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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchte mit mindestens einer
Lichtemittierenden Dioden-, LED, -Einheit. Die LED-Einheit weist
eine thermisch gekoppelte Kühleinrichtung auf.
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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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Nach
der
US 2006/0092658
A1 ist eine Fahrzeugleuchte mit LEDs auf einer elastischen
Leiterplatte mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung bekannt.
Die Fahrzeugleuchte soll sich für das Eindrücken
in die Karosserie eignen und sich an die Außenhülle
anschmiegen. Obwohl bei vorgenanntem Ansatz Anhaltspunkte zur Kühlung
fehlen, sind die einzelnen LEDs etwa im Verhältnis 1 zu
6 beabstandet, d. h. der Abstand zur nächsten LED ist also
etwa 6-mal größer wie die Breite der LED.
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Der
Wärmewiderstand zwischen Sperrschichten der einzelnen LEDs,
beispielsweise als LED-Einheit zusammengefasst, und umgebender Luft
kann durch einen Vermittler, beispielsweise ein Kühlkörper
merklich vermindert werden, der weiters mit einem Kühlmedium
korrespondiert.
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Kühlkörper
werden üblicherweise aus einem gut wärmeleitfähigen
Metall ausgeführt und bestehen meist aus Aluminium, Kupfer,
Stahl oder Legierungen. Häufig werden auch Teile eines
Aluminium- oder Stahlblechgehäuses als Kühlkörper
mitverwendet.
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Funktionell
soll der Kühlkörper wie ein Übertragungselement
die erzeugte Verlustwärme durch Wärmeleitung vom
wärmeerzeugenden Bauelement als einer Quelle rasch weg-
bzw. ableiten zu einer Senke, bzw., die Verlustwärme dann
durch Austauschprozesse wie Wärmestrahlung und Konvektion
an die Umgebung abgeben.
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Um
den Wärmewiderstand möglichst gering zu halten,
wurde vorgeschlagen, der Kühlkörper solle bevorzugt
aus gut wärmeleitendem Material bestehen, viel Masse aufweisen,
vorzugsweise eine dunkle und möglichst große Oberfläche
besitzen. Weiter sollte der Kühlkörper vertikal
montiert werden, um durch den sog. Kamineffekt die Luftzirkulation
zu unterstützen. Gebräuchliche Dimensionierungsvorschriften
legen dann noch annähernd quadratische Kühlbleche
aus blankem Blech nahe, bei dem die LED-Einheit in der Mitte montiert
werden soll, also punktförmig abstrahlen sollte. Weiter
wird ruhende Luft ohne zusätzliche Wärmeeinstrahlung
vorausgesetzt.
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Sodann
ist die Funktion des Kühlkörpers bzw. der Wärmeübergang
von einer Wärmequelle zum umgebenden Kühlmedium,
bevorzugt Luft (ggf. auch Wasser oder andere Flüssigkeiten
wie Öle) 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
ist bei vorgenanntem Ansatz gemeinsam, dass immerhin eine bessere
thermische Ankopplung bzw. Impedanzanpassung an den Außenraum
zur Wärmeabfuhr möglich erscheint, wenn die Dichte
an Leuchtelementen auf dem Schaltungsträger erhöht
wird. Man wird auch dazu neigen, den Kühlkörper
für die unter Betriebsbedingungen maximal anzunehmende
Wärmemenge unter ungünstigsten Umständen
zu dimensionieren.
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Trotz
vorgenannten Vorkehrungen zeigt sich im praktischen Betrieb, dass
bei herkömmlichen Lösungen ein gewisses Zurückbleiben
der tatsächlichen Kühlleistung hinter der erforderlichen
Kühlleistung eintritt. Entsprechende Überdimensionierung der
Kühlkörper wäre also erforderlich. An
den Grenzenflächen zwischen den Enden der Kühlrippen
und der umgebenden Luft bilden sich nämlich laminare Strömungen
aus.
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Weiter
bestehen Gradienten im Wärmeübergang, bzw. eine
Art stationäre Isolationsschicht, so dass die Verlustwärme
nur zu einem Teil und auch lokal unterschiedlich abgeführt
wird. Vorgenanntes erhöht den Berechnungsaufwand.
