(Semi Cut Off)和非截光型(Non Cut Off)，并根据此严格规定配光的范围。例如，截光型作为设置在周边黑暗而需要照亮的地方，因此严格限制水平光，并且为了不感到刺眼而需要设置为在垂直角90°的情况下每1000lm为10cd以下，在垂直角80°的情况下每1000lm为30cd以下。

但是，关于实现大功率LED照明灯，很难解决如下的问题，即根据各种实验基准的高效率认证、维持灯具适合的大小、以及保持具有直线性的LED芯片的路灯所需的配光范围、由LED模块的大功率发光引起的过度放热问题，例如缩短LED芯片寿命、印发印刷电路板故障、频繁替换SMPS等问题。

而且，大功率LED照明灯中的路灯或保安灯与普通的室内照明不同而要求更亮的照明度和过分讲究条件，这种大功率高亮度LED产生高热，这种高热成为缩短LED的寿命或引发印刷电路板单元的故障的原因，因此，要求发热低或迅速冷却发热的放热结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1注册专利公报第10-1069317号“LED路灯”

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种适用于如30W以上的大功率的路灯、保安灯、公园灯、公路隧道灯、地下车道灯等的户外用LED照明，以高效率运转且运转为能够保障配光、放热以及电安全性的户外用大功率LED灯照明装置。

本发明的另一目的是提供一种既用于大功率户外且在LED部件故障时能够与日光灯或如白炽灯泡等相同的部分进行替换的户外用大功率LED灯照明装置。

本发明的另一目的是提供一种即使没有SMPS也能适用于如30W以上的大功率的路灯、保安灯、公园灯、公路隧道灯、地下车道灯等的户外用LED照明，以高效率运转且运转为能够保障配光、放热以及电安全性的户外用大功率LED灯照明装置。

根据上述目的的本发明的户外用大功率LED灯照明装置包括：将集中光源区域(21)形成在高放热性基板(20)上，该集中光源区域(21)的短轴距离和长轴距离的比例为1:1～1:1.5且具有10～50cm²的面积，所述集中光源区域内集中排列有具有能够进行30W～80W的高亮度LED发光的数量的LED芯片(3)，从而构成能够提高光效率的聚光型LED光源部(2)，

在灯具用散热设备盒(10)的安装空间(14)部顶面紧贴固定有具有30W～80W大功率的聚光型LED光源部(2)的高放热性基板(20)，

将用于固定一个配光用透镜(30)以使其位于聚光型LED光源部(2)的下方的盖板(40)与散热设备盒(10)连接，并且一个配光用透镜(30)形成有抛物面形凹入内面(32)和非球面形凸出突出外面(34)，从而使由聚光型LED光源部(2)放射的单一聚光束通过配光用透镜(30)的抛物面形凹入内面(32)进行一次折射后接续由非球面形凸出外面(34)进行二次折射，从而形成相应灯具用配光分布。

另外，本发明中，将具有用于限定聚光束的截面形状的透光通道孔(26)的支架(24)设置在配光用透镜(30)和聚光型LED光源部(2)之间，以用于减小聚光束的立体角度。

另外，本发明在具有聚光型LED光源部(2)的高放热性基板的背面上以面对面连接有导热性绝缘衬垫，

所述导热性绝缘衬垫(22)为具有0.5～1.5mm的厚度和3～10W/m-k的导热性的绝缘材料衬垫。

另外，在设置有高放热性基板(20)的安装空间部(14)的顶面形成有倾斜安装面(16)，以用于防止由照明光导致的公害。

另外，本发明的配光用透镜(30)的材料为PMMA(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)或玻璃、PC(polycarbonate，聚碳酸酯)材料中的一者制成。

另外，本发明中，高放热性基板包括：整流电路部(4)，该整流电路部用于整流输入的交流电源；LED光源部(2)，该LED光源部包括集中排列在集中光源区域(21)内的多个LED芯片(3)；驱动电路部(6)，该驱动电路部用于驱动LED光源部(2)的LED芯片(3)；电阻元件部(8)，该电阻元件部用于通过在所述驱动电路部(6)的控制使交流电源在预先设定的电压值以上的状态下，所述电阻元件部与流通电流的通路连接，作为热产生根源处的LED光源部(2)、驱动电路部(6)和电阻元件部(8)形成为分散设置在高放热性基板(20)内。

本发明能够实际适用于如路灯、保安灯、公园灯、公路隧道灯、地下车道灯等的30W以上的大功率户外用LED照明灯，具有能够高效率运转、并且在路灯或保安灯等的灯具照明装置中所需的配光基准或放热基准上并没有问题，其电安全性良好的优点。

