Helmleuchte für unter Tage

Anleitungen für "hausgemachte" LED Projekte

Moderator: T.Hoffmann

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Stollnfex
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Registriert: Do, 17.04.08, 12:11

Sa, 26.04.08, 22:35

Hallo LED-Freunde!
Folgend mein erster Beitrag im Forum zum Thema Kopflampe. Ich bitte um Nachsicht, falls etwas aus LED-fachlicher Sicht zu beanstanden sein würde. Ich möchte hier meine Erfahrungen im Umgang mit LED-Technik als Praktiker Interessierten weiter vermitteln.
Mobiles Licht unter Tage war schon immer eines der ureigensten Problemstellungen des Bergmannes, die im Laufe der Geschichte viele Lösungen gebracht hat. Keine der vergangenen Lösungen hat sich dauerhaft als ultimatives Nonplus-Ultra erwiesen. Die neue LED-Technik hat aber auf diesem Gebiet ganz ungeahnte Möglichkeiten eröffnet.
Ich war 16 Jahre unter Tage als Geologe im Uranerzbergbau tätig und befasse mich seit meiner Kindheit intensiv mit historischem Erzbergbau um meinem Wohnort. Zu meinem Broterwerb betreibe ich als Einzelunternehmer im touristischen Bereich in Bad Lobenstein / Thüringen seit dem Jahre 2000 einen historischen Bierfelsenkeller (Bergerlebnis Markt Höhler - s.a. unter Google) mit dem Charakter eines Besucherbergwerkes. Alle Arbeiten im Höhler unter Tage finden bei Kunstlicht statt. Dazu sind geeignete Beleuchtungen stationärer und mobiler Art notwendig. Die Stationärbeleuchtungen für Wege, Höhlerkammern u.a. sind mit Energiesparlampen bestückt, so daß der Energiebedarf und die Kosten dafür vergleichsweise verträglich sind. Für viele Instandhaltungsarbeiten ist aber eine Leuchte erforderlich, bei der beide Hände frei sind - eine Kopfleuchte. Es gibt zwar eine Menge industrieller Kopflampen für den unter Tage- Einsatz, die Meisten (außer z.B. Fa. Faser, Polen) funktionieren jedoch im Grunde genommen mit Technik von vorgesternund gestern (Glühlampen / Halogenlampen - Reflektortechnik etc.) und haben wegen der Art ihrer Lichterzeugung vergleichsweise nur geringe Leuchtkraft. Mechanisch sind die Lampen jedoch sehr robust. Seitdem die LED-Weißlicht-Technik große Fortschritte gemacht hat, hatte ich versucht, eine der von mir eingesetzten Bergbaukopfleuchten auf LED-Technik umzurüsten. Schon vor 8 Jahren habe ich dies mit heute vergleichsweise schwachen LED‘s vorgenommen, befriedigte aber letztendlich aus verschiedenen Gründen meist nicht, wie die von mir angestellten Versuche gezeigt haben. Über die ersten Anfänge mit den damals völlig neuen 1W-Luxeon's habe ich in der Folge immer wieder Versuche zur Verbesserung der von mir in meiner Firma eingesetzten Kopfleuchten vorgenommen. Das Lumitronix-Forum hat mir dazu viele gute Anregungen geben können. Die Anforderungen an eine in lichttechnischer Hinsicht befriedigende Kopfleuchte kristallisiert sich erst dann richtig heraus, wenn man eine solche Lampe tagtäglich benutzen muß. Als die P4 bezogen werden konnte, habe ich auch damit Versuche angestellt. Außerordentlich hohe Effizienz bei der Lichtausbeute und außerordentlich gutes Farbspektrum - neutralweiß. Ziel war es vorerst, eine Kopfleuchte als Versuchsobjekt zu bauen, um über einen einjährigen praktischen Betriebstest deren tatsächliche Zuverlässigkeit und eventl. Alterserscheinungen wie Veränderung des Farbspektrums und der Helligkeit prüfen bzw. feststellen zu können. Datenblätter und Werbeversprechen sind zwar das Eine, praktische Tests aber halt das Andere. Als Hauptproblem erwies sich wie schon vorher bei den Versuchen mit den Luxeons eine wirksame Kühlung. Alles, was dazu zu finden war, war letzendlich für diese spezielle Lampe nicht zu gebrachen. Die Kühlkörper waren viel zu voluminös und zu schwer. Außerdem lassen die Lichtausbeute der P4 und deren Lebensdauer ziemlich nach, wenn sie bei hohen Temperaturen betrieben wird. Ich habe mich im vorigen Jahr dazu entschlossen, die Lampe mit Flüssigkeitskühlung zu bauen. Nach einem Jahr Praxistest kann ich jetzt sagen, das sich dies sehr gut bewährt hat und nur zu empfehlen ist. Anbei eine Kurzbeschreibung meiner Testlampe:
Der Lampenkörper besteht in der Hauptsache aus einer Weißblechdose mit 50 mm ø als Kühlflüssigkeitsbehälter. Als Deckel wurden vorn und hinten Bleche eingelötet. Der vordere Deckel besteht aus 0,6 mm Kupferblech als guter Wärmeleiter, an das nach dem Innern der Dose drei breite Kupferblechstreifen angelötet sind, die die Wärmeleitung in die Flüssigkeit übernehmen. Der hintere Deckel wurde aus Phosphorbronze von ebenfalls 0,6 mm Dicke gefertigt, die auf Grund seiner besonderen Festigkeit als robuster Träger für den daran angeschraubten Lampenhalter dient, der seinerseits am Grubenhelm aufgesteckt wird. Zwischen beiden Deckeln wurde ein Messingröhrchen eingelötet, durch das die Verkabelung vom hinteren Deckel zum vorderen Deckel durchgeführt ist. Auf dem vorderen Deckel wurden 3 Stück P4-Stars mit Wärmeleitpaste aufgesetzt, darüber eine leicht modifizierte 10°-Triepellinse. Die Beinchen der Tripellinse wurde weggebrochen und die Linse über eine neu gesetzte zentrische M3-Bohrung mit einer M3-Schraube in einer Gewindebüchse mit dem vorderen Deckel verschraubt. Dadurch werden auch die P4 gegen das Kupferblech gepreßt, was die Wärmeabführung zur Kühlflüssigkeit begünstigt. Die Weißblechdose wurde in ihrer Seitenwandung oben mit einer Einfüllöffnung für die Kühlflüssigkeit versehen, die mit einer M3-Schraube verschlossen ist. Hier wurde dann eine antikorrosive Kühlflüssigkeit mittels Injektionsspritze eingefüllt (80ml Kühlerflüssigkeit für Automotoren). Die Tripellinse ist dann noch mit einem Gehäuse, ebenfalls aus Weißblech gefertigt verschlossen worden, damit die Linse nicht verschmutzt. Als Lichtaustrittsöffnung wurde Glas verwendet. Die Abdichtung erfolgte mit Silikon. Auf dem hinteren Deckel der Lampe sitzt noch ein weiterer Deckel, unter dem ein Schalter so angebracht ist, daß er nicht versehentlich betätigt werden kann (Schiebeschalter, nur bei abgenommener Helmleuchte betätigbar). Das Ganze wurde dann noch mit einem Phosphorbronze-Gummikabel (Uraltbestand aus Zeiten vor 1945, kann selbst mit einem Beil fast nicht durchtrennt werden) und Zugentlastung versehen. Das Lampenkabel führt zur Lampentasche, in dem sich eine 12V/7Ah-Bleigel-Batterie und eine KSQ mit 700 mA befindet. Damit kann die Lampe 8 Stunden mindestens betrieben werden. Seit einem Jahr hat sich diese Lampe im Dauerbetrieb außerordentlich bewährt. Die Temperatur der Gehäuseoberfläche der Lampe erreicht trotz stundenlangem Dauerbetriebes kaum mehr als 40°C. Auch über Tage im Sommer bei erhöhter Außentemperatur habe ich niemals mehr als 45°C nach stundenlangem Betrieb gemessen. Insgesamt ist die Lampe natürlich noch verbesserungswürdig. Es hat sich herausgestellt, daß die Hälfte der Kühlflüssigkeit immer noch eine mehr als ausreichende Kühlung gewährleisten kann. Damit kann die Lampe auch geometrisch noch um die Hälfte der Länge verringert werden. Flüssigkeitskühlung ist vor allem dann zweckmäßig, wenn kein Platz für voluminöse Kühlkörper zu Verfügung steht, bzw. das Gewecht eine Rolle spielt. Durch die verwendung von Autokühlflüssigkeit ist das Ganze außerdem wartungsfrei. Es sollten in der Blechdose aber noch ein paar Kubikzentimeter Luft enthalten sein, damit durch die Wärmeausdehnung der Kühlflüssigkeit nicht alles auseinander getrieben wird. Da das Licht sehr gebündelt ist und im Nahbereich wegen der extremen Helligkeit ein ermüdungsfreies Arbeiten nicht möglich ist, habe ich den Lichtaustritt noch mit einer Streufolie versehen, die durch Adhäsion auf der Lichtaustrittsscheibe befestigt ist. Anbei noch ein paar Bilder von der Lampe und ein Foto im Stolln mit der Leuchte (Blende: 2,8; Belichtungszeit: 0,8 s; Filmempfindlichkeit: ISO 200). Würde mich über Eure Meinung und eventuelle Anregungen dazu freuen.
Oberseite-Laengsachse.jpg
Dateianhänge
Unterseite-Laengsachse.jpg
Groessenvergleich-01.jpg
Probebild-Stolln-mit-Kopfle.jpg
Von-hinten-Halterung.jpg
Befestigung-Tripellinse.jpg
Von-hinten-Halterung.jpg
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Sailor
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Sa, 26.04.08, 23:22

Zunächst einmal ein herzliches Willkommen im Forum!