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Zudem
stellt sich eine stufen- bzw. kaskadenartige Sättigung
der Kühlleistung nach bestimmten Zeitabständen
ein. Um eine Hysterese vorgenannter Art, also das Zurückbleiben
der Kühlwirkung hinter der sie bedingenden Ursache, vorgenannter Isolationsschicht,
in den Griff zu bekommen, muß man den Kühlkörper
nach obenstehenden Kriterien verbessern, beispielsweise, mit einer
größeren Oberfläche ausstatten oder seine
Wanddicke vergrößern. Damit steigt aber der Materialeinsatz
und ein schmales, platzsparendes Design wird erschwert oder verhindert.
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Weiter
ist aus der
US 7,204,615
B2 ist eine LED-Anordnung bekannt, die eine Wärmeableitungsstruktur
und einem Generator aufweist, der einen Flüssigkeitsstrom
zur Kühlung erzeugt. Ein auf einem Sockel eingespanntes
und abstehendes Plättchen aus Metall, ein Kantilever, wird
durch ein Piezoelement bzw. eine aufgebrachte piezoelektrische Keramik-Schicht
in Schwingungen versetzt bzw. erzeugt elasto-dynamische Wellen.
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Zwar
mag sich mit vorgenannter Anfächerung von Luft durch vorgenannten
Wellenerzeuger das Problem der Ausbildung einer laminaren Strömung
lindern lassen. Aber bei Piezoelementen zur Kühlung dürfte
neben der aufwendigen Herstellung der Schichten wohl mit einem betriebsbedingten
Verschleiß zu rechnen sein. Vorgenanntes kann zum Ausfall
der LED-Leuchte führen.
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Es
wäre daher wünschenswert, den Kühlkörper
so zu verbessern, dass eine Wärmeabgabe unter Vermeidung
der obengenannten Nachteile möglich ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend 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 mit Leuchtelementen zur Lichtabgabe
gemäß dem Anspruch 1 und durch eine Kühleinrichtung
zur Verwendung in einer Leuchte gemäß dem Anspruch
14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche.
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Demgemäß wird
nach einem ersten Aspekt eine Anordnung mit Leuchtelementen zur
Lichtabgabe vorgeschlagen, mit mindestens einer Licht-emittierenden
Dioden-, LED, -Einheit und einer mit der LED-Einheit thermisch gekoppelten
Kühleinrichtung, die mindestens einen Kühlkanal
zur Durchströmung eines Kühlmediums und zum Abtransport
der Verlustwärme der LED-Einheit aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel zur aktiven Förderung des durch den Kühlkanal
strömenden Kühlmediums vorliegen. In Verbindung
mit den Mitteln zur aktiven Förderung oder Kühlung
durch das Kühlmedium ist ferner vorgesehen, dass die Anordnung
entsprechende der Schutzklasse IP6x geschützt ist.
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Nach
einem zweiten Aspekt ist bei der vorgenannten Anordnung der Kühlkanal
in der Nähe der LED-Einheit angeordnet.
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Nach
einem dritten Aspekt sind das Leuchtengehäuse und der Kühlkanal
bzw. die Kühlkanäle, auch im Fall der an sich
räumlich nahen Anordnung oder Unterbringung in einer gemeinsamen
Häusung wie dem Leuchtengehäuse, dichtungstechnisch
getrennt. Die die Trennung erfolgt beispielshalber in dichtungstechnischer
Hinsicht, insbesondere, wenn eigens ein IP6x Lüfter verwendet
wird.
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Nach
einem vierten Aspekt ist in dem Kühlkanal nach einem der
vorstehenden Aspekte mindestens ein Lüfter, insbesondere
ein Axial- oder Radiallüfter oder eine Strahlturbine angeordnet.
Der Lüfter kann dabei wiederum als ein Lüfter
nach einer Schutzart wie IP6x vorgesehen sein.
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Nach
einem fünften Aspekt ist der Lüfter außerhalb
des Kühlkanals.