附图说明

图1是根据本发明的具有聚光型LED光源部的高放热性基板的布置结构图，

图2是根据本发明的具有聚光型LED光源部的高放热性基板的实际照片的例子图，

图3是将本发明的户外用大功率LED灯照明装置适用于路灯的灯具的分解立体结构图，

图4是图3的户外用大功率LED灯的结合表面图，

图5是图4中图示的LED灯的纵剖视结构图，

图6是根据本发明的配光用透镜的立体结构图，

图7是图6的配光用透镜的沿Y-Y线剖面的配光线图，

图8是图6的配光用透镜的沿X-X线剖面的配光线图，

图9是本发明的配光用透镜的光束角图形特性图，

图10是本发明的户外用大功率LED灯的光分布特性图，

图11是本发明的散热设备盒的立体图，

图12是在散热设备盒的安装部中相关的主要部分的分解立体图，

图13是本发明的户外用大功率LED灯照明装置中AC驱动型大功率LED照明灯电路结构的例子图，

图14a和图14b是根据本发明的大功率LED灯照明装置的散热设备盒的热分布图，

图15a和图15b是对于根据本发明制造的LED灯装置的包括高效率的各种试验结果表和配光分布图。

附图标记说明

2    聚光型LED光源部     3    LED芯片

4    整流电路部          6    驱动电路部

8    电阻元件部          10   散热设备盒

12   散热片              14   安装空间部

15   除湿件插入槽        16   倾斜安装面

17   除湿件              18   内置部件插入槽

19   电线引入孔          20   高放热性基板

21   集中光源区域        22   导热性绝缘衬垫

24   支架                26   透光通道孔

30   配光用透镜          32   抛物面形凹入内面

34   非球面形凸出外面    40   盖板

42   衬垫               44   内置电子部件

具体实施方式

以下参照附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

本发明中实现了大致保持与一般路灯或保安灯对应的灯具的规格尺寸或形状的30W～80W的大功率LED灯照明装置，并且也符合利用LED的路灯或保安灯的灯具制造的标准基准。例如，KS认证基准的LED灯的高效率认证是75ml/W以上。

本发明符合超过40W的大功率LED灯相关的各种实验基准的认证，与一般户外用大功率灯具类似或保持更小的大小和重量，且具有适合于户外用大功率LED灯的配光结构、防水结构、电安全性和高效率性。

作为光源使用LED时具有效率低的问题。LED基本上光学扩展量(etendue)高而在光效率上有限。为了解决此虽然使用了提高LED的功率(power)的方案，但是并不是根本的解决方案。

本发明将具有的LED光效率形成聚光型LED光源部(图1的2)而有效率地增大。

LED芯片在通常发光面上以180°放出光，并且放出光的面积或立体角度与决定LED的光效率的光学扩展量(etendue)相关。

光学扩展量(etendue)在LED光源中以光束的面积和立体角(solid angle)的乘积来表示。光学扩展量与放光的面积和立体角度成比例，由此当放光的面积或立体角变小而使得光学扩展量也变小。

这种光学扩展量与光效率具有反比例关系。例如，光学扩展量降低至1/5，光效率提高5倍。因此，使光学扩展量最小化是提高光效率的方法。

本发明以使LED发光光源面积自身最小化并且减小LED光源的立体角度(180°)的方式提高LED光源的光效率。

图1和图2作为根据本发明的具有聚光型LED光源部2的高放热性基板20的布置结构图，图1适用于60W的大功率LED灯，图2适用于80W的大功率LED灯的照片。

参照图1和图2，本发明中将30W～80W的大功率LED发光的多个LED芯片3排列在高放热性基板20上，以减少LED发光光源面积自身的方式设置集中光源区域21，在该集中光源区域21上集中排列能够以30W～80W的高亮度LED发光的数量的LED芯片3。

形成在高放热性基板20上的集中光源区域21的短轴距离和长轴距离的比例为1:1～1:1.5，具有10～50cm²的面积，更优选为15～30cm²。

当集中光源区域21超过短轴和长轴距离的比例为1:1.5及50cm²面积时，很难采用只有一个配光用透镜30，而且由光源自身面积变宽而使光效率降低，当集中光源区域21未达到10cm²面积时，具有不能够全部容纳30W～80W大功率所需的LED芯片3的数量的临界意义。图1和图2中图示的集中光源区域21为正圆其直径为5.5cm²，约具有23.7cm²的面积。

本发明的集中光源区域21形成为圆形形状或多角形形状，并且在圆形的情况下可以是正圆或椭圆形，在多角形的情况下可以为三角形至八角形等。

如上所述，本发明在光源面积最小化的集中光源区域21上集中排列能够以30W～80W的高亮度发光的数量的LED芯片3而构成聚光型LED光源部2，从而使光效率为85ml/W以上，可以达到88～95ml/W。

