КОМБИНИРОВАННЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F21S2/00 

Предлагаемое изобретение относится к светотехнике, в частности к осветителям, построенным на основе комбинации газоразрядных ламп и мощных светодиодов.

Осветители предназначены для выращивания растений в промышленных теплицах или в индивидуальных парниках, могут быть использованы для облучения производственных площадей для повышения продуктивности животноводства и птицеводства.

Также успешно осветители могут быть использованы для освещения открытых пространств, автомагистралей, дворовых территорий и т.п.

Несмотря на успехи разработок мощных светодиодов белого и цветного излучения, они не могут заменить некоторые газоразрядные лампы, в частности мощные натриевые лампы высокого давления /НЛВД/ для ряда применений в светотехническом приборостроении, главным образом, из-за трудностей решения тепловых проблем при компоновке большого количества мощных /1-3 Вт/ светодиодов в малогабаритной светотехнической арматуре, сравнимой с корпусами светильников с газоразрядными лампами, для освещения открытых пространств и применения в растениеводстве.

В свою очередь, газоразрядные лампы, преимущественно протяженные мощные НЛВД, обладая сравнимой с современными светодиодами светоотдачей /130 лм/Вт/, высокой мощностью /до 1000 Вт/, относительно компактным светящим телом и более низкой стоимостью 1 лм светового потока, имеют неудовлетворительное качество света /спектральный состав излучения/ для указанных выше применений.

В частности, для использования в растениеводстве в излучении НЛВД с высоким выходом в красно-оранжевом диапазоне спектра, явно не хватает светового потока в сине-голубой и зеленой области спектра для оптимизации спектральной эффективности фотосинтеза, требующей для получения высоких урожаев соотношения указанных диапазонов спектра к красно-оранжевой области как 3:2:5 соответственно /1/.

Для применения осветителей в наружном освещении, например, автомагистралей требуется соблюдение, наряду с нормируемым уровнем яркости, одинакового восприятия света при этом в условиях ночного и сумеречного зрения, когда светодиодное освещение является более эффективным /2/.

Известен комбинированный прожектор /3/, применяемый для освещения удаленных объектов военной техники, содержащий коротко-дуговую газо-разрядную лампу, светящее тело которой расположено в фокусе параболоидного отражателя и светодиодный блок-насадку, установленный в “слепом” отверстии прожектора, со светодиодами, оптические оси которых параллельны фокальной оси устройства. Кольцевой светодиодный блок-насадка может быть установлен по периметру отражателя.

Прожектор формирует пучки излучения с углом рассеяния 1-8°, что затрудняет использование его для освещения открытых пространств или эффективного применения в растениеводстве.

Известен облучатель /4/ для растениеводства с мощной НЛВД горизонтально расположенной в протяженном корпусе с вогнутым отражателем с плоскими торцевыми стенками.

Его недостатки связаны с неудовлетворительным спектральным составом излучения применяемых ламп. Поскольку в спектре НЛВД средний уровень интенсивности в сине-голубой области спектра более чем в три раза ниже, чем уровень в красно-оранжевой области для приближения к оптимальной спектральной эффективности фотосинтеза и для повышения урожайности требуется использование более мощных ламп /400-600 Вт/, увеличивающих расход электроэнергии, требующих увеличения высоты теплиц для предотвращения перегрева растений.

Известен светодиодный облучатель для растениеводства /5/, содержащий прямоугольный протяженный корпус с боковыми отражателями и установленными в нем линейными платами со светодиодами, подключенными к источнику питания, излучающими в синей и красной областях спектра, с оптическими осями, ориентированными на выходное отверстие облучателя.

Недостатки прототипа обусловлены необходимостью существенного увеличения его габаритов для обеспечения требуемой высокой интенсивности излучения за счет применения большого количества светодиодов, высокой стоимостью облучателя и неудовлетворительным спектральным составом излучения из-за отсутствия зеленой составляющей спектра.

