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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchte, insbesondere eine Tunnelleuchte,
mit einem Leuchtmittel, vorzugsweise in Form zumindest einer LED,
sowie einer vorbestimmten zulässigen Grenzbetriebstemperatur.
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Um
in einem Tunnel die Sicherheit auch bei Unfällen und im Brandfall zu gewährleisten,
müssen Tunnelleuchten
eine hohe thermische Belastbarkeit besitzen, um auch bei sehr hohen
Temperaturen über einen
ausreichenden Zeitraum eine Beleuchtung des Tunnels aufrecht zu
erhalten. So besteht beispielsweise in Österreich für Tunnels die Vorschrift, die Tunnelbeleuchtung
so auszuführen,
dass sie im Brandfall bei einer Umgebungstemperatur von 250°C noch mindestens
eine Stunde mit mindestens 25% der vollen Beleuchtungsstärke weiter
in Funktion bleibt.
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Diese
geforderte, hohe thermische Belastbarkeit stellt eine extreme Hürde für Tunnelleuchten dar,
da die normal verwendeten Bauteile und Lampen dieser Hitze im Allgemeinen
nicht standhalten und ihre Funktion aufgeben. In der Regel werden
für Tunnelbeleuchtungen
bisher entweder Natriumdampflampen, die als Einzelleuchten mit großen Abständen angeordnet
werden können,
oder Leuchtstofflampen, die mehr oder weniger durchgehende Lichtbänder bilden
können,
verwendet.
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Bezüglich der
thermischen Belastbarkeit ist jedoch nicht das Leuchtmittel alleine
entscheidend. Die geforderte thermische Belastbarkeit muss auch von
den anderen Leuchtenbauteilen erreicht werden, um die geforderte
Beleuchtungsstärke
im Brandfall sicherstellen zu können.
Im Brandfall müssen
sowohl die Leuchtmittel inklusive elektrische Betriebsgeräte wie z.
B. Drossel, Ballast, Zündgeräte, Trafos
etc. als auch das gesamte Zubehör
umfassend Lötstellen, kunststoffisolierte
Leitungen, Klemmen, Dichtmaterialien, elektronische Teile etc. vor
der großen
Hitze geschützt
werden bzw. entsprechend temperaturresistent ausgebildet werden.
Dabei muß nicht
nur eine tatsächliche
Zerstörung
der Bauteile ausreichend lange vermieden werden, sondern es muß auch ein übermäßiger Abfall
der Beleuchtungsstärke
vermieden werden, um im Tunnel ausreichende Beleuchtung im Sinne
einer Notbeleuchtung sicherzustellen, die eine Flucht oder Rettungsmaßnahmen
ermöglicht.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine verbesserte Leuchte, insbesondere Tunnelleuchte, der genannten
Art zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeidet
und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere
soll mit einfachen Mitteln in kostengünstiger Weise eine für den Brandfall ausreichende
thermische Belastbarkeit der Leuchte erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Leuchte gemäß Anspruch
1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik wird nicht länger der Weg verfolgt, die
einzelnen Leuchtenbausteine selbst durch entsprechende Materialwahl
oder Ummantelungen hoch temperaturfest zu machen, sondern stattdessen
die Wärme
in einer Wärmesenke
sozusagen einzufangen und von den temperaturgefährdeten Bauteilen ausreichend
lange fernzuhalten, um deren Temperatur über eine ausreichende Zeit
ausreichend niedrig zu halten. Erst bei Überlaufen der Wärmesenke
nach übermäßig langer bzw.
großer
Wärmezufuhr
gelangt diese auf die gefährdeten
Bauteile. Erfindungsgemäß ist ein
Wärmespeicher
umfassend einen Phasenwechsler vorgesehen, dessen Phasenwechseltemperatur
von fest auf flüssig
und/oder von flüssig
auf gasförmig
unterhalb der zulässigen
Grenzbetriebstemperatur der Leuchte liegt. Ein solcher Wärmespeicher
saugt sozusagen die im Brandfall auf die Leuchte einwirkende Wärme auf,
wodurch eine Erhitzung der Leuchte bzw. ihrer Bauteile über die
jeweils zulässige
Grenztemperatur verhindert wird. Durch die Verwendung eines Phasen wechselnden
Materials für
den Wärmespeicher
kann eine extrem hohe Wärmemenge
bei gleichbleibender Temperatur absorbiert werden, bis der Wärmespeicher
sozusagen seine bei bestimmter Phasenwechseltemperatur gegebene
latente Aufnahmekapazität erreicht
hat und einen Temperaturanstieg der Leuchte zulässt.