另外，本发明在所述集中光源区域21上将布置多个LED芯片3替换为安装COB(Chip On Board，板上芯片)型LED模块，从而构成聚光型LED光源部2。

为了将可提高光效率的聚光型LED光源部2中产生的高热迅速向外部传递而搭载于高放热性基板20上。高放热性基板20作为金属基础基板而适用于由搭载30W～80W等的大功率LED光源部2导致产生的高热迅速传递到放热盒10中。

另外，本发明为了路灯或保安灯等的大功率LED灯用配光，不使用利用以往的反射板或反射罩的原理而使用透镜，更进一步，利用与聚光型LED光源部2一同成为一体的配光用透光30，在此，聚光型LED光源部2具有集中排列在使面积最小化的集中光源区域21上的LED芯片3。

一般地，就设计LED照明器具而言，利用用于照射需要光的区域的透镜或者反射板。在利用反射板的情况下，将透镜安装在LED灯上而生成所需的配光图案，在利用反射板的情况下，将反射板设计为从LED光源中射出的光聚到一处而形成所需的配光图案，从而制造照明器具。但是，这种以往的LED照明设计方式根据光特性照射比所需照射区域更宽的重复的光，即使在不需要光的区域也照射光，因此在节能方面上效率低。

更具体地，一般的透镜为外侧面凸出倾斜的形状。这种透镜是将LED光源的光经过透镜时以一定角度折射而在使用者所需的范围内分布，但是光集中在中间部分即光轴周围而具有不能使光量均匀分布的缺点。

路灯或保安灯等的大功率LED灯照明装置中存在表示路面亮度分布的均匀程度的亮度的比即综合照度均匀度(overall uniformity)的基准值(KS规定中LED路灯具的最小许可值为0.4)或道路照明等级别(韩国为M1～M5)路面照度，如果没有满足其基准值则不能作为LED灯使用。因此，只向光轴周围集中光的一般透镜难以制造大功率LED灯。

现今市场销售的30W以上的户外用大功率LED灯照明装置的一个例中利用GE中制造的反射板的方式，反面，本发明不使用反射板原理而使用呈一体的配光透镜30的同时，利用聚光型LED光源部2的单一聚光束而确保大功率LED灯所需的综合照度均匀度、光速保持度等。

图3是将本发明的户外用大功率LED灯照明装置适用于路灯等的灯具A的分解立体结构图，图4是图3中图示的户外用大功率LED灯A的表面立体图，图5是图4中图示的LED灯A的纵剖视结构图。

本发明的户外用大功率LED灯A包括：散热设备盒10，该散热设备盒10具有与现有的路灯或保安灯相似的尺寸；高放热性基板20，该高放热性基板20具有聚光型LED光源部2；支架24，该支架24具有透光通道孔26；盖板40，该盖板40包括配光用透镜30，该配光用透镜30具有用于适合于路灯或保安灯等相应灯具的配光的形状。

本发明将如图1和图2所示的使光源面积最小化的聚光型LED光源部(图1的2)设置在高放热性基板20上，从而使事先具有的LED光效率有效增大，利用具有透光通道孔26的支架24而限制光的放射立体角度，从而更加提高光效率。

本发明为了具有提高光效率的结构，将从集中排列于使面积最小化的集中光源区域21上的LED芯片3的聚光型LED光源部2中发出的单一聚光束向呈一体的配光用透镜30入射，并且利用一体的配光用透镜30而能够实现确保适合于路灯或保安灯等的灯具的配光范围。

如图2和图5所示，具有30W～80WA大功率的聚光型LED光源部2的高放热性基板20紧贴固定在灯具用散热设备盒10的安装空间部14顶面，配光用透镜30位于邻近聚光型LED光源部2的直下方。

配光用透镜30连接固定于盖板40上，并且具有配光用透镜30的盖板40直接连接固定于散热设备盒10的下面。

此时，为了减小聚光型的立体角度且向配光用透镜30入射作为配光的根源(source)的单一聚光束，将具有限定聚光束的截面形状的透光通道孔26板状支架24介于配光用透镜30和聚光型LED光源部2之间，配光用透镜30和聚光型LED光源部2以支架24内透光通道孔26的边缘凸台厚度隔离。

安装在盖板40上的配光用透镜30的结构可以从图5的结合剖视图中看出，LED光源部2的LED芯片3与集中排列的集中光源区域21相对而位于集中光源区域21的界限范围内的同时邻近隔离，从聚光型LED光源部2中发出的大致全部单一聚光束向配光用透镜30直接入射。即，很大程度地减小LED光源部2的立体角度。

