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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Unterwasserbeleuchtungseinheiten zur maritimen
Verwendung, für Schwimmbecken
und für
andere Anwendungen, bei denen eine Beleuchtung hoher Intensität von einem Ort
erforderlich ist, der sich permanent unter Wasser befindet. Die
Erfindung ist insbesondere aber nicht ausschließlich für Unterwasserrumpfbeleuchtungseinheiten
geeignet, die in Kofferdämmen
installiert werden, welche in Rümpfen
von Yachten, Booten und anderen Seefahrzeugen ausgenommen wurden oder
an der Oberfläche
dieser Rümpfe
angebracht werden, um das Wasser in der unmittelbaren Nähe des Wasserfahrzeuges
auszuleuchten.
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Stand der Technik
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Untertauchfähige Lampen
für Schwimmbecken
sind bekannt und umfassen im Allgemeinen eine abgedichtete Lampeneinheit
hinter einem abnehmbaren Glasfenster und vertieft in einer Wand des
Beckens. Zur Wartung wird der Wasserstand abgesenkt, das Glasfenster
entriegelt oder abgeschraubt und die Lampe ersetzt. Die Lampe selbst
ist herkömmlicherweise
eine Wolframglühfadenlampe, eine
Leuchtstoffröhre
oder sogar eine Quarzhalogenlampe. Die Technologie ist sehr einfach
und unkompliziert. Die
US-A-2003/0048632 offenbart
ein Schwimmbeckenlicht, das Dioden als Lichtquellen verwendet.
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Unterwasserrumpflichteinheiten
für maritime Einsatzmöglichkeiten
stellen eine größere Herausforderung
dar. Im Allgemeinen ist die erforderliche Beleuchtung weitaus heller
als diejenige, die eine Wolframglühfadenlampenbirne oder eine
Leuchtstoffröhre
erzeugen könnte.
Daher werden Quarzhalogenlampen oder Metallhalogenidlampen verwendet.
Die Lampe ist im Inneren des Seefahrzeuges angebracht, und das Licht
wird durch ein Fenster im hinteren Abschnitt eines Kofferdamms im
Rumpf nach außen
gerichtet. Ein Kofferdamm ist ein ausgesparter Bereich des Rumpfs.
Im Falle eines Metallrumpfwasserfahrzeuges wird der Kofferdamm typischerweise durch
Schneiden einer Öffnung
in den Rumpf und durch Anschweißen
eines abgeschnittenen Metallzylinders hergestellt. Die Schnittlinie
ist mit der Außenoberfläche des
Rumpfes bündig.
Der hintere Bereich der so erzeugten Ausnehmung ist typischerweise vertikal
und umfasst ein Fenster, durch das das Licht scheint. Bei einem
faserver stärkten
Rumpf wird der Kofferdamm normalerweise einstückig mit dem Rumpf geformt.
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Für Seefahrtsversicherungszwecke
muss die Kofferdammanordnung für
eine Unterwasserrumpfbeleuchtungseinheit genauso zuverlässig wie der
Rest des Rumpfes sein. Sie wird in der Tat so getestet, als wenn
sie ein integraler Bestandteil des Rumpfes wäre. Aus diesem Grund wurde
es niemals zuvor als möglich
erachtet, untertauchfähige
Lichter durch die Wand des Kofferdammes in das Innere des Kofferdammes
zu verdrahten. Fast immer befand sich die Verdrahtung und die Lichtquelle
innerhalb des Rumpfes, und das erzeugte Licht verlief durch das
Fenster in der hinteren Kofferdammwand. Das einzige alternative
Anbringungsverfahren, das verwendet wurde, bestand im Vorsehen eines
abgedichteten Fensters über
die Vorderseite des Kofferdamms, wobei die Beleuchtungseinheit innerhalb
eines trockenen Innenraumes des Kofferdamms untergebracht ist und
durch die Kofferdammwand in das Innere des Rumpfes verdrahtet ist.
Dies war nur möglich,
weil die Kofferdammwand durch das abgedichtete Vorderfenster vom
umgebenden Wasser isoliert war.
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Die
Entwicklung von Hochleistungsleuchtdioden (LEDs) mit zumindest 1
Watt pro LED und in jüngerer
Zeit von zumindest 3 Watt pro LED eröffnete eine neue und hochinteressante
Möglichkeit
zum Entwickeln noch hellerer Unterwasserbeleuchtungseinheiten. Moderne
Hochleistungs-LEDs haben eine sehr lange mittlere Lampenlebensdauer
und können daher
als im Wesentlichen wartungsfrei betrachtet werden. Sie haben jedoch
von der Rückseite
der LED eine relativ hohe Wärmeabgabe
und werden daher im Allgemeinen in relativ teure Kühlgehäuse eingebaut,
die ihre Kühlung
durch komplexe Wärmesenken
oder durch eine Ölkühlung erhalten.
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Darüber hinaus
kann die Beleuchtungsintensität
durch die Verwendung einzelner Kollimatoren stark erhöht werden,
die je einer LED zugeordnet sind, um die Lichtabgabe der LEDs auszurichten oder
zu fokussieren. Die Verwendung einer Anordnung von LEDs mit einer
Abgabe von lediglich 1 Watt, den am wenigsten leistungsstarken LEDs
dieses neuen Sortiments von LEDs, in Verbindung mit Kollimatoren
für die
einzelnen LEDs erzeugt eine Lichtabgabe, die so hell ist, dass man
nicht wünscht,
direkt in die Lichtquelle zu sehen. Die
US-A-2003/0048632 zieht
die Verwendung von Kollimatoren nicht in Betracht, was in jedem
Fall den allgemeinen Lehren dieser Patentbeschreibung vollkommen
entgegengesetzt wäre,
die sogar das Bilden von LED-Gruppen in der Form von Buchstaben
vorschlägt,
um ein beleuchtetes Schwimmbecken zu "personalisieren".
