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Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einer Lichteinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Reflektorlampen oder sonstige Hochdruckentladungslampen wie Metallhalogenidlampen oder auch Natrium-Hochdruckentladungslampen oder auch um ein Array von Lichtelementen wie beispielsweise LEDs. Die Erfindung ist jedoch auch bei Reflektorlampen auf Basis von Halogenglühlampen o. ä. anwendbar.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2004046609 ist eine reflektorbehaftete Metallhalogenidlampe mit einem keramischen Entladungsgefäß bekannt. Dabei ist ein Innengefäß in einem Außenrohr angeordnet.
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Aus der
WO 91/17387 ist eine Reflektorlampe mit Vorsatz bekannt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichteinheit, insbesondere eine Reflektorlampe, anzugeben, die sich durch hohe Effizienz auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Bekannte Reflektorlampen mit relativ flacher Bauweise, bei der die Bautiefe des Reflektors kleiner als der Durchmesser des Reflektors ist, haben unbefriedigende Wirkungsgrade, obwohl der Reflektor selbst sehr effizient ist. Der Grund dafür liegt in den zusätzlichen Komponenten, die zur Entblendung und Strahlformung verwendet werden. Dabei handelt es sich in der Regel um Abdeckungen über den Lampen, die einen relativ großen Anteil des Lichtes absorbieren bzw. diffus in Richtung Lampensockel reflektieren, wo dann ebenfalls vorwiegend Absorption stattfindet.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Designs für eine reflektorbehaftete Lichteinheit, sei es eine Lampe oder Leuchte, das wesentlich effizienter ist und trotzdem eine vergleichbare Lichtverteilung ermöglicht, wobei auch die geforderten Abschirmungswinkel eingehalten werden.
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Bisher wird bei Reflektorlampen in flacher Bauweise die Lichtquelle in Richtung zur Reflektoraustrittsseite hin mit einer Kappe abgedeckt, die zwei wesentliche Aufgaben erfüllt: zum einen ist dadurch die Lichtquelle nicht direkt sichtbar, so dass die Blendung reduziert wird; zum anderen wird eine gewünschte, meist eng gebündelte, Abstrahlcharakteristik oder Lichtverteilungskurve dadurch gewährleistet, dass das Licht, das nach vorne, also ungebündelt, abgestrahlt wird und daher nicht auf den Reflektor trifft, absorbiert bzw. -relativ diffus- auf den Reflektor zurückgeworfen wird. Damit lassen sich zwar sehr gute, auch stark gebündelte Lichtverteilungen realisieren, allerdings lässt die Effizienz dieses Systems zu wünschen übrig. Es ist typisch, dass der Wirkungsgrad bei lediglich 50% liegt, das heißt, ca. 50% des Lampenlichtstroms werden im Reflektorsystem absorbiert.
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Erfindungsgemäß wird das Problem der schlechten Effizienz dadurch gelöst, dass statt der Abdeckung mittels Kappe ein hochreflektierendes, nach vorne offenes rohrförmiges optisches Gestaltungselement verwendet wird, das einen Großteil der von der Lichtquelle emittierten Strahlung gebündelt nach vorne umlenkt und das gleichzeitig einen kleineren Teil dieser Strahlung definiert in den Reflektor zurückwirft, von wo es dann gerichtet ebenfalls nach vorne umgelenkt bzw. reflektiert wird. Die Verluste durch Absorption sind dadurch wesentlich geringer als beim Stand der Technik. Dementsprechend lässt sich eine Effizienzsteigerungen in der Größenordnung von bis zu 50% erreichen. Eine typische Reflektorlampe hat dann statt der üblichen 50% einen Wirkungsgrad von 75% bezogen auf den Lichtstrom der nackten Lampe.
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Durch das Design des neuen optischen Gestaltungselements wird insbesondere der in einer Norm vorgeschriebene Abschirmungswinkel von mindestens 30° relativ zur Reflektoraustrittsfläche eingehalten.
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Weitere Vorteile durch die erfindungsgemäßen Merkmale sind: deutlich höhere Effizienz des Lampensystems, sowie wesentliche Erhöhung der Achslichtstärke, und Möglichkeit einer engeren Lichtverteilung, sowie Möglichkeit der Farbmischung bei Verwendung von mehreren Lichtquellen mit verschiedenen Emissionsspektren (z. B. bei verschiedenfarbigen LEDs), und weniger thermische Probleme durch den Wärmestau, den eine Kappe verursacht.
