專利名稱：Led防爆燈具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以LED作為光源的燈具，尤其涉及一種能夠滿足截光要求的LED 防爆燈具。
背景技術(shù)：
LED是一種固態(tài)光源，使用直流供電，具有光效高、壽命長(zhǎng)和體積小等優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的光源。在LED燈具的設(shè)計(jì)中，散熱和配光是需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。LED對(duì)溫度比較敏感，隨著結(jié)溫的升高，LED的發(fā)光效率會(huì)明顯下降，使用壽命也會(huì)顯著縮短。目前已公開(kāi)的LED防爆燈具的設(shè)計(jì)方案一般采用散熱片或熱管實(shí)現(xiàn)散熱，根據(jù)燈具的功率和防護(hù)與隔爆要求需要合理設(shè)計(jì)散熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸。LED光源亮度較高，無(wú)透鏡的LED或使用球面透鏡的LED的光強(qiáng)在2 π的空間中近似于余弦分布。與傳統(tǒng)光源相比，LED光源的光輻射立體角較小，有利于提高光通量的利用率。不過(guò)，為了能夠更加高效地在受照面上得到所需的光度分布，仍然要運(yùn)用非成像光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)合理的照明光學(xué)系統(tǒng)。在受照面上產(chǎn)生均勻的照明是燈具設(shè)計(jì)的基本要求之一。發(fā)明專利ZL 200610113463. 4,200910022409. 2和200910046129. 5等公開(kāi)了可以形成矩形光斑的透鏡的設(shè)計(jì)方法，這樣的光學(xué)系統(tǒng)可以用于道路照明燈具，每個(gè)燈具能夠獨(dú)立在路面上產(chǎn)生均勻的照明。發(fā)明專利 200910099552. 1、實(shí)用新型 ZL 200720047134. 4 和 CN 201521855U 等公開(kāi)了可以形成圓形均勻照明光斑的LED透鏡的設(shè)計(jì)方法，可以用于筒燈、礦燈和臺(tái)燈等。 上述LED燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)都是針對(duì)單個(gè)燈具獨(dú)立照明的情況，在車間、辦公室和倉(cāng)庫(kù)等照明面積較大且照度要求較高的場(chǎng)合，通常需要使用多個(gè)燈具以提供足夠的光通量，受照面上的光度分布是多只燈具疊加照明的結(jié)果。單獨(dú)可以產(chǎn)生均勻照明的LED燈具，當(dāng)分散布置時(shí)，疊加照明的效果未必能夠滿足均勻度方面的要求。在一些場(chǎng)合對(duì)燈具有截光的要求，近似余弦分布的LED光源在孔徑角較大的區(qū)域光強(qiáng)較小，但仍然不能滿足截光型燈具的技術(shù)要求。如果不進(jìn)行遮光處理，不僅易導(dǎo)致視覺(jué)不適，還可能成為安全隱患。在配光方面，已公開(kāi)的LED防爆燈的設(shè)計(jì)方法可以分為四種類型1)使用反射器配光(如CN 201731301U);2)使用球面透鏡配光(如CN 201615372U);3)利用LED的安裝位置實(shí)現(xiàn)配光(如CN 201715^1U);4)使用配光鏡進(jìn)行配光(CN 201615372U)。使用反射器配光的方法通過(guò)縮小照明范圍提高目標(biāo)區(qū)域的照度，反射器覆蓋的立體角越大，改變光強(qiáng)分布的作用越明顯，不過(guò)反射器導(dǎo)致的光能損失也會(huì)隨之增大。使用球面透鏡的方法能夠在一定程度上調(diào)整光強(qiáng)分布，不過(guò)可能導(dǎo)致照明區(qū)域與非照明區(qū)域的分界線過(guò)于明顯，從而影響多個(gè)燈具疊加照明的均勻度。將LED安裝在多面體的表面可以擴(kuò)大燈具的照明范圍， 不過(guò)，燈具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，增加了制造難度和成本，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生炫目問(wèn)題。配光鏡表面由不同半徑的柱面或不同角度的楔面構(gòu)成，可以改變光路，從而得到所需的光強(qiáng)分布。