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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lichtabgabe mit
Leuchtelementen, insbesondere LEDs, und einem thermisch mit den
Leuchtelementen gekoppelten Kühlkörper.
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Die
Arbeitsweise einer LED-Leuchte, bei der relativ hohe Lichtströme
erzielt werden sollen, bedingt, dass eine erhebliche Menge an Wärme
effektiv abzuführen ist.
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Der
Wärmewiderstand zwischen Sperrschichten der einzelnen LEDs,
beispielsweise als LED-Einheit zusammengefasst, und umgebender Luft
kann durch einen Kühlkörper, merklich vermindert
werden, der weiters mit einem Kühlmedium korrespondiert.
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Prinzipiell
wird die LED-Einheit, beispielsweise ein Träger oder eine
Leiterplatte mit einer LED-Anordnung, auf ein Kühlblech
bzw. an einen Kühlkörper befestigt und thermisch
verbunden, so dass der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht
und umgebender Luft sinkt.
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Um
den Wärmeübergang zwischen LED-Einheit und Kühlkörper
zu begünstigen, ist es üblich, die Kontaktfläche
plan bzw. eben herzustellen.
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Funktionell
soll der Kühlkörper wie ein Übertragungselement
ein Teil einer Übertragungsstrecke die erzeugte Verlustwärme
durch Wärmeleitung vom wärmeerzeugenden Bauelement
als einer Quelle rasch zu einer Senke weg- bzw. ableiten, bzw.,
die Verlustwärme dann durch Austauschprozesse wie Wärmestrahlung
und Konvektion an die Umgebung abgeben.
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Das
Verhalten des Kühlkörpers bzw. der Wärmeübergang
von einer Wärmequelle zum umgebenden Kühlmedium,
bevorzugt Luft (ggf. auch Wasser oder andere Flüssigkeiten
wie Öle) ist in erster Linie von der Temperaturdifferenz,
der wirksamen Oberfläche und der Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmediums abhängig.
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Nach
dem Stande der Technik werden monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen,
beispielsweise Block- bzw. Hybridverstärker, soweit vergleichbar
mit einer LED-Einheit, thermisch mit einem massiven Kühlkörper
zur Wärmeableitung gekoppelt.
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Insofern
scheint bei vorgenanntem Ansatz zwar eine etwas bessere thermische
Ankopplung bzw. Impedanzanpassung an den Außenraum zur Wärmeabfuhr
möglich. Aber trotzdem stellt man im praktischen Betrieb
fest, dass bei herkömmlichen Ansätzen ein gewisses
Zurückbleiben der tatsächlichen Kühlleistung
hinter der erforderlichen Kühlleistung eintritt. Entsprechende Überdimensionierung
des Kühlkörpers ist erforderlich. Weiter bestehen
Gradienten im Wärmeübergang, bzw. liegt eine Art
stationäre Isolationsschicht vor, so dass die Verlustwärme nur
zu einem Teil und auch lokal unterschiedlich abgeführt
wird.
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Die
US 6,863,421 zeigt ein Lampengehäuse für
eine Bildprojektorlampe, in der auf kleinem Raum eine Luftströmung
mit einem Lüfter erzeugt wird. Im Inneren der Kammer, in
sich der Brenner der Lampe befindet, ist eine Mehrzahl an Rippen
an der Innenseite der Kammer angeordnet. Die Rippen dienen zur Strömungsformung
und Verbesserung der Luftmischung mit der Umgebungsluft, die über
einen Lüfter ins Innere der Lampe eingeblasen wird. Um
einer erheblicher Geräuschentwicklung entgegen zu wirken, sollte
die Strömungsgeschwindigkeit niedrig sein.
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Es
wäre daher wünschenswert, den Kühlkörper
so zu verbessern, dass eine Wärmeabgabe unter Meidung der
obengenannten Nachteile möglich ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper
mit verbesserten Eigenschaften für verbesserten Wärmetransport
zu schaffen, so dass LED-Leuchten mit einer großen Strahlungsleistung
günstig hergestellt werden können.
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Die
Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen
gemäß dem Anspruch 1 und durch eine Kühleinrichtung
zur Verwendung in einer Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen
gemäß dem Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demgemäß wird
nach einem ersten Aspekt ist eine Anordnung zur Lichtabgabe mit
Leuchtelementen vorgesehen, insbesondere LEDs, und einem thermisch
mit den Leuchtelementen gekoppelten Kühlkörper,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper derart
ausgestaltet ist, dass dieser vollständig oder mindestens
ein Teil oder ein Abschnitt seiner Oberfläche vibriert.
Der Kühlkörper kann aus einem massiven Teil bestehen,
der in Ruhe ist, bzw. fest mit einem Gehäuseteil wie dem
Leuchtengehäuse oder einer Tragkonstruktion verbunden,
und einem Teil, wie z. B. Lamellen oder von einer massiven Basis auslaufende
Kühlenden, die vibrieren. Bei Vorstehenden kann das Bild
von schwingenden oder fächernden Zungen herangezogen werden,
die Wärmeleistung an die Umgebung abgeben und ihre eigene
Strömung oder Verwirbelung erzeugen. Indem die Kühlkörperenden
des Kühlkörpers schwingen, wird ein bewegter bzw.
dynamischer Kühlkörper geschaffen. Weiter gelingt
es, eine bewegte oder turbulente Strömung an den Wandungen
bzw. Kühlflächen zu erzeugen. Vorstehendes erhöht
die Leistungsfähigkeit der Kühleinrichtung erheblich.
