CN1811262A - 再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯 - Google Patents

Abstract

再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，涉及一种照明器具，提供一种无需电池、化学能和其他污染能源，体积小、质量轻、光强度大、防水、防摔、防撞、防腐、防爆、耐高低温、适用范围广，具有再生式环保型的免电池LED防水野营灯。内套筒设于密封壳体内，线槽设于内套筒外周，线圈设于线槽上；磁体设于内套筒内，印刷电路板设于壳体内中部，超级电容位于内套筒与印刷电路板之间，超高亮度发光二极管设于壳体前部；非接触式磁能感应开关套件设于壳体的外侧，干簧管与整流电路输出端、超级电容、超高亮度发光二极管电连接组成一个电回路；光学反射器设于密封壳体内腔前部；光学密封头罩设于密封壳体的前端。

Description

再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯

技术领域

本发明涉及一种照明器具，尤其是涉及一种采用人体机械能-电能-光能高效转换的再生式免电池环保型发光二极管(LED)防水野营灯。

背景技术

传统便携式发光器或照明器(如通用的野营灯和手电筒)一般由蓄电池、开关、光学反射器和照明光源四部分组成。这四部分以不同方式封装在一个可携带的整体或分离式金属或塑料外壳内，整体来说工作原理简单。

目前便携式照明器多采用传统一次/二次电池或传统蓄电池。若一次、二次电池(如碱锰电池、锌碳电池、镉镍电池、氢镍电池、氧化银电池、锂离子电池、锂电池、锂聚合物电池等)使用不当，则经常侵蚀电器而导致其损坏、失灵。一次电池品种繁多，内阻也比较大，由于记忆效应，经常导致电容量的实质表现减少。二次电池价格昂贵，自放电较大，可充放电次数少，大部分只是部分放电，能源浪费大。回收处理电池的成本高，难度大。就体积和质量而言，废电池在生活垃圾中是微不足道的，但它的害处却非常大。电池中含有汞、镉、铅等重金属物质。汞具有强烈的毒性，铅能造成神经紊乱、肾炎等，镉主要造成肾损伤以及骨疾-骨质疏松、软骨症及骨折。若随意丢弃废旧电池或把废电池混入生活垃圾中一起填埋，久而久之，其渗出的重金属可能污染地下水和土壤，将直接或间接地危害人们的身体健康，对环境的危害也很大，危害时间极长。电池在我们生活中的使用量正在迅速增加，已深入到我们生活和工作的每一个角落。对废旧电池的回收和处理，已不是一个地区或国家的问题，而是全人类面临的共同难题。但最有效的解决办法是不用或少用一次、二次电池，从污染源头上加以杜绝。

传统蓄电池(如铅酸蓄电池，镍镉蓄电池等)的正、负极在充、放电过程中都伴随着质量转移反应，不可避免地发生物理结构的变化，即体积变化，导致电极活性物质在循环使用过程中从导电骨架中脱落，从而降低储电容量，衰减储能性能和缩短使用寿命。其次，蓄电池充电时间较长，在低温和高温情况下充电效率很低，不仅造成能量浪费，而且可能意味着不能在给定时间内维持电池所需的电量，影响照明器或发光器的正常工作。另外，蓄电池的一般循环使用寿命在300～500次之间，这就意味着1～3年内便携式发光器或照明器需要更换蓄电池，否则不能正常工作或趋于报废。传统蓄电池一般也含有重金属和一些有毒物质，如果缺乏耗资巨大的回收机制，将对人类和动植物的生存环境造成毁灭性的二次污染。

传统便携式发光器或照明器采用的照明光源一般是灯丝灯泡(如白炽灯、氪灯、卤素灯和氙灯等)、荧光灯(日光灯、节能灯)、弧光灯或等离子体灯等。灯丝灯泡的光源主要是由不可再生电源(一次或二次电池)提供并流经细小而脆弱的灯丝的电能，使其温度达到一定高度而发生热-光能转换而成，但只有很小部分能够被转换成光能而发光照明，大部分电能(80％～90％)以热能的形式浪费掉。脆弱的钨丝更易受外界冲击力(如掉落地上)而断裂。灯丝的使用寿命也很短(通常小于500～1000小时)，并且经常在其自然烧坏之前因断裂而报废。传统便携式发光器或照明器用的荧光灯的起辉电压往往偏高，使用寿命也较短。

