RU240994U1

RU240994U1 - Optical module for UV emitter

Info

Publication number: RU240994U1
Application number: RU2025135706U
Authority: RU
Inventors: Светлана Ильдаровна Макарова
Original assignee: Светлана Ильдаровна Макарова
Filing date: 2025-12-14
Publication date: 2026-02-02

Abstract

Полезная модель относится к области оптики и касается оптического модуля для УФ-излучателя. Оптический модуль содержит оптический корпус из ультрафиолетопрозрачного материала. Оптический корпус выполнен с центральной преломляющей линзой, расположенной на оптической оси модуля, и кольцевой зоной вокруг линзы. На стороне, обращенной к УФ-источнику, оптический корпус снабжен коаксиальным оптической оси цилиндрическим посадочным выступом. В кольцевой зоне выполнены сквозные вентиляционные проемы, расположенные по окружности вне проекции апертуры центральной линзы. Технический результат заключается в снижении нагрева УФ-источника при сохранении направленного излучения. 1 ил. This utility model relates to optics and concerns an optical module for a UV emitter. The optical module comprises an optical housing made of an ultraviolet-transparent material. The optical housing has a central refractive lens located on the module's optical axis and an annular zone surrounding the lens. On the side facing the UV source, the optical housing is provided with a cylindrical mounting projection coaxial with the optical axis. The annular zone contains through ventilation openings located circumferentially outside the projection of the central lens aperture. The technical result consists of reducing the heating of the UV source while maintaining directed radiation. 1 Fig.

Description

Полезная модель относится к области оптических элементов для твердотельных источников излучения, в частности к линзовым модулям, предназначенным для формирования направленного ультрафиолетового (УФ) излучения светодиодных УФ-излучателей и одновременно обеспечения их теплового режима. Решение может использоваться в составе компактных УФ-сушек, установок УФ-отверждения полимерных покрытий, локальных стерилизаторов и других устройств, в которых применяются УФ-светодиоды с концентрированным пучком излучения.This utility model relates to optical elements for solid-state radiation sources, specifically lens modules designed to generate targeted ultraviolet (UV) radiation from LED UV emitters while simultaneously maintaining their thermal conditions. The solution can be used in compact UV dryers, UV curing systems for polymer coatings, local sterilizers, and other devices that utilize UV LEDs with a concentrated radiation beam.

Известны различные линзы и конденсорные оптические элементы для светодиодов, используемые в системах освещения и подсветки. Класс G02B19/00 Международной патентной классификации охватывает конденсоры и светособирающие оптические системы, применяемые, в частности, с твердотельными источниками света.Various lenses and condenser optical elements for LEDs used in lighting and backlighting systems are known. Class G02B19/00 of the International Patent Classification covers condensers and light-collecting optical systems, particularly those used with solid-state light sources.

Из российского патента RU2303800C1 «Линза для формирования излучения светодиода» известна формирующая линза для светодиодных источников. Линза содержит внутреннюю и внешнюю поверхности; внутренняя поверхность центральной зоны имеет оптическую силу, обеспечивающую перенос изображения излучающей площадки светодиода на удаленное расстояние, а внешняя поверхность выполнена в воронкообразной форме, профиль которой обеспечивает сначала полное внутреннее отражение излучения, а затем его преломление преимущественно под большим углом к оптической оси, для формирования требуемой диаграммы направленности и равномерности подсветки.Russian patent RU2303800C1, "Lens for Shaping LED Radiation," describes a shaping lens for LED sources. The lens comprises an inner and outer surface. The inner surface of the central zone has an optical power that ensures the transfer of the LED's emitting area over a long distance, while the outer surface is funnel-shaped, the profile of which ensures initial total internal reflection of the radiation and subsequent refraction, primarily at a large angle to the optical axis, to form the desired beam pattern and uniform illumination.