Der Kühlkörper wird in der Wärmeleitung
bzw. seinen Transporteigenschaften verbessert. Wärmewiderstand
und Wärmekapazität des bewegten Kühlkörpers
sind wesentlich geringer als im Vergleich zu einem normalen Kühlkörper
gleicher Bauart, bei dem laminare Strömungen vorliegen.
Nach dem ersten Aspekt der Erfindung wird bemerkenswerterweise die
von der LED-Einheit erzeugte, unter Umständen sehr hohe Verlustleistung
viel schneller abgeführt, bzw., als läge ein Kühlkörper
vor, der eigentlich um Größenordnungen größer
und massiver sein müßte als der eingesetzte, um
sehr hohe Wärmebelastungen zu bewältigen.
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Nach
einem zweiten Aspekt ist die vorstehende Anordnung zur Lichtabgabe
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper zylinderförmig
ist und radial umlaufende Kühlrippen aufweist. Vorgenannte Kühlrippen
können aber auch Fräsungen einen massiven Zylinder
sein, beispielsweise eine Anordnung paralleler Fräsungen.
Weiter können die Fräsungen in Längs-
oder Querrichtung eines länglichen Zylinders verlaufen,
und ein Muster oder ein Raster ergeben. Die abstehenden Enden können
quadratisch oder rund ausgebildet sein.
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Nach
einem dritten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem
ersten oder dem zweiten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass die
Form oder die Ausgestaltung des Kühlkörpers das
Entstehen einer turbulenten Luftströmung begünstigt.
Vorstehend kann eine Veränderung der Eigenschaften des
Kühlkörpers durch eine Profilierung vorgesehen sein.
Das Profil kann rauh, geriffelt oder wellig, schuppen- oder dachplattenförmig
bemustert sein, Unebenheiten oder Unregelmäßigkeiten
im Verlauf aufweisen.
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Nach
einem vierten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem
ersten bis dritten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper
Kühllammellen, Riffelungen, Fräsungen, polierte
oder raue Prismen aufweist.
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Nach
einem fünften Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe
gemäß dem ersten bis vierten Aspekt dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper mit mindestens einem Antriebselement
oder einem Schwingungserzeuger wie einem Piezoelement, einer Sprach-
oder Tauchspule mechanisch gekoppelt ist. Die Mechanische Kopplung
kann beispielsweise durch ein Anschrauben des Schwingungserzeugers an
den Kühlkörper erfolgen. Zur Vibration wird ein Antrieb
eingesetzt. Auch kann ein kleiner Elektromotor als Vibrationsmotor
eingesetzt werden.
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Nach
einem sechsten Aspekt ist an der Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem
fünften Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schwingungserzeuger
eine zeitlich veränderliche Spannung anliegt. Unter einer
zeitlich veränderten Spannung kann eine Wellenform eines
Signals verstanden werden, die eine Amplitude und eine Frequenz
und eine Start- oder Bezugsphase aufweist.
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Nach
einem siebten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß einen
der vorhergehenden Aspekte dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper
zwei Schwingungserzeuger aufweist. Die Schwingungserzeuger sind
an verschiedenen Orten des Kühlkörpers angeordnet.
Die Schwingungserzeuger werden mit unterschiedlichen Spannungsverläufen
angesteuert. Über mindestens einem Teil des Kühlkörpers
lassen Interferenzen ausbilden, die eine turbulente Strömung,
eine Strudel- oder eine Wirbelbildung begünstigen.
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Nach
einem achten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß einen
der vorhergehenden Aspekte dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente
auf dem Kühlkörper montiert sind. Der Kühlkörper
und die Leuchtelemente bzw. ein Träger für die
Leuchtelemente sind über ein leitfähiges oder
isolierendes, schwingungselastisches oder schwingungsdämpfendes
Medium, wie einer Schicht aus vulkanisiertem Kautschuk verbunden.
Neben einem Kautschuk oder Gummi können auch elastische
und hitzebeständige und alterungsresistente Kunststoffe anderer
Art, daneben Silikone verwendet werden.
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Nach
einem neunten Aspekt ist ein LED-Strahler für die Verwendung
zur Lichtabgabe mit einem thermisch mit Leuchtelementen gekoppelten
Kühlkörper vorgesehen. Der LED-Strahler ist dadurch
gekennzeichnet, dass dieser vollständig oder mindestens
ein Teil oder ein Abschnitt seiner Oberfläche vibriert.
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Nach
einem zehnten Aspekt liegt der LED-Strahler für die Verwendung
zur Lichtabgabe nach vorstehendem Aspekt vor und ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper nach einem der zweiten bis
fünften Aspekte ausgeführt ist.