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Diesem
Ansatz liegt die Überlegung
zugrunde, dass die Energie bzw. Wärme, die in einem Brandfall
bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 250°C in die
Leuchte eindringt, in einer Größenordnung
liegt, die relativ leicht mit einem Wärmepuffer aufzufangen ist (z.
Bsp. bei Wasser 2257 kJ/kgK). Es zeigt sich, dass auch bei nur geringer oder
gar fehlender Isolierung des Leuchtengehäuses und/oder des das Leuchtmittel
abdeckenden Abdeckglases die Energie bzw. Wärme, die in die Leuchte aufgrund
der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen eindringt, eine Größenordnung
hat, die relativ leicht mit Hilfe eines geeigneten Wärmespeichermediums
bzw. Wärmepuffers
abgefangen werden kann. Vorteilhafterweise ist dabei eine gute thermische
Ankopplung der thermisch kritischen inneren Leuchtenteile, insbesondere
der Lampe, an den Wärmespeicher
und/oder eine thermische Abkopplung der inneren Leuchtenteile, insbesondere der
Lampe, vom Gehäuse
gegeben, so dass verhindert werden kann, dass sich das Leuchteninnere bzw.
die Leuchtenbauteile, insbesondere die Betriebsgeräte, die
das Leuchtmittel steuernden und/oder energieversorgenden Bauteile
wie elektronische Bauteile, Leiterplatten und dergleichen sowie Lötstellen,
kunststoffisolierte Leitungen, Klemmen, Dichtmaterialien, etc. wesentlich über die
Phasenwechseltemperatur des Wärmespeichers
aufheizen.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Leuchte ein Leuchtengehäuse, das zumindest ein Leuchtmittel, vorteilhafterweise
aber auch weitere Leuchtenbauteile umschließt und vor äußeren Einwirkungen schützt. Dabei
ist vorteilhafterweise in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
dass der zuvor genannte Wärmespeicher
im Innenraum des genannten Leuchtengehäuses angeordnet ist. Hierdurch
geht die in das Leuchtengehäuse
eindringende Wärme
in den als Wärmesenke
dienenden Wärmespeicher,
bevor sie die temperaturkritischen Leuchtenbauteile aufheizen kann.
Vorteilhaft kann es hierbei sein, zwischen den temperaturkritischen
Bauteilen und dem Gehäuse tunlichst
keine Wärmebrücken vorzusehen
und/oder den Wärmespeicher
möglichst
gut thermisch an diese temperaturkritischen Bauteile anzukoppeln,
so daß die
das Gehäuse
aufheizende und/oder in das Gehäuse
eindringende Wärme
erst in den als Wärmesenke
fungierenden Wärmespeicher
strömt
bevor die temperaturgefährdeten
Bauteile aufgeheizt werden.
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Als
Wärmepuffer
sind grundsätzlich
verschiedene Stoffe geeignet, deren Phasenwechseltemperatur von
fest auf flüssig
bzw. von flüssig
auf gasförmig
in einem Bereich liegt, der für
den Innenraum der Leuchte geeignet ist, insbesondere ausreichend
weit unterhalb der zulässigen
Grenzbetriebstemperatur der Leuchte liegt. Die zulässige Grenzbetriebstemperatur
hängt dabei
von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere ist die Haltbarkeit
der Materialien und das Lichtstromverhalten des verwendeten Leuchtmittels
zu berücksichtigen.
Bezüglich
des genannten Lichtstromverhaltens ist zu beachten, dass alle Lampen
grundsätzlich
mit zunehmender Umgebungstemperatur weniger Lichtstrom abgeben, bevor
sie ihre Funktion aufgeben.
