Устройство искусственного освещения

Настоящая полезная модель относится к осветительной технике, в частности к устройствам освещения, использующим волоконно-оптические световоды и может быть использовано для освещения цехов, промышленных и производственных машин, рабочих мест и помещений, преимущественно помещений с повышенной опасностью, искро-, пожаро- и взрывоопасных помещений, помещений с повышенной влажностью, с содержанием химических паров, подводных сооружений, а также с повышенной или пониженной температурой от -260 до +180°C, также полезная модель может быть использована при недостатке места для установки осветительных приборов.
Известно осветительное устройство по патенту США №8721195 (В2), опубликованному 13.05.2014, МПК: G02B 6/4204, содержащее корпус, в котором установлены световые излучатели и радиаторы, обеспечивающие отвод тепла от излучателей и их блоков питания. Устройство также содержит световод, один конец которого используется для излучения света, обеспечивающего освещение объекта, а второй оборудован обеспечивающим механическое крепление световода на корпусе осветительного устройства с обеспечением подвода световой энергии от световых излучателей по крайней мере к одному волокну световода.
Недостатком данного устройства, как и других устройств, известных из уровня техники, является склонность к разрушению или повреждению элементов конструкции под действием высоких температур, что ограничивает световой поток, передаваемый через единицу площади поперечного сечения световых волокон, и, соответственно, приводит к неэффективному использованию как световых волокон, так и излучателей. В качестве негативной особенности устройств подобного класса можно указать на малую прозрачность материала оптических волокон для инфракрасного излучения, за счет чего происходит преобразование в тепло инфракрасного излучения, эмиссия которого сопровождает работу силового светодиода. Указанное преобразование происходит на первых сантиметрах ввода светодиодного кабеля и требует отвода для исключения термического повреждения устройства. Помимо этого, на входе световода происходит выделение тепла, связанное с несовершенством технологии формирования вводной части световода.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в устранении недостатка устройств, известных из уровня техники, а именно, в увеличении удельного светового потока до 52000 лм на выходе из световода, передаваемого через единицу площади поперечного сечения оптических волокон, более эффективном использовании светоизлучающих приборов, за счет повышения удельного светового потока, излучаемого светоизлучающими приборами, например, светодиодами или полупроводниковыми лазерами, с одновременным повышением компактности осветительного устройства и обеспечением повышения расстояния, на которое может быть предана световая энергия от светоизлучающих приборов с использованием световода. Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, при использовании нескольких световодов для освещения нескольких объектов, обеспечивается самое долговечное решение по освещению в агрессивных средах (до 50 лет), на промышленных объектах, а также существенная экономия электроэнергии и материалов, за счет использования одного источника света вместо нескольких источников света, каждый из которых имеет меньшую мощность.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве искусственного освещения использована система передачи искусственного освещения (СПИО), устройство содержит светоизлучающий полупроводниковый прибор, один блок питания или несколько блоков питания светоизлучающего полупроводникового прибора, выполненного, например, в виде одного светодиода или светодиодной матрицы и световод, в устройстве световод выполнен многожильным, один конец световода закреплен в наконечнике-соединителе, при этом, блок питания светоизлучающего прибора, светоизлучающий прибор и наконечник-соединитель световода выполнены с охлаждающими радиаторами, размещенными снаружи корпуса, устройство используется совместно с системой обдува охлаждающих радиаторов, на чертежах показанной в виде вентилятора формирующей направленный поток воздуха, с обеспечением одновременного обдува всех охлаждающих радиаторов, волокна световода плотно сжаты наконечником с обеспечением минимального расстояния между светопропускающими сердечниками волокон а за границами наконечника-соединителя волокна распределены по нескольким жгутам, каждый из которых выполнен с наконечником-рассеивателем, на конце жгута, не закрепленном в наконечнике соединителе, при этом, вентилятор ориентирован с обеспечением поддержания максимальной температуры на поверхности охлаждающих радиаторов на минимальном уровне, а наконечник соединитель закреплен в охлаждающем радиаторе-переходнике с обеспечением теплового контакта между ним и охлаждающим радиатором светодиода.