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Nach
einem elften Aspekt ist der LED-Strahler nach dem neunten oder zehnten
Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper
mit mindestens einem Antriebselement oder einem Schwingungserzeuger
gemäß dem sechsten und dem siebenten Aspekt aufweist.
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Nach
einem zwölften Aspekt ist der LED-Strahler nach einem der
neunten bis elften Aspekte dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente
auf dem Kühlkörper montiert sind. Der Kühlkörper
und die Leuchtelemente bzw. ein Träger für die
Leuchtelemente sind über mindestens eine Zwischenschicht
nach dem achten Aspekt verbunden. Bei vorgenannter Zwischenschicht
kann eine leitfähige Schicht, eine Folie oder eine Schichtenanordnung aus
Kunststoffen vorgesehen sein, wobei mindestens ein leitfähiger
Kunststoff enthalten ist. Leitfähigkeit bezieht sich bei
vorgenanntem auf elektrische Strom- und/oder thermische Wärme-Leitfähigkeit. Vorgenannte
Schicht kann auch ein Thermoelement bilden, das neben der Funktion
für den Wärmedurchgang auch zur Messung eines
elektrischen oder Wärmewiderstandes herangezogen werden
kann. Das Thermoelement kann im vorstehenden Falle ein Sensor und/oder
ein Teil eines Regelkreises im Sinne der vorgenannten Aspekte sein.
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Nach
einem dreizehnten Aspekt ist der LED-Strahler nach einem der neunten
bis zwölften Aspekte dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein
thermisch mit mindestens einem Leuchtelement gekoppelter Kühlkörper
vorliegt. In einer LED-Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen
können eine Mehrzahl an kleinen Kühlkörpern
nach einem der vorstehenden Aspekte in einer Anordnung beabstandeter
Einzelsysteme, beispielsweise einer Matrix zusammengefasst werden.
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Nach
einem vierzehnten Aspekt ist der LED-Strahler nach dem dreizehnten
Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkörper
vollständig oder mindestens ein Teil oder ein Abschnitt
der Oberfläche eines Kühlkörpers in Abwechslung
vibriert.
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Unter
vorgenanntem Vibrieren ist sind allgemein Schwingungen und Wellen
gemeint, die mechanische Schwingungen und Wellen enthalten, daneben
dynamisch veränderliche Verläufe einer physikalischen
Größe, wie eine Federkraft. Als Beispiel sei schwingender
Stab mit einseitiger Lagerung genannt. Das Vibrieren kann über
eine niedrige Frequenz beispielsweise im Bereich von 0 bis 100 Hertz, eine
Frequenz im Audiobereich von 20 Hertz bis 20 Kilohertz, KHz, oder
eine Frequenz im Bereich von 20 bis 100 KHz auch einen Teil oder
Teile eines elektromagnetischen Spektrums umfassen. Die Orientierung
und Richtung der Vibration kann in Längsrichtung, in Querrichtung
oder im Kreise erfolgen, je nach Anregung des Kühlkörpers
gemäß einem der fünften bis siebten Aspekte,
die sich mit dem Antrieb des Kühlkörpers befassen.
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Nach
einem fünfzehnten Aspekt ist bei dem LED-Strahler nach
einem der neunten bis vierzehnten Aspekte ein Reflektor vorgesehen,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Reflektor eine Formgebung
aufweist, die den Kühlkörper beim Entstehen einer
turbulenten oder wirbelförmigen Luftströmung begünstigt.
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Bei
der LED-Anordnung der vorliegenden Erfindung ist es nach den Ausführungsformen
für den Kühlkörper vorgesehen, den Kühlkörper
entweder als umlaufend gerippten Metallblock, bevorzugt aus Aluminium-Strangguss,
als massive Metallform, als umlaufend gewellte Metallplatte, als
massiver Kern mit eingepressten, über eine Presspassung
eingeführten, oder eingelöteten Lamellen oder
aus Vollmaterial gefräst zu fertigen. Daneben kann der
Kühlkörper auch als gestanztes, geformtes oder
gefaltetes Blechpaket, oder als aufsteckbarer Kühlstern,
Kühlkranz und Kühlfahnen ausgeführt sein.
Weiter kann bei Draufsicht auf den Kühlkörper
ein gerastertes Muster als gerasterte Anordnung mit einer Tiefe (Länge
der Kühlrippen bzw. -quader von der Basis aus betrachtet)
vorliegen. Ein gerastertes Muster ist beispielsweise eine rautenförmig
in einen massiven Rohling eingefräste Ausbildung an Kühlrippen
bzw. Kühlrauten.
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Um
den Wärmewiderstand möglichst gering zu halten,
soll der Kühlkörper bevorzugt aus gut wärmeleitendem
Material bestehen und vorzugsweise eine dunkle und möglichst
große Oberfläche besitzen. Weiter soll der Kühlkörper
vertikal montiert werden, um den Kamineffekt bei der Luftzirkulation
ausnutzen zu können.
