DE102008003915A1 - Headlight for motor vehicle, has rotational parabolic reflector collecting light of LED, where diameter of cooling tube is not larger than diameter of housing of LED, and shading of useful radiation is not larger than by LED - Google Patents

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Abstract

The headlight has an LED (1) assembled on a rod-shaped cooling element (3). Light emission takes place in a direction of a rotational parabolic reflector (2), which collects light of the LED and radiates parallel to an optical axis as a collimated manner. A cooling tube is aligned in a direction of the optical axis. A diameter of the cooling tube is not larger than a diameter of a housing of the LED. The shading of the useful radiation is not larger than by the LED. The cooling element is designed as a plate, which is in good thermal contact to a headlight casing (5).

Description

Problemstellung und Stand der TechnikProblem definition and state of the technique

Lichtemittierende Dioden (LED) stehen seit kurzem mit so hohen Lichtausbeuten zur Verfügung, dass sie anstelle von Glühlampen oder Entladungslampen für Beleuchtungszwecke eingesetzt werden können.Light-emitting diodes (LED) are available recently with such high luminous efficiencies that instead of incandescent or discharge lamps for Lighting purposes can be used.

Die Effizienz beträgt bis zu 100 Lumen/Watt [lm/W]. Eine einzelne Hochleistungs-LED kann rein-weißes Licht mit einem Lichtstrom bis zu 240 lm erzeugen.The Efficiency is up to 100 lumens / watt [lm / W]. A single one High power LED can be pure white light with a luminous flux generate up to 240 lm.

Die technologische Entwicklung auf dem LED-Gebiet geht z. Zt. mit großen Schritten voran, so dass in naher Zukunft noch deutliche Leistungssteigerungen zu erwarten sind. Bei der Raumbeleuchtung, der Effektbeleuchtung von Gebäuden und der Kraftfahrzeug-Technik (Instrumentenbeleuchtung und Rückleuchten) haben LEDs heute schon ihren Platz gefunden. Im Jahr 2008 wird der erste mit Hochleistungs-LEDs betriebene KFZ-Fahrscheinwerfer serienmäßig verfügbar sein.The technological development in the LED field goes z. Zt. With large Steps ahead, so that in the near future still significant performance gains are to be expected. In the room lighting, the effect lighting of buildings and automotive engineering (instrument lighting and Taillights) LEDs have already found their place today. In 2008 will be the first car driving lights powered by high-power LEDs be available as standard.

Das Hauptproblem bei der Entwicklung praxistauglicher LED-Leuchtmittel ist die Beherrschung der Wärmeabfuhr, da LEDs nicht, wie Glühlampen, bei höheren Temperaturen betrieben werden können. Die Effizienz einer LED hängt stark von ihrer Betriebstemperatur ab, weshalb eine Ankopplung an die Umbebungstemperatur mit möglichst geringen Temperaturunterschied angestrebt werden muss. Die Verlustwärme einer LED fällt wegen der geringen Baugröße räumlich konzentriert an. Sie muss unter Verwendung gut wärmeleitender Materialien auf eine größere Oberfläche verteilt werden. Im allgemeinen werden dabei mit Rippen besetzte Kühlkörper oder größere Kühlplatinen eingesetzt. Beim Design eines dem jeweiligen Einsatzfall angepassten optischen Lichtsammelsystems sind diese geometrischen Randbedingungen zu beachten.The Main problem in the development of practical LED bulbs is the mastery of heat dissipation, since LEDs are not, like Incandescent lamps, operated at higher temperatures can be. The efficiency of an LED depends heavily From their operating temperature, which is why a coupling to the ambient temperature sought with the lowest possible temperature difference must become. The heat loss of an LED drops because of the small size spatially concentrated. It must be made using good heat conducting Materials on a larger surface be distributed. In general, it will be occupied by ribs Heatsink or larger cooling boards used. In the design of a customized application optical light collection system are these geometric boundary conditions to be observed.