由于表面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，柱面或楔面之間的連接處容易產(chǎn)生較大的加工誤差，從而引起雜散光，并導(dǎo)致一定程度的光能損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種LED防爆燈具，適用于需要多只燈具聯(lián)合照明的場(chǎng)合，利用截光型非成像透鏡實(shí)現(xiàn)配光，能夠滿足防爆和截光要求，并具有較高的照明均勻度和光能利用率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種LED防爆燈具，由LED光源、透鏡、散熱器、驅(qū)動(dòng)電路組成，透鏡內(nèi)表面為光線入射表面，呈半球面，LED光源發(fā)光表面的中心置于透鏡球面的球心；透鏡外表面為光線出射表面，由中心區(qū)、保護(hù)區(qū)和連接區(qū)三部分組成，其中，中心區(qū)和保護(hù)區(qū)曲面為自由曲面，連接區(qū)曲面為連接中心區(qū)和保護(hù)區(qū)的圓錐面。LED光源發(fā)光表面的中心對(duì)透鏡外表面中心區(qū)的平面張角為α，對(duì)保護(hù)區(qū)104的平面張角β = π/2_α，其中，α為截光角度。透鏡中心區(qū)和保護(hù)區(qū)兩部分曲面任意點(diǎn)的法線方向滿足在不計(jì)透鏡材料吸收損失和界面反射損失的條件下，在Ω 1立體角中由LED光源發(fā)出的光通量和Ω 2立體角中經(jīng)透鏡輸出的光通量相等，其中，Ω 1立體角對(duì)應(yīng)入射光線的孔徑角為θ 1，Ω2立體角對(duì)應(yīng)折射光線的孔徑角為Θ2; O^α，燈具在θ 2方向的光強(qiáng)由配光要求確定。散熱器為葉片型散熱器，由圓柱形芯軸和均勻分布在圓柱形芯軸外圓柱面上的若干個(gè)散熱片組成，散熱片的母線與圓柱形芯軸的中心線平行，圓柱形芯軸下面安裝LED光源和透鏡，透鏡通過(guò)壓圈和密封圈與圓柱形芯軸密封連接，LED光源電源線通過(guò)圓柱形芯軸中的通孔連接驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路安裝在電器箱中，電器箱由上蓋、箱體以及密封墊圈和連接件組成，箱體內(nèi)放置驅(qū)動(dòng)電路，箱體上端固定連接上蓋，下端用密封墊圈和連接件與散熱片固定密封連接。LED防爆燈具中的LED光源為單個(gè)大功率集成封裝的LED光源或多個(gè)單芯片獨(dú)立封裝的LED光源或多芯片集成封裝的LED光源，且每個(gè)LED光源配置一個(gè)透鏡。本發(fā)明的有益效果是1)可以滿足截光型燈具的技術(shù)要求；2)在同時(shí)使用多只燈具的情況下，可以在受照面形成均勻度較高的照明效果；3)僅使用透鏡實(shí)現(xiàn)配光，且透鏡也作為燈罩，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)系統(tǒng)的光能傳輸損失也較小，同時(shí)，光源所發(fā)出光被聚集在截光角范圍以內(nèi)，使光能得到充分利用。與不進(jìn)行截光處理的LED防爆燈具相比，本發(fā)明所公開(kāi)的LED防爆燈具不僅顯著減小了眩光對(duì)視覺(jué)的不利影響，而且在截光角范圍內(nèi)輸出的總光通量也得到提高，當(dāng)截光角度為70度時(shí)，可以提高12%，當(dāng)截光角度為60度時(shí)，可以提高25% ；與使用反射器截光的LED燈具相比，本發(fā)明所公開(kāi)的LED防爆燈的配光元件與燈罩合二為一，結(jié)構(gòu)較緊湊，在截光角范圍內(nèi)輸出的總光通量也較高。


圖1是本發(fā)明的截光型透鏡的結(jié)構(gòu)剖視圖2是本發(fā)明的截光型透鏡帶有一體底座的結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖3是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的光路圖4是本發(fā)明的截光型透鏡外表面中心區(qū)與保護(hù)區(qū)曲面計(jì)算示意圖；圖5是本發(fā)明的發(fā)光強(qiáng)度分布曲線(即配光曲線)圖，其中，圖(a)為在截光角范圍內(nèi)呈均勻分布的配光曲線，圖(b)為在截光角范圍內(nèi)呈余弦分布的配光曲線； 圖6是本發(fā)明使用單個(gè)LED光源的結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖7是本發(fā)明使用多個(gè)LED光源的結(jié)構(gòu)立體示意圖； 圖8是使用四只LED燈照明受照面的照度分布示意圖； 圖9是使用十二只LED燈照明受照面的照度分布示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖6，7所示，本發(fā)明的LED防爆燈具采用LED作為光源，可以使用一個(gè)多芯片集成封裝的大功率LED光源1，也可以使用多個(gè)單芯片獨(dú)立封裝或多芯片集成封裝的LED光源。