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Ausgehend
von einer massiven Bodenplatte, soll die LED-Einheit beispielsweise
in der Mitte montiert werden, und soll dann also von der Mitte punktförmig
nach außen in Richtung des Umfangs abstrahlen. Weiter soll
ruhende Luft der Umgebung ohne zusätzliche Wärmeeinstrahlung
vorliegen.
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An
dem Boden oder am Umfang des Kühlkörpers soll
ein Vibrationsantrieb angebracht sein, beispielsweise ein Piezoelement,
der bzw. das den Kühlkörper vibriert. Der Kühlkörper
bewegt sich. Die einzelnen Lamellen, bzw. Kühlenden führen
Schwingungsbewegungen aus. Die Bewegung einer Lamelle bzw. einer
Wandung kann sowohl um ihre Einspannung bzw. Verbindung zur massiven
Basis erfolgen, beispielsweise hin-und-her schwingend, aber auch leicht
verzerrt, um eine Achse entlang der Einspannung verdreht bzw. tordiert
sein. Im Fall einer umlaufenden Kühlschlange kann auch
die Anordnung selbst vibrieren.
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Die
Art der Schwingung (Wellenform) und die räumliche Ausbildung
auf der Oberfläche der Lamelle bzw. auf dem Kühlkörper,
beispielsweise ein Entlanglaufen von Wellen über eine gerasterte
Anordnung, soll dabei durch die Geometrie und Formverlauf der Lamelle
bestimmt werden. Durch den Antrieb können bestimmte Schwingungsmuster
auch selektiv angeregt werden. Der Antrieb, im Falle eines elektrischen Piezoelementes
oder einer elektromagnetischen Spule, bzw. ein Vibrationsmotor,
erfolgt durch einen entsprechenden Signalverlauf (Spannung, Strom, Bezugsphasenwinkel,
Wellenform, Wellenart (transversal, longitudinal), spektrale Komponenten) über eine
Zuführung, bevorzugt ein Kabel oder ein Koaxialleitung,
die ein entsprechendes Schwingungsverhalten in Verbindung mit der
Geometrie der Lamellen bewirkt.
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Durch
die Vibration des Kühlkörpers wird die Ausbildung
einer laminaren Grenzschicht bzw. verhindert. Es entstehen turbulente
Strömungen. Die Kühlleistung wird erhöht.
Die Größe des Kühlkörpers kann
verringert werden. Eine Verringerung der Kühlung über
den Betriebszeitraum entfällt.
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Im
Zwischenergebnis ist und bleibt die LED-Anordnung zur Lichtabgabe
mit Leuchtelementen damit auch über lange Zeit wartungsfrei,
vor vorzeitiger Alterung und plötzlichem Betriebsausfall
bewahrt.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht der LED-Anordnung mit einem Lamellen-Kühlkörper
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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1a eine
Schrägansicht der LED-Anordnung gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit
länglichen Lamellen;
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2a eine
Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers
mit einem radial umlaufenden Kühlkranz und einer integriertem
LED-Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2b eine
Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers
mit radial strahlförmig auslaufenden Spitzen mit Innen-Ausnehmung
und einer integriertem LED-Einheit gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2c eine
Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers
mit einem radial strahlförmig auslaufenden massiven Kühlkörper
gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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2d eine
Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers
mit einem massiven Kühlkörper mit umlaufend gewelltem
Profil gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
eine LED-Anordnung 10 entsprechend der ersten Ausführungsform
von der Seite frontal dargestellt. Zunächst ist das Leuchtengehäuse 2 ist
durch zwei konkav nach innen gewölbte Seitenteile ausschnittsweise
gezeigt und mit Blick ins Innere der LED-Anordnung 10 freigeschnitten.
Vorliegend können vorgenannte Seitenteile also radial umlaufend
sein und eine Halbschale bzw. Hemisphäre bilden. Im Fall
einer länglichen LED-Leuchte kann man sich 1,
alternativ interpretiert, auch hinter die Zeichnungsebene linear
verlängert vorstellen, so dass die Seitenteile dann eine
rechter und ein linker Teil eines länglichen Profils darstellen.
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Weiter
ist, angeschlossen an das Leuchtengehäuse 2 und
zum Abschluß der LED-Anordnung gegenüber den Außenraum,
ist ein Lichtaustrittelement 4 vorgesehen. In an sich bekannter
Weise kann das Lichtaustrittselement im einfachsten Fall eine transparente
oder leicht metallbedampfte Glassplatte in Verbindung mit einem
Gitter oder einem Rasterreflektor sein. Das Lichtaustrittselement
kann lösbar mit dem Leuchtengehäuse 2 verbunden
sein.
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An
dem Leuchtengehäuse 2 schließt sich oben
der Kühlkörper 6 an. Die Verbindung des
Kühlkörpers zum Leuchtengehäuse kann
elastisch durch eine (außerhalb der Zeichnung stehende)
Zwischenschicht aus einem elastischen Material, das auch dichtet,
vorliegen.
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Der
Kühlkörper 6 weist hier, rein beispielhaft ausgeführt,
eine regelmäßige Struktur von Kühllamellen 8 auf.