Из китайского патента на полезную модель CN202955637U, являющегося наиболее близким аналогом, известна линза с функцией теплоотвода. Указанная линза содержит: по меньшей мере один конденсор, лунку для установки светящегося элемента, входную и выходную оптические поверхности, монтажный уступ и множество охлаждающих отверстий. Конденсор выполнен в виде тела типа «платформа», верхнее основание которого меньше нижнего; в верхнем основании сформирован монтажный паз под светодиод, дно которого является входной поверхностью, а нижнее основание является выходной поверхностью. По краю конденсора предусмотрен монтажный уступ, на котором размещены фиксаторы, а на краю этого монтажного уступа выполнены охлаждающие отверстия.A lens with a heat-sinking function is known from Chinese utility model patent CN202955637U, the closest analogue. This lens comprises at least one condenser, a recess for mounting a luminous element, input and output optical surfaces, a mounting step, and multiple cooling holes. The condenser is designed as a platform-type body, the upper base of which is smaller than the lower one. A mounting groove for an LED is formed in the upper base, the bottom of which serves as the input surface, and the lower base serves as the output surface. A mounting step is provided along the edge of the condenser, on which fasteners are located, and cooling holes are located along the edge of this mounting step.

Технический результат прототипа заключается в улучшении теплоотвода конденсорной линзы за счет размещения охлаждающих отверстий на монтажном уступе, что ускоряет рассеивание тепла от линзы и светодиода и повышает надежность работы.The technical result of the prototype is to improve the heat dissipation of the condenser lens by placing cooling holes on the mounting ledge, which accelerates heat dissipation from the lens and LED and increases operational reliability.

Вместе с тем в прототипе:At the same time, in the prototype:

- охлаждающие отверстия расположены на периферийном монтажном уступе и не образуют специально организованного канала отвода тепла из полости непосредственно над светодиодом;- cooling holes are located on the peripheral mounting ledge and do not form a specially organized channel for heat removal from the cavity directly above the LED;

- посадочная часть под светодиод выполнена в виде углубления в теле конденсора, но не формирует совместно с вентиляционными отверстиями локальной полости, непосредственно сообщающейся с окружающей средой.- the seat for the LED is made in the form of a recess in the body of the condenser, but does not form, together with the ventilation holes, a local cavity directly communicating with the environment.

В результате тепло от наиболее нагреваемой зоны - области над кристаллом светодиода - отводится косвенно, через массив линзы и корпус светильника, что ограничивает эффективность охлаждения при компактных размерах.As a result, heat from the hottest zone—the area above the LED crystal—is dissipated indirectly, through the lens array and the luminaire housing, which limits cooling efficiency given the compact size.

Технический результат данного решения состоит в улучшении распределения яркости и формировании заданной диаграммы направленности. При этом в конструкции отсутствуют специальные элементы теплового режима (вентиляционные отверстия, охлаждающие каналы), и задача снижения нагрева светодиода не решается.The technical result of this solution is improved brightness distribution and the formation of a specified beam pattern. However, the design lacks special thermal management elements (vents, cooling channels), and the task of reducing LED heating is not addressed.

Таким образом, известные решения имеют следующие недостатки:Thus, the known solutions have the following disadvantages:

- в прототипе CN202955637U охлаждающие отверстия расположены на периферийном монтажном уступе и не образуют направленного конвекционного канала из полости непосредственно над светодиодом в окружающую среду; посадочная часть под светодиод не взаимодействует конструктивно с вентиляционными отверстиями;- in prototype CN202955637U, the cooling holes are located on the peripheral mounting ledge and do not form a directed convection channel from the cavity directly above the LED into the surrounding environment; the mounting part for the LED does not structurally interact with the ventilation holes;

- в решении RU2303800C1 полностью отсутствуют признаки, отвечающие за снижение нагрева источника излучения, линза ориентирована исключительно на формирование диаграммы направленности.- the RU2303800C1 solution completely lacks features responsible for reducing the heating of the radiation source; the lens is focused exclusively on forming a directional pattern.

Поэтому остается актуальной задача создания компактного оптического модуля для УФ-излучателя, в котором обеспечивается целенаправленный отвод тепла от зоны над УФ-светодиодом при сохранении сформированного направленного пучка излучения, без применения массивных радиаторов и усложненных корпусов.Therefore, the task of creating a compact optical module for a UV emitter remains relevant, which ensures targeted heat removal from the area above the UV LED while maintaining the formed directed radiation beam, without the use of massive radiators and complex housings.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение нагрева УФ-источника при сохранении направленного излучения.The technical result of the claimed utility model is a reduction in the heating of the UV source while maintaining directed radiation.