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Vorteilhafterweise
können
beispielsweise LEDs verwendet werden, die durchaus eine Temperatur
von weit über
100°C aushalten,
wobei jedoch bei derartigen LEDs der Lichtstrom bei solch hohen Umgebungstemperaturen
stark abnehmen kann, so dass er nicht mehr die erwünschte Beleuchtungsstärke im Tunnel
erzeugt.
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Das
als Wärmespeicher
fungierende, phasenwechselnde Material wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit
der zugelassenen Grenzbetriebstemperatur gewählt, vorteilhafterweise derart,
dass die Phasenwechseltemperatur zumindest 10°C, vorzugsweise zumindest 30°C unter der
genannten zulässigen
Grenzbetriebstemperatur liegt. Vorteilhafterweise kann die Phasenwechseltemperatur
auch 50°C
oder mehr unter der genannten Grenztemperatur, die für die Leuchte
zugelassen wird, liegen. Je besser die thermische Ankopplung der
kritischen Teile an den Wärmespeicher,
desto kleiner kann diese Temperaturdifferenz zur Grenzbetriebstemperatur sein
und ggf. auch weniger als 10°C
betragen.
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Für den Fall,
dass der zuvor genannte Lichtstromrückgang von beispielsweise LEDs
verkraftbar ist, und demzufolge Temperaturen von ca. 100°C zulässig sind,
kann als Phasenwechsler vorteilhafterweise ein Wasserreservoir vorgesehen
bzw. Wasser als Puffermedium verwendet werden. Wasser hat eine Verdampfungstemperatur
von ca. 100°C
und eine extrem hohe latente Wärmespeicherfähigkeit (2257
kJ/kgK), wodurch sich Wasser grundsätzlich sehr gut als Wärmespeicher
eignet.
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Die
Größe des Wasserreservoirs
kann grundsätzlich
verschieden gewählt
sein und an die Gegebenheiten der Leuchte und auch die Anforderungen
an die zeitliche thermische Belastbarkeit angepaßt werden. Nach einer vorteilhaften
Ausführung der
Erfindung kann eine Wassermenge von 0,5 bis 1,5 Liter in dem Reservoir
gespeichert sein, wobei bei ggf. sehr langer gewünschter Standzeit, die die Leuchte
die thermische Belastung aushalten muß, ggf. auch mehr als 1,5 Liter,
oder bei ggf. kürzeren
erforderlichen Standzeiten auch weniger als 0,5 Liter gespeichert
werden kann.
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Ist
eine Leuchteninnenraumtemperatur von 100°C zu hoch, beispielsweise weil
der Lichtstrom zu stark abfällt,
kann jedoch auch auf andere und/oder zusätzliche Wärmespeichermedien zurückgegriffen werden.
Insbesondere können
hierbei sog. PCMs, also Phase Change Materials Verwendung finden, die
eine niedrigere Phasenwechseltemperatur als Wasser besitzen. Dies
können
geignete Flüssigkeiten, jedoch
auch geignete Feststoffe sein. Insbesondere können in vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung als Phasenwechsler Paraffine eingesetzt werden, deren
Schmelztemperatur je nach Zusammensetzung zwischen 20°C und 60°C liegen
kann. Derartige Phasenwechsler, insbesondere Paraffine, können grundsätzlich in
verschiedener körperlicher
Ausbildung vorliegen und in die Leuchte integriert bzw. eingebaut
sein. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Phasen
wechselnde Material, insbesondere das entsprechende Paraffin, in
eine Trägermatrix
eingebettet sein, was in verschiedenen Ausbildungen bewerkstelligt
werden kann, beispielsweise in Form von Partikeln in einer starren
und/oder flexiblen Materialmatrix. Eine solchen Matrix kann verschiedene
Ausformungen haben, beispielsweise in Form von Gipsplatten, Glasfaserfliesen,
Putzschichten oder Auftragspasten und dergleichen vorliegen. Vorteilhafterweise
können
die Partikel auch in das Leuchtengehäuse integriert sein, um eine
Temperaturpufferung gleich beim Eindringen der Wärme in das Gehäuse zu erreichen.