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Die
LED-Einheit 12 ist geeignet mechanisch, thermisch, ggf.
auch elektrisch mit dem Kühlkörper elastisch verbunden.
An der LED-Einheit ist beispielsweise eine LED 14 gezeigt,
wobei es sich versteht, dass die LED-Einheit 12 auch einen
größeren Bereich des Kühlkörpers 6 einnehmen
kann und mehrere LEDs in einer Matrix-Anordnung führen kann.
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Im
Betrieb dienen die Kühllamellen 8 zur Kühlung
der LED-Einheit 12, also für die Abfuhr der bei
der Lichterzeugung angefallene Verlustwärme. Die Verlustwärme
wird dabei von innen aus der LED-Einheit über den Kühlkörper
geleitet und an den Enden, beispielshalber als vertikale Linen im
Kühlkörper 6 gezeigt, nach außen
transportiert und in den Außenraum abgegeben.
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Der
Kühlkörper 6 kann durch einen (außerhalb
der Zeichnung liegenden) Antrieb in Schwingungen versetzt werden.
Im Betrieb bleibt die Ausbildung einer laminaren Grenz- bzw. Isolierschicht
aus. Vielmehr treten durch die Vibration der Kühlkörperoberfläche
oder an den Enden des Kühlkörpers Turbolenzen,
Wirbel und eine höhere Luftgeschwindigkeit auf. Die Vermischung
der Umgebungsluft wird verbessert. Die Wärmeabfuhr wird
also merklich wirkungsvoller.
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Zudem
wird auch dem Verstauben der Kühlkörperlamellen
vorgebeugt, Übertemperaturen mit Rückwirkung auf
das LED-Element werden vermieden. Die angetriebenen Lamellen bewegen
sich und werden ausreichend belüftet bzw. umwirbelt.
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1a zeigt
die LED-Anordnung aus 1 in Schrägansicht,
wobei eine radial umlaufende Form des Leuchtengehäuses 2 bei
der LED-Anordnung zugrunde gelegt wurde.
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Zum
Beispiel können aber auch symmetrisch über den
Umfang verteilte Abschnitte als eine Art Seitenfenster 3 aus
einem transparenten Kunststoff gebildet sein, falls ein Lichtaustritt
zur Seite erwünscht ist. Das oder die Seitenfenster können
wie das Lichtaustrittselement 4 in 1 ausgeführt
sein, wobei es sich anbietet, eine geraute Oberfläche für
einen Diffusor für eine gleichmäßige
Lichtverteilung vorzusehen.
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Im Übrigen
kann für eine optisch ansprechende und handliche Form,
beispielsweise, neben einem ein Kugelradius, eine Ei-, Ellipsen-
oder Parabelförmige Ausgestaltung des Leuchtengehäuses gewählt
werden.
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Die
Kühllamellen 8 des Kühlkörpers 6 sind
in 1a länglich parallel beabstandet dargestellt
und haben eine bestimmte Dicke. Die Dicke kann dabei bevorzugt so
gewählt werden, dass die Lamelle schwingfähig
ist. Nebenstehend ist ein Teil einer Einzellamelle 8a gezeigt,
um durch eine Rasterung anzudeuten, dass die Oberfläche
der Lamelle ein Profil 7 aufweisen kann.
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Vorstehende
Oberfläche kann insbesondere, rauh, geriffelt oder schuppen-
oder dachplattenförmig ausgebildet sein, sie kann ein Höhen-
oder Tiefenprofil bzw. Unebenheiten entlang der Lamelle aufweisen.
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Vorgenanntes
erlaubt, laminare Strömungen an der Lamelle zu vermindern
und Ausbildung von Turbulenzen zu fördern. Auch der Antrieb
des Kühlkörpers kann unterstützt werden.
Umgekehrt kann vorstehendes bei der Art der Ansteuerung des Antriebes
im Hinblick auf Amplitude, Frequenz und Wellenform, mitberücksichtigt
werden.
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In 2a ist
eine Sicht von oben auf den Kühlkörper 20a gezeigt.
Der Kühlkörper 20a läßt
sich als Kühlkörper 6 aus 1 mit
dem Leuchtengehäuse 2 einsetzen.
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Vorliegend
wurde ein umlaufender Kühlkranz 22 eingesetzt,
der auch als sog. Heatpipe ausgeführt sein kann. Die vertikalen
Linien in 1 entsprechen den nach außen
zeigenden gerundeten Ecken des Kühlkranzes.
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Der
Kühlkranz kann aus massivem Material gefräst oder
gegossen sein. Der Kühlkranz ist auf einer Bodenplatte 24 bzw.
einer massiven Grundplatte angeordnet. Die äußere
Umrandung 23 kann als Grenzlinie für die Abmessung
der Grundplatte dienen.
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Allerdings
können, insbesondere im Fall der Heatpipe, auch Lamellen
mit einem ringförmig umlaufenden Rohr als Ringradiator
verbunden sein, dass in Verbindung mit einer Bodenplatte 24 des Kühlkörpers 20a steht,
wobei ein Kühlmittel zirkuliert. In der Bodenplatte sind
dann innen verlaufenden Ausnehmungen bzw. Kühlschlangen
vorgesehen.
