CN104865779B - 对高亮度光源的转换器装置的冷却 - Google Patents

对高亮度光源的转换器装置的冷却 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于高亮度光源的转换器装置，其包括能够轴向转动的承载轮，安装在承载轮的侧面上并设有发光材料或包括发光材料的转换器，该转换器将入射光通过荧光转换为其他波长的光并发射，在此，该转换器装置的总面积相对于由转换器的外边界曲线所围成的区域的面积的比例至少为3，优选至少为3.5，特别优选至少为4.5。

Description

对高亮度光源的转换器装置的冷却
技术领域
本发明涉及到对具有高亮度的光源、特别是对大功率投影仪的转换器装置的冷却。
背景技术
转换器装置与光源相关联地使用，以改变由初级光源发射并入射在转换器装置上的光的波长并再次发射，由此获得光源。为此目的，转换器装置的表面例如至少部分地涂覆有荧光材料。
专利文献US 2009/034284提出了一种照明装置，其通过涂覆有荧光材料并由来自固态光源的辐射来激发的旋转轮来生成光。如专利文献US2009/034284所述的发明目的在于，通过对轮的分段并使用不同的荧光物质来生成不同时间计时的颜色通道。
专利文献JP 2012 037681对这种原理的应用进行了详细说明。
在专利文献DE 10 2011 084 961中同样描述了一种分段的荧光材料轮。使用陶瓷荧光体段，其中，这些段可以被金属化并通过焊接与承载轮连接，以获得这些段与承载轮良好的热连接。
在上述三个专利文献中，承载轮被描述为扁平圆盘。根据专利文献DE 10 2011084 961，这种扁平圆盘还具有留空或突出，以收纳这些段。
申请人在专利文献DE 10 2012 005 654中描述了一种具有通风功能的转化器轮，例如其通过附加的薄片，以便提高转换器轮的冷却。
如申请人在专利文献DE 10 2010 034 054中所述，如果转换盘是自冷却的，则是特别有利的。这可以例如通过荧光体的载体的转动轴上的翼轮、形成所谓的径流式风扇来实现。通过旋转来生成将热量散发到环境中的气流。
一般情况下，转换器上的温度过高会导致转换器材料以及转换器的载体连接的加速劣化。此外，转换器的加热还可能造成转换效率的降低和/或所发射的二次光或荧光的颜色发生变化。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于提供一种转换器装置，其能够确保对发光材料进行特别高效的冷却并由此产生特别高的亮度，以及提高该装置的长期稳定性。
本发明的目的通过独立权利要求1所述的内容来实现。优选的扩展方案和实施方式由从属权利要求给出。
本发明人的研究已经表明：特别是在快速旋转的承载轮中，限制对转换器进行有效冷却的已不是转换器连接在基座上的方式(例如胶合或焊接)，而是转换器载体本身的散热。
根据本发明提出了一种用于具有较高亮度的光源的转换器装置。这种转换器装置包括能够轴向转动的承载轮，安装在承载轮的侧面上并设有发光材料或包括发光材料的转换器，该转换器将入射光通过荧光转换为其他波长的光并发射，在此，该转换器装置的总面积相对于由转换器的外边界曲线所围成的面积的比例至少为3，优选至少为3.5，特别优选至少为4.5。
在根据本发明的转换器装置的一种优选的扩展方案中，转换器装置的总面积相对于由转换器的外边界曲线所围成的面积的比例小于50。
对于承载轮来说可以考虑使用各种不同的材料。但是当所使用的材料能够将转换器发出的热量分散到转换器装置的整个表面上时，增加承载轮的总面积是特别有利的。为此，该材料的热导率应大于50W/mK。例如可以使用金属(例如铝)和具有高导热性的塑料。
对于转换器可以考虑使用不同的材料。例如，转换器可以包括配设有磷光体或发光材料的硅酮。
但是在一种优选的实施方式中，对于转换器可以使用光电陶瓷。使用光电陶瓷的优点在于转换器的较高的温度稳定性，以及相对于集聚在基体中的转换器粉末更好的热传导和更高的热容量。
在由光电陶瓷构成转换器的一种优选的扩展方案中，光电陶瓷完全由发光材料制成。为此可以将这种发光材料设计为，其与基体材料中的发光材料相比，虽然活性离子的平均浓度是相同的，但是却具有更低的活性离子局部浓度。这种较低的活性离子局部浓度对于转化过程的量子效率和热稳定性是有利的。
在根据本发明的又一种扩展方案中，光电陶瓷的形式的转换器作为封闭的环安装在承载轮上。在封闭的环中，在各个区段之间没有接缝，例如用于连接的粘合剂暴露在这些接缝中并可能被高辐射密度的初级辐射损坏。
