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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein elektrisch betriebenes Austausch-Leuchtmittel
zum Ersatz von Gasglühkörpern in Außenleuchten
für die Beleuchtung von Straßen, Plätzen
und Gehwegen, enthaltend einen Kühlkörper und
eine auf dem Kühlkörper angebrachte Leuchtdiode.
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Stand der Technik
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Unter
dem Begriff „Auer-Glühstrumpf" sind Gasglühkörper
bekannt, welche Cer- und Thoriumverbindungen enthalten. Durch die
Verwendung der Gasglühkörper erfolgt die Verbrennung
von Gas in einer Gasleuchte mit hoher Leuchtkraft. Das Licht hat andere
Eigenschaften als das Licht typischer Außenleuchten. Die
Spektralverteilung verläuft kontinuierlich überwiegend
im roten Spektralbereich. Das Licht hat dadurch einen warmen Ton.
Gasleuchten haben eine besondere historische Bedeutung im Stadtbild. In
Berlin werden beispielsweise noch über 40 000 Gasleuchten
mit Erdgas zur Beleuchtung von Straßen eingesetzt. Die äußere
Formgebung soll möglichst erhalten bleiben.
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Nachteilig
bei bekannten Gasleuchten ist der hohe Wartungsaufwand. Die Bereitstellung
und Instandhaltung einer Gasleitung ist mit Kosten verbunden. Schließlich
ist der Energieverbrauch und die Emission von klimaschädlichem
Kohlendioxid hoch. Durch die Verbrennung von Gas wird sehr viel
Primärenergie zur Erzeugung von Licht eingesetzt, wobei
der Wirkungsgrad im Vergleich zu elektrischen Lichtquellen gering
ist. Die Abstrahlcharakteristik von Gasleuchten ist nur schwer beeinflussbar.
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Die
thermische Emission eines Glühstrumpfs zur Erzeugung von
Licht ist deutlich geringer als diejenige eines Schwarzen Strahlers.
Dafür konzentriert sich die Strahlung auf den kurzwelligen
Bereich im sichtbaren Spektrum. Hierdurch nimmt der Glühstrumpf
eine höhere Temperatur an, als es ein kontinuierlich strahlender
Stoff täte. Der Rotanteil ist vermindert, das Licht erscheint
weißer.
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Aus
der
DE-GM 201 08 013 ist
eine sogenannte Weißlicht-Leuchtdiode (LED), auch als Lumineszenz-Konversions-LED
bezeichnet, bekannt. Die primäre, ultraviolette bis blaue
Strahlung einer Leuchtdiode wird mittels eines Leuchtstoffs in sichtbares,
längerwelliges Licht konvertiert. Der Leuchtstoff ist ein
Granat bestimmter Seltene Erden. Die Anwendung verschiedener Seltene
Erden gibt die Möglichkeit, die Farbe des Leuchtstoffs
in gewissen Grenzen einzustellen. Allerdings sind derartige Leuchtstoffe,
wenn nicht Yttrium die hauptsächliche Komponente des von
Seltene Erden besetzten Gitterplatzes darstellt, wenig stabil oder
sie besitzen wenig Effizienz oder nur geringe Absorptionsfähigkeit. Im
Granat kann Aluminium teilweise durch Gallium ersetzt werden. Insbesondere
bei diesen bekannten Leuchtstoffen im grünen Spektralbereich
ist die Anregbarkeit und damit einhergehend die Effizienz der Konversion
jedoch nicht zufriedenstellend. Eine weitere Beschränkung
der gewünschten Farbe eines bekannten Granat-Leuchtstoffs
zur Realisierung einer weißen LED liegt darin, dass des Öfteren
eine relativ hohe Cer-Kenzentration erforderlich ist, die jedoch schwer
herzustellen ist.
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Bisher
mussten zur Realisierung bestimmter Farben, die beispielsweise einer
neutralweißen oder warmweißen Lichtfarbe entsprechen,
die Kombination mehrerer Leuchtstoffe angewendet werden. Dieses
Zweikomponenten-System hat prinzipiell mehrere Nachteile: Der langwelligere
Leuchtstoff absorbiert im Allgemeinen die Emission des kürzerwelligen.