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In
der Mitte von 2a ist, rein exemplarisch als
Wärmequelle, wiederum die LED-Einheit 12 und die
LED 14 eingezeichnet.
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Der
Kühlkranz entspricht nach 2a einer umlaufenden
geschlossenen Welle oder Wendelung. Der Kühlkranz, vorliegend
mit 20 regelmäßigen und gerundeten Windungen
bzw. Perioden des Wandungsverlaufs ausgeführt, kann auch
eine andere Anzahl an Wandungen bzw. eine andere Wellenlänge
aufweisen. Die Wellenform des Umlaufs kann verändert sein.
Beispielsweise können statt den Rundungen 26 auch
rechteck- oder trapezförmige Wandungen bzw. Lamellenwandungen
möglich sein.
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Daneben
können einzelne Wandungen fehlen bzw. Flächen
plan sein, d. h. es fehlen Abschnitte in der umlaufenden Welle.
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Daneben
kann eine umlaufende Feder als Kühlkranz zum Einsatz kommen.
Weiter kann die Feder mehrfach wie bei dem Wickeln einer Spule um den
Umfang laufen und nach oben schraubenförmig verjüngt
oder als gewendelte Wendel ausgebildet sein.
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Weiters
kann das Prinzip der Heatpipe mit eine Flachspule kombiniert werden.
Ein Rohr wird dabei spulenförmig von innen nach außen
gewickelt. Im Inneren der Flachspule zirkuliert Kühlflüssigkeit,
die wärmeleitend, elektrisch leitend, oder isolierend oder magnetisch
ist. An der Flachspule liegt eine Wechselspannung. Da sich durch
geeignete Ansteuerung erreichen läßt, dass Flachspulen
innen kälter sind als außen, jedenfalls sich ein
Temperaturunterschied vom Mittelpunkt zum Umfangs ausbilden last,
kann man das Prinzip des Gegenstromkühlers vorteilhaft anwenden,
indem man den Ausgang der Kühlschlangen des massiven Kühlkörpers
zur Mitte der Basis heranführt und mit dem Eingang des
spulenförmigen Rohres verbindet.
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Schließlich
kann auch eine über den Umfang einer Geometrie laufende
geschlossene Radkurve als sog. gewöhnliche Zykloide, ähnlich
der zweiweg-gleichgerichteten Variante der vorgenannten geschlossenen
Welle als sog. gestreckte Zykloide, verwendet werden. Der Umfang
der Geometrie kann ein Kegelschnitt, wie vor ein Kreis, aber auch
ein Polygon sein. Falls ein umlaufendes dünnes Rohr vorgesehen
ist, kann dies gewendelt werden als sog. verschlungene Zykloide.
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In
der 2b ist ein Kühlkörper 20b gezeigt, bei
dem das sternförmig von einem Zentrum ausgehende (ursprünglich
sternförmige) Profil in der Zeichnungsebene verdreht wurde.
Eine Art Rechtsrotation ist bei tangential nach außen laufenden
Kühlkörperenden 28 als den äußeren
Enden der Kühllamellen 8b ausgebildet. An den
Kühlkörperenden 28 kann eine zylinder-
oder polygonförmige Umwölbung, Umkragung oder
Umrundung mit einem Radius 28a vorliegen um scharfe Kanten
zu meiden. Der Radius 28a ist in der Zeichnung an zwei
benachbarten Spitzen stellvertretend für die anderen Enden
gezeigt. Die Fortsetzung ist durch drei Punkte „...” angedeutet,
soweit alle Spitzen einen Radius 28a erhalten; die Lamellen
können auch gekürzt bzw. gestaucht sein. Durch
den Radius 28a am Lamellenende lassen sich die thermische
Ankopplung an den Außenraum an der Spitze der Kühllamelle
optimieren und das Abstrahlverhalten bzw. die Großsignaleigenschaften des
Kühlkörpers verbessern. Daneben kann auch das
mechanische Schwingverhalten optimiert werden.
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Der
Kühlkörper 20b ist thermisch mit einer (nicht
gezeigten) Bodenplatte 30 stoffschlüssig, formschlüssig
oder lösbar verbunden. Im Inneren des Kühlkörpers
ist eine kreisförmige Ausnehmung vorgesehen, die bevorzugt
Bohrungen aufweist, beispielsweise zur Befestigung für
die LED-Einheit 12 mit LED 14 und zur Durchführung
der Versorgungskabel und Steuerleitungen.
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Die
hier rein exemplarisch spitz ausgeführten Ecken, können,
wie in 2a ausgeführt, wiederum
durch Radien abgerundet werden.
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2c zeigt
einen weiteren massiven Kühlkörper 20c in
Draufsicht mit einem sternförmigen oder sonnenstrahlenartigen
Profil als sog. Sonnenform-Kühlkörper oder Sonnenstrahlkühlkörper.