每個(gè)LED光源1配置一個(gè)透鏡2，透鏡2的內(nèi)表面為光線入射表面101，呈半球面，圖1 所示，LED光源1發(fā)光表面的中心位于透鏡2球面的球心。透鏡2的外表面為光線出射表面，分為中心區(qū)102、保護(hù)區(qū)104和連接區(qū)103三個(gè)部分，其中，中心區(qū)102和保護(hù)區(qū)104為自由曲面，連接區(qū)103為連接中心區(qū)102和保護(hù)區(qū)103的圓錐面。上述透鏡2的外表面的中心區(qū)102和保護(hù)區(qū)104曲面是根據(jù)配光要求通過(guò)逐點(diǎn)計(jì)算求出，分別使不同立體角范圍內(nèi)的光線發(fā)生折射。配光要求包括將LED光源1發(fā)出的光線限制在截光角α對(duì)應(yīng)的立體角Ω范圍內(nèi)，且在該立體角Ω范圍內(nèi)，燈具的光強(qiáng)滿足特定分布(圖3)。在同時(shí)使用多個(gè)燈具對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行照明時(shí)，所述特定光強(qiáng)分布能夠使照明區(qū)域內(nèi)的照度或亮度均勻度滿足要求。根據(jù)上述配光要求，首先確定透鏡的外表面的中心區(qū)102和保護(hù)區(qū)104的角度覆蓋范圍。
如附圖1所示，設(shè)截光角度為α，則LED光源1發(fā)光表面的中心對(duì)中心區(qū)102的平面張角為α，對(duì)保護(hù)區(qū)104的平面張角β等于π/2-α.然后分別計(jì)算透鏡2外表面的中心區(qū) 102和保護(hù)區(qū)104曲面的Ll母線113和L2母線114，見(jiàn)圖4。母線的計(jì)算由特定的起點(diǎn)開(kāi)始，起點(diǎn)根據(jù)透鏡內(nèi)表面的半徑和透鏡厚度確定，根據(jù)各點(diǎn)處法線方向依次求出后續(xù)各點(diǎn)。
各點(diǎn)處的法線N 112滿足以下條件設(shè)入射光線的孔徑角為θ 1，對(duì)應(yīng)的Ω 1立體角110 ；折
射光線的孔徑角為θ 2，對(duì)應(yīng)的Ω 2立體角111，則在Ω1立體角110中由LED光源1發(fā)出的光通量和Ω 2立體角111中經(jīng)透鏡2輸出的光通量相等；0彡θ 2彡α，燈具在θ 2方向的光強(qiáng)由配光要求確定。最后通過(guò)繞主光軸旋轉(zhuǎn)Li，L2母線113，114得到透鏡2外表面的中心區(qū)102和保護(hù)區(qū)104曲面。為便于安裝，透鏡2的下部可增加一體的底座105，底座105可以采用空心的圓柱體等便于與其他零件鏈接的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。透鏡2也用作燈具的透光燈罩。在防爆要求級(jí)別較高的場(chǎng)合，透鏡采用玻璃材料制造，并進(jìn)行鋼化處理。在防爆要求級(jí)別較低的場(chǎng)合，透鏡可以采用PMMA或PC材料制造。LED防爆燈具使用葉片型散熱器3。在結(jié)構(gòu)上，散熱器3由圓柱形芯軸和均勻分布在芯軸外圓柱面上呈放射狀的散熱片組成，散熱葉片的母線與芯軸的中心線平行(圖6)。 LED光源1、透鏡2、壓圈9和密封圈8安裝在散熱器芯軸的下端面。芯軸中有通孔，LED光源1的電源線經(jīng)通孔連接驅(qū)動(dòng)電路6。
LED防爆燈具的電源驅(qū)動(dòng)電路6安裝在電器箱中，電器箱由上蓋5、箱體4以及密封墊圈7和連接件等組成，在散熱器3與電器箱的連接處設(shè)置密封墊圈7(圖6)。散熱器3 和電器箱體均為導(dǎo)熱性能良好的鋁合金材料制造，使LED光源1和驅(qū)動(dòng)電路6產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)傳導(dǎo)至燈具外部。散熱器3和電器箱的結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)LED光源1的功率和封裝形式確定，圖6 和圖7分別顯示了采用單個(gè)集成封裝LED的防爆燈具的結(jié)構(gòu)和采用多個(gè)LED的防爆燈具的結(jié)鉤。下面通過(guò)實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方法。實(shí)例一要求照明正方形區(qū)域，在照明區(qū)域中間L米XL米的范圍內(nèi)照度均勻度大于0. 75，燈具的截光角度為65度。根據(jù)照明要求，使用四只LED防爆燈具，間隔L米，燈具采用均勻光強(qiáng)分布，配光曲線如圖fe所示，根據(jù)光強(qiáng)分布求出的透鏡外形如圖1所示，得到的照明效果如圖8所示。在65度截光角對(duì)應(yīng)的立體角范圍內(nèi)，燈具輸出的光通量達(dá)到光源總光通量的92%.
