專利名稱：Led防爆燈具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以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：
LED是一種固態光源，使用直流供電，具有光效高、壽命長和體積小等優點，是比較理想的光源。在LED燈具的設計中，散熱和配光是需要解決的兩個關鍵問題。LED對溫度比較敏感，隨著結溫的升高，LED的發光效率會明顯下降，使用壽命也會顯著縮短。目前已公開的LED防爆燈具的設計方案一般采用散熱片或熱管實現散熱，根據燈具的功率和防護與隔爆要求需要合理設計散熱器的結構和尺寸。LED光源亮度較高，無透鏡的LED或使用球面透鏡的LED的光強在2 π的空間中近似于余弦分布。與傳統光源相比，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，為了能夠更加高效地在受照面上得到所需的光度分布，仍然要運用非成像光學技術設計合理的照明光學系統。在受照面上產生均勻的照明是燈具設計的基本要求之一。發明專利ZL 200610113463. 4,200910022409. 2和200910046129. 5等公開了可以形成矩形光斑的透鏡的設計方法，這樣的光學系統可以用于道路照明燈具，每個燈具能夠獨立在路面上產生均勻的照明。發明專利 200910099552. 1、實用新型 ZL 200720047134. 4 和 CN 201521855U 等公開了可以形成圓形均勻照明光斑的LED透鏡的設計方法，可以用于筒燈、礦燈和臺燈等。 上述LED燈具的光學設計都是針對單個燈具獨立照明的情況，在車間、辦公室和倉庫等照明面積較大且照度要求較高的場合，通常需要使用多個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果。單獨可以產生均勻照明的LED燈具，當分散布置時，疊加照明的效果未必能夠滿足均勻度方面的要求。在一些場合對燈具有截光的要求，近似余弦分布的LED光源在孔徑角較大的區域光強較小，但仍然不能滿足截光型燈具的技術要求。如果不進行遮光處理，不僅易導致視覺不適，還可能成為安全隱患。在配光方面，已公開的LED防爆燈的設計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的安裝位置實現配光(如CN 201715^1U);4)使用配光鏡進行配光(CN 201615372U)。使用反射器配光的方法通過縮小照明范圍提高目標區域的照度，反射器覆蓋的立體角越大，改變光強分布的作用越明顯，不過反射器導致的光能損失也會隨之增大。使用球面透鏡的方法能夠在一定程度上調整光強分布，不過可能導致照明區域與非照明區域的分界線過于明顯，從而影響多個燈具疊加照明的均勻度。將LED安裝在多面體的表面可以擴大燈具的照明范圍， 不過，燈具結構比較復雜，增加了制造難度和成本，同時還會產生炫目問題。配光鏡表面由不同半徑的柱面或不同角度的楔面構成，可以改變光路，從而得到所需的光強分布。由于表面結構比較復雜，柱面或楔面之間的連接處容易產生較大的加工誤差，從而引起雜散光，并導致一定程度的光能損失。

發明內容
本發明是要提供一種LED防爆燈具，適用于需要多只燈具聯合照明的場合，利用截光型非成像透鏡實現配光，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。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種LED防爆燈具，由LED光源、透鏡、散熱器、驅動電路組成，透鏡內表面為光線入射表面，呈半球面，LED光源發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、保護區和連接區三部分組成，其中，中心區和保護區曲面為自由曲面，連接區曲面為連接中心區和保護區的圓錐面。LED光源發光表面的中心對透鏡外表面中心區的平面張角為α，對保護區104的平面張角β = π/2_α，其中，α為截光角度。透鏡中心區和保護區兩部分曲面任意點的法線方向滿足在不計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光源發出的光通量和Ω 2立體角中經透鏡輸出的光通量相等，其中，Ω 1立體角對應入射光線的孔徑角為θ 1，Ω2立體角對應折射光線的孔徑角為Θ2; O^α，燈具在θ 2方向的光強由配光要求確定。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，透鏡通過壓圈和密封圈與圓柱形芯軸密封連接，LED光源電源線通過圓柱形芯軸中的通孔連接驅動電路。驅動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，箱體內放置驅動電路，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光源為單個大功率集成封裝的LED光源或多個單芯片獨立封裝的LED光源或多芯片集成封裝的LED光源，且每個LED光源配置一個透鏡。