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Die
DE 203 07 610 U1 ,
die als den nächstkommenden
Stand der Technik darstellend angesehen wird, offenbart: Eine Unterwasserbeleuchtungseinheit,
die eine Anordnung von Leuchtdioden (LEDs), die an der Rückwand eines
Gehäuses
angebracht ist, und einen Kollimator mit einer konischen Formteil
aus einem farblosen transparenten Material vor jeder LED umfasst.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine robuste und zuverlässige Unterwasserlichteinheit
bereitzustellen, die moderne Hochleistungs-LEDs in einem neuartigen
Gehäuse
verwendet, das anstelle die Lichtquelle vom umgebenden Wasser zu
isolieren das Kühlpotential
des umgebenden Wassers maximal ausnützt und die LEDs und das umgebende Wasser
in eine enge Wärmeaustauschbeziehung bringt.
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Die Erfindung
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Die
Erfindung stellt eine Unterwasserbeleuchtungseinheit bereit, wie
sie im Anspruch 1 angegeben ist. Das Gehäuse kann aus einem einzigen Stück eines
thermisch hoch leitfähigen
Materials wie etwa Metall, vorzugsweise rostfreiem Stahl, Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung gegossen, geformt oder spanend hergestellt
werden oder aus einem thermisch leitfähigen Kunststoffmaterial spritzgegossenen
werden, so dass die Rückwand
und die Seitenwände
zusammenhängend
und fugenlos sind. Das Kunststoffmaterial kann ein ABS-basiertes
Harz, optional eines, das mit Glasfasern oder Metall gefüllt ist,
ein glasfasergefülltes
Nylon, bei dem optional ein anderes thermisch leitfähiges Füllmaterial
vorhanden ist, oder ein Polyphthalamid-Harz (PPA) sein, beispielsweise
das, das unter dem Markennamen AMODEL verkauft wird. Falls Füllmaterialien
vorhanden sind, dann kann die thermische Leitfähigkeit des Harzes beträchtlich
verbessert werden, aber vorzugsweise sollten die Füllmaterialien
derart beschaffen sein, dass sie nicht beim Kontakt mit Wasser,
insbesondere Meerwasser, altern. Die thermische Leitfähigkeit
eines Spritzgussgehäuses
kann verbessert werden, indem in das Gussteil eine Platte aus einem thermisch
leitfähigen
Material, beispielsweise Aluminium oder Aluminiumbronze eingebracht
wird, die dabei hilft, die Wärme
von den LED's zum
Außenrand des
Gehäuses
für einen
Wärmeaustausch
mit dem Wasser zu leiten, in das die Leuchteinheit eingetaucht ist.
Falls gewünscht,
kann der Außenrand
einer solchen Metallplatte der Umgebung des Gehäuses ausgesetzt sein. Alternativ
hierzu kann sie vollständig
im Kunststoff des Gehäuses
gekapselt sein, wobei in diesem Fall der Wärmetransfer zur Außenoberfläche des
Gehäuses
verbessert werden kann, indem die kapselnde Schicht des Kunststoffgehäusematerials
in Bereichen dünn
ausgebildet ist, in denen der maximale Wärmetransfer stattfin det, beispielsweise
dort, wo sich die gekapselte Metallplatte dem Gehäuserand
nähert.
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Die
Scheibe, die vorzugsweise aus einem gehärteten Glas besteht, beispielsweise
einem 6 oder 8 mm dicken wärmegehärteten Borsilikatglas, ist
in das Gehäuse
zurückversetzt,
indem es in einer Umfangsausnehmung der Seitenwand oder -wände des
Gehäuses
so aufgenommen ist, dass es vorzugsweise bündig mit der Vorderkante jener
Seitenwand oder Seitenwände
liegt, und vorzugsweise an Ort und Stelle mittels eines durchgehenden
Strangs aus Silikonharz abgedichtet und befestigt ist, der vor einem
Einbau der Glasscheibe um die Ausnehmung herum platziert wird.
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Die
Kollimatoren, die als Reflektoren oder Linsen wirken, werden in
die Anordnung eingebaut, bevor die Glasscheibe eingepasst wird.
Vorzugsweise wird ein Kollimator vor jeder LED-Linse platziert, bevor
die Glasscheibe eingepasst wird. Jeder Kollimator kann ein massiver
konischer oder pyramidaler Formkörper
aus einem durchsichtigen Acrylharz sein, mit einer kleinen Ausnehmung
an der Spitze eines jeden Konus oder einer jeden Pyramide, damit
er eng um den Linsenbereich der zugeordneten LED passt und diesen
aufnimmt. Die Übertragungsseite eines
jeden Konus oder einer jeden Pyramide kann rund oder winklig, beispielsweise
hexagonal, sein. Hexagonale Pyramiden sind bevorzugt, da sie ohne Lücken zwischen
den nach außen
gerichteten Abstrahlflächen
einer Gruppierung von Kollimatoren aneinandergestapelt werden können. Die
Kollimatoren können
einzeln geformt werden und beim Zusammenbau der Beleuchtungseinheit
zu einer endgültigen
Anordnung über
der Anordnung zugeordneter LEDs montiert werden oder sie können als
zusammenhängende
Gruppe oder Ansammlung geformt werden. Das von den LEDs erzeugte
Licht wird durch eine innere Totalreflexion von den konischen Oberflächen der
Kollimatoren reflektiert, und der Konuswinkel gibt vor, ob der durch
die Anordnung von LEDs erzeugte kollimierte Strahl konvergiert,
divergiert oder parallel ist. Vorzugsweise ist die axiale Länge eines jeden
konischen Kollimators im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen
der Vergussmasse, die die LEDs an Ort und Stelle hält und der
Innenwand der Glasscheibe, so dass die Kollimatoren eine Abstützung für die Glasscheibe über die
Gesamtfläche
der Scheibe bereitstellen, um die Abstützung zu verstärken, die
durch das Anbringen ihres Rands in der Umfangsausnehmung des Gehäuses bereitgestellt
wird.
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Da
die Kollimatoren auf einer inneren Totalreflexion des Lichts beruhen,
werden sie nur funktionieren, wenn sie von einem Gas, beispielsweise
Luft, oder einem Medium mit einer Brechungsindex deutlich unter
demjenigen des durchsichtigen Materials (beispielsweise Acrylharz),
aus dem sie gebildet sind, umgeben sind. Die Dichtung, die zwischen
der transparanten Scheibe und dem Gehäuse ausgebildet ist, ist daher
hochwichtig, um die Funktionsfähigkeit
der Beleuchtungseinheit zu erreichen, da die Dichtung den Wassereintritt
zu den Rückseiten
der LEDs verhindert.
