DE102005001307A1

DE102005001307A1 - Sanitärarmatur mit einer Anordnung lichtemittierender Elemente

Info

Publication number: DE102005001307A1
Application number: DE102005001307A
Authority: DE
Inventors: Horst Kunkel; Gunter Veigel
Original assignee: Hansa Metallwerke AG
Current assignee: Hansa Metallwerke AG
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2006-07-27
Also published as: WO2006072398A1

Abstract

Eine Sanitärarmatur enthält eine Lichtquelle zur farbigen Ausleuchtung von Wasser, das aus der Sanitärarmatur aus- oder in diese eintritt. Die Lichtquelle (16) enthält erfindungsgemäß einen Träger (22), über den mindestens vier gehäuselose und als Halbleiterbauelemente ausgebildete lichtemittierende Elemente (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') verteilt sind, wobei mindestens zwei erste lichtemittierende Elemente Licht einer ersten Farbe und mindestens zwei zweite lichtemittierende Elemente Licht einer zweiten Farbe erzeugen. Vorzugsweise sind mehrere lichtemittierende Elemente zu Baugruppen (24) zusammengefaßt, die matrixartig auf dem Träger (20) verteilt sind. Zur Bündelung und Mischung des von den lichtemittierenden Elementen erzeugten Lichts sind dabei diffraktive optische Elemente (27) unmittelbar vor jeder Baugruppe angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sanitärarmatur mit einer Anordnung lichtemittierender Elemente zur Ausleuchtung von Wasser, das aus der Sanitärarmatur aus- oder in diese eintritt.

Eine derartige Sanitärarmatur ist aus der DE 203 17 375 U1 bekannt. Die dort beschriebene Sanitärarmatur weist im Bereich des Wasseraustritts oder Wassereintritts Leuchtmittel auf, mit denen sich Licht in unterschiedlichen Farben erzeugen läßt. Die Farbe wird dabei in Abhängigkeit von der Wassertemperatur eingestellt. Bei einem darin näher erläuterten Ausführungsbeispiel umfassen die Leuchtmittel drei jeweils in eigenen Gehäusen aufgenommene LEDs, die unmittelbar zwischen Austrittsöffnungen der Sanitärarmatur angeordnet sind.

Nachteilig bei dieser bekannten Sanitärarmatur ist, daß sich das von den drei LEDs erzeugte Licht nur relativ schlecht mischt, so daß keine homogene Farbwirkung entsteht. Außerdem lassen sich mit der bekannten Anordnung von LEDs nur relativ kleine Leuchtdichten erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sanitärarmatur der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß sich hohe Leuchtdichten bei gleichzeitig guter Farbmischung erzielen lassen.

Erfindungsgemäß wird bei einer Sanitärarmatur der eingangs genannten Art diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lichtquelle einen Träger enthält, über den mindestens vier gehäuselose und als Halbleiterbauelemente ausgebildete lichtemittierende Elemente verteilt sind. Mindestens zwei erste lichtemittierende Elemente erzeugen dabei Licht einer ersten Farbe und mindestens zwei zweite lichtemittierende Elemente Licht einer zweiten Farbe.

Vorzugsweise sind die lichtemittierenden Elemente dabei zu Baugruppen zusammengefaßt, die matrixartig auf dem Träger angeordnet sind. Innerhalb jeder Baugruppe erzeugen mindestens zwei lichtemittierende Elemente Licht in unterschiedlichen Farben.

Derartige Lichtquellen sind erst kürzlich im Stand der Technik bekannt geworden und in der US 2004/0222433 A1 beschrieben. Für einen Einsatz in Sanitärarmaturen sind diese Lichtquellen sehr zweckmäßig, da sie sehr viel höhere Leuchtdichten ermöglichen, als dies bei einer Anordnung von mehreren einzelnen und in Gehäusen aufgenommenen LEDs der Fall ist.