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Die
zuvor genannte Grenzbetriebstemperatur kann grundsätzlich nach
verschiedenen Kriterien bestimmt werden bzw. unterliegt sie verschiedenen Kriterien,
die je nach Ausbildung der Leuchte variieren können. Einerseits wird die Grenzbetriebstemperatur
von der physischen Belastbarkeit der Leuchtenbauteile begrenzt,
d. h. die betriebsrelevanten Bauteile dürfen sich nicht so stark aufheizen,
daß sie
zerstört
werden. Vorteilhafterweise liegt deshalb in Weiterbildung der Erfindung
die Grenzbetriebstemperatur in jedem Fall unterhalb der Zerstörungstemperatur
der Leuchte, bei der wesentliche Bauteile der Leuchte eine Zerstörung erfahren.
Zum anderen wird die zulässige
Grenzbetriebstemperatur von dem auch im Brandfall noch erforderlichen
Lichtstrom begrenzt. Bekanntlich sinkt der Lichtstrom und damit
die im Tunnel erzeugte Beleuchtungsstärke einer Leuchte mit zunehmender
Temperatur ab. Soll also eine vorbestimmte minimale Beleuchtungsstärke im Tunnel
beibehalten werden, darf die Temperatur der Leuchte in ihre Inneren
einen entsprechenden Wert nicht überschreiten,
der allerdings auch vom Ort abhängig
ist. So kann es beispielsweise weniger „schlimm" sein, wenn das Leuchtmittel selbst
bereits bspw. 180°C
erreicht, als wenn bspw. die Leiterplatte bspw. 150°C erreicht.
Es gibt für
jedes Leuchtmittel definierte Messpunkte, an denen die für das Leucht mittel
kritische Maximaltemperatur gemessen werden kann. Bei LED-Platinen
kann dabei vorteilhafterweise eine Temperatur auf der Platinenrückseite
für die
Bestimmung der Grenzbetriebstemperatur herangezogen werden. Vorteilhafterweise
ist dabei die genannte Grenzbetriebstemperatur im Wesentlichen nicht
höher als
die Temperatur, bei der die tatsächliche
Beleuchtungsstärke
der Leuchte noch zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 25%, weiter
vorzugsweise 50% der maximalen Beleuchtungsstärke der Leuchte beträgt. Dabei
kann es je nach Leuchtenausbildung die Materialstandfestigkeit oder
der Lichtstromabfall sein, der die Grenzbetriebstemperatur begrenzt.
So wird es beispielsweise bei eher weichen (temperaturempfindlichen)
Materialien die Materialerstörung
sein, die die Grenzbetriebstmeperatur begrenzt, während es
bei Verwendung von harten Materialen für die Bauteile der Lichtstromabfall
sein wird, der die Grenzbetriebstemperatur begrenzt.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Leuchtenbauteile
derart gewählt
und ausgebildet, dass die genannte Betriebsgrenztemperatur im Bereich
von 60°C
bis 200°C,
insbesondere etwa 90°C
bis 150°C
beträgt.
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Der
Latentwärmespeicher
ist in Weiterbildung der Erfindung vorteilhafterweise derart ausgebildet,
dass die Phasenwechseltemperatur maximal 110°C beträgt und vorteilhafterweise 100°C oder weniger
beträgt.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind als Leuchtmittel mehrere LEDs vorgesehen,
die vorteilhafterweise direkt auf einer Leiterplatte montiert sein können, über die
die LEDs mit Strom versorgt werden und/oder angesteuert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
und zugehöriger Zeichnungen
näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
einen Querschnitt durch eine Tunnelleuchte nach einer vorteilhaften
Ausführung
der Erfindung, gemäß der ein
Latentwärmespeicher
in das Leuchtengehäuse
integriert ist,
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2:
eine Schnittansicht einer Tunnelleuchte nach einem alternativen
Ausführungsbeispiel der
Erfindung, gemäß dem im
Inneren des Leuchtengehäuses
ein Wasserreservoir als Wärmespeicher vorgesehen
ist,
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3:
eine Schnittansicht einer Tunnelleuchte nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung, gemäß dem im
Inneren des Leuchtengehäuses
Wärmespeicherrohre,
die ein Wärmespeicherfluid,
beispielsweise Wasser, speichern, vorgesehen sind,
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4:
eine Schnittansicht einer Tunnelleuchte ähnlich 3 nach einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die im Inneren des Leuchtengehäuses vorgesehenen
Wärmespeicherrohre
direkt unter der LED-Platine sitzen, und
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5:
einen Längsschnitt
durch die Tunnelleuchte aus 4.
