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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lichterzeugung beim Körperkontakt, umfassend ein Gehäuse, ein Leuchtmittel sowie eine Stromversorgungseinheit.
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Elektrische Beleuchtungseinrichtungen mit unabhängiger und mobiler Stromversorgung sowie mit gekapseltem Reflektorgehäuse sind bekannt. Dabei werden zur Stromversorgung entweder chemische Energiespeicher wie einmal oder auch mehrfach verwendbare Batterien oder Akkus oder Generator-Akku-Systeme nach dem elektrodynamischen Prinzip eingesetzt.
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Die derzeit verfügbaren elektrischen Beleuchtungseinrichtungen mit unabhängiger, mobiler Stromversorgung und gekapseltem Lichtkegelreflektor wie Taschenlampen und Stirnlampen müssen entweder vor Gebrauch und zwischendurch unter Unterbrechung des eigentlichen Anwendungsziels aufgeladen (Generator-Akku-System) oder mit neuem chemischen Energiedepot (Batterien) einsatzbereit gemacht werden.
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Dabei wird nachteiliger weise stets der eigentliche Anwendungszweck – die Beleuchtung – unterbrochen, sodass eine stetige Beleuchtung nicht durchgängig gewährleistet ist. Gleiches gilt analog für den Einsatz nach möglicherweise längeren Zeiträumen von Lagerung oder Nichtbenutzung. Die sofortige Einsatzbereitschaft der Lampen ist dadurch gefährdet.
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Hinzu kommt, dass durch Tiefenentladung und Memory-Effekte (Akku) oder die Verfügbarkeit von Nachschub für die Energiedepots (Batterie) die Lebensdauer bzw. der Einsatzradius in Gebieten ohne entsprechende wirtschaftliche Infrastruktur begrenzt ist.
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In der
EP 2320487 A2 wird eine thermoelektrische Lampe beschrieben, mit der es möglich sein soll, mittels einer Temperaturdifferenz und thermoelektrischer Elemente Licht zu erzeugen. Die dort beschriebene Konstruktion ist allerdings nicht geeignet die Handwärme zur Lichterzeugung in beispielsweise einer Taschenlampe zu nutzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Nachteile hinsichtlich der bisherigen Stromversorgungsvarianten zu beseitigen und eine gute Stabilität gegen Umwelteinflüsse für den Einsatz auch unter extremen Bedingungen zu ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 und des Anspruches 8.
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Danach ist eine Vorrichtung zur Lichterzeugung beim Körperkontakt, umfassend ein Gehäuse, ein Leuchtmittel sowie eine Stromversorgungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine elektronische Steuerungseinheit und einen Kühlkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit zur Umgebung enthält, in dem ein Körperkontaktbereich mit einer Wärmeübertragungsfläche und mindestens ein thermoelektrischer Generator eingebettet ist, wobei der Körperkontaktbereich mit einer Wärmedämmschicht zum Kühlkörper abgegrenzt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Lichterzeugung, ist dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche elektrische Energie zur Lichterzeugung aus einer Temperaturdifferenz zwischen Körperwärme und Umgebungstemperatur unter Verwendung von thermoelektrischen Generatoren gewonnen wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Taschenlampe mit einem stabförmigen Gehäuse und einem Handgreifbereich oder als Stirnlampe mit Befestigungselementen ausgebildet, die mit weiteren Kühlkörpern und Körperkontaktbereichen versehen sind.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist am unteren Ende des Gehäusekörpers unmittelbar am Kühlkörper ein Endstück, das unterschiedlich geformt sein kann, mit sehr guter Wärmeleitung angeordnet. Damit wird erreicht, dass der Wärmeaustausch mit der Umgebung optimal stattfindet.
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Eine weitere Ausgestaltung einer Taschenlampe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit im Gehäuse zwischen Reflektorgehäuse und Kühlkörper angeordnet ist, die so elektrisch und ergonomisch günstig mit einem Schalter verbunden ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Reflektorgehäuse der Taschenlampe gekapselt ist. Ein Einsatz in feuchter Umgebung und auch im Wasser wird dadurch möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die hoch wärmeleitenden Bereiche wie die Wärmeleitschicht und das Endstück Wärmeleitsilikone und/oder Metalle und deren Legierungen enthält.
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Eine weitere Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung zur Lichterzeugung beim Körperkontakt, umfassend ein Gehäuse, ein Leuchtmittel sowie eine Stromversorgungseinheit, wobei dass das Gehäuse eine elektronische Steuerungseinheit und einen Kühlkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit zur Umgebung enthält, in dem ein Körperkontaktbereich mit einer Wärmeübertragungsfläche und mindestens ein thermoelektrischer Generator eingebettet ist, wobei der Körperkontaktbereich mit einer Wärmedämmschicht zum Kühlkörper abgegrenzt ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass am unteren Ende des Gehäuses unmittelbar am Kühlkörper ein Endstück mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist (gemäß Anspruch 9).
