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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für Strassen,
Wege, Plätze od. dgl., mit mehreren in mindestens einer Reihe angeordneten Leuchtmitteln.
Bei Beleuchtungsvorrichtungen, welche zum Ausleuchten grösserer Plätze, Strassen oder
Wege vorgesehen sind, ist es angestrebt, dass diese einen möglichst grossen Bereich möglichst gleichmässig ausleuchten. Hierdurch soll zum einen erreicht werden, dass möglichst wenige Beleuchtungsvorrichtungen für die Beleuchtung eines grösseren Bereiches notwendig sind. Zum anderen ist eine gleichmässige Ausleuchtung gewünscht. Aus der DE
20114085 U1 ist eine gattungsgemässe Beleuchtungsvorrichtung bekannt, bei der mehrere
Leuchtdioden als Leuchtmittel in Reihen angeordnet sind.
Nachteil der beim Stand der Technik bekannten Beleuchtungsvorrichtungen ist es, dass die oben genannten Anforderungen nur unzureichend erfüllt werden.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, welche diesem Defizit abhilft.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass vor der Reihe von Leuchtmitteln ein gemeinsamer, länglich erstreckter, zumindest teilweise transparenter Lichtlenkkörper angeordnet ist, welcher auf seiner von den Leuchtmitteln abgewandten Seite eine spitz zulaufende Kante aufweist.
Die erfindungsgemässe Beleuchtungsvorrichtung besitzt insgesamt eine Abstrahlcharakteristik, bei welcher auch flache Winkelbereiche mit ausreichender Lichtstärke beleuchtet werden, sodass auch eine sehr gute Lichtabstrahlung in seitliche Bereiche erfolgt.
Hierdurch wird sowohl eine gleichmässige Ausleuchtung von grösseren zu beleuchtenden Bereichen erzielt, als auch die für die Beleuchtung von Strassen, Plätzen, oder dergleichen benötigte Anzahl von Beleuchtungsvorrichtungen reduziert.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht hierbei vor, dass der Lichtlenkkörper zwei ihn seitlich begrenzende zumindest bereichsweise gekrümmte, fokussierende Seitenflächen aufweist, welche von der spitz zulaufenden Kante in Richtung einer Basisseite des Lichtlenkkörpers verlaufen, wobei die Basisseite zu den Leuchtmitteln zeigt. Hierdurch wird eine besonders gute Beleuchtung auch auf seitliche Bereiche, weiche sich nicht direkt unterhalb der Beleuchtungsvorrichtung befinden, erreicht. Weitere Verbesserungen sehen vor, dass die
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Krümmung der Seitenflächen in Richtung zur Basisseite, vorzugsweise kontinuierlich, zunimmt und/oder dass die Leuchtmittel in mindestens zwei, vorzugsweise drei, Reihen angeordnet sind.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine solarbetriebene Strassenleuchte, bei der eine erfindungsgemässe
Ausführungsvariante der Beleuchtungsvorrichtung zum Einsatz kommt,
Fig. 2 eine Detailansicht von unten auf den in Fig. 1 dargestellten Tragarm,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Ausführungsvariante der Beleuchtungsvorrichtung,
Fig.4 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemässen
Beleuchtungsvorrichtung,
Fig.5 eine Draufsicht von unten auf die in Reihen angeordneten
Leuchtmittel,
Fig. 6 und Fig. 7 beispielhafte Lichtstrahlverläufe innerhalb des erfindungsgemässen
Ausführungsbeispiels,
Fig. 8 eine Abstrahlcharakteristik eines bevorzugten Leuchtmittels,
Fig. 9 beispielhafte Farbspektren verschiedener verwendbarer Leuchtmittel,
Fig.
10 Darstellung einer Abstrahlcharakteristik des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Beleuchtungsvorrichtung und Fig. 11 und Fig. 12 ein Beispiel der Beleuchtung einer Strasse mit der erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Strassenlaterne 22, bei der mehrere erfindungsgemässe Beleuchtungsvorrichtungen 1 an einem Tragarm 6 befestigt sind, wobei dieser wiederum durch einen Mast 3 in einer definierten Höhe über dem Boden gehalten wird. Am Mast 3 ist desweiteren ein Solarpaneel 2 angebracht, welches den elektrischen Akkumulator 5 speist.