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Die
in 1 gezeichnete Tunnelleuchte 6 umfasst
ein Leuchtengehäuse 4,
das einen wannenförmigen
Grundkorpus 7 mit Wandungen aus Edelstahl umfasst, der
zu einer Seite hin mittels einer Verglasung verschlossen ist, die
in der gezeichneten Ausführung
als Wärmeschutzverasglung 8 in
Form zweier Thermoglasscheiben ausgebildet ist, jedoch auch einfach
verglast sein oder andere Konfigurationen aufweisen kann.
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Im
Inneren des genannten Leuchtengehäuses 4 sind als Leuchtmittel 1 eine
Vielzahl von punktförmigen
Lichtquellen in Form von LEDs 9 vorgesehen, von denen in
der Schnittansicht gemäß 1 nur
eine LED 9 zu sehen ist.
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Die
genannten LEDs 9 sind in der gezeichneten Ausführung auf
einer Leiterplatte 5 montiert, die relativ zum Leuchtengehäuse 4 fixiert
ist und die Stromversorgung und Ansteuerung der LEDs 9 beinhalten
kann. Weitere Leuchtenbausteine wie beispielsweise Betriebsgeräte und/oder
Stromversorgungskomponenten wie Leitun gen, Klemmen oder Elektronikbausteine 10 können ebenfalls
in dem Leuchtengehäuse 4 aufgenommen
und insbesondere an der Leiterplatte 5 angeordnet sein.
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Ebenfalls
können
weitere optische Bausteine wie beispielsweise eine Linse 11 und/oder
Reflektoren und dergleichen im Innenraum des Leuchtengehäuses 4 platziert
sein.
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Weiterhin
ist in dem Leuchtengehäuse 4 ein Wärmespeicher 2 vorgesehen,
der als Latentwärmespeicher
ausgebildet ist und einen Phasenwechsler 3 bzw. ein Phasen
wechselndes Material umfasst, dessen Phasenwechseltemperatur unterhalb
der zulässigen
Grenzbetriebstemperatur der Leuchte 6 liegt. In der in 1 gezeichneten
Ausführung
ist als Wärmespeicher 2 ein
Wasserreservoir 12 vorgesehen, das an die thermisch kritischen
Komponenten thermisch (wärmeleitend)
angekoppelt ist und in der gezeichneten Ausführung vorteilhafterweise unmittelbar
auf der Rückseite
der genannten Leiterplatte 5 angeordnet und mit dieser
in flächigem
Kontakt ist.
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Wie 3 zeigt,
kann ein Wasser- oder Wärmespeicherfluidreservoir 12 auch
als separater Baustein vorgefertigt und im Inneren des Leuchtengehäuses 4 plaziert,
vorteilhafterweise an die kritischen Bauteile thermisch angekoppelt
werden, d. h. die Reservoirwandungen werden dabei nicht unmittelbar von
den Gehäuse-
oder Bauteilwandungen, sondern von separaten Reservoirwandungen
gebildet. Vorteilhafterweise können
dabei mit Wasser oder einem anderen geeigneten Fluid befüllte Wärmespeicherrohre 13
im Inneren des Leuchtengehäuses 4 angeordnet sein,
die auf der Rückseite
der Platine bzw. Leiterplatte 5 angeordnet sind und vorteilhafterweise
mit letzterer thermisch gekoppelt sind. Wie 3 zeigt, sitzen
die Wärmespeicherrohre
an den abgekanteten Enden eines bügelförmigen Trägerstücks 15, das auf der
Rückseite
der LED-Leiterplatte mit dieser verbunden ist. Alternativ können die
Wärmespeicherrohre 13 auch
näher an
der Leiterplatte 5 angeordnet sein, beispielsweise an einem
plattenförmigen
Trägerstück 15,
das auf der Rückseite
der Leiterplatte 5 mit dieser flächig verbunden ist, wie dies 4 zeigt.