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Bei Reflektorlampen ist es wichtig, das sich der Lichtschwerpunkt des eingebauten Brenners bzw. der Lampe im Fokus des Reflektors befindet. Bei Abweichungen ändern sich Parameter wie z. B. Ausstrahlwinkel, Mittenstrahlstärke, gleichmäßige Ausleuchtung etc.
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Insbesondere wird eine Lichteinheit vorgestellt mit einem konkaven Reflektor, der mit einer Austrittsöffnung, einem Hals und einer Achse ausgestattet ist, wobei der Reflektor insbesondere eine in Achsrichtung längsgestreckte Lichtquelle, die insbesondere mit einem Kolben ausgestattet ist, umgibt.
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Insbesondere ist die Lichtquelle ein Entladungsgefäß mit einer Metallhalogenidfüllung. Das Entladungsgefäß ist im allgemeinen in einem Außenkolben untergebracht.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Metallhalogendampflampe mit Metallreflektor, bevorzugt ist ein Aluminiumreflektor. Die Lampe besteht aus mehreren Komponenten, die rein mechanisch miteinander verbunden werden. Die Lichtquelle ist eine sogenannte Basislampe, die in eine Sockelkeramik gefügt wird. Die Stromzuführungen der Basislampe werden, nach axialer Justage des Lichtschwerpunktes auf den virtuellen Reflektorfokus, mit den Sockelpins oder Kontaktpins der Sockelkeramik vercrimpt. Ein Aluminiumreflektor wird ebenfalls mittels Crimpen an der Sockelkeramik befestigt.
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Das erfindungsgemäße System ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Reflektor extrem flach konzipiert ist, insbesondere wenn die Tiefe T der Reflektorkontur höchstens halb so groß wie der Durchmesser DO der Öffnung des Reflektors ist.
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Das Gestaltungselement als optisches Element zur Strahlformung ist axialsymmetrisch oberhalb der Lichtquelle im Reflektor, zur Öffnung hin, eingebaut.
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Ein typisches Volumen einer strahlenden Lichtquelle (konkret realisiert als Entladungsvolumen) ist 10 bis 20 mm axiale Länge und 1 bis 5 mm Durchmesser. Typisch ist eine 35 bis 100 W Lampe mit keramischem Entladungsgefäß.
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Dabei kann das Gestaltungselement über die Öffnung des Reflektors nach außen ragen.
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Das Gestaltungselement ist im wesentlichen rohrförmig, seine Innenwand hat eine reflektierende Kontur, die zylindrisch oder bevorzugt parabolisch geformt ist. Auch die Kontur des Reflektors selbst ist bevorzugt parabolisch, jedoch mit anderen Parametern als beim Gestaltungselement.
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Bevorzugt ist das Gestaltungselement aus zwei Teilen, die axial hintereinander liegen, aufgebaut. Der Hauptteil ist der Öffnung des Reflektors zugewandt und hat eine axiale Länge von 80 bis 100% der gesamten axialen Länge des Gestaltungselements. Ein Anhang ist der Lichtquelle zugewandt und hat, falls vorhanden, bevorzugt eine axiale Länge von 5 bis 20%.
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Die Innenwände des Gestaltungselements sind bevorzugt teilweise oder vollständig verspiegelt.
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Die Innenwand des Hauptteils ist bevorzugt parabolisch geformt. Es kann aber auch beispielsweise eine Freiformfläche, ein Kugelausschnitt oder ein Ellipsoid oder ein paraboloidähnlicher Tonnenkörper verwendet werden. Die Form der Freiformfläche wird insbesondere durch Ray-Tracing ermittelt.
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Ähnliches gilt für die Kontur des Reflektors. Auch hier ist ein Paraboloid oder paraboloidähnlicher Tonnenkörper bevorzugt. Es kann aber auch eine Freiformfläche, Kugelausschnitt oder Ellipsoid verwendet werden. Die Form dieser Freiformfläche wird insbesondere durch Ray-Tracing ermittelt.