但是特别是在较大的转换器环中，为了减少可能由于振动或热诱导产生的机械应力，利用多个区段组装成所述的环是有利。
在根据本发明的又一种扩展方案中，光电陶瓷形式的转换器以区段的形式安装在承载轮上，优选粘接或焊接在承载轮上。焊接，特别是借助于金属焊料的焊接能够更好地实现光电陶瓷在承载环材料上的热连接。金属焊料特别是还可以同时实现反射体的功能，从而提高转换器装置的效率。此外，焊料连接相比于粘合连接通常能够暴露在更高的温度下，从而提高了转换器装置的最高容许温度并因此增加了初级光源的最大容许光输出。另一方面，对于许多应用来说粘合连接就足够了。其与焊接相比的优势在于加工简单。并不限于使用金属焊料作为反射体，在转换器所覆盖的区域中可以将承载轮设计为可反射光的，或者说转换器可以覆盖转换器装置的光反射面，以提高转换效率。在此优选将光反射面理解为这样的面：其对于转换器的荧光的反射率至少为75％。
根据本发明的实施方式，转换器可以围绕转换器装置的中轴线或转动轴线非连续地覆盖一环形轨迹(该轨迹描述了在转换器装置的旋转过程中初级光源的光束)。这种情况例如是配设有环形转换器但缺失一个环区段的情况。这个缺失的区段可以在下述情况下配置：当在转换器装置的旋转过程中到达特定的时间点时，应该发射初级光而不是荧光。
已经证实：在一般情况下，当承载轮的至少一部分未被转换器覆盖的表面、优选为全部未覆盖的表面的发射率ε大于0.1，优选大于0.7，特别优选大于0.85时是有利的。在此，优选该未被覆盖的表面在中间具有以上所述的大于0.1，优选大于0.7，特别优选大于0.85的发射率。虽然人们会认为：基于在运行中发生在常规的转换器轮上的温度，只有向环境空气的散热才明显地有助于冷却，但是已经证实：发射率对于散热也有巨大的影响，因为特别是具有光电陶瓷转换器的转换器装置在较高的温度下也可以运行，在此基于斯忒藩-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律会引起热辐射。
为了提高转换器装置的散热，可以将承载轮的未被转换器覆盖的表面涂黑。相对于上述的散热，涂黑通常会实现非常高的发射率。
为了能够使根据本发明的转换器装置与例如高功率光源一起使用，根据本发明的一种实施方式，转换器装置的散热超过15W。而对于低功率的光源来说，较低的散热也相应地足以敷用。根据本发明的另一种特别适用于硅系转换器的实施方式，散热至少为4W，优选为5～10W。
关于所述被转换器的外边界曲线所围成的表面，根据本发明的又一种实施方式有利的是：转换器装置的散热超过150WK-1m-2*F，在此，F是由转换器的外边界曲线所包围的面积，单位为平方米。优选该散热超过180WK-1m-2*F，特别优选大于240WK-1m-2*F。
在另一种优选的实施方式中，转换器装置包括至少两个彼此轴向间隔开设置的轮或圆盘，其中一个具有设有发光材料或包括发光材料的转换器。这些轮由通过合适的热桥彼此连接，以确保从配设有发光材料的轮向至少一个其它的轮的热传递。据此，可以增加转换器装置的总面积并由此改善该装置的散热。
另外，在根据本发明的转换器装置的一种优选的实施方式中，承载轮被设计为风叶轮。在此，特别是可以设有用于承载轮的驱动电机，该驱动电机使风叶轮旋转，从而沿轴向吸入空气。已经证实：如果风扇叶片不是径向的，而是相对于径向方向成一角度，则这种装置的冷却效果依赖于装置的转动方向。但是，这种实施方式并不限于径流式风扇。转换器在设计为风叶轮的承载轮上的设置和优选的转动方向可以根据所选择的风扇几何变化而改变。但是，根据本发明的特征是风叶轮的良好的热传导性，从而使得转换器冷却可以通过纯粹的风叶轮通风经由承载轮的增加的表面来进行。
根据本发明的转换器装置的承载轮还可以在背向转换器的一侧具有冷却片，其基于承载轮的转动而通过空气循环实现散热效果。
在根据本发明的转换器装置的又一种实施方式中，承载轮的直径至少是转换器的外边界曲线的直径的1.5倍。
对于承载轮特别优选地，以及对于必要时转换器装置的其他部件优选地使用金属作为原料。金属由于其导热性而是特别适用的。此外，可以在金属上良好地进行焊接，以固定转换器。特别优选的材料是铝。这种金属具有较高的导热性，并且还非常轻。由此可以降低承载轮高速旋转时的不平衡度。
根据本发明还提出了一种具有转换器装置的光源，在此，转换器装置包括能够轴向转动的承载轮和安装在承载轮的一侧并设有发光材料或包括发光材料的转换器，该转换器将入射的光通过荧光转换成具有其他波长的光并发射。该光源包括用于对转换器上的光点照明的发光元件以及电机，该电机用于使轴向安装的转换器装置在利用发光元件照明期间转动移位，从而根据转换器装置在圆形轨迹上的转动将发光元件的入射辐射功率分散在转换器上。在此，在根据本发明的一种实施方式中，转换器装置的总面积相对于由转换器的外边界曲线所围成的面积之比至少为3，优选至少为3.5，特别优选至少为4.5。