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Die
Wärmespeicherrohre 13 bzw.
das Wasser- oder Wärmespeicherreservoir
sind dabei geschlossen ausgebildet und können das Fluid stationär beinhalten,
d. h. es muß keine
Zirkulation des enthaltenen Fluids vorgesehen werden. Vorteilhafterweise
sind die Rohre oder das Reservoir mit einem Überdruckventil 14 versehen,
um ein Bersten bei Aufheizung bzw. nach Erreichen der Aufnahmekapazität (latente
Wärme)
zu verhindern, oder durch andere geeignete Überdrucksicherungen wie bspw.
einem Ausdehnungsraum versehen. Das Überdruckventil kann dabei vorteilhafterweise
durch das Gehäuse hindurchtreten
und in die Umgebung des Leuchtengehäuses 4 außerhalb
desselben münden,
vgl. 5.
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Wie 5 zeigt,
können
sich Leiterplatte 5 mit den darauf angeordneten LED's 9 sowie
das auf der Rückseite
der genannten Leiterplatte 5 angeordnete Fluidreservoir
im wesentlichen über
die gesamte Länge
der Leuchte erstrecken, wobei in der gezeichneten Ausführung sich
die beiden Wärmespeicherrohre 13 entlang
der Längserichtung über die Leuchtenlänge im Leuchteninneren
erstrecken.
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Wie
die 3, 4 und 5 zeigen,
können
in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die im Inneren der
Leuchte aufgenaommenen Leuchtenbausteine einschließlich der
Leiterplatte 5 oder anderer Betriebsgeräte sowie der Wärmespeicher
in Form des Wasserreservoirs 12 von dem Leuchtengehäuse 4 thermisch
entkoppelt sein, sodaß die
in das Gehäuse
eindringende Wärme
zunächst
lediglich die im Leuchteninneren befindliche Luft aufheizt, welche dann
wiederum natürlich
die genannten Leuchtenteile im Inneren aufzuheizen versucht, dabei
jedoch zunächst
nur in die vom Waserreservoir gebildete Wärmesenke geht. Durch die thermische
Entkoppelung vom Leuchtengehäuse
wird jedoch vermieden, daß das
heiße
Gehäuse
direkt Wärme
an die thermisch kritischen Leuchtenbauteile abgibt.
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Die
in 2 gezeichnete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen
der Ausführung
nach 1 und unterscheidet sich von der Ausführung nach 1 im
Wesentlichen durch die Ausbildung des Wärmespeichers 2. Gemäß 2 ist
der Wärmespeicher 2 zumindest
teilweise in die Wandungen des Leuchtengehäuses 4 integriert.
Hierbei können vorteilhafterweise
Paraffinpartikel in ausreichender Menge in ein geeignetes Matrixmaterial
wie beispielsweise Gips eingebettet sein, wobei das genannte Matrixmaterial
vorteilhafterweise eine Platte bilden kann, die eine Wandung des
Leuchtengehäuses 4 bilden
oder eine solche Wandung des Leuchtengehäuses 4 verkleiden
kann. Beispielsweise kann ein Teil vorteilhafterweise auch im Wesentlichen
die gesamte Innenseite des wannenförmigen Grundkorpus 7 des
Leuchtengehäuses 4 mit
Latentwärmespeicher-Platten
verkleidet sein. Vorteilhafterweise kann ein solcher in die Wandungen
des Leuchtengehäuses
integrierter Wärmespeicher 2 auch
zusätzlich zu
einem innerhalb des Gehäuses 4 angeordneten Wärmespeicher
beispielsweise gem. den 1 oder 3 vorgesehen
sein.