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异型光腔结构在消防疏散指示灯具中的应用

2024-06-05 57 上传者：管理员

摘要：在消防应急疏散指示系统中，消防应急疏散指示灯具是发生火灾时，辅助被困人员快速撤离到安全指定位置的重要保障，因此消防应急疏散指示灯具的可靠性、亮度至关重要，传统应急疏散指示灯具存在工艺繁琐，故障率较高，安装维修不便，亮度不均匀等问题。针对上述问题，提出单侧光源和双侧光源两种异型光腔结构，此结构应用在不同场合的消防应急疏散指示灯具产品中，可有效改善现有应急疏散指示灯具产品的不足，并且能降低成本，安装维修简便，具有良好的匀光效果，显著提升灯具性能。

关键词：
匀光
异型光腔
快速撤离
消防应急疏散指示系统
疏散指示灯具
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随着社会的发展，豪华的宾馆、酒店、大型商场、写字楼、客运站、地铁等人员密集场所不断增加，这些场所由于建筑物层数较高，单层面积大，人员密集，疏散距离远，疏散通道较多，环境复杂等原因，当火灾发生时，火灾现场的供电系统就会被切断。此时，便需要消防应急疏散指示系统，其中消防应急疏散指示灯具的作用尤为突出，它是发生火灾时，辅助被困人员快速撤离到安全指定位置的重要保障，因此应急疏散指示灯具的可靠性、亮度至关重要。

1、传统应急疏散指示灯具的现状与不足

目前，在消防应急疏散指示灯具领域中光源方式主要采用导光板结构，将光源板用胶带固定在一块透明的导光板上，并在导光板的正面贴上光扩散片，背面贴上反光纸，并将导光板用热熔胶或胶带纸固定在灯具外壳上。此操作异常繁琐，并且光亮度效果一般，维修极不方便。

2、消防应急疏散指示系统设计依据

国家消防产品设计标准GB17945―2010《消防应急照明和疏散指示系统》（以下简称《设计标准》）；国家消防产品系统设计，施工，系统调试，系统检测与验收及系统运行维护标准GB51309―2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》（以下简称《技术标准》）。

3、异型光腔结构设计

为了解决现有技术的不足，本文设计了两种专门用在消防应急疏散指示灯具中的异型光腔结构。能够改善现有消防应急疏散指示灯具产品操作异常繁琐，并且光亮度效果一般，维修极不方便的问题，能降低成本，并且安装、维修简便，提升光的利用率和均匀性。

3.1 异型光腔结构设计与构成

由于光的传播是随光线传播距离的平方而线性衰减，即光线与距离平方成反比关系，在一个腔体内，光线传播得越远端亮度越低，并且根据光线的折射原理，体现在扩散面板上光亮度均匀性也不相同，以发光角度为120°的常见LED灯珠为例，它在常规光腔内通过反射后，反应在面板上明显存在亮暗之分，其中靠近光源的部分由于光线多且传输距离短，衰减较小，亮度较高。而光腔内部最远端，因为光线汇聚，形成多次反射，最终体现在面板上也存在一个小的高亮区域，而中间一部分则因为传输距离的衰减，加上光线反射角度比较大，体现在面板上就形成暗区，如图1所示。

图1 常规光腔结构光线反射图

根据以上特点设计的异型光腔结构，通过暗区的起始位置，判断出光线衰减的起始位置，同时根据不同的灯珠特性，通过结构调整改变，使光线折射后走的总路程缩短，以减少光线衰减，使光线在照射到暗区时，改变反射角度，使其集中且均匀地汇聚到面板上，如图2所示。

图2 异型光腔结构光线反射图

根据消防应急疏散指示灯具的特点、灯具的尺寸、结构以及使用LED灯珠参数等不同因素，异型光腔结构分为两种：单侧光源光腔结构和双侧光源光腔结构。

3.1.1 单侧光源光腔结构

单侧光腔结构包括光腔体1、光源板2、匀光面板3，如图3所示。

图3 单侧光源光腔结构

光腔结构设计为注塑一体成型，光腔体内部采用单侧渐变的异型光腔设计，如图4所示。

图4 单侧光源光腔结构

首先需要固定光源位置，光源板通过卡槽与光腔体紧密连接，光源是决定光腔体形状的主要因素，面板设计为透光率高的一体结构，面板要与光腔体正面压紧形成一个完整腔体，不能存在漏光的情况，光腔体由平面加依次递增多段斜面、曲面和多段弧面构成，根据光线随距离增大而衰减情况，将光源远端的结构设计为逐渐增高的多段曲面，提升漫反射的情况下，减少光源远端腔体与面板之间的距离，可将杂乱的光线统一折射到正面匀光面板上，有效保证整个腔体的亮度均匀性。

具体使用方式：此异型光腔结构，适用于单侧光源的消防应急疏散灯具产品，可根据灯具实际所需尺寸调整光腔大小及平面、多段斜面、曲面和多段弧面的长度，以达到提升亮度，光线均匀的目的。

3.1.2 双侧光源光腔结构

双侧光源光腔结构包括光腔体1、光源板2、匀光面板3，如图5所示。

图5 双侧光源光腔结构

光腔结构设计为注塑一体成型，光腔体内部采用中间突起逐渐向两侧渐变的异型光腔设计，如图6所示。

图6 双侧光源光腔结构

同样，这种结构也需要先固定好两侧光源，面板要与光腔体正面压紧形成一个完整腔体，这种结构的光腔体由平面加中间突起及向两端依次递减的多段斜面、曲面、多段平滑过渡圆弧面构成，根据光线的衰减情况，将两侧光源的最远端，即中间位置的结构设计为逐渐增高的多段曲面，提升漫反射的情况下，减少光源远端腔体与面板之间的距离，将杂乱的光线统一折射到正面匀光面板上，有效保证整个腔体的亮度均匀性。