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück eine Endstückerweiterung aufweist, die mit dem Endstück mittels einer thermischen und mechanischen Ankopplung verbunden ist. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass die Ankopplung eine Oberflächenvergrößerung der Wärmeaustauschflächenflächen und eine Kühlung zum Beispiel in ungünstiger Umgebung ermöglicht.
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Eine Weiterbildung gemäß Anspruch 11 sieht vor, dass die Endstückerweiterung mittels einer Kupplung auswechselbar mit dem Endstück verbunden ist.
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Eine weitere Ausbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie das Endstück, die Endstückerweiterung und die Kupplung, Wärmeleitsilikone und/oder Metalle und deren Legierungen enthält.
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Der grundsätzliche Aufbau eines thermoelektrischen Generators entspricht dem eines Peltier-Elements. Hierbei ist eine direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie möglich, was als Thermovoltaik bezeichnet wird. Statt Metallen werden häufig Halbleitermaterialien verwendet, wodurch sich der Wirkungsgrad gegenüber Thermoelementen auf Basis von Metallen wesentlich steigern lässt. Gebräuchlich Halbleitermaterialien sind Bi2Te3, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit realen Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent. Werkstoffe mit besseren thermoelektrischen Eigenschaften sind gegenwärtig nicht bekannt. Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden üblicherweise mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.
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Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass auch Temperaturdifferenzen zwischen Körperwärme insbesondere Handwärme und Umgebungstemperatur ausreichen, bei einer sinnvollen Konstruktion und Materialauswahl den Betrieb einer lichterzeugenden Vorrichtung wie eine Taschenlampe zu ermöglichen.
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Hierbei eignen sich als hoch wärmeleitende Schichten bzw. Materialien insbesondere Wärmeleitsilikone oder auch Metalle, wobei hoch wärmeleitende Werkstoffe miteinander kombiniert werden können. Sie lassen sich in unterschiedlichen Dicken einsetzen, sodass, in Abhängigkeit des Einsatzes einer Taschenlampe, z. B. bei großen und weniger großen Temperaturdifferenzen zwischen Umgebung und Handwärme, dadurch unterschiedlich resultierende Wärmeleitkoeffizienten realisiert werden können, die sich durch hohe Wärmeleitfähigkeiten auszeichnen.
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Darüber hinaus schützen die mechanische sowie chemische Festigkeit bzw. Stabilität und die Elastizitätseigenschaften des Materials insbesondere die elektrischen und elektronischen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie die Steuerungseinheit und den thermoelektrischen Generator gegen extreme Einflüsse, die durch chemische, thermische und mechanische Kräfte entstehen können.
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Die weiteren mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass
- • keine Batterien oder Akkus benötigt werden, was ein bedeutender Kosten- und Mobilitätsvorteil ist
- • die gewünschte Funktion stetig und sofort verfügbar ist (Einsatzbereitschafts- und Kontinuitätsvorteil)
- • keine Entsorgungsprobleme entstehen (Nachhaltigkeitsvorteil)
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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen und beispielhaft erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Längsschnitt einer Taschenlampe,
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2 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Taschenlampe,
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3 eine Schnittdarstellung A-B der Taschenlampe gemäß 1,
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4 eine Schnittdarstellung C-D der Taschenlampe gemäß 1,
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5 eine schematische Darstellung der Verschaltung des thermoelektrischen Generators mit dem Steuergerät,
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6 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der Vorrichtung,
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7 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Stirnlampe,
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8 einen schematischen Längsschnitt einer Taschenlampe mit Kupplung,
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9a und b einen schematischen Längsschnitt einer Endstückerweiterung sowohl angekoppelt als auch frei,
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10a bis d beispielhafte schematische Darstellungen von Kupplungsvarianten und
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11 eine schematische Darstellung einer Endstückerweiterung mit Kältespeicher und Rillen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Taschenlampe im Längsschnitt. In einen Kühlkörper 5 aus Material mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit ist in einem Körperkontaktbereich 13, der hier als Handgreifbereich ausgebildet ist, ein thermoelektrischer Generator 3, der mindestens ein thermoelektrisches Elemente umfasst, eingebettet, und der mit einer Wärmeleitschicht 2 nach außen hin abgedeckt ist. Diese Einbettung geschieht durch eine wärmeleitfähige Verklebung des Kühlkörpers 5 mit dem thermoelektrischen Generator 3. Die Außenfläche des Kühlkörpers 5 im erweiterten
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Körperkontaktbereich 13 weist eine Wärmedämmschicht 1 auf, die die Wärmeleitschicht 2 begrenzt. Der Kühlkörper 5 wird am unteren Ende der Taschenlampe mit einem Endstück 4 aus wärmeleitfähigem Material abgeschlossen. Das Endstück 4 kann unterschiedlich geformt sein, um einen optimalen Temperaturausgleich mit der Umgebung zu unterstützen.
