DE102009001170A1 - Leuchte für Beleuchtungszwecke, deren Einfassung gleichzeitig als Kühlkörper für das LED-Leuchtmittel fungiert - Google Patents

Leuchte für Beleuchtungszwecke, deren Einfassung gleichzeitig als Kühlkörper für das LED-Leuchtmittel fungiert Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Leuchte, die das Licht eines LED-Leuchtmittels (1) flächig verteilt und gleichzeitig die durch das LED-Leuchtmittel erzeugte Wärme weitgehend über die Einfassung (2) der Leuchte abgibt.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Licht emittierende Dioden (LED) werden zunehmend für Beleuchtungszwecke in der Raumbeleuchtung, nachstehend Allgemeinbeleuchtung genannt, eingesetzt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist ihre gute Lichtausbeute, d. h. die Ausbeute bei der Umwandlung von elektrischem Strom in Licht. Die Lichtausbeute von LEDs, gemessen in Lumen pro Watt elektrischer Leistung, ist größer als die von Glühlampen und Halogenglühlampen. Spezielle Hochleistungs-LEDs erreichen und übertreffen sogar die Lichtausbeute von energiesparenden Leuchtstofflampen.
  • Ein weiterer wesentlicher Grund ist die Lebensdauer von LEDs, die bis zu 100.000 h betragen kann. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Dies ist deutlich mehr als die Lebensdauer von Glühlampen und Halogenglühlampen aber auch mehr als die Lebensdauer von Leuchtstofflampen Im Gegensatz zu Leuchtstofflampen besitzen LEDs eine sehr kleine Leuchtfläche. Der Licht emittierende Halbleiterchip reicht von Dimensionen unter 1 mm2 bis zu wenigen mm2. Dies führt zu Blendungen, wenn man direkt in die LED schaut. Bei Hochleistungs-LED's besteht sogar die Gefahr der Netzhautschädigung, wenn man direkt in den Schein der LED blickt. In der Allgemeinbeleuchtung kann auf eine Verteilung des von einem LED-Leuchtmittel erzeugten Licht über entsprechende optische Elemente aus Gründen des Gesundheitsschutzes aber auch aus ästhetischen Gründen oft nicht verzichtet werden.
  • Auch wenn die Lichtausbeute bei LEDs hoch ist, wandeln LEDs einen Teil der zugeführten elektrischen Leistung in Wärme um. Wird die die Wärme nicht effektiv von Halbleiterchip weggeführt, kommt es zur Erwärmung des Halbleiterchips und damit zu einer beschleunigten Alterung oder sogar zur Zerstörung der LED. Um dies zu vermeiden ist eine gute Wärmeabfuhr bei LED-Leuchtmitteln zu gewährleisten.
  • Stand der Technik
  • Durch LEDs kantenbeleuchtete Leuchten oder Leuchtkörper sind an sich bekannt.
  • US 6,539,657 B1 beschreibt eine Leuchte für Notausgänge, die LEDs als Leuchtmittel benutzt. Notbeleuchtungen haben im Gegensatz zu Leuchten für Beleuchtungszwecke geringe Anforderungen an den Lichtstrom. Wenige LEDs mit geringer Leistung sind erforderlich, um eine ausreichende Ausleuchtung der Notbeleuchtung zu gewährleisten. Die in Form von Wärme freiwerdende Verlustleistung der LEDs ist gering. Besondere Maßnahmen für die Abfuhr der Wärme der LEDs sind in der Regel nicht vorzusehen.
  • EP 1 717 632 A1 beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung für Flüssigkristallbildschirme, die als Leuchtmittel LEDs benutzt. Die LEDs werden hier durch eine sogenannte Heat Pipe gekühlt. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist die Kühlvorrichtung nicht integraler Bestandteile der Leuchte, sondern wird als separates Bauteil im Gehäuse des Flüssigkristalldisplays verbaut.
  • Kühlkörper für Hochleistungs-LED's sind an sich nicht neu. In Handel werden Hochleistungs-LED vornehmlich montiert auf Kühlkörper angeboten. Als Beispiele sind zu nennen Luxeon 1W Emitter Typ LXHL-PWO1 oder Luxeon 5W Emitter LXHL-LW6C, die auf sternförmigen Kühlkörpern angeboten werden.
  • EP 1 881 746 A2 beschreibt einen Kühlkörper für ein LED-Modul, bei dem der LED-Chip in einem Hohlraum in der stromführenden Platine direkt auf dem Kühlkörper befestigt ist.
  • Dies führt zu einem schlankeren Aufbau des LED-Moduls und einen besseren Wärmedurchgang zum Kühlkörper.