In der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2006 009 553 U1 wird eine solche Kühlanordnung exemplarisch beschrieben.In the utility model DE 20 2006 009 553 U1 Such a cooling arrangement will be described by way of example.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 051 029 A1 beschreibt einen Fahrscheinwerfer, der mit einem lichtsammelnden Ellipsoidspiegel und einer kollimierenden Plankonkavlinse ausgestattet ist. Der Spiegel ist als Halbspiegel ausgebildet und wird rechtwinklig zur optischen Achse bestrahlt. Der Kühlkörper kann dadurch außerhalb des Strahlenganges angeordnet werden. Der Ausgangsstrahl ist bei dieser Anordnung nicht symmetrisch. Das Leuchtfeld ist oval und bei dem Einsatz als Fahrscheinwerfer in der längeren Achse horizontal ausgerichtet.The publication DE 10 2006 051 029 A1 describes a headlamp equipped with a light-collecting ellipsoidal mirror and a collimating plano-concave lens. The mirror is designed as a half mirror and is irradiated at right angles to the optical axis. The heat sink can thereby be arranged outside the beam path. The output beam is not symmetrical in this arrangement. The light field is oval and horizontally aligned when used as driving lights in the longer axis.

Die Gebrauchsmusterschrift DE 20 2006 008 290 U1 hat ebenfalls einen Scheinwerfer zum Gegenstand. Hier werden mehrere LEDs kreisförmig auf einem Kühlstab innerhalb eines Parabolreflektors angeordnet. Die Abstrahlung erfolgt radial auf den Reflektor und soll dadurch gerichtet aus dem Reflektor austreten. Da die LEDs bei dieser Anordnung zwangsläufig nicht im Fokuspunkt des Parabolspiegels angeordnet werden können, kann der ausgesandte Strahl nicht optimal kollimiert sein. Er eignet sich nicht für einen Fernscheinwerfer.The Utility Model DE 20 2006 008 290 U1 also has a headlight on the subject. Here, multiple LEDs are arranged in a circle on a cooling bar within a parabolic reflector. The radiation takes place radially on the reflector and should be directed out of the reflector. Since the LEDs in this arrangement can not necessarily be arranged in the focal point of the parabolic mirror, the emitted beam can not be optimally collimated. He is not suitable for a high beam.

Eine heute übliche Anordnung zur Konzentration von LED-Licht in einen mehr oder weniger gebündelten Strahl wird in der Gebrauchsmusterschrift DE 203 10 315 U1 beschrieben. Hier wird das aus der LED nach vorne austretende Licht durch einen rotationssymmetrischen, transparenten Körper (vorzugsweise aus Acrylglas) durch Reflexion und Brechungsvorgänge in die axiale Richtung umgelenkt und so konzen triert. Typische Öffnungswinkel der Strahlung liegen so bei 15°–30°. Ein Fernscheinwerfer lässt sich mit dieser Anordnung nicht verwirklichen.A common arrangement today for concentrating LED light in a more or less concentrated beam is in the utility model DE 203 10 315 U1 described. Here, the light emerging from the LED forward by a rotationally symmetric, transparent body (preferably made of acrylic glass) is deflected by reflection and refraction processes in the axial direction and thus trated concentrated. Typical opening angles of the radiation are thus at 15 ° -30 °. A high beam can not be realized with this arrangement.

Bei einem Fernscheinwerfermuss der optische Strahlengang so ausgelegt werden, dass Verzerrungen und Abbildungsfehler weitgehend vermieden werden. Die leuchtende Fläche der LED muss möglichst verzeichnungsfrei auf einen weit entfernten Punkt abgebildet werden.at a high beam headlamp, the optical beam path must be designed be that distortions and aberrations largely avoided become. The luminous surface of the LED must be as possible be imaged without distortion on a distant point.

Diese Forderung wird mit der nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführung eines LED-Fernscheinwerfers erfüllt.These Claim is with the invention described below Execution of a LED remote spotlight fulfilled.

