EP2339224B1

EP2339224B1 - Anordnung zur Lichtabgabe

Info

Publication number: EP2339224B1
Application number: EP09425525.4A
Authority: EP
Inventors: Melanie Hagenbring; Sascha Skergeth; Peter Roos; Patrik Gassner
Original assignee: Zumtobel Lighting GmbH Austria
Current assignee: ZUMTOBEL LIGHTING GmbH
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: EP2339224A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lichtabgabe, welche mehrere im Wesentlichen punktförmige Lichtquellen aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Leuchte mit einer entsprechenden Anordnung zur Lichtabgabe.
Der Einsatz von LEDs zu Beleuchtungszwecken hat in der Vergangenheit stark zugenommen. Mittlerweile finden LEDs in den verschiedensten Anwendungsgebieten Verwendung. So sind sowohl Leuchten zur Innenraumbeleuchtung als auch Leuchten im Außenbereich, beispielsweise Straßenleuchten und dergleichen, heutzutage mit LEDs als Lichtquellen ausgestattet.
Insbesondere im Bereich der Außenbeleuchtung werden in der Regel verhältnismäßig hohe Lichtströme gefordert. Gleiches gilt in der Hallenbeleuchtung sowie im Speziellen bei der Beleuchtung von Wandfassaden. Sollen in diesen Gebieten LEDs zum Einsatz kommen, so ist zwangsläufig der Einsatz einer hohen Anzahl von Lichtquellen erforderlich. Dementsprechend ist man bei der Entwicklung von Leuchten für diese Einsatzgebiete bestrebt, die LEDs so kompakt wie möglich anzuordnen und gleichzeitig für eine ausreichende Kühlung zu sorgen. Ferner sollte das Licht je nach Maßgabe des Anwendungsgebiets optisch sehr effizient in gewünschter Weise beeinflusst werden können.
Aus der US 5,838,247 ist bspw. eine Anordnung zur Lichtabgabe mit einer Vielzahl von LEDs gezeigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Anordnung zur Lichtabgabe mit einer Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Lichtquellen zu schaffen, bei der die oben genannten Kriterien erfüllt sind.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Lichtabgabe, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, die Lichtquellen an der Innenseite eines Hohlkörpers in einer rotations-symmetrischen Struktur anzuordnen und derart auszurichten, dass das von den Lichtquellen abgegebene Licht im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse der Anordnung auf die Rotationsachse der Anordnung abgegeben wird. Mit Hilfe von zusätzlich vorgesehenen optischen Mitteln wird dann das Licht derart umgelenkt, dass es im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Anordnung abgestrahlt wird.
Erfindungsgemäß wird dementsprechend eine Anordnung zur Lichtabgabe mit mehreren im Wesentlichen punktförmigen Lichtquellen vorgeschlagen, bei der die Lichtquellen an der Innenseite des Hohlkörpers in einer rotations-symmetrischen Struktur angeordnet und derart ausgerichtet sind, dass das von jeder Lichtquelle abgegebene Licht im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotationsachse der Anordnung auf die Rotationsachse der Anordnung abgegeben wird, wobei die Anordnung ferner optische Mittel aufweist, welche dazu ausgebildet sind, das Licht der Lichtquellen derart umzulenken, dass es im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Anordnung abgestrahlt wird, wobei die Lichtquellen in konzentrischen Strukturen, insbesondere in konzentrischen Ringen angeordnet sind und die Strukturen in Richtung der Rotationsachse versetzt angeordnet sind, derart, dass sich eine kegelförmige Anordnung der Lichtquellen ergibt.
Im Vergleich zu einer klassischen Anordnung zur Lichtabgabe, bei der mehrere LEDs auf einer ebenen Fläche angeordnet sind, kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Anzahl der Lichtquellen und dementsprechend der erzielbare Lichtstrom deutlich erhöht werden. Gleichzeitig bietet die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit, die Lichtquellen, bei denen es sich vorzugsweise um LEDs handelt, effektiv zu kühlen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung dar, da bei der Verwendung von LEDs grundsätzlich für eine ausreichende Kühlung der Lichtquellen gesorgt werden muss.
Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Mittel zur Lichtumlenkung, mit deren Hilfe das von den Lichtquellen abgegebene Licht in eine Richtung parallel zur Rotationsachse umgelenkt wird, vorzugsweise durch mehrere Reflektorringe gebildet sein, welche jeweils vor den Lichtquellen-Ringen angeordnet sind.
Bei einer zweiten Variante sind die Mittel zur Lichtumlenkung durch ein kegelförmiges Prisma gebildet, an dessen Außenseite die Lichtquellen-Ringe angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Lichtquellen auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet, an dessen Außenseite dann Mittel zur Kühlung angeordnet sind. Es kann sich hierbei um Elemente handeln, mit deren Hilfe die Anordnung aktiv gekühlt wird. Alternativ hierzu wäre auch der Einsatz von Kühlkörpern denkbar, welche die auftretende Wärme an die Umgebung abgeben.
Letztendlich wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine neuartige Anordnung zur Lichtabgabe geschaffen, bei der insbesondere für den Fall, dass LEDs als Lichtquellen eingesetzt werden, sehr hohe Lichtströme bei einem verhältnismäßig geringem Raumbedarf erzielt werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Figuren 1 und 2: ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Lichtabgabe;
Figuren 3 und 4: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtabgabe;
Figur 5: die Ansicht eines Details der Anordnung der Figuren 3 und 4;
Figuren 6 und 7: Möglichkeiten zur Beeinflussung der Lichtabgabe durch eine entsprechende Gestaltung der Reflektorringe;
Figur 8: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtabgabe; und
Figur 9: eine schematische Darstellung der Lichtlenkung bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 8.

In den Figuren 1 und 2 ist ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Lichtabgabe gezeigt. Dies dient insbesondere zum besseren Verständnis der Erfindung.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, wie bereits erwähnt, eine Vielzahl punktförmiger Lichtquellen derart anzuordnen, dass bei einem verhältnismäßig geringen Platzbedarf möglichst hohe Lichtströme erzielt werden können. Als Vergleichsbeispiel für die nachfolgend näher beschriebene erfindungsgemäße Lösung soll eine Kreisfläche mit einem Durchmesser d betrachtet werden, auf der eine Anzahl N von LEDs, die jeweils den Lichtstrom Φ aufweisen, betrachtet werden. Bei einem derartigen System, das der klassischen Anordnung von mehreren LEDs auf einer kreisförmigen Platine entspricht, wird eine Lichtstromabgabe von N*Φ erhalten. Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel soll diese Grundfläche A beibehalten, der Lichtstrom des gesamten Systems aber deutlich erhöht werden. Hierzu wird eine spezielle Anordnung der LEDs vorgeschlagen.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht grundsätzlich auf dem Gedanken, die Lichtquellen nicht -wie bislang üblich - in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen. Stattdessen werden nunmehr die Lichtquellen an der Innenseite eines Hohlkörpers angeordnet und derart ausgerichtet, dass sie zunächst in die Mitte des Hohlkörpers Licht abgeben, wobei dann das Licht mit Hilfe von optischen Mitteln in geeigneter Weise umgelenkt wird.
Bei dem in Figur 1 dargestellten und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehenen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind die LEDs 11 an der Innenwand eines Hohlzylinders 12 angeordnet. Jeder LED 11 ist in üblicher Weise eine Linse vorgeordnet, über welche das von der LED 11 emittierte Licht in eine bestimmte Richtung gebündelt wird. Die Anordnung und Ausrichtung der LEDs 11 ist nunmehr derart, dass sie das Licht in Richtung des Zentrums des Hohlzylinders 12 strahlen.
Das Licht der an der Seitenwand des Hohlzylinders 12 radial ausgerichteten LEDs 11 wird dann mit Hilfe eines in dem Hohlzylinder 12 angeordneten Reflektors 15 derart umgelenkt, dass es im Wesentlichen parallel zur Längs- bzw. Rotationsachse des Hohlzylinders 12 nach oben abgestrahlt wird. Der Reflektor 15 ist in diesem Fall in etwa kegelförmig ausgebildet. Die Mantelfläche des Reflektors 15 weist vorzugsweise eine Neigung von etwa 45° zur Basisfläche des Hohlzylinders, welche senkrecht auf der Rotationsachse steht, auf. Hierdurch kann das im Wesentlichen horizontal von den LEDs 11 abgegebene Licht senkrecht zur Oberseite hin umgelenkt werden. Anzumerken ist, dass sich die Begriffe "horizontal", "oben" und "unten" auf den Fall beziehen, dass der Hohlzylinder 12 wie in Figur 1 dargestellt auf einer horizontalten Fläche steht. Selbstverständlich könnte allerdings auch die Anordnung 10 an einer vertikalen Wand oder Decke angeordnet werden, wobei dann die Richtungsangaben entsprechend anzupassen sind.
