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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines elektronischen Steuergeräts zur Steuerung und/oder Regelung einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Ein solches Steuergerät und ein solches GDE 101 28 398 A1 bekannt.
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In Kraftfahrzeugen werden in zunehmendem Maße Steuergeräte bspw. zur Motorsteuerung, Getriebesteuerung oder zur Steuerung von Funktionen einer Beleuchtungseinrichtung eingesetzt. Die Steuergeräte umfassen ein in aller Regel geschlossenes Gehäuse aus Metall. Im Falle von Steuergeräten für Beleuchtungseinrichtungen werden sie vorzugsweise außen an einem Gehäuse der Beleuchtungseinrichtung befestigt. Im Inneren des Steuergerätegehäuses sind zur Realisierung der verschiedenen Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen passive und aktive elektrische Bauelemente vorgesehen. Diese erzeugen während des Betriebs Verlustleistungswärme, die aus dem Steuergerätegehäuse nach außen abgeführt werden muss, um eine Überhitzung der Bauelemente zu verhindern. Zu hohe Temperaturen im Inneren des Steuergeräts könnten nämlich die Funktionsfähigkeit der Bauelemente beeinträchtigen und deren Lebensdauer verringern. Die Problematik der Abwärme im Steuergerätegehäuse wird umso größer, je kompakter das Steuergerät ausgebildet ist, je mehr Funktionen durch das Steuergerät gesteuert bzw. geregelt werden müssen und vor allem je mehr elektrische Leistung von dem Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung der Beleuchtungseinrichtung gefordert wird. Die Einführung von Leuchtdioden als Lichtquellen in Scheinwerfern und Leuchten hat in der Vergangenheit aufgrund der relativ hohen Zahl an Leuchtdioden je Scheinwerfer bzw. Leuchte und aufgrund der relativ hohen Leistungsaufnahme der Leuchtdioden dazu geführt, dass in den Steuergeräten zur Ansteuerung der Leuchtdioden eine relativ große Abwärme erzeugt wird, die nach außen abgeführt werden muss. Dies gilt selbstverständlich auch für andere Arten von Steuergeräten, bspw. für Steuergerät für Gasentladungslampen.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Ableitung von Wärme aus Steuergeräten bekannt. Aus der
DE 88 12 632 U1 ist bspw. ein Motorsteuergerät bekannt, das mit einer Kühlplatte auf einem Kühlkörper befestigt ist, der von einem Kühlkanal durchzogen ist. Der Kühlkanal wird zur Wärmeableitung mit kühlendem Kraftstoff durchströmt. Diese Vorrichtung kann sinnvollerweise nur in der Nähe einer Kraftstoffleitung, also in Motornähe, betrieben werden und ist sehr aufwendig in der Herstellung, in der Montage und im Betrieb.
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Aus der
DE 102 33 836 A1 ist ein Steuergerät bekannt, das in einem heißen Medium (Getriebeöl) betrieben wird. Das Steuergerät steht wärmeleitend mit einem Peltierelement in Wirkverbindung. Dieses funktioniert derart, dass man einen Strom durch zwei aneinanderliegende Kontaktstellen zweier Halbleiter leitet. Dadurch wird auf einer Seite Wärmeenergie aufgenommen (Kühlung) und auf der anderen Seite wieder abgegeben (Erwärmung). Folglich kommt es bei Stromdurchfluss zu einer Temperaturdifferenz, die zur Kühlung des Steuergeräts genutzt werden kann. Das Peltierelement senkt die Temperatur der elektronischen Bauelemente im Steuergerät. Durch den relativ schlechten Wirkungsgrad eines Peltierelements und der damit verbundenen vergleichsweise geringen Kühlleistung ist eine Anwendung in Steuergeräten für Beleuchtungseinrichtungen von Fahrzeugen allerdings nur begrenzt möglich bzw. sinnvoll. Außerdem ist die Kühlung mittels Peltierelementen aufwendig und teuer.
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Aus der
DE 103 16 449 A1 ist ein Steuergerät bekannt, das zur Wärmeabführung einen flüssigkeitsdurchströmten, kanalförmigen Kühlkörper aufweist. Die Kanalabschnitte des Kühlkörpers werden dabei zur effektiven Wärmeableitung an denjenigen Bauteilen vorbeigeführt, die besonders viel Wärme erzeugen. Die bekannte Vorrichtung ist zwar effektiv, aber - ähnlich wie die aus der
DE 88 12 632 U1 bekannte Kühlvorrichtung - in Herstellung, Montage, im Aufbau und in der Anwendung sehr aufwendig und damit teuer.
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Die
DE 195 39 570 B4 offenbart ein Steuergerät, bei dem Kühlelemente integraler Bestandteil des Gehäuses sind. Die Kühlelemente sind in Form von Kühlrippen ausgestaltet, die seitlich und an der Oberseite des Steuergerätegehäuses angeordnet sind. Diese Kühlvorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass sie lediglich in kühler Umgebung effektiv angewandt werden kann. Zudem beruht die Kühlung ausschließlich auf Konvektion, so dass die Kühlung nur relativ träge anspricht und die Effektivität der Kühlung nur beschränkt und nicht dazu geeignet ist, größere Wärmemengen aus dem Steuergerätegehäuse nach außen abzutransportieren.