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Die
Unterwasserbeleuchtungseinheit der Erfindung wird vorzugsweise durch
Anordnen der LEDs in dem gewünschten
Muster auf einer Leiterplatte oder Leiterplatten gegen die Rückwand des
Gehäuses
und Führen
der elektrischen Kabel zur Zufuhr elektrischen Stroms zu diesen
LEDs durch zumindest eine Öffnung
in der Rückwand
des Gehäuses zusammengebaut.
Falls die LEDs in einer allgemein kreisförmigen Gruppierung angeordnet
sind, dann befindet sich die Öffnung
vorzugsweise allgemein mittig hinter der Gruppierung. Falls die
LEDs in einer allgemein geradlinigen Anordnung angeordnet sind, dann
kann sich die Öffnung
am Mittelpunkt der Anordnung oder in der Nähe eines der Enden der Anordnung
befinden, oder die elektrischen Kabel können durch ein Paar von Öffnungen
in der Rückwand des
Gehäuses
verlaufen, das sich in der Nähe
entgegengesetzter Enden der Anordnung befindet. Die LEDs sind vorzugsweise
unter Verwendung eines wärmeleitenden
wärmeaushärtenden
Harzes in Position geklebt und anschließend in einem Harz vergossen,
das die gesamte Rückwand
des Gehäuses
bedeckt und alle der Anordnung von LEDs zugeordneten Leiterplatten
und gelöteten
Verbindungen kapselt und lediglich die Linsen der LEDs frei lässt. Die
oder jede Öffnung
in der Rückwand
des Gehäuses
führt vorzugsweise
zu einem hohlen rohrförmigen
Befestigungsschaft mit einem Außengewinde,
durch den die elektrischen Kabel verlaufen, und vorzugsweise wird eine
zusätzliche
wärmehärtende Harzmasse
in diesen hohlen rohrförmigen
Befestigungsschaft eingespritzt, um die dort hindurchlaufenden elektrischen Drähte einzukapseln.
Auf diese Weise werden drei separate Wasserbarrieren zwischen der
Vorderseite der Beleuchtungseinheit und dem hinteren Bereich des
Befestigungsschaftes erzeugt. Eine erste Wasserbarriere wird um
den Rand der Glasscheibe erzeugt, die durch die wasserdichte Silikondichtung
an das Gehäuse
geklebt ist. Eine zweite Wasserbarriere wird durch die Vergussmasse
erzeugt, die die gesamte LED-Anordnung außer den Linsenbereichen kapselt.
Eine dritte Wasserbarriere wird durch die Vergussmasse oder eine
eingespritzte Silikondichtmasse erzeugt, die die elektrischen Verbindungsdrähte beim
Verlaufen durch den Befestigungsschaft kapselt. Eine zusätzliche
Wasserbarriere könnte, falls
erwünscht,
erzeugt werden, indem eine wasserdichte Stopfbuchse um die Verbindungsdrähte und zwischen
den Verbindungsdrähten
und dem Befestigungsschaft eingebaut wird, wo die Drähte aus
dem hinteren Bereich dieses Befestigungsschaftes austreten.
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Die
soweit beschriebene Beleuchtungseinheit ist in sich selbst vollständig und
kann an einem beliebigen stationären
Ort unter Wasser, beispielsweise einem Schwimmbecken oder einem
Steg verwendet werden, weil die LEDs und die Kollimatoren gut vor
einem Eintritt des umgebenden Wassers geschützt sind. Im Einsatz berührt das
Wasser das Gehäuse
direkt. Wenn die Beleuchtungseinheit im Einsatz untergetaucht wird,
befindet sich die vordere Wand der Scheibe in unmittelbarer Berührung mit dem
umgebenden Wasser, und die Seitenwand oder -wände und vorzugsweise auch die
Rückwand
des Gehäuses,
abgesehen von dem kleinen Befestigungsschaftbereich, befinden sich
ebenfalls in unmittelbarem Kontakt mit dem Wasser. Das Wasser, in dem
die Beleuchtungseinheit verwendet wird, ist ein exzellentes Kühlmedium
und stellt ein einwandfreies Maß an
Kühlung
für die
LEDs bereit.
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Eine
sehr wichtige Anwendung für
eine erfindungsgemäße Unterwasserbeleuchtungseinheit
sind Unterwasserrumpfbeleuchtungssysteme für die Rümpfe von Yachten, Booten und
anderen Seefahrzeugen. Die Beleuchtungseinheit kann in einer Ausnehmung
des Rumpfs des Seefahrzeuges aufgenommen sein oder an dessen Oberfläche angebracht sein.
Bei einer Anbringung in einer Ausnehmung kann eine Beleuchtungseinheit,
genau wie zuvor beschrieben, über
der Rückseite
eines Kofferdamms angebracht sein, der als Ausnehmung im Rumpf des Wasserfahrzeuges
ausgebildet ist. Vor der Beleuchtungseinheit ist kein Glasfenster über dem
Kofferdamm vorgesehen, so dass das Wasser, in dem das Wasserfahrzeug
schwimmt, in den Kofferdamm eintritt und die Seitenwand oder -wände und
optional einen Teil der Rückwand
des Gehäuses
umgibt, um das zuvor beschriebene Kühlen der LEDs zu erreichen.
Der mit einem Schraubgewinde versehene Anbringungsschaft und die
zugeordnete elektrische Verdrahtung verläuft durch eine optional mit
einem Schraubgewinde versehene Öffnung
in der Rückseite
des Kofferdamms und in das Innere des Rumpfes, wo er mit einer Mutter
und einer optionalen Sicherungsmutter festgehalten wird. Es besteht überhaupt keine
Gefahr, dass Wasser durch die Beleuchtungseinheit über den
hohlen Anbringungsschaft in das Innere des Rumpfes fließt, und
die einzige Dichtung, die zwischen der Beleuchtungseinheit und der
hinteren Wand des Kofferdamms erforderlich ist, ist eine Dichtung
um den Sockel des Anbringungsschaftes. Vorzugsweise ist diese Dichtung
so, wie in der Beschreibung des
britischen
Patentes mit der Nummer 2258035 beschrieben und beansprucht
ist. Eine ringförmige
Dichtstopfbuchse, beispielsweise eine Silikongummidichtung oder
eine Polyurethangummidichtung, die konzentrisch zum Anbringungsschaft angeordnet
ist, wird zwischen der hinteren Wand des Gehäuses und der Rückwand des
Kofferdamms zusammengepresst. Eine nach außen vorstehende ringförmige Rippe
ist auf der hinteren Fläche
der Rückwand
des Gehäuses
ausgebildet, und eine zusam menwirkende ringförmige Rippe ist auf der Innenseite
der Rückseite
des Kofferdamms konzentrisch um die Anbringungsöffnung ausgebildet. Die Rippen
haben unterschiedliche Radien, so dass die Dichtstopfbuchse verformt
wird, wo sie zunächst über die
Rippe auf der Rückseite
der Beleuchtungseinheit und dann die Rippe auf der Rückwand des Kofferdamms
verläuft.