配光用透镜30由PMMA或玻璃、PC材料中的一者制成，并且如图5和图6所示，为了实现符合灯具的适合的配光分布而一同具有凹入内面32和非球面形凸出外面34。

由聚光型LED光源部2放射的单一聚光束通过支架24的透光通道孔26之后，通过配光用透镜30的抛物面形凹入内面32进行一次折射，随后由非球面形凸出外面34进行二次折射，从而形成符合相应灯具的配光分布。

配光用透镜30的材料中PMAA具有1.48～1.50的折射率，玻璃具有1.46～1.6的折射率。配光用透镜30的折射率受到一次折射和二次折射的程度的影响。

配光用透镜30的材料中PMMA(polymethyl methacrylate)材料比清晰的玻璃透光率高且对人体无害、在内冲击性和强度方面上也比玻璃强多倍，另外及时破碎后给人体带来伤害比玻璃显著降低。另外，PMMA材料在树脂特性上非常轻且具有加工便利的特性，适合大量生产配光用透镜30。

本发明利用与聚光型LED光源部2上的单一聚光束构成一体的配光用透镜30，从而实现适合于路灯或保安灯的光量的均匀分散，另外确保路灯或保安灯所需的配光范围，且更能够持续保持光速(发光量)。

图6是根据本发明的配光用透镜30的立体结构图，图7是图6的沿Y-Y线剖面的配光线图，图8是图6的沿X-X线剖面的配光线图。

本发明利用下述数学式1等的非球面方程式而形成抛物面形凹入内面32和非球面形凸出外面34，从而能够通过入射单一聚光束的配光用透镜30中的一次折射和二次折射能够确保配光范围。

数学式1

$Z=\frac{(1/R)H^2}{1+\sqrt{1-(1+k){(1/R)}^2{H}^2}}$

在此，

H为与光轴垂直方向的距离，

Z为从透镜非球面顶点的切面到该非球面上的高度H点的距离，

R为从透镜非球面顶点的曲率变化，

k为锥形(conic)常数。

如图7所示，在配光用透镜30的Y-Y线剖面中为长方向凹入内面32的A面满足17＜R＜19，-1＜k＜-0.90，为长方向凸出外面34的B面满足32＜R＜36，-0.3＜k＜-0.1。

另外，如图8所示，在配光用透镜30的X-X线剖面中为短方向凹入内面32的C面的条件不能用式子表示，为短方向凸出外面34的D面满足33＜R＜35，-0.35＜k＜-0.25。

图9是根据本发明的实施例的配光用透镜30的光束角图形特性图，图10是本发明的户外用大功率LED灯的光分布特性图。

参照图9观察利用本发明的配光用透镜30的光束角分布图，能够得到表示光的分布图在发光角70°到-70°之间均匀。如上所述，本发明的大功率LED灯A在特定部分无法集中光量，且满足路灯或保安灯所需的综合照度均匀度的基准值。

另外，图10作为图示了本发明的光量分布的图形，可以看出光从配光用透镜30的位置开始充分散开且均匀分布。另外，也能够列示看出根据路灯或保安灯等灯具的需要的均匀分散结构，更进一步能够保持光速(发光量)和照射度。

将LED作为光源使用的LED灯照明装置由于通过电子作用发散光，因此产生高热，特别是根据本发明适用于30W～80W的户外用大功率LED灯照明装置会产生更高的热。

因此，大功率LED灯照明装置必须需要散热设备等放热措施。在不能进行合适的放热时LED寿命或者性能明显降低或者由烟气或火花而可能会导致产生火灾。LED灯照明装置大致主要从两个部件中产生热，其中一者是LED光源自身，另一者是将AC换成DC而向LED供给电性能量的SMPS。在不需要SMPS的交流型LED光源方式的情况下从控制LED元件发光的交换电路部中产生热。

LED灯照明装置中产生的热成为使LED元件的光速(light flux，光通量)低下、缩短LED元件盒SMPS(或交换电路部)的寿命的原因。由此，利用LED光源制造的照明器具特别是在大功率LED灯照明装置中需要寻求能够有效率地将热传递到外部的放热技术。

采用放热技术的LED灯照明装置中需要保持LED光源的接合温度为65℃以下，为了维持LED光源的寿命需要达到50000小时以上，将LED接合温度设置为80～85℃以下。

本发明中设置有以金属基础基板形成的基板20，以能够在产生高热的30W～80W大功率的聚光型LED光源部2中迅速进行热传递(参照图1至图3)。具有聚光型LED光源部2的高放热基板20紧贴安装在散热设备盒10的安装空间部14内的顶面，以能够向散热设备盒10迅速进行热传递。