Allerdings wird das von den lichtemittierenden Elementen erzeugte Licht über einen sehr großen Winkelbereich abgestrahlt, was bei der Anwendung in Sanitärarmaturen eher unerwünscht ist. Dies ist vermutlich auch der Grund dafür, warum die neuartigen Lichtquellen bislang nicht für eine Verwendung in Sanitärarmaturen in Betracht gezogen worden sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist deswegen eine Sammeloptik vorgesehen, die mehrere sammelnd wirkende optische Elemente umfaßt, wobei jeder Baugruppe genau ein sammelnd wirkendes optisches Element zugeordnet ist. Bei diesen sammelnd wirkenden optischen Elementen handelt es sich vorzugsweise um diffraktive optische Elemente, da es mit refraktiv wirkenden Elementen – selbst wenn die brechenden Flächen asphärisch sind – relativ schwierig ist, einen Großteil des stark divergenten Lichtbündels in ein weitgehend kollimiertes Lichtbündel umzuwandeln. Mit diffraktiven optischen Elementen lassen sich hingegen Beugungseffizienten für die nullte Beugungsordnung in der Größenordnung von etwas 60% bis 70% erzielen, so daß die Menge des durch seitliche Abstrahlung verloren gehenden Lichtes noch tolerierbar bleibt. Die diffraktiven optischen Elemente können beispielsweise als Computer Generated Holograms (CGH) ausgeführt sein und auf dem Träger befestigt oder aber in einer von dem Träger unabhängigen Halterung aufgenommen sein.

Alternativ, vorzugsweise aber zusätzlich hierzu kann eine Sammellinse vorgesehen sein, die das von den lichtemittierenden Elementen erzeugte Licht gemeinsam bündelt. Auf diese Weise können die von den einzelnen Baugruppen erzeugten Lichtbündel mit anderen Lichtbündeln durchmischt werden, wodurch eine sehr homogene Lichtwirkung erzielt wird.

Zur weiteren Steigerung der Durchmischung kann eine Streueinrichtung vorgesehen sein, die das von den lichtemittierenden Elementen erzeugte Licht streut, Bei der Streueinrichtung kann es sich um eine Oberflächen- oder Volumenstreuscheibe handeln. Im erstgenannten Fall kann die unregelmäßig geformte Oberfläche auch unmittelbar auf der Sammellinse, sofern vorhanden, aufgebracht sein.