В частном случае реализации охлаждающий радиатор светоизлучающего полупроводникового прибора выполнен со сквозными промежутками между ребрами охлаждения, с обеспечением доступа потока воздуха к элементам устройства с наибольшей температурой, при этом, ребра ориентированы перпендикулярно либо параллельно оси свечения светоизлучающего прибора, а наконечник-соединитель закреплен в охлаждающем радиаторе светоизлучающего полупроводникового прибора с обеспечением воздушного зазора между излучающей поверхностью светоизлучающего полупроводникового прибора и торцом наконечника соединителя с обеспечением прохождения потока воздуха, формируемого вентилятором обдува через сквозные промежутки между ребрами охлаждения. Волокна световода могут быть выполнены с шестигранным поперечным сечением, по крайней мере, внутри наконечника-соединителя. Волокна световода, в пределах наконечника-соединителя, могут быть выполнены частично без светоотражающего слоя, а внутренняя поверхность наконечника-соединителя выполнена зеркальной. Радиатор охлаждения светоизлучающего прибора может быть выполнен с разрезным участком, устройство может содержать средство обжатия радиатора охлаждения светодиода вокруг наконечника-соединителя в районе разрезного участка, при этом средство обжатия может быть выполнено в виде хомута. В частном случае реализации, блок питания светоизлучающего прибора выполнен с возможностью регулирования тока нагрузки, а светоизлучающий полупроводниковый прибор может быть выполнен в виде светодиодной матрицы.
Потребляемая мощность светодиода (светодиодной матрицы) может составлять от 150 до 530 Вт, что определяет максимальную мощности блоков питания светодиодов при этом, блоки питания могут быть выполнены с возможностью регулирования мощности, потребляемой светодиодом (диммирования).
Устройство содержит вентилятор обдува охлаждающих радиаторов, формирующий направленный поток воздуха, с обеспечением одновременного обдува всех охлаждающих радиаторов, а именно радиатора светодиода или прожектора, радиатора переходника или наконечника соединителя и радиатора общего ввода световода, причем волокна световода в пределах общего ввода наконечника соединителя, плотно обжаты наконечником, что обеспечивает использование минимального количества клея между светопроводящими волокон и максимальное заполнение пространства внутри наконечника светопроводящими волокнами. Такое конструктивное выполнение наконечника соединителя обеспечивает минимальное расстояние между светопропускающими сердечниками волокон. За границами наконечника-соединителя волокна распределены по нескольким жгутам. В частном случае реализации, общее количество светопроводящих волокон в жгуте может составлять 32, а каждый из отдельных световодов жгута может иметь одно или более светопроводящих волокон. Отдельные световоды жгута могут быть снабжены наконечниками-рассеивателями, на концах световодов, не закрепленных в наконечнике соединителе.
Устройство ориентировано по подношению к системе обдува таким образом, чтобы максимальный поток охлаждающего воздуха был ориентирован на точки с максимально высокой температурой, в частности, на место установки подложки светодиода или светодиодной матрицы или на точку радиатора охлаждения светодиода или светодиодной матрицы с максимально высокой температурой. В качестве системы обдува может использоваться впускной канал вытяжной вентиляционной системы, выпускной канал приточной вентиляционной системы, блок кондиционирования воздуха, а также вентилятор, установленный на устройстве или вблизи него. Поток охлаждающего воздуха обеспечивает удаление тепла с точек, имеющих первоначально повышенную температуру, создаваемую потоком тепла от светодиода или охлаждающей подложки светодиода, а также на удаленной поверхности охлаждающих радиаторов. Наконечник соединителя общего ввода световода закреплен в охлаждающем радиаторе-переходнике, выполненного со сквозными промежутками между ребрами охлаждения. Наконечник соединителя общего ввода световода закреплен в охлаждающем радиаторе-переходнике с обеспечением требуемого теплового контакта для перетока тепла, например, от светодиода к световоду.
Таким образом задается расположение системы обдува радиаторов с обеспечением подачи максимального потока охлаждающего воздуха к участку устройства с максимальной температурой и теплоотдачей. Реализация наиболее эффективного расположения вентилятора может осуществляться либо эмпирическим путем, либо с использованием систем слежения за температурой и блоков обратно связи, определяющих эффективность или негативный результат от изменения расположения радиатора.
В частном случае реализации, радиатор источника света (прожектора) выполнен со сквозными отверстиями или промежутками между (ребрами охлаждения), ориентированными с обеспечением беспрепятственной подачи воздушного потока на всю площадь радиатора охлаждения и подложку самого светодиода, то есть, на место, где находится точка с самой высокой температурой.