用于根据本发明的大功率LED灯的散热设备盒10优选具有1～2kg的重量，优选由导热性好且重量较轻的材料的非铁金属或导热性高的树脂材料制成。

本发明的散热设备盒10的材料中作为优选例为少量含有铜(含有3～6重量％)的铸铝材料。铸铝材料与铝相比耐久性更高且导热性为130～200W/m-k，具有与纯铝的导热性237W/m-k相比并没有相差较多的优点，与导热性更好但更重的铜(导热性为401W/m-k)相比具有更加轻且生产单价低的优点。

如图11所示，散热设备盒10的上方背部设置有多个散热片12，下方腹部侧的安装空间部14上紧贴固定有高放热性基板20，该高放热性基板20上搭载有为热发生源的聚光型LED光源部2。

适用于路灯或保安灯的灯具A的散热设备盒10形成为具有10～20重量，且主要放热方法为自然对流热传递方式。

对流热传递率单与温度差成比例，由下述的牛顿冷却法则(Newton'slaw of cooling)表示。

数学式2

$\stackrel{\·}{Q}=\mathrm{hA}(T_S-T_{\∞})$

在此，h为对流热传递系数，A为产生对流热传递的散热设备盒10的表面积，Ts为散热设备盒10的平均表面温度，T_∞为与表面充分远离的位置的空气温度。

通过与热空气上升且冷空气下降的浮力(buoyancy)效果相同的自然对流而产生流体的移动。作为增大散热设备盒10的自然对流热传递的方法，从数学式2中可知具有增大对流热传递系数h的方法和增大散热设备盒10的表面积A的方法。

对流热传递系数h不属于散热设备盒10的特性，该值由实验决定，对对流产生影响的所有可变量，例如由散热设备盒10的表面的几何形状、流体流动、流体特性、流体速度等受到影响。

本发明的散热设备盒10需要以自然对流形式进行放热，由此考虑到在与接触的气体相互相对运动时，向其运动的反方向在接触表面上产生摩擦力，需要寻求增大散热设备盒10的表面积A的方法。所述摩擦力能够使空气的流动率减速。

因此，本发明中得到如下，即构成实现相互平衡相反的浮力效果和摩擦力效果的最佳的散热片12的表面积A值和散热设备盒10的形状以及散热片12的形状等。例如，将散热设备盒10背部的散热片12更精密地形成时，由空气的摩擦力使放热效果降低，在使表面积更加变窄时降低对流热传递。

本申请发明人通过实验由具有30W～80W的大功率的本发明的高放热性基板20内的聚光型LED光源部2中产生的热来检查温度，该热通过利用1～2kg重量的散热设备盒10的对流热传递迅速冷却，从而使构成聚光型LED光源部2的LED芯片3的LED接合温度保持在85℃以下时所需的散热设备盒10的热放出功能利用所述数学式2进行解析而得出并通过实验进行确认。

本申请发明人将散热设备盒10的材料定为铸铝，求出利用具有1～2kg重量的散热片12等可进行调节的散热设备盒10的表面积A，且与所需的路灯规格大小一同考虑浮力效果和摩擦力效果而定为0.255m²，以在80W的大功率的情况为基准，从散热设备盒10向大气放出每秒约为61.6J的热，从而使LED接合温度成为85℃以下。

作为参考，在40W的大功率LED灯A的情况下可以向大气放出每秒为33.7J的热，在60W的大功率LED灯A的情况下可以向大气放出每秒为47.7J的热。

根据这种实验结果，本发明中规定具有铸铝材料的1～2kg的散热设备盒10的放热量，且在搭载有30W～80W的大功率LED光源部2的状态下能够实现每秒以30～70J的热量放出。由此，构成LED光源部2的LED芯片3的LED接合温度成为85℃以下，从而延长LED光源的寿命。

另一方面，对考虑到本发明的大功率LED灯A的电安全性等灯具A的结构进行说明如下。

根据本发明的只具有一个配光用透镜30的盖板40关闭散热设备盒10的安装空间部14并连接为具有水密。盖板40以丙烯酰胺或树脂系材料制成，利用硅或软橡胶等水密用衬垫42进行水密处理，并通过多个螺栓连接在散热设备盒10上。

如图12所示，散热设备盒10的安装空间部14顶面上提供有待设置本发明的高放热性基板20的倾斜安装面16，另外，包括设置有如线路滤波器等内置电子部件44的内置部件插入槽18和插入有除湿件17的除湿件插入槽15。

所述倾斜安装面16上连接固定有具有聚光型LED光源部2的高放热基板20，具有包括聚光型LED光源部2的高放热性基板20的安装空间部14维持水密状态的同时随时维持干燥状态。