Da auch die neuartige Lichtquelle aufgrund der hohen Zahl dicht voneinander beabstandeter lichtemittierender Elemente eine nicht unerhebliche Verlustwärme erzeugen, kann ein Kühlkörper vorgesehen sein, auf den der Träger der lichtemittierender Elementes thermisch kontaktiert ist und der unmittelbar in Kontakt mit Wasser steht, das durch die Sanitärarmatur fließt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 einen Auslaufkopf einer Sanitärarmatur in einem schematischen axialen Schnitt;
2 eine perspektivische Darstellung einer Licht quelle und einer Sammeloptik, die in den in der 1 gezeigten Auslaufkopf integriert ist;
3 eine Draufsicht auf eine Baugruppe lichtemittierender Elemente, die Teil der Lichtquelle ist;
4 eine Baugruppe lichtemittierender Elemente in einer an die 3 angelehnten Darstellung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel.
Die 1 zeigt in einem schematischen axialen Schnitt einen Auslaufkopf 10 einer Sanitärarmatur, der fest im Sanitärbereich installiert oder auch Teil eines Handstücks sein kann. Bei der Sanitärarmatur kann es sich z.B. um eine Duscharmatur, eine Waschtischarmatur oder eine Badarmatur handeln. Der Auslaufkopf 10 hat ein Gehäuse 11 und einen darin enthaltenen Mischwasserauslauf 12, der in an sich bekannter Weise mit einer in der 1 nicht gezeigten Mischbatterie verbunden ist. Die Mischbatterie ist ihrerseits an einen Warmwasser- und einen Kaltwasserzulauf angeschlossen. Der Mischwasserauslauf 12 geht in einen Ringkanal 14 über, der stirnseitig mit Auslaßöffnungen 15 versehen ist.
In dem von dem Ringkanal 14 umschlossenen Raum sind eine Lichtquelle 16 und eine Sammeloptik 18 aufgenommen. Die Lichtquelle 16 ist dabei auf einem Kühlkörper 20 ther misch leitend befestigt, der umfangsseitig mit Kühlrippen 25 versehen und derart in den Auslaufkopf 10 eingebaut ist, daß das im Mischwasserauslauf 12 fließende Wasser unmittelbar an den Kühlrippen 25 vorbeistreicht. Da der Kühlkörper 20 Temperaturen von ca. 70° erreichen kann, ist bei den üblichen Wassertemperaturen im Sanitärbereich gewährleistet, daß ein Temperaturgradient zwischen dem Kühlkörper 20 und dem vorbeifließenden Wasser besteht. Aufgrund der großen Wärmekapazität von Wasser genügt bereits ein kleiner Temperaturgradient, um eine gute Kühlwirkung zu erzielen.
Im folgenden werden Einzelheiten der Lichtquelle 16 und der Sammeloptik 18 mit Bezug auf die 2 und 3 näher erläutert.
Die 2 zeigt die Lichtquelle 16 und die Sammeloptik 18 in einer perspektivischen Darstellung. Die Lichtquelle 16 enthält eine regelmäßige matrixartige Anordnung hexagonaler Baugruppen 24, die auf einem Träger 22 aufgebracht sind und deren Aufbau in der 3 vergrößert in einer Draufsicht gezeigt ist. Jede Baugruppe 24 enthält vier lichtemittierende Elemente 241, 242, 243, 244, die Licht mit unterschiedlichen Farben erzeugen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt das Element 241 rotes Licht, das Element 242 grünes Licht, das Element 243 blaues Licht und das Element 244 gelbes Licht. In der 3 sind die Lichtfarben durch die Buchstaben R (Rot), G (Grün), B (Blau) bzw. Y (Gelb) angedeutet. Bei den lichtemittierenden Elementen 241 bis 244 handelt es sich um LED-Halbleiterbausteine, die über getrennte Kontaktierungen verfügen und auf diese Weise einzeln angesteuert werden können. Durch Hinzunahme der Farbe Gelb zu den drei Primärfarben Rot, Grün und Blau lassen als besonders angenehm empfundene Farben, z.B. Pastellfarben wie mintgrün oder zartrosa, erzeugen. Der Auslauskopf 10 ist deswegen besonders gut für eine Anwendung im Wellness- und Farbtherapiebereich geeignet.
Die lichtemittierenden Elemente 241 bis 244 sind jeweils mit einer transparenten Abdeckung 26 versehen, die auch linsenartig ausgeführt sein kann. Der grundsätzliche Aufbau der Lichtquelle 16 ist in der eingangs bereits erwähnten US 2004/0222433 A1 beschrieben, so daß sich weitere Ausführungen an dieser Stelle erübrigen.
Unmittelbar über den Abdeckungen 26 der Lichtquelle 16 ist eine Halterung 28 mit darin eingelassenen diffraktiven optischen Elementen 27 angeordnet. Die diffraktiven optischen Elemente 27 sind als Computer Generated Holograms (CGH) ausgeführt und haben die Wirkung asphärischer Sammellinsen. Dabei ist jedes diffraktive optische Element 27 genau einer Baugruppe 24 der Lichtquelle 16 zugeordnet. Die Symmetrieachsen der diffraktiven optischen Elemente 27 sind dabei entlang der Symmetrieachsen der jeweils zugeordneten Baugruppen 24 ausgerichtet. Da die lichtemittierenden Elemente 241 bis 244 versetzt zu dieser gemeinsamen Symmetrieachse angeordnet sind, werden die von den lichtemittierenden Elementen 241 bis 244 erzeugten Lichtbündel durch die diffraktiven optischen Elemente 27 zur gemeinsamen Symmetrieachse hin verkippt. Dadurch kommt es zu einer Durchmischung der einzelnen farbigen Lichtbündel, die von den lichtemittierenden Elementen 241 bis 244 erzeugt werden.
Die diffraktiven optischen Elemente 27 haben neben dieser Mischung ferner die Aufgabe, die vergleichsweise stark divergierenden Lichtbündel, die von den einzelnen lichtemittierenden Elementen 241 bis 244 erzeugt werden, zu bündeln. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein größerer Teil des von der Lichtquelle 16 erzeugten Lichts unter zu schrägem Winkel aus dem Auslaufkopf 10 austritt oder sogar von Gehäuseteilen desselben absorbiert wird.