Например, для замены осветителя с аграрной газоразрядной НЛВД мощностью 600 Вт потребуется облучатель на светодиодах с потребляемой мощностью 166 Вт /1/ и при использовании современных светодиодов мощностью 1 Вт, устанавливаемых на платах с Al-основанием на удалении 30-40 мм между собой необходимы матрицы размером 2600 см², что в 4-4,5 раза превышает размеры выходного отверстия отражателя аграрного осветителя типа ЖСП 30-600 015У5 ТУ16-545-436-2007 с вышеуказанной лампой.

Кроме того, для охлаждения плат облучателя с названным количеством светодиодов потребуется громоздкий радиатор кондуктивного теплоотвода.

Эти же недостатки в равной мере касаются светильников для освещения открытых пространств, заменяющих светильники с газоразрядными источниками света.

Целью предполагаемого изобретения является создание комбинированного осветителя, лишенного недостатков прототипа, в котором использованы преимущества светильников с газоразрядными лампами и светодиодных излучателей, обеспечивающего требуемый спектральный состав излучения, уменьшенные габариты и более низкое энергопотребление.

Поставленная цель достигается тем, что комбинированный осветитель, содержащий светотехническую арматуру с газоразрядной лампой, преимущественно с натриевой лампой высокого давления, аксиально установленной в вогнутом отражателе, мощные светодиоды и пуско-регулирующую и питающую аппаратуру для них, указанный вогнутый отражатель выполнен протяженным с одной или двумя, установленными под острым углом к выходному отверстию осветителя, торцевыми стенками в виде каскада поперечно ориентированных в указанном отражателе ступенек из теплопроводного материала с установленными на них в тепловом контакте светодиодными модулями, линейками на светодиодах или отдельными светодиодами, излучающими в выбранных спектральных диапазонах, дополняющих излучение газоразрядной лампы, изменяющими суммарный спектральный состав излучения осветителя.

Цель достигается и тем, что на ступеньках каскада отражателя установлены светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды синего, голубого, зеленого, красного, оранжевого излучения в выбранных комбинациях, дополняющих излучение газоразрядной лампы в полосе спектральной эффективности фотосинтеза /400-700 нм/.

Достижению цели способствует и то, что на ступеньках каскада отражателя установлены светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды синего, голубого и/или белого излучения с цветовой температурой 5000-6500 К, дополняющих излучение натриевой лампы высокого давления в полосе спектральной чувствительности для ночного и сумеречного зрения, преимущественно в диапазоне длин волн спектра 400-600 нм.

Поставленная задача решается и тем, что излучение натриевой лампы высокого давления преимущественно в красно-оранжевой области спектра интегрировано с излучением сине-голубого и зеленого диапазонов спектра излучения светодиодов с соотношением 6:3:1 соответственно.

Задача решается и тем, что по меньшей мере торцевые стенки протяженного вогнутого отражателя, выполненные в виде каскада ступенек на лицевой стороне, имеют ребра охлаждения на тыльной стороне стенок.

Цель достигается также тем, что на торцевых стенках протяженного вогнутого отражателя собраны в тепловом контакте поперечно ориентированные в нем протяженные параллельные между собой пластины из теплопроводного материала с изогнутым в поперечном сечении профилем, образующие каскады ступенек, с установленными на них светодиодными модулями, линейками на светодиодах или отдельными светодиодами, сопряженных на тыльной стороне указанных стенок с аналогичными пластинами, образующими ребра охлаждения.

Достижению цели способствует и то, что по периметру выходного отверстия вогнутого отражателя дополнительно установлены светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды с оптическими осями, параллельными оптическим осям светодиодов, установленных на ступеньках каскада указанного отражателя.

Решению поставленной задачи способствует также то, что применена электронная пуско-регулирующая и питающая аппаратура для газоразрядной лампы, совмещенная с источником питания светодиодов, собранные в едином корпусе светотехнической арматуры.

Предпочтительные варианты исполнения комбинированного осветителя согласно предполагаемому изобретению представлены на чертежах.

Фиг.1. Комбинированный осветитель с газоразрядной натриевой лампой высокого давления в отражателе с каскадом ступенек со светодиодами. Вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг.2. То же, что и на фиг.1, вид спереди /лицевая сторона/.