Dieser stellt wiederum die Stromversorgung für die erfindungsgemässe Beleuchtungsvorrichtung 1 dar. Die Regelung der gesamten Strassenlaterne wird durch die Regeleinrichtung 4 vorgenommen.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht von unten auf den Tragarm 6. Dieser weist insgesamt sechs erfindungsgemässe Beleuchtungsvorrichtungen 1 auf, welche detailliert in den Fig. 3 bis 7
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dargestellt sind. Der Tragarm 6 hat im dargestellten Beispiel eine Länge 7 von einem Meter und eine Breite 8 von 0,3 Meter.
In Fig. 3 ist das erfindungsgemässe Ausführungsbeispiel der Beleuchtungseinrichtung 1 in einem Querschnitt senkrecht zu seiner Längserstreckung dargestellt. In einem Gehäuse 16 ist eine Trägerplatine 14 angeordnet, auf der drei Reihen von Leuchtmitteln 10 angeordnet sind. Diese Leuchtmittel 10 sind im vorliegenden Fall Leuchtdioden. Die Anordnung der
Leuchtmittel bzw. Leuchtdioden 10 in drei Reihen 30 ist anhand von Fig. 5 noch einmal im
Detail dargestellt. Die Reihen 30 sind unmittelbar benachbart zueinander angeordnet, wobei durch die gezeigte versetzte Anordnung ein hexagonales Muster und damit eine maximal mögliche Packungsdichte der Leuchtmittel 10 erreicht wird. Die Leuchtmittel 10 bzw. die
Platine 14 werden über die Anschlüsse 15 mit elektrischer Energie versorgt. Die Platine 14 ist hierbei mittels der Wurmschrauben 17 im Gehäuse 16 befestigt.
Vor den Leuchtmitteln 10 ist der Lichtlenkkörper 9 angeordnet. Dieser weist im wesentlichen entlang seiner gesamten
Längserstreckung einen achsensymmetrischen Querschnitt auf, wobei im gezeigten
Ausführungsbeispiel die Symmetrieachse 31 durch die spitz zulaufende Kante 11 verläuft. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus vorgesehen, dass der Lichtlenkkörper 9 im wesentlichen entlang seiner gesamten Längserstreckung 32 einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweist. Der Lichtlenkkörper 9 ist ein massiver - hier einstückiger - im wesentlichen vollständig aus einem transparenten Material, vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff, bestehender Körper. Er weist eine zu den Leuchtmitteln weisende
Basisseite 13, sowie diese Basisseite 13 mit der Kante 11 verbindende Seitenflächen 12 auf.
Die Blenden 18 sorgen dafür, dass das gesamte von den Leuchtmitteln 10 abgestrahlte Licht über die Basisseite 13 in den Lichtlenkkörper 9 geleitet wird. Durch diese geschlossene Bauweise wird darüber hinaus verhindert, dass Ungeziefer oder Schmutz in das Innere der Beleuchtungsvorrichtung 1 eindringen kann.
Der Lichtlenkkörper weist vorzugsweise einen Brechungsindex n zwischen 1,45 und 1,6 auf.
Die Leuchtmittel 10 besitzen in einer günstigen Ausführungsform eine eng begrenzte Abstrahlcharakteristik, wie sie beispielhaft in Fig. 8 als Darstellung der relativen Lichtintensität 1 gegen den Lichtabstrahlwinkel a dargestellt ist. Der Lichteintritt in den Lichtlenkkörper 9 über die Basisseite 13 erfolgt im wesentlichen eben bzw. nur wenig geneigt. Hierzu ist es besonders günstig, dass die Basisseite 13 im Querschnitt senkrecht zur Längserstreckung des Lichtlenkkörpers 9 wie dargestellt eine V-form aufweist, wobei die Spitze der V-Form zur spitz zulaufenden Kante 11 zeigt. Die Seitenflächen 12 dienen als Lichtlenkflanken. Sie sind gekrümmt fokussierend und lenken das Licht im oberen zur
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Basisfläche 13 weisenden Bereich des Lichtienkkörpers 9 durch Totalreflexion um.
Dies ist anhand von verschiedenen Lichtstrahlen 19 beispielhaft in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Erst nach einer Lichtumlenkung durch Totalreflexion tritt das Licht im unteren Bereich des
Lichtlenkkörpers 9 seitlich aus den Seitenflächen 12 aus. Durch die achsensymmetrische
Bauweise des Lichtlenkkörpers sowie die symmetrische Anordnung der Leuchtmittel 10 bezüglich der Symmetrieachse 31 wird auch ein symmetrischer Lichtaustritt erreicht.