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Zwischen einem Reflektorgehäuse 11 und dem thermoelektrischen Generator 3 ist im Kühlkörper 5 eine Steuerungseinheit 6 angeordnet. Im Reflektorgehäuse 11 ist ein Leuchtmittel 7 angeordnet.
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Das leicht kegelförmige Reflektorgehäuse 11 weist einen Reflektor auf und wird nach außen mit einer Streulinse 8 abgeschlossen, die von einer Linsenhalterung 9 gehalten wird.
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Ein Schalter 10 ist oberhalb des Körperkontaktbereiches 13 angeordnet.
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Bei der Benutzung der Taschenlampe wird im Körperkontakt-bereich 13 eines Gehäuses 12 (2) Handwärme über die Wärmeleitschicht 2 auf den thermoelektrischen Generator 3 übertragen. Der Kühlkörper 5 ist auf Umgebungstemperatur eingestellt. Eine weitere Erwärmung des Kühlkörpers 5 durch Handwärme verhindern die Wärmedämmschicht 1 und der stetige Temperaturausgleich mit der Umgebung über das Endstück 4 und dem Gehäuse 12. Die sich einstellende Temperaturdifferenz generiert am thermoelektrischen Generator ein elektrisches Potential, dessen Spannung durch die Steuereinheit 6 so gewandelt wird, dass das Leuchtmittel 7 zu leuchten beginnt. Im Reflektor des Reflektorgehäuses 11 wird das Licht fokussiert, reflektiert und über eine Streulinse 8 als Lichtkegel abgestrahlt.
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2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine beispielhafte, zylindrische Ausführung der erfindungsgemäßen Taschenlampe.
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Die Schnittdarstellung A-B gemäß 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Schalter 10. Die Steuerungseinheit 6 ist von dem Kühlkörper 5 umgeben, der wiederum im Reflektorgehäuse 11 angeordnet ist.
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4 zeigt einen Schnitt C-D. In die Wärmedämmschicht 1 sind von außen nach innen die Wärmeleitschicht 2 und der thermoelektrische Generator 3 angeordnet. Im Inneren befindet sich der Kühlkörper 5.
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5 zeigt eine Darstellung der Verschaltung des thermoelektrischen Generators 3 mit einer Steuerungseinheit 6. Der thermoelektrische Generator 3 weist, hier beispielhaft, zwei Thermoelemente 14 auf, die eine Eingangsspannung UE für die Steuerungseinheit 6 liefern, die in eine Ausgangsspannung UA gewandelt wird. Mit der Ausgangsspannung UA wird ein Leuchtmittel 7 betrieben.
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Die Steuerungseinheit 6 ist schaltungstechnisch ein Aufwärtswandler (Step-UP-Wandler) und funktioniert wie folgt. Die Induktivitäten L1, L2 sind in Reihe mit einer als Freilaufdiode fungierende Shotky-Diode D1 geschaltet, hinter der ein Ladekondensator C1 die Ausgangsspannung UA aufsummiert. Die Spulen L1, L2 werden durch einen Halbleiterschalter T1 (in der Regel ein GTO-Thyristor oder Transistor) die Eingangsspannung UE zyklisch gegen Minus geschaltet. An der Induktivität L1/L2 fällt nun die Eingangsspannung UE ab, der durch die Spule fließende Strom und damit die im Magnetfeld gespeicherte Energie steigen an.
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Wird der Halbleiterschalter T1 geöffnet, versucht die Induktivität L1/L2 den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Die Spannung an ihrem sekundären Ende steigt sehr schnell an, bis sie die am Kondensator C1 anliegende Ausgangsspannung UA übersteigt und die Diode D1 öffnet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Ladekondensator C1 weiter auf. Das Magnetfeld wird dabei abgebaut und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Diode D1 in den Ladekondensator C1 und zur Last antreibt. In der hier beispielhaft beschriebenen Realisierung wird so aus einer Eingangsspannung UE von 0,3 ... 0,5 V eine Ausgangsspannung UA von ≥ 1,5 V erzeugt, die das Leuchtmittel 7 zum Leuchten bringt.
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6 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein thermoelektrischer Generator 3 ist mit einer Steuerungseinheit 6 verbunden, die die erforderliche Spannung für das Betreiben eines Leuchtmittels 7 liefert.
