WO2015162319A1 - Sistema óptico para luminarias y lámparas led - Google Patents

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led
luminaires
optical system
lamps
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Fernando RUIZ DE APODACA CARDEÑOSA
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Ruiz De Apodaca Cardeñosa Fernando
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an optical system for LED luminaires and lamps, essentially constituted by a glass lens with perimeter flange in its circular base, which can have different geometric shapes, such as symmetrical flat convex lenses or asymmetric lenses, and a joint of special rubber where the lens is inserted by said flange, which allows its perfect coupling by drawing between the heat sink and the beautifying body of the most used LED modules in commercial premises, roads and industries, being achieved by the effect of geometry of lens used, a considerable increase in light efficiency and a photometry appropriate to each specific use.
  • the system can incorporate as additional elements, a self-adhesive disc filter to the base of the lens, to eliminate the effect of chromatic aberration, and a uniquely designed top hat-shaped bezel that makes it possible to fix under its wing a partial or fully translucent flat glass to improve the diffusion of light in the different areas that interest lighting.
  • This new optics for LEDs is applicable in the manufacture or adaptation of the most frequent luminaires, such as LED downlight, surface LED luminaires, industrial LED modules, luminaires for road lighting or any type of luminaires used in the market. It is a unique optical system to manufacture, improve or facilitate the manufacture of different types of existing standardized luminaires.
  • the technical field of the present invention is that of lighting devices or systems based on LED technology; in particular that of the lenses and optical components used in luminaires and LED lamps. STATE OF THE TECHNIQUE.-
  • LED luminaires There are many types of LED luminaires on the market; a wide range of luminaires and lamps of different characteristics as they are destined to the residential, commercial or industrial sector, which use specific optical devices and systems.
  • plastic optical designs either for multichips, COB-type LEDs or LED packages.
  • the lenses of plastic materials from low cost polystyrene to high quality materials, such as optical or acrylic grade polycarbonate to improve the transmission of light through the optics, affect the efficiency of the LED luminaire by limiting the output of light, focusing and shaping the emitted light, but in general the light photometry achieved with these optics is not comparable to that provided by glass lenses, particularly low-cost borosilicate glass lenses with a transmission rate of light greater than 90%, not satisfactorily resolving the lighting needs of the spaces and uses for which LED lighting devices are installed.
  • LEDs with structure or configuration characteristics that allow their integration or adaptation to the most usual luminaires on the market, formed by a semiconductor of a single chip or multichip, either on board , type COB LED, or LED encapsulated, with heat sink and built-in trim body, usually in the form of a circular crown around it.
  • a LED lamp design protected by utility molding with publication number ES1074792-U, 201 1 is known for a "LED spotlight", characterized by an adjustment and fixing structure of the light diffusing lens to the heat sink, by means of an annular system of clip type or clip washer, which allows to change and replace the LED lamp easily, but this lens adjustment system is designed for this particular type of focus, offering a LED lamp of Easy assembly and disassembly, more than an optic for different types of lamps and luminaires.
  • the technical problem of being able to have an optical component is therefore raised, which being applicable to the different types of LED luminaires and lamps existing in the market, provides them with the photometry appropriate to the specific use to which each of them is intended, covering the needs of each lighting project in the commercial or industrial sector.
  • the optical system for luminaires and LED lamps in question is essentially constituted by two component elements: a glass lens, which is a material that has a higher transmittance index than plastic and does not suffer degradation over time, with a perimeter flange of clamping by its circular base, or more or less elliptical, and a rubber seal of complementary size to the circumference of the lens base, with vertical external side and perimeter internal groove for the insertion of the lens by its clamping flange, which forms on its inner side an upper lip of adequate size to achieve a specific separation between the semiconductor and the lens, and a lower lip of adequate size to collect the clamping flange, this rubber gasket being retained by pressure inlay below of the heatsink and the inside side of the crown of the bezel.
  • the rubber gasket is designed so that the pressure is exerted towards the heatsink by drawing into the embellisher housing, so that it is fixed and secured on different types of embellishers used in the manufacture of the different existing luminaires, such as , downlight, surface luminaires, luminaires for road lighting, industrial hoods, etc., and maintaining a specific separation depending on each type of lens between the LED and the lens to ensure maximum efficiency of the optical system.
  • the glass lens optical component provides that the beam of light normally emitted by the LED unidirectionally, expands and can diffuse it at a variable angle on different axes depending on the geometry of the lens, which will be an angle of between 50 ° and 1 10 ° in the particular case of flat-convex lenses.
  • the system foresees the possibility of using lenses of different vitreous materials, preferably borosilicate glass, and of different geometries to project the light with different photometries, all of which are embedded or adapted in the same way in the bezel.
  • the lens on the flat side can be smooth, with a wavy shape or with a hollow or inner space as a cap of various symmetrical or asymmetrical shapes, while on the other side of the lens, that of its curved surface, it can also present different symmetric or asymmetric geometries.
  • the lens maintains the same circular or elliptical edge in all types.