Eine solche Dichtung ist mehr oder weniger so, wie sie in der Beschreibung
des
britischen Patentes mit der
Nummer 2258035 offenbart ist, aber eine beträchtliche
Verbesserung der Dichtfunktion kann erreicht werden, indem sich
zwei oder mehr ringförmige
Rippen auf der Rückseite
des Kofferdamms und zwei oder mehr ringförmige Rippen auf der Rückseite
der Beleuchtungseinheit mit einem schrittweise zunehmenden Durchmesser
befinden, so dass beim Festziehen die Dichtstopfbuchse in eine allgemein
wellenförmige
Form gebogen wird, während
sie über
die sukzessiven Rippen auf der Beleuchtungseinheit und dem Kofferdamm
gezwängt wird.
Falls erwünscht,
können
weitere Dichtflansche in der Öffnung
vorgesehen werden, wo der mit einem Schraubgewinde versehene Anbringungsschaft durch
eine Mutter befestigt und in Stellung gesichert ist.
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Wie
zuvor erwähnt
wurde, kann die Beleuchtungseinheit alternativ an einer Oberfläche unter
der Wasserlinie des Rumpfes einer Yacht, eines Bootes oder eines
anderen Seefahrzeuges angeordnet werden. Jegliche an der Oberfläche angebrachte
Einheit weist vorzugsweise eine stromlinienförmige Gestalt auf, um einen
reduzierten Wasserwiderstand und Fahrtwiderstand zu erzeugen, während sich
das Wasserfahrzeug durch das Wasser bewegt. Das Gehäuse und
die Linse haben vorzugsweise einen geraden Aufbau, beispielsweise
eine Grundfläche
(wo das Gehäuse
den Rumpf berührt)
mit einer Länge von
typischerweise 100 bis 200 mm und einer Tiefe von 15 mm bis 25 mm.
Die Form des Gehäuses
und der Linse erstreckt sich vorzugsweise mit einer abgerundeten
Kontur von einer allgemein flachen Rückseite, die den Rumpf berührt, und
weist vorzugsweise winklige oder abgerundete Vorderenden und Hinterenden
auf. Befestigungsbolzen zum Verbinden der Beleuchtungseinheit mit
dem Rumpf des Wasserfahrzeuges sind vorzugsweise je einmal nahe
jedem Ende des Gehäuses
vorgesehen, und einer oder möglicherweise
beide der Befestigungsbolzen können
hohl sein, um den hohlen rohrförmigen
Befestigungsschaft mit einem Außengewinde
zu bilden, durch den die elektrischen Kabel zum Versorgen der LEDs
verlaufen. Alle zuvor diskutierten Merkmale für die Wasserdichtigkeit treffen
auch auf diese Oberflächenausführung der
Beleuchtungseinheit zu.
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Zeichnungen
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1 ist
ein Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Schiffsrumpfunterwasserbeleuchtungseinheit,
die in einem Kofferdamm angebracht ist, der an den Rumpf eines Seefahrzeuges
geschweißt
ist;
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2 ist
ein Axialschnitt durch den Kofferdamm selbst, bevor er in den Winkel
des Rumpfes geschnitten wird;
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3 ist
eine Frontansicht der Beleuchtungseinheit aus 1;
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4 ist
eine Seitenansicht eines Kollimators, wie er in 1 verwendet
ist;
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5 und 6 sind
schematische Frontansichten ähnlicher
Beleuchtungseinheiten, die eine alternative Anzahl von LEDs in der
Anordnung zeigen;
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7 ist
eine Frontansicht einer alternativen Beleuchtungseinheit, bei der
das Gehäuse
im Schnitt allgemein rechtwinklig statt kreisförmig ist;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen an einer Oberfläche anbringbaren
Beleuchtungseinheit zum Anbringen an einen Rumpf eines Seefahrzeuges;
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9 ist
ein Querschnitt durch die Beleuchtungseinheit aus 8 in
der in
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8 gezeigten
Ebene 9-9, aber in der Orientierung, die sie einnehmen würde, wenn
sie an dem vertikalen Abschnitt eines Bootsrumpfes befestigt wäre;
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10 ist
ein Querschnitt ähnlich
demjenigen aus 9, aber mit einer Modifikation
der Beleuchtungseinheit der 8 und 9,
die ein horizontal gerichtetes Lichtbündel zu projizieren vermag, wenn
sie an einem nicht vertikalen Abschnitt eines Bootsrumpfes angebracht
ist;
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11 ist
eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen an einer Oberfläche anbringbaren Beleuchtungseinheit
mit externer Verdrahtung; und
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12 ist
eine Seitenansicht der Beleuchtungseinheit aus 11.
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Bezugnehmend
zuerst auf die Ausführungsformen
der 1 bis 4 umfasst die Seefahrtsrumpfunterwasserbeleuchtungsanordnung eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit 1,
die an der Rückseite
eines Kofferdamms 2 angebracht ist, der in den Rumpf 3 des
Wasserfahrzeuges eingebaut ist. Der Kofferdamm selbst ist in 2 dargestellt
und ist ein zylindrischer Becher mit einem flachen Ende, der aus
einem einzigen Metallstück,
vorzugsweise rostfreiem Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
gebildet ist, so dass er fugenlos ist. So wie er anfänglich ausgebildet
ist, weist der Kofferdamm 2 eine gleichmäßige axiale
Länge auf, wie
in 2 gezeigt. Er wird dann entlang der in 2 dargestellten
gestrichelten Linie 4 geschnitten, die dem Rumpfwinkel
am Installationsort entspricht. Der Winkel der Linie des Schnittes 4 kann
ein beliebiger Winkel sein, der mit der Form des Rumpfes am Einbauort übereinstimmt.