  • Aufgabe
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leuchte bereitzustellen, die das Licht eines LED-Leuchtmittels (1) flächig verteilt und gleichzeitig die durch das LED-Leuchtmittel erzeugte Wärme weitgehend über die Einfassung (2) der Leuchte abgibt.
  • Lösung
  • 1 stellt einen beispielhaften Querschnitt durch die erfindungsgemäße Leuchte dar.
  • LED-Leuchtmittel können einzelne LEDs sein, die an der Einfassung der Leuchte befestigt sind. Bevorzugte LED-Leuchtmittel sind auf einer länglichen Trägerplatine aufgebrachte und kontaktierte LEDs, sogenannte LED-Streifen. Der Ort der Montage der LED-Leuchtmittel in der Einfassung soll nur der Beschränkung unterliegen, dass das vom LED-Leuchtmittel erzeugte Licht möglichst vollständig in den Lichtleiter eingespeist wird und gleichzeitig die vom LED-Leuchtmittel erzeugte Wärme zur Einfassung effektiv übertragen werden kann. Das LED-Leuchtmittel ist vorzugsweise mittig, in Bezug auf die Kante des Lichtleiters, angeordnet.
  • In einer anderen Ausführungsform kann das LED-Leuchtmittel auch oberhalb der Kante des Lichtleiters angebracht sein. In dieser Ausführungsform ist die Kante (3.1) des Lichtleiters so geformt, dass sie als Reflektor für das vom LED-Leuchtmittel emittierte Licht dient (14). Die Kante (3.1) des Lichtleiters in dieser Ausführungsform kann auch mit einer reflektierenden Beschichtung oder mit einer reflektierenden Klebefolie versehen sein.
  • In der Allgemeinbeleuchtung werden in der Regel LED-Leuchtmittel eingesetzt, die weißes Licht emittieren. Es können sowohl weiße LED-Leuchtmittel basierend auf RGB-Technik als auch blaue LED-Leuchtmittel mit einem Leuchtstoff eingesetzt werden.
  • Hinsichtlich der Farbtemperatur der eingesetzten weißen LED-Leuchtmittel gibt es keine Beschränkung. Abhängig von der Farbtemperatur der LED-Leuchtmittel lassen sich Leuchten mit verschiedenen Farbtemperaturen gestalten.
  • Für die Beleuchtung von speziellen Räumlichkeiten, wie z. B. Diskotheken oder Bars, sind auch Leuchten mit farbigen LED-Leuchtmitteln denkbar.
  • Werden LED-Leuchtmittel auf Basis der RGB-Technik in Verbindung mit einer Farbwechselsteuerung eingesetzt sind Leuchten mit wechselnden Farbspiel möglich.
  • Für die erfindungsgemäße Leuchte werden zur Erreichung eines ausreichenden Lichtstroms und zur Erzeugung einer gleichmäßigen Beleuchtung vorzugsweise mehrere LED-Leuchtmittel in die Einfassung der Leuchte installiert (2). Der Abstand der LED-Leuchtmittel kann gleichmäßig oder ungleichmäßig sein.
  • Die flächige Verteilung des vom LED-Leuchtmittel erzeugten Lichts wird durch den flächigen Lichtleiters (3) erreicht. Hierzu wird das vom LED-Leuchtmittel erzeugte Licht in die Kante des Lichtleiters (3.1) eingespeist. Der Lichtleiter hat eine Dicke vom 1 bis 20 mm, vorzugsweise eine Dicke vom 2 bis 10 mm. Die Dicke des Lichtleiters wird der Größe und Abstrahlcharakteristik des LED-Leuchtmittels so angepasst, dass das vom LED-Leuchtmittel erzeugte Licht möglichst vollständig in den Lichtleiter eingespeist wird.
  • Der flächige Lichtleiter ist besonders vorteilhaft, da er das konzentrierte Licht des LED-Leuchtmittels verteilt und somit Blendungen durch das LED-Leuchtmittel vermeidet.
  • Der Lichtleiter kann unterschiedliche Formen haben. Eine Auswahl typischer Formen ist beispielhaft in 3 dargestellt. Die Kanten (3.1) des flächigen Lichtleiters (3) können zur Erzielung eines optimalen Lichteintritts gegebenenfalls poliert sein.
  • Die Einfassung der Leuchte umschließt den Lichtleitervorzugsweise an allen Kanten des Lichtleiters. Dies ist in 4 schematisch dargestellt.
  • In besonderen Ausführungsformen der Leuchte können auch weniger als alle Kanten der Lichtleiters von der Einfassung umschlossen sein. Beispielhaft ist in 5 ein Lichtleiter schematisch dargestellt, der nur an zwei Kanten eine Einfassung besitzt.