  • the lens in order to eliminate the effect of chromatic aberration produced by the glass lens, can be superimposed on its base a self-adhesive translucent polymeric vinyl disc-shaped filter, which is inserted by its edge together with the lens clamping flange, in the perimeter groove of the circular rubber seal.
  • This filter can be used or not used, depending on what is intended to illuminate. For example, in the industrial sector it is not very useful due to the height at which the luminaires are usually installed, in addition to the fact that in these installations the chromatic defect produced by the glass lenses is not very important. On the other hand, it is of interest in the manufacture of luminaires for commercial premises ( Figure 1 1 and 12), since here it is important to eliminate the effect of chromatic aberration and produce more homogeneous lighting.
  • the basic optical system of glass lens with perimeter rubber seal, with or without filter
  • the system contemplates the possibility of incorporating a specific bezel design, to be able to create LED lamp modules from it, and especially, to complement the optics with a translucent and / or transparent flat glass that improves the photometry of the lamps that carry it, offering as a final result the possibility of manufacturing LED luminaires with direct and / or diffused and selective light transmission through said lower flat glass.
  • This specific design embellishing body for a preferred embodiment of the system is constituted by a ring-shaped circular hat with a straight side and a flat brim, like a "Cordoba hat", although the lateral side can also be curved according to the final aesthetic that you want to give the lamps, but in any case, presented a double fold at right angles inwards by the upper perimeter edge of the cup to form an inverted U-shaped fold.
  • the inverted U-shaped folding of the upper edge of this singular bezel has the dual purpose of making it possible to fix it to the end of the heat sink by means of screws or other mechanical means by the part between the double folding of the U, and to retain pressurized the rubber seal with the lens, on the side of the inner fold, where the lens is embedded, while the flat wing of the lens allows the fixation by its lower part, also by mechanical means, of the special flat glass that modifies the system photometry
  • This flat glass contemplated as an additional component element of the system, fixed to the trim below the lower circular wing, is a crystal with a transparent part, to offer direct light, and another translucent part, to offer diffused light simultaneously, or a crystal Translucent plane to offer diffuse light only.
  • Figure 1 Perspective view of the exploded view of essential elements of the system: glass lens with perimeter flange and rubber gasket, including disk filter.
  • FIG. 1 Elevated section view of said essential elements coupled, with integrated filter.
  • Figure 3 Perspective of the integration of the lens with rubber seal on the heat sink, around the internal LED.
  • Figure 4 Perspective of two variants of borosilicate glass lenses, the asymmetric left lens with a cap base or internal hollow, and a right lens on one side with a wavy base and on the other convex surface.
  • Figure 5 Elevated section view of the system integration with straight circular cup trim on an LED with heatsink.
  • Figure 6 Elevated section view of the integration of the system with straight circular cup trim with flat glass on an LED with heatsink.
  • Figure 7 Elevated section view of the integration of the system with a circular curved glass bezel with flat glass on an LED with a downlight design or ceiling recessed light fixture, providing for a bridge structure to support the ceiling by means of springs.
  • Figure 8 Perceptive of a luminaire structure grouping LED modules with built-in optical system.
  • Figure 9 Elevated section view of the previous luminaire structure.
  • Figure 10 Image of light distribution of a COB type LED or encapsulated LED, and isolines plane associated with 3 m height on 5x5 m plane.
  • Figure 11 Ray distribution image of a COB type LED or encapsulated LED identical to that of the previous figure, but with integrated optical system, and isolines plane associated with 3 m height on 5x5 m plane.
  • Figure 12 Image of light distribution of a previous type LED with optical system, and associated illuminance plane.
  • Figure 13 Image of light distribution of a previous type LED with optical system with filter, and associated illuminance plane.
  • Figure 14 Image of lightning distribution of an LED with optical system with filter and partially translucent flat glass, and associated illuminance plane.
  • Figure 15 Image of lightning distribution of an LED with optical system with filter and translucent flat glass, and associated illuminance plane.
  • Figure 16 Photometric curve of the optical system with asymmetric type lens.
  • Figure 17 Photometric curve of the optical system with convex flat wavy lens.
  • Figure 18 Photometric curve of independent LED module with optical system.
  • Figure 19 Photometric curve of 5 LED modules with optical system.
  • FIG 1 shows the exploded view of a flat-convex glass lens (1), with perimeter edge (2) by its circular base (3), and the rubber seal (4) of complementary size with the base of the lens, with the inner groove through which the edge of the lens is inserted.
  • the lips The internal rubber seal formed by its perimeter groove can be seen in Figure 2, both the upper lip (5), which must have the precise height size to achieve an ideal separation between the LED semiconductor and the lens, such as the lip bottom (7), whose size is that of the lens flange for perfect insertion of the lens.
  • the position occupied by the self-adhesive filter (12) in the form of a disk is also observed, optional for eliminating the effect of chromatic aberration, glued on the base of the lens, being inserted with it into the perimeter groove of The circular rubber seal.
  • the glass lens can have different geometries, on which the light photometry offered by the luminaire will depend.