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Mit Freiformflächen sind besonders breite Abstrahlcharakteristiken möglich. Auch ist es möglich, damit bei Verwendung mehrerer Lichtquellen, die insbesondere in verschiedenen Farben emittieren, insbesondere LEDs mit der Farbpalette RGB, die verschiedenen Farben optimal zu mischen.
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Der Anhang kann als Kontur gerade Flächen besitzen oder, auch kugelförmige Abschnitte. Insbesondere kann aber auch der Anhang als Kontur Freiformflächen aufweisen. Damit lässt sich optimal regeln, wie das von der Lichtquelle emittierte Licht zurückgeworfen und an der Lichtquelle vorbei wieder auf den Reflektor zurückgeworfen wird.
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Die axiale Länge des Anhangs sollte so schmal wie möglich sein, insbesondere auch gar nicht vorhanden sein. Andererseits ist es aber für die Abschirmung der Lichtquelle von Vorteil, wenn der Anhang möglichst weit nach außen gezogen ist. Sonst müsste man das Gestaltungselement sehr weit unten platzieren. Das wiederum würde aber die Effizienz des Systems und eine gewünschte enge Lichtverteilungskurve negativ beeinflussen. Hier muss man den günstigsten Kompromiss eingehen.
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Die Kontur der inneren Spiegelflächen des Hauptteils des optischen Gestaltungselements kann insbesondere im Schnitt parabolisch, elliptisch, linear, oder auch abschnittsweise linear als Kreissegmente oder ähnlich wie Facetten, jeweils auf einer gekrümmten Bahn, oder eine beliebige Freiform sein.
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Das Gestaltungselement hat besonders bevorzugt auch auf seiner Außenseite spiegelnde Flächen. Diese sind zum Homogenisieren der Lichtverteilung bevorzugt im Schnitt parabolisch, linear, sägezahnförmig ausgeführt, oder auch abschnittsweise linear als Kreissegmente oder ähnlich wie Facetten, jeweils auf einer gekrümmten Bahn, oder eine beliebige Freiform. Bevorzugt haben Hauptteil und Anhang eine gemeinsam gleichartig gestaltete Außenkontur.
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Schließlich gilt für die Kontur der Innenwand des Anhangs, dass es bevorzugt linear, als Kreissegment, elliptisch, sägezahnförmig, oder auch abschnittsweise linear als Kreissegmente oder ähnlich wie Facetten, jeweils auf einer gekrümmten Bahn, oder eine beliebige Freiform geformt sein kann.
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Die Oberflächen des Gestaltungselements, also vor allem Innenwände bzw. Außenwände, sind bevorzugt poliert, spiegelnd, satiniert oder auch gehämmert.
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Als Material für das Gestaltungselement eignet sich insbesondere Metall, vorteilhaft Aluminium, oder auch Kunststoff. Die Spiegelflächen sind bevorzugt mit Al oder auch Ag oder Mischungen davon beschichtet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 die Seitenansicht einer Reflektorlampe;
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2 eine Prinzipskizze des Zusammenwirkens von Reflektor und Gestaltungselement;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines Gestaltungselements;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gestaltungselements;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gestaltungselements;
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6 ein Reflektor im Detail.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist eine Reflektorlampe 1 gezeigt, mit einer Basislampe 2, bestehend aus einem Entladungsgefäß 3, das von einem Außenkolben 4 umgeben ist. Das Entladungsgefäß ist aus PCA-Keramik gefertigt und hat zwei Kapillaren an seinen beiden Enden. Die Basislampe 2 sitzt in einer zentralen Öffnung eines Sockels 5. Die Basislampe 2 ist von einem Reflektor 6 aus Aluminium umgeben. Der Reflektor hat einen Hals 7 und eine Kontur 8. Der Durchmesser des Halses ist vorteilhaft von außen an den Durchmesser der Basislampe 2 angepasst. Beide Teile sind am Sockel 5 aufgesetzt, wobei es mehrere dafür bekannte Techniken gibt. Auf die Art der Befestigung kommt es hier jedoch nicht an. Die Basislampe kann auch noch von einer Shroud, also einem Berstschutzrohr, umgeben sein.