替代地或附加地，转换器装置的总面积相对于由圆形轨迹的外边缘所围成的面积之比至少为3.3，优选至少为4，特别优选至少为5。该比率越大，在各个照射位置上所带来的热量就能够更好地分布在转换器装置的整个表面上，这将使得整个转换器装置具有较低的平均温度。
特别是光源可以包括作为初级光源的激光。激光可以聚焦在非常小的光束直径上，从而在相对较小的体积中也能够产生由转换器发射的二次光。由此可以获得集光率非常小的光源。
在一种优选的实施方式中，光点在转换器上所示出的轨迹的外边缘的直径至少为转换器的外边界曲线直径的0.8倍，优选至少为转换器的外边界曲线直径的0.9倍。
光源可以是投影仪，特别是大功率投影仪。
附图说明
下面参照附图对本发明做详细说明，其中，相同的附图标记表示相同的部件。其中：
图1示出了承载轮的直径和其热阻之间的依赖关系图，
图2示出了一种转换器装置，其具有根据现有技术的轴对称的承载轮和圆环形的转换器，
图3示出了一种转换器装置，其具有轴对称的承载轮和圆环形的转换器，其中，承载轮的直径明显大于转换器的直径，
图4示出了一种转换器装置，其具有安装在承载轮上的冷却片，
图5示出了最大温度与圆盘直径的依赖关系图，
图6示出了转换器的最大温度与具有冷却片的承载轮的导热率的关系图，
图7示出了一种具有承载轮的转换器装置，该承载轮具有多个轴向依次设置的圆盘，
图8示出了一种转换器装置，其具有风叶轮、被涂黑的反射体基底和背向转换器一侧的空气供应装置，以及
图9示出了具有转换器装置的光源。
具体实施方式
如同已经陈述的那样，发明人的研究表明，对承载轮的冷却是有效冷却转换器装置的决定性因素。
对此的原因是：在转换器包括具有导热性边界区域的整个辐射表面上进行散热。例如，在转换器环的直径为43mm的情况下(在20mm的中心距中以3mm宽的光点被辐射)，该表面是实际光束点的至少40倍。该比例近似地可以通过光点直径和转换器环上的由光点所描绘的轨迹的周长的商来表示。
在这种情况下，尽管例如粘合连接的导热性较差，但是转换器与承载轮上的耦合相对于旋转的承载轮与周围空气的不良热耦合仍然相对较好。
这可以通过在表1中所总结的对各个热阻的分析来说明。
Figure BDA0000674961090000071
表1：热阻分析
如果对各种不同的轮形状进行这种分析，很明显的是：更大的轮直径对环境空气具有明显更小的热阻，但是在此超过95％的热阻归结于轮的冷却。
在此图1中示出了这些关系，其示出承载轮的直径和其热阻之间的依赖关系。对于每个所选出的直径值都示出了条形图，所述条形图描述了热阻中粘合剂的比例以及热阻中从旋转轮到空气的比例。
根据这些分析，承载轮的旋转实际上能够提供良好的平均。这意味着：在当前照射点上转换器的局部加热与平均的加热相比必然小。这种情况会发生在转换器本身的导热性良好并且热容量较大时，因为当前照射不会马上导致温度立即剧烈地升高。这两个要求将在光电陶瓷转换器的转动速度为7200转/分钟时得到满足。如果在辐射点中对转换器进行剧烈局部加热，则可以提高转换器装置的转动速度，以便降低辐射点处的温度并接近转换器的平均温度。
即，以下的特征或特征组合有利于提供具有高冷却能力的转换器装置。
-使用陶瓷转换器材料。
-承载轮的转动速度高至足以实现温度在转换器装置上的充分平均。
-承载轮具有相比于转换器环明显增大的表面。承载轮由具有良好导热性的材料制成，以便能够使热量有效地分散并释放到所述明显增大的表面。
-承载轮具有冷却片或其他有利于提供良好的空气流通、近似于风扇的几何形状。
-承载轮具有更高的热辐射发射率。
-允许较高工作温度的转换器装置，从而能够受益于提高的发射率。
下面对YAG光电陶瓷(Optoceramics＝OC)在大功率投影仪中的使用进行数据说明。
在此考虑使用反射圆盘作为承载轮，光电陶瓷以圆环的形式沉积在该承载轮上。该圆盘至少在光电陶瓷下面被镜面化。
下表2中示出了所考虑的圆盘的材料和几何形状参数。
参数 数据 单位
圆盘直径 50...80 mm
圆盘厚度 0.5...1.0 mm
OC环的宽度 4 mm
OC环的厚度 200 μm
有机硅胶粘剂的厚度 10 μm
转速 7200 min<sup>-1</sup>
激光功率 Max.200 W
OC中的热损失 25 ％
框(Kasten):