  • the only thing that does not vary in the design of the lens is the circular contour of its base and the perimeter edge of insertion in the coupling joint, but both the shape of the base, as well as the shape and degree of curvature of the curved surface can to vary.
  • Figure 4 shows two other specific lens designs, one with a wavy base lens and another with a perforated base to form an inner cap as an inverted elliptical cone.
  • the basic optical device thus formed, of glass lens of suitable geometry with perimeter rubber seal, with or without filter, is integrated into the different types of luminaires and LED lamps, from industrial luminaires to small LED downlight, by simple drawing of the optics on the heat sink of the LED, inside the crown of the bezel, since the pressure exerted on the inner side of the crown makes the device perfectly retained, which allows it to be incorporated into the luminaires already installed in the buildings, just by removing the pre-existing lens.
  • Figure 3 shows the position in which the optics are integrated on the heatsink (8), around the LED semiconductor (6). In this figure the retaining trim element is missing, which is commonly fixed to the heatsink by the holes provided for that purpose at its base, and which are appreciable therein.
  • the rubber seal that collects the lens is placed inside the crown of the trim (13 ), which in this case is the specific design bezel described above, with a flat-brimmed hat (16) and straight side (14), or curved (15), with an inverted U-shaped fold ( 17) by the upper circumference edge, the rubber seal with the lens being embedded and retained under pressure by the inner folding side.
  • the design bezel specially designed for the invention optics offers the possibility of manufacturing LED modules incorporating this advantageous optics.
  • a module or LED lamp of these characteristics will be constituted from an LED semiconductor with its heat sink from those commonly available in the market, on which the new bezel is fixed and the glass lens is embedded, with or without a filter, by means of the rubber seal, optionally complementing the optics and design of the module with the special flat glass fixed below the bezel wing.
  • LED modules with the optics of the invention can be used as individual points of light, integrated in ceilings and surfaces with the appropriate installation means, such as the support bridge (19) of downlight type luminaire for recessed ceiling shown in the figure 7. They also offer the possibility of creating more powerful LED luminaire structures by grouping modules, such as the modular structure shown in Figure 8 (perspective view) and Figure 9 (section view), which is a cut structure by laser and folded to group several LED modules, which are integrated in it through circular holes punched by its base of diameter equal to that of the crown of the trim of the modules, which are fixed by the protruding circular wing and coplanar to the structure.
  • This grouping system of modules or individual lamps is ideal for the manufacture of lighting modules or industrial luminaires with LED technology.
  • Figure 12 shows the distribution of rays and associated luminance plane of an LED with an optic like the previous one, of symmetrical flat-convex lens, without filter, in which the effect of chromatic aberration is appreciated, with illumination more concentrated in the center of the light circle, in comparison with figure 13, of lightning distribution and associated luminance plane of an LED with the same lens, but with a disk filter as claimed, of frosted translucent polymeric vinyl, in the one that the chromatic defect has been eliminated, being the distribution of more homogeneous light in all the circle of illumination.
  • the rays that are reflected in the flat glass have been erased, which are then reflected in the bezel and then reflected again or transmitted through the flat glass.
  • the graph of Figure 16 shows the photometric curve of the optical system with the asymmetric type lens of Figure 4, with internal cap
  • the graph of Figure 17 the photometric curve of the optical system with the wavy base lens and convex surface of said same previous figure.
  • the photometry curve remains constant regardless of the number of lenses used, in the case of LED module groups with the same optics in the manufacture of industrial luminaires.
  • the graph in figure 19 shows the photometric curve for a grouping of five LED modules with an optical system, and the graph in figure 18 shows the photometric curve for one of these individual modules, resulting curves in the same way, confirming the advantages of the groupings of modules to increase the light intensity for the same photometry.

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Abstract

Sistema óptico para luminarias y lámparas LED, de un solo chip o multichip, con disipador de calor y cuerpo embellecedor, constituido por una lente de vidrio de diferentes formas geométricas con reborde perimetral en su base circular y una junta de goma de tamaño complementario por donde la lente queda insertada, pudiendo llevar incorporado un filtro de vinilo polimérico traslúcido autoadhesivo a la base de la lente, un embellecedor de diseño especial en forma de sombrero de copa y un cristal plano parcial o totalmente translúcido fijado por debajo del ala de este embellecedor. La estructura de la óptica posibilita su perfecto acoplamiento por embutición entre el disipador de calor y el cuerpo embellecedor, sirviendo para la fabricación de nuevos módulos y luminarias LED, o para la adaptación de los existentes en el mercado, consiguiéndose por efecto de la geometría de la lente, el filtro y el cristal plano, mejorar la eficiencia y calidad de luz adecuada a cada uso específico.

Description

DESCRIPCION
Sistema óptico para luminarias y lámparas LED.-
El presente invento se refiere a un sistema óptico para luminarias y lámparas LED, esencialmente constituido por una lente de vidrio con reborde perimetral en su base circular, que puede presentar diferentes formas geométricas, como por ejemplo lentes planoconvexas simétricas o lentes asimétricas, y una junta de goma especial por donde la lente queda insertada por dicho reborde, que posibilita su perfecto acoplamiento por embutición entre el disipador de calor y el cuerpo embellecedor de los módulos LED más utilizados en locales comerciales, viales e industrias, consiguiéndose por el efecto de la geometría de lente empleada, un aumento considerable de la eficiencia lumínica y una fotometría adecuada a cada uso específico.