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Innen im Reflektor ist eine spangenartige Halterung 9 diametral eingesetzt. Sie haltert ein optisches Gestaltungselement 10, das zentral vor dem als Lichtquelle wirkenden Entladungsgefäß 3 sitzt. Auch andere Befestigungsarten sind möglich.
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Die Lichtquelle bzw. Basislampe kann beispielsweise eine Halogenglühlampe oder Hochdruckentladungslampe sein oder auch eine LED oder ein Array von LEDs.
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In 2 ist die Beziehung zwischen dem Reflektor 6 und dem Gestaltungselement 10 sowie der Lichtquelle 2 schematisch dargestellt. Die Lichtquelle 2 sitzt im Brennpunkt des Reflektors (Kreuz). Der maximale Außendurchmesser AD des Gestaltungselements 10 ist so klein wie möglich gewählt, damit möglichst wenig Strahlen vom Reflektor kommend darauf treffen. Klein bedeutet hier, dass AD etwas größer als der Außendurchmesser AB der Basislampe bzw. einer anderen Lichtquelle wie ein LED-Modul gewählt ist. Bevorzugt gilt für das Erzielen einer engen Lichtverteilungskurve LVK die Bedingung 1,5 AB ≤ AD ≤ 2,0 AB.
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Für die axiale Länge H des Gestaltungselements gilt: je größer H ist, desto enger lässt sich der Anteil der Strahlung bündeln, der durch, das Gestaltungselement geht. Für eine bestmögliche Bündelung ist aber auch AD größer zu wählen, was H beschränkt. In aller Regel sollte gelten H ≤ AD, insbesondere sollte dabei gelten: 0,8 AD ≤ H.
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Der Verlauf einiger Strahlen, die von der Lichtquelle kommen, ist in 2 beispielhaft eingezeichnet. Es handelt sich um fünf Strahlen, die mit 1 bis 5 numeriert sind. Es sollte möglichst keine Strahlung geben, die direkt zwischen dem Reflektor und dem Gestaltungselement hindurchgeht, siehe Strahl 2. Dazu muss das Gestaltungselement 10 ausreichend tief im Reflektor 6 sitzen. Wenn der Abstand zwischen dem Lichtschwerpunkt (Kreuz) der Lichtquelle axial gesehen und der Öffnung des Reflektors als B bezeichnet wird, sollte der Abstand C zwischen Lichtquelle und Beginn des Gestaltungselements kleiner als 0,6 B sein. Bevorzugt ist ein Wert von 0,3 B ≤ C ≤ 0,5 B.
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Dabei spielt auch der Durchmesser der Öffnung DO im Vergleich zu AD eine wesentliche Rolle. Bevorzugt sollte AD ≤ 0,8 DO sein.
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Das Gestaltungselement 10 in 2 ist zweiteilig aus einem Hauptteil 11, der zur Öffnung 12 des Reflektors zeigt, und einem Anhang 13, der zur Lichtquelle 2 zeigt, aufgebaut. Dabei ist bevorzugt die Länge H1 des Anhangs 10% bis 20% von H; den Rest macht die Länge H2 des Hauptteils aus, siehe 3a.
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Das Gestaltungselement 10 ist hier konisch nach außen gerichtet. Dabei ist der minimale Außendurchmesser ADM etwa 70 bis 95% von AD. Die Außenwand 15 ist durchgehend konisch mit anderem Neigungswinkel als die konische Innenwand 16 des Hauptteils. Auch die Innenwand 17 des Anhangs ist konisch nach außen gerichtet.
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Bevorzugt ist die Innenwand des Hauptteils parabolisch gemäß Kurve 29, siehe 3b. Auch die Kontur des Reflektors 6 ist parabolisch. Beide haben einen gemeinsamen Brennpunkt, in dem die Lichtquelle 2, genauer ihr Lichtschwerpunkt, sitzt.
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Das Außenprofil des Gestaltungselements ist bevorzugt so ausgeführt, dass gemäß 2 ein Strahl wie 3 in engem Abstrahlwinkel nach außen reflektiert wird. Dabei soll die Kontur des Anhangs 13 so gestaltet sein, dass ein Strahl wie 3 in einem relativ engen Bereich einer Ringzone um das Zentrum der Achse auf den Reflektor zurückreflektiert werden.