束轮廓 2<sub>tan</sub>x3<sub>rad</sub> mm<sup>2</sup>
OC的吸收系数 10000 1/m
OC的导热率 10 W/Km
胶粘剂的导热率 0.3 W/Km
OC的密度 4560 kg/m<sup>3</sup>
OC的特定的热容量 590 J/kgK
表2：所考虑的圆盘的材料和几何形状参数
假设在两侧以对流的形式对圆盘进行冷却，导热系数为h＝50Wm-2K-1，则圆盘相对于周围环境被加热升温平均为：
Figure BDA0000674961090000091
对于所述旋转圆盘的静态计算，可以利用下述公式根据照射功率P来估计在光电陶瓷的一个光点上的实际温度上升
Figure BDA0000674961090000092
Figure BDA0000674961090000093
关于容积(p：功率密度W/m3)适用以下公式：
Figure BDA0000674961090000094
假设在2x3x0.1mm3的容积内存有50瓦，则有：
p＝50W/0,6·10-9m3≈83·109W/m3，并且
Figure BDA0000674961090000095
当周期为τ＝1/f＝1/120Hz≈8.3ms，平均轨迹长度为L＝πD＝π46mm≈145mm并且光点宽度为b＝2mm时，在受到照射的光电陶瓷的任何一光点上的加热时间为tPuls＝πb/L≈0.12ms。
在这段时间内的温度上升为：
Figure BDA0000674961090000096
这与预期的温度水平相比是很小的，从而可以设定3mm宽的环形容积内的静止热源。
实施例1：
关于转换器装置的总面积相对于由转换器的边界曲线所包围的面积的比率方面，图2示出常规的转换器装置1，其具有扁平的环形承载轮2，转换器3安装在该承载轮2上。如图2所示的转换器装置的所有其它特征相对地也可以是根据本发明的转换器装置的特征。
承载轮2被轴向对称地安装，由此使其能够围绕延伸通过其中心点5的轴转动。
在图2中，转换器3被设计为圆环形，其与承载轮2的侧边缘或者外周间隔极小。安装在承载轮2上的转换器3以在此为圆形的外边界曲线4为界。与本发明的不同的是，由该外边界曲线4所包围的面积与由承载轮的外周所包围面积大小大致相同。典型的尺寸在表3中示出。如果加上承载轮2背面的同样对散热有效的面积，则该转换器装置1的总面积与由转换器3的边界曲线4所包围的区域的面积的比率在任何情况下都略大于2。
在图3中，转换器3被构造为圆环，其与承载轮2的侧边缘或者外周明显地间隔开。安装在承载轮2上的转换器3以在此为圆形的外边界曲线4为界。根据到承载轮2的边缘的距离，外边界曲线4的直径明显小于承载轮2的外周直径。相应地，由该外边界曲线4所包围的面积也小于由承载轮2的外周所包围的面积。如果加上承载轮2背面的同样对散热有效的面积，则根据本发明，转换器装置1的总面积与由转换器3的边界曲线4所包围区域的面积的比至少为3，优选至少为3.5，特别优选至少为4.5。在迄今常规的转换器装置中，转换器相对于载体的边缘的距离只有几毫米。即使承载轮较小，转换器装置的总面积与由转换器3的边界曲线5所包围的面积之比也只小于2.5。典型的值在表3中示出。
Figure BDA0000674961090000101
表3：针对不同的转换器装置，转换器装置的总面积与转换器的边界曲线所包围区域的面积的比
在根据本发明的一种实施方式中，转换器3也可以由多个区段组成，或者可以使用多个并排设置的区段形式的转换器3。在图2和图3所示的实施例中，转换器3的圆环由三个区段31、32、33构成。这些优选分别由光电陶瓷组成的区段粘接或焊接在承载轮2上。区段31、32、33特别还可以具有不同的转换器材料，使得各种转换器材料在承载轮旋转时被发光元件依次照射，然后分别发射不同颜色的二次光。这对于例如投影仪是有用的，由此可以借助于被二次光照亮并在各个区段之间的交替周期接通的DMD模块(DMD＝“数字微镜器件”)产生彩色图像。
如图2所示实施方式中的转换器3被描绘成一封闭圆环。但是，例如也可以采用开放的圆环作为转换器3并补入具有光散射介质的区段。由此除发出不同颜色的转换器区段之外，也可以使用初级光的颜色作为另一种颜色用于投影仪。在转换器3被设计为开放的圆形或开放的圆环的情况下，将具有转换器的外直径的整圆看作是外边界曲线。
作为转换器3的材料的是光电陶瓷，其完全由发光材料组成。替代地，转换器3也可以包括具有磷光物质的硅酮。即在这种情况下，转换器3也具有荧光材料。各种发光材料的职责在于将入射光转换为另一波长的光并再次发射该具有另一波长的光。优选将单片单相光电陶瓷用于转换器。