如果在所述安装空间部14中由于外部气温的温度差而凝聚有湿气或露水时，导致聚光型LED光源部2的电路损伤。

为了防止此现象，本发明将在铝杆中内置有强吸湿剂的除湿件17插入设置在安装空间部14的除湿件插入槽15中而去除内部产生的湿气，从而能够彻底阻断由外部的温度差引起的散热设备盒10的安装空间部14中凝聚的结露。

我国的保安灯主要使用40W容量的LED照明，此时由LED照明引起的内部温度上升不大，因此不需要在安装空间部14内部设置除湿件17。

另外，插入固定于内置部件插入槽18中的内置电子部件44也为了防水和电绝缘而构成为使内置部件本体利用环氧等树脂线包覆且内置在塑料盒中，用于向高放热性基板20供给电源的电线引入孔19也构成为布线后水密处理，从而使其不受外部环境的影响。

另外，将具有聚光型LED光源部2的左右为8～15cm的大小即只有成人手掌大小的高放热性基板20连接固定于设置在散热设备盒10的安装空间部14中的倾斜安装面16时，先在高放热性基板20的背面加上绝缘衬垫22或者形成导热性绝缘涂层膜后进行连接固定。

导热性绝缘衬垫22是为了防止由在高放热性基板20认可的220V等的常用交流电源等引起的电流触电。导热性绝缘衬垫22为了不向外部漏电而具有绝缘性，为了使在高放热性基板20的热放出通过导热性绝缘衬垫22而向散热设备盒10迅速传递而具有良好的导热性。

根据本发明的导热性绝缘衬垫22的厚度为0.5～1.5mm，且导热性为3～10W/m-k。导热性越高越好，但是电绝缘性与导热性具有反比例关系，因此考虑到由聚光型LED光源部2的放热和相关部件的放热，具有所述3～10W/m-k范围的导热性才有意义。

如上所述，导热性绝缘衬垫22使用常用交流电源时能够确保电安全性的同时，通过使聚光型LED光源部2集中设置在高放热性基板20上，能够使得高热通过散热设备盒10顺利完成放出。如果LED光源部2是用于使用直流电源被奶奶的直流驱动时，没有触电的危险，因此在此情况下，经济上优选在高放热性基板20的背面上形成导热性绝缘涂层膜来代替导热性绝缘衬垫22。

为了防止倾斜安装面16由灯具照明光而导致产生公害而优选形成为以5～10°程度倾斜，其中在倾斜安装面上以导热性绝缘衬垫22或导热性绝缘涂层膜为媒介而面对面设置有将高放热性基板20。

将高放热基板20连接在形成于散热设备盒10的安装空间部14的倾斜安装面16时使用塑料螺栓用以绝缘，在安装高放热性基板20和线路滤波器等内置电子部件44或除湿件17之后，通过具有配光用透镜30的盖板40的螺栓连接而密封安装空间部14。

作为本发明的具体实现的一例，不需要另外的SMPS而使用如220V等的常用交流电源，并通过成人手掌大小的高放热性基板20而实现用于路灯或保安灯等的大功率用灯具A的电路。

图13是与其相关的电路结构图，图1和图2中示出具有在集中光源区域21上集中排列有LED芯片3的大功率用LED光源部的高放热性基板20的实现的一例布置图和列示照片。

参照图13，作为本发明的优选电路设计例，在如图1或图2中所示的成人手掌大小的高放热性基板20包括：整流电路部4，该整流电路部4用于整流输入的交流电源；LED光源部2，该LED光源部2的集中光源区域21内排列设置有LED芯片3；驱动电路部6，该驱动电路部6用于驱动LED光源部2的LED芯片3；电阻元件部8，该电阻元件部8用于通过所述驱动电路部6的控制使整流交流电源的脉流电流在预先设定的电压值以上状态下，电阻元件部8与流通电流的通路连接，未说明的电阻Rs为电流传感电阻。

能够进行30W～80W的高亮度发光的聚光型LED光源部2的LED芯片3以串联、并联或串并联的方式连接而构成如图13所示的一个LED模块2-k(k为自然数)，多个LED模块2-k以串联方式连接，并且所述LED模块2-k的末端上连接有电阻元件部8。

另外，驱动电路部6由如图13所示的如NMOS FET等逻辑(logic)开关6-k(k为自然数)电路构成，通过包括多个开关6-k的电流传感电阻Rs中流通的第n次开关的电流和第n+1次开关的电流的和来控制所述第n次的开关6-k的通道，从而使LED光源部2的LED模块2-k根据脉流电源电压级来依次亮灯而完成整体亮灯，如果在预先设定的电压值(例如脉流电压最高值附近)以上时，向电阻元件部8流通电流而防止开关的热化或烧坏。