Заявленный технический результат достигается тем, что оптический модуль для УФ-излучателя, содержащий оптический корпус из ультрафиолетопрозрачного материала, предназначенный для установки перед УФ-источником излучения, выполнен с центральной преломляющей линзой, расположенной на оптической оси модуля, и кольцевой зоной вокруг линзы, при этом на стороне, обращенной к УФ-источнику, оптический корпус снабжен коаксиальным оптической оси цилиндрическим посадочным выступом, образующим над УФ-источником полость и служащим для центрирования линзы относительно УФ-источника, а в указанной кольцевой зоне выполнены сквозные вентиляционные проемы, либо отверстия, сообщающие указанную полость с окружающей средой и расположенные по окружности вне проекции апертуры центральной линзы.The claimed technical result is achieved in that an optical module for a UV emitter, comprising an optical housing made of ultraviolet-transparent material, intended for installation in front of a UV radiation source, is made with a central refractive lens located on the optical axis of the module, and an annular zone around the lens, wherein on the side facing the UV source, the optical housing is provided with a coaxial cylindrical mounting protrusion with the optical axis, forming a cavity above the UV source and serving to center the lens relative to the UV source, and in the said annular zone through ventilation openings or holes are made, communicating the said cavity with the environment and located along the circumference outside the projection of the aperture of the central lens.

Оптический модуль выполнен в виде единого элемента из УФ-прозрачного материала (например, полиметилметакрилата, оптического поликарбоната или кварцевого стекла) и предназначен для установки в корпусе УФ-излучателя непосредственно над УФ-светодиодом.The optical module is made as a single element from a UV-transparent material (e.g. polymethyl methacrylate, optical polycarbonate or quartz glass) and is intended for installation in the housing of the UV emitter directly above the UV LED.

В состав модуля входят:The module includes:

- центральная преломляющая линза;- central refractive lens;

- кольцевая зона вокруг линзы с системой сквозных вентиляционных отверстий;- annular zone around the lens with a system of through ventilation holes;

- цилиндрический посадочный выступ на стороне, обращенной к УФ-источнику.- a cylindrical landing protrusion on the side facing the UV source.

Оптическая ось модуля совпадает с осью симметрии центральной линзы и в установленном состоянии совпадает с направлением максимальной плотности УФ-излучения.The optical axis of the module coincides with the axis of symmetry of the central lens and, when installed, coincides with the direction of maximum UV radiation density.

Центральная линза выполнена интегрально с оптическим корпусом и формирует направленный пучок УФ-излучения от точечного или малоразмерного УФ-светодиода. В типовом варианте линза имеет сферическую или асферическую выпуклую поверхность на стороне выхода излучения и плоскую или слабовыпуклую внутреннюю поверхность, переходящую в цилиндрический посадочный выступ.The central lens is integral with the optical housing and generates a focused beam of UV radiation from a point or small-sized UV LED. Typically, the lens has a spherical or aspherical convex surface on the output side and a flat or slightly convex inner surface that transitions into a cylindrical mounting protrusion.

Геометрические параметры линзы (диаметр апертуры, радиус кривизны, толщина) выбираются из условия получения требуемого угла раскрытия (например, 15–40°) и плотности мощности на рабочей поверхности при минимальных аберрациях. Наличие центральной линзы обеспечивает сохранение направленного излучения при любых дополнительных конструктивных элементах, связанных с охлаждением.The lens's geometric parameters (aperture diameter, radius of curvature, thickness) are selected to achieve the desired aperture angle (e.g., 15–40°) and power density on the working surface with minimal aberrations. The presence of a central lens ensures the preservation of directional radiation despite any additional design elements related to cooling.

На стороне, обращенной к УФ-источнику, оптический корпус снабжен цилиндрическим посадочным выступом, коаксиальным оптической оси. Внутренний диаметр выступа согласован с габаритами корпуса УФ-светодиода или его подложки. В рабочем положении УФ-светодиод частично входит в объем посадочного выступа, при этом между излучающей площадкой светодиода и внутренней поверхностью линзы образуется полость.On the side facing the UV source, the optical housing is equipped with a cylindrical mounting protrusion coaxial with the optical axis. The internal diameter of the protrusion is matched to the dimensions of the UV LED housing or its substrate. In the operating position, the UV LED partially fits within the mounting protrusion, creating a cavity between the LED's emitting surface and the inner surface of the lens.

Посадочный выступ выполняет три функции:The landing ledge performs three functions:

Центрирование обеспечивает соосность УФ-светодиода и центральной линзы без дополнительных регулировочных операций, так как светодиод вводится в выступ до упора.Centering ensures alignment of the UV LED and the central lens without additional adjustment operations, since the LED is inserted into the protrusion until it stops.