El sistema puede incorporar como elementos adicionales, un filtro de disco autoadhesivo a la base de la lente, para eliminar el efecto de la aberración cromática, y un embellecedor de diseño singular en forma de sombrero de copa que posibilita fijar por debajo de su ala un cristal plano parcial o totalmente traslucido para mejorar la difusión de la luz en las diferentes zonas que interese iluminar.
Esta nueva óptica para LEDs es aplicable en la fabricación o adaptación de las luminarias más frecuentes, como por ejemplo downlight LED, luminarias LED de superficie, módulos industriales LED, luminarias para iluminación vial o cualquier tipo de luminarias que se utilizan en el mercado. Es un sistema óptico único para fabricar, mejorar o facilitar la fabricación de los distintos tipos de luminarias estandarizadas existentes.
CAMPO TECNICO.-
El campo técnico de la preste invención es el de los dispositivos o sistemas de iluminación basados en tecnología LED; en particular el de las lentes y componentes ópticos utilizados en luminarias y lámparas LED. ESTADO DE LA TECNICA.-
En el mercado existen muchos tipos de luminarias LED; una amplia gama de luminarias y lámparas de diferentes características según se destinen al sector residencial, comercial o industrial, que utilizan dispositivos y sistemas ópticos específicos.
La mayoría de los fabricantes utilizan diseños ópticos de plástico, bien para multichips, LED tipo COB o encapsulados LED. Las lentes de materiales plásticos, desde el poliestireno de bajo coste hasta materiales de alta calidad, tales como policarbonato de grado óptico o acrílico para mejorar la transmisión de luz a través de la óptica, inciden en la eficacia de la luminaria LED limitando la salida de luz, enfocando y dando forma a la luz emitida, pero en general la fotometría lumínica conseguida con estas ópticas no es comparable a la proporcionada por las lentes de vidrio, particularmente por las lentes de vidrio de borosilicato de bajo coste con un índice de transmisión de la luz superior al 90%, no resolviendo de forma satisfactoria las necesidades lumínicas de los espacios y usos para los que los dispositivos de iluminación LEDs son instalados.
Por ello, algunos fabricantes han comenzado a utilizar lentes de vidrio en determinados diseños de luminarias, pero estas ópticas no están dotadas de medios que permitan acoplarlas a los diferentes dispositivos de iluminación existentes.
En general se puede decir que no hay prácticamente lentes y diseños ópticos para LEDs con unas características de estructura o configuración que posibilite su integración o adaptación a las luminarias más usuales del mercado, formadas por un semiconductor de un solo chip o multichip, bien sobre placa, tipo LED COB, o encapsulados LED, con disipador de calor y cuerpo embellecedor incorporado, normalmente en forma de una corona circular alrededor del mismo.
Se conoce por ejemplo un diseño de lámpara LED protegido por el moldeo de utilidad con número de publicación ES1074792-U, de 201 1 , para un "Foco de iluminación LED", caracterizado por una estructura de ajuste y fijación de la lente difusora de luz al disipador de calor, mediante un sistema anular de tipo clip o arandela clip, que permite cambiar y reponer de forma sencilla la lámpara LED, pero este sistema de ajuste de la lente está pensado para este tipo particular de foco, ofreciendo una lámpara LED de montaje y desmontaje fácil, más que una óptica para diferentes tipos de lámparas y luminarias. Se plantea por tanto el problema técnico de poder disponer de un componente óptico, que siendo aplicable a los diferentes tipos de luminarias y lámparas LED existentes en el mercado, las dote de la fotometría adecuada al uso específico a que cada una de ellas está destinada, cubriendo las necesidades de cada proyecto de iluminación en el sector comercial o industrial.
Pues bien, este problema se solventa con el sistema óptico para LEDs reivindicado de invención, basado en la utilización de una variedad de lentes de vidrio con reborde perimetral insertables en una junta de goma de diseño especial que permite su acoplamiento por embutición entre el disipador de calor y el elemento embellecedor de la lámpara o luminaria, y cuyos diferentes efectos fotométricos producidos por estas lentes sobre la fuente de luz se pueden terminar de ajustar convenientemente mediante un filtro autoadhesivo a la base de la lente utilizada, para eliminar el efecto de la aberración cromática, y/o un cristal translúcido, o parcialmente transparente, incorporado a un cuerpo embellecedor de sustitución especialmente concebido para este fin para difundir la luz en el ambiente, todo ello según se describe a continuación en detalle.
