Светосигнальный огонь кругового обзора

 

Светосигнальный огонь кругового обзора предназначен для пространственной световой сигнализации преимущественно в верхнюю полусферу, например, для применения в качестве заградительных огней на основе светоизлучающих диодов. Технический результат - улучшение светотехнических и теплофизических характеристик и упрощение конструкции огня. Устройство содержит корпус с защитным колпаком и установленные в нем держатель, выполненный в виде арматуры с собранными на ней двумя, тремя или большим количеством полых, правильно усеченных пирамид с совпадающей продольной осью симметрии, на апофеме каждой из боковых граней которых смонтированы светоизлучающие диоды с оптическими осями, перпендикулярными указанным граням усеченных пирамид. При этом каждая из боковых граней указанных пирамид перпендикулярна оси, проходящей через расположенный на продольной оси симметрии огня грани светоизлучающего диода. Нижняя полая, правильно усеченная пирамида арматуры держателя в одном из вариантов исполнения сопряжена нижним основанием с кольцевым, зеркально отражающим излучение вогнутым элементом, имеющим профиль параболы, т.е. представляющим собой части параболоида, фокальная окружность которого совпадает с излучающими центрами расположенных на ней светоизлучающих диодов. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к светотехнике, в частности к светосигнальным огням кругового обзора с пространственной световой сигнализацией преимущественно в верхнюю полусферу, например к заградительным светосигнальным огням, на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов. Заградительные светосигнальные огни предназначены для пространственной сигнализации, световой маркировки в составе аэродромных и вертодромных светосигнальных комплексов или светоограждения высотных и протяженных препятствий, которые могут ухудшать условия безопасности полетов самолетов и вертолетов ночью и днем в условиях плохой видимости.

Огни устанавливают на высотных и протяженных зданиях, промышленных трубах, мачтах, опорах линий электропередач и т.п. Светосигнальные огни красного, янтарного или зеленого цвета могут быть использованы для маркировки вертолетных площадок и рулежных дорожек аэродромов, в качестве навигационных знаков водных путей, а также в качестве сигнальных огней специальных транспортных средств, работающих в том числе в импульсном режиме.

Известно светосигнальное устройство кругового обзора [1], содержащее корпус с установленной на нем цилиндрической линзой Френеля, внутри которой смонтирована пластмассовая стойка в форме прямой протяженной восьмиугольной призмы (восьмигранник) с собранными на боковых гранях по окружности светоизлучающими диодами.

Недостатки устройства обусловлены сравнительно невысокой силой света и узкой диаграммой направленности излучения в вертикальной плоскости, обеспечивающей углы рассеяния не более 90^o.

В качестве прототипа выбран светосигнальный огонь [2], содержащий корпус с установленным на нем комбинированным защитным стеклом, крышкой и цилиндрической линзой Френеля, внутри которой в горизонтальных плоскостях по окружностям установлены два, три или более групп светоизлучающих диодов с радиально ориентированными оптическими осями, собранными на стойках цилиндрического кольцевого держателя.

Недостатки прототипа связаны с неудовлетворительными светотехническими параметрами устройства из-за того, что линза Френеля не обеспечивает широкое светораспределение огня в вертикальной плоскости (отсутствует излучение в зенит), что делает невозможным наблюдение его под всеми углами выше горизонта. Кроме того, конструкция устройства усложнена за счет применения линзы Френеля и комбинированного защитного стекла с крышкой.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение светотехнических и теплофизических характеристик при одновременном упрощении конструкции светосигнального огня.

Поставленная цель достигается тем, что в светосигнальном огне кругового обзора, содержащем корпус с защитным колпаком и установленные в нем на держателе две, три или большее количество групп светоизлучающих диодов, подключенных к средствам токоподвода, указанный держатель выполнен в виде арматуры с собранными на ней двумя, тремя или большим количеством полых, правильно усеченных пирамид с совпадающей продольной осью симметрии, на апофеме каждой из боковых граней которых смонтированы светоизлучающие диоды с оптическими осями, перпендикулярными указанным граням усеченных пирамид.

Поставленная цель достигается и тем, что каждая из боковых граней полых, правильно усеченных пирамид перпендикулярна оси, проходящей через расположенный на продольной оси симметрии огня единый оптический центр и излучающий центр установленного на ней светоизлучающего диода. Технический результат достигается также тем, что полые, правильно усеченные пирамиды установлены на арматуре держателя коаксиально в пределах угла при вершине нижней пирамиды и боковые грани каждой из них образуют каналы между собой для прохождения нагретого воздуха.

