ЛАЗЕРНАЯ ЛАМПА ОСВЕЩЕНИЯ

Полезная модель относится к области светотехники и предназначена для использования в целях освещения бытовых, производственных и других помещений, а также в области специальных видов освещения взамен применяемых в настоящее время ламп накаливания, люминесцентных, и так называемых, энергосберегающих ламп, в частности светодиодных.
Широко известные лампы накаливания имеют относительно короткий срок службы из-за непродолжительной «жизни» нити накаливания или колбы, их КПД составляет 3-5%, т.к. остальная электрическая энергия преобразуется в тепло, и они неудобны в эксплуатации из-за опасности ожога при контакте с ними. КПД известных галогеновых ламп в 2 раза выше, а известные газоразрядные лампы различных видов, таких как лампы дневного света, ртутные, натриевые, ксеноновые и т.п., имеют КПД 20-25%.
С развитием полупроводниковой электроники, а именно светодиодных источников света, появилось множество разнообразных светодиодных осветительных приборов.
Известна светодиодная лампа (RU 2418345, 2011 г.), содержащая корпус - радиатор с размещенными на нем с одного торца светодиодными модулями и блоком питания с другого торца, при эксплуатации которой из-за больших габаритов и веса радиатора требуется усиленное крепление.
Известные из описаний к патентам RU 119766 U, 2012 г. и RU 105403 U, 2011 г. светодиодные лампы имеют более компактный и облегченный вид. Так лампа по первому из этих аналогов имеет корпус с цоколем, выполненный в виде тела вращения, содержит несколько светоизлучающих диодов, установленных на основании в виде платы, закрепленном на радиаторе, размещенном вместе с блоком питания внутри корпуса, и установленный на корпусе сверху рассеиватель.
Лампа по второму аналогу (еще более компактная) представляет собой светоизлучающую полусферу с, так называемым, удаленным люминофором в качестве колбы лампы, закрытой крышкой с цоколем. Два светодиода в ней разнесены оппозитно друг другу по торцам колбы с крышкой и подключены к источнику питания, расположенному под крышкой.
КПД обеих этих ламп выше всех типов перечисленных выше известных ламп - до 40%, однако 60% энергии в них расходуется на тепловые процессы. К тому же светодиоды требуют для своего охлаждения специальных устройств-радиаторов, которые изготавливаются из теплопроводящих металлов, таких как алюминий, медь или из керамики, а это удорожает себестоимость ламп и приводит к завышению массогабаритных показателей (масса светодиодной лампы мощностью 8 Вт в 2 раза больше массы лампы накаливания мощностью 100 Вт). К тому же светодиоды уступают лазерным источникам излучения по массогабаритным и тепловым показателям и по КПД (известно, что лазерный излучатель имеет КПД до 80-90% в отличие от светодиодного).
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является лазерная лампа освещения, выполненная на основе размещенного в корпусе, по меньшей мере, одного светоизлучающего модуля, содержащего установленные в пассивном держателе соосно друг другу: лазерную головку и выполненный из оптически прозрачного материала в форме полого конуса люминофорный преобразователь света (US 6350041, 2002 г.), в которой конус преобразователя света жестко связан с держателем, что затрудняет техобслуживание лампы путем простой замены люминофора. Уровень свечения лампы в прототипе снижен из-за неэффективного использования потенциала люминофора в модуле, обусловленного тем, что люминофор в нем заполняет весь внутренний объем конуса, и диаметр основания конуса на входе лазерного луча значительно больше диаметра луча. К тому же в прототипе отсутствует возможность варьирования типоразмерного ряда ламп только путем изменения высоты конуса без необходимости увеличения мощности излучения лазера (при сопутствующем повышении тепловыделения, что требует усиленных мер по его охлаждению, либо ограничения по мощности).
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на расширение арсенала технических средств в области осветительной техники.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, заключается:
- в повышении яркости светового потока ламп освещения путем увеличения площади свечения;
- в конструктивном упрощении за счет минимизации средств теплоотвода;
- в улучшении условий эксплуатации и технического обслуживания ламп.