Формирование полости - геометрия выступа задает объем полости над источником, в которой при работе формируется нагретый воздушный объем.Formation of a cavity - the geometry of the protrusion defines the volume of the cavity above the source, in which a heated air volume is formed during operation.

Направление конвекции - полость конструктивно связана с вентиляционными отверстиями, что обеспечивает управляемый отвод тепла от источника.Convection direction - the cavity is structurally connected to the ventilation openings, which ensures controlled heat removal from the source.

За счет цилиндрической формы стенки выступа частично экранируют боковое рассеянное излучение и одновременно служат направляющими трубами для восходящего конвективного потока воздуха.Due to the cylindrical shape of the walls, the protrusion partially shields lateral scattered radiation and simultaneously serves as guide pipes for the ascending convective air flow.

Непосредственно вокруг центральной линзы образована кольцевая зона оптического корпуса. В пределах этой зоны по окружности выполнены вентиляционные проемы, либо сквозные вентиляционные отверстия. Отверстия проходят через толщу корпуса и соединяют полость над УФ-источником, ограниченную посадочным выступом и внутренней поверхностью линзы, с окружающей средой.An annular zone of the optical housing is formed directly around the central lens. Within this zone, ventilation openings or through-ventilation holes are provided around the circumference. The holes penetrate the housing and connect the cavity above the UV source, bounded by the mounting protrusion and the inner surface of the lens, with the surrounding environment.

Выбор расположения отверстий именно в кольцевой зоне вокруг линзы имеет следующие эффекты:The choice of the location of the holes in the annular zone around the lens has the following effects:

- отверстия находятся максимально близко к области максимального нагрева - полости над кристаллом УФ-светодиода;- the holes are located as close as possible to the area of maximum heating - the cavity above the UV LED crystal;

- через отверстия осуществляется прямое сообщение этой полости с внешней средой, что создает короткий путь для выхода нагретого воздуха;- through the holes, direct communication between this cavity and the external environment is achieved, which creates a short path for the heated air to escape;

- отверстия размещены вне проекции апертуры линзы, то есть не пересекают полезный оптический поток и не ухудшают диаграмму направленности.- the holes are located outside the projection of the lens aperture, that is, they do not intersect the useful optical flow and do not degrade the directional pattern.

Количество, геометрия и шаг вентиляционных проемов подбираются из условия обеспечения достаточной суммарной площади сечения для естественной конвекции при сохранении механической прочности корпуса. В практическом исполнении вентиляционные проемы могут быть сформированы между радиально расположенными выступами кольцевой зоны, при этом число таких проемов может составлять, например, от шести до десяти, а сами проемы равномерно распределяются по окружности.The number, geometry, and spacing of the ventilation openings are selected to ensure sufficient total cross-sectional area for natural convection while maintaining the mechanical strength of the casing. In practical applications, ventilation openings can be formed between radially arranged projections of the annular zone, with the number of such openings ranging from six to ten, for example, and evenly distributed around the circumference.

На прилагаемой фигуре представлен оптический модуль для УФ-излучателя, вид со стороны линзы (вид сверху), где: 1 - центральная преломляющая линза; 2 - сквозные вентиляционные проемы в кольцевой зоне; 3 - цилиндрический посадочный выступ.The attached figure shows an optical module for a UV emitter, viewed from the lens side (top view), where: 1 - central refractive lens; 2 - through ventilation openings in the annular zone; 3 - cylindrical mounting protrusion.

В собранном УФ-излучателе УФ-светодиод устанавливается в корпусе так, что его излучающая площадка расположена в пределах цилиндрического посадочного выступа и ориентирована к центральной линзе. Оптический модуль фиксируется в корпусе, при этом посадочный выступ охватывает светодиод и образует полость над ним.In the assembled UV emitter, the UV LED is mounted in the housing so that its emitting surface is located within the cylindrical mounting protrusion and oriented toward the central lens. The optical module is secured in the housing, with the mounting protrusion enclosing the LED and forming a cavity above it.