Letztendlich wird durch die entsprechende Anordnung der LEDs 11 sowie die Anordnung und Ausgestaltung des Reflektors 15 erreicht, dass das von sämtlichen
LEDs 11 emittierte Licht im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Hohlzylinders 12 nach oben abgegeben wird. Geht man nunmehr davon aus, dass der Hohlzylinder 12 die gleiche Querschnittsfläche wie die oben angesprochene kreisförmige Anordnung von LEDs aufweist, so ergibt sich eine Zylinderfläche von A_Zylinder = h · d · π. Bei einer Zylinderhöhe von h = d/2 ergibt sich dann eine Verdopplung der mit LEDs zu belegenden Fläche und damit des Gesamtlichtstroms, d.h. bei gleichem Durchmesser kann bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 der Lichtstrom im Vergleich zu einer kreisförmigen Anordnung verdoppelt werden.
Ein weiterer Vorteil der nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht darin, dass die Form des Reflektors 15 auch variiert werden kann um eine gewünschte Lichtverteilung zu erzielen. Der Reflektor 15 kann dabei auch abgestuft ausgeführt sein. Es ist zweckmäßig, über die Form des Kegelstumpfes Licht so zu richten, dass so gut wie keine Interaktion des Lichtes mit den Sekundärlinsen vorliegt, d.h., Licht nahe des Zylinderbodens sollte so gut wie senkrecht abgestrahlt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Lichtverteilung ergibt sich durch die Wahl von isotrop bzw. anisotrop aufstreuenden bzw. brechenden Ebenen, die bei einer eventuellen Abdeckebene positioniert werden können.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, welches allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist, ist in den Figuren 3 bis 5 dargestellt. Wiederum sind die LEDs 21 in einer rotations-symmetrischen Struktur angeordnet und derart ausgerichtet, dass sie ihr Licht im Wesentlichen auf die Rotationsachse der Anordnung 20 richten. Die Anordnung der LEDs 21 erfolgt nunmehr allerdings in konzentrisch ausgebildeten und versetzt zueinander angeordneten Kreisen bzw. Ringen, sodass sich letztendlich die insbesondere in Figur 3 erkennbare abgestufte Kegelform ergibt. Auch in diesem Fall kann im Vergleich zu einer klassischen kreisförmigen Ebene, auf der Lichtquellen angeordnet sind, eine höhere Packungsdichte für die Lichtquellen erzielt werden.
Die Umlenkung des von den LEDs 21 abgegebenen Lichts erfolgt in diesem Fall durch den LED-Ringen vorgeordnete Reflektorringe 22. Diese sind - wie die Detailansicht von Figur 5 zeigt - wiederum derart geneigt, dass das Licht der LEDs 21 im Wesentlichen senkrecht und damit parallel zur Rotationsachse nach oben hin abgegeben wird. Die Neigung der einzelnen Reflektorringe 22 könnte allerdings auch variiert werden, um die Lichtverteilung in gezielter Weise zu beeinflussen.
Der Einfluß der Neigung der Reflektorringe 22 ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt, welche jeweils die bei einer bestimmten Neigung resultierende Lichtverteilungskurve für die gesamte Anordnung zeigen. Erkennbar ist, dass sich bei einer Neigung von 45° (Figur 6) gegenüber der Horizontalen eine enge Abstrahlcharakteristik ergibt, welche für den Fall, dass der Neigungswinkel 50° (Figur 7) beträgt, aufgeweitet wird.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel 30 einer erfindungsgemäßen Anordnung, welches in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist, sind die LEDs 31 wiederum in abgestuften, konzentrischen Ringen angeordnet, so dass sich eine kegelförmige Anordnung ergibt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt nunmehr die Lichtumlenkung nicht durch einzelne Reflektorringe, sondern durch ein kegelförmiges Prisma 32, welches in die Struktur der LEDs 31 hineinragt.