Es sind leicht Winkel von 50° gegenüber der
Vertikalen bei einer gegebenen ausreichenden axialen Tiefe des ursprünglichen
Kofferdamms 2 erreichbar. Der Kofferdamm 2 wird
an den Bootsrumpf 3 sowohl außen als auch innen angeschweißt, so dass
er strukturell zu einem integralen Teil des Bootsrumpfes wird. Der
einzige Ort für
einen möglichen
Wassereintritt in das Innere des Rumpfes ist eine zentrale Befestigungsöffnung 5 (2),
aber diese ist, wie nachstehend beschrieben, zuverlässig abgedichtet.
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Die
hintere Wand des Kofferdamms 2 ist vertikal, so dass, falls
eine Anzahl von Kofferdämmen um
den Rand des Rumpfes des Seefahrzeuges eingebaut ist, alle auf dem
gleichen Niveau, die aus den Beleuchtungseinheiten 1 strahlende
Unterwasserbeleuchtung insgesamt horizontal und in der gleichen Tiefe
strahlt, eine vom Deck des Wasserfahrzeuges aus gesehene Beleuchtung
mit einer homogenen Stärke
erzeugt wird.
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Die
Beleuchtungseinheit 1 der Erfindung hat ein Gehäuse 10,
das aus einem thermisch hoch leitfähigen Kunststoffmaterial in
einem einzigen Stück spritzgegossen
ist oder das aus einem einzigen Stück rostfreiem Stahl, Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung spanend hergestellt ist. Daher gibt
es keine Fugen in dem Gehäuse,
die potentielle Wasserleckagepunkte bilden. Das Gehäuse 10 hat
eine schüsselartige
Form mit einer von einer zylindrischen Seitenwand 12 umgebenen
Rückwand 11.
Die Seitenwand 12 ist als eine einzige Seitenwand beschrieben,
weil sie kreisförmig
ist, aber eine Beleuchtungseinheit mit einer rechteckigen Form,
wie sie in 7 gezeigt ist, könnte als
vier Seitenwände 12a, 12b, 12c und 12d aufweisend
angesehen werden. Das Gehäuse
der Beleuchtungseinheit aus 7 würde jedoch
dennoch vorzugsweise durch einen einzigen Spritzgussformkörper aus
thermisch hoch leitfähigem Kunststoffmaterial
oder aus einem einzigen Stück
Metall durch Fräsen
hergestellt werden.
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Über die
Rückwand 11 ist
eine Anordnung von LEDs 13 angeordnet, die jeweils auf
ihrer eigenen Leiterplatte 14 montiert sind. Vorzugsweise
sind die Leiterplatten 14 in Gruppen von LEDs 13 miteinander
verdrahtet, die abhängig
davon, welche LEDs und welche Ansteuerung verwendet werden, in einer Serienschaltung
oder in einer Parallelschaltung elektrisch angeschlossen sind. Die
Schaltung auf der Leiterplatte 14 ist vorzugsweise so,
dass, falls eine beliebige LED 13 in einer Serienschaltung
ausfällt,
dann die ausgefallene LED elektrisch überbrückt wird, so dass die anderen
LEDs in dieser gleichen Serienschaltung immer noch leuchten.
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Die
elektrische Verdrahtung 15 von den Leiterplatten 14 wird
zusammengeführt
und verläuft durch
das Zentrum eines mit einem Außengewinde versehenen
Befestigungsschaftes 16 hinunter, der integral mit dem
Rest des Gehäuses 10 ausgebildet ist.
Eine wärmeaushärtende Harzmasse 17 wird über die
Rückwand 11 des
Gehäuses
verteilt, was die Leiterplatten 14 kapselt und sie an der
Rückwand 11 befestigt
und lediglich die LEDs 13 frei lässt. Die Harzmasse 17 umgibt
die Leiterplatten und hat vorzugsweise eine gute thermische Leitfähigkeit,
so dass die Leiterplatten einen guten thermischen Kontakt mit der
Rückwand 11 haben.
Ein ähnliches
Harz 18 wird in den Befestigungsschaft 16 injiziert,
um die elektrische Verdrahtung 15 zu kapseln. Eine Schraubkappe 19 mit
einer Gummidichtstopfbuchse (nicht gezeigt), die um die Verdrahtung 15 festgezogen
wird, indem die Kappe 19 fest darauf geschraubt wird, wird
optional als weitere Vorsichtsmaßnahme angewendet, um einen
Wassereintritt in dem Bootsrumpf zu vermeiden, falls alle anderen
Dichtungen brechen würden oder
dort eine Leckage auftreten würde.
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Ein
Acrylkollimator 20 ist an der Vorderseite jeder LED 13 angeordnet.
Jeder Kollimator 20 ist ein Konus oder eine Pyramide aus
einem klaren Acrylharz mit einer ebenen Vorderseite und mit einer
kleinen Ausnehmung 21 an der Spitze des Konus zum Aufnehmen
der zugeordneten LED 13. Die Kollimatoren sind so bemessen,
dass sie die innere Oberfläche
der Glasscheibe 22 gerade so eben berühren. Die Scheibe 22 aus
einem zumindest 6 mm dicken gehärteten
Glas ist in einer Umfangsausnehmung 23 um den inneren vorderen
Rand der Seitenwand 12 angeordnet, und ist mittels eines
durchgehenden Strangs aus Silikonharz (nicht gezeigt) an Ort und Stelle
befestigt und abgedichtet.
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Um
den Befestigungsschaft
16 an der Rückseite des Gehäuses
11 der
Beleuchtungseinheit sind ein Paar von sich nach hinten erstreckenden
konzentrischen ringförmigen
Rippen
24 integral ausgebildet. Die Rippen
24 liegen
zwischen einem Paar entgegengesetzt gerichteter sich nach außen erstreckender
konzentrischer ringförmiger
Rippen
25 an der Rückwand
des Kofferdamms
2, und bei der Montage der Beleuchtungseinheit
1 am
Kofferdamm
2 wird eine anfänglich ebene Dichtscheibe
26 aus
einer Silikonmasse, einem Polyurethangummi oder einem anderen Elastomermaterial
zwischen den entgegengesetzt gerichteten Rippen
24 und
25 eingeschlossen.