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Nach
einem sechsten Aspekt ist der Kühlkanal so ausgestaltet
ist, dass die Form des Kühlkanals veränderlich
ist. Der Kanalquerschnitt ist, insbesondere in der Nähe
der LED-Einheit, verringert. Vorstehend kann insbesondere der Kanalquerschnitt über die
Kanallänge veränderlich sein. Die Querschnittsveränderung
wirkt dabei auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums
(sog. Diffusor). Daneben verbessert eine spezielle Formgebung der
Kühlkanäle, etwa vorstehende Querschnittsveränderung
des Kühlkanals oder des im Kanal vorliegenden Strömungsquerschnittes
oder eine räumli che Veränderung, Krümmung,
Biegung oder Wendelung der Kanalwandungen die Kühlwirkung
durch Erzeugung von Turbulenz merklich.
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Nach
einem siebten Aspekt weist der Kühlkanal an seiner Oberfläche
zumindest teilweise eine raue oder geriffelte Oberflachenstruktur
auf. Vorgenannte Profilierung oder Störung einer glatten
Oberfläche ermöglichen die Verminderung, dass
sich laminare Strömungen ausbilden. Die Oberfläche
kann dabei dünn eingefräst bzw. angeriffelt, mit
einem Gewinde bestimmter Tiefe und Steigung ausgestattet, gewendelt,
oder soweit für innere Oberflächen möglich,
gerändelt werden.
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Nach
einem achten Aspekt ist die Anordnung mit Leuchtelementen zur Lichtabgabe
mit einem Netz von Kühlkanälen durchzogen. Beispielsweise
kann der Kühlkörperblock besonders feine Bohrungen
mit sehr kleinem Durchmesser aufweisen, so dass eine parallele Ansammlung
von Mikroröhren, Kapillaren oder feinen Waben vorliegt,
um eine hohe Oberfläche bzw. eine hohe Wärmeaustauschfläche
bereitzustellen. Die Oberfläche der Innenwände
wiederum können beispielsweise durch Ätzen bearbeitet
werden.
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Nach
einem neunten Aspekt ist am Kühlkanal eingangs- und ausgangsseitig
eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Kühlmedium von
Feuchtigkeit und Staub trennt oder abweist. Nach einem zehnten Aspekt
ist die vorgenannte Einrichtung eine semipermeable Membran, ein
Filter aus einem Schaumstoff, ein Schwamm, Aktivkohle, ein Steingranulat,
ein Kapilarkörper aus Metal, ein Katalysator, ein Trocknungsmittel,
ein Bauteil mit einer mikroporösen Oberfläche,
eine Anzahl an Kühlwindungen oder ein Labyrinth. Die permeable
Membran kann in einem mechanischen Gehäuse eingeschlossen
sein, um sie von den Elementen der Leuchte geeignet zu schützen.
Auf diese Membran könnte allerdings auch verzichtet werden,
wenn Leuchtenraum und Kühlkanäle, beispielsweise
dichtungstechnisch, getrennt sind. Der Leuchtenraum ist der Raum,
der vom Leuchtengehäuse umschlossen wird.
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Nach
einem elften Aspekt ist der Kühlkanal in der Form eines
Venturi-Rohres ausgeführt ist, bei dem sich der Kanalquerschnitt
von den beiden Längsseiten nach innen zum Zentrum der Leuchte hin
verjüngt. Die Formgebung des Kühlkanals weist min destens
einen Bereich mit reduziertem Kanalquerschnitt auf; eine wellenförmige
Reduzierung, d. h. mehrere Bereiche können vorgesehen sein.
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Nach
einem zwölften Aspekt ist das Venturi-Rohr in einem massiven
Kühlkörper aus einem Metall ausgebildet.
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Nach
einem dreizehnten Aspekt weist eine Leuchte eine Anordnung mit Leuchtelementen
zur Lichtabgabe im Sinne der vorgenannten Aspekte auf. Vorstehende
Anordnung kann als Lichterzeugungseinheit bzw. als Teil einer Leuchte
dienen. Mehrere Anordnungen können wiederum als sog. Array
oder als Matrix beispielsweise auf einer Fläche im Raum gruppiert
angeordnet werden.