COMENDIO DE LA INVENCIÓN.-
El sistema óptico para luminarias y lámparas LED en cuestión, esta esencialmente constituido por dos elementos componentes: una lente de vidrio, que es un material que tiene mayor índice de transmitancia que el plástico y no sufre degradación con el tiempo, con un reborde perimetral de sujeción por su base circular, o más o menos elíptica, y una junta de goma de tamaño complementario a la circunferencia de la base de la lente, con lado externo vertical y ranura interna perimetral para la inserción de la lente por su reborde de sujeción, que conforma por su lado interno un labio superior de tamaño adecuado para conseguir una separación especifica entre el semiconductor y la lente, y un labio inferior de tamaño adecuado para recoger el reborde de sujeción, quedando esta junta de goma retenida por embutido a presión por debajo del disipador y el lado de dentro de la corona del embellecedor.
Nótese que la junta de goma está diseñada para que la presión se ejerza hacia el disipador por embutición en la carcasa del embellecedor, de tal manera que quede fija y sujeta sobre diferentes tipos de embellecedores utilizados en la fabricación de las distintas luminarias exitentes, tales como, downlight, luminarias de superficie, luminarias para iluminación vial, campanas industriales, etc., y manteniendo una separación especifica dependiendo de cada tipo de lente entre el LED y la lente para garantizar la máxima eficiencia del sistema óptico.
El componente óptico de lente de vidrio proporciona que el haz de luz que normalmente emite el LED de forma unidireccional, se expanda y pueda difundirla en un ángulo variable en diferentes ejes dependiendo de la geometría de la lente, que será un ángulo de entre 50° y 1 10° en el caso particular de lentes plano-convexas.
El sistema prevé la posibilidad de utilizar lentes de diferentes materiales vitreos, preferentemente vidrio de borosilicato, y de diferentes geometrías para conseguir proyectar la luz con diferentes fotometrías, las cuales todas se embuten o se adaptan de igual manera en el embellecedor. Así, la lente por el lado plano puede ser lisa, con forma ondulada o con un hueco o espacio interior a modo de casquete de diversas formas simétricas o asimétricas, mientras que por el otro lado de la lente, el de su superficie curvada, puede presentar también diferentes geometrías simétricas o asimétricas. En cualquier caso, es de destacar que la lente mantiene el mismo borde circular o elíptico en todos los tipos.
En una realización opcional del sistema, con la finalidad de eliminar el efecto de la aberración cromática producido por la lente de vidrio, la lente puede llevar superpuesto sobre su base un filtro autoadhesivo de vinilo polimérico traslúcido esmerilado en forma de disco, que queda insertado por su borde junto con el reborde de sujeción de la lente, en la ranura perimetral de la junta de goma circular.
Este filtro puede utilizarse o no utilizarse, dependiendo de lo que se pretenda iluminar. Así por ejemplo, en el sector industrial no es de gran utilidad debido a la altura en la que están instaladas habitualmente las luminarias, además de que en estas instalaciones no tiene mucha importancia el defecto cromático producido por las lentes de vidrio. En cambio, sí resulta de interés en la fabricación de luminarias para locales comerciales (Figura 1 1 y 12), ya que aquí es importante elimina el efecto de la aberración cromática y producir una iluminación más homogénea.
Si bien el sistema óptico básico, de lente de vidrio con junta de goma perimetral de sujeción, con o sin filtro, se puede adaptar a cualquier tipo de diseño de embellecedor, de la misma manera, ejerciendo presión en dirección hacia el disipador, el sistema contempla la posibilidad de incorporar un diseño de embellecedor específico, para poder crear módulos de lámparas LED a partir del mismo, y especialmente, para poder complementar la óptica con un cristal plano translúcido y/o transparente que mejore la fotometría de la lámparas que la llevan, ofreciendo como resultado final la posibilidad de fabricar luminarias LED con transmisión de luz directa y/o difusa y selectiva a través de dicho cristal plano inferior.
Este cuerpo embellecedor de diseño específico para una realización preferente del sistema, está constituido por un anillo en forma de sombrero de copa circular de lado recto y ala plana, tipo "sombrero cordobés", aunque el lado lateral también puede presentarse curvado según la estética final que se quiera dar a las lámparas, pero en cualquier caso, presentado un doble plegado en ángulo recto hacia dentro por el borde perimetral superior de la copa para formar un pliegue en forma de U invertida.
El plegado en forma de U invertida del borde superior de este embellecedor singular tiene la doble finalidad de posibilitar su fijación al extremo del disipador de calor mediante tornillos u otros medios mecánicos por la parte comprendida entre el doble plegado de la U, y la de retener a presión la junta de goma con la lente, por el lado del plegado interior, donde la lente queda embutida, mientras que el ala plana del mismo posibilita la fijación por su parte inferior, también por medios mecánicos, del cristal plano especial que modifica la fotometría del sistema.
Este cristal plano contemplado como elemento componente adicional del sistema, fijado al embellecedor por debajo del ala circular inferior, es un cristal con una parte transparente, para ofrecer luz directa, y otra parte translúcida, para ofrecer luz difusa simultáneamente, o bien, un cristal plano translúcido para ofrecer luz difusa solamente.