Der Befestigungsschaft
16 ist mit einem Außenschraubgewinde
versehen und wird durch die Öffnung
5 in
der Rückwand
des Kofferdamms
2 geschoben, wo er durch eine Unterlegscheibe
27 und
eine Mutter
28 an Ort und Stelle gehalten wird. Die Mutter
28 kann
somit festgeschraubt werden, bis die Dichtscheibe
26 durch
die entgegengesetzten Rippen
24 und
25 in einen
wellenförmigen
Querschnitt verformt wird. Das
britische
Patent mit der Nummer 2258035 offenbart das Erzielen einer
sehr zuverlässigen
Dichtung durch die Verwendung einer Zwischendichtstopfbuchse und
einer solchen Rippe auf jeder von zwei ebenen Flächen, die zusammenzuklemmen sind.
Die Verwendung von mehr als einer konzentrischen Rippe jeweils an
der Rückwand
des Kofferdamms und der Rückwand
der Beleuchtungseinheit bildet eine einzigartig effektive Dichtung.
Eine noch größere Abdichtsicherheit
kann erreicht werden (obwohl es nicht in den Zeichnungen gezeigt
ist), indem die anfänglich
ebene Dichtscheibe
26 und die Rippen
24 oder
25 in
einer kreisförmigen
Ausnehmung in der Rückwand
des Gehäuses
11 um
den Befestigungsschaft
16 oder in der Rückwand des Kofferdamms
2 um
die Öffnung
5 teilweise
zurückversetzt
sind. In Abhängigkeit
von der Tiefe der kreisförmigen
Ausnehmung und der Dicke der Dichtscheibe
26 kann eine
genaue Kontrolle des Abstandes zwischen der hinteren Wand des Gehäuses
10 und
der Rückwand des
Kofferdamms
2 erreicht werden, wenn die Einheit zusammengebaut
und vollständig
festgezogen wird. Vorzugsweise beträgt der zwischen den zwei Wänden gebildete
Abstand zwischen gar keinem Abstand (die Oberflächen berühren sich) bis zu einem Abstand
von 2 mm, um eine zusätzliche
Wasserkühlung zu
ermöglichen,
die in Abhängigkeit
von der Leistung der verwendeten LEDs wünschenswert sein kann.
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Die
Kofferdämme 2 sind
im Allgemeinen nicht mehr als 1 bis 2 m untergetaucht, so dass der Wasserdruck
auf den Rumpf um die Beleuchtungseinheiten 1 herum nicht
besonders groß ist.
Jedoch ist die durch die Erfindung bereitgestellte Sicherheit gegen
eine Leckage und gegen einen Wassereintritt in das Innere des Rumpfes
sehr hoch. Wasser kann nicht durch die Beleuchtungseinheit in das
Innere des Rumpfes fließen,
weil die Umfangsdichtung um der Rand der Glasscheibe 22 eine
erste Dich tung bereitstellt. Das Glas ist sicher, weil es eine dicke
Scheibe aus gehärtetem
Glas ist und weil es eine Abstützung nicht
nur um seinen vollständigen
Umfang erhält, sondern
von den Kollimatoren 20 auch über seinen Stirnbereich. Eine
zweite Wasserdichtung ist durch das Harz 17 gegeben, in
das die Leiterplatte oder Leiterplatten 14 der LEDs eingesetzt
und in dem sie gekapselt sind. Eine dritte Wasserbarriere und Dichtung wird
durch das Harz oder Silikondichtmittel 18 bereitgestellt,
das in die mittlere Bohrung des Befestigungsschaftes 16 um
die Verdrahtung 15 injiziert wurde. Eine vierte (optionale)
Wasserbarriere wird durch die Kappe und die Stopfbuchse 19 bereitgestellt.
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Aufgrund
der einzigartigen Anordnung der konzentrischen Rippen 24 und 25 mit
einem unterschiedlichen Durchmesser und der Art, mit der diese Rippen
die anfänglich
ebene Dichtscheibe 26 verformen, kann Wasser weder um die
Beleuchtungseinheit 1 noch zwischen dem Befestigungsschaft 16 und dem
Kofferdamm 2 in das Innere des Rumpfes fließen.
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Im
Einsatz befindet sich der Kofferdamm unter dem Wasserspiegel und
das Wasser, in dem das Wasserfahrzeug schwimmt, füllt den
Kofferdamm 2 und berührt
die Glasscheibe 22, die Seitenwand oder -wände 12 und
optional den größten Teil
der hinteren Wand 11 der Beleuchtungseinheit 1.
Es wurde festgestellt, dass ein Abstand von etwa 2 mm zwischen den
Seitenwänden
und der Beleuchtungseinheit 1 und dem Kofferdamm 2 dazu
ausreicht, eine effiziente Kühlung
der LEDs zu erzielen, während
er klein genug ist, um unerwünschten
maritimen Bewuchs, beispielsweise Bewuchs durch Seepocken, zu unterdrücken. Die
LEDs befinden sich in einem guten thermischen Kontakt mit der Rückwand 11 und
falls das die Beleuchtungseinheit umgebende Wasser 2 mm Wasser zwischen
der Rückwand 11 und
der Rückwand
des Kofferdamms 2 umfasst, dann reichen die Wärmeabführeigenschaften
des Wassers aus, um eine exzellente Kühlung der LEDs zu erreichen.
Falls alternativ der Kofferdamm 2 selbst aus einem thermisch
leitfähigem
Material besteht, beispielsweise Metall oder einem thermisch gut
leitendem Kunststoffmaterial, dann kann die Rückwand 11 des Gehäuses 10 durch
den Befestigungsschaft 16 eng an der Rückwand des Kofferdamms 2 anliegend
gehalten werden, um eine gute thermische Wärmeabfuhr zusätzlich zu
der zu erreichen, die durch das die Seitenwände der Beleuchtungseinheit 1 umgebende Wasser
bereitgestellt wird.