本發明的有益效果是1)可以滿足截光型燈具的技術要求；2)在同時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)僅使用透鏡實現配光，且透鏡也作為燈罩，因此結構簡單，光學系統的光能傳輸損失也較小，同時，光源所發出光被聚集在截光角范圍以內，使光能得到充分利用。與不進行截光處理的LED防爆燈具相比，本發明所公開的LED防爆燈具不僅顯著減小了眩光對視覺的不利影響，而且在截光角范圍內輸出的總光通量也得到提高，當截光角度為70度時，可以提高12%，當截光角度為60度時，可以提高25% ；與使用反射器截光的LED燈具相比，本發明所公開的LED防爆燈的配光元件與燈罩合二為一，結構較緊湊，在截光角范圍內輸出的總光通量也較高。


圖1是本發明的截光型透鏡的結構剖視圖2是本發明的截光型透鏡帶有一體底座的結構剖視圖； 圖3是本發明光學系統的光路圖4是本發明的截光型透鏡外表面中心區與保護區曲面計算示意圖；圖5是本發明的發光強度分布曲線(即配光曲線)圖，其中，圖(a)為在截光角范圍內呈均勻分布的配光曲線，圖(b)為在截光角范圍內呈余弦分布的配光曲線； 圖6是本發明使用單個LED光源的結構剖視圖； 圖7是本發明使用多個LED光源的結構立體示意圖； 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。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。如圖6，7所示，本發明的LED防爆燈具采用LED作為光源，可以使用一個多芯片集成封裝的大功率LED光源1，也可以使用多個單芯片獨立封裝或多芯片集成封裝的LED光源。每個LED光源1配置一個透鏡2，透鏡2的內表面為光線入射表面101，呈半球面，圖1 所示，LED光源1發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102、保護區104和連接區103三個部分，其中，中心區102和保護區104為自由曲面，連接區103為連接中心區102和保護區103的圓錐面。上述透鏡2的外表面的中心區102和保護區104曲面是根據配光要求通過逐點計算求出，分別使不同立體角范圍內的光線發生折射。配光要求包括將LED光源1發出的光線限制在截光角α對應的立體角Ω范圍內，且在該立體角Ω范圍內，燈具的光強滿足特定分布(圖3)。在同時使用多個燈具對一個區域進行照明時，所述特定光強分布能夠使照明區域內的照度或亮度均勻度滿足要求。根據上述配光要求，首先確定透鏡的外表面的中心區102和保護區104的角度覆蓋范圍。
如附圖1所示，設截光角度為α，則LED光源1發光表面的中心對中心區102的平面張角為α，對保護區104的平面張角β等于π/2-α.然后分別計算透鏡2外表面的中心區 102和保護區104曲面的Ll母線113和L2母線114，見圖4。母線的計算由特定的起點開始，起點根據透鏡內表面的半徑和透鏡厚度確定，根據各點處法線方向依次求出后續各點。
各點處的法線N 112滿足以下條件設入射光線的孔徑角為θ 1，對應的Ω 1立體角110 ；折
射光線的孔徑角為θ 2，對應的Ω 2立體角111，則在Ω1立體角110中由LED光源1發出的光通量和Ω 2立體角111中經透鏡2輸出的光通量相等；0彡θ 2彡α，燈具在θ 2方向的光強由配光要求確定。最后通過繞主光軸旋轉Li，L2母線113，114得到透鏡2外表面的中心區102和保護區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構形式，如圖2所示。透鏡2也用作燈具的透光燈罩。在防爆要求級別較高的場合，透鏡采用玻璃材料制造，并進行鋼化處理。在防爆要求級別較低的場合，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。在結構上，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的電源線經通孔連接驅動電路6。
LED防爆燈具的電源驅動電路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置密封墊圈7(圖6)。散熱器3 和電器箱體均為導熱性能良好的鋁合金材料制造，使LED光源1和驅動電路6產生的熱量能夠及時傳導至燈具外部。散熱器3和電器箱的結構尺寸主要根據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集成封裝LED的防爆燈具的結構和采用多個LED的防爆燈具的結鉤。下面通過實例進一步說明本發明的實施方法。實例一要求照明正方形區域，在照明區域中間L米XL米的范圍內照度均勻度大于0. 75，燈具的截光角度為65度。根據照明要求，使用四只LED防爆燈具，間隔L米，燈具采用均勻光強分布，配光曲線如圖fe所示，根據光強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度截光角對應的立體角范圍內，燈具輸出的光通量達到光源總光通量的92%.
