DE102005005753A1

DE102005005753A1 - Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Leuchtdiode und Fahrzeugscheinwerfer

Info

Publication number: DE102005005753A1
Application number: DE102005005753A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Behr; Peter Helbig; Thomas Dr. Reiners; Ralf Dr. Vollmer
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Leuchtdiode und einem Kühlkörper (1) zur Kühlung der mindestens einen Leuchtdiode, wobei der Kühlkörper (1) entweder mit Anschlüssen (13, 14) für einen Kühlmittelfluss durch den Kühlkörper (1) versehen ist oder die Beleuchtungseinrichtung zur Kühlung der mindestens einen Leuchtdiode mindestens ein Peltier-Element oder mindestens ein Heat-Pipe-Element umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise in der EP-A 1 298 382 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Leuchtdioden, die auf einem Kühlkörper angeordnet sind, und einer Optik sowie einem elektrischen Modul zum Betreiben der Leuchtdioden. Diese Beleuchtungseinrichtung ist zum Einsatz in einem Fahrzeug und als Ersatz für eine herkömmliche Glühlampe vorgesehen.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einer verbesserten Kühlung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weist mindestens eine Leuchtdiode und einen Kühlkörper für die mindestens eine Leuchtdiode auf, wobei der Kühlkörper mit Anschlüssen für einen Kühlmittelfluss durch den Kühlkörper versehen ist. Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die Beleuchtungseinrichtung mindestens ein Peltier-Element zur Kühlung der mindestens einen Leuchtdiode auf und gemäß einer alternativen dritten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beleuchtungseinrichtung mindestens ein Heat-Pipe-Element zur Kühlung der mindestens einen Leuchtdiode. Dadurch wird eine bessere Kühlung als mittels einer Metallplatte, wie im Stand der Technik offenbart, erreicht. Insbesondere Beleuchtungseinrichtungen, die zur Verwendung in Fahrzeugscheinwerfern vorgesehen sind, müssen mit Leuchtdioden besonders hoher Leistung und Lichtstärke bestückt sein, um den Anforderungen für die unterschiedlichen Beleuchtungsfunktionen, wie zum Beispiel Abblendlicht, Fernlicht, Tagfahrlicht etc., zu genügen. Während des Betriebs dieser Leuchtdioden entsteht dem entsprechend viel Wärme, die abgeführt werden muss, um eine Zerstörung der Leuchtdioden durch Überhitzung zu vermeiden. Die Kühlung der Leuchtdioden erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe eines Kühlmittelflusses durch den Kühlkörper oder mittels mindestens eines Peltier-Elementes oder mittels mindestens eines Heat-Pipe-Elementes. Dadurch kann auf großvolumige, massive Kühlkörper, die gegebenenfalls mit Kühlrippen versehen sind, verzichtet werden. Außerdem besitzt die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung dadurch geringe Abmessungen, so dass mehrere der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen in einem Fahrzeugscheinwerfer angeordnet werden können, um durch Einschalten der Beleuchtungseinrichtungen in unterschiedlichen Kombinationen die Lichtverteilung der gewünschten Beleuchtungsfunktion, beispielsweise die für das Abblendlicht, Fernlicht oder Tagfahrlicht, zu erzeugen.