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Nach
einem vierzehnten Aspekt weist eine Kühleinrichtung zur
Verwendung in einer Anordnung mit Leuchtelementen zur Lichtabgabe
mindestens eine LED-Einheit auf. Die Anordnung weist weiter eine
mit der LED-Einheit thermisch gekoppelte Kühleinrichtung
auf. Die Kühleinheit enthält mindestens einen
Kühlkanal zur Durchströmung eines Kühlmediums
und zum Abtransport der Verlustwärme der LED-Einheit. Vorstehende
Kühleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel
zur aktiven Förderung des durch den Kühlkanal
strömenden Kühlmediums vorliegen und der Kühlkanal
entsprechend der Schutzklasse IP6x geschützt ist.
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Nach
einem fünfzehnten Aspekt ist vorstehende Kühleinrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkanal mindestens
ein Lüfter, mehrere Axial- oder Radiallüfter oder
eine Strahlturbine angeordnet ist.
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Nach
einem sechzehnten Aspekt im Bezug auf den zwölften oder
sechzehnten Aspekt ist der Kühlkanal in der Form eines
Venturi-Rohres ausgeführt ist, bei dem sich der Kanalquerschnitt
von den beiden Längsseiten nach innen zum Zentrum der Leuchte
hin verjüngt.
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Nach
einem siebzehnten Aspekt ist am vorstehenden Kühlkanal
eingangs- und ausgangsseitig eine Einrichtung gemäß dem
fünfzehnten bis siebzehnten Aspekt vorgesehen, die das
Kühlmedium von Feuchtigkeit und Staub trennt oder abweist.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es zunächst
vorgesehen, dass sich in der Nähe der LED-Lichtquellen
ein Kühlkanal durch das Gehäuse hindurch erstreckt.
Der Kühlkanal enthält eine oder mehrere Ventilatoren, über
welche Kühlluft durch den entlang des Kanals befördert
werden kann. Durch eine spezielle Ausgestaltung des Kanals kann
erreicht werden, dass im Bereich der LED-Lichtquellen hohe Strömungsgeschwindigkeiten
des Kühlmediums erzielt werden. Dementsprechend wird die angefallene
Verlustwärme effektiv und zuverlässig abgeführt.
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Die
vorliegende Anordnung mit Leuchtelementen ist insbesondere für
den Außenbetrieb bzw. für den Einsatz im Freien
vorgesehen. Ferner ist eine möglichst hohe Schutzklasse
vorgesehen.
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Die
Leuchtelementeanordnung wird durch vollständigen Berührungsschutz
und Schutz gegen das Eindringen von Staub (staubdicht) und Feuchtigkeit
gegenüber äußeren Einflüssen
geschützt, gemäß DIN EN 60529,
Schutzarten durch Gehäuse, bzw. Schutzklasse IP 6x.
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Bevorzugt
ist für die Leuchte eine Schutzklasse IP 65 oder höher
(IP 68). Vorgesehen ist beispielsweise auch die Schutzklasse IP69k.
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Bei
vorgenannter Schutzklasse IP 65, IP 68 oder IP 69k, steht IP vorliegend
für International oder Ingress Protection, Eindringschutz.
Weiter steht die erste Ziffer für den Schutz vor dem Eindringen
von Festkörpern in die Leuchte, wobei die Ziffer 6 einen vollkommenen
Schutz gegen Staub bedeutet. Sodann steht die zweite Ziffer für
den Schutz gegen das Eindringen von Flüssigkeiten, wobei
die Ziffer 5 besagt, dass die Leuchte gegen Wasserstrahl mit niedrigem
Druck aus allen Seiten geschützt ist, wobei ein begrenzter
Eingang erlaubt wird. Die Ziffer 8 besagt, dass die Leuchte für
dauerndes Eintauchen in Wasser nach Herstellerspezifikation geeignet
ist. Schließlich besagt die Ziffer 9k, dass die Leuchte
gegen Hochdruck-Dampf- und -Wasser geschützt ist.