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3 zeigt ein Gestaltungselement 10 im Detail. 3a zeigt einen Schnitt, mit Hauptteil 26, Anhang 27 und einer öffnungsseitigen Randzone 28. 3b zeigt einen Parabelausschnitt 29, der der Innenwand des Hauptteils einbeschrieben ist. Dabei handelt es sich nicht um ein Paraboloid, sondern einen parabolischen Tonnenkörper. 3c zeigt eine perspektivische Darstellung des Gestaltungselements 10.
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4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Gestaltungselements 10 von außen (4a) und im Detail (4b bis 4d). Es hat nur einen Hauptteil mit Innenwand in Parabelform 29, aber keinen Anhang. Die Außenwand 30 ist in etwa achsparallel. Sie ist sägezahnartig gestaltet zur besseren Homogenisierung der Abstrahlung.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gestaltungselements 10 in vier Ansichten (5a bis 5d), dessen Lichtquelle ein LED-Array 32 in einer Ebene quer zur Achse A ist. Das Array 32 besteht aus fünf kreuzförmig angeordneten LEDs. Hier ist die Innenwand des Gestaltungselements aus Facetten 31 zusammengesetzt, deren Mittelpunkte auf einer parabolischen Kurve liegen.
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6 zeigt einen parabolischen Reflektor 6 mit Facetten 33 im Querschnitt (6a), in Draufsicht (6b) und in perspektivischer Ansicht (6c).
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Eine typische axiale Höhe T des Reflektorkontur ist 30 bis 40 mm. Ein typischer Durchmesser DO der Öffnung des Reflektors ist 90 bis 110 mm.
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Ein typischer Abstand C zwischen Lichtschwerpunkt der Lichtquelle und Gestaltungselement ist 5 bis 12 mm. Eine typische Länge H des Gestaltungselements ist 26 bis 38 mm. Ein typischer Außendurchmesser AD des Gestaltungselements ist 35 bis 48 mm, typisch ist, der Innendurchmesser etwa 40 bis 60% von AD.
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Das Gestaltungselement in seiner einfachsten Form ist ein unten und oben offenes rohrartiges, insbesondere zylindrisches Bauteil.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:
- 1. Lichteinheit mit einem konkaven Reflektor, der mit einer Austrittsöffnung, einem Hals und einer Achse ausgestattet ist, wobei der Reflektor eine Lichtquelle, die insbesondere mit einem Kolben ausgestattet ist oder von einem Array von Lichtelementen gebildet ist, umgibt, wobei ein optisches Element der Lichtquelle vorgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass. das optische Element ein rohrförmiges Gestaltungselement ist, das axialsymmetrisch angeordnet ist, und das der Lichtquelle zur Öffnung des Reflektors vorgelagert ist, und das zwei offene Enden besitzt.
- 2. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestaltungselement eine Wand besitzt, die zylindrisch ist oder konisch sich nach außen erstreckt.
- 3. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestaltungselement aus einem Hauptteil und einem Anhang besteht, wobei der Hauptteil der Öffnung des Reflektors zugeordnet ist und eine Innenkontur besitzt, und wobei der Anhang dahinter angeordnet und somit der Lichtquelle zugeordnet ist und ebenfalls eine Innenkontur besitzt.
- 4. Lichteinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Nahtstelle zwischen Hauptteil und Anhang die Innenwand beider Teile jeweils nach außen geneigt ist.
- 5. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Hauptteils parabelartig kugelsegmentartig, oder linear geformt ist oder eine Freiformfläche bildet.
- 6. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Anhangs parabelartig kugelsegmentartig, oder linear geformt ist oder eine Freiformfläche bildet.
- 7. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Reflektors parabelartig, elliptisch oder sphärisch geformt ist oder eine Freiformfläche bildet.
- 8. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Gestaltungselements parabelartig kugelsegmentartig, oder linear geformt ist oder eine Freiformfläche bildet.
- 9. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Außenwand des Gestaltungselements verspiegelt sind.
- 10. Lichteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Entladungsgefäß mit einer Metallhalogenidfüllung oder ein LED-Array beinhaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004046609 [0002]
- WO 91/17387 [0003]