Erfindungsgemäße Ausführunginvention execution

Zur Erzielung einer möglichst rotationssymmetrischen Anordnung wird, wie in 1 dargestellt, die Lichtquelle (LED) [1] auf der Achse eines Rotationsparaboloidspiegels [2] angeordnet. Die Strahlung der LED wird auf den Spiegel ausgerichtet. Sie hat typischerweise einen Gesamtöffnungswinkel von 120°–160°. Nach Reflexion an dem Paraboloid treten die Strahlen weitgehend parallel (kollimiert) aus der Anordnung aus. Der Grad der Kollimation, d. h. der verbleibende Öffnungswinkel hängt ab von der Brennweite des Paraboloids und der Abmessung der leuchtenden, lichtemittierenden Fläche. Dabei ist vorausgesetzt, dass der Durchmesser des Parabolspiegels groß genug ist, um die Strahlung der LED möglichst vollständig aufzufangen. Bei Einsatz eines Spiegels hoher optischer Qualität kann auf diese Weise eine Kollimation mit 1° Öffnungswinkel verwirklicht werden.To achieve a rotationally symmetrical as possible arrangement, as in 1 shown, the light source (LED) [ 1 ] on the axis of a paraboloid of revolution [ 2 ] arranged. The radiation of the LED is aligned with the mirror. It typically has a total opening angle of 120 ° -160 °. After reflection on the paraboloid, the rays emerge largely parallel (collimated) out of the arrangement. The degree of collimation, ie the remaining aperture angle, depends on the focal length of the paraboloid and the size of the luminous, light emitting surface. It is assumed that the diameter of the parabolic mirror is large enough to absorb the radiation of the LED as completely as possible. When using a mirror of high optical quality, a collimation with 1 ° opening angle can be realized in this way.

Die beleuchtete Fläche weist einen scharf abgegrenzten Hell-Dunkel-Übergang auf, was den Scheinwerfer in der erfindungsgemäßen Ausführung insbesondere auch für KFZ-Frontscheinwerfer geeignet macht.The illuminated area has a sharply defined light-dark transition, which is the headlamp in the embodiment of the invention makes especially suitable for vehicle headlights.

Der Nachteil der Anordnung liegt daran, dass auf der optischen Achse durch die LED eine Abschattung gegeben ist, durch die eine Verminderung der Lichtleistung erfolgt. Um diese möglichst gering zu halten, wird die LED auf einen stabförmigen Kühlkörper [3] gesetzt. Dieser wird von einer Glasscheibe [4] gehalten, durch die das Licht ungehindert austreten kann. Die Länge des Kühlstabes wird so gewählt, dass je nach Verlustleistung der LED eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist. Die Komponenten des Scheinwerfers werden in einem Gehäuse [5] untergebracht, das entsprechend den jeweiligen Einsatzbedingungen auch hermetisch dicht ausgeführt werden kann. In dem Gehäuse ist zusätzlich ein Betriebsgerät [6] integriert, das einen Konstantstrom für die LED bereitstellt.The disadvantage of the arrangement is that shading is provided on the optical axis by the LED, through which a reduction of the light output takes place. In order to minimize this, the LED is placed on a rod-shaped heat sink [ 3 ] set. This is made of a glass [ 4 ], through which the light can escape unhindered. The length of the cooling rod is chosen so that depending on the power loss of the LED sufficient heat dissipation is ensured. The components of the headlamp are housed in a housing [ 5 ], which can also be hermetically sealed according to the respective conditions of use. In addition, an operating device [ 6 ], which provides a constant current for the LED.

Falls der Kühlstab kürzer gehalten werden soll, kann er, wie in 2 gezeigt, durch Kühlbleche [7] ergänzt werden. Diese tragen zwar zur Abschattung bei, können aber dünn gehalten werden, um diesen Nachteil zu minimieren.If the cooling rod is to be kept shorter, it can, as in 2 shown by cooling plates [ 7 ] are added. Although these contribute to shading, but can be kept thin to minimize this disadvantage.

In einer weiteren Version kann der Kühlkörper aus nur einem einzigen Kühlblech bestehen, dessen Dicke so gewählt wird, dass eine ausreichende Wärmeabfuhr gegeben ist. Dieses Kühlblech kann zur Verbesserung der Wärmeabfuhr in gutem thermischen Kontakt zu dem Scheinwerfergehäuse [5] stehen. Es wird zu diesem Zweck fest mit dem Gehäuse verbunden und dient auch als Träger für die LED. In diesem Fall könnte auf die Frontscheibe verzichtet werden Um die Abschattung weiter zu vermindern, sollte das Gehäuse der LED möglichst klein gehalten werden. Das Gehäuse sollte nicht viel größer sein als der Leuchtchip der LED. Dessen Größe beträgt typischerweise 1 × 1 [mm]. Da dann auch der Querschnitt des Kühlstabes ähnlich gering sein muss, wird die Wärmeabfuhr auch bei Verwendung von Kupfer evtl. zu gering. Abhilfe kann dann der Einsatz einer Heat-Pipe bringen. Es sind kommerzielle Heat-Pipes verfügbar, die bei einem Durchmesser von 3 mm eine Wärmeleistung von 18 W transportieren können.In a further version of the heat sink can consist of only a single heat sink, the thickness is chosen so that a sufficient heat dissipation is given. This heat sink can be used to improve heat dissipation in good thermal contact with the headlamp housing [ 5 ] stand. It is firmly connected to the housing for this purpose and also serves as a support for the LED. In this case, it would be possible to dispense with the front screen. In order to further reduce the shading, the housing of the LED should be kept as small as possible. The housing should not be much larger than the LED chip. Its size is typically 1 × 1 [mm]. Since then the cross section of the cooling rod must be similarly low, the heat dissipation may be too low even when using copper. Remedy can then bring the use of a heat pipe. There are commercial heat pipes available, which can transport a heat output of 18 W with a diameter of 3 mm.