传统便携式发光器或照明器在款式和材质等方面虽有所更新换代，应用领域层出不穷，但都离不开“短寿命化学能源-低效率发光元件”的通病，尚未发生革命性的变化。其外壳大多以铁质、铁塑、铝合金或塑料等材料制成，缺乏整体密封性，往往因零部件损坏导至整体破裂，缩短了发光器或照明器的使用寿命。其开关也大都采用机械式开关，很容易冒火花，造成安全隐患。迄今为止，少有能够将防水、防摔、防撞、防腐、防爆、耐高低温、携带方便等诸多优点集一身的便携式发光器或照明器。

公告号为CN2733160的实用新型专利提供一种多功能野营灯，由防淋盖、集光罩、透明灯罩、荧光灯管、主体罩壳、主探照头体、反光体、灯泡、探头护罩、电池组等组成，设计要点是主体罩壳内设有线路板、电池组；在主体罩壳的一侧面设有开关、电源输入插座，在另一侧面设有主探照头体；体罩壳的下部连接下托底座；主体罩壳与上支架之间由上下固定连杆连接固定；在透明灯罩与上支架之间连接集光罩。

公开号为CN1614296的发明专利申请公开了一种LED复合光源矿灯，该矿灯的光源的LED管芯由两组以上独立供电的PN结管芯，整体光源的LED固接于头灯反光器上，构成LED的散热装置；LED光源以不可拆卸方式封装于头灯内，电源亦以不可拆卸方式封装。

超高亮度发光二极管(LED)作为第四代半导体照明的载体已崭露头角。超高亮度LED具有低电压驱动、低功耗、经济安全、小型轻巧、无灯丝、耐振荡、寿命长、温度稳定、可靠性高、多色调、高效能、光强可调、配光灵活、设计自由度大等优点。另外，超高亮度LED不含水银和灯口金属部使用的铅玻璃等污染物，有利于环境保护；其电能-光能转换效率高达70％～80％，可靠使用寿命长达10万小时以上，是普通灯丝灯泡的100～300倍。一些比较时尚的便携式发光器或照明器已开始采用高亮度LED作为光源，也有利用手握式、齿轮-小电机式实现免电池系统为发光器或照明器供电，但整体来说发电效率、发电噪音、光电转化、储能特性、发光强度、照明时间、可靠性、实用性、安全性等方面有待显著提高和优化。

超级电容(或称为金电容、法拉电容、电双层电容器)是一种能将电能直接高效储存的新型绿色环保蓄电装置。与传统电容、蓄电池或其他电池完全不同，超级电容由于采用特殊的制作生产工艺，兼具传统电容或蓄电池的双重优点，其比容量可以达到传统电容的1000倍以上，可以彻底解决传统蓄电池的维护和回收问题，是一种功率极佳的动力电源。超级电容的工作原理是：电池活性物质在电极表面或者体相中的二维或准二维空间中进行高度可逆的电化学吸附和脱附，或者是发生n型和p型元素掺杂和去掺杂反应，从而产生与电极电荷有关的“双电层电容”和“法拉第准(假)电容”。由于这些电化学反应不破坏电极结构，其最终循环使用寿命可高达10～50万次。综合分析，超级电容具备以下显著优点：功率密度高(1000～2500W/kg，是各类传统蓄电池(如铅酸蓄电池、镍氢电池、鋰离子电池和燃料电池等)的3～50倍；能量密度高(3～15Wh/kg，是电解电容器的100倍)、内阻低(＜mΩ)、充放电效率好(＞95％)、充电时间短(仅需几十秒至几分钟)；电极反应时电极不会发生物理结构变化，循环寿命长(在100％深度充放电循环的条件下，＞5×10⁵次)，没有“记忆”效应；物理体积小，充电灵活，性能稳定，安全性高，可靠性好，可终身免维护；工作温度范围宽(-40～70℃)，应用领域广泛；对使用环境和使用条件没有严格限制和要求，安装简单、无需外设、运行成本低；制造材料不含重金属和有毒物质，生产、使用、储能、运输和拆解均不产生污染，是理想可靠的零污染、环境友好的绿色环保储能装置。

公开号为CN1658728的发明专利申请公开了一种矿山井下作业人员携带使用的携带式矿灯及工作方法。该矿灯具有开关电路、采用超高亮发光二极管的照明电路、锂电池、单片机、脉冲宽度调制电路、电池检测电路。照明时单片机由电池检测电路检测锂电池的工作电压和电流，并随时调整工作电流；当调整失败或温度超标时，单片机控制矿灯停止工作。当该矿灯设置甲烷检测电路后，若甲烷浓度超标时单片机控制超高亮发光二极管闪烁报警。