In Lichtausbreitungsrichtung schließt sich an die diffraktiven optischen Elemente 27 eine plan-konvexe Sammellinse 30 an, die auf ihrer Planseite Streustrukturen 32 trägt. Die Streustrukturen können auf der Planseite der Sammellinse 30 z.B. durch Sanden, Ätzen oder Schleifen erzeugt werden. Die Sammellinse 30 bündelt die von den Baugruppen 24 erzeugten Lichtbündel weiter, wie dies in der 1 für ein gepunktet angedeutetes Lichtbündel 33 angezeigt ist.
Die 4 zeigt in einem alternativen Ausführungsbeispiel eine Baugruppe 24', bei der für die Erzeugung von Licht der Farben Rot, Gelb und Blau jeweils Paare von lichtemittierenden Elementen 241a', 241b' (Rot), 242a', 242b' (Gelb) bzw. 243a', 243b' (Blau) vorgesehen sind.
Wie in der 1 erkennbar ist, schließt eine Abdeckscheibe 34 lichtaustrittsseitig die Sammeloptik 18 ab. Die Abdeckscheibe 34, die auswechselbar an dem Gehäuse 11 des Auslaufkopfes 10 befestigt ist, trägt außenseitig eine Beschichtung 35, welche die Anlagerung von Kalk erschwert. Die Abdeckscheibe 34 kann auf diese Weise sehr einfach durch feuchtes Abwischen gereinigt werden.
Der Träger 22 der Lichtquelle 16 ist über eine Leistungselektronik 36 mit einer Steuerung 38 des Auslaufkopfs 10 verbunden. Die Steuerung 38 hat die Aufgabe, die Baugruppen 24 mit den lichtemittierenden Elementen 241 bis 244 einzeln anzusteuern. Außerdem wirkt die Steuerung 38 auf ein im Mischwasserauslauf 12 eingebautes Magnetventil 40 ein, mit dem sich die austretende Mischwassermenge einstellen läßt.
Ferner ist die Steuerung 38 mit einem Temperaturfühler 42 und einem Durchflußschalter 44 verbunden, der ein Schaltsignal erzeugt, sobald Mischwasser vom Mischwasserauslauf 12 in den Ringkanal 14 fließt. Über einen Fotodetektor 46 kann die Steuerung 38 die Helligkeit in einem Raum ermitteln, in dem sich der Auslaufkopf 10 befindet. Über eine Bedieneinheit 48 kann die Funktion des Auslaufkopfs 10 gesteuert und ggf. auch programmiert werden. Zur Stromversorgung ist die Steuerung 38 mit einer Spannungsquelle 50 verbunden, bei der es sich z.B. um das häusliche Wechselstromnetz oder einen Akkumulator handeln kann. Die Steuerung 38, in welche die Leistungselektronik 36 integriert sein kann, der Fotodetektor 46 und die Bedieneinheit 48 können räumlich entfernt von den übrigen Teilen des Auslaufkopfs 10 angeordnet sein, was durch eine gestrichelte Linie 52 angedeutet ist. Eine solche räumliche Trennung ist beispielsweise dann zweckmäßig, wenn der Auslaufkopf 10 zusammen mit einem Handstück einen Duschkopf bildet.
Der vorstehend anhand der 1 bis 3 beschriebene Auslaufkopf 10 funktioniert wie folgt:
Stellt ein Benutzer an der Bedieneinheit 48 eine gewünschte Wassermenge und -temperatur ein, so gibt das Magnetventil 40 die entsprechende und von der nicht dargestellten Mischbatterie mit der gewünschten Temperatur bereitgestellte Wassermenge frei. Das Mischwasser, das in der durch Pfeile 54 angedeuteten Fließrichtung das Magnetventil 40 durchströmt, betätigt den Durchflußschalter 44. Die Steuerung 38 erhält dadurch die Information, daß nunmehr Wasser aus den Auslaßöffnungen 15 des Auslaufkopfes 10 austreten wird.
In einem ersten Betriebsmodus, der an der Bedieneinheit 48 eingestellt werden kann, steuert die Steuerung 38 die Baugruppen 24 so an, daß das von den darin enthaltenen lichtemittierenden Elementen 241 bis 244 erzeugte Licht eine mit der Wassertemperatur korrelierte Farbe hat. Die tatsächliche Wassertemperatur wird dabei der Steuerung 38 von dem Temperaturfühler 42 übermittelt. Die Farbe kann beispielsweise so gewählt sein, daß bei kaltem Wasser blaues Licht, bei heißem Wasser rotes Licht und bei lauwarmem Wasser weißes Licht erzeugt wird. Das Licht der erwünschten Farbe wird dabei durch additive Mischung des von den Leuchtdioden lichtemittierenden Elementen 241 bis 244 erzeugten Lichts erzeugt.
Mit Hilfe des Fotodetektors 46 kann die Steuerung 38 ermitteln, wie hell das Umgebungslicht ist. Je heller das Umgebungslicht ist, desto höher muß die Intensität des von den Baugruppen 24 erzeugten Lichts sein. Nur dann ist gewährleistet, daß das von der Lichtquellenanordnung 16 erzeugte Licht für den Benutzer wahrnehmbar ist.
Die Baugruppen 24 erzeugen außerdem erst dann Licht, wenn der Durchflußschalter 44 einen Wasserdurchfluß in dem Wasserauslauf 12 registriert. Auf diese Weise wird verhindert, daß Licht erzeugt wird, bevor Wasser aus den Austrittsöffnungen 15 austritt, und es dadurch zu störenden Blenderscheinungen für den Benutzer kommt.
Das von der Lichtquellenanordnung 16 erzeugte Mischfarbenbündel wird von dem austretenden Mischwasser zylindrisch umgeben und beleuchtet das Mischwasser somit von innen.
In einem zweiten Betriebsmodus, der an der Bedieneinheit 48 eingestellt werden kann, kann der Benutzer eine von der Wassertemperatur unabhängige Farbe für das von den Baugruppen 24 erzeugte Licht einstellen. Die Wahl dieser Farbe kann nach unterschiedlichen Gesichtspunkten erfolgen. Die Farbe kann beispielsweise an der Bedieneinheit 48 über entsprechende Bedienelemente unmittelbar eingestellt werden. In Betracht kommt ferner, daß die Farbe in einer Transponder-Karte gespeichert ist, die mit einem Sende-/Empfangskopf in der Bedieneinheit 48 zusammenwirken kann. Die auf der Transponder-Karte gespeicherte Farbe kann z.B. vom Benutzer frei gewählt oder von einem Lichttherapeuten vorgegeben sein. Zusätzlich oder alternativ hierzu kommt auch eine Abhängigkeit der Farbe von der Tageszeit, der Jahreszeit oder vom Wetter in Betracht.