在使用光电陶瓷时，可以将其焊接到承载轮2上。这种焊接连接可以使转换器相对于承载轮具有良好的热接触。
在本发明的另一种实施方式中，转换器3在承载轮2上的布置也可以通过粘接进行。
在这两种情况下，将被转换器覆盖的表面设计为可反射光的是适宜的。在焊接连接时，这个特征，特别是对于在有合适的初级光入射时由转换器所发出的荧光具有至少75％的反射率的情况下，可以简单地通过选择合适的光反射金属焊料来实现。如果转换器3被粘接，胶粘剂可以是透明的，并将转换器3所粘接的区域相应地设计为可反射光的，优选具有至少75％的反射率。
根据本发明的一种扩展方案，承载轮2的至少一部分未被转换器覆盖的区域29的发射率ε大于0.1，特别是大于0.7，特别优选大于0.85。该发射率越高，承载轮2的未被转换器覆盖的区域就可以更好地将所吸收的热量作为热辐射再次发射。令人惊讶的是，即使是在所寻求的尽可能低的转换器装置的温度下，仍然可以通过增加未覆盖区域29的发射率来显著提高冷却性能。正如由于具有较高的导热性和热容量而被优选作为承载轮材料的铝具有非常低的发射率。在此，特别是通过将未被转换器3覆盖的区域黑化而形成的发射率的提高可以通过提高热辐射来改善散热性。
关于转换器装置1的冷却，可以将转换器装置1的总面积与由转换器3的边界曲线4所包围的面积之比选择为至少为3，优选至少为3.5，特别优选至少为4.5。
但是该面积比优选不超过50。这是有益的，因为一方面可以节省材料、降低重量，另一方面冷却能力的提高会随着面积比的增大而减小。
承载轮2的未被转换器3覆盖的表面可以被涂黑。
通过本发明的措施，特别是通过转换器表面与转换器的外边界曲线所包围的面积相对较大的面积比，现在可以将转换器装置设计为，使转换器装置的散热超过150WK-1m-2*F，优选大于180WK-1m-2*F，并特别优选为240WK-1m-2*F，其中，F是由转换器的外边界曲线所包围的面积，单位为㎡。
在根据本发明的转换器装置1的该实施例的一种扩展方案中，承载轮2的直径比转换器3的边界曲线4的直径至少大1.5倍。
由这种轴对称模型的计算可以得到如下结果。在此所执行的示例性计算为转速n＝7200min-1的情况。作为可均匀地分布在光电陶瓷中的热功率被设定为Ptherm＝23W。的空气可以在30℃下从圆盘的两侧自由地流入、流出。另外也可以设定没有其他的强制对流发生。在此假设圆盘具有圆柱形的侧壁，空气绝热地附着在该侧壁上。圆盘、光电陶瓷和粘合剂的尺寸按照表1所示选择。假设腔室直径为80mm。
该计算借助于具有低再修正性能的湍流模型SST-kω来进行。空气被假定为不可压缩的理想气体。cP、λ和h的值被设定为符合气体动力学理论。
在圆盘表面上，在周围空气的参照温度为30°的情况下所计算得到的平均导热系数h≈24Wm-2K-1。该导热系数h在很大程度上与圆盘的半径无关。在光电陶瓷中引入的23W的热功率中有大约4W传递到周围的空气中，并有大约19W进入到圆盘中。
在这种情况下应注意的是：湍流模型始终只是近似法，其根据应用情况或多或少良好地描述了实际情况。因此绝对的表述在没有实验校准的情况下是困难的。但是对用于更好冷却的估计措施进行相对表述是可以的。
实施例2：
图4示出了一种根据本发明的转换器装置1，其中，转换器3同样安装在承载轮2上，但是承载轮2在背向转换器3的一侧具有冷却片16。这些冷却片相对于承载轮2的表面垂直，并与承载轮2热连接。总体而言，承载轮2的总表面面积由于冷却片16而增大。由此提高了转换器装置的散热。当承载轮2附加地围绕其中心轴转动时，将会形成气流，从而进一步提高散热性。冷却片也可以安装在附加的板6上。转换器3的几何形状和用于转换器3的材料大致上与实施例1中的相同。
相比于如实施例1所述的圆盘，本实施例的计算得到以下结果。
建立风叶轮的一个45°的区段作为模型，用于耦合的流量和温度计算。
作为几何形状参数，光电陶瓷的厚度为200μm，圆环宽度值为4mm。
用于光电陶瓷的承载轮被设定为铝制的反射体载体，其厚度为0.5mm,，内孔直径为25mm，外径为44mm。
在该计算中同样还用到下述参数：
光电陶瓷和反射体之间的胶粘剂：厚度d＝10μm，λ＝0.3WK-1m-1，
反射体和风叶轮之间的胶粘剂：d＝45μm，λ＝1.7WK-1m-1，
风叶轮的材料为铝，λ＝202WK-1m-1，
每分钟转速：7200rpm(对于风叶轮可以考虑两个转动方向)
风叶轮安装在圆柱形壳体上，其半径比轮的半径大20mm，并且两侧沿轴向方向膨胀25mm。
空气通过壳体的前表面自由的流入和流出。