Sonnenform bedeutet hierbei, dass ein massiver zylindrischer Kern
im Mittelpunkt mit einem hier kreisförmig ausgeführten
Umfang vorliegt. Aus dem Ursprung bzw. Mitte entspringen eine Vielzahl
an sog. Sonnenstrahlen oder Sonnenstraßen.
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Sowohl
die Anzahl an vorgenannter Strahlen, der Umfang des massiven Kerns,
als auch das Verhältnis zwischen Strahlenlänge
und Kernumfang können für eine möglichst
große Oberfläche für den Wärmeaustausch
gewählt werden. Es versteht sich dass einzelne oder mehrere
Strahlen an einer Seite entfallen können, beispielsweise
für die Zuführung einer Versorgungsleitung für
das LED-Element, falls dies aus bautechnischen Gründen
bevorzugt wird. Das LED-Element (ungezeigt) kann unten an den Kühlkörper
thermisch angeschlossen werden.
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Wie
bei 2b besonders deutlich und bei 1 angedeutet,
wurde als Beispiel so gewählt, dass die Enden des Kühlkörpers
alle gleich lang von einem Zentrum abstehen. Vorliegend wurde ein
dreieckförmiger Querschnitt gewählt, der sich
nach außen verjüngt. An Vorgenanntem fehlt es
aber, wenn ein Zylinder Rohling, lediglich senkrecht zum Umfang in
Richtung des Mittelpunktes längs und/oder quer eingefräst
bzw. gerastert wird. In beiden vorgenannten Fällen können
die Flächen in Rotationsrichtung (Schneidflächen)
auch ein gewelltes Profil oder eine Oberflächenstruktur
aufweisen.
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Vorstehendes
Profil ermöglicht folgenden Vorteil: Wird der Kühlkörper
bei einer Vielzahl von im wesentlichen gleichartiger Enden 28c in
der Nähe der Eigen- bzw. Resonanzfrequenz angeregt, wofür zudem
naturgemäß nur eine geringe Energie aufgewendet
werden muß, der Antrieb kann also entsprechend einfach
ausgestaltet werden, entsteht aus den vielfachen Resonanzen, Zeitverzögerungen
und Reflexionen der schwingenden Enden untereinander eine Art Hall
mit einem Rauschanteil.
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Vorliegend
ist der vorstehende Rauschanteil wiederum vorteilhaft für
die Verbesserung der Kühleigenschaften. Die Ausbildung
von Turbulenzen wird die schwingenden bzw. rauschenden Kühlkörperlamellen
verbessert. Im Ergebnis besteht ein synergetischer Effekt. Die verbesserte
Verwirbelung der kühlenden Luft verbessert die Kühlung
des LED-Elementes. Über die Form bzw. Strahlenform der
Enden 28c kann auf die Art des Rauschens, Nachhallzeiten
und die spektrale Dichteverteilung der Resonanzen bzw. das Klirren
des Kühlkörpers Einfluss genommen werden, um so
ein gleichmäßiges Rauschen des Kühlkörpers
zu begünstigen.
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Um
zur Anregung in der Nähe der Resonanz zu gelangen, kann
eine einfache Regelschaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator
dienen, der in dem Bereich der zu erwartenden Resonanzfrequenzen
schwingen kann. Als von einem Sensor gelieferte Regelspannung dient
die Amplitude der Schwingung des Kühlkörpers.
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Solange
die Amplitude außerhalb ihres Maximums oder eines Sollwertes
liegt, erhöht die Schaltung die Regelspannung langsam,
d. h. die Oszillatorfrequenz erhöht sich. Der Anstieg der
Oszillatorfrequenz dauert an, bis die Regelspannung wieder abfällt.
Die Amplitude der Eigenschwingung nimmt nach Überschreiten
des Resonanzpunktes wieder ab. Nach vorstehendem Verfahren läßt
sich der Resonanzbereich des Kühlkörpers durchfahren.
Die Nähe der Resonanzfrequenz ist also dann erreicht, wenn
die Regelspannung gegen ihr Maximum tendiert, also die Änderungen
immer größer werden und sich fast ein Gleichgewicht
zwischen Regelspannung und Oszillatorfrequenz einstellen würde.
Die optimale Anregungsfrequenz wird bevorzugt aus Sicherheitsgründen
etwas neben der Resonanzfrequenz des Kühlkörpers
gewählt, alternativ bei einer Harmonischen. Auch sollten
Gehäuseresonanzen der LED-Anordnung berücksichtigt
werden. Bei kleinen Anregungsamplituden kann auch auf die Resonanzgrundfrequenz
des Kühlkörpers abgestimmt werden.
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Durch
eine geeignete Wahl von Anregungsfrequenz und -amplitude ist bevorzugt,
dass der Kühlkörper ausreichend vibriert, so dass
die Ausbildung von laminaren Strömungen unterbleibt, aber
noch keine merkliche Geräuschentwicklung von der LED-Anordnung
ausgeht.