Наконечник общего ввода световода, закреплен в охлаждающем радиаторе-переходнике с возможностью регулирования расстояния от световода до светодиода. При этом, в частном случае реализации устройства, длина наконечника соединителя может быть выбрана такой, чтобы ограничивать минимальное расстояние между торцом наконечника и поверхностью светодиода. Таким образом обеспечивается свободное прохождение потока воздуха, формируемого вентилятором обдува, через сквозные промежутки между ребрами охлаждения радиатора переходника соединителя. Радиатор охлаждения самого прожектора, одновременно является элементом для крепления переходника радиатора соединителя и одного общего ввода многожильного световода. Общий ввод может иметь внутренний диаметр части, заполненной световодным стекловолокном от 28 мм до 35 мм, что обеспечивает максимальную передачу светового потока в стекловолокно, данный внутренний диаметр общего ввода обеспечивает минимальные потери светового потока, от светодиода диаметром 32 мм в общий ввод световода, выдерживающий температуру 180°C. В частном случае реализации полезной модели, внутренний диаметр общего ввода, заполненного стекловолокном может быть равен диаметру светоизлучающей части светодиода, например 32 мм. Кроме того, форма поперечного сечения внутренней части общего ввода может соответствовать форме светодиодной матрицы. В частности, может иметь квадратное поперечное сечение.
Сущность полезной модели поясняется изображениями, на которых изображены:
На фиг. 1 вид устройства со снятым жгутом световодов (прожектора) со стороны вентилятора;
На фиг. 2 вид устройства сбоку в частичном разрезе;
На фиг. 3 вид устройства со стороны светодиода;
На фиг. 4 вид устройства без присоединенных световодов в аксонометрической проекции;
На фиг. 5 общий вид жгута световодов;
На фиг. 6 изображение прожектора - части устройства со снятым жгутом световодов;
На фиг. 7 изображение общего наконечника световодов;
На фиг. 8 изображение наконечников отдельных световодов со снятыми рассеивателями.
Устройство, изображенное на фиг. 1-5 содержит:
Корпус 13 (фиг. 4) на котором расположен охлаждающий радиатор переходник 2 светодиода 1 (Фиг. 2), который также может быть выполнен в виде светодиодной матрицы, блок питания 4, в частном случае реализации, частично выступающий из корпуса, а частично расположенный в корпусе, ручку-крепление 5, электрическую распределительную коробку 6 устройства, предназначенную для подключения силового кабеля питания устройства, распределительную коробку 7 вентилятора, предназначенную для подключения обмоток двигателя вентилятора к электрическим выводам, вентилятор 8 и охлаждающие радиаторы 3. Устройство может содержать один или несколько регулируемых блоков питания (диммеров). Блоки питания могут обеспечивать питание светоизлучающего полупроводникового прибора мощностью до от 150 Вт до 530 Вт. Светоизлучающий полупроводниковый прибор может быть установлен на теплопроводящей пластине, соединенной с радиатором 2, расположенным снаружи корпуса.
Снаружи корпуса установлены также радиаторы корпуса, используемые для отвода тепла, в том числе, от блока или блоков питания устройства и датчик температуры 9 (Фиг. 1). Радиаторы корпуса могут быть выполнены с тепловым контактом с блоками питания светодиода, а также с теплоотводящим элементом светодиода, а могут быть просто установлены на корпусе, внутри которого установлены средства теплопереноса от блоков питания и пластины к внешним радиаторам. Указанные средства переноса тепла могут быть выполнены в виде вентиляторов, установленных внутри герметичного корпуса или в виде тепловых трубок, либо других средств для переноса тепла, например, тепловых насосов.
Световод выполнен с наконечником, для крепления которого на радиаторе охлаждения светодиода могут предусмотрены средства крепления, выполненные, например, в виде хомутов или цанговых зажимов, расположение которых на радиаторе светодиода обеспечивает механическое и тепловое скрепления радиатора светодиода и наконечника световода, снабженного радиатором.
Кроме того, важной частью выполнения устройства является компоновка распределения световодов в концевой части жгута со стороны светодиода. Плотность элементов, участвующих в светопередаче, на единицу площади, должна быть максимальной, а количество связующего вещества, например, клея, должна быть минимальной, для рассеяния световой энергии на участках поверхности, рассеивающих свет. При этом концевые части могут быть либо зачищены от светоотражающего слоя, либо могут быть выполнены с шестигранным поперечным сечением, что обеспечивает плотный контакт светопроводящих волокон, практически, без промежутков. Помимо этого, светопроводящие волокна могут быть выполнены из термопластичных материалов. В последнем случае, шестигранная форма или форма, близкая к шестигранной, придается волокнам при термообработке и применение связующего вещества не требуется.