侧壁被假定为对于流动在附着条件下是绝热的。
辐射没有被考虑。
该计算静态地进行。假设：在光电陶瓷中存在均质源项(homogene Quellterme)，从而使得沉积于此处的总的热功率为20W。如同已示出的那样，这种假设对于足够快速地转动的转换器装置是合理的。
对于风叶轮来说存在各种不同的模型(S11，S12，......，S25)，其材料参数和几何形状参数参考下表。在此表中，“CW”代表顺时针，“CCW”代表逆时针。
Figure BDA0000674961090000141
表4：风叶轮的材料参数和几何形状参数
在上表中采用了下述简称：
DM：圆盘的外径，
Tmax：出现在光电陶瓷中的最大温度，
Afree sf：与空气相接触的整个表面积，
POC：预设的均匀位于光电陶瓷中的功率密度，使得能够完整地释放20W，
have：在30℃下所有自由表面的平均导热系数：P＝haveA(Tave–Tenv)。由此还可以针对不等于20W的功率估计预期的温度，
Rtherm：光电陶瓷相对于周围环境的热阻。
对于风叶轮，转动方向也只有一个含义。风叶轮借助于电机转动，使空气被轴向吸入和沿着转换器载体径向吹出。在此，体积流速取决于风扇叶片的平均迎角(Anstellwinkel)和设计方案，风扇叶片同时起到冷却片的作用。在如图4所示的实施例中，体积流速和冷却效果基于冷却片16的迎角而在逆时针转动时是最大的。
图5示出了在平圆盘以及风叶轮的模型s11和s12的情况下所发生的最大温度Tmax与圆盘直径DM之间的关系，其中，缩写CW和CCW和表4中一样表示“钟表方向”和“反钟表方向”，即顺时针方向和逆时针方向。如图5所示，直径约为70mm的圆盘具有与风叶轮的模型s12相同的冷却能力。逆时针转动时的最大温度明显低于顺时针转动时的最大温度。与图4所示的实施例相同，在测试风叶轮时，空气吸入沿轴线方向通过开口18进行，并同时通过冷却片和风扇叶片排出空气。在顺时针转动时，叶片的迎角和转动方向彼此不匹配，冷却效果明显很差。
在该模型中没有考虑风叶轮的驱动轴的散热作用。
由于由风叶轮引起的空气流动和通过风叶轮的增加的表面所进行的导热都是对于散热很重要，因此风叶轮的材料应允许进行充分的热传递。如图6所示，当风叶轮材料的导热性低于λ＝50WK-1m-1时，转换器的最大温度将急剧增加。准确的曲线走向取决于风叶轮的精确的几何形状。
实施例3：
在如图7所示的实施方式中，转换器装置1具有多个轮或圆盘2，22a，22b，22c，它们设置在共同的轴21上并轴向间隔开。这些圆盘中只有一个圆盘(在此为圆盘2)支承转换器3，即用作承载轮。在图7中示出了转换器装置1，其除了承载轮2之外还具有三个另外的圆盘。但是根据本发明，也可以使转换器装置只具有两个圆盘，其中一个作为转换器的承载轮；以及可以具有三个以上另外的圆盘。
在本发明的框架中还提供了一种光源，其具有根据本发明的转换器装置。此外，该光源具有发光元件，用于照射转换器3上的光点。如果轴向设置的转换器装置1在照射期间借助于电机转动，则发光元件的入射辐射功率(die auftreffende Strahlungsleistung)根据转换器装置1的转动分布在转换器3上的圆形轨迹上。
光源的轨迹的外边缘的直径至少为转换器3的边界曲线的直径的0.8倍，优选至少为转换器3的边界曲线的直径的0.9倍。
在一种优选的扩展方案中，光源包括激光器，这使得能够获得更高的发光功率。
优选上述光源为投影仪、特别是大功率投影仪的光源。
在图9中以立体图示出了这种光源10的一个举例。光源10包括优选为激光器14形式的发光元件13。发光元件13发射初级光130到转换器装置1的转换器3上。初级光130的入射点形成光点131。在光点131上，入射的初级光通过荧光转换为具有另外的波长、通常为更长波长的二次光132并发出。如同指向不同方向的箭头所表示的那样，二次光的发射是分散进行的。转换器装置1通过轴11轴向安装在电机12上，并在利用发光元件13照射期间通过电机12转动移动。由此使得发光元件的入射辐射功率根据转换器装置1的转动分布在转换器3上的圆形轨迹30上。圆形轨迹30的外边缘具有直径Ds。
将直径DS选择为略小于转换器的外边界曲线4的直径Dk是适当的。由此将确保光点131的轨迹不与转换器3的外边界曲线4交叉。关于该圆形轨迹，也可以相应地与外边界曲线4相似，由此使得转换器装置1总面积相对于由该圆形轨迹30的外边缘所包围的面积的比至少为3.3，优选至少为4，特别优选至少为5，以实现对转换器装置1的良好的散热。