實(shí)例二 要求照明長(zhǎng)方形區(qū)域，在照明區(qū)域中間L米XW米的范圍內(nèi)照度均勻度大于 0. 7，燈具的截光角度為70度。根據(jù)照明要求，使用N只LED防爆燈具，間隔D米，按m行η 列布局，n=INT (L/D),m=INT (W/D)，在截光角范圍內(nèi)燈具的光強(qiáng)符合余弦分布，配光曲線如圖恥所示，根據(jù)光強(qiáng)分布求出的透鏡外形如圖1所示，得到的照明效果如圖9所示。在70 度截光角對(duì)應(yīng)的立體角范圍內(nèi)，燈具輸出的光通量達(dá)到光源總光通量的92%. 本發(fā)明的LED防爆燈具的透鏡也可以用于其他類型LED燈具。
權(quán)利要求
1.一種LED防爆燈具，由LED光源(1)、透鏡(2)、散熱器(3)、驅(qū)動(dòng)電路(6)組成，其特征在于所述透鏡(2)內(nèi)表面為光線入射表面(101)，呈半球面，LED光源(1)發(fā)光表面的中心置于透鏡(2)球面的球心；透鏡(2)外表面為光線出射表面，由中心區(qū)(102)、保護(hù)區(qū)(104) 和連接區(qū)(103)三部分組成，其中，中心區(qū)(102)和保護(hù)區(qū)(104)曲面為自由曲面，連接區(qū) (103)曲面為連接中心區(qū)(102)和保護(hù)區(qū)(104)的圓錐面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述LED光源(1)發(fā)光表面的中心對(duì)透鏡(2)外表面中心區(qū)(102)的平面張角為α，對(duì)保護(hù)區(qū)(104)的平面張角 β = π/2_α，其中，α為截光角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述透鏡的中心區(qū)(102)和保護(hù)區(qū)(104)兩部分曲面任意點(diǎn)的法線方向滿足在Ω 1立體角(110)中由LED光源(1)發(fā)出的光通量和Ω2立體角(111)中經(jīng)透鏡(2)輸出的光通量相等，其中，Ω 1立體角(110)對(duì)應(yīng)入射光線的孔徑角為θ 1，Ω 2立體角(111)對(duì)應(yīng)折射光線的孔徑角為0 2，且0< Θ2彡α。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述散熱器(3)為葉片型散熱器，由圓柱形芯軸和均勻分布在圓柱形芯軸外圓柱面上的若干個(gè)散熱片組成，散熱片的母線與圓柱形芯軸的中心線平行，圓柱形芯軸下面安裝LED光源(1)和透鏡(2)，透鏡(2)通過(guò)壓圈(9)和密封圈(8)與圓柱形芯軸密封連接，LED光源(1)電源線通過(guò)圓柱形芯軸中的通孔連接驅(qū)動(dòng)電路(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電路(6)安裝在電器箱中，電器箱由上蓋(5)、箱體(4)以及密封墊圈(7)和連接件組成，箱體(4)內(nèi)放置驅(qū)動(dòng)電路 (6)，箱體(4)上端固定連接上蓋(5)，下端用密封墊圈(7)和連接件與散熱片(3)固定密封連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述LED防爆燈具中的LED光源(1)為單個(gè)大功率集成封裝的LED光源或多個(gè)單芯片獨(dú)立封裝的LED光源或多芯片集成封裝的LED光源，且每個(gè)LED光源(1)配置一個(gè)透鏡(2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種LED防爆燈具，由LED光源、透鏡、散熱器、驅(qū)動(dòng)電路組成，透鏡內(nèi)表面為光線入射表面，呈半球面，LED光源發(fā)光表面的中心置于透鏡球面的球心；透鏡外表面為光線出射表面，由中心區(qū)、保護(hù)區(qū)和連接區(qū)組成，中心區(qū)和保護(hù)區(qū)曲面為自由曲面，連接區(qū)為連接中心區(qū)和保護(hù)區(qū)的圓錐面。與不進(jìn)行截光處理的LED防爆燈具相比，本發(fā)明不僅顯著減小了眩光對(duì)視覺(jué)的不利影響，而且在截光角范圍內(nèi)輸出的總光通量也得到提高，當(dāng)截光角度為70度時(shí)，可以提高12%，當(dāng)截光角度為60度時(shí)，可以提高25%；與使用反射器截光的LED燈具相比，本發(fā)明所公開(kāi)的LED防爆燈的配光元件與燈罩合二為一，結(jié)構(gòu)緊湊，在截光角范圍內(nèi)輸出的總光通量高。
文檔編號(hào)F21V29/00GK102563423SQ20121000814
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者樂(lè)燕芬, 施偉斌, 翁振克, 蘇勝君 申請(qǐng)人:上海寶臨防爆電器有限公司, 上海理工大學(xué)