Технический результат достигается тем, что в лазерной лампе освещения, выполненной на основе размещенного в ее корпусе, по меньшей мере, одного светоизлучающего модуля, содержащего установленные в пассивном держателе соосно друг другу лазерную головку и выполненный из оптически прозрачного материала в форме полого конуса люминофорный преобразователь света, в отличие от известных аналогов корпус лампы снабжен цоколем, а светоизлучающий модуль снабжен драйвером для стабилизации работы лазерной головки и своим держателем установлен в цоколе лампы так, что конус преобразователя света размещен в объеме корпуса, и при этом в нем
- держатель выполнен в виде имеющего элементы электрической связи с цоколем цилиндрического стакана из токопроводящего металла,
- лазерная головка и драйвер установлены внутри держателя со стороны дна стакана и излучатель лазерной головки обращен в сторону открытого торца держателя,
- а преобразователь света установлен на выходе излучателя лазерной головки и выполнен с открытым в сторону лазерного луча основанием, диаметр которого равен диаметру этого луча, и с высотой конуса, определяемой в зависимости от мощности излучателя лазерной головки в соотношении один сантиметр высоты на один ватт мощности, и снабжен цилиндрическим, свободным от люминофора пояском, которым он плотно закреплен с возможностью разъема внутри открытого торца стакана с консольным расположением конуса, причем люминофор в нем содержится в виде слоя определенной толщины.
В частных случаях исполнения в предлагаемой лампе:
- лазерная головка выполнена на основе полупроводникового лазерного диода;
- слой люминофора в преобразователе света нанесен на внутренние или наружные поверхности конуса;
- корпус выполнен в виде закрытой колбы;
- корпус выполнен в виде отражателя с формой светоотражающих поверхностей, образующей оптическую систему.
Благодаря предлагаемому выполнению преобразователя света и нанесению люминофора на поверхности его конуса слоем, а не сплошным объемом, как в прототипе, повышается не только уровень яркости свечения, но и площадь свечения, т.к. луч лазерного диода, встречая на пути своего распространения конусную поверхность при таком нанесении люминофора, условно разделяется на концентрические излучающие поверхности на конусе в виде светящихся колец, причем каждому кольцу соответствует условная световая трубка лазерного луча. В идеале количество светящихся колец приближается к бесконечности, так как количество световых условных трубок также бесконечно. В итоге вся световая поверхность излучаемого конуса будет равна развертке боковой поверхности конуса, равномерно освещенной лазерным лучом. Площадь этой поверхности будет равна S=l⋅2πd, где:
l - длина боковой поверхности конуса, мм;
d - диаметр лазерного луча, мм.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемой лампы с одним светоизлучающим модулем (пример); на фиг. 2 - то же с двумя светоизлучающими модулями; на фиг. 3 - общий вид модуля.
В корпусе 1 лампы в виде замкнутой колбы (фиг. 1) с цоколем 2 установлен светоизлучающий модуль 3 с размещенными в его держателе 4 лазерной головкой 5, содержащей полупроводниковый лазерный диод в качестве излучателя, и люминофорным преобразователем света 6, выполненным из оптически прозрачного материала в форме полого конуса. Для стабилизации работы диода лазерной головки 4 предусмотрен драйвер 7. Держатель 4 выполнен в виде цилиндрического стакана из токопроводящего металла, имеющего элементы электрической связи с цоколем (условно не показаны), и лазерная головка 5 с драйвером 7 установлены внутри держателя 4 со стороны дна стакана и излучатель лазерной головки 5 обращен в сторону открытого торца держателя.
Преобразователь света 6 выполнен с открытым в сторону лазерного луча 8 основанием, диаметр которого равен диаметру этого луча, и с высотой конуса, определяемой в зависимости от мощности излучения лазерной головки в соотношении 1 см на 1 Вт мощности. Следовательно, чем меньше высота конуса, тем ярче свечение люминофора, и чем больше его высота, тем меньше яркость при неизменной мощности излучения. Это позволяет получать любые требуемые значения яркости люминофора, не только изменяя мощность лазерного модуля, но и высоту полого конусного прозрачного преобразователя света, что очень важно для нужд светотехнической промышленности, и способствует разработке номенклатурного типоразмерного ряда ламп освещения.