Фиг.3. Комбинированный осветитель с газоразрядной металлогалогенной лампой в отражателе с двумя каскадами ступенек со светодиодами. Вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг.4. То же, что и на фиг.3, вид спереди.

Показанный на фиг.1 и 2 комбинированный осветитель содержит светотехническую арматуру с газоразрядной лампой, в частности с трубчатой натриевой лампой высокого давления 1, установленной аксиально на фокальной линии протяженного вогнутого отражателя 2 со светоотражающими боковыми стенками преимущественно параболоцилиндрического типа, формирующего заданный пучок излучения осветителя, частично ограниченный светоотражающим экраном 3 с одной стороны и светоотражающей торцевой стенкой 4.

Противоположная торцевая стенка протяженного отражателя 2 установлена под острым углом к его выходному отверстию, т.е. к выходному отверстию осветителя, и выполнена в виде каскада поперечно ориентированных в указанном отражателе протяженных ступенек 5 из теплопроводного материала преимущественно на основе алюминиевого сплава.

На ступеньках 5 каскада отражателя 2 установлены в тепловом контакте за счет прижатия винтами или с использованием теплопроводного клея светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды 6, излучающие в выбранных спектральных диапазонах, дополняющих излучение газоразрядной лампы, изменяющих при этом суммарный спектральный состав излучения осветителя.

Угол наклона плоской торцевой стенки со ступеньками 5 каскада отражателя 2 выбирается в пределах 20-60° в зависимости от угла рассеивания светодиодов 6, применяемых в модулях, линейках или устанавливаемых индивидуально.

В одном из вариантов исполнения осветителя, например, для эксплуатации в растениеводстве, на ступеньках 5 каскада отражателя устанавливают светодиодные модули, линейки со светодиодами или отдельные светодиоды 6 синего, голубого, зеленого, оранжевого или красного излучения, выбранных в комбинациях в зависимости от спектрального состава излучения применяемой в комбинации с ними газоразрядной лампы, дополняющих его излучение в диапазоне спектральной эффективности фотосинтеза /400-700 нм/.

На каждой ступеньке 5 каскада отражателя устанавливают светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды преимущественно одного цвета излучения с параллельными оптическими осями, обеспечивающими смешение излучения светодиодов с излучением газоразрядной лампы вне осветителя вблизи или на некотором удалении /до 3-х метров/ от его выходного отверстия.

При использовании в комбинированном осветителе в качестве газоразрядной лампы 1 натриевой лампы высокого давления с преимущественным излучением в красно-оранжевой области спектра на ступеньках 5 каскада отражателя устанавливают светодиодные модули, линейки на светодиодах сине-голубого и зеленого спектров излучения, которое интегрировано с излучением лампы с соотношением 6:3:1 соответственно в диапазоне 400-700 нм, существенно улучшая параметры осветителя, применяемого в растениеводстве.

В другом варианте исполнения осветителя, преимущественно для применения при освещении открытых пространств, автомагистралей и т.п., на ступеньках 5 каскада отражателя устанавливают светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды синего, голубого и/или белого излучения с цветовой температурой 5000-6500 К, дополняющих излучение натриевой лампы высокого давления в полосе спектральной чувствительности глаз человека для ночного и сумеречного зрения, преимущественно в спектральном диапазоне 400-600 нм.

Применение в осветителе светодиодов белого свечения с высокой цветовой температурой в комбинации с натриевой лампой высокого давления целесообразно исходя из того, что их спектральный состав излучения заданный применяемыми люминофорами, переизлучающими часть сине-голубого излучения светодиодов содержит значительную долю указанного излучения при высокой цветовой температуре и светоотдаче, превышающей указанные параметры использованной газоразрядной лампы.

Для обеспечения эффективного кондуктивно-конвективного теплоотвода от светодиодных модулей, линеек на светодиодах или отдельных светодиодов 6 по меньшей мере торцевые стенки протяженного отражателя 2, выполненные в виде каскада ступенек 5, имеют ребра 7 охлаждения на тыльной стороне указанных стенок.