Достижению поставленной задачи способствует также то, что апофемы каждой из боковых граней с установленными на них светоизлучающими диодами, по крайней мере одной из полых усеченных пирамид, смещены вокруг предельной оси симметрии огня в плоскости, перпендикулярной указанной оси относительно апофем каждой из боковых граней другой полой усеченной пирамиды, в пределах половинного угла, составляющего величину 360^o/n, где n - количество граней нижней полой усеченной пирамиды.

Технический результат достигается тем, что нижняя полая правильно усеченная пирамида арматуры держателя для группы светоизлучающих диодов огня сопряжена нижним основанием с кольцевым, зеркально отражающим излучение вогнутым элементом, имеющим профиль параболы, фокальная окружность которой совпадает с излучающими центрами указанных диодов.

Достижению результата способствует и то, что наружная поверхность боковых граней каждой полой, правильно усеченной пирамиды покрыта зеркально отражающим излучение слоем, например, алюминия.

Цель достигается также тем, что полая, правильно усеченная пирамида выполнена в виде фигурной обечайки, установленной и изогнутой на ребрах усеченной пирамиды арматуры держателя.

Наиболее предпочтительные варианты исполнения устройства согласно предполагаемому изобретению показаны на чертежах.

Фиг. 1 - светосигнальный огонь кругового обзора, вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг. 2 - то же, что и на фиг. 1, вид сверху, сечение A - A.

Фиг. 3 - светосигнальный огонь кругового обзора с зеркально отражающим излучение кольцевым элементом, вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг. 4 - то же, что и на рис. 3, вид сверху.

Фиг. 5 - оптическая схема светосигнального огня (ход лучей в вертикальной плоскости).

Показанный на фиг. 1,2,3 и 4 светосигнальный огонь кругового обзора содержит корпус 1, изготовленный из алюминиевого сплава или подходящей пластмассы, перекрытый оптически прозрачным в выбранной области спектра, например в видимом спектральном диапазоне, защитным колпаком 2, установленным в оправке 3 через уплотнительную герметизирующую прокладку 4 и удерживаемым на оправке кольцевым элементом 5.

Оправка 3 с защитным колпаком 2 и кольцевым элементом 5 установлена, закреплена и герметизирована на корпусе 1 через уплотнение 6 при помощи шарнира и стягивающих болтов.

Внутри защитного колпака 2 на кольцевом элементе 5 собрана арматура съемного держателя 7, на котором смонтированы две (фиг. 1) три (фиг. 3) или большее количество групп светоизлучающих диодов, например две группы диодов 8 и 9. Арматура держателя 7 выполнена в форме образной скобы, на которой установлены две (фиг. 1), три (фиг. 3) или большее количество съемных полых, правильно усеченных пирамид 10 и 11 с совпадающей продольной осью симметрии, в частности для первого варианта (фиг. 1) выполненных в виде съемного полого, правильно усеченного восьмиугольника пирамида 10 (нижняя пирамида) и съемного полого, правильно усеченного тетраэдра 11 (верхняя пирамида).

На апофеме "ab" каждой из боковых граней усеченных пирамид 10 и 11 смонтированы преимущественно по одному, (но могут устанавливаться по два, три или более) светоизлучающему диоду 8 и 9 соответственно оптические оси F'O' которых перпендикулярны упомянутым боковым граням усеченных пирамид. Каждая из указанных граней в свою очередь перпендикулярна оси 00 (см. фиг. 5), проходящей через расположенный на продольной оси ZZ' симметрии огня единый оптический центр О и излучающий центр F', F'' или F''' установленного на ней светоизлучающего диода.

Верхняя усеченная пирамида 11 может быть установлена на самостоятельной арматуре съемного держателя 12, обеспечивая замену группы вышедших из строя светоизлучающих диодов 9 в процессе эксплуатации независимо от группы диодов 8, установленных на смежной усеченной пирамиде 10.

Полые, правильно усеченные пирамиды 10 и 11 со светоизлучающими диодами установлены в повторяющих их форму по периметру гнездах фигурных фланцев 13 и 14 держателей 7 и 12 соответственно и механически закреплены пружинными защелками 15 и 16.

Верхняя полая, правильно усеченная пирамида 11 может быть установлена и закреплена ребрами непосредственно на гранях нижней усеченной пирамиды 10 (на фиг. не показано).