Utilizar cristales planos total o parcialmente translúcidos para ofrecer, por el efecto de la transmisión de la luz a su través, luz difusa y luz directa simultáneamente, es una solución muy buena para muchos proyectos de iluminación LED en locales comerciales, ya que se puede ajustar fácilmente cuánta luz directa y cuanta luz difusa se quiere para un diseño de luminaria LED determinado cambiando en este caso solamente dicho cristal plano.
Con este nuevo sistema de óptica LED se consigue plantear soluciones a medida de intensidad lumínica y fotometría para cualquier tipo de proyecto de iluminación en locales comerciales, industriales o viales, con solo cambiar la óptica de la luminaria y, en su caso, el cuerpo embellecedor entorno al disipador de calor. Téngase en cuenta que con las lentes de vidrio utilizadas se puede conseguir hasta un 270% más de iluminación con la misma potencia del LED sobre un plano útil de trabajo determinado, tal y como demuestran los resultados de los ensayos realizados.
PLANOS, DIBUJOS Y GRAFICOS.-
Se acompaña al final de la presente memoria descriptiva las siguientes figuras con dibujos de los distintos componentes del sistema óptico para LEDs expuesto, y con imágenes, planos y gráficos demostrativos de los resultados de simulaciones fotométricas realizadas.
Figura 1 : Vista en perspectiva del despiece de elementos esenciales del sistema: lente de vidrio con reborde perimetral y junta de goma, con inclusión del filtro de disco.
Figura 2: Vista en sección alzada de dichos elementos esenciales acoplados, con filtro integrado.
Figura 3: Perspectiva de la integración de la lente con junta de goma sobre el disipador de calor, entorno al LED interno.
Figura 4: Perspectiva de dos variantes de lentes de vidrio de borosilicato, la lente de la izquierda asimétrica con base con casquete o hueco interno, y lente de la derecha por un lado con base ondulada y por el otro superficie convexa.
Figura 5: Vista en sección alzada de la integración del sistema con embellecedor de copa circular recta sobre un LED con disipador.
Figura 6: Vista en sección alzada de la integración del sistema con embellecedor de copa circular recta con cristal plano sobre un LED con disipador.
Figura 7: Vista en sección alzada de la integración del sistema con embellecedor de copa circular curvada con cristal plano sobre un LED con disipador de un diseño tipo downlight o luminaria de empotrar en techo, previendo estructura puente de sujeción a techo mediante muelles.
Figura 8: Perceptiva de una estructura de luminaria de agrupación de módulos LED con sistema óptico incorporado. Figura 9: Vista en sección alzada de la estructura de luminaria anterior.
Figura 10: Imagen de distribución de rayos de un LED tipo COB o encapsulado LED, y plano de isolíneas asociado a 3 m de altura sobre plano de 5x5 m.
Figura 11 : Imagen de distribución de rayos de un LED tipo COB o encapsulado LED idéntico al de la figura anterior, pero con sistema óptico integrado, y plano de isolíneas asociado a 3 m de altura sobre plano de 5x5 m.
Figura 12: Imagen de distribución de rayos de un LED tipo anterior con sistema óptico, y plano de iluminancia asociado.
Figura 13: Imagen de distribución de rayos de un LED tipo anterior con sistema óptico con filtro, y plano de iluminancia asociado.
Figura 14: Imagen de distribución de rayos de un LED con sistema óptico con filtro y cristal plano parcialmente translúcido, y plano de iluminancia asociado.
Figura 15: Imagen de distribución de rayos de un LED con sistema óptico con filtro y cristal plano translúcido, y plano de iluminancia asociado.
Figura 16: Curva fotométrica del sistema óptico con lente tipo asimétrica.
Figura 17: Curva fotométrica del sistema óptico con lente tipo plana ondulada convexa.
Figura 18: Curva fotométrica de módulo LED independiente con sistema óptico.
Figura 19: Curva fotométrica de 5 módulos LED con sistema óptico.
FORMA DE REALIZACIÓN Y RESULTADOS.-
Los componentes esenciales de la óptica LEDs de invención quedan visibles en la figura 1 , que muestra el despiece de una lente de vidrio de tipo plano-convexa (1 ), con reborde perimetral (2) por su base circular (3), y la junta de goma (4) de tamaño complementario con la base de la lente, con la ranura interior por la que el borde la lente se inserta. Los labios internos de la junta de goma conformados por su ranura perimetral se aprecian en la figura 2, tanto el labio superior (5), que debe tener el tamaño de altura preciso para conseguir una separación idónea entre el semiconductor LED y la lente, como el labio inferior (7), cuyo tamaño es el del reborde de la lente para la perfecta inserción de ésta. En ambas figuras se observa también la posición que ocupa el filtro autoadhesivo (12) en forma de disco, de uso opcional para eliminar el efecto de la aberración cromática, pegado sobre la base de la lente, quedando insertado con ésta en la ranura perimetral de la junta de goma circular.