发明内容

本发明针对现有的便携式发光器或照明器多采用一次/二次电池或蓄电池等存在的问题，旨在提供一种无需电池、化学能和其他污染能源，体积小、质量轻、光强度大、防水、防摔、防撞、防腐、防爆、耐高低温、适用范围广，具有再生式环保型的免电池LED防水野营灯。

本发明设有：

密封壳体；

内套筒，内套筒设于密封壳体内；

线槽或线圈骨架，线槽或线圈骨架设于内套筒的外周，最好设于内套筒外周的中部；

感应线圈绕组，感应线圈绕组设至少1组，感应线圈绕组设于线槽或线圈骨架上；

磁体，磁体设于内套筒内，在内套筒内自如穿梭移动，磁体可选用高能稀土磁体；

印刷电路板，印刷电路板设于密封壳体内的中部，印刷电路板上焊接有电源整流电路，电源整流电路的输入端与感应线圈绕组电连接；

超级电容，超级电容设于密封壳体内，位于内套筒与印刷电路板之间，超级电容与电源整流电路输出端电连接；

超高亮度LED，超高亮度LED设于密封壳体的前部；

非接触式磁能感应开关，非接触式磁能感应开关包括非接触式磁能感应开关套件和干簧管，非接触式磁能感应开关套件设于密封壳体的外侧，干簧管设于密封壳体内侧，干簧管与电源整流电路输出端、超级电容、超高亮度LED电连接组成一个电回路；

所述的非接触式磁能感应开关套件设有两个固定柱、一个滚軸、磁铁、两片触片、两个插销和一个感应模块，感应模块固定在滚軸一侧，内配置磁铁，感应模块中的磁铁正对两触片，同时非接触式磁能感应开关套件通过其两个平行外延的固定柱与密封壳体相连。

光学反射器，光学反射器设于密封壳体内腔前部；

光学密封头罩，光学密封头罩设于密封壳体的前端。

在内套筒内腔的前、后端最好分别设有前限位反弹件和后限位反弹件，用于限定磁体在内套筒内腔穿梭运动的范围，减少磁体对内套筒端部的撞击。前限位反弹件和后限位反弹件可选用磁铁或弹性体，所述的感应线圈绕组可选择2或3组，感应线圈绕组绕在线槽或线圈骨架的槽内。

光学反射器可设后光学反射器和前光学反射器，后光学反射器设于超高亮度LED上，前光学反射器设于光学密封头罩内侧。

在密封壳体的底座外侧或/和光学密封头罩的外侧设有吊绳孔，用于穿系绳索或系带，便于携带或悬挂。

在超高亮度LED和前光学反射器之间可设置一光学双凸镜头。

本发明主要由物理能量转换与发电系统、储能系统、半导体照明光学系统和整体性高强度密封结构等四大部分组成，其核心技术是利用电磁感应和能量转换原理，将单手摇动的机械能，通过双组或多组线圈组合，最大限度转化为脉冲电能，充分储存在体积小、质量轻、寿命长、能密度高的超级电容内，并通过恒压大电流驱动装置、免接触感应开关和经光学处理的多光斑半导体超高亮度LED聚焦系统，将电能有效转化为光能，实现便携式环保型的可再生免电池LED防水野营灯。本发明无需电池和传统化学能等外来能源，无需更换灯泡和储电装置，具有防爆、防水、防摔和防腐蚀等优点，无需维护，经久耐用，一次快速摇动可持续照明1至2小时以上。真正做到“召之即来，来之即用”。可广泛应用于野外作业、井下作业、行军、执勤、办公及汽车、飞机、舰艇等日常或紧急照明，成为不可或缺的新型发光器或照明工具，最终替代传统低效率、高耗能、污染环境的便携式发光器或照明器。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图。