Полые, правильно усеченные пирамиды 10 и 11 со светоизлучающими диодами установлены на арматуре держателя коаксиально в пределах угла ϕ_o при вершине нижней пирамиды (показано пунктиром на фиг. 1) и боковые грани каждой из них ориентированы к продольной оси симметрии огня ZZ' (фиг. 1) под углом ϕ_1/2, большим угла наклона ϕ_o/2 боковых граней нижней усеченной пирамиды 11. При этом боковые грани полых, правильно усеченных пирамид 10 и 11 образуют между собой каналы 17 для прохождения нагретого воздуха, т.е. для усиления конвективного теплообмена в процессе эксплуатации огня.

Апофемы "ab' каждой из боковых граней, с установленными на них светоизлучающими диодами 8 и 9 (см. фиг. и 2) или 18, 19 и 20 (см. фиг. 3 и 4), по крайней мере одной из полых усеченных пирамид, например 21, смещены вокруг продольной оси симметрии огня ZZ' в плоскости, перпендикулярной указанной оси (в горизонтальной плоскости) относительно апофем каждой из боковых граней другой полой усеченной пирамиды 22 и/или 23 в пределах половинного угла, составляющего величину 360^o/n, где n - количество граней нижней полой, правильно усеченной пирамиды.

В частности, в огне, показанном на фиг. 3 и 4, апофемы боковых граней полой девятиугольной усеченной пирамиды 22 смещены относительно апофемы аналогичной нижней пирамиды 23 на угол 20^o.

При использовании в конструкции огня светоизлучающих диодов с широким конусным пучком рассеяния излучения составляющего ≈ 60-120^o, нижнюю полую, правильно усеченную пирамиду 23 (см. фиг. 3 и 4) арматуры держателя указанных диодов 18 целесообразно сопрягать нижним основанием с кольцевым, зеркально отражающим излучение вогнутым элементом 24, имеющим профиль части параболы 25 (см. фиг. 5), т.е. образующим параболоидное кольцо, фокальная окружность которого совпадает со светящимися центрами F' указанных светоизлучающих диодов 18 (на фиг. 3 обозначено знаком +). Стрелками на всех чертежах показаны лучи, исходящие из светящихся центров светоизлучающих диодов, отраженные лучи от кольцевого элемента 24.

Полые, правильно усеченные пирамиды 10 и 11 (фиг. 1) и 21, 22, 23 (фиг. 3) арматуры держателей изготавливают преимущественно из теплопроводного материала, например, алюминия или его сплавов.

Это позволяет придать им также функции радиаторов охлаждения, обеспечивающих эффективный кондуктивный и конвективный теплообмен с окружающей средой, что важно для охлаждения мощных полупроводниковых светоизлучающих диодов.

Допускается изготовление полых усеченных пирамид также из теплостойкой пластмассы, в том числе из стеклотекстолита.

Полые, правильно усеченные пирамиды могут быть выполнены в виде фигурной обечайки, с механически закрепленными концами 26 (см. фиг. 4), установленной и изогнутой на ребрах усеченной пирамиды 23 арматуры держателя. В обоих случаях наружную поверхность боковых граней каждой полой, правильно усеченной пирамиды покрывают зеркально отражающим слоем, например, алюминием, отражающим рассеянное излучение, исходящее от стенок защитного колпака 2.

Оба варианта исполнения устройства предусматривают электрическое последовательно-параллельное соединение цепочек (по 4 светоизлучающих диода для варианта, показанного на фиг. 1 и 2, и по 6 диодов для варианта, показанного на фиг. 3 и 4) методом печатного монтажа на панелях гибкого фольгированного стеклотекстолита (не показано) с подключением их к средствам токоподвода 27 к преобразователю 28 питающей сети.

В качестве светоизлучающих диодов 8 и 9 могут быть использованы мощные диоды серии HPWL - ВД01 фирмы HEWLETT PACKARD с углом рассеяния 2Θ_0,5 = 120^o с лепестковыми токовыми выводами, либо мощные диоды типа У-266Б ОООНПЦ "ОПТЕЛ" (Россия) с проволочными выводами. Во всех случаях токоподводы изолируют на несущих усеченных пирамидах теплостойкими проводами с фторопластовой оболочкой и подключают их к изогнутым панелям печатного монтажа.

Предложенные светосигнальные огни подключают к промышленной сети переменного тока 220 В, 50-60 Гц либо к источнику постоянного тока напряжением 12-48 В.