La lente de vidrio puede presentar diferentes geometrías, de lo que dependerá la fotometría lumínica que ofrezca la luminaria. Lo único que no varía en el diseño de la lente es el contorno circular de su base y el reborde perimetral de inserción en la junta de acoplamiento, pero tanto la forma de la base, como la forma y grado de curvatura de la superficie curvada pueden variar. La figura 4 muestra otros dos diseños específicos de lente, uno de lente con base ondulada y otro de base perforada para formar un casquete interior a modo de cono elíptico invertido.
El dispositivo óptico básico así formado, de lente de vidrio de geometría adecuada con junta de goma perimetral, con o sin filtro, se integra en los distintos tipos de luminarias y lámparas LED, desde luminarias industriales hasta downlight LED pequeños, por simple embutición de la óptica sobre el disipador de calor del LED, por dentro de la corona del embellecedor, ya que la presión ejercida sobre el lado interior de la corona hace que el dispositivo quede perfectamente retenido, lo que permite que pueda ser incorporado a las luminarias ya instalas en los edificios, con solo retirar en su caso la lente preexistente. En la figura 3 se observa la posición en que se integra la óptica sobre el disipador (8), entorno al semiconductor LED (6). En esta figura falta el elemento embellecedor de retención, que comúnmente va fijado al disipador por los taladros previstos al efecto en su base, y que sí son apreciables en la misma.
En la realización preferente del sistema óptico con elemento embellecedor incorporado, según las vistas en sección alzada de las figuras 5, 6 y 7, se aprecia perfectamente como queda colocada la junta de goma que recoge la lente por dentro de la corona del embellecedor (13), que en este caso es el embellecedor de diseño especifico más arriba descrito, con forma de sombrero de copa circular de ala plana (16) y lado recto (14), o curvado (15), con pliegue en forma de U invertida (17) por el borde de circunferencia superior, siendo por el lado de plegado interior por donde queda embutida y retenida a presión la junta de goma con la lente. En dichas tres figuras también se observa la fijación de la carcasa del embellecedor al disipador de calor, por medio de tornillos entrantes en los taladros roscados de la base del disipador visibles en la figura 3, que en el caso del embellecedor diseñado son tornillos pasantes por la parte comprendida entre el doble plegado en U invertida del borde superior de la corona en forma de copa.
El cristal plano (18) translúcido o parcialmente translúcido que complementa la óptica del sistema con la finalidad de obtener una difusión adecuada de luz, requiere para su instalación del señalado diseño específico de embellecedor, ya que el cristal va fijado mecánicamente, mediante tornillos o remaches, por debajo del ala inferior (16) de la corona en forma de copa.
El embellecedor de diseño especialmente concebido para la óptica de invención ofrece la posibilidad de fabricar módulos LED incorporando esta ventajosa óptica. Un módulo o lámpara LED de estas características quedará constituido a partir de un semiconductor LED con su disipador de calor de los comúnmente existentes en el mercado, sobre el que se fija el nuevo embellecedor y se embute la lente de vidrio, con o sin filtro, mediante la junta de goma, complementando opcionalmente la óptica y diseño del módulo con el cristal plano especial fijado por debajo del ala del embellecedor.
Estos módulos LED con la óptica de invención podrán utilizarse como puntos de luz individuales, integrados en techos y superficies con los medios de instalación apropiados, como por ejemplo el puente de sujeción (19) de luminaria tipo downlight para empotrar en techo mostrado en la figura 7. También ofrecen la posibilidad de crear estructuras de luminarias LED de mayor potencia por agrupación de módulos, tal y como la estructura modular mostrada en la figura 8 (vista en perspectiva) y figura 9 (vista en sección), que es una estructura cortada a láser y plegada para agrupar varios módulos LED, que quedan integrados en la misma a través de huecos circulares troquelados por su base de diámetro igual al de la corona del embellecedor de los módulos, que quedan fijados por el ala circular sobresaliente y coplanaria a la estructura. Este sistema de agrupación de módulos o lámparas individuales es ideal para la fabricación de módulos de iluminación o luminarias industriales con tecnología LED.
Resultados de estudios fotométricos.- Jugando con la geometría de la lente de vidrio utilizada como elemento esencial del sistema óptico para luminarias LED desarrollado, debido al efecto de la refracción de los rayos de luz, se puede mejorar la eficacia lumínica respecto a una luminaria LED sin óptica hasta en un 270% en relación con un determinado plano útil, como por ejemplo una mesa de trabajo.
Estudios fotométricos realizados a partir del programa informático DIALUX o similar lo ponen de manifiesto. Si se comparan los planos de isolineas de las figuras 10 y 11 , asociados a la distribución de rayos de un LED tipo COB o encapsulado LED sin óptica, y utilizando una óptica con lente de vidrio plano-convexa simétrica, del tipo a la de la figura 1 , se aprecia como el nivel de iluminación, expresado en LUX, aumenta para este segundo caso.