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Es
wurde herausgefunden, dass eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit mit
30 LEDs mit einer Leistung von 1 Watt, die so wie in 3 dargestellt
angeordnet sind, und mit einem Außendurchmesser von nicht mehr
als 150 mm eine Lichtabgabe hat, die jegliche gegenwärtig auf
dem Markt erhältliche
eintauchbare Beleuchtungseinheit kleiner Größe übertrifft. Es wurden jedoch
auch Prototypen mit mehr als 30 LEDs mit einer Leistung von 3 Watt
in einer ähnlichen
Ausgestaltung konstruiert und getestet, und diese übertrifft
bei weitem die Lichtabgabe jeglicher gegenwärtig verfügbarer Unterwasserleuchteinheiten
von vergleichbarer Größe und Preis.
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Das
Kühlwasser
braucht nicht die Rückwand 11 des
Gehäuses 10 der
Beleuchtungseinheit zu berühren,
es reicht aus, dass es sich in einem guten Wärmetauschkontakt mit der Seitenwand
bzw. den -wänden
befindet. Das Metall oder der thermisch hoch leitfähige Kunststoff
der Rückwand 11 bildet
einen guten Wärmeleitpfad
zum Transportieren der Hitze der LEDs zu den Seitenwänden zur
Abgabe in das Wasser. Es ist jedoch innerhalb des Bereichs der Erfindung,
eine Ölkühlstruktur
innerhalb der Leuchteinheit 1 vorzusehen, so dass die von
den LEDs erzeugte Hitze durch das Kühlöl zur Seitenwand 12 bzw. den
-wänden
transportiert wird, von wo sie durch einen Wärmeaustausch mit dem Wasser
dissipiert wird.
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5, 6 und 7 zeigen
alternative Anordnungen von LEDs, die in die erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheiten
einbezogen werden können.
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8 und 9 stellen
eine erfindungsgemäße, an einer
oberflächenmontierbare
Beleuchtungseinheit zum Anbringen an einen Rumpf einer Yacht, eines
Bootes oder eines anderen Seefahrzeuges unter der Wasserlinie dar.
Teilen, die unmittelbar den entsprechenden Teilen der Beleuchtungseinheiten
der 1 und 7 entsprechen, wurden die gleichen
Bezugszeichen wie diejenigen in den vorangegangenen Figuren gegeben.
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Das
Gehäuse 10 der 8 und 9 hat eine
gerade Form mit einer allgemein flachen Rückseite 11, die bei
Verwendung eben an der Seite des Rumpfes unter der Wasserlinie anliegt
oder von ihr marginal beabstandet ist, und wird durch ein Paar Bolzen 16 mit
einem hohlen Schaft an Ort und Stelle gehalten, die, wie in 9 gezeigt
ist, an das Gehäuse 10 geformt
sind. Die Bolzen 16 sind jeweils nahe jedem Ende des Gehäuses 10 angeordnet,
wie in 8 gezeigt ist. Die Bolzen verlaufen im Einsatz durch
ein Loch in der Seitenwand des Bootsrumpfes unter der Wasserlinie,
wobei eine Dichtscheibe (nicht in 8 und 9 gezeigt)
eine wasserdichte Dichtung, genau wie es die Unterlegscheibe 26 in 1 tat,
erzeugt. Manche Bootsrümpfe
bestehen aus einer doppellagigen Konstruktion, wobei in diesem Fall die
Schrauben vorzugsweise durch die mittlere Bohrung eines zylindrischen
Befestigungsrohres verlaufen, das durch beide Lagen des Rumpfes
verläuft, wobei
eine gute Wasserabdichtung an der äußeren Lage hergestellt wird,
indem beispielsweise ein Strang aus Silikonharz zwischen einem Endflansch des
Befestigungsrohrs und der äußeren Lage
des Rumpfes verwendet wird. Ein solches Befestigungsrohr wird durch
eine Mutter und wahlweise eine Sicherungsmutter gegen eine Unterlegscheibe
fixiert, die gegen die innere Lage des Rumpfes gehalten wird.
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Das
Gehäuse 10 erstreckt
sich in einer gleichmäßigen Kurve
von der Rückseite 11 nach
außen,
wie in 9 gezeigt ist, und verjüngt sich an seinen vorderen
und hinteren Enden langsam in Richtung der ebenen Rückseite 11,
was ein stromlinienförmiges
Profil mit einem niedrigen Wasserwiderstand darstellt, da es im
Einsatz von der Unterwasseroberfläche des Bootsrumpfes wegragt.
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Das
Gehäuse 10 wird
aus einem thermisch hoch leitfähigen
thermoplastischen Material spritzgegossen und ist mit einer zentralen
Ausnehmung 30 ausgebildet, die im Gebrauch die gerade Anordnung aus
LEDs 13 aufnimmt. Wie bei den Ausführungsformen der 1 bis 7 sind
die LEDs auf einer oder mehreren Leiterplatten 14 (9)
montiert und sind am Gehäuse 10 unter
Verwendung eines thermisch leitfähigen
wärmeaushärtenden
Harzes 17 in guten thermischen Kontakt damit befestigt
und werden anschließend
mit einem Harz vergossen, das den gesamten unteren Bereich der Ausnehmung 30 bedeckt
und alle Leiterplatten sowie die gelöteten Verbindungen bedeckt,
die der Anordnung aus LEDs zugeordnet sind, was lediglich die LED-Linsen
freilässt.
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Eine
gehärtete
Glasscheibe 22 erstreckt sich über die Vorderseite der Ausnehmung 30 und
liegt an einer nach hinten versetzten Schulter des Gehäuses 10 an,
wo sie unter Verwendung eines durchgehenden Strangs aus Silikonharz
(nicht gezeigt) genau wie in den Ausführungsformen von 1 bis 7 abgedichtet
ist. Eine Reihe durchsichtiger Acrylharzkollimatoren 20 ist über der
Vorderseite der LEDs 13 angeordnet, ein Kollimator 20 pro
LED 13, wobei die ebenen Vorderflächen der Kollimatoren 20 die
gehärtete
Glasscheibe 22 wie bei den früheren Ausführungsformen berühren. Ein
Luftraum 32 ist zwischen den Kollimatoren 13 und
der geformten Ausnehmung 30 ausgebildet, was wichtig ist,
weil die Kollimatoren 20 das von den LEDs 13 emittierte
Licht durch innere Reflektion bündeln.
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Eine
elektrische Verdrahtung (nicht gezeigt) wird von der Platine oder
den Platinen 14 durch den hohlen Schaft eines oder mehrerer
Anbringungsbolzen(s) 16 zu einer LED-Ansteuerungsschaltung
im Bootsrumpf geführt.
