基于OLED光源新型巷道防爆照明燈具開發(fā)

翟正成

（南京科工煤炭科學技術(shù)研究有限公司 江蘇省南京市 210018）

1 概述

近年以及未來幾年，煤炭仍將占據(jù)一次能源消耗一半以上，而煤礦開采中井工開采長期占比近90%。因此，我國煤礦井下照明對我國煤礦安全生產(chǎn)、節(jié)能技術(shù)發(fā)展方向來看，我國煤礦井下的照明場所環(huán)境惡劣、復雜多變，井下照明仍然是制約煤礦現(xiàn)代化、自動化以及智能化發(fā)展的瓶頸之一，照明設備的質(zhì)量也是安全生產(chǎn)、職工健康的直接隱患。井工煤礦基本均為地下開采，照明光源必然由照明系統(tǒng)和燈具提供，因此，井下龐大的照明系統(tǒng)是礦井作業(yè)不可或缺的組成部分。

礦山照明光源是礦山機電行業(yè)中的重要組成部分，目前，煤礦井下仍普遍采用傳統(tǒng)的第三代照明光源，如白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈等。該類型照明燈具存在諸多缺點：功率消耗較高，發(fā)光元件壽命較短，不能提供大面積光源，長時間光照易眩暈且不均勻。OLED 照明技術(shù)作為第四代新型光源已經(jīng)逐步進入實際應用，采用OLED 新型光源技術(shù)是當前防爆照明設計領域廣泛關(guān)注和研究的熱點[1]。特別是近年來，新材料和制造工藝的大幅進步，使得OLED推廣應用前景變得日趨廣闊。

綜上所述，針對目前煤礦井下照明及應急指示的缺陷，南京科工煤研公司提出基于OLED 光源現(xiàn)代化礦井巷道綠色照明及應急指示系統(tǒng)的研究。該課題的研究在滿足井下復雜生產(chǎn)工況的光源需求前提下，結(jié)合新型OLED 光源技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、安全綠色照明，同時龐大的井下照明系統(tǒng)減少了運營成本，對提高礦井建設的經(jīng)濟效益和現(xiàn)代化程度具有積極的現(xiàn)實意義。

2 結(jié)構(gòu)設計

課題所開發(fā)的巷道防爆照明燈具在總體結(jié)構(gòu)設計上采用各腔體（含電源腔、光源腔、接線腔）分開獨立設計原則，外觀上突出美觀、輕便的結(jié)構(gòu)特色。設計過程中，根據(jù)OLED 光源的功率進行熱仿真分析，通過評估和計算獲得整套燈具的散熱面積，加工制作整體采用壓鑄鋁工藝。由于OLED 光源為面發(fā)光結(jié)構(gòu)，所以燈具無需進行二次配光設計，以OLED 自然發(fā)光即可，為了達到防爆性能，采用較厚的防爆鋼化玻璃作為燈具的透明罩。

電源采用內(nèi)置安裝，在電源腔體內(nèi)設計接線端子安裝位置和輸入線纜固定機構(gòu)，設計預留內(nèi)接地螺釘，見圖1。

2 電氣設計

礦井照明燈具需防爆，電源設計原理上采用現(xiàn)代開關(guān)電源技術(shù)：

（1）井下生產(chǎn)為連續(xù)作業(yè)，照明燈具不間斷運行，為盡可能降低對生產(chǎn)的影響，驅(qū)動電源設計首先應滿足高可靠性；

（2）設計采用高效率驅(qū)動，高功效伴隨低耗損，也會有益于燈具的溫升緩。高功率因數(shù)設計對延緩OLED 的光衰能提供同步的輔助作用；

（3）電源設計采用127V/AC 交流寬電壓輸入，經(jīng)過整流、濾波以及PFC 電路。

圖1：電源腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：OLED 芯片串并電氣原理圖

圖3：燈具散熱路徑及溫度分布示意圖

煤礦井下由于采深和采煤工作面的移動、機電設備量大面廣等原因，具有電壓波動范圍大、電網(wǎng)負載的頻繁啟甩侵入各種浪涌等特點，因此在照明燈具電路設計中，由于OLED 抗浪涌能力差，這方面的保護尤為重要，特別是抗反向電壓能力等。因此OLED 驅(qū)動電源必須抑制浪涌的侵入，保護光源不受沖擊損壞[2]。除電源常規(guī)保護功能外，在恒流輸出中設計有光源面板溫度反饋，避免溫度過高。

表1：燈具性能測試表

OLED 屬于電流型器件，課題所選用光源產(chǎn)品的規(guī)格說明書注明：最大驅(qū)動電流必須≤260mA。在考慮驅(qū)動電流對燈具溫升的影響下，為了達到防爆照明燈具的整燈功率，可以選用幾組OLED 光源串并來實現(xiàn)電氣連接。目前的OLED 輸出功率仍較小，要滿足大功率照明燈具需求，設計采用將若干個小功率OLED 芯片通過串并組合形成平板模組，達到整體較高功率面發(fā)光的效果，其內(nèi)部電氣原理圖如圖2所示。