使用方式：此异型光腔结构，适用于尺寸较大或者光源亮度低、照射距离短的需要双侧光源的消防应急疏散灯具产品，可根据光源情况和灯具实际所需尺寸调整光腔大小及中间突起、两端的多段斜面、曲面、多段平滑过渡圆弧面的长度和高度，以达到提升亮度，光线均匀的目的，两侧光源板可根据灯具形状的不同需求安装在正面或背面。

3.2 异型光腔结构在消防应急疏散指示灯具中的应用

在《设计标准》中规定，使用绿色或红色图形构成标志的标志灯，其标志表面最小亮度不应小于50cd/m2，最大亮度不应大于300cd/m2。这个范围其实非常大，50cd/m2和300cd/m2两者亮度差为250cd/m2，这个亮度差异其实是非常明显的。而消防应急疏散灯具产品在符合国标要求的前提下，首先是一款产品，因此考虑实际的使用环境和场所，应当尽量做到表面亮度均匀，通常设计的表面亮度范围一般在130cd/m2和180cd/m2之间，以保证均匀性，因此使用异型光腔结构能有效解决此问题。

3.2.1 单侧光源光腔结构在消防应急疏散指示灯具中的应用

本应用实例为一款光腔结构的中型壁挂型消防应急标志灯产品，根据《技术标准》中关于安装要求的规定：室内高度小于3.5m的场所，应选择中型或小型标志灯，并且应设置走道、楼梯两侧距地面、梯面高度1m以下的墙面、柱面上。从视觉上，此灯具需要俯视，更易看到灯珠直射的光线，因此对亮度均匀性要求较高。

此款灯具结构采用一体式注塑背板和一体式线路板、光扩散板及金属外壳的卡接式结构构成，设计时考虑灯具安装位置及结构特点，采用单侧光源光腔结构，如图7所示，将异形光腔结构设计在背板的光腔体内部，并根据灯具的实际需求设计为三个异型光腔结构，线路板设置在灯具光腔内部，贯穿三个光腔，同时又通过卡槽式结构设计使三个光腔各自独立，以满足灯具在需要变换方向时，各区域之间互不干涉；金属外壳和背板通过卡扣连接，使整灯达到无螺钉装配工艺，灯具结构简单，组装维修方便，灯具从多角度进行亮度测试，亮度范围在140cd/m2和165cd/m2之间，最高亮度和最低亮度差值为25cd/m2，亮度非常接近，满足亮度需求，视觉上达到亮度均匀的目的。

图7 单侧光源光腔结构应用实例

3.2.2 双侧光源光腔结构在消防应急疏散指示灯具中的应用

本应用实例中为一款IP67防水型光腔结构的地面安装消防应急标志灯产品，根据《技术标准》中关于安装要求的规定：地面安装的灯具，需要使用4mm以上厚度的钢化玻璃来作为灯具面板，并且防护等级需达到IP67。由于此灯具安装在地面，考虑实际现场使用情况和灯具强度要求，此款灯具选用8mm的钢化玻璃，此款灯具与上一款灯具相比，设计时还需考虑光线通过玻璃的折射效果，因此对亮度均匀性要求更高。

此款灯具结构由面板、密封件、指示箭头、光腔体、光源板、控制板、底壳组成，整灯通过面板、密封件、指示箭头与底壳之间螺钉紧固，达到IP67防护水平，光腔体位于灯壳内部，为一体式注塑成型。由于此款灯具为双箭头设计，需要两个独立光腔独立控制，因此设计为双侧光源光腔结构，如图8所示。加上防护等级要求较高，线路板需要灌胶处理，因此在设计光腔时将光源板、控制板同时设计光腔体背部的灌胶槽内，这样正面光腔内只留有灯珠，通过结构设计形成两个相互独立的异型光腔，可同时、单独进行亮灭控制，灯具在保证防护等级达到IP67的同时，多角度进行亮度测试，亮度范围在130cd/m2和145cd/m2之间，最高亮度和最低亮度差值仅为15cd/m2。由于双侧光源设计，亮度较单侧光源均匀性更好，也能更好地满足亮度需求。

图8 双侧光源光腔结构应用实例

4、结束语

针对传统的消防应急疏散指示灯具的现状与存在的种种问题，本文提出两种异型光腔结构，根据应用场合及灯具尺寸等因素，设计单侧光源和双侧光源两种结构形式，在光线衰减位置，通过结构调整改变，使光线在照射到暗区时，改变反射角度，使其集中且均匀的汇聚到灯具面板上，并在光腔结构的中型壁挂型标志灯和防水型光腔结构的地面安装标志灯两款产品对此种光腔结构进行实际应用。通过最终的实验结果表明，两款灯具亮度在满足国标要求的前提下，最高亮度和最低亮度差值非常小，均匀性更好，能有效解决现有应急疏散指示灯具产品存在的不足，同时可以降低故障点，适应不同场合的实际需要，实用性和适用性较强。

参考文献:

[1]GB 17945-2010消防应急照明和疏散指示系统[S].2010.

[2]GB 51309-2018消防应急照明和疏散指示系统技术标准(附条文说明)[S].2018.

文章来源:李德春,狄国,武鑫.异型光腔结构在消防疏散指示灯具中的应用[J].电器工业,2024(06):54-57.