Mit heute kommerziell verfügbaren Bauteilen (LEDs und Spiegel) kann ein solcher Handscheinwerfer aufgebaut werden, der z. B. einen Lichtstrom von 200 Lumen [lm] bei einem typischen Öffnungswinkel von 1°–2° abgibt. Das bedeutet eine Lichtstärke von mehr als 105 Candela [cd]. Dies mit einem elektrischen Leistungsaufwand von nur 3 W.With today commercially available components (LEDs and mirrors), such a handheld spotlight can be constructed, the z. B. outputs a luminous flux of 200 lumens [lm] at a typical opening angle of 1 ° -2 °. This means a light intensity of more than 10 5 candela [cd]. This with an electrical power consumption of only 3 W.

In naher Zukunft werden Bauelemente mit höherem Leistungsumsatz und damit höherer Lichtleistung verfügbar sein. Bereits heute ist die Lichtleistung einer LED für den Betrieb eines Handscheinwerfers ausreichend.In In the near future, components with higher power conversion will become available and thus be available higher light output. Even today, the light output of an LED is for operation a handheld projector sufficient.

Für Scheinwerfer mit wesentlich höheren Lichtleistungen können einzelne Lichtzellen gebündelt werden. Dies können entsprechend 3 z. B. in Gruppen von 3, 7, oder 19 Zellen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Mit einer Gesamtzahl von 19 Lichtzellen können bereits Lichtströme bis zu 4000 lm erzeugt werden, was bei einer Bündelung mit 2° Gesamtöffnungswinkel einer spezifischen Lichtstärke von 4,2 × 106 cd entspricht. Die Querschnittsfläche dieser Anordnungen beträgt 100–600 cm2, was für einen Einsatz als Handscheinwerfer durchaus noch praktikabel ist.For headlamps with much higher light output, individual light cells can be bundled. This can be done accordingly 3 z. B. in groups of 3, 7, or 19 cells are housed in a common housing. With a total of 19 light cells, light fluxes of up to 4000 lm can be generated, which corresponds to a specific light intensity of 4.2 × 10 6 cd when bundled with a 2 ° total opening angle. The cross-sectional area of these arrangements is 100-600 cm 2 , which is still practicable for use as a handheld spotlight.

Die Gesamtlichtleistung solcher Scheinwerfer lässt sich durch Hinzufügen weiterer Zellen bis zu sehr großen Werten steigern. In einer bevorzugten Anordnungen sollen mit 19-zellige Scheinwerfer zu einem Großscheinwerfer zusammengefügt werden. In 4 ist eine solche Gruppierung beispielhaft dargestellt. Damit wird mit heutigen Mitteln (verfügbaren LED) eine Lichtstärke von bis zu 3 × 109 cd erzeugt. Dies ist durchaus vergleichbar mit Lichtstärken, die mit mittels Hochstrom-Kohlebogenlampen oder Xenonbogenlampen betriebenen Scheinwerfern erzeugt wurden oder werden.The total light output of such headlights can be increased by adding more cells to very large values. In a preferred arrangements are to be joined together with 19-cell headlights to a large headlamp. In 4 is such a grouping exemplified. Thus, with today's means (available LED), a light intensity of up to 3 × 10 9 cd generated. This is quite similar to the levels of light generated by floodlights powered by high current carbon arc or xenon arc lamps.

Ein wichtiger Vorteil ergibt sich bei der o. g. Konstruktionsweise eines Großscheinwerfers durch die Verwendung sehr vieler gleichartiger Bauteile durch die Möglichkeit der Serienproduktion und dadurch bedingter Kostenreduktion der Komponenten.One important advantage arises in the o. g. Construction of a Large headlamps through the use of many more similar Components through the possibility of mass production and consequent cost reduction of the components.