如上所述的LED相关电路部件中产生多的热的元件(主动元件或被动元件)即如图1和图2所示，LED光源部2和驱动电路部6、电阻元件部8构成为在高放热性基板20内分散布置，从而能够分散地放出热。

即，驱动集中设置的30W～80W的聚光型LED光源部2的驱动电路部6的各个开关6-k进行频繁交换，由此使发热最小化，由聚光型LED光源部2的亮灯而产生的发热也通过散热设备盒10向外部分散并迅速放出。用AC电源驱动的驱动电路部6为AC驱动型大功率用，且构成为单片(one chip)直接电路，从而能够使与相同面积备用的LED芯片布置比率比以往更高，并且不需要另外设置SMPS而将常用交流电源用作输入源的同时进行具有耐久性和可靠性的运转。

如上所述，根据本发明的户外用大功率LED灯照明装置作为AC驱动型户外用大功率LED灯照明装置，在高放热性基板20中的放热是通过散热设备盒10向外部迅速排出。

本发明的户外用大功率LED灯A其大小充分与一般的路灯相配，根据需要可以实现更小的尺寸，其重量为1～2kg且每一个具有30W～80W的功率容量。

KS标准认证中规定150W以下的LED灯重量为10kg以下，本发明的LED灯A很大程度良好地满足与此。

使这种轻的本发明的大功率LED灯A进行单一模块化，将每多个进行组合而构成LED模块灯具时可以符合于需要者所需的多种大功率容量。另外，其中部分发生故障时具有如向交换白炽灯而只将具有LED光源部2的高放热性基板20替换而修理即可的优点。

对于根据本发明的40W以上级户外用大功率LED灯(40W、60W、80W)照明装置进行试验的一例如下。

1)大功率LED灯照明装置的放热实验

本发明的大功率LED灯照明装置的放热功能的试验委托于金乌工大能量融合中心而根据现韩国产业标准(KS)认证审查基准中一者的KS C 60598实施实验。此时的发热条件是每LED芯片为0.6825W，外部条件为30℃的密闭空间，将户外用大功率LED灯在热性上处于稳定化状态后进行测定而得出如图14a和图14b所列示的热分布图。LED灯在热性上处于稳定化状态时LED光源部2的温度和散热设备盒10的温度类似。

实验结果，对于大功率LED灯照明装置在LED60W的情况下，如图14a所示，散热设备盒10的表面的最高温度约为84℃，且平均温度约为70℃，由于其平均温度为85℃以下而充分符合于保持LED光源的长的寿命所需的基准。

另外，在LED 80W的情况下，如图14b所示，散热设备盒10的表面的最高温度约为99℃，且平均温度约为80℃，其平均温度为85℃以下，因此符合于保持LED光源的长的寿命所需的基准。

2)LED灯照明装置的配光和高效率实验

将上述的根据本发明结构的配光结构和高效率实验委托于JNCTECH株式会社研究所而根据KS C60598基准实施，实验结果如图15a和图15b所示。

图15a示出根据本发明制造的LED灯照明装置中包括高效率的各种测试结果表，能够确认本发明的LED灯表示93.61lm/W的高效率(对高效率认证的KS认证为75lm/W以上)。另外，图15b作为配光分布图而示出非常良好的配光结构。

如上所述的本发明的说明中虽然对具体实施例进行说明，但可以在不脱离本发明的范围内实施各种变形。由此，本发明的范围并不由说明的实施例限定，而是由专利权利要求范围和与其专利权利要求均等而限定。

Claims (10)

1.户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，该户外用大功率LED灯照明装置包括：

将集中光源区域(21)形成在高放热性基板(20)上的一部分，该集中光源区域(21)的短轴距离和长轴距离的比例为1:1～1:1.5且具有10～50cm²的面积，所述集中光源区域(21)内集中排列有具有能够进行30W～80W的高亮度LED发光的数量的LED芯片(3)，从而构成满足户外用大功率LED灯所需的光效率的聚光型LED光源部(2)，并且在所述高放热性基板(20)上一同搭载有与驱动所述LED芯片(3)相关的电路部件，从而能够通过替换所述高放热性基板(20)来修理LED模块，