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Die Druckschrift
JP 2002 124 123 A zeigt eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse und einem Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung der Beleuchtungseinrichtung. Die Beleuchtungseinrichtung weist ein Gebläse zur Realisierung einer erzwungenen Luftströmung entlang der Außenseite eines Steuergerätegehäuses auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Möglichkeit für eine einerseits besonders effektive aber andererseits einfach und robust aufgebaute Kühlung eines Steuergeräts für Beleuchtungseinrichtungen eines Kraftfahrzeugs zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit der Summe der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, dass eine Wärmeableitung am Steuergerät durch natürliche Konvektion von Luft (passive Kühlung) dadurch gesteigert wird, dass bspw. eine Luftströmung gezielt und mit höherer Geschwindigkeit als bei der Konvektion geführt wird (aktive Kühlung) und andere Mittel bereitgestellt werden, die Wärme vom Steuergerät gezielt und effektiv ableiten können. Diese anderen Mittel sind bspw. eine oder mehrere Wärmerohre (sog. Heat Pipes), welche ohne einen Lüfter, aber trotzdem effektiv die Wärme vom Steuergerät weg in die Beleuchtungseinrichtung ableiten können. Da zum ordnungsgemäßen Arbeiten der Kühlvorrichtung keine Eingriffe bzw. Änderungen in dem Steuergerät selbst vorgenommen werden müssen, ist es möglich, herkömmliche standardisierte Steuergeräte einzusetzen bzw. bestehende Steuergeräte entsprechend nachzurüsten. Dies macht die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung besonders kostengünstig.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zum Gegenstand. So wird bspw. vorgeschlagen, dass die Kühlvorrichtung ein Wärmerohr zur gezielten Wärmeableitung vom Steuergerät in den Innenraum der Beleuchtungseinrichtung aufweist. Ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines im Inneren des Wärmerohrs eingeschlossenen Arbeitsmediums eine hohe Wärmestromdichte erzielt und so eine besonders effiziente Wärmeableitung ermöglicht. Ein Wärmerohr besteht grundsätzlich aus einem hermetisch gekapselten Raum, meist in Form eines Rohres. Das Rohr hat je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle (das Steuergerät) und Wärmesenke (den Innenraum der Beleuchtungseinrichtung). Der Raum ist mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, gefüllt, das den Raum zu einem kleinen Teil in flüssigem Zustand, das verbleibenden Volumen in gasförmigem Zustand ausfüllt. Bei einem Wärmeeintrag beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen und entzieht diesem Teil des Rohres Wärme (Siedekühlung), ein Teil der flüssigen Phase geht in die gasförmige Phase (Dampf) über und erhöht deren Stoffmenge, was bei annähernd gleichbleibenden Volumen des Hohlraumes den Druck erhöht. Dies setzt den Siedepunkt herauf, was wiederum eine Kondensation im kühleren Bereich an der Wärmesenke mit Abgabe von Verdampfungswärme zur Folge hat. Die Druckdifferenz zwischen Verdampfer- und Kondensatorzone führt zu einer Strömung der gasförmigen Phase des Arbeitsmediums von warmer zu kühler Zone, wodurch Wärme durch das Wärmerohr transportiert wird. Das flüssig gewordene Medium kehrt zum Bereich höherer Temperatur (Verdampfer) zurück und der Kreislauf ist geschlossen.
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Durch das Wärmerohr wird die Wärme des Steuergeräts an einen geeigneten, kühlen Bereich innerhalb der Beleuchtungseinrichtung, bspw. im Bereich nahe einer Abdeckscheibe, geleitet. Zur besseren Wärmeabgabe kann das Wärmerohr bspw. einen Kühlkörper mit Kühlrippen aufweisen, der im Inneren der Beleuchtungseinrichtung positioniert ist. Der Vorteil bei der Verwendung eines Wärmerohrs ist der, dass das Wärmerohr keine Bedingungen an eine Lage oder Position stellt, es also flexibel dort verlegt werden kann, wo Platz ist und wo es die Leuchtfunktion der Beleuchtungseinrichtung nicht beeinträchtigt.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Kühlvorrichtung Mittel zur Realisierung einer erzwungenen Luftströmung entlang entlang der elektronischen Bauelemente im Inneren des Steuergeräts aufweist. Durch die erzwungene Luftströmung, kann eine größere Luftmenge pro Zeiteinheit strömen und dabei besonders viel Wärme aufnehmen und abtransportieren. Besonders effektiv ist, wenn Öffnungen im Steuergerätegehäuse es zulassen, dass die Luftströmung direkt entlang der elektronischen Bauteile durch den Innenraum des Steuergerätegehäuses strömt.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Kühlvorrichtung eine Luftleitgeometrie außen am Steuergerätegehäuse oder im Innenraum des Steuergeräts aufweist, welche zusammen mit zumindest einem Teil des Steuergerätegehäuses einen Strömungskanal für die kühlende Luftströmung bildet. Als Luftleitgeometrie werden insbesondere solche Geometrien angesehen, die ausschließlich der gezielten Leitung des Luftstroms dienen. Das bedeutet, dass bspw. durch Luftleitbleche der Luftstrom optimal, mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad am Steuergerät vorbei und/oder durch das Steuergerät geführt wird. Man erreicht dadurch eine Zwangsumströmung der Steuergeräteaußenseite bzw. der elektronischen Bauelemente im Innenraum des Steuergerätegehäuses und einen besonders guten Wärmeabtransport. Der Strömungskanal kann aus einfachen, vorzugsweise wärmeleitfähigen Blechen gefertigt sein und so ausgebildet und angeordnet sein, dass das Steuergerät bzw. dessen Gehäuse trotz Strömungskanal einfach und mit wenigen Handgriffen erreichbar ist, bspw. zum Auswechseln des Steuergeräts oder von Teilen davon während einer Reparatur. Durch die Wärmeleitfähigkeit der Bleche ist es möglich, dass ein Teil der von der die Steuergeräteaußenseite umströmenden Luft aufgenommen Wärme des Steuergeräts bereits von der Luft über die Bleche nach außen geleitet wird.