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2c und 2b können
kombiniert werden. Am Boden ist die Profilierung nach 2c angesetzt
und nach oben verlaufend liegt eine Verdrehung um eine gemeinsame
Mittelachse der Lamellen vor auf der Basis von 2b,
wobei allerdings entgegen beiden Zeichnungen gleiche Strahlenanzahlen zugrunde
gelegt werden.
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Werden
nun die Profile von 2c in vorgenannter gegeneinander
um einen bestimmten Winkel verdreht, können die einzelnen
Lamellen 8b aus 2b anstelle
des senkrechten Verlaufes in die Zeichnungsebene hinein schief oder
geneigt, d. h. vertikal zur Zeichnungsebene verdreht, angeordnet sein.
Daneben kann (ungezeigt) eine konische oder kugelförmige
Anordnung des Kühlkörpers vorgesehen werden, bei
der Außendurchmesser nach oben abnimmt. Bei Vorgenanntem
ist der Bodendurchmesser anhand des Profils aus 2c geringer
als der Durchmesser des Profils aus 2b.
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Nach
Vorgenanntem entspricht der Kühlkörper im Ergebnis
eigentlich einem massiven stehenden Lüfterrad, dass schwingfähige
Enden aufweist. Die am Kühlkörper vorbeiströmende
Luft erzeugt selbst Wirbel und ggf. auch etwas Kälte. Es
ist also auch durch die Formgebung des Kühlkörpers
zumindest ansatzweise möglich, laminare Strömungen
an den Oberflächen der Lamellen zu meiden, bzw. die Ausbildung
von Turbulenzen zu fördern oder vorherzubestimmen. Wird
nun der Kühlkörper in Schwingungen versetzt, beispielsweise,
wenn auf Resonanzen abgestimmt wird, so dass die Enden merklich bzw.
eine sichtbare Schwingungsamplitude aufweisen, dann kann der Einsatz
eines Lüfters als zusätzliches Bauteil entfallen
wie auch das Problem der Luftmischung. Der Kühlkörper
erzeugt seine eigene Strömung. Es können größere
Kühlleistungen bereitgestellt werden.
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2d zeigt
einen weiteren massiven Kühlkörper 20d mit
wellenförmig umlaufendem Profil als Abwandlung von 2a.
Die Kühllamellen sind im Vergleich zu 2b sehr
kurz ausgeführt und bringen eher minimale Oberflächenvergrößerung,
allerdings bei maximaler Massivheit des Kühlkörpers. Vorstehendes
soll im Vergleich zu den vorangegangenen Figuren die Variationsmöglichkeiten
wesentlicher, die Funktion bestimmende, Parameter des Kühlkörpers
zeigen, insbesondere Wärmekapazität, Wärmewiderstand
und Strömungsgeschwindigkeit an den Oberflächen.
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Die äußere
Umrandung, gestrichelt gezeichnet, dient als Orientierungshilfe
für Umfang der Grundplatte.
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Weiterführend
seien als Geometrieformen für einen Kühlkörper
noch weitere Rollkurven (Zykloiden, Epizykloiden, Hypocyloiden)
erwähnt, bei der sich Kreise mit unterschiedlichen Durchmessern
aufeinander oder ineinander abwälzen, besonders eine Rosenkurve,
ein mehrblättriges Kleeblatt oder ein Zahnrad.
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Wiederum
kann das LED-Element (angezeigt) unten (bzw. unterhalb der Zeichnungsebene gemäß 1)
mit dem Kühlkörper thermisch verbunden werden.
Es versteht sich, dass statt der sternförmigen oder zahnigen
Ausgestaltungen auch Polygone zur Anwendungen kommen können.
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Weiterhin
ermöglicht die Formgebung am Beispiel der 2a eine
maximale Geschwindigkeit der Luftströmungszirkulation,
so dass die maximale Wärme von der LED-Einheit abgeführt
werden kann. Zudem wird Vorgenanntes ohne zusätzliche Energie erreicht,
so dass der Kühlwirkungsgrad sehr hoch ist.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird somit eine einfache, elegante und
wirkungsvolle Möglichkeit geschaffen, einen wohltemperierten
Bereich einer LED-Anordnung, insbesondere einer Leuchte mit einzelnen
LED-Leuchtelementen einer LED-Leuchte zu fördern.
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Die
Kühlung durch den vibrierenden Kühlkörpers
bei unterstützender Formgebung ist aktiv und ermöglicht,
dass die sämtliche Vorteile und die Überlegenheit,
die eine erfindungsgemäße LED-Anordnung hinsichtlich
Wirtschaftlichkeit, Lebensdauer, Wartungsfreiheit und Zuverlässigkeit
bietet, ausgenutzt werden können und dem Anwender zugute kommen.
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Darüber
hinaus ist die Kühlung durch den Vibrationskühlkörper
auch von der Kühleffizienz unter Ausnutzung von durch den
Antrieb selektiv, unterstützend bzw. durch den Kühlkörper
ausbildbaren Turbulenzen so gut, dass LED-Einheiten selbst bei hohen Umgebungstemperaturen
und maximalen Leistungen bei optimalen Temperaturen betrieben werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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