Gegebenenfalls kann der Wirkungsgrad senkrecht nach unten durch einen Streulichtreflektor verbessert werden.
Bei Verwendung von Leuchtmitteln 10, welche im wesentlichen ein gebündeltes Licht zur
Verfügung stellen erzielt die erfindungsgemässe Beleuchtungsvorrichtung im wesentlichen eine lineare Beleuchtung. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Verwendung von LED-
Leuchtmitteln, welche als engstrahlende Typen zur Verfügung stehen. Bei flacher Einsicht in die Leuchte ist diese sehr gut ausgeblendet, da man bei flachen Winkeln durch den
Lichtlenkkörper hindurchsehen kann und dabei nicht in die Lichtquellen blickt. Die
Umschaltung zu durchsichtigen flachen Winkeln erfolgt, indem bei flacheren Winkeln der
Totalreflexionswinkel überschritten wird, und somit die Leuchte durchsichtig wird.
Der
Wirkungsgrad der Beleuchtungseinrichtung 1 ist ausserordentlich gross (grösser 90 %), da zum einen die Lichtlenkung durch Totalreflexion (mit einem Reflexionskoeffizienten gleich 100 %) erfolgt und zum anderen der Lichtlenkkörper 9 als Leuchtenabdeckung dient, wodurch eine zusätzliche Leuchtenabdeckung mit dem durch sie hervorgerufenen Wirkungsgradverlust nicht notwendig ist. Hierdurch wird ein um mindestens 10% erhöhter Lichtstrom erreicht.
Durch die seitliche Lichtauskopplung aus den Seitenflächen 12 (Lichtaustritt im wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen) wird eine sehr breit strahlende Lichtverteilung (Weitstrahlcharakteristik) erreicht, welche z.B. bei der Anwendung als Strassenlaterne eine
Erhöhung der Mastabstände bei gleichmässiger Ausleuchtung ermöglicht. So ist auch noch bei einem Verhältnis von Lichtpunkthöhe zu Lichtpunktabstand zwischen 1 :5 1 :8 ausreichende Ausleuchtung gewährleistet, während bei konventionellen Strassenleuchten mit einem Verhältnis von 1 :4 die Grenze des Möglichen erreicht ist. Darüber hinaus ist eine Lichtstromfokussierung auf die Nutzfläche und damit ein sehr hoher Nutzwirkungsgrad möglich.
Die annähernd tropfenförmige Ausgestaltung der Aussenflächen des Lichtlenkkörpers 9 mit einem annähernd vertikalen Leuchtenabschluss nach unten bewirkt bei feuchtem Wetter einen Selbstreinigungseffekt, wodurch eine zusätzliche Reinigung im wesentlichen entfällt.
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Die V-Form der Basisseite 13 sowie der Winkel, mit dem die Seitenflächen 12 in der Kante
11 aufeinander treffen, können je nach Anwendung aufeinander abgestimmt werden. Im vorliegenden Fall weist das V einen Winkel # von ca. 117 auf. Die Seitenflächen 12 treffen in der Kante 11 in einem Winkel y von ca. 70 aufeinander. Die dargestellte
Ausführungsvariante des Lichtlenkkörpers 9 weist eine Breite 20 von 3,6 cm sowie eine
Längserstreckung 32 von 35 cm auf. Die Bauhöhe 21 der Beleuchtungsvorrichtung 1 liegt im gezeigten Beispiel bei 8,7 cm.
Fig. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung 1 in einer perspektivischen
Darstellung. Fig. 5 zeigt, wie bereits erwähnt, wie die Leuchtmittel bzw. Dioden 10 auf einer
Platine günstigerweise angeordnet sind. Durch die möglichst dichte Packung der Reihen 30 wird ein hexagonales Muster erreicht.