Die Funktion des Prismas 32 ist in der Figur 9 dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich der Verlauf der Lichtstrahlen, die von einer Seit her in das Prisma 32 eingekoppelt werden, dargestellt ist. Erkennbar ist, dass das Licht der LEDs 31 in das Prisma 32 eintreten kann. An der gegenüberliegenden Fläche erfolgt allerdings eine Totalreflexion der Lichtstrahlen, derart, dass diese nach oben im Wesentlichen parallel zur Längsachse I durch die Lichtaustrittsfläche 33 das Prisma 32 verlassen. Wiederum könnte durch eine entsprechende Form des Prismas 32 die Lichtabgabe zur Oberseite hin beeinflusst werden.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass ausgehend von einer kreisförmigen Querschnittsfläche die Anzahl der genutzten LEDs deutlich erhöht werden kann. Dies führt zu einem signifikanten Anstieg des Lichtstroms. Es besteht gleichzeitig allerdings die Möglichkeit, an der Außenseite der entsprechenden Anordnung 10, 20, 30 jeweils Elemente zur Kühlung anzuordnen. Vorzugsweise sind hierzu die LEDs auf einem gemeinsamen, entsprechend geformten Trägerelement angeordnet, an dessen Außenseite die Mittel zur Kühlung angreifen. Das Trägerelement kann beispielsweise aus Aluminiumdruckgußkörpern gebildet sein. Bei den Kühlmitteln kann sich um aktive Kühlelemente handeln, welche unter Nutzung von Energie die Anordnung unmittelbar kühlen. Denkbar wäre allerdings auch, an der Außenfläche der Anordnung Kühlkörper mit einer entsprechenden großen Oberfläche anzuordnen, über welche eine Wärmeabfuhr an die Umgebung ermöglicht wird.
Anzumerken ist ferner, dass erfindungsgemäß eine rotations-symmetrische Struktur vorgesehen ist. Nicht erfindungsgemäß könnten aber auch nicht rotations-symmetrische Varianten vorgesehen sein. Beispielsweise könnte anstelle der Zylinderform der Figuren 1 und 2 auch ein Hohlkörper mit einer quadratischen Querschnittsform gewählt werden. In diesem Fall müsste dann der Reflektor entsprechend angepasst werden, so dass er eine Pyramidenform aufweist.
Insgesamt eröffnet die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit, LEDs als Lichtquellen auch zu Beleuchtungszwecken einzusetzen, bei denen sehr hohe Lichtströme gefordert sind.

Claims

Anordnung zur Lichtabgabe (20, 30) mit mehreren im Wesentlichen punktförmigen Lichtquellen (21, 31),
wobei die Lichtquellen (21, 31) an der Innenseite eines Hohlkörpers in einer rotations-symmetrischen Struktur angeordnet und derart ausgerichtet sind, dass von jeder Lichtquelle (21, 31) das Licht im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotationsachse der Anordnung auf die Rotationsachse der Anordnung abgegeben wird und
wobei die Anordnung ferner optische Mittel (22, 32) aufweist, welche dazu ausgebildet sind, das Licht der Lichtquellen (21, 31) derart umzulenken, dass es im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Anordnung abgestrahlt wird,
wobei die Lichtquellen (21, 31) in konzentrischen Strukturen, insbesondere in konzentrischen Ringen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen in Richtung der Rotationsachse versetzt angeordnet sind, derart, dass sich eine kegelförmige Anordnung der Lichtquellen (21, 31) ergibt.
Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Lichtumlenkung durch Reflektorringe (22) gebildet sind, welche jeweils vor den Lichtquellen-Ringen angeordnet sind.
Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Lichtumlenkung durch ein kegelförmiges Prisma (32) gebildet sind, an dessen Außenseite die Lichtquellen-Ringe angeordnet sind.
Anordnung zur Lichtabgabe nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquellen (21, 31) auf einem - vorzugsweise gemeinsamen - Trägerelement angeordnet sind, an dessen Außenseite Mittel zur Kühlung angeordnet sind.
Anordnung zur Lichtabgabe nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquellen (21, 31) durch LEDs gebildet sind.
Leuchte mit einer Anordnung zur Lichtabgabe nach einem der vorherigen Ansprüche.