Mit Deiner Lampe hast Du gleich eine Menge der hier diskutierten Probleme praktisch gelöst - und das mit einem sehr guten Ergebnis!

Jetzt bleibt nur noch die nächste Effizenzstufe der LED´s abzuwarten und damit das Wärmeproblem noch weiter zu minimieren, womit ja auch Größe und Gewicht noch weiter minimiert werden können. Obwohl - nach der Beschreibung habe ich mir die Lampe schon etwas größer vorgestellt, als sie dann auf den Bildern erkennbar tatsächlich ist.

Danke für den Beitrag!
DnM
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So, 27.04.08, 22:10

Kann mich Sailor nur anschließen. Was mich noch interessieren würde ist die Temperatur direkt an den Leds und in wie weit die Befestigung am Helm und das Gewicht der Lampe problematisch / unproblematisch sind. So rein von der Vorstellung her würde ich annehmen, dass das Gewicht doch ziemlich störend ist.
Stollnfex
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Mi, 30.04.08, 23:53

Hallo DnM,
vielen Dank für den Post und die Fragen.
Die Temperatur beträgt direkt an der Unterseite der P4-Stars ca. 55°C. Das ist die Temperatur, die auch nach stundenlangem Betrieb mit 700 mA Betriebsstrom nicht überschritten wird. Bei 1000 mA Betriebsstrom betrug die Temperatur 69°C direkt an der Unterseite. Die Wärme wird ohne jegliche Kühlrippen über die Weißblechhaut der Lampe an die Umgebung abgeführt. Das aus optischen Gründen vorgenommene Bekleben des Gehäuses mit dünner Selbstklebefolie hat sich nicht nachteilig auf den Wärmefluß in die Umgebung ausgewirkt. Ich nutze die Lampe aus Gründen der Haltbarkeit der Chips jedoch nur mit 700 mA Dauer-Betriebsstrom.
Was das Gewicht der Lampe am Helm angeht, so ist es nicht höher als bei vergleichbaren industriellen Kopfleuchten für unter Tage, vielleicht mit Ausnahme der allerneuesten Lampen. Natürlich baut die Lampe etwas länger, was aber nicht störend bei der Benutzung ist. Man geöhnt sich sehr schnell daran. Das Gehäuse ist aus Weißblech (stabil, reißfest und gut wärmeleitend, deshalb schon sehr leicht. Das Hauptgewicht wird von der Kühlwasserfüllung und den eingelöteten Kupferblechen im Inneren des Gehäuses gebildet, in meinem Fall ca. 80 - 100 g. Es ist möglich, hier noch durch entsprechende Gehäusegestaltung etwas Kühlflüssigkeit zu reduzieren, was natürlich auch das Gesamtgewicht nochmals verringern würde. Bin schon bald beim Bau einer neuen Leuchte mit ähnlichem Grundprinzip, aber verbessert. Zur Zeit experimentiere ich dahingehend, den Betrieb von 3 Stück P4 mit Tripelreflektor auf kleinstem Raum mit dem minimal notwendigsten Kühlwasserumfang bei 1000 mA Dauerbetriebsstrom zu optimieren.
Beste Grüße vom Markt Höhler aus Bad Lobenstein in Thüringen!
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Morbus
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Sa, 03.05.08, 22:17

Habe auch noch eine Frage. Also finde das sehr geil gemacht mit der Lampe auch das mit der Flüssigkeitskühlung ist echt top :). Und die ist bestimmt so hell, dass es einem die Netzhaut wegbrennt, also richtig cool :D.

Aber hört man die Lampe nicht "sabbern" (hab keinen besseren Ausdruck gefunden) wenn man läuft? Also das Wasser gegen die Wände klatschen.
Stollnfex
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Mi, 07.05.08, 21:46

Hallo Morbus,
vielen Dank für Dein Interesse! Man hört das Wasser so gut wie nicht plätschern, da der Behälter fast voll ist und nur ca. 5 Kubikzentimeter Luft enthalten ist.posting.php?mode=reply&f=31&t=5020# Außerdem sorgen die Kupferbleche, die am Trägerblech der P4-Stars angelötet sind und auf volle Länge in den Kühlwasserbehälter hineinreichen, daß das Wasser kaum an den Wänden anschlägt (Prinzip: PKW-Benzintank, sonst würde es da auch plätschern, und das wäre beim Fahren ganz schön nervend.). Ich hoffe, daß ich damit Deine Frage beantwortet habe. Die Lampe auf den Bildern war übrigens schon ein Jahr im harten unter Tage - Einsatz posting.php?mode=reply&f=31&t=5020#und hat schon einige Beulen. Nie hat mich die Lampe bisher im Stich gelassen.
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