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Selbstverständlich müssen die Luftleitgeometrie und das Steuergerätegehäuse keinen zu allen Seiten hin vollständig geschlossenen Luftkanal bilden. Vielmehr reicht es für ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Erfindung aus, wenn die Luftleitgeometrie derart ausgebildet und an dem Gehäuse angeordnet ist, dass sie die Luftströmung dicht am Steuergerätegehäuse vorbei führt. Eine Beschleunigung der im Wesentlichen laminar vorbeiströmenden Luft kann mittels eines Lüfters oder Gebläses und/oder durch eine geeignete Ausgestaltung des Strömungskanals erreicht werden. So kann bspw. ein Strömungskanal mit einer sich in Strömungsrichtung verjüngenden Querschnittsfläche die hindurchströmende Luft beschleunigen. Bei Verwendung des Wärmerohrs zur Wärmeableitung können die von den Lüftern erzeugten Luftströmungen das Abkühlen des einen Endes des Luftleitrohrs im Innenraum der Beleuchtungseinrichtung unterstützen.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe wird eine Beleuchtungseinrichtung mit der Summe der Merkmale des Anspruchs 8 vorgeschlagen.
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Vorzugsweise umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein Gehäuse, in dem mindestens eine Öffnung ausgebildet ist, aus der Luft aus dem Inneren der Beleuchtungseinrichtung austritt und entlang der Außenseite zumindest eines Teils des Steuergerätegehäuses strömt. Im Inneren des Scheinwerfergehäuses wird während des Betriebs der Lichtquelle(n) Wärme erzeugt. Die im Gehäuse aufsteigende Wärme kann zu einer Luftzirkulation im Scheinwerfergehäuse führen. Zusätzlich kann im Scheinwerfer zur Kühlung der Lichtquelle(n) mindestens ein Lüfter vorgesehen sein, der ebenfalls eine Luftzirkulation erzeugt. Solche Lüfter werden bspw. bei Beleuchtungseinrichtungen eingesetzt, die mit Leuchtdioden als Leuchtmittel ausgestattet sind. Zumindest ein Teil der im Scheinwerfergehäuse zirkulierenden Luft kann durch die Austrittsöffnung aus dem Gehäuse austreten und entlang des Steuergerätegehäuses strömen. Durch den Lüfter wird einerseits eine Luftströmung zur Kühlung der Leuchtmittel im Inneren des Gehäuses der Beleuchtungseinrichtung erzeugt. Andererseits kann die Luft aus dem Inneren der Beleuchtungseinrichtung durch die Austrittsöffnung aus der Beleuchtungseinrichtung austreten und - durch eine Luftleitgeometrie geführt - entlang der Außenseite des Steuergerätegehäuses strömen. Vorzugsweise weist das Gehäuse des Scheinwerfers eine weitere Öffnung auf, durch die eine in etwa der durch die Austrittsöffnung ausgeströmten Luftmenge entsprechende Menge an Luft wieder in das Scheinwerfergehäuse eintreten kann, um die Druckverhältnisse im Scheinwerfer in etwa konstant zu halten.
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Darüber hinaus kann der Einsatz eines Wärmerohrs in der Beleuchtungseinrichtung zur Ableitung der Wärme vom Steuergerät die Lüftung unterstützen. Dazu wird das Wärmerohr mit einer Verdampferseite im Bereich der Außenseite des Steuergeräts angeordnet. Zur besseren Wärmeabgabe weist das Wärmerohr an der entgegengesetzten Seite (Kondensatorseite) vorzugsweise einen Kühlkörper auf. Vorteilhaft hierbei ist, wenn das Steuergerät bspw. mit einer Unterseite durch das Gehäuse in das Innere der Beleuchtungseinrichtung hineinragt. Auch ein ausschließlicher Einsatz eines oder mehrerer Wärmerohre in der Beleuchtungseinrichtung zur Kühlung des Steuergeräts, also ohne zusätzliche Lüfter, ist möglich.
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Der Lüfter kann an einer beliebigen Stelle im Inneren der Beleuchtungseinrichtung, vorzugsweise in der Nähe, vor oder in der Austrittsöffnung angeordnet sein, so dass der Lüfter die Lichtquellen im Inneren kühlen und gleichzeitig Luft in den außen an der Beleuchtungseinrichtung ausgebildeten Strömungskanal zur Kühlung des Steuergeräts fördern kann. Obwohl die Luft nach der Kühlung der Leuchtmittel bereits etwas erwärmt ist, ist sie in aller Regel noch kühl genug, um zur Kühlung des Steuergeräts eingesetzt zu werden. Zur Erfüllung dieser zwei Kühlfunktionen muss der Lüfter nicht besonders groß oder leistungsstark ausgebildet sein. Zur Kühlung des Steuergeräts kann also einfach ein in der Beleuchtungseinrichtung zur Kühlung der Leuchtmittel sowieso vorhandener Lüfter verwendet werden, wobei lediglich mindestens eine Öffnung im Scheinwerfergehäuse zur Erzeugung der Luftströmung entlang des Steuergerätegehäuses ausgebildet werden muss, wahlweise mit zusätzlichen Luftleitblechen. Natürlich kann zum Kühlen des Steuergeräts auch ein separater Lüfter verwendet werden.