图2为本发明实施例电路原理图。

图3为本发明实施例照明效果示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1-3，本发明由具有整体性高强度全封闭结构的外壳体、物理电能发生内腔、光学系统腔、整流电路/储能腔、高能稀土磁体、多级(至少两级)感应线圈组、高密度超小型超级电容器、非接触磁能感应开关、整流电路、超高亮度发光二极管、携带部件等组成。图1给出一种基于本发明的再生式免电池环保型LED防水野营灯的产品结构示意图，能量转换腔1设于野营灯的内后部；高能稀土主发电磁体8设于内套筒5内腔，内套筒前后设有前限位反弹件10和后限位反弹件11；感应线圈绕组7位于能量转换腔1外中部，并可以使高能稀土主发电磁体8在其内部自由无阻来回穿梭，感应线圈绕组7至少设2个相同或类似线圈，用线槽6隔开；非接触磁能感应开关由非接触磁能感应开关套件9和干簧管91组成，非接触磁能感应开关套件9设于野营灯高强度密封壳体4的头部外侧，便于进行开、关操作，干簧管设于密封壳体内侧，干簧管91与电源整流电路输出端、超级电容、超高亮度LED电连接组成一个电回路；光学系统腔3位于野营灯的头部，设有光学反射器和光学密封头罩17等部件，光学反射器包括后光学反射器15和前光学反射器16，后光学反射器15设于超高亮度LED 14上，前光学反射器16设于光学密封头罩17内侧；作为照明光源的超高亮度LED 14设于光学系统腔3的底部和能量转换腔1、电子线路腔2的上部；电子线路腔2设有超级电容12、印刷电路板13等部件；感应线圈绕组7输出端与电子线路腔2内的整流电路的输入端连接，超级电容12与整流电路的输出端、非接触磁能感应开关中的干簧管91和超高亮度LED 14相连接，从而组成一个发电、储能、开关、发光照明的完整回路；另外野营灯还设有头部吊绳孔18、尾部吊绳孔19、底座20等，以便于携带和使用。

由于人体机械能可以不断再生，这种机械能-电能-光能的转换可以永不停息，不受外界影响，全天候随时随地持续使用。

图2是基于本发明的再生式免电池环保型LED防水野营灯的采用两组感应线圈绕组的简化电路原理图。单手水平或垂直摇动野营灯，产生机械能，此机械能促使高能稀土主发电磁体在感应线圈绕组71和72中自由穿梭运动，在能量转换腔内转化成交变电能。交变电能流经感应线圈绕组71和72，与整流回路31和41，以及超级电容12等组成充电回路。超级电容12与非接触磁能感应开关中的干簧管91、超高亮度LED 14等组成放电回路。为了保护超高亮度LED 14，可以附加利用齐纳二极管或限流电阻等制成的限流限压保护电路。当重复手摇发电时，闭合回路中就会产生交变感应电流。此电流经过适当整流后，以电位能形式重复储存于高能量密度的超级电容12中。当需要使用该电能时，启动非接触磁能感应开关，通过超级电容12缓慢放电至发光效率很高、功耗很低的超高亮度LED 14，使之转换成高效光能，最后利用精密的光学镜头和反射器，将超高亮度发光二极管LED 14的准点光源经过适当汇聚并发散成所需要的大光斑光束，实现野营照明和应急发光等用途。

本发明采用全封闭式优质工程塑料或其他非金属高档密封壳体，利用高频超音技术或其他焊接技术将头部和身体上下两部分准确紧密地熔接成一体化，将内部光学、电学、机械等不同系统集成在一个不可拆卸的有机紧固结构，同时利用安置在密封壳体外侧的非接触磁能感应开关套件控制内部电子器件，达到防爆、防水、防震和防腐蚀的目的。这种结构设计可以提供深水125米的防水能力和从2米自由掉落完好无损的耐摔程度。

本发明采用防爆、防腐、防故障的永久性非接触磁能感应开关。该开关由非接触磁能感应开关套件和干簧管组成，非接触磁能感应开关套件由两个固定柱、一个滚軸、两个插销和一个感应模块组成。这是一个与本发明内部结构完全独立的结构，无需任何线路或回路连接内部结构，因此能够确保本发明的防水性。开关的感应模块固定在滚軸一侧，内配置防锈、防氧化、防去磁处理的特殊稀土磁铁，通过滚轴的前后转动改变感应模块的位置来决定野营灯的“开”和“关”动作。当滚軸向上转90度时，感应模块中的稀土磁铁正对照明器内部电子线路中低电压干簧管的两触片，使其分别进行不同极性的极化，从而两触片吸合，使照明器内部线路形成回路，达到“开”的目的，点亮超高亮度LED进行照明。当滚軸向下转90度时，稀土磁铁的磁场对干簧管的两触片失去磁性，促使两触片分离，达到“关”的目的，关掉LED。同时整体开关在照明器的“颈部”通过其两个平行外延的固定柱与外壳相连，能够在近距离透过外壳而遥感控制内部电子线路的“开”和“关”的操作。由于滚軸的前后转动是个简单的无摩擦物理运动，无需复杂的机械结构和传动装置，同时干簧管内充有惰性气体能够避免两触片永久极化(只有当外在磁场处于某个角度时才发生极化吸合)，因此本发明的开关可以实现几十万次无故障操作。