Als Kühlmittel eignen sich sowohl gasförmige als auch flüssige Kühlmittel. Bevorzugt werden allerdings Kühlmittel, die im Fahrzeug schon zur Kühlung anderer Systeme vorhanden sind. Zur Kühlung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung kann beispielsweise ein Kühlwasserkreislauf, ähnlich wie bei der Motorkühlung, oder ein Kühlmittelkreislauf, ähnlich wie bei der Klimaanlage, vorgesehen sein. Im Inneren des Kühlkörpers kann ferner eine mäanderförmige Kühlmittelführung vorgesehen sein, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten. Bei der alternativen zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Leuchtdiode thermisch an die während des Betriebs kalte Oberfläche des mindestens einen Peltier-Elementes gekoppelt. Die thermische Kopplung kann beispielsweise mittels einer Aluminiumplatte realisiert werden, auf der die mindestens eine Leuchtdiode angeordnet ist und die auf dem Peltier-Element, im Kontakt mit dessen gekühlter Oberfläche, montiert ist.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 Schematische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
2 Schematische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
3 Schematische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
In der 1 ist die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Diese Beleuchtungseinrichtung besitzt einen im wesentlichen quaderförmigen Kühlkörper 1 mit einer Montagefläche 10, auf der eine mit fünf Leuchtdiodenchips und mit einer die Leuchtdiodenchips umgebenden Vergusswanne 3 bestückte Trägerplatte 2 angeordnet ist. Die Trägerplatte 2 ist als Metallkernplatine ausgebildet, die mit einer elektrischen Isolierung aus Keramik und darauf angeordneten Leiterbahnen zur Stromversorgung der Leuchtdiodenchips versehen ist. Die Trägerplatte 2 ist mittels mindestens einer Bohrung und eines passgerecht darauf abgestimmten Stiftes auf der Montagefläche 10 des metallischen Kühlkörpers 1 montiert. Die von der Vergusswanne 3 umgebenen fünf Leuchtdiodenchips bilden zusammen mit der in der Vergusswanne angeordneten, Leuchtstoffe enthaltenden Vergussmasse insgesamt fünf Leuchtdioden, die während des Betriebs weißes Licht emittieren. Auf der Montagefläche 10 des Kühlkörpers 1 sind, vom Kühlkörper 1 durch eine elektrisch isolierende Sperrschicht getrennt, elektrische Kontakte 11 und Leiterbahnen 12 aufgebracht, die zur Stromversorgung der Leuchtdioden bzw. der gegebenenfalls auf den Leiterbahnen 12 aufgebrachten elektrischen Bauteile dienen. Die Beleuchtungseinrichtung weist außerdem ein optisches Element 4, eine so genannte Primäroptik, auf, die mittels mindestens einer Bohrung und eines an das optische Element 4 angeformten, auf die Bohrung im Kühlkörper 1 passgerecht abgestimmten Stiftes 41 auf der Montagefläche 10 des Kühlkörpers 1 fixiert ist. Bei dem optischen Element 4 handelt es sich um einen optischen Koncentrator, beispielsweise einen zusammengesetzten parabolischen optischen Konzentrator (Compound Parabolic Concentrator, CPC), der zur Verringerung der Divergenz des von den Leuchtdioden emittierten Lichts dient. Das optische Element 4 ist über der Vergusswanne 3 und den Leuchtdiodenchips angeordnet und beispielsweise mittels Kanadabalsam optisch an die Leuchtdioden gekoppelt. Das Licht tritt aus der Stirnfläche 42 des optischen Elementes 4 aus. Mittels der vorgenannten Bohrungen und Passstifte sind das optische Element 4 und die Trägerplatte 2 auf dem Kühlkörper 1 zueinander justiert. Zur Höhenjustierung des optischen Elements 4 über den Leuchtdioden dient ein Anschlagszapfen 43, der als Bestandteil des optischen Elements 4 ausgebildet ist und auf der Trägerplatte 2 aufsitzt. Der Kühlkörper 1 ist mit zwei Anschlüssen 13, 14 zum Durchleiten eines flüssigen Kühlmittels, beispielsweise Wasser, durch das Innere des hohlen Kühlkörpers 1 ausgestattet.
Anstelle der Kühlung mittels eines Kühlmittelflusses durch den Kühlkörper 1 kann auch, gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2, ein Peltier-Element 5 vorgesehen sein, das als Bestandteil des Trägerkörpers 17 für die Leuchtdioden und ihre Optik 4 ausgebildet ist oder thermisch an den Trägerkörper 17 und an die Leuchtdioden bzw. an die Trägerplatte 2 für die Leuchtdioden gekoppelt ist. In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung dargestellt, die anstelle des Kühlmittelflusses eine Kühlung mittels eines Peltierelementes 5 besitzt. Der Trägerkörper 17 tritt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel an die Stelle des Kühlkörpers 1 bei dem ersten Ausführungsbeispiel. In allen anderen Details stimmt dieses Ausführungsbeispiel mit dem ersten überein. Daher wurden in den 1 und 2 für identische Teile dieselben Bezugszeichen verwendet. Das Peltier-Element 5 arbeitet als Wärmepumpe und transportiert daher Wärme, so dass es während des Betriebs, durch Zufuhr von elektrischer