另一方面，轨迹30应该尽可能得长，以便能够实现辐射功率在转换器3上的良好分布。因此，在本发明的一种扩展方案中附加地设置为，轨迹30的外边缘的直径DS至少为转换器3的外边界曲线4的直径Dk的0.8倍，优选至少为转换器3的外边界曲线4的直径Dk的0.9倍。
实施例4：
如图8所示的转换器装置1同样是以风叶轮为基础。在此，承载轮2包括两个部分，一个部分为被局部涂黑的反射体基底或反射体载体7，承载轮的第二部分具有风扇叶片和冷却片16。这两个部分都处于良好的热接触中。被局部涂黑的反射体基底7例如是金属反射体基底，其在转换器之外被粗糙化并涂黑，以增加向空气的热传递并提高发射率。冷却空气通过开口18输送到背向转换器的一侧。这基于空间原因在整体系统中是有利的，在这种整体系统中，用于输送光的光学系统被设置在转换器的前面。通过这样的空气输送也抵消了转换器上的灰尘沉积的径向空气排出。不限于特定于图8所示的实施例，因此在本发明的一种有利的扩展方案中，将承载轮2设计为风叶轮，由此使得空气在承载轮通过电机转动时从转换器装置的与转换器3相对置的一侧被轴向吸入。如上所述，这可以通过位于转换器装置1的背向转换器3的侧面上的开口18来进行。
对于本领域技术人员显而易见的是，本发明并不局限于所示出的实施例，而是可以在下述权利要求的框架内以多种方式变化。在此，特别是可以将各个实施方式的特征彼此组合。因此，在图9中示出的光源10可以与在图2，图3，图5和图8中示出的实施例一起实现。所述的各个实施例也可以根据如图2所示的本发明的实施方式具有区段化的转换器。
元件符号列表
1 转换器装置
2 承载轮
3 转换器
4 转换器3的边界曲线
5 承载轮2的中心点
6 板
7 被局部涂黑的反射体基底
10 光源
11 驱动轴
12 电机
13 发光元件
14 激光器
16 冷却片
18 开口
21 轴
22a 圆盘
22b 圆盘
22c 圆盘
29 未被转换器3覆盖的表面
30 轨迹
31,32,33 3的区段
130 初级光
131 光点
132 二次光

Claims (30)

1.一种用于光源的转换器装置(1)，包括：
能轴向旋转的承载轮(2)；
固定在所述承载轮(2)的一侧上并设有发光材料或包括发光材料的转换器(3)，所述转换器(3)将入射光通过荧光转换为其他波长的光并发射，其特征在于，
所述转换器装置(1)的总面积与由所述转换器(3)的外边界曲线(4)所围成的面积的比值至少为3，
其中所述承载轮(2)的至少一部分未被所述转换器覆盖的区域(29)的发射率ε大于0.1，
所述转换器装置(1)包括至少两个彼此轴向间隔开布置的轮，其中一个具有设有发光材料或包括发光材料的转换器(3)并且这些轮通过合适的热桥彼此连接。
2.如权利要求1所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述发射率ε大于0.7。
3.如权利要求1所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述转换器(3)的外边界曲线(4)所围成的面积的比值至少为3.5。
4.如权利要求1所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述转换器(3)的外边界曲线(4)所围成的面积的比值至少为4.5。
5.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述转换器(3)的所述外边界曲线(4)所围成的面积的比值小于50。
6.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述承载轮(2)的材料的热导率至少为50W/mK。
7.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器装置的散热性超过150WK-1m-2*F，其中，F是由所述转换器的外边界曲线所包围的面积，单位为平方米。
8.如权利要求7所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器装置的散热性超过180WK-1m-2*F。
9.如权利要求7所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器装置的散热性大于240WK-1m-2*F。
10.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述承载轮(2)至少一部分未被所述转换器(3)覆盖的区域被涂黑。