Люминофор 9 нанесен на поверхности конуса преобразователя 6 слоем определенной толщины в зависимости от конструкции светового прибора как изнутри, так и снаружи конуса, либо одновременно и снаружи, и изнутри. Так, при отсутствии у светового прибора внешнего защитного элемента, к примеру, колбы, люминофор лучше наносить изнутри прозрачного конуса с тем, чтобы люминофор не загрязнялся при эксплуатации, а при наличии такого элемента люминофор может быть нанесен снаружи конуса. Люминофор нанесен на конус слоем такой оптимальной толщины, при которой обеспечивается возбуждение от луча лазера как нижних, так и верхних его слоев, что повышает КПД лазерного излучения.
Получению такого эффекта способствует и выполнение основания конуса преобразователя открытым по месту входа луча 6, что обеспечивает активацию люминофора независимо от того, помещен ли люминофор снаружи или внутри конуса.
Цоколь 2 лампы, в котором устанавливается модуль 3 (модули), может быть унифицирован с цоколями современных ламп накаливания с размерами Е-14, Е-27 и Е-40.
В частных случаях исполнения в головке 5 модуля могут быть использованы лазерные диоды различных длин волн: от ИК до УФ диапазонов, а также различные люминофорные покрытия в преобразователе 6.
Цвет излучения лампы может широко варьироваться в зависимости от применяемого лазерного диода и типа люминофора. В результате можно получать свет широкой световой гаммы, что зачастую крайне необходимо в системах иллюминации, декоративных целях.
Из-за малого тепловыделения лазерного диода и его высокого КПД размеры радиатора в предлагаемой лампе могут быть предельно минимизированы по массогабаритным показателям и упрощены по материалу.
Конкретный пример исполнения полезной модели дан на примере экспериментальной осветительной лазерной лампы, изготовленной на базе обычной лампы накаливания. Экспериментальная лампа содержит колбу из прозрачного пластикового материала с цоколем стандартной лампы накаливания типа Е-27. В ней в держателе модуля размещен драйвер, преобразующий 220 В переменного тока в 3 В постоянного тока и стабилизирующий ток, которым он питает лазерный диод, размещенной здесь же лазерной головки, длина волны которого составляет 405 нм.
На выходе цоколя установлена изолирующая шайба (не показана), для прозрачного светового конуса преобразователя света с нанесенным на его внутренние поверхности люминофором марки ФЛЗ-8.
При напряжении питания 3 В и потребляемой мощности 1 Вт получено излучение белого света, сравнимое с излучением лампы накаливания мощностью 60 Вт.
Благодаря совокупности отличительных существенных признаков предлагаемая лазерная лампа легко встраивается в цепочку применяемых в бытовых светильниках осветительных приборов, обеспечивающих распределение светового потока в 2π стерадиан, то есть во все стороны излучения (при отсутствии отражателя), например, таких как обычные лампы накаливания, и может заменить их без каких-либо дополнительных затрат.
Кроме того, применение предлагаемой лампы дает возможность существенного снижения стоимости современных ламп для бытового освещения уже хотя бы за счет того, что позволяет полностью исключить применение дорогого во всех отношениях стекла и заменить его прозрачными пластическими материалами, так как в предлагаемой лампе отсутствует значительный тепловой эффект.
Если принять во внимание, что по данным статистики в мире в год приобретается потребителями 27 млрд ламп, то станет понятно, что снижение их стоимости и потребления хотя бы на 1% экономит значительные средства, как в денежном выражении, так и в энергетических показателях (например, снижение мощности потребляемой этими лампами на 1% составляет мощность электростанции аналогичной по мощности пяти Саяно-Шушенских ГЭС).
Изготовление лампы не требует значительных капитальных вложений - ее изготовление может быть осуществлено в условиях действующего производства с использованием известных технологий и универсального оборудования на основе доступных комплектующих и материалов.