Energie, eine kalte und eine warme Seite ausbildet. Die Trägerplatte 2 für die Leuchtdiodenchips befindet sich beispielsweise direkt im Kontakt mit der kalten Seite des Peltier-Elementes 5, während die warme Seite des Peltier-Elementes 5 beispielsweise an einen metallischen Kühlkörper gekoppelt ist, um die Wärme über Kühlrippen 15 abzuführen. Um die Kühlwirkung bzw. thermische Kopplung zu verbessern, kann zwischen der Trägerplatte 2 für die Leuchtdiodenchips und der kalten Seite des Peltier-Elementes zusätzlich eine Metallplatte angeordnet sein. Für diese Art der Kühlung können handelsübliche Peltier-Elemente 5 verwendet werden. Die Energieversorgung des mindestens einen Peltier-Elementes 5 funktioniert mittels der Anschlüsse 16 über die Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs. Der Trägerkörper 17 kann Aussparungen für die elektrischen Komponenten einer Treiberschaltung zum Betreiben der Leuchtdioden besitzen, so dass die Treiberschaltung ebenfalls durch das mindestens eine Peltier-Element 5 gekühlt wird.. Die Oberseite 10 des Trägerkörpers 17 besitzt denselben Aufbau wie die Oberseite des Kühlkörpers 1 des ersten Ausführungsbeispiels.
Als weitere Alternative kann die Kühlung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung auch mittels mindestens eines handelsüblichen Heat-Pipe-Elementes 6 durchgeführt werden, das beispielsweise als Bestandsteil eines Kühlkörpers oder Trägerkörpers für die Leuchtdioden ausgebildet ist. In der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung dargestellt, die anstelle des Kühlmittelflusses eine Kühlung mittels eines Heat-Pipe-Elementes 6 besitzt. In allen anderen Details stimmt dieses Ausführungsbeispiel mit dem ersten überein. Daher wurden in den 1 und 3 für identische Teile dieselben Bezugszeichen verwendet. Ein Heat-Pipe-Element 6 besitzt geschlossene Rohre, die evakuiert, mit einer Kapillarstruktur versehen und mit einem Zwei-Phasen-Fluid, beispielsweise mit Wasser und Wasserdampf, befüllt sind. An der Wärmequelle, das heißt, an den Leuchtdiodenchips bzw. an deren Trägerplatte 2, wird die zugeführte Energie zum Verdampfen von Flüssigkeit verwendet. Dampf strömt entlang der Heat-Pipe 6a, 6b und kondensiert am Ende an seinen kalten Flächen 18. Die kondensierte Flüssigkeit fließt unter Schwerkraft- und Kapillarkraft-Einfluß zurück zur Wärmequelle. Beim Verdampfen und Kondensieren wird das Energieniveau der Flüssigkeitsmoleküle um die Verdampfungsenthalpie erhöht bzw. erniedrigt. Dabei entsteht kein Temperaturabfall, da Flüssig- und Dampfphase im Zwei-Phasengebiet bei der Sättigungstemperatur nebeneinander vorliegen. Die Sättigungstemperatur ist wiederum eine Funktion des Druckes. Da der Druck und die Temperatur nur geringfügig entlang der Heat-Pipe 6a, 6b variieren, lassen sich Heat-Pipe-Elemente, die eine oder mehrere Heat-Pipes 6a, 6b umfassen, für eine effiziente Kühlung einsetzen.
Ein Ende der beiden Heat-Pipes 6a, 6b ist jeweils thermisch an die Trägerplatte 2 der Leuchtdioden bzw. an den Trägerkörper 1' für die Leuchtdioden und die Optik 4 gekoppelt. Die Oberseite 10 des Trägerkörpers 1' stimmt mit der des Kühlkörpers 1 des ersten Ausführungsbeispiels über. Der Trägerkörper 1' besteht aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit. Das andere Ende der beiden Heat-Pipes 6a, 6b ist jeweils thermisch an die metallischen Kühlrippen 18 gekoppelt, die mittels eines hinter den Kühlrippen 18 angeordneten Ventilators 19 (in 3 ist nur das Ventilatorgehäuse sichtbar) gekühlt werden. In einer Aussparung oder einem Innenraum des Trägerkörpers 1' kann, beispielsweise auf einer Montageplatine, eine Treiberschaltung zum Betreiben der Leuchtdioden angeordnet sein. Die auf der Montageplatine angeordnete Treiberschaltung kann ebenfalls thermisch an das Heat-Pipe-Element 6 gekoppelt sein, um die von der Treiberschaltung generierte Wärme zu den Kühlrippen 18 zu leiten.

Claims

Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Leuchtdiode und einem Kühlkörper (1) zur Kühlung der mindestens einen Leuchtdiode, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mit Anschlüssen (13, 14) für einen Kühlmittelfluss durch den Kühlkörper (1) versehen ist.
Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Leuchtdiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens ein Peltier-Element (5) zur Kühlung der mindestens einen Leuchtdiode umfasst.
Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Leuchtdiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens ein Heat-Pipe-Element (6) zur Kühlung der mindestens einen Leuchtdiode umfasst.
Fahrzeugscheinwerfer mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3.
Fahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (13, 14) für den Kühlmittelfluss der mindestens einen Beleuchtungseinrichtung an einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen sind.