實例二 要求照明長方形區域，在照明區域中間L米XW米的范圍內照度均勻度大于 0. 7，燈具的截光角度為70度。根據照明要求，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)，在截光角范圍內燈具的光強符合余弦分布，配光曲線如圖恥所示，根據光強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 度截光角對應的立體角范圍內，燈具輸出的光通量達到光源總光通量的92%. 本發明的LED防爆燈具的透鏡也可以用于其他類型LED燈具。
權利要求
1.一種LED防爆燈具，由LED光源(1)、透鏡(2)、散熱器(3)、驅動電路(6)組成，其特征在于所述透鏡(2)內表面為光線入射表面(101)，呈半球面，LED光源(1)發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(102)、保護區(104) 和連接區(103)三部分組成，其中，中心區(102)和保護區(104)曲面為自由曲面，連接區 (103)曲面為連接中心區(102)和保護區(104)的圓錐面。
2.根據權利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述LED光源(1)發光表面的中心對透鏡(2)外表面中心區(102)的平面張角為α，對保護區(104)的平面張角 β = π/2_α，其中，α為截光角度。
3.根據權利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述透鏡的中心區(102)和保護區(104)兩部分曲面任意點的法線方向滿足在Ω 1立體角(110)中由LED光源(1)發出的光通量和Ω2立體角(111)中經透鏡(2)輸出的光通量相等，其中，Ω 1立體角(110)對應入射光線的孔徑角為θ 1，Ω 2立體角(111)對應折射光線的孔徑角為0 2，且0< Θ2彡α。
4.根據權利要求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)電源線通過圓柱形芯軸中的通孔連接驅動電路(6)。
5.根據權利要求1所述的LED防爆燈具，其特征在于所述驅動電路(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)內放置驅動電路 (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.根據權利要求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)為單個大功率集成封裝的LED光源或多個單芯片獨立封裝的LED光源或多芯片集成封裝的LED光源，且每個LED光源(1)配置一個透鏡(2)。
全文摘要
本發明涉及一種LED防爆燈具，由LED光源、透鏡、散熱器、驅動電路組成，透鏡內表面為光線入射表面，呈半球面，LED光源發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、保護區和連接區組成，中心區和保護區曲面為自由曲面，連接區為連接中心區和保護區的圓錐面。與不進行截光處理的LED防爆燈具相比，本發明不僅顯著減小了眩光對視覺的不利影響，而且在截光角范圍內輸出的總光通量也得到提高，當截光角度為70度時，可以提高12%，當截光角度為60度時，可以提高25%；與使用反射器截光的LED燈具相比，本發明所公開的LED防爆燈的配光元件與燈罩合二為一，結構緊湊，在截光角范圍內輸出的總光通量高。
文檔編號F21V29/00GK102563423SQ20121000814
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者樂燕芬, 施偉斌, 翁振克, 蘇勝君 申請人:上海寶臨防爆電器有限公司, 上海理工大學