Des Weiteren müssen die Partikelgrößen
der Leuchtstoffe aufeinander abgestimmt sein, damit keine Agglomeration
oder Sedimentation auftritt. Hinzu kommt, dass die Leuchtstoffe
in einem exakten Mischungsverhältnis sehr homogen gemischt
werden müssen, um Farbschwankungen zu vermeiden. Schließlich
zeigen die bekannten Leuchtstoffe im Allgemeinen eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit,
wodurch eine spektrale Drift beim Dimmen der LED oder unterschiedlichen
Umgebungstemperaturen entstehen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Energieverbrauch und
die Emissionen von bekannten Gasleuchten zu senken. Es ist ferner
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Außenleuchten zu schaffen,
welche vergleichbare Eigenschaften haben, wie bekannte Gasleuchten.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe gelöst durch ein elektrisch betriebenes Austausch-Leuchtmittel
zum Ersatz von Gasglühkörpern in Außenleuchten
für die Beleuchtung von Straßen, Plätzen und
Gehwegen, enthaltend einen Kühlkörper und eine
auf dem Kühlkörper angebrachte Leuchtdiode, gekennzeichnet
durch
- (a) eine geschlossene, lichtdurchlässige
und glockenförmige Abdeckung, welche über der
Leuchtdiode auf den Kühlkörper aufgesetzt ist,
- (b) Mittel zur Beeinflussung der spektralen Verteilung des von
der Leuchtdiode abgestrahlten Lichtes, und
- (c) Mittel zur Beeinflussung der räumlichen Verteilung
des von der Leuchtdiode abgestrahlten Lichtes.
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Die
glockenförmige Abdeckung hat ein ähnliches Erscheinungsbild
und ähnliche Abmessungen, wie ein Gasglühkörper.
Der Ersatz des Glühstrumpfes durch das erfindungsgemäße
Austausch-Leuchtmittel fällt dem Betrachter somit kaum
auf. Vielmehr bleiben historische Erscheinungsbilder erhalten. Die Verwendung
eines erfindungsgemäßen Austausch-Leuchtmittels
verringert den Energieverbrauch, klimaschädliche Emissionen
und den Wartungsaufwand. Die von der LED-erzeugte Wärme wird über
den Kühlkörper abgeführt. Die Verwendung eines
Kühlkörpers ermöglicht die Verwendung
besonders leistungsstarker LEDs. Die Wärme wird zuverlässig
vom Chip abgeführt. Als LED kann ein Monochip oder auch
ein Multichip, bei welchem sich zur Farbmischung mehrere LEDs in
einer Kapselung befinden, verwendet werden.
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Die
glockenförmige Abdeckung ist aus transparentem Material,
wie Glas oder einem Kunststoff wie PMMA. Sie kann eine aufgerauhte,
satinierte Oberfläche haben. Hierzu wird die Oberfläche
gesandstrahlt oder geätzt. Bei Kunststoff kann auch eine
aufgerauhte Werkzeugoberfläche zur Herstellung der Satinierung
dienen. Das Material kann auch eingefärbt oder pigmentiert
sein. Mit der Abdeckung wird nicht nur die Abstrahlcharakteristik
der Anordnung beeinflusst. Vielmehr schützt sie die LED
auch vor Feuchtigkeit und Staub.
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Ein
elektrisches Austausch-Leuchtmittel erlaubt die Beeinflussung sowohl
der spektralen, als auch der räumlichen Verteilung des
abgestrahlten Lichts. Durch die Beeinflussung der räumlichen
Verteilung in geeigneter Weise werden Passanten und Autofahrer nicht
geblendet. Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Beeinflussung der
räumlichen Verteilung des von der Leuchtdiode abgestrahlten
Lichtes eine um die Leuchtdiode herum angeordnete Ringblende und/oder
eine zusätzliche Blende, insbesondere einen kegelförmigen
Lichtlenkkörper innerhalb der glockenförmigen
Abdeckung. Da die Entblendung bereits innerhalb der glockenförmigen
Abdeckung erfolgt, wird sie von außen nicht bemerkt. Vielmehr
lässt sich so unauffällig die Abstrahlcharakteristik
beeinflussen.
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Die
Ringblende kann an den Kühlkörper angeformt sein.
Dabei kann die glockenförmige Abdeckung über die
Ringblende übergestülpt sein Mit der Ringblende
wird Strahlung, die überwiegend seitlich abgestrahlt wird,
etwas nach unten abgelenkt.