煤礦井下環(huán)境惡劣、潮濕陰暗、霧氣粉塵大，對光源的色溫要求以冷白光為佳，所以色溫段選在2750-5700K 之間的光源。

3 燈具的散熱設計

已有的研究和實驗證明，照明燈具在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，近八成的電能直接轉(zhuǎn)化為熱能而白白浪費。OLED 光譜中，除紅外波段靠輻射散出熱量，其余光譜段產(chǎn)生的熱量主要以傳導方式釋放。根據(jù)光和電功率的能量守恒當量關(guān)系，OLED 燈具光效的提高不僅僅是考慮光通量的提高多少的問題，更重要的白白浪費的熱能很可能會引起結(jié)溫過高，導致光衰加大，熒光粉失效等問題，最終導致燈具壽命的急劇縮短。另一方面OLED 光源的芯片體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，局部熱流密度大，熱量集中不宜釋放，只能通過芯片底部的支架向外傳導[3]。所以解決好OLED 燈具的散熱問題是燈具設計中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

大功率OLED 主要的散熱路徑如圖3所示，從圖中可以看出，OLED 工作中產(chǎn)生的熱是從溫度較高的管芯處向溫度較低的燈殼體等外部環(huán)境逐步擴散的過程。一般情況下OLED 的結(jié)溫必須小于85℃，才能保證其正常持續(xù)的工作。所以設計時應盡可能的增加殼體的散熱通道和散熱面積，來減少熱阻，降低燈具結(jié)溫。減少熱阻除了提高殼體，支架等散熱材料的導熱系數(shù)外，更重要的是使結(jié)構(gòu)銜接部分接觸充分，通過導熱填補材料來進行無縫銜接，所以這就要求用來填補的導熱材料也要具有較高的導熱系數(shù)。

3.1 OLED光源的固定和散熱設計

OLED 光源采用有機封裝，芯片在薄玻璃基材上封裝，比較脆弱，所以安裝時不能再用金屬結(jié)構(gòu)件硬連接，而且涉及到光源自身的散熱問題，必須采用導熱較好的非金屬材料來連接。通過對目前市場上幾種可用于基于OLED 光源組合燈具高性能導熱材料的參數(shù)比較，并模擬使用工況進行方案類比，最終選用了導熱系數(shù)高、適應性好、安全可靠的導熱硅脂作為結(jié)構(gòu)件固定材料。

4 試制情況

4.1 試制情況

新型礦用OLED 巷道燈具作為煤礦井下巷道的照明和應急的防爆燈具，適用于煤礦井下峒室、大巷道、車場裝載站、變電所、泵房等范圍的照明、應急標志指示等。該機結(jié)構(gòu)設計及圖紙繪制工作于2019年7月完成，隨后試制小組開始對該設備整套圖紙進行了工藝審查，根據(jù)工廠實際情況和生產(chǎn)條件，針對圖樣、零件結(jié)構(gòu)工藝合理性、毛坯選擇等有關(guān)技術(shù)方面的問題進行了交流和探討，對不合理的地方提出了工藝技術(shù)改進措施，編制了技術(shù)工藝文件，完成了全面技術(shù)準備和生產(chǎn)準備工作。2019年8月樣機生產(chǎn)試制計劃正式下達，由我所科研產(chǎn)品試制工廠進行樣機試制，2019年末完成樣機試制工作。巷道照明和應急指示燈兩款產(chǎn)品的殼體均為壓鑄鋁合金結(jié)構(gòu)，通過精密壓力鑄造模具實現(xiàn)，共有模具9 套。

4.2 性能試驗

樣機組裝完成后通電連續(xù)運行48 小時，按照MT221-2005 標準規(guī)定的各項性能試驗要求進行測試，經(jīng)測試，各項技術(shù)指標符合標準要求，見表1。

5 結(jié)論

隨著現(xiàn)代化礦井的發(fā)展，安全、智能、節(jié)能、綠色已經(jīng)成為當前煤礦發(fā)展的長期主題。為了配合現(xiàn)代化智能綠色礦井的發(fā)展，基于OLED 光源現(xiàn)代化礦井巷道綠色照明及應急指示系統(tǒng)的研究具有以下的優(yōu)勢：

（1）OLED 光源接近自然光，健康環(huán)保的光線，有助于保護工人的身心健康；

（2）OLED 光源采用面光源代替原有點光源，發(fā)光效率更高，從而節(jié)省消耗的能源；

（3）OLED 光源溫升小，提高井下照明安全和使用壽命；

（4）OLED 光源應急指示視覺明顯，待電時間長，對井下緊急避險路線的指示具有重要作用。