Asimismo, de simulaciones realizadas para dicho tipo de lente utilizando filtro de disco, se constata una disminución de la eficacia lumínica entre 3 al 6%, dependiendo del filtro utilizado, como consecuencia de la eliminación de la aberración cromática. Por ejemplo, la figura 12 muestra la distribución de rayos y plano de luminancia asociado de un LED con una óptica como la anterior, de lente plano-convexa simétrica, sin filtro, en que se aprecia el efecto de la aberración cromática, con una iluminación más concentrada en el centro del círculo lumínico, en comparación con la figura 13, de distribución de rayos y plano de luminancia asociado de un LED con la misma lente, pero con un filtro de disco como el reivindicado, de vinilo polimérico traslúcido esmerilado, en el que el defecto cromático se ha eliminado, siendo la distribución de luz más homogénea en todo el círculo de iluminación.
El efecto en la difusión de la luz que produce el sistema óptico con cristal plano especial incorporado también ha sido probado. Cuando a una luminaria LED con óptica con filtro del tipo anterior se la integra, como parte del cuerpo embellecedor, un cristal plano con una parte translúcida y otra transparente, se obtiene la distribución de rayos y plano de luminancia mostrado en la figura 14, que denota luz directa, concentrada en el centro del plano, y luz difusa en su entorno, y cuando para esa misma óptica se utiliza un cristal plano totalmente translúcido, se obtiene la distribución de rayos y plano de luminancia de la figura 15, que denota luz difusa solamente.
Para que estas dos figuras resulten más comprensibles, en las imágenes de rayos han sido borrados los rayos que se reflejan en el cristal plano, que luego se reflejan en el embellecedor y que luego se reflejan de nuevo o se transmiten a través del cristal plano. Las diferentes geometrías de las lentes utilizadas también producen diferentes curvas fotométricas, que son las curvas de distribución luminosa, que relacionan intensidad lumínica, en candelas por lumen (CD/Klm, siendo K=1000), con ángulo, en grados, de expansión de la luz. Por ejemplo, el gráfico de la figura 16 muestra la curva fotométrica del sistema óptico con la lente tipo asimétrica de la figura 4, con casquete interno, y el gráfico de la figura 17 la curva fotométrica del sistema óptico con la lente con base ondulada y superficie convexa de dicha misma figura anterior.
En todo caso, para una misma geometría de lente la curva fotometría se mantiene constante con independencia del número de lentes utilizadas, caso de las agrupaciones de módulos LED con la misma óptica en la fabricación de luminarias industriales. El gráfico de la figura 19 muestra la curva fotométrica para una agrupación de cinco módulos LED con sistema óptico, y el de la figura 18 la curva fotométrica para uno de esos módulos individuales, resultando curvas de la misma forma, lo que confirma las ventajas de las agrupaciones de módulos para aumentar la intensidad lumínica para una misma fotometría.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema óptico para luminarias y lámparas LED, aplicable a luminarias con semiconductor de un solo chip o multichip, sobre placa o encapsulado, con disipador de calor y cuerpo embellecedor incorporado en forma de corona circular alrededor del disipador, caracterizado por estar esencialmente constituido por dos elementos componentes: una lente de vidrio (1 ) con reborde perimetral (2) de sujeción por su base circular (3), y una junta de goma circular (4) de tamaño complementario, con lado externo vertical recto y ranura interna perimetral para la inserción de la lente, que conforma por su lado interno un labio superior (5) de tamaño adecuado para conseguir una separación especifica entre el semiconductor (6) y la lente, y un labio inferior (7) de tamaño adecuado para recoger el reborde de sujeción de la lente, quedando esta junta de goma retenida por embutido a presión por debajo del disipador (8) y el lado de dentro de la corona del embellecedor.
2. Sistema óptico para luminarias y lámparas LED, según primera reivindicación, caracterizado porque la base de la lente de vidrio puede ser lisa (3), con forma ondulada (9) o con casquete interno (10) de diferentes formas simétricas o asimétricas, y la superficie angular (1 1 ) del otro lado puede tener diferentes geometrías simétricas o asimétricas.
3. Sistema óptico para luminarias y lámparas LED, según segunda reivindicación, caracterizado por una lente de vidrio de borosilicato con geometría plano-convexa simétrica.
4. Sistema óptico para luminarias y lámparas LED, según tres primeras reivindicaciones, caracterizado por llevar superpuesto a la base de la lente de vidrio un filtro autoadhesivo (12) de vinilo polimérico traslúcido esmerilado en forma de disco, que queda insertado por su borde junto con el reborde de sujeción de la lente, en la ranura perimetral de la junta de goma circular.
5. Sistema óptico para luminarias y lámparas LED, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por un cuerpo embellecedor (13) formado por un anillo en forma de sombrero de copa circular de lado recto (14) o curvado (15) y ala plana (16), con un doble plegado en ángulo recto hacia dentro por el borde perimetral superior de la copa para formar un pliegue en forma de U invertida (17) que permite la fijación del embellecedor al extremo del disipador de calor, por la parte comprendida entre el doble plegado de la U, y la retención a presión la junta de goma con la lente, por el lado del plegado interior, donde queda embutida.
6. Sistema óptico para luminarias y lámparas LED, según quinta reivindicación, caracterizado por incorporar como elemento componente adicional un cristal plano (18) transparente y/o translúcido parcial o totalmente, fijado al embellecedor por debajo del ala inferior (16).
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