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Zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Kühlvorrichtung bzw. des Lüfters kann ein Temperatursensor eingesetzt werden, der bspw. die Temperatur im Innenraum der Beleuchtungseinrichtung und/oder die Temperatur auf dem Gehäuse oder im Inneren des Steuergeräts ermittelt. Falls die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Wert übersteigt, kann die Geschwindigkeit des Lüfters erhöht und/oder können zusätzliche Lüfter aktiviert werden. Über eine Diagnose-Einrichtung des Kraftfahrzeugs kann der Lüfter überwacht und ein Ausfall des Lüfters - und damit ein Fehler in der gesamten Kühlvorrichtung - diagnostiziert werden. Der Fahrer des Kraftfahrzeugs kann durch ein akustisches und/oder optisches Signal, bspw. durch eine Warnlampe am Armaturenbrett, auf den Ausfall des Lüfters und die unzureichende Kühlung der Beleuchtungseinrichtung und des Steuergeräts hingewiesen werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei einem Ausfall des Lüfters das Steuergerät und/oder die Beleuchtungseinrichtung in einen leistungsschwächeren und damit weniger Wärme erzeugenden Betrieb umgeschaltet werden. Denkbar ist bspw. zur Leistungsreduzierung eine Verringerung des Betriebsstroms der Leuchtmittel der Beleuchtungseinrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für die Kühlung des Steuergerätes ein eigener Lüfter bzw. für jede der zwei genannten Kühlfunktionen (Lichtquellen und Steuergerät) jeweils ein separater Lüfter eingesetzt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Steuergerätegehäuse einen Kühlkörper mit Kühlrippen aufweist, der von der Luft umströmt wird. Dabei können die Kühlrippen nach außerhalb und/oder in den Innenraum des Gehäuses der Beleuchtungseinrichtung ragen. Dadurch kann die Wärme aus dem Inneren des Steuergeräts großflächig abgeleitet werden. Der Kühlkörper kann integraler Bestandteil des Steuergerätegehäuses oder als ein separates, an dem Gehäuse zu befestigendes Teil ausgebildet sein. Der Kühlkörper mit Kühlrippen kann wärmeleitend, bspw. durch eine vollflächige Auflage auf der Außen- und/oder Innenseite des Gehäuses durch eine Schraub-, Schweiß-, Niet- oder Klebeverbindung, an dem Steuergerät befestigt werden. Da die Luftströmung die vergrößerte Oberfläche des Kühlkörpers umströmt, bewirkt diese Maßnahme eine besonders effektive Wärmeableitung, die bei besonders wärmebelasteten Steuergeräten mit großer Abwärme sinnvoll ist. Der Einsatz des Kühlkörpers am Steuergerät lässt sich relativ kostengünstig realisieren, so dass durch diese Maßnahme die Kühlvorrichtung ohne großen Kostenaufwand verbessert werden kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden anhand der Zeichnungen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Kühlvorrichtung aus 1;
- 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Kühlvorrichtung aus 1;
- 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Kühlvorrichtung aus 1;
- 6 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Kühlvorrichtung aus 1;
- 7 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Kühlvorrichtung aus 1;
- 8 eine grafische Darstellung eines thermischen Widerstandes bei verschiedenen Ausführungsformen des Steuergerätegehäuses bzw. der Kühlvorrichtung und verschiedenen Ausgangsleistungen des Steuergeräts; und
- 9 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Steuergerätegehäuse.
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Detaillierte Beschreibung
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Steuergeräte werden in Kraftfahrzeugen zur Steuerung und/oder Regelung unterschiedlichster Funktionen (z.B. Motorsteuerung, Getriebesteuerung, Steuerung von Beleuchtungsfunktionen, etc.) eingesetzt. Die Steuergeräte umfassen üblicherweise ein nach außen abgeschlossenes Gehäuse, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium-Druckguss, in dem unter anderem elektrische aktive und passive Bauelemente angeordnet sind, welche beim Betrieb Wärme abgeben. Durch die zunehmende Integration mehrerer Funktionen in die Steuergeräte, durch den Trend zu immer kleiner bauenden und kompakteren Steuergeräten und durch den Trend zu größeren Ausgangsleistungen werden im Inneren des Steuergerätegehäuses während des Betriebs immer höhere Temperaturen erreicht. Die erzeugte Wärme muss durch geeignete Maßnahmen aus dem Steuergerätegehäuse nach außen abgeleitet werden, da sonst die Funktionsfähigkeit der Bauelemente beeinträchtigt und die Lebensdauer des Steuergeräts verkürzt werden könnte. Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Vorrichtungen und Verfahren zum Kühlen von Steuergeräten bekannt.
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9 zeigt ein Beispiel für ein bekanntes Steuergerät in einer seitlichen Ansicht von außen. Das Steuergerät ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Elektronische bzw. elektrische aktive und passive Bauelemente, sowie mindestens eine Leiterplatte, Träger- und Verbindungselemente in Form von Leiterbahnen auf der Leiterplatte (alle nicht sichtbar) sind von einem Gehäuse umgeben. Das Gehäuse umfasst ein rechteckig geformtes, kastenähnliches Gehäuseoberteil 2, eine Außenwandbereich 3 und eine Bodenplatte 5. Zum elektrischen Anschluss des Steuergeräts 1 sind in einer Außenwand 3 vier Anschlussbuchsen 4 ausgebildet.