Как показано на фиг. 1, радиатор охлаждения светодиода выполнен в виде отдельных пластин (ребер), соединенных (на изображении не показаны) шпильками, с использованием разделительных шайб или втулок, выполненных из материала с высокой теплопроводностью. Такое выполнение обеспечивает хорошую теплопроводность охлаждающего радиатора светодиода и обеспечивает формирование каналов, по которым может проходить поток воздуха, формируемый вентилятором.
С одной стороны, со стороны торцевой части, наконечник-соединитель (фиг. 2 и 5) выполнен цилиндрической 14 формы, что обеспечивает возможность его закрепления внутри охлаждающего радиатора светодиода. С другой стороны наконечник-соединитель снабжен радиатором 10 общего ввода, который может быть выполнен в виде единого целого с цилиндрической частью наконечника соединителя, то есть, в виде монолитной детали. Также указанный охлаждающий радиатор может быть присоединен к цилиндрической части наконечника-соединителя с обеспечением теплового контакта. Тепловой контакт может быть обеспечен, например, использованием термопасты, либо использованием сварки или пайки припоем, устойчивым к плавлению в рабочем диапазоне температур устройства, либо плотным механическим соединением, например, с использованием опрессовки или напрессовки радиатора на цилиндрическую часть.
Световод (фиг. 5) выполняется многожильным, причем светопроводящие волокна, распределены по жгутам 11 и объединены в наконечнике-соединителе 14 и закреплены в нем, с использованием, например, опрессовки или обжатия наконечника, либо с использованием теплопроводящего прозрачного клея. При обжатии наконечника, расстояние между светопроводящими волокнами становится минимальным, что обеспечивает максимально эффективное использование световой энергии, особенно, при выполнении волокон световода шестигранными, по крайней мере, внутри наконечника-соединителя. Дополнительно, волокна световода могут быть выполнены без отражающего слоя по части длины внутри наконечника-соединителя, внутренняя поверхность которого может быть выполнена зеркальной.
На раздельных концах жгутов могут быть расположены светорассеивающие приспособления 12 (фиг. 2 и 5) или наконечники-рассеиватели, например, линзы. В частном случае реализации полезной модели, светорассеивающие приспособления также могут быть снабжены радиаторами (на чертежах не показаны), предназначенными для пассивного охлаждения наконечников световодов.
Вентилятор обдува охлаждающих радиаторов, формирующий направленный поток воздуха, обеспечивающий обдува всех охлаждающих радиаторов, может быть выполнен закрепленным на шарнирном креплении или другом креплении, предусматривающем возможность изменения положения вентилятора и фиксации его в этом положении. Такое крепление необходимо для возможности управление тепловым режимом работы элементов устройства, в частности, для направления максимального потока воздуха на наиболее нагретые участки охлаждающих радиаторов. В частном случае реализации, для управления положением вентилятора могут использоваться сервоприводы, а положение вентилятора определяется с использованием датчиков температуры радиаторов, выполненных, например, в виде терморезистора, термопары или тепловизора, расположенного рядом с корпусом.
Наконечник соединитель закреплен в охлаждающем радиаторе-переходнике с обеспечением регулировки расстояния 15 между светодиодом и торцом жгута световодов, а также с обеспечением минимально требуемой теплопроводности места контакта соединителя с радиатором.
Охлаждающий радиатор прожектора выполнен с сквозными ребрами, плоскости которых могут быть ориентированы как горизонтально, так и перпендикулярно оси излучения света светодиода, а между ребрами выполнены сквозные отверстия. При таком выполнении радиатора светодиода, причем наконечник-соединитель может быть закреплен в охлаждающем радиаторе переходнике на максимально близком расстоянии от светодиода. В этом случае, при прохождении потока воздуха между пластинами, формирующими ребра радиатора, воздух, нагреваемый на поверхности светодиода или светодиодной матрице, выносится из пространства между светодиодом и наконечником световода. Такая воздушная завеса препятствует разогреву наконечника световода за счет конвекции, снижая рабочую температуру торцевой части световода. Использование средств внесения турбулентности в поток воздуха со стороны светодиода может дополнительно обеспечить улучшение отвода тепла от светодиода потоком воздуха. В качестве средства внесения в поток турбулентности может быть использовать барьер на пути потока воздуха со стороны светодиода.
В частном случае реализации, вентилятор обдува расположен с обеспечением минимального взаимодействия потоков воздуха, нагретого одним радиатором охлаждения с поверхностью другого радиатора охлаждения, для этого сечение потока воздуха, формируемого вентилятором должно соответствовать площади проекции корпуса и установленных на корпусе радиаторов, на плоскость, в которой расположена крыльчатка радиатора.