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Vorzugsweise
ist das Innere der Ringblende und/oder die Oberfläche des
kegelförmigen Lichtlenkkörpers reflektierend ausgebildet.
Hierzu kann eine Reflexionsbeschichtung vorgesehen sein. Die Ringblende
und der kegelförmige Lichtlenkkörper können
poliert, verspiegelt oder vergoldet sein. Vorzugsweise wird kurzwellige
Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs mit geringerem Reflexionsgrad
reflektiert als langwellige Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs.
Dann verschiebt sich die spektrale Verteilung etwas in den Rotbereich
und wird der spektralen Verteilung eines Glühstrumpfes
angenähert.
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Die
Mittel zur Beeinflussung der spektralen Verteilung des von der Leuchtdiode
abgestrahlten Lichtes kann eine lumineszierende Beschichtung zum
Konvertieren von kurzwelligem Licht in längerwelliges Licht
umfassen. Eine derartige lumineszierende Beschichtung (Konversionsschicht)
ist bereits von Weißlicht-LEDs bekannt. Die Beschichtung
ermöglicht auch den Einsatz von UV-LEDs und Bluechips.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die
lumineszierende Beschichtung an der glockenförmigen Abdeckung
vorgesehen. Dadurch ist die Beschichtung weiter von der primären
LED entfernt. Sie wird weniger warm. Das Material unterliegt geringerer
Bestrahlungsdichte. Entsprechend erfolgt die materialtypische Veränderung, die
mit der Bestrahlung einhergeht, langsamer. Während das
Spektrum einer Weißlicht-LED sich mit der Zeit ins Blaue
verschiebt, weil die Konvertierung sich verschlechtert, ist dies
bei Verwendung einer Beschichtung an der glockenförmigen
Abdeckung nicht bzw. in geringerem Umfang der Fall.
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Als
zusätzliches Mittel zur Beeinflussung der spektralen Verteilung
des abgestrahlten Lichts sind auch Farbfilter geeignet. Diese Farbfilter
können als Scheibe eingelegt werden oder als Beschichtung
der optischen Komponenten ausgebildet sein.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Darstellung eines elektrisch betriebenen Austausch-Leuchtmittels für
Gasleuchten.
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2 ist
eine perspektivische Darstellung des Leuchtmittels aus 1 ohne
Abdeckung.
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3 ist
ein Querschnitt durch das Leuchtmittel aus 1.
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4 ist
eine perspektivische Darstellung eines separaten Multichips im Detail.
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5 ist
eine Seitenansicht des Multichips aus 4.
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6 ist
eine Draufsicht auf den Multichip aus 4.
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7 ist
ein Wellenlängenspektrum des elektrisch betriebenen Austausch-Leuchtmittels
mit und ohne Kegelreflektor.
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8 ist
ein Wellenlängenspektrum einer Gasleuchte.
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9 ist
eine Lichtverteilungskurve eines Austausch-Leuchtmittels ohne Kegelreflektor.
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10 ist
eine Lichtverteilungskurve eines Austausch-Leuchtmittels mit Kegelreflektor.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein allgemein mit 10 bezeichnetes elektrisch betriebenes
Austausch-Leuchtmittel für Gasleuchten dargestellt. Das
Leuchtmittel 10 umfasst einen Kühlkörper 12,
einen LED-Multichip 14 und eine glockenförmigen
Abdeckung 16. Das Austausch-Leuchtmittel 10 wird
in Außenleuchten eingesetzt, welche derzeit mit Gas betrieben
werden oder ein ähnliches Erscheinungsbild wie bekannte
Gasleuchten haben. Es ersetzt den eingangs beschriebenen Auer-Glühstrumpf.
Entsprechend ist die Außenleuchte mit einer elektrischen
Versorgung ausgestattet.
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Der
Kühlkörper 12 ist aus Aluminium gefertigt.
Er weist eine Basis 18 mit einer Vielzahl von langgestreckten,
parallelen, quaderförmigen Vorsprüngen 20 auf,
zwischen denen Luft zur Wärmeabfuhr zirkulieren kann. Auf
der den Vorsprüngen 20 abgewandten Seite des Kühlkörpers
ist mittig ein Ringvorsprung 22 angeformt. Der Ringvorsprung 22 ist aus
Kostengründen auf der Innenseite 24 mit einer Messingschicht
versehen und poliert, so dass sich eine gut reflektierende Oberfläche
ergibt. Eine Goldschicht ist zwar besser geeignet, aber teurer.