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Seitlich neben den Anschlussbuchsen 4 sind an der Außenwand 3 senkrecht zur Bodenplatte 5 mehrere nach außen ragende, parallel zueinander verlaufende Kühlrippen 6 über annähernd die gesamte Höhe des Steuergeräts 1 angeordnet. Das Gehäuseoberteil 2 weist außerdem nach oben ragende, parallel zueinander verlaufende Kühlrippen 7 auf. Sämtliche Kühlrippen 6, 7 dienen zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche zwischen Steuergerätegehäuse und Umgebung. Die Kühlung geschieht bei dem bekannten Steuergerät passiv durch Konvektion, d.h. ohne zusätzliche aktive Kühlungsmaßnahmen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Beleuchtungseinrichtung ist als ein Scheinwerfer ausgebildet, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Beleuchtungseinrichtung 10 weist ein Gehäuse 11 mit einer in Lichtaustrittsrichtung ausgebildeten Lichtaustrittsöffnung auf, die durch eine lichtdurchlässige Abdeckscheibe 12 mit oder ohne optisch wirksamer Elemente auf der Scheibeninnen- oder -außenseite verschlossen ist. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 10 auch als eine beliebige Fahrzeugleuchte, insbesondere Rückleuchte, ausgebildet sein.
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Im Gehäuseinnenraum 24 der Beleuchtungseinrichtung 10 ist ein Kühlkörper 13 vorgesehen, an dessen Ober- und Unterseite jeweils eine oder mehrere Leuchtdioden 14 angeordnet sind. Das von den Leuchtdioden 14 ausgesandte Licht wird durch ebenfalls an der Ober- und Unterseite des Kühlkörpers 13 angeordnete Reflektoren 15 in Form von Reflektorhalbschalen in Lichtaustrittsrichtung reflektiert. Der Teil 14, 15 der Beleuchtungseinrichtung 10 arbeitet also nach dem Reflexionsprinzip. An einer der Abdeckscheibe 12 zugewandten Stirnfläche des Kühlkörpers 13 sind ebenfalls eine oder mehrere Leuchtdioden 16 angeordnet, deren Licht durch eine Projektionslinse 17 in Lichtaustrittsrichtung projiziert wird. Der Teil 16, 17 der Beleuchtungseinrichtung 10 arbeitet also nach dem Projektionsprinzip. Die Gesamtlichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung 10, bspw. eine Abblendlicht oder eine Fernlichtverteilung, ergibt sich durch eine Überlagerung der von dem Reflexionsmodul 14, 15 und dem Projektionsmodul 16, 17 ausgesandten Lichtbündel. Diese Lichtbündel überlagern und/oder ergänzen sich zur Erzielung einer vorgegebenen Lichtverteilung hinsichtlich Kontur und Beleuchtungsstärke des resultierenden Lichtbündels. Die Anzahl und/oder die Anordnung der Leuchtdioden 14 und/oder 16 kann von der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsform abweichen. Auch kann sich die Beleuchtungseinrichtung 10 in ihrer Funktion auf ein reines Reflexionsprinzip (nur mit Reflektor) oder auf ein reines Projektionsprinzip (nur mit Linse) beschränken. Außerdem ist der Einsatz anderer Lichtquellen als LEDs denkbar.
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An der Außenwand des Scheinwerfergehäuses 11 ist in einem der Abdeckscheibe 12 gegenüberliegenden Bereich ein Steuergerät 26 zur Steuerung und/oder Regelung von Funktionen der Beleuchtungseinrichtung 10 angeordnet. Insbesondere steuert und/oder regelt das Steuergerät 26 den Betrieb der Lichtquelle(n) 14, 16, das Umschalten zwischen verschiedenen Lichtfunktionen (z.B. Abblendlicht, Fernlicht und andere) und/oder die Bewegung einer Blendenanordnung (zur Erzeugung einer Helldunkelgrenze einer Abblendlichtverteilung) bzw. von Blendenelementen der Blendenanordnung. Notwendige Verbindungs- und Anschlusselemente, wie Kabel, Stecker, etc. sind in 1 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Das Steuergerät 26 weist im Inneren auf einer Leiterplatte 27 angeordnete elektrische und/oder elektronische aktive und passive Bauelemente, insbesondere Leistungsbauelemente, auf, die während des Betriebs Abwärme erzeugen. Die Bauelemente sind von einem Steuergerätegehäuse 28 umschlossen, das vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material, bspw. aus Metall, besteht.
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In einem oberen Bereich einer rückwärtigen Wand des Steuergeräts weist das Gehäuse 11 eine Öffnung 18 auf. In einem unteren Bereich des Steuergeräts umfasst das Gehäuse 11 eine weitere Öffnung 19. Die Öffnungen 18 und 19 können auch an anderen Stellen am Gehäuse 11 ausgebildet sein. Vorzugsweise sind sie jedoch nahe bei und auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 28 angeordnet. Die obere Öffnung 18 dient als Luftauslassöffnung, durch die Luft aus dem Innenraum 24 des Scheinwerfers 10 nach außen gelangen kann, und die untere Öffnung 19 dient als Lufteinlassöffnung, durch die Luft von außerhalb des Scheinwerfers 10 in den Innenraum 24 gelangen kann.
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An der Außenseite des Steuergerätegehäuses 28 sind im Bereich des Steuergeräts 26 ein oder mehrere Luftleitblech(e) 29 angeordnet. Diese bestehen vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material, bspw. Metall. Die Luftleitbleche 29 bilden zusammen mit zumindest einem Teil des Steuergerätegehäuses 28 einen Luftkanal 30, durch den kühlende Luft strömen kann. Der Luftkanal 30 erstreckt sich vorzugsweise von der Auslassöffnung 18 bis zur Einlassöffnung 19. Der Luftkanal 30 muss nicht zwangsläufig um seinen gesamten Umfang und/oder über seine gesamte Länge völlig dicht sein. Es ist vielmehr auch denkbar, dass die Luftleitbleche lediglich an bestimmten Positionen des Luftkanals 30 angeordnet sind, so dass sie die Luftströmung aus dem Innenraum 24 des Scheinwerfers 10 in Richtung Steuergerätegehäuse 28 lenken und so für eine besonders effektive Kühlung des Steuergeräts 26 sorgen.