Ein weiterer praktischer Vorteil ergibt sich dadurch, dass Unterbaugruppen jeweils gezielt in ihrer Ausstrahlungsrichtung verstellt werden können. Damit kann die beleuchtete Fläche im Fernfeld definiert den Erfordernissen angepasst werden. Es kann z. B. ein Leuchtkreis, eine Leuchtlinie oder ein Leuchtkreuz realisiert werden.One Another practical advantage arises from the fact that subassemblies each be selectively adjusted in their direction of emission can. This allows the illuminated area in the far field be adapted to the requirements. It can, for. B. a Illuminated circle, a luminous line or a light cross can be realized.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 102006051029 A1 [0006] DE 102006051029 A1 [0006]
  • - DE 202006008290 U1 [0007] - DE 202006008290 U1 [0007]
  • - DE 20310315 U1 [0008] - DE 20310315 U1 [0008]

Claims (7)

Scheinwerfer mit einer LED-Lichtquelle und Parabolspiegel, dadurch gekennzeichnet, dass die LED auf einem stabförmigen Kühlkörper montiert ist und die Lichtemission in Richtung auf den Spiegel erfolgt, der das Licht der LED sammelt und parallel zur optischen Achse kollimiert ausstrahlt, sowie dass der Kühlstab in Richtung der optischen Achse ausgerichtet ist und dass der Durchmesser des Kühlstabes nicht größer ist, als das Gehäuse der LED, wodurch die Abschattung der Nutzstrahlung nicht größer ist, als durch die LED ohnehin gegeben.Headlamp with an LED light source and parabolic mirror, characterized in that the LED is mounted on a rod-shaped heat sink and the light emission takes place in the direction of the mirror, which collects the light of the LED and radiates collimated parallel to the optical axis, and that the cooling rod in Direction of the optical axis is aligned and that the diameter of the cooling rod is not greater than the housing of the LED, whereby the shading of the useful radiation is not greater than given by the LED anyway. Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlstab eine für die Wärmeabfuhr ausreichende Länge aufweist oder dass er mit zusätzlichen Mitteln zur Wärmeabfuhr (dünnen, radialen Kühlblechen) ausgerüstet ist.Headlamp according to claim 1, characterized that the cooling rod one for the heat dissipation has sufficient length or that he has additional Heat removal means (thin, radial cooling plates) equipped. Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet ist und dass der Kühlkörper als Platte ausgebildet ist, die in gutem thermischem Kontakt zu dem Scheinwerfergehäuse stehtHeadlamp according to claim 1, characterized that the heat sink perpendicular to the optical axis is aligned and that the heat sink as a plate is formed, which in good thermal contact with the headlight housing stands Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine LED mit einem Gehäuse verwendet wird, dessen Abmessungen nur unwesentlich größer sind als der Leuchtchip (vorzugsweise ≤ 3 mm) und dass zur Gewährleistung einer ausreichenden Kühlung vorzugsweise eine Heat-Pipe als Kühlstab eingesetzt wird.Headlamp according to claim 1, characterized that an LED is used with a housing whose Dimensions are only slightly larger than the Luminescent chip (preferably ≤ 3 mm) and that to ensure a sufficient cooling, preferably a heat pipe as Cooling bar is used. Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Scheinwerferzellen in einem gemeinsamen Gehäuse gebündelt werden, um die Lichtleistung der Gesamtanordnung zu erhöhen.Headlamp according to claim 1, characterized that several headlight cells in a common housing be bundled to the light output of the overall arrangement to increase. Scheinwerfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sehr viele solcher Zellenanordnungen in einer Großstruktur zusammengefasst werden, um auf diese Weise Großscheinwerfer zu realisieren.Headlamp according to claim 5, characterized that very many such cell arrays are in a large structure be summed up in this way, big lights to realize. Scheinwerfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Unterbaugruppen (Zellenanordnungen) gezielt in der Ausstrahlungsrichtung so gesteuert werden, dass Beleuchtungsfelder mit definierter Form (z. B. Kreis, Linie oder Kreuz) darstellbar sind.Headlight according to claim 6, characterized that individual subassemblies (cell arrangements) targeted in the Direction of radiation can be controlled so that lighting fields with defined form (eg, circle, line or cross) can be displayed.
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