DE102005017751A1

DE102005017751A1 - LED-Scheinwerfer

Info

Publication number: DE102005017751A1
Application number: DE102005017751A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Lura; Bernd Dr. Biering; Hans Gerstung
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: DE102005017751B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen LED-Scheinwerfer (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend eine Trägerplatine (4), auf der eine Vielzahl von LEDs (5) angeordnet sind, ein Scheinwerfergehäuse (2), in dem die Trägerplatine (4) angeordnet ist, sowie eine Frontscheibe (3), die mit dem Scheinwerfergehäuse (2) verbunden ist, wobei dem System Trägerplatine (4)/LEDs (5) ein Kühleinrichtung zugeordnet ist, wobei sich mindestens zwischen Trägerplatine (4)/LEDs (5) und der Frontscheibe (3) eine Flüssigkeit (10) befindet, wobei die Flüssigkeit (10) inert und optisch im abgestrahlten Spektrum transparent ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen LED-Scheinwerfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 102 27 720 A1 ist ein LED-Scheinwerfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bekannt, bei dem eine LED-Trägerplatine mit einem Kühlkörper verbunden ist, wobei der Kühlkörper direkt oder indirekt durch gezielte Zuleitung von Luft gekühlt wird. Der Grund hierfür ist, dass beim Einsatz von LED-Arrays ca. 80 % der elektrischen Leistung der LED's in Wärme umgewandelt wird. Die unerwünschte Erwärmung der LED's führt bei ca. 100°C zu ihrer Zerstörung. Die Verlustwärme kann im Wesentlichen nur über Wärmeleitung abgeführt werden (weil der Infrarotanteil im Spektrum vernachlässigbar ist). Deshalb haben sich alle bisher vorgeschlagenen Methoden zur Kühlung bzw. zur Wärmeableitung als nicht ausreichend bzw. technisch bzw. energetisch als zu aufwendig erwiesen.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die Kühlung eines LED-Scheinwerfer so zu realisieren, dass die Verlustleistung der LED's einerseits effizient abgeführt und andererseits zur Beheizung der Frontscheibe des LED-Scheinwerfers genutzt werden kann.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu befindet sich mindestens zwischen Trägerplatine/LED und der Frontscheibe eine Flüssigkeit. Insbesondere ist dies bei Anwendung von SMD-LED's vorteilhaft. Die Flüssigkeit ist inert und optisch im abgestrahlten Spektrum der LED's transparent. Unter inert wird dabei verstanden, dass die Flüssigkeit chemisch nicht mit Materialien innerhalb des Scheinwerfers reagiert. Die Flüssigkeit weist weiter vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, um möglichst viel Wärme von der Trägerplatine abzuleiten. Durch Wärmeleitung und Konvektion der Flüssigkeit wird die aufgenommene Verlustwärme zur Oberfläche (Gehäusewände) der Scheinwerfereinheit, insbesondere an seine fahrtwindgekühlte Frontscheibe, transportiert und von dort an die Umgebung abgegeben. Diese Form der Wärmeabgabe über die Frontscheibe hat neben der Kühlung einen weiteren wichtigen Vorteil. Üblicherweise ist das von LED's emittierte Licht so genanntes Kaltlicht, weil es keine nennenswerten infraroten Bestandteile enthält. Dadurch entfällt die Erwärmung der Scheinwerferfrontscheibe durch Absorption der infraroten Lichtanteile.

Hierdurch entsteht das bisher unbekannte technische Problem, dass etwa bei Schneefall und Vereisung die Scheinwerferfrontscheibe nicht mehr abtaut. Dieses Problem wird durch die erwärmte Flüssigkeit gelöst bzw. besser gelöst als durch Luftkühlung bei herkömmlichen LED-Scheinwerfern.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerplatine und jede einzelne LED vollständig von der Flüssigkeit umspült, wobei die Flüssigkeit elektrisch nicht leitend ist, um Kurzschlüsse zu verhindern. Ansonsten ist durch geeignete Passivierungsmaßnahmen an der Trägerplatine sicherzustellen, dass durch die Flüssigkeit keine Kurzschlüsse auftreten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Scheinwerfergehäuse mit einem Einfüllstutzen mit Dehnungsausgleicher verbunden.

Über den Einfüllstutzen kann dann das Scheinwerfergehäuse mit Flüssigkeit befüllt werden, wobei über den Dehnungsausgleich sichergestellt ist, dass die Volumenzunahme der Flüssigkeit bei Erwärmung nicht zu einer Zerstörung des abgedichteten Gehäuses führt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerplatine gewölbt ausgebildet, vorzugsweise parabolartig gewölbt. Durch die Wölbung können die optischen Abbildungsverhältnisse und der Öffnungswinkel des resultierenden Lichtkegels beeinflusst und somit geeignet eingestellt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Frontscheibe gewölbt ausgebildet. Durch geeignete Wölbung der Scheinwerferfrontscheibe kann die Geometrie des Scheinwerferstrahls beeinflusst werden, weil die den Scheinwerfer verlassenden Lichtstrahlen an der Grenzfläche zwischen optisch dichtem Medium (Kühlflüssigkeit) und optisch dünnem Medium (Luft) gebrochen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Siedepunkt der Flüssigkeit so gewählt, dass es zu keiner Gasbildung im Scheinwerfer kommt, die zum einen das optische Verhalten beeinflussen würde und zum anderen im Extremfall zur Zerstörung des Scheinwerfers führen könnte.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Stockpunkt der Flüssigkeit kleiner als die zu erwartende minimale Umgebungstemperatur, wodurch ein Gefrieren der Flüssigkeit verhindert wird, was wiederum das optische Verhalten stören würde.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Flüssigkeit als Fluorinert (z.B. FC 77 der Fa. 3M) ausgebildet. Fluorinert weist alle gewünschten Eigenschaften auf, ist nämlich chemisch inert, elektrisch nicht leitend und hat eine gute Wärmeleitfähigkeit.

Zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr können beispielsweise an der Trägerplatine weitere Kühlkörper angeordnet sein, die beispielsweise aus Metall sind. Alternativ oder ergänzend kann das Scheinwerfergehäuse außen oder innen und außen Verrippungen aufweisen, um durch eine Vergrößerung der Oberflächen den Wärmeübergang zu verbessern.

Ein Haupteinsatzgebiet für den erfindungsgemäßen LED-Scheinwerfer ist eine Verwendung als langlebiger, energiesparender, lichtstarker Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge. Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einsatz als Studio- oder Theaterscheinwerfer.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Aufbau eines LED-Scheinwerfers.
Der LED-Scheinwerfer 1 umfasst ein Scheinwerfergehäuse 2, eine Frontscheibe 3 sowie eine Trägerplatine 4, auf der eine Vielzahl von LED's 5 angeordnet sind. An der Rückseite des Scheinwerfergehäuses 2 ist eine flüssigkeitsdichte elektrische Kabeldurchführung 6 für elektrische Kabel 7 angeordnet. Weiter ist an der Rückseite des Scheinwerfergehäuses 2 ein Einfüllstutzen 8 mit einem Dehnungsausgleicher 9 angeordnet. Innerhalb des Scheinwerfergehäuses 2 ist eine Flüssigkeit 10, die blasenfrei über den Einfüllstutzen 8 in das Scheinwerfergehäuse 2 eingeleitet wird. Die Flüssigkeit 10 umspült dabei die Trägerplatine 4 und jede einzelne LED 5 vollständig. Über das oder die elektrischen Kabel werden die LED's sowie eine gegebenenfalls auf der Trägerplatine 4 angeordnete Ansteuerlogik mit elektrischer Energie sowie Steuersignalen versorgt. So können beispielsweise die LED's 5 auf der Trägerplatine 4 unterschiedlich angesteuert werden, so dass sich unterschiedliche Lichtverteilungen einstellen. Während des Betriebes der LED's erzeugte Wärme wird durch direkten thermischen Kontakt zur Flüssigkeit 10 an diese abgegeben. Durch Wärmeleitung und Konvektion innerhalb der Flüssigkeit 10 wird diese Wärme zu den Scheinwerfergehäusewänden sowie zur Frontscheibe 3 transportiert und durch den Fahrtwind abgeführt. Dabei stellt sich relativ schnell ein quasistationärer Zustand ein, der unter den kritischen Temperaturen der LED's 5 liegt. Die Erwärmung der Flüssigkeit führt zu einer Volumenzunahme. Zum Ausgleich dient der Dehnungsausgleicher 9.
Zur verbesserten Wärmeableitung an die Flüssigkeit 10 kann weiter die Trägerplatine 4 mit Kühlkörpern, beispielsweise gerippten Metall-Körpern, ausgebildet sein. Zur besseren Abführung der Wärme aus der Flüssigkeit können alternativ oder ergänzend die Wände des Scheinwerfergehäuses und/oder der Frontscheibe innen oder außen und innen mit oberflächenvergrößernden Strukturen wie beispielsweise Rippen oder Halbkugeln ausgebildet sein, die für die Frontscheibe gleichermaßen für die Verbesserung der optischen Performance genutzt werden können.

Claims

LED-Scheinwerfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend eine Trägerplatine, auf der eine Vielzahl von LED's angeordnet sind, ein Scheinwerfergehäuse, in dem die Trägerplatine angeordnet ist, sowie eine Frontscheibe, die mit dem Scheinwerfergehäuse verbunden ist, wobei dem System Trägerplatine/LED's eine Kühleinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens zwischen Trägerplatine (4)/LED's (5) und der Frontscheibe (3) eine Flüssigkeit (10) befindet, wobei die Flüssigkeit (10) inert und optisch im abgestrahlten Spektrum transparent ist.
LED-Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatine (4) und jede einzelne LED (5) von der Flüssigkeit (10) vollständig umspült ist, wobei die Flüssigkeit (10) elektrisch nicht leitend ist.
LED-Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheinwerfergehäuse (2) mit einem Einfüllstutzen (8) mit Dehnungsausgleicher (9) verbunden ist.
LED-Scheinwerfer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatine (4) gewölbt ist.
LED-Scheinwerfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatine (4) elliptisch oder parabolartig gewölbt ist.
LED-Scheinwerfer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontscheibe (3) gewölbt ist.
LED-Scheinwerfer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedepunkt der Flüssigkeit (10) größer als die zu erwartende max. Betriebstemperatur ist.
LED-Scheinwerfer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stockpunkt der Flüssigkeit (10) niedriger als die minimal mögliche Umgebungstemperatur ist.
LED-Scheinwerfer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (10) Fluorinert ist.