Огни работают следующим образом. При подаче электропитания светоизлучающие диоды генерируют световые пучки, преимущественно конусной конфигурации, которые пересекаются (см. фиг. 5) главным образом на "хвостах" кривой светораспределения каждого диода или накладываются со смещением, заполняя излучением верхнюю полусферу (ход лучей показан стрелками). При использовании предложенных огней кругового обзора в качестве заградительных огней обеспечивается формирование кривой светораспределения огней с высокой равномерностью в пределах от зенита до 5^o, ниже горизонта с силой света не менее 10 кд.

Использование кольцевого, зеркально отражающего излучение параболического элемента 24 (фиг. 3 и 4) или 25 (фиг. 5) позволяет перераспределить (показано стрелками) часть светового потока из нижней полусферы в зону от 4 до 15 выше горизонта, увеличив таким образом силу света в указанных углах при использовании ранее упомянутых светоизлучающих диодов до 12-15 кд, Монтаж мощных светоизлучающих диодов 8 и 9 (фиг. 1 и 2) или 18, 19 и 20 (фиг. 3 и 4) в тепловом контакте с плоскими гранями полых, правильно усеченных пирамид 10, 11 и 21, 22, 23 соответственно обеспечивает высокий теплосъем и рассеивание тепла на стенках указанных пирамид, выполненных из теплопроводного материала.

Расположение усеченных пирамид с образованием каналов 17 между их боковыми гранями усиливает эффективность охлаждения за счет конвективного теплоперекоса.

Таким образом, светотехнические характеристики светосигнальных огней улучшены за счет фиксированной и правильно распределенной пространственной ориентации оптических осей светоизлучающих диодов в верхней полусфере, а также в результате использования в конструкции кольцевого, зеркального отражающего элемента и зеркализованных наружных граней усеченных пирамид.

Теплофизические параметры огней улучшены за счет более эффективного теплосъема источников тепловыделения и светоизлучающих диодов, находящихся в тепловом контакте с арматурой держателей и рассеивания тепла в окружающую среду.

Наряду с этим, упрощена конструкция огня в результате применения в качестве арматуры держателей светоизлучающих диодов полых, правильно усеченных пирамид и более простого защитного колпака, обеспечивающих требуемое пространственное светораспределение огня в верхнюю полусферу.

Литература 1. Л. Коган. Дальнейшее развитие оптоэлектронных приборов. Приложение к журналу "ЭК" "Новые компоненты", N 4 (7), 1998 г.

2. Патент США N 5224773, кл. F 21 V 5/02, нац. кл. 362-227, опубл. 06.07.93 г.

Формула изобретения

1. Светосигнальный огонь кругового обзора, содержащий корпус с защитным колпаком и установленные в нем на держателе два, три или большее количество групп светоизлучающих диодов, подключенных к средствам токоподвода, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде арматуры с собранными на ней двумя, тремя или большим количеством полых правильно усеченных пирамид с совпадающей продольной осью симметрии, на апофеме каждой из боковых граней которых смонтированы светоизлучающие диоды с оптическими осями, перпендикулярными указанным граням усеченных пирамид.

2. Светосигнальный огонь по п.1, отличающийся тем, что каждая из боковых граней полых правильно усеченных пирамид перпендикулярна оси, проходящей через расположенный на продольной оси симметрии огня единый оптический центр и излучающий центр установленного на ней светоизлучающего диода.

3. Светосигнальный огонь по п.1 или 2, отличающийся тем, что полые правильно усеченные пирамиды установлены на арматуре держателя коаксиально в пределах угла при вершине нижней пирамиды и боковые грани каждой из них образуют между собой каналы для прохождения нагретого воздуха.

4. Светосигнальный огонь по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что апофемы каждой из боковых граней с установленными на них светоизлучающими диодами, по крайней мере одной из полых правильно усеченной пирамиды в пределах половинного угла, составляющего величину 360^o/n, где n - количество граней вышеуказанной нижней усеченной пирамиды.

5. Светосигнальный огонь по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что нижняя полая правильно усеченная пирамида арматуры держателя для группы светоизлучающих диодов огня сопряжена нижним основанием с кольцевым зеркально отражающим излучение вогнутым элементом, имеющим профиль параболы, фокальная окружность которого совпадает с излучающими центрами указанных диодов.

6. Светосигнальный огонь по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что наружная поверхность боковых граней каждой полой правильно усеченной пирамиды покрыта зеркально отражающим слоем, например, алюминием.

7. Светосигнальный огонь по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что каждая полая правильно усеченная пирамида выполнена в виде фигурной обечайки, установленной и изогнутой на ребрах усеченной пирамиды арматуры держателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5