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Im Scheinwerferinnenraum 24 ist vor der Öffnung 18 ein Lüfter 20 angeordnet, der Luft aus dem Innenraum 24 in den Strömungskanal 30 fördert. Der Lüfter 20 kann alternativ auch vor der Öffnung 19 angeordnet sein. Auch die Richtung der Luftströmung kann durch eine Drehrichtungsumkehr des Lüfters 20 entgegengesetzt zu der in 1 eingezeichneten Richtung verlaufen. Ebenso ist es denkbar, dass der Lüfter 20 in keiner der Öffnungen 18, 19, sondern an einer beliebigen anderen Stelle im Innenraum 24, vorzugsweise im Bereich des Kühlkörpers 13, angeordnet ist.
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Die Kühlvorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform auf 1 funktioniert wie folgt: Der Lüfter 20 saugt Luft aus dem Gehäuseinnenraum 24 der Beleuchtungseinrichtung 10 an und fördert diese Luft in den Strömungskanal 30. Die Luft im Strömungskanal 30 strömt dabei mit relativ hoher Geschwindigkeit am Steuergerätegehäuse 28 vorbei, nimmt dabei Wärme auf und transportiert diese ab. Die angewärmte Luft gelangt über die Öffnung 19 wieder ins Gehäuse 11 der Beleuchtungseinrichtung 10 und kühlt dort, insbesondere an der Innenseite der Abdeckscheibe 12 ab. Der Lüfter 20 erzeugt insbesondere eine Luftströmung durch den Luftkanal 30. Der Lüfter 20 erzeugt aber auch eine Luftzirkulation im Innenraum 24 des Scheinwerfergehäuses 11, so dass durch die laufend angeregte Luftzirkulation neben dem Steuergerät 26 gleichzeitig auch die Leuchtdioden 14 und 16 bzw. der Kühlkörper 13 im Gehäuseinnenraum 24 aktiv gekühlt werden.
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Andere Ausgestaltungen einer Beleuchtungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sind ebenfalls denkbar. Im Folgenden werden weitere alternative Ausführungsformen beschrieben, die für sich separat, aber auch in Kombination miteinander, anwendbar sind.
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2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung, die ebenfalls als Scheinwerfer ausgebildet und in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10a bezeichnet ist. In 2 sind identische Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
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Während in der Beleuchtungseinrichtung 10 aus 1 besonderen Wert auf die Kühlung des Steuergeräts 20 gelegt wird, steht in der Beleuchtungseinrichtung 10a von 2 die Kühlung der Leuchtdioden 14 und 16 im Vordergrund. Der Aufbau der Beleuchtungseinrichtung 10a ist nahezu identisch mit dem der Beleuchtungseinrichtung 10 aus 1, mit der Ausnahme, dass die Luftauslassöffnung 18 und die Lufteinlassöffnung 19 vertauscht sind und dass kein Lüfter in einer der Öffnungen 18, 19 angeordnet ist. Statt dessen ist mindestens ein Lüfter 31 in der Nähe des Kühlkörpers 13, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel direkt hinter dem Kühlkörper 13, das heißt auf der der Abdeckscheibe 12 abgewandten Seite des Kühlkörpers 13, angeordnet. Der Lüfter 31 kann integraler Bestandteil des LED-Moduls 13 bis 17 sein.
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Auch mit einem derart positionierten Lüfter 31 entsteht im Innenraum 24 des Gehäuses 11 eine Luftzirkulation zum Kühlen des Kühlkörpers 13 bzw. der Leuchtdioden 14, 16. Die am Kühlkörper 13 erwärmte Luft kühlt sich an der Innenseite der Abdeckscheibe 12 ab und sinkt nach unten. Zudem wird die Luft durch den Lüfter 31 im Zusammenwirken mit der Schräge der Abdeckscheibe 12 nach unten gefördert. Ein Teil der im Innenraum 24 durch den Lüfter 31 erzwungenermaßen zirkulierenden Luft gelangt über die Luftauslassöffnung 18 in den Lüftungskanal 30, strömt entlang der Außenseite zumindest eines Teils des Steuergerätegehäuses 28 und tritt über die Lufteinlassöffnung 19 wieder in den Innenraum 24 ein. Die Richtung der Luftzirkulation im Innenraum 24 kann durch die Anordnung und Ausgestaltung von einem oder mehreren Luftleitblechen (nicht dargestellt) im Innenraum 24 derart beeinflusst werden, dass eine gewünschte Menge der im Innenraum 24 zirkulierenden Luft mit einer gewünschten Geschwindigkeit und in der gewünschten Richtung durch den Luftkanal 30 strömt. Durch den Lüfter 31 ergibt sich also ein Luftkreislauf, der einerseits eine Luftströmung zum Kühlen der Leuchtdioden 14 und 16 bzw. des Kühlkörpers 13 im Innenraum 24 und der andererseits eine Luftströmung durch den Luftkanal 30 zum Kühlen des Steuergeräts 26 umfasst. Selbstverständlich ist es denkbar, bei dem Ausführungsbeispiel aus 2 die Strömungsrichtung durch den Luftkanal 30 umzukehren und damit die Auslass- und Einlassöffnungen 18, 19 zu vertauschen.