In einer einfachen Variante kann vorgesehen sein, dass weisse Leuchtmittel vor dem
Lichtlenkkörper angeordnet sind. In einer günstigen Ausführungsvariante ist darüber hinaus vorgesehen, dass verschieden farbige Leuchtmittel 10 (zum Beispiel Leuchtdioden) benachbart zueinander angeordnet werden. Die verschieden farbigen Leuchtmittel weisen hierbei verschiedene Lichtspektren auf, wie dies beispielhaft anhand von Fig. 9 gezeigt ist, in der die Lichtintensitäten in Abhängigkeit der Lichtwellenlängen A [nm] aufgetragen sind.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reihen unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Bei der Lichtmischung werden hierdurch effektiv 28 Lumen/Watt und ein
Farbwiedergabeindex (color rendering index CRI) grösser 80 erreicht, während weisse LED's derzeit zum Beispiel nur 15 Lumen/Watt bereitstellen. Die maximale Packungsdichte der LEDs ermöglicht es, kleine Lichtlenkkörper zu verwenden. Die Trägerplatine 14 besitzt günstigerweise eine weiss beschichtete Oberfläche zur Erhöhung des Reflexionsgrades.
Durch die optimierte LED-Farbmischung wird eine warm-weisse Lichtfarbe bei hervorragender Farbwiedergabe erreicht. Die Verwendung von LEDs ist darüber hinaus zum einen im Sinne des Stromverbrauchs günstig, da die in Fig. 1 gezeigte Anordnung insgesamt einen Bedarf von maximal 50 Watt bei einer Gesamtlichtabgabe von 1350 Lumen hat.
Darüber hinaus haben Leuchtdioden gegenüber konventionellen Lampen den Vorteil, dass sie um einen Faktor 5 langlebiger sind und einfach gedimmt werden können. Bei einem Wirkungsgrad des Lichtlenkkörpers 9 von 90 % ergibt sich, dass 1200 Lumen in den zu beleuchtenden Bereich abgestrahlt werden können.
Die Fig. 6 und 7 zeigen beispielhaft ausgewählte Lichtstrahlenverläufe und damit die optische Wirkung des Lichtlenkkörpers 9. Fig. 6 zeigt hierbei die in flachere Winkel
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abgestrahlten Lichtanteile und ihre Refraktion in den unteren Bereich des Lichtlenkkorpers.
Durch die Totalreflexion im oberen Bereich der Seitenflächen 12 wird das Licht ohne Verlust in steile Winkel in den Bereich unterhalb der Beleuchtungsvorrichtung umgelenkt. Fig. 7 zeigt die Lichtumlenkung von steil abgestrahlten Lichtstrahlen innerhalb des Lichtlenkkörpers 9.
Auch hier erfolgt eine verlustfreie Totalreflexion an den Seitenflächen 12 und erst anschliessend ein Ausstrahlen des Lichts in flache Abstrahlungswinkel in den Bereich seitlich der Beleuchtungsvorrichtung. In Fig. 10 ist die hierdurch erzielte Gesamtlichtwirkung des gezeigten Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung 1 dargestellt. Hierbei ist zusehen, dass der Hauptlichtanteil in Winkelbereiche zwischen 60 und 75 abgestrahlt wird, wodurch auch weiter von der Beleuchtungsvorrichtung 1 entfernte Bereiche noch ausreichend stark beleuchtet werden.
In Fig. 11ist eine Beleuchtungssituation für eine Strasse schematisch dargestellt, wobei die in
Fig. 1 dargestellte Strassenlaterne zugrunde gelegt ist. Die Beleuchtungseinrichtungen 1 sind am Tragarm 6 in einer Höhe 23 von vier Metern über Grund angeordnet. Die benachbarten Strassenlaternen sind in einem Abstand 24 von 18 Metern aufgestellt. Die zu beleuchtende Strasse 28 hat eine Breite 26 von vier Metern. Die jeweils auf beiden Seiten angeordneten Randstreifen 29 weisen eine Breite 27 von jeweils zwei Metern auf. Fig. 12 zeigt eine Lichtverteilung, wie sie durch die Verwendung von erfindungsgemässen Beleuchtungsvorrichtungen 1 im Bereich 25 der in Fig. 11 dargestellten Situation erreicht wird. Dargestellt sind hierbei Isolinien gleicher relativer Lichtintensität, wobei der Tragarm 6 mittig im 18 Meter breiten Bereich 25 über der Strasse 28 angeordnet ist.
Die Isolinien zeigen, dass der Hauptanteil des abgestrahlten Lichts auf die Strasse 28 konzentriert ist. Hierbei werden besonders gut auch die weiter von der Laterne 22 bzw. dem Tragarm 6 entfernten Bereiche der Strasse beleuchtet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erreichen 60 % des von der Laterne abgestrahlten Lichtes die Strasse und 80 % die Strasse zusammen mit den Randstreifen 29.