  • Jede Kante des Lichtleiters kann von LED-Leuchtmitteln beleuchtet sein. Im Minimalfall reicht es jedoch aus, nur eine Kante des Lichtleiters zu beleuchten. Dies ist beispielhaft in 6 schematisch dargestellt. Alle nicht vom LED-Leuchtmittel beleuchteten Kanten des Lichtleiters werden vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung oder mit einer reflektierenden Klebefolie versehen.
  • Der Abstrahlwinkel des eingesetzten LED-Leuchtmittels bestimmt die Effizienz mit der das vom LED-Leuchtmittel erzeugte Licht in den flächigen Lichtleiter eingespeist werden kann. Zur vollständigen Einspeisung des Lichts sollte der Abstrahlwinkel des LED-Leuchtmittels kleiner als 180°, bevorzugt kleiner als 150° und ganz bevorzugt kleiner als 120° sein.
  • Die Größe des Lichtleiters unterliegt grundsätzlich keiner Begrenzung.
  • Im Lichtleiter wird das Licht durch Totalreflexion geleitet. Durch Modifikation des Lichtleiters wird gezielt die Totalreflexion aufgehoben, so dass das an der Kante (3.1) eingespeiste Licht aus den Oberflächen des Lichtleiters (7.1 und 7.2) austreten kann. Als Modifikation des Lichtleiters stehen verschiedene Mechanismen zur Verfügung. In Frage kommen u. a. Lichtleiter mit eingebetteten Streupartikeln, Lichtleiter mit ganzflächigen rauen Oberflächen sowie Lichtleiter, die an einer oder beiden Oberflächen mit ganzflächigem oder teilweisen Druckmustern, Gravierungen oder Prägungen versehen sind, wobei die Art der Modifikation keiner Beschränkung unterliegen soll.
  • Der Lichtleiter besteht aus einem Basismaterial, das für das in der Kante (3.1) eingespeiste Licht möglichst transparent ist. Dies kann sowohl Mineralglas oder ein transparenter Kunststoff sein. Bevorzugt unter den transparenten Kunststoffen sind Acrylglas, Polystyrol, cycloolefinische Copolymere oder Polycarbonat. Geeignete Acrylglas-Typen werden beispielsweise als PLEXIGLAS® Endlighten der Evonik Röhm GmbH, als Altuglas® ELIT der Arkema Group oder Perspex® S-Lux, D-Lux oder Prismex der Lucite International in den Handel gebracht.
  • Die Einfassung der Leuchte dient in der ersten Funktion dazu Lichtleiter (3) und LED-Leuchtmittel (1) mechanisch zu verbinden. Als zweite Funktion wird das LED-Leuchtmittel mit der Einfassung thermisch so verbunden, dass die von dem LED-Leuchtmittel erzeugte Wärme an die Einfassung abgegeben werden kann. Die Einfassung wiederum gibt die Wärme an die Umgebung ab. Die Einfassung erfüllt somit die Funktion eines Kühlkörpers für das LED-Leuchtmittel.
  • In besonderen Ausführungsformen können dem Lichtleiter noch ein rückwärtiger Reflektor (4) und/oder eine transparente oder transluzente Abdeckung (5) hinzugefügt werden. Die Einfassung (2) hält hierbei die Komponenten Reflektor (4), Lichtleiter (3) und Abdeckungen (5) in Position und verbindet sie mechanisch mit dem LED-Leuchtmittel.
  • Die Oberfläche des Reflektors (4) kann als spiegelnde Oberfläche oder als weiße reflektierende Oberfläche ausgebildet sein. Der Reflektor (4) kann die Oberfläche 2 (7.2) des Lichtleiters (3) ganzflächig bedecken. Der Reflektor (4) kann die Oberfläche 2 (7.2) des Lichtleiters (3) auch nur teilweise bedecken. Dies kann durch Aussparungen im Reflektor (4) erreicht werden. Durch eine teilweise Bedeckung des der Oberfläche 2 (7.2) des Lichtleiters (3) kann das Verhältnis an Licht, das die Leuchte über die Oberflächen 1 (7.1) und über die Oberfläche 2 (7.2) des Lichtleiters (3) in den Raum abstrahlt, gezielt eingestellt werden. Dies kann bei von der Decke abgehängten Leuchten (13) zur Erzielung einer indirekten Beleuchtung vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Die transparente oder transluzente Abdeckung (5) kann sowohl ästhetischen Charakter haben als auch lichttechnischen Zwecken dienen. Als Abdeckungen mit ästhetischem Charakter können dekorierte oder strukturierte Abdeckungen Verwendung finden. Abdeckungen für lichttechnische Zwecke können das aus der Oberfläche 1 (7.1) des Lichtleiters (3) austretende Licht gezielt streuen oder lenken.