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In einer weiteren, nicht dargestellten vereinfachten Ausführungsform kann eine abgeschwächte Kühlung von Leuchtdioden und eines Steuergeräts auch ohne Lüfter (unter Beibehaltung des sonst gleichen Aufbaus) erreicht werden. Der Luftstrom im Inneren des Scheinwerfers wird dann durch eine natürliche Luftkonvektion durch Erwärmen der Luft an den Leuchtdioden bzw. dem Kühlkörper und an dem Steuergerät und anschließendem Abkühlen der Luft an der Abdeckscheibe bzw. durch Wärmeableitung an unterschiedlichen wärmeableitenden Gehäuseteilen erreicht. Ein Teil der zirkulierenden Luft kann über die Auslassöffnung in den Luftkanal gelangen, das Steuergerätegehäuse kühlen und dann über die Einlassöffnung wieder zurück in den Innenraum des Scheinwerfers gelangen.
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In einer weiteren, nicht dargestellten alternativen Ausführungsform mündet der Luftkanal nicht über die Lufteintrittsöffnung in den Innenraum des Scheinwerfergehäuses. Vielmehr wird die angewärmte Luft aus einem Strömungskanal nach außen (außerhalb des Gehäuses der Beleuchtungseinrichtung) geführt, so dass der von einem Lüfter erzeugte Luftstrom an Leuchtdioden und Steuergerät vorbeiströmt, aber nicht mehr in das Gehäuse der Beleuchtungseinrichtung zurückgeführt wird. Über eine separate Lufteintrittsöffnung kann Luft von außen in den Innenraum gelangen.
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In einer weiteren, nicht dargestellten alternativen Ausführungsform arbeitet ein Lüfter in umgekehrter Weise und saugt Luft aus einem Strömungskanal an und fördert diese in einen Gehäuseinnenraum einer Beleuchtungseinrichtung. Auch dabei wird ein Luftstrom erzeugt, der an dem Steuergerät und an den Leuchtdioden bzw. dem Kühlkörper vorbeigeführt wird und diese dabei kühlt.
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3 zeigt eine besonders wirkungsvolle Erweiterung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aus 1 in einer zweiten Ausführungsform. Die in 3 dargestellte Kühlvorrichtung kann an Stelle der in 1 gezeigten Kühlvorrichtung von hinten an das Scheinwerfergehäuse 11 angeflanscht werden. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Lüfter 20 , der vorzugsweise vor oder in der Luftaustrittsöffnung 18 angeordnet ist. Das Steuergerät 26 ist zwischen der Luftaustrittsöffnung 18 und der Lufteintrittsöffnung 19 angeordnet. Das Gehäuse 28 des Steuergeräts 26 umfasst an mindestens einer zum Luftkanal 30 angrenzenden Außenseite einen Kühlkörper 32 auf. Dieser ist wärmeleitend an der Außenseite des Gehäuses 28 befestigt oder integraler Bestandteil des Gehäuses 28. Der Kühlkörper 32 besteht aus einem wärmeleitenden Material, bspw. Metall, vorzugsweise Aluminium-Druckguss, und weist Kühlrippen auf, um die Fläche des Wärmeübergangs zwischen Steuergerät 26 und vorbei strömender Luft zu vergrößern. Der Kühlkörper 32 ist vorzugsweise im Luftkanal 30 angeordnet.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Kühlvorrichtung. Auf dem Gehäuse 11 der Beleuchtungseinrichtung ist das Steuergerät 26 außerhalb angeordnet. Dabei weisen das Gehäuse 11 und das aufliegende Steuergerätegehäuse 28 jeweils zwei Öffnungen auf, eine zum Luftaustritt 18a aus dem Gehäuse 11 und eine andere zum Lufteintritt 19a in das Gehäuse 11 zurück, die miteinander deckungsgleich sind. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Lüfter 20, der vorzugsweise vor oder in der Luftaustrittsöffnung 18a angeordnet ist. Im Inneren des Steuergerätegehäuses 28 bildet sich damit ein Luftkanal 30a von der Luftaustrittsöffnung 18a zur Lufteintrittsöffnung 19a. Die Kühlvorrichtung funktioniert in der Weise, dass Luft durch den Lüfter 20 durch die Luftaustrittsöffnung 18a strömt, anschließend die elektronischen Bauteile des Steuergeräts 20 (nicht sichtbar) umströmt, dabei Wärme aufnimmt und durch die Lufteintrittsöffnung 19a wieder in das Gehäuse 11 hineinströmt. Die erwärmte Luft kühlt anschließend im Gehäuse 11 wieder ab. Alternativ zu dieser Ausführungsform kann die Lufteintrittsöffnung nicht zum Gehäuse 11 hin angeordnet sein, sondern sie kann seitlich am Steuergerätegehäuse 26 angeordnet sein und die erwärmte Luft nicht in das Gehäuse 11 zurück, sondern in einen Außenbereich des Gehäuses 11 ableiten.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Kühlvorrichtung. Sie ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10b gekennzeichnet. Zu 1 und 2 identische Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht noch einmal näher erläutert. Das Steuergerät 26 ist an der gleichen Stelle positioniert wie in 1 oder 2. Es ragt jedoch mit einer Außenseite in das Gehäuse 11 der Beleuchtungseinrichtung 10b hinein oder ist sogar Teil des Gehäuses 11. An dieser Außenseite sind Kühlrippen 33 mit dem Steuergerät 26 fest verbunden oder sind integraler Bestandteil des Steuergeräts 26. Die Kühlrippen 33 ragen also in das Gehäuse 11 der Beleuchtungseinrichtung 10b hinein. Die Kühlvorrichtung funktioniert in der Weise, dass durch den aus 2 bekannte Lüfter 31, der zwischen dem Kühlkörpers 13 und dem Steuergerät 26 positioniert ist, die Luft an den Kühlrippen 33 vorströmt und die Luft dabei Wärme aufnimmt. Die angewärmte Luft steigt im Gehäuse 11 durch natürliche Konvektion nach oben und kühlt dort - besonders im Bereich der Abdeckscheibe 12 - wieder ab.