Перечисленные элементы конструкции обеспечивают в экспериментальных изделиях выход светового потока из световода от 14445 лм до 52710 лм, повышение допустимой мощности светодиода до 530 Вт и выше, возможность дополнительной фокусировки светового пятна на входной поверхности световода, для обеспечения равномерности засветки торца световода по всей площади. Регулировка в радиаторе-переходнике расстояния от светодиода до общего ввода световода, использование зеркальной поверхности (внутри радиатора-переходника) обеспечивает повышение предельного значения светового потока, передаваемого по световоду по сравнению с устройствами с аналогичными массогабаритными показателями, которые на данный момент формируют максимум светового потока в 5560 лм.
Устройство работает следующим образом:
Предварительно, или в процессе работы устройства, с помощью следящей и исполнительной аппаратуры, определяется точка среди радиаторов с максимальной температурой, причем точкой с максимальной температурой может быть также поверхность светодиода, после этого вентилятор ориентируется таким образом, чтобы при заданных параметрах, охлаждения, охлаждающий эффект в максимальной нагретой точке устройства, например, на поверхности светоизлучающего диода, был максимальным.
В дальнейшем результаты могут быть скорректированы. Например, если после корректировки, сформировались более нагретые или критически нагретые точки, устройство отключается с сохранением работоспособности вентилятора, и, после охлаждения устройства вентилятором, производится перенастройка вентилятора, например, корректировка его положения, затем устройство включается заново, когда температура входит в рабочий диапазон. Количество итераций может быть не ограничено.
В другом варианте выполнения могут использоваться блоки слежения за нагревом критических точек устройства с использованием датчиков температуры и блоков обратной связи, которые могут изменять положение вентилятора, а также его производительность. При принудительном воздушном охлаждения силовых элементов устройства, а именно, алюминиевого радиатора узлов питания на корпусе устройства, алюминиевого радиатора-переходника от светодиода к отоволоконному световоду, следует учитывать, что максимальная температура, выдерживаемая световодом составляет 180°C.
Для заранее заданного уровня освещения объекта, например, для мониторинга технологического процесса в производственной установке через смотровые окна, с требуемым уровнем освещения рабочей поверхности, подбирается набор световодных волокон, формирующих точки освещения по количеству требуемых источников света и требуемому общему световому потоку. Волокна могут быть заранее объединены в наконечнике-соединителе в соответствии с заданными размерами по длине, либо подбираются по необходимости по индивидуальным требованиям освещенности данного объекта. Другие концы жгутов могут снабжаться рассеивателями светового потока.
При такой комплектации световой поток, излучаемый каждым рассеивателем, может подбираться индивидуально, и задаваться количеством светопроводящих волокон в одном жгуте. При необходимости, жгуты выполняются одинаковой или разной длины.
После подбора требуемого жгута световодов, наконечник с радиатором-переходником надежно прикрепляется к радиатору светодиода. После перечисленных выше мероприятий, устройство готово к работе.
В частном случае реализации для агрессивных сред, прожектор (блок генерации светового потока) системы передачи искусственного освещения (СПИО) выносится из помещений с повышенной опасностью, а световой поток поступает через световод в помещения с повышенной опасностью, например, с агрессивной средой. Такое выполнение возможно также для условий возможного наличия взрывчатых газов, искро- и взрывоопасных помещений, пожароопасных помещений, в условиях повышенного радиационного фона, повышенной влажностью, подводных, запыленных помещений, помещений и цехов с повышенной температурой до 180°С, и с химическими парами.
В условиях техногенных аварий и катастроф устройство может быть отключено от электрической сети общего пользования и подключено к другой сети, например, аварийному генератору, что обеспечивает надежное и бесперебойное освещение объектов. Световой поток продолжает поступать через световод в аварийное помещение, давая возможность эвакуации персонала или устранения последствий аварий.
Вентилятор внешней системы охлаждения может быть выполнен с использованием бесщеточного двигателя, и с отсутствием трущихся частей, при этом на вентиляторе охлаждения может быть установлена система слежения за температурой, отключающая прожектор, при превышении температурой допустимого значения. После отключения устройства в связи с перегревом, вентилятор продолжает остужать СПИО, а при достижении допустимой рабочей температуры система самостоятельно включается и возобновляет освещение объекта.
В условиях повышенной температуры окружающей среды, можно устанавливать вентилятор с более высокой производительностью, либо применять системы локального кондиционирования.
Волокна световода гибкие, за счет этого можно направлять свет под любым углом, в места, где необходимо максимальное освещение. Угол рассеивания света можно устанавливать от 10° до 360°.