Показанный на фиг.3 и 4 вариант исполнения комбинированного осветителя содержит газоразрядную металлогалогенную лампу 8 и предусматривает выполнение штампованного протяженного вогнутого отражателя 9 из теплопроводного материала, например, из листового алюминия, с плоскими торцевыми стенками 10, на которых собраны в тепловом контакте поперечно ориентированные в нем протяженные, параллельные между собой пластины 11 из теплопроводного материала, выполненные с изогнутым в поперечном сечении профилем, образующие два каскада ступенек 12, с установленными на них светодиодными модулями, линейками 13 со светодиодами 14 или отдельными светодиодами, сопряженных через промежуточную стенку отражателя на ее тыльной стороне с аналогичными пластинами, образующими ребра 15 охлаждения светодиодов осветителя.

Образующие ступеньки 12 каскада отражателя 9 фигурные пластины 11 несущие светодиодные модули или линейки на светодиодах или отдельные светодиоды, и аналогичные пластины - ребра 15 охлаждения установлены на плоских торцевых стенках отражателя 9 в тепловом контакте механическим креплением заклепками или винтами, либо методом сварки.

По периметру выходного отверстия на отбортовке 16 отражателя 9 дополнительно установлены светодиодные модули, линейки 17 со светодиодами или отдельные светодиоды с оптическими осями 00, параллельными оптическим осям 0′0′ светодиодов 14, собранных на ступеньках 12 каскада отражателя, обеспечивая смешение различных цветов излучения светодиодов между собой и с излучением газоразрядной лампы 8, сформированным в заданный пучок параболоцилиндрическими стенками упомянутого отражателя.

Установленная аксиально на фокальной линии в отражателе 9 лампа 8 удерживается в патроне 18 с кронштейном 19 и подключена к электронной пуско-регулирующей и питающей аппаратуре, совмещенной с источником питания светодиодов, собранных в едином корпусе 20 на тыльной части светотехнической арматуры.

Светодиоды комбинированного осветителя параллельно или параллельно-последовательными цепочками в составе модулей, линеек подключены между собой и с источником питания микроразъемами /на фиг. не показано/.

Отдельные светодиоды могут быть установлены на ступеньках каскада отражателя с подключением между собой навесным монтажом.

В качестве мощных светодиодов в осветителе рекомендуется использовать светодиоды серии XP или XR color фирмы CREE, США или светодиодные линейки типа СЛН цветные НПЦ “ОПТЭЛ”, Россия в компоновке, например, с газоразрядной натриевой лампой высокого давления типа ДНаТ-250 или ДНаТ-400 для применения в растениеводстве.

Для освещения открытых пространств, автомагистралей и т.п. в осветителях могут быть использованы наряду с названными сериями светодиодов и линеек, также светодиоды серии XPE фирмы CREE в компоновке с газоразрядными лампами типа ДНаТ-400 либо металлогалогенными лампами ДРИ-250, ДРИ-400.

Разработанные комбинированные осветители, используя преимущества светильников с газоразрядными лампами и мощными цветными и белыми светодиодными излучателями, позволяют уменьшить габариты и стоимость по сравнению со светильниками на светодиодах, а также снизить энергопотребление за счет более эффективного применения газоразрядных ламп меньшей мощности, значительно улучшить спектральный состав излучения, удовлетворяющий требованиям по спектральной эффективности фотосинтеза для растениеводства или требованиям к освещению объектов исходя из спектральной чувствительности глаз человека в условиях ночного и сумеречного зрения при использовании для освещения открытых пространств.

Литература.

1. А. Прокофьев и др. “Перспективы применения светодиодов в растениеводстве”. Полупроводниковая светотехника, №5, 2010, с.60-63.

2. Е. Ильина. “Наружное светодиодное освещение автомагистралей и улиц городов”. Полупроводниковая светотехника, №4, 2010, с.50-55.

3. В.В. Сысун. “Комбинированный прожектор”. Пат. РФ №2245488, Кл. F21S 8/00 // F21Y 113:00, приоритет 22.04.2003 г.

4. “Справочная книга по светотехнике” под ред. Айзенберга Ю.Б. Изд. “Знак”, 2006, с.733-734.