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6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Kühlvorrichtung. Sie ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10c gekennzeichnet. Zu 1 und 2 identische Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht noch einmal näher erläutert. Das Steuergerät 26 ist an der gleichen Position wie in 1, 2 oder 5, also außen am Gehäuse 11 der Beleuchtungseinrichtung 10c angeordnet. Während in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen das Steuergerät 26 jeweils durch angeregte Luftzirkulation gekühlt wurde, umfasst die Kühleinrichtung dieser Ausführungsform ein Wärmerohrs 34 zu einer kanalisierten Wärmeableitung. In dem Wärmerohr 34 ist an einer Seite eine Verdampfer (nicht sichtbar) integriert. Diese Seite des Wärmerohrs 34 wird an eine Seite des Steuergeräts 26 angeflanscht. Vorzugsweise weist dazu das Gehäuse 11 der Beleuchtungseinrichtung 10c hierzu eine Öffnung (nicht sichtbar) zum Anschließen des Wärmerohr auf. Die gegenüberliegende Seite des Wärmerohrs 34 umfasst einen Kondensator (nicht sichtbar), an dem ein Kühlkörper 35, vorzugsweise mit Kühlrippen zur Wärmeabgabe angeschlossen ist. Die Kühlvorrichtung funktioniert in der Weise, dass ein flüssiges Medium im Wärmerohr 34 durch eine Wärmeaufnahme im Verdampfer verdampft. Durch Kapillarkräfte im Wärmerohr 34 wird das Medium in Richtung des Kondensators gefördert und dort wieder abgekühlt. Der Kühlkörper 25 mit den Kühlrippen beschleunigt die Wärmeabgabe, wobei der im Inneren 24 der Beleuchtungseinrichtung 10c angeordnete Lüfter 31 die Wärmeableitung am Kühlkörper 35 unterstützen kann.
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7 zeigt eine sechste Ausführungsform der Kühlvorrichtung. Sie ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10d gekennzeichnet. Zu 1, 2 und 6 identische Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht noch einmal näher erläutert. In dieser Ausführungsform ist das Steuergerät 26 an einer Unterseite der Beleuchtungseinrichtung 10d außen angeordnet. Auch hier wird, wie in 6 das Wärmerohr 34 mit der Verdampferseite an das Steuergerät 26 angeflanscht. Die Kondensatorseite des Wärmerohrs 34 umfasst wie in 6 ebenso einen Kühlkörper 35 mit Kühlrippen, der bevorzugt in der Nähe des Bereichs der Abdeckscheibe 12 positioniert ist. Die Kühlvorrichtung funktioniert in der Weise, dass Wärme über das Wärmerohr 34 zum Kühlkörper 35 transportiert wird und besonders effektiv im Bereich der Abdeckscheibe 12 gekühlt wird. Der im Inneren 24 der Beleuchtungseinrichtung 10d angeordnete Lüfter 20 kann die Wärmeableitung am Kühlkörper 35 unterstützen.
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8 zeigt eine grafische Darstellung eines thermischen Widerstandes bei verschiedenen Ausführungsformen des Steuergerätegehäuses bzw. der Kühlvorrichtung mit Bezug auf eine Ausgangsleistung des Steuergeräts. Die einzelnen Messwerte sind in einem Labor bei Versuchen unter unterschiedlichen Bedingungen ermittelt worden. Auf der x-Achse sind drei Dreiergruppen, die jeweils drei Balken aufweisen, dargestellt. Die linke Dreiergruppe zeigt Messwerte für eine Ausgangsleistung des Steuergeräts von 7,5 Watt, die mittlere Dreiergruppe zeigt Messwerte bei einer Ausgangsleistung von 10 Watt und die rechte Dreiergruppe zeigt die Situation bei 12,5 Watt Ausgangsleistung. Innerhalb einer Dreiergruppe sind auf der y-Achse Werte für den thermischen Widerstand (in Kilowatt, kW) dargestellt, und zwar jeweils für:
- • ein herkömmliches Steuergerät mit Metallgehäuse, aber ohne zusätzliche Kühlmittel (passive Kühlung), längsgestreifte Balken;
- • ein Steuergerät mit zusätzlichen Kühlmitteln in Form eines Kühlkörpers (passive Kühlung), nicht gestreifte Balken; und
- • ein Steuergerät mit Kühlkörper und einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung (aktive Kühlung), quergestreifte Balken.
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Die Auswertung zeigt, dass die Ausgangsleistung des Steuergeräts kaum Einfluss auf das Verhalten des thermischen Widerstandes hat. Die ermittelten Messwerte sind für alle drei Ausgangsleistungen annähernd gleich groß. Die vorliegende Erfindung hat die angegebenen Vorteile also bei allen Arten von Steuergeräten unabhängig von der Ausgangsleistung des Steuergeräts..
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Die Maßnahmen zur Unterstützung der Kühlung des Steuergeräts haben dagegen eine große Auswirkung auf den thermischen Widerstand. Bereits ein Kühlkörper zur besseren passiven Kühlung des Steuergeräts bewirkt eine Reduzierung des thermischen Temperaturwiderstands des Steuergeräts um etwa 20 bis 25% (von ca. 4,1 W auf ca. 3,2 W). Eine deutliche Verbesserung der Kühlung des Steuergeräts ergibt sich jedoch erst durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Dabei wird der thermische Widerstand gegenüber dem ursprünglichen Wert um über 50% reduziert (von ca. 4,1 W auf ca. 1,95 W).