本发明以新型绿色环保、比容量高、内阻低、充电时间短、充放电效率好、安全性高和可靠性好的超级电容作为储能系统，彻底解决传统蓄电池的维护回收和环境污染等问题。超级电容的活性物质在电极表面或者体相中的二维或准二维空间中进行高度可逆的电化学吸附和脱附，发生n型和p型元素掺杂和去掺杂反应，从而产生与电极电荷有关的“双电层电容”。由于这些电化学反应不破坏电极结构，其最终循环使用寿命很长，可高达50万次。超级电容储能系统的设计主要是要考虑其体积、容量、电压、电流、漏电、脉冲响应等参数。在规定的充电时间要求下，若要延长有效照明(即放电)时间，可适当提高超级电容的电容量，并增加感应线圈和整流电路的组数，但同时也必须相应优化磁路设计，确保充电回路的高效性。

本发明采用双反射光学系统，由于单个LED发出的光大部分是发散的，汇聚光斑效果较差，无法形成一束完整均匀的平行光束，不适宜直接用在便携式发光器或照明器上。有些发光器或照明器利用LED阵列以扩大光源发射面积，从而直接形成一束光束，但光束均匀度一般较差，会随LED的个数和每个LED的色调质量而变化。本发明充分利用双反射光学系统的优势，可精确设计上、前光学反射器的焦距、曲度、面径、厚度，面径、发散角度，间距等参数，实现基于单个超高亮度LED光源的完整均匀的单环型明亮光束。为了更准确地投影单环型光斑，也可在超高亮度LED和前光学反射器之间添置一光学双凸镜头。图3给出了基于本发明的再生式免电池环保型LED防水野营灯实例的双反射光学系统照明效果示意图。

Claims (10)

1、再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于设有：

密封壳体；

内套筒，内套筒设于密封壳体内；

线槽或线圈骨架，线槽或线圈骨架设于内套筒的外周；

感应线圈绕组，感应线圈绕组设至少1组，感应线圈绕组设于线槽或线圈骨架上；

磁体，磁体设于内套筒内，在内套筒内自如穿梭移动；

印刷电路板，印刷电路板设于密封壳体内的中部，印刷电路板上焊接有电源整流电路，电源整流电路的输入端与感应线圈绕组电连接；

超级电容，超级电容设于密封壳体内，位于内套筒与印刷电路板之间，超级电容与电源整流电路输出端电连接；

超高亮度LED，超高亮度LED设于密封壳体的前部；

非接触式磁能感应开关，非接触式磁能感应开关包括非接触式磁能感应开关套件和干簧管，非接触式磁能感应开关套件设于密封壳体的外侧，干簧管设于密封壳体内侧，干簧管与电源整流电路输出端、超级电容、超高亮度LED电连接组成一个电回路；

光学反射器，光学反射器设于密封壳体内腔前部；

光学密封头罩，光学密封头罩设于密封壳体的前端。

2、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于所述的线槽或线圈骨架设于内套筒外周的中部。

3、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于所述的磁体为高能稀土磁体。

4、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于所述的非接触式磁能感应开关套件设有两个固定柱、一个滚軸、磁铁、两片触片、两个插销和一个感应模块，感应模块固定在滚軸一侧，内配置磁铁，感应模块中的磁铁正对两触片，非接触式磁能感应开关套件通过其两个平行外延的固定柱与密封壳体相连。

5、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于在内套筒内腔的前、后端分别设有前限位反弹件和后限位反弹件。

6、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于前限位反弹件和后限位反弹件为磁铁或弹性体。

7、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于所述的感应线圈绕组设2或3组，感应线圈绕组绕在线槽或线圈骨架的槽内。

8、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于所述的光学反射器设后光学反射器和前光学反射器，后光学反射器设于超高亮度LED上，前光学反射器设于光学密封头罩内侧。

9、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于在密封壳体的底座外侧或/和光学密封头罩的外侧设有吊绳孔。

10、如权利要求1所述的再生式免电池环保型发光二极管防水野营灯，其特征在于在超高亮度LED和前光学反射器之间设置一光学双凸镜头。

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