Genau wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann diese elektrische
Verdrahtung, falls ge wünscht,
mit einer Vergussmasse abgedichtet werden, wo sie durch den hohlen
Schaft des Bolzens oder der Bolzen 16 verläuft. Zwischen
dem Bootsrumpf und der allgemein ebenen hinteren Fläche 11 des
Gehäuses 10 kann auch
eine Dichtstopfbuchse oder eine Unterlegscheibe (nicht in 9 gezeigt)
angeordnet sein, wobei die Ebenheit dieser hinteren Fläche 11 durch
eine oder mehrere ringförmige
Rippe(n) unterbrochen ist, die den Rippen 24 der Ausführungsform
der 1 entsprechen. Die korrespondierenden Rippen 25 sind
am Bootsrumpf ausgebildet.
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Die
Kollimatoren 20 können
einzeln oder miteinander verbunden in einer einzigen Form geformt werden,
und sie funktionieren effizient, weil sie wie bei der Ausführungsform
der 1 durch eine Silikondichtung um die gehärtete Glasscheibe 22 zuverlässig gegen
einen Wassereintritt geschützt
sind. Die hohe Wärmeabgabe
der LEDs wird wirksam abgeleitet und durch den Kühleffekt des Wassers dissipiert, in
dem das Wasserfahrzeug schwimmt. Der Wärmestrom von den LEDs in das
umgebende Wasser wird wirksam durch die Seitenwände des Gehäuses 10 geleitet,
das aus einem thermisch gut leitenden Material gemacht ist. Falls
das Gehäuse 10 so
angebracht ist, dass es unter der Wasserlinie geringfügig vom
Rumpf beabstandet ist, dann verläuft
das Wasser auch um die Rückseite
des Gehäuses 10,
um die Wärmedissipation
zu erhöhen.
Falls die Rückseite des
Gehäuses 10 dicht
am Rumpf angebracht ist, dann stellt dieser Kontakt ein gutes Maß an Wärmeübertragung
zusätzlich
zu demjenigen bereit, das durch den Kühleffekt des Wasser bereitgestellt
wird, in dem das Wasserfahrzeug schwimmt und das die Seitenwände des
Gehäuses
berührt.
Die Wärmeabgabe
durch die Rückwand
des Gehäuses 10 kann
erhöht
werden, indem das Gehäuse
als Spritzgussformkörper
um eine Metallplatte ausgebildet wird, die als Rückseite des Gehäuses freiliegt.
Vorzugsweise befinden sich die eine oder die mehreren Leiterplatten,
an denen die LEDs angebracht sind, in einem direkten thermischen
Kontakt mit der Metallplatte, um die Wärmeabgabe unmittelbar an den
Rumpf des Bootes zu erhöhen.
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Die 10 zeigt
eine Variante der Ausführungsform
der 8 und 9, die zum Anbringen an einer
geneigten Außenfläche des
Rumpfes geeignet ist und immer noch ein allgemein horizontales Lichtmuster
abgibt. Die geformte Ausnehmung 30 der Ausführungsform
der 10 umfasst einen tieferen Bereich 34 zum
Aufnehmen der elektrischen Verdrahtung (nicht gezeigt), die sich
von der Leiterplatte oder den Leiterplatten 14 zum hohlen
Schaft oder den hohlen Schäften
der Anbringungsbolzen 16 erstreckt.
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Die 11 und 12 zeigen
eine andere Variante der Erfindung, die eine oberflächenmontierbare
Beleuchtungseinheit zum Anbringen an einem Heckbalken eines Bootes
ist. Diese Ausführungsform unterscheidet
sich von derjenigen der 8 und 9 prinzipiell
in der Weise des Befestigens der Beleuchtungseinheit am Boot und
in der Weise des Zuführens
von elektrischem Strom zu den LEDs, obwohl ferner zusätzlich die
LEDs der Beleuchtungseinheit der 11 und 12 als
eine Gruppierung in einem runden Gehäuse 10 statt in einer
Reihe in einem länglichen
Gehäuse 10 wie
in 8 gezeigt sind.
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Das
Gehäuse 10 aus 11 ist
an der Oberfläche
eines Heckbalkens eines Bootes durch vier Schrauben oder Bolzen
angebracht, die im Gebrauch durch vier gesenkte Öffnungen 40 im Gehäuse 10 verlaufen.
Die elektrische Verdrahtung 15 von der Leiterplatte, auf
der die LEDs (nicht gezeigt) angebracht sind, wird nicht aus der
Rückwand
des Gehäuses 10,
sondern aus einer geneigten Seitenwand 41 herausgeführt und
verläuft
im Gebrauch über
die Seite des Bootsheckbalkens und über das hintere Schanzkleid
zu einer Stromversorgung an Bord nach oben. Eine derartige Ausgestaltung
ist tatsächlich
nur zum Anbringen am Heck eines Bootes brauchbar, weil das Hochführen der
elektrischen Verdrahtung 15 an der Außenseite entlang des Bootsrumpfes
entlang der Seiten einen beträchtlichen
Widerstand erzeugen würde,
während
sich das Boot durch das Wasser vorwärts bewegt.
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11 zeigt
die Glasscheibe 22, die in allen anderen dargestellten
Ausführungsformen
vorhanden ist, jedoch wurden im Interesse der Vereinfachung die
LEDs 13 und die Kollimatoren 20, die alle genauso
sind, wie unter Bezugnahme auf die vorangegangenen Ausführungsformen
beschrieben wurde, in den Darstellungen der Zeichnungen weggelassen.
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11 zeigt
auch integral ausgebildete Füße 42,
die in die Form des Gehäuses 10 geformt, gegossen
oder spanend gearbeitet sind. Diese Füße 42 halten im Gebrauch
die Rückwand
des Gehäuses vom
Bootsheckbalken entfernt, so dass das Wasser, in dem das Boot schwimmt,
um die Rückseite
des Gehäuses 10 strömt, um ein
einwandfreies Maß an Kühlung der
LEDs innerhalb des Gehäuses 10 bereitzustellen.
Typischerweise halten die Füße 42 die Rückwand des
Gehäuses
vom Bootsheckbalken etwa 2 mm entfernt.