11.如权利要求1所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述发射率ε大于0.85。
12.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器(3)包括光电陶瓷或设有发光材料的硅酮。
13.如权利要求12所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器(3)包括光电陶瓷，所述光电陶瓷以区段的形式施加在承载轮(2)上。
14.如权利要求13所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述光电陶瓷粘接或焊接在承载轮(2)上。
15.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述承载轮(2)被设计为风叶轮，并且设有电机(12)，所述电机使所述风叶轮转动，从而使空气在所述承载轮转动时沿轴向被吸入。
16.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，空气在所述承载轮(2)转动时沿轴向从所述转换器装置(1)的与所述转换器(3)相对的一侧被吸入。
17.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述转换器(3)覆盖所述转换器装置(1)的光反射表面。
18.如权利要求1至4中任一项所述的转换器装置(1)，其特征在于，所述承载轮(2)的直径至少是所述转换器(3)的边界曲线的直径的1.5倍。
19.一种光源，具有转换器装置(1)，其中，所述转换器装置(1)包括：
能轴向旋转的承载轮(2)；以及
安装在所述承载轮(2)的一侧上并设有发光材料或包括发光材料的转换器(3)，所述转换器将入射的光通过荧光转换成具有其他波长的光并发射；
所述光源包括：用于照射所述转换器(3)上的光点(131)的发光元件(13)；以及电机，用于在所述发光元件照射期间旋转轴向安装的所述转换器装置(1)，从而使所述发光元件的入射辐射功率在所述转换器装置(1)的一圈后以圆形轨迹(30)分布在所述转换器(3)上，其中，所述转换器装置(1)的总面积与由所述转换器(3)的外边界曲线(4)所围成的面积之比至少为3，
其中所述承载轮(2)的至少一部分未被所述转换器覆盖的区域(29)的发射率ε大于0.1，
所述转换器装置(1)包括至少两个彼此轴向间隔开布置的轮，其中一个具有设有发光材料或包括发光材料的转换器(3)并且这些轮通过合适的热桥彼此连接。
20.如权利要求19所述的光源，其特征在于，所述发射率ε大于0.7。
21.如权利要求19所述的光源，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述转换器(3)的外边界曲线(4)所围成的面积之比至少为3.5。
22.如权利要求19所述的光源，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述转换器(3)的外边界曲线(4)所围成的面积之比至少为4.5。
23.如权利要求19至22中任一项所述的光源，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述圆形轨迹(30)的外边缘所围成的面积之比至少为3.3。
24.如权利要求23所述的光源，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述圆形轨迹(30)的外边缘所围成的面积之比至少为4。
25.如权利要求23所述的光源，其特征在于，所述转换器装置(1)的总面积与由所述圆形轨迹(30)的外边缘所围成的面积之比至少为5。
26.如权利要求19至22中任一项所述的光源，其特征在于，所述光源包括激光器(14)。
27.如权利要求19至22中任一项所述的光源，其特征在于，所述轨迹(30)的外边缘的直径至少为所述转换器(3)的外边界曲线(4)的直径的0.8倍。
28.如权利要求27所述的光源，其特征在于，所述轨迹(30)的外边缘的直径至少为所述转换器(3)的外边界曲线(4)的直径的0.9倍。
29.如权利要求19至22中任一项所述的光源，其特征在于，所述光源是投影仪。
30.如权利要求29所述的光源，其特征在于，所述光源是大功率投影仪。
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