在灯具用散热设备盒(10)的安装空间部(14)顶面紧贴固定有具有30W～80W大功率的聚光型LED光源部(2)的所述高放热性基板(20)，

在所述聚光型光源部(2)的下方设置有一个配光用透镜(30)，该配光用透镜(30)具有能够全部覆盖构成所述聚光型光源部(2)的多个LED芯片(3)的受光面积，将固定有所述一个配光用透镜(30)的盖板(40)与所述散热设备盒(10)连接，并且所述一个配光用透镜(30)形成有抛物面形凹入内面(32)和非球面形凸出外面(34)，从而使由所述聚光型LED光源部(2)的多个LED芯片(3)放射的单一聚光束通过所述配光用透镜(30)的抛物面形凹入内面(32)进行一次折射后接续由所述非球面形凸出外面(34)进行二次折射，从而形成相应灯具用配光分布。

2.根据权利要求1所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，将具有用于限定所述聚光束的截面形状的透光通道孔(26)的支架(24)设置在所述配光用透镜(30)和所述聚光型LED光源部(2)之间。

3.根据权利要求1或2所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，所述配光用透镜(30)的材料为PMMA或玻璃、PC中的一者。

4.根据权利要求1所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，所述配光用透镜(3)利用下述数学式的非球面方程式而形成所述抛物面形凹入内面(32)和所述非球面形凸出外面(34)，从而通过所述抛物面形凹入内面(32)的一次折射和由所述非球面形凸出外面(34)的二次折射，能够确保灯具所需的配光范围。

数学式

$Z=\frac{(1/R)H^2}{1+\sqrt{1-(1+k){(1/R)}^2{H}^2}}$

在此，

H为与光轴垂直方向的距离，

Z为从透镜非球面顶点的切面到该非球面上的高度H点的距离，

R为从透镜非球面顶点的曲率变化，

k为锥形常数。

5.根据权利要求4所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，所述配光用透镜(30)的凹入内面(32)的长方向面满足17＜R＜19，-1＜k＜-0.90，所述凸出外面(34)的长方向面满足32＜R＜36，-0.3＜k＜-0.1，所述配光用透镜(30)的短方向凸出外面(34)的短方向面满足33＜R＜35，-0.35＜k＜-0.25。

6.根据权利要求1所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，在设置有所述高放热性基板(20)的安装空间部(14)的底面上倾斜地形成有倾斜安装面(16)，以用于防止由照明光导致的公害。

7.AC驱动型的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，该户外用大功率LED灯照明装置包括：

将集中光源区域(21)形成在高放热性基板(20)上的一部分，该集中光源区域(21)内集中排列有具有能够进行30W～80W的高亮度LED发光的数量的LED芯片(3)，从而构成满足户外用大功率LED灯所需的光效率的聚光型LED光源部(2)，

在灯具用散热设备盒(10)的安装空间部(14)顶面紧贴固定有具有大功率的聚光型LED光源部(2)的所述高放热性基板(20)，在所述聚光型LED光源部(2)的下方设置有一个配光用透镜(30)，该配光用透镜(30)具有能够全部覆盖构成所述聚光型LED光源部(2)的多个LED芯片(3)的受光面积，将固定有所述一个配光用透镜(30)的盖板(40)与所述散热设备盒(10)连接，并且，

在所述高放热性基板(30)上除了设置有包括集中排列在所述集中光源区域(21)内的多个所述LED芯片(3)的所述LED光源部(2)之外，还一同搭载有LED相关电路部件，从而能够通过替换所述高放热性基板(30)来修理LED模块，所述LED相关电路部件包括：整流电路部(4)，该整流电路部(4)用于将输入的常用交流电源整流为脉流波；AC驱动型驱动电路部(6)，该驱动电路部(6)用于将所述LED光源部(2)的LED芯片(3)通过所述整流电路部(4)的脉流波电源进行驱动；电阻元件部(8)，该电阻元件部(8)用于通过所述驱动电路部(6)的控制使脉流波电源在预先设定的电压值以上的状态下，所述电阻元件部(8)与流通电流的通路连接，从而防止所述驱动电路部(6)内的开关的热化或烧坏，其中，作为热产生根源的所述LED光源部(2)、所述驱动电路部(6)和所述电阻元件部(8)形成为分散设置在所述高放热性基板(20)内而实现热分散。

8.根据权利要求7所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，所述配光用透镜(30)形成有抛物面形凹入内面(32)和非球面形凸出外面(34)，从而使由所述聚光型LED光源部放射的单一聚光束通过所述配光用透镜(30)的抛物面形凹入内面(32)进行一次折射后接续由所述非球面形凸出外面(34)进行二次折射，从而形成相应灯具用配光分布。

9.根据权利要求1或7所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，所述散热设备盒(10)由含有铜的铸铝材料或导热性树脂材料中的一者制成。

10.根据权利要求1或7所述的户外用大功率LED灯照明装置，其特征在于，所述散热设备盒(10)作为含有铜的铸铝材料而形成为1～2kg的重量且实现每秒以30～70J的热量放出。