Результат интеллектуальной деятельности: КОМБИНИРОВАННЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ

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.