При включении светодиод излучает УФ-свет, который через полость попадает на внутреннюю поверхность центральной линзы и преломляется, формируя направленный пучок с заданным углом раскрытия. Одновременно светодиод выделяет тепло, нагревая воздух в полости над своей излучающей площадкой.When turned on, the LED emits UV light, which passes through the cavity onto the inner surface of the central lens and is refracted, forming a directed beam with a predetermined angle. At the same time, the LED generates heat, heating the air in the cavity above its emitting surface.

В силу разности температур воздуха в полости и окружающей среды возникает естественная конвекция: нагретый воздух поднимается к внутренней поверхности линзы, затем через сквозные вентиляционные отверстия выходит в окружающее пространство. Через зазоры между корпусом оптического модуля и корпусом излучателя или специальные технологические окна в область посадочного выступа поступает более холодный воздух, формируя циркуляционный поток.Due to the temperature difference between the air in the cavity and the surrounding environment, natural convection occurs: heated air rises to the inner surface of the lens and then exits through the through-hole ventilation holes into the surrounding space. Cooler air enters the mounting area through gaps between the optical module housing and the emitter housing, or through special windows, creating a circulating flow.

Таким образом:Thus:

- цилиндрический посадочный выступ формирует и локализует объем полости, непосредственно связанный с УФ-источником;- a cylindrical seating protrusion forms and localizes the cavity volume directly connected to the UV source;

- сквозные вентиляционные отверстия образуют кратчайший канал для отвода нагретого воздуха из этой полости;- through ventilation holes form the shortest channel for removing heated air from this cavity;

- центральная линза формирует направленный УФ-пучок, при этом ее апертура не экранируется отверстиями.- the central lens forms a directed UV beam, while its aperture is not shielded by holes.

В результате температура УФ-светодиода и прилегающей оптики снижается по сравнению с конструкциями без направленного конвекционного канала, при сохранении требуемой диаграммы направленности.As a result, the temperature of the UV LED and adjacent optics is reduced compared to designs without a directed convection channel, while maintaining the required beam pattern.

Заявленный технический результат - снижение нагрева УФ-источника при сохранении направленного излучения - достигается совокупностью следующих признаков:The stated technical result - a reduction in the heating of the UV source while maintaining directed radiation - is achieved by a combination of the following features:

Центральная преломляющая линза, расположенная на оптической оси модуля, обеспечивает формирование направленного пучка УФ-излучения и определяет диаграмму направленности.The central refractive lens, located on the optical axis of the module, ensures the formation of a directed beam of UV radiation and determines the directional pattern.

Цилиндрический посадочный выступ образует над УФ-источником полость и центрирует линзу относительно источника, локализуя область повышенного нагрева и обеспечивая стабильное положение источника в зоне фокусировки.The cylindrical mounting protrusion forms a cavity above the UV source and centers the lens relative to the source, localizing the area of increased heating and ensuring a stable position of the source in the focusing zone.

Сквозные вентиляционные отверстия в кольцевой зоне вокруг линзы, сообщающие указанную полость с окружающей средой, создают направленный путь выхода нагретого воздуха непосредственно из зоны над источником без прохождения через массив линзы и периферийный монтажный уступ.Through ventilation holes in the annular zone around the lens, communicating the said cavity with the environment, create a directed path for the exit of heated air directly from the zone above the source without passing through the lens array and the peripheral mounting step.

В отличие от прототипа, в котором охлаждающие отверстия выполнены только на краю монтажного уступа и не образуют указанной полости и канала теплоотвода из нее, в заявляемой полезной модели именно конструктивное сочетание посадочного выступа, полости и расположения вентиляционных отверстий в кольцевой зоне вокруг линзы обеспечивает локальное эффективное охлаждение УФ-источника при одновременном сохранении направленного излучения.Unlike the prototype, in which the cooling holes are made only on the edge of the mounting ledge and do not form the said cavity and the heat dissipation channel from it, in the claimed utility model it is the structural combination of the mounting protrusion, the cavity and the location of the ventilation holes in the annular zone around the lens that ensures local effective cooling of the UV source while simultaneously maintaining directional radiation.

Claims

An optical module for a UV emitter, comprising an optical housing made of an ultraviolet-transparent material, characterized in that the optical housing is made with a central refractive lens located on the optical axis of the module, and an annular zone around the lens, wherein on the side facing the UV source, the optical housing is provided with a cylindrical mounting protrusion coaxial with the optical axis, and in said annular zone through ventilation openings are made, located along the circumference outside the projection of the aperture of the central lens.