Der Ringvorsprung 22 bildet eine Ringblende, deren optische
Eigenschaften nachstehend beschrieben werden.
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Innerhalb
des Ringvorsprungs 22 ist ein sternförmiger LED-Multichip 14 befestigt.
Der Multichip 14 ist in den 4 bis 6 noch
einmal im Detail dargestellt. Der Chip 14 weist einen sternförmigen Träger 26 (Alu-Kernplatine)
auf. Auf dem Träger 26 sind vier leistungsfähige
LEDs 28 unterschiedlicher Farbe aufgebracht. Die vier LEDs 28 sind
in einer Kapsel 30 gekapselt. Die Oberfläche der
LEDs ist mit einer Konversionsschicht versehen, so dass das Licht
der vier LEDs 28 konvertiert als Weißlicht aus der
Kapsel 30 austritt. Die Kapsel 30 dient dem Schutz
der LEDs. Über Anschlüsse 32 werden die LEDs 28 mit
elektrischer Energie versorgt. Der Multichip 14 sitzt mittig
in dem Ringvorsprung 22. Die mit dem Multichip 14 erzeugte
Strahlung entspricht in etwa einem lambertschen Strahler und tritt
radial in alle Richtungen der nach unten ragenden Halbkugel aus.
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Über
den Ringvorsprung 22 ist eine glockenförmige Abdeckung 16 gestülpt.
Die Abdeckung 16 ist über den Ring gestülpt
und mit diesem wasserdicht verklebt. Die Abdeckung 16 ist
aus Glas oder PMMA und satiniert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Abdeckung 16 langgestreckt mit einem halbkugelförmigen
unteren Ende. Es versteht sich, dass die Form auch asymmetrisch
sein kann oder andere Krümmungsverläufe aufweisen
kann.
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Im
gekrümmten unteren Bereich der Abdeckung 16 ist
innen ein reflektierender, kegelförmiger Lichtlenkkörper 38 eingeklebt
(3). Die Spitze des Kegels ist auf die LEDs gerichtet.
Der Lichtlenkkörper 38 besteht aus goldbeschichtetem
Aluminium und ist poliert. Der Öffnungswinkel des Kegels
beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa
80 Grad. Typische Werte liegen zwischen 60 bis 90 Grad.
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3 zeigt
den Verlauf der Strahlen. Stahlung, welche im wesentlichen horizontal
oder nur mit einem kleinen Winkel zur Horizontalen vom Multichip 14 abgestrahlt
wird, trifft auf die Ringblende 22. An der reflektierenden
Innenseite der Ringblende 22 wird diese Strahlung weiter
nach unten reflektiert. Dies ist durch repräsentative Strahlen 40 dargestellt. Der
horizontale Winkelbereich wird auf diese Weise entblendet und die
Strahlung in eine erwünschte Richtung gelenkt und weiter
genutzt.
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Strahlung,
welche im wesentlichen vertikal nach unten oder nur mit einem kleinen
Winkel zur Vertikalen vom Multichip 14 abgestrahlt wird,
trifft auf den Kegel 38. An der reflektierenden Oberseite
des Kegels 38 wird die Strahlung seitlich reflektiert.
Dies ist durch repräsentative Strahlen 42 dargestellt.
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Der
dazwischen liegende Winkelbereich 44 wird direkt beleuchtet.
Durch geeignete Dimensionierung des Kegels 38 und der Ringblende 22 kann
der Winkelbereich 44 gezielt beeinflusst werden. Auf diese
Weise lässt sich die Abstrahlcharakteristik so gestalten,
dass Passanten und der Verkehr nicht geblendet werden und gleichzeitig
eine hohe Leuchtdichte in den beleuchteten Bereichen erreicht wird. 9 und 10 illustrieren
anhand einer Lichtverteilungskurve den Einfluss des Kegels.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel wird eine quasi
monochromatische Blau-LED statt eines Multichips eingesetzt. Die
Konversionsbeschichtung ist in diesem Fall weiter weg innen auf
der Abdeckung 16 vorgesehen. Die Konversionsbeschichtung ist
also einer geringeren Strahlungsleistung ausgesetzt und altert weniger.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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