Claims

Sanitärarmatur mit einer Lichtquelle zur farbigen Ausleuchtung von Wasser, das aus der Sanitärarmatur aus- oder in diese eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (16) einen Träger (22) enthält, über den mindestens vier gehäuselose und als Halbleiterbauelemente ausgebildete lichtemittierende Elemente (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') verteilt sind, wobei mindestens zwei erste lichtemittierende Elemente Licht einer ersten Farbe und mindestens zwei zweite lichtemittierende Elemente Licht einer zweiten Farbe erzeugen.
Sanitärarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente zu Baugruppen (24) zusammengefaßt sind, die matrixartig auf dem Träger (20) angeordnet sind, wobei innerhalb jeder Baugruppe (24) mindestens zwei lichtemittierende Elemente (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') Licht in unterschiedlichen Farben (R, G, B, Y; R, G, B) erzeugen.
Sanitärarmatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Baugruppe mindestens zwei licht emittierende Elemente (241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') Licht der gleichen Farbe (R, G, B) erzeugen.
Sanitärarmatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Baugruppe (24) mindestens drei lichtemittierende Elemente (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') enthält, von denen eines rotes Licht, eines grünes Licht und eines blaues Licht erzeugt.
Sanitärarmatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß rotes Licht durch Lichtwellenlängen zwischen 625 nm und 650 nm, grünes Licht durch Lichtwellenlängen zwischen 500 nm und 550 nm und blaues Licht durch Lichtwellenlängen zwischen 455 nm und 485 nm festgelegt sind.
Sanitärarmatur nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Baugruppe (24) mindestens ein lichtemittierendes Element (244) angeordnet ist, das gelbes Licht erzeugt.
Sanitärarmatur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß gelbes Licht durch Lichtwellenlängen zwischen 570 nm und 590 nm festgelegt ist.
Sanitärarmatur nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch eine Sammeloptik (18), die mehrere sammelnd wirkende optische Elemente (27) umfaßt, wobei jeder Baugruppe (24) genau ein sammelnd wirkendes optisches Element (27) zugeordnet ist.
Sanitärarmatur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die sammelnd wirkenden optischen Elemente diffraktive optische Elemente (27) sind.
Sanitärarmatur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktiven optischen Elemente (27) CGH-Elemente sind.
Sanitärarmatur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die sammelnd wirkenden optischen Elemente (27) gemeinsam in einer von dem Träger unabhängigen Halterung (28) aufgenommen sind.
Sanitärarmatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sammellinse (30), die das von den lichtemittierenden Elementen (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') erzeugte Licht gemeinsam bündelt.
Sanitärarmatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Streueinrichtung (32), die das von den lichtemittierenden Elementen (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') erzeugte Licht streut.
Sanitärarmatur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Streueinrichtung (32) eine unregelmäßig geformter Oberfläche umfaßt.
Sanitärarmatur nach Anspruch 14 bei Rückbezug auf Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche auf der Sammellinse (30) aufgebracht ist.
Sanitärarmatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das von den lichtemittierenden Elementen (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') erzeugte Licht lichtleiterfrei in der Sanitärarmatur ausbreitet.
Sanitärarmatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit den lichtemittierenden Elementen verbundene Steuereinrichtung (38) zur Einstellung der Lichtfarbe.
Sanitärarmatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kühlkörper (22), auf dem der Träger (20) der lichtemittierenden Elemente (241, 242, 243, 244; 241a', 241b', 242a', 242b', 243a', 243b') thermisch kontaktiert ist und der unmittelbar in Kontakt mit Wasser steht, das durch die Sanitärarmatur fließt.