5. В.И. Седов и др. “Светодиодный облучатель для растениеводства”. Пат. ПМ РФ №103704, кл. A01G 9/26, приоритет 29.12.2010 г.

Изобретение относится к осветителям с комбинацией газоразрядных ламп и мощных светодиодов, применяемых для общего освещения и облучения в растениеводстве. Технический результат - уменьшение габаритов при обеспечении возможности формирования спектрального состава света.

Осветитель содержит светотехническую арматуру с газоразрядной лампой, в частности с натриевой лампой высокого давления /НЛВД/ или с металлогалогенной лампой /МГЛ/, аксиально установленной в протяженном вогнутом отражателе, мощные светодиоды и пускорегулирующую и питающую аппаратуру на них. Одна или две плоские торцевые стенки отражателя установлены под острым углом к выходному отверстию осветителя и выполнены в виде каскада поперечно ориентированных в отражателе ступенек из теплопроводного материала, а установленными на них в тепловом контакте светодиодными модулями, линейками на светодиодах или отдельными светодиодами, излучающими в выбранных спектральных диапазонах, дополняющих излучение газоразрядной лампы, изменяющими суммарный спектральный состав излучения. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Комбинированный осветитель, содержащий светотехническую арматуру с газоразрядной лампой, преимущественно с натриевой лампой высокого давления, аксиально установленной в вогнутом отражателе, мощные светодиоды и пуско-регулирующую и питающую арматуру для них, отличающийся тем, что вогнутый отражатель выполнен протяженным с одной или двумя, установленными под острым углом к выходному отверстию осветителя, торцевыми стенками в виде каскада поперечно ориентированных в указанном отражателе ступенек из теплопроводного материала с установленными на них в тепловом контакте светодиодными модулями, линейками на светодиодах или отдельными светодиодами, излучающими в выбранных спектральных диапазонах, дополняющих излучение газоразрядной лампы, изменяющими суммарный спектральный состав излучения осветителя.

2. Комбинированный осветитель по п.1, отличающийся тем, что на ступеньках каскада отражателя установлены светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды синего, голубого, зеленого, красного, оранжевого излучения в выбранных комбинациях, дополняющих излучение газоразрядной лампы в полосе спектральной эффективности фотосинтеза /400-700 нм/.

3. Комбинированный осветитель по п.1, отличающийся тем, что на ступеньках каскада отражателя установлены светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды синего, голубого и/или белого излучения с цветовой температурой 5000-6500 К, дополняющих излучение натриевой лампы высокого давления в полосе спектральной чувствительности для ночного и сумеречного зрения, преимущественно в диапазоне длин волн спектра 400-600 нм.

4. Комбинированный осветитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что излучение натриевой лампы высокого давления в красно-оранжевой области спектра интегрировано с излучением сине-голубого и зеленого диапазонов спектра светодиодов с соотношением 6:3:1 соответственно.

5. Комбинированный осветитель по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере торцевые стенки протяженного вогнутого отражателя, выполненные в виде каскада ступенек на его лицевой стороне, имеют ребра охлаждения на тыльной стороне стенок.

6. Комбинированный осветитель по п.1, отличающийся тем, что на торцевых стенках протяженного вогнутого отражателя собраны в тепловом контакте поперечно ориентированные в нем протяженные параллельные между собой пластины из теплопроводного материала с изогнутым в поперечном сечении профилем, образующие каскады ступенек, с установленными на них светодиодными модулями, линейками на светодиодах или отдельными светодиодами, сопряженных на тыльной стороне указанных стенок с аналогичными пластинами, образующими ребра охлаждения.

7. Комбинированный осветитель по п.1, отличающийся тем, что по периметру выходного отверстия вогнутого отражателя дополнительно установлены светодиодные модули, линейки на светодиодах или отдельные светодиоды с оптическими осями, параллельными оптическим осям светодиодов, установленных на ступеньках каскада указанного отражателя.

8. Комбинированный осветитель по п.1, отличающийся тем, что применена электронная пускорегулирующая и питающая аппаратура для газоразрядной лампы, совмещенная с источником питания светодиодов, собранные в едином корпусе светотехнической арматуры.