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7 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Stirnlampe mit mehreren Kühlkörpern 5 und mit diesen kombinierten Körperkontaktbereichen 13, die die Temperaturdifferenz zwischen Körper und Umgebung für das Betreiben des thermoelektrischen Generators 3 nutzen. Befestigungselemente mit Verbindungsgurte, wie eine Verstellschnalle 15, ein Gummiband 16 und ein Gelenkstück 17, dienen vorteilhafterweise der Anordnung weiterer Kühlkörper 5 und Körperkontaktbereichen 13.
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8 zeigt den Längsschnitt einer Taschenlampe mit einer Ankopplungsstelle 20 am Endstück 4, an der beispielhaft eine Endstückerweiterung 18 fixiert werden kann.
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In 9a und b sind in Schnittdarstellung eine einzelne Endstückerweiterung 18 mit einem Kupplungsteil 21 einer Kupplung 19 und eine mit dem Kupplungsteil 22 an der Ankopplungsstelle 20 des Endstückes 4 angekoppelte Endstückerweiterung 18 dargestellt.
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Das spezielle konstruierte Endstück 4 enthält zusätzlich zu den wärmeleitenden Eigenschaften die integrierte Kupplung 19, bestehend aus den Kupplungsteilen 21 und 22. Diese Kupplung 19 bietet als Neuheit die Möglichkeit jederzeit durch thermische und mechanische Ankopplung von verschiedenen Endstückerweiterungen 18, den Wärmestrom der aktuellen Einsatzsituation anzupassen. So kann zum Beispiel durch Verwendung einer gekühlten Endstückerweiterung 18 auch in thermisch ungünstigen Umgebungen die Lampe eingesetzt werden oder die Leistungsausbeute verstärkt und damit die Einsatzdauer verlängert werden.
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In 10a, b, c und d sind verschiedene beispielhafte Ausgestaltungen von Kupplungen 19 dargestellt. 10a zeigt eine Schraubkupplung, 10b zeigt eine Bajonettkupplung, 10c eine Snap-In-Kupplung und 10d zeigt eine Magnetkupplung. Das Endstück 4 ist hier beispielhaft zylinderförmig ausgebildet. Weitere Ausformungen mit dem Ziel große Oberflächen für einen maximalen Wärmeaustausch mit der Umgebung auszubilden sind möglich.
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11 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Endstückerweiterung 18 in einer schematischen Seitenansicht und in einer Schnittdarstellung E-F. Die Endstückerweiterung 18 kann zur weiteren Verbesserung der Energieausbeute nicht nur als bloße Masseerweiterung für das Endstück 4 beitragen. So weist die Oberfläche der Endstückerweiterung 18 eine Vergrößerung auf, die beispielhaft durch Rillen 24 realisiert wird, damit die Wärmeströmung weiter verbessert und die Energieausbeute auch bei ungünstigen Umgebungsverhältnissen gewährleistet wird.
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Die Schnittdarstellung E-F in 11 zeigt ein in der Endstückerweiterung 18 angeordneten, innenliegenden Kältespeicher 23, mit dem eine weitere Leistungssteigerung erreicht werden kann. Der auf den thermoelektrischen Generator 18 einwirkende Temperaturgradient wird dadurch unabhängiger von der Umgebungssituation. Wenn vor Einsatz eine oder mehrere Endstückerweiterungen 18 kühl gelagert wurden und in einer Iso-Box an den Einsatzort mitgeführt werden, kann diese Ausgestaltung ein großer Vorteil sein.
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Als Kältespeicher sind sowohl einfache Materialien mit Wirkungsweise auf der Basis einer Temperaturänderung (Wasser, Wassergemische usw.) als auch Materialien mit reversiblem Phasenwechsel-Prinzip (Wassereis, Salzhydrate, Polyethylenoxide usw.) geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmedämmschicht
- 2
- Wärmeleitschicht
- 3
- Thermoelektrischer Generator
- 4
- Endstück
- 5
- Kühlkörper
- 6
- Steuerungseinheit
- 7
- Leuchtmittel
- 8
- Streulinse
- 9
- Linsenhalterung
- 10
- Schalter
- 11
- Reflektorgehäuse
- 12
- Gehäuse
- 13
- Handgreifbereich
- 14
- Thermoelement
- 15
- Verstellschnalle
- 16
- Gummiband
- 17
- Gelenkstück
- 18
- Endstückerweiterung
- 19
- Kupplung
- 20
- Ankopplungsstelle
- 21
- Kupplungssteil
- 22
- Kupplungssteil
- 23
- Kältespeicher
- 24
- Rillen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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