  • Die thermische Verbindung (6) des LED-Leuchtmittels mit der Einfassung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zu nennen sind thermische Verbindungen beispielsweise mittels Wärmeleiffolien, Wärmeleitpads und/oder Wärmeleitpasten. Der Chip des LED-Leuchtmittels kann aber auch direkt auf der Einfassung thermisch leitend montiert sein. Bei LED-Leuchtmitteln, die aus einer Trägerplatine mit darauf befestigten und kontaktierten einzelnen LEDs bestehen, kann die thermische Verbindung auch allein über den mechanischen Kontakt der Trägerplatine mit der Einfassung realisiert sein.
  • Die Einfassung besteht aus einem Material, das die an die Einfassung übertragene Wärme gut leitet. Als Material werden metallische Werkstoffe bevorzugt, da sie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zu nennen sind hier beispielweise Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium, Messing.
  • Als einfachste Form der Einfassung kann ein U-Profil (7) dienen.
  • Zur besseren Ableitung der Wärme von der Einfassung an die Umgebung kann die Einfassung mit zusätzlichen Wärmeleitflächen versehen werden. Hierbei sind verschiedene Formen der Einfassung möglich (8–10).
  • 8 zeigt ein doppel-T Profil.
  • 9 zeigt ein U-Profil mit parallelen Kühlrippen
  • 10 zeigt ein U-Profil mit sternförmigen Kühlrippen.
  • Die erfindungsgemäße Leuchte kann auf vielfältige Art zur Raumbeleuchtung eingesetzt werden.
  • Denkbar ist die Installation als Deckeneinbauleuchte (11), deckenmontierte Leuchte (12), wandmontierte Leuchte (12) oder als von der Decke abgehängte Leuchte (13), wobei die Montage der Leuchte keiner besonderen Beschränkung unterliegen soll.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 stellt einen beispielhaften Querschnitt durch die erfindungsgemäße Leuchte dar.
  • 2 stellt beispielhaft die Einfassung mit einzelnen LEDs als LED-Leuchtmittel dar.
  • 3 stellt eine beispielhafte Auswahl typischer Formen des Lichtleiters dar.
  • 4 stellt schematisch einem Lichtleiter mit allseitiger Einfassung dar.
  • 5 stellt schematisch einen Lichtleiter mit zweiseitiger Einfassung dar.
  • 6 stellt schematisch einen Lichtleiter mit allseitiger Einfassung und Beleuchtung von nur einer Kante dar.
  • 7 stellt die einfachste Form der Einfassung als ein U-Profil dar.
  • 8 zeigt ein doppel-T Profil.
  • 9 zeigt ein U-Profil mit parallelen Kühlrippen
  • 10 zeigt ein U-Profil mit sternförmigen Kühlrippen.
  • 11 zeigt erfindungsgemäße Leuchte installiert als Deckeneinbauleuchte.
  • 12 zeigt erfindungsgemäße Leuchte installiert als Wand- und Deckenleuchte.
  • 13 zeigt erfindungsgemäße Leuchte installiert als abgehängte Deckenleuchte.
  • 14 stellt einen beispielhaften Querschnitt durch die erfindungsgemäße Leuchte dar, wobei das LED-Leuchtmittel oberhalb der Kante des Lichtleiters angebracht ist. Die Kante des Lichtleiters kann beschichtet sein. Bezugszeichenliste
    Nummer Bedeutung
    1 LED-Leuchtmittel oder LED-Streifen
    2 Einfassung
    3 Lichtleiter
    4 Reflektor
    5 Transparente oder transluzente Abdeckung
    6 Thermische Verbindung
    3.1 Kante des Lichtleiters
    7.1 Oberflächen 1 des Lichtleiters
    7.2 Oberflächen 2 des Lichtleiters
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6539657 B1 [0005]
    • - EP 1717632 A1 [0006]
    • - EP 1881746 A2 [0008]

Claims (10)

  1. Leuchte für Beleuchtungszwecke bestehend aus mindestens einem LED-Leuchtmittel, einer Einfassung und einem Lichtleiter, der das Licht des LED-Leuchtmittels flächig verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung das LED-Leuchtmittel und den Lichtleiter mechanisch verbindet und gleichzeitig die vom LED-Leuchtmittel erzeugte Wärme an die Umgebung abführt.
  2. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter zwischen 1 und 20 mm dick ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter zwischen 2 und 10 mm dick ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante des Lichtleiters (3.1) poliert ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante des Lichtleiters (3.1) mit einer spiegelnden Schicht versehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante des Lichtleiters (3.1) mit einer weißen Beschichtung versehen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstrahlwinkel des LED-Leuchtmittels weniger als 180 Grad beträgt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstrahlwinkel des LED-Leuchtmittels weniger als 150 Grad beträgt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstrahlwinkel des LED-Leuchtmittels weniger als 120 Grad beträgt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter aus Polymethylmethacrylat besteht.
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