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Im
Hinblick auf den Kühlkanal ist vorgesehen, dass Eingang
und Ausgang des Kühlkanals mit Hilfe einer Membran verschlossen
sind, wobei die Membran für Luft durchlässig ist,
entsprechend einer der vorgenannten Schutzklassen, allerdings dicht
gegenüber Feuchtigkeit und Staubpartikel ist. Für
Vorgenanntes kann z. B. eine Membran mit einer mikroporöse
Oberfläche oder einem Labyrinth eingesetzt werden. Bei
großen Systemen und Lichtleistungen und hohen Temperaturen
des Kühlmediums können elektrostatische Filter
vorgesehen werden, an denen beispielsweise eine Hochspannung an
mindestens einem Gitter anliegt und das durchströmende
Kühlmedium von unerwünschten Stoffen trennt. Übrigens können
die Gitter durch rhythmisches Verändern von Hochspannungen
gereinigt werden.
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Durch
die Filterung der kühlenden Luft kann die Leuchte im Außenbetrieb
oder industrieller rauer Umgebung verwendet werden. Im Folgenden
werden wesentliche Vorteile erreicht.
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Zunächst
entfällt die Besorgnis, dass sich im Laufe des Betriebes
eine Staubschicht im Kühlkanal oder aufgrund von Kavitation
im Ventilator bzw. an den Schaufeln des Lüfterrades, der
bzw. das in den Kühlkanal integriert ist, ausbilden kann.
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Weiter
kann wirksam vermieden werden, dass das Verstauben bzw. die Staubschicht
im Kühlsystem zu einem zusätzlichen Wärmewiderstand,
zu einer Wärmeisolation, dem Abfall der Kühlleistung oder
gar einem Ausfall des Kühlkanals führt.
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Auch
die Korrosion der Wandoberflächen aufgrund Feuchtigkeit
und Staub, bei der eine poröse Schicht auf den Wandoberflächen
entsteht, die wiederum einen Wärmewiderstand darstellen
kann, wird vermieden oder stark vermindert. Auch die Lebensdauer
der Lüfter wird erhöht. Die Lagerkorrosion wird vermindert,
die Laufruhe kann über die gesamte Lebensdauer der LED-Leuchte
erhalten bleiben.
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Im
Fall einer Mikrocomputersteuerung der LED-Leuchte kann übrigens
ein Wartungsprogramm vorgesehen sein. Zunächst kann die
Förderung in Richtung und Drehzahl der Lüfter
verändert werden, um Staub am Eingang des Kühlkanals
zu entfernen. Weiter können die Lüfter kurzzeitig
auch gegeneinander arbeiten, die Drehzahlen in einem Verhältnis
synchronisiert werden, oder mehrere gekoppelte Verhältnisse
durchfahren, um die Strömungsverhältnisse so zu
verändern, dass selbst etwaige Staubablagerungen auf den
Rändern der Lüfterschaufeln entfallen. Wiederum
kann mindestens ein lichtempfindlicher Halbleiter z. B. ein Phototransistor
oder eine Lichtschranke bei der Er mittlung des Zustands anhand von
Reflektionsverhältnissen im Kühlkanal mitwirken,
um optimalen Durchsatz des Kühlmediums dauerhaft zu sichern.
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Im
Ergebnis bleibt die LED-Anordnung mit Leuchtelementen damit auch über
lange Zeit wartungsfrei, vor vorzeitiger Alterung und plötzlichem Betriebsausfall
sicher bewahrt.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert werden. Es zeigen:
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1a eine
Seitenansicht der LED-Anordnung mit Leuchtelementen gemäß dem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1b eine
Draufsicht der LED-Anordnung mit Leuchtelementen gemäß dem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Prinzipskizze des Kühlsystems im Längsschnitt
durch den Kühlkörper, entlang des Kühlkanals
gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit einem Venturi-Rohr;
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3a eine
Prinzipskizze der LED-Anordnung mit Leuchtelementen in einer zweiten
Ausführung im perspektivischen Querschnitt durch einen Kühlkörper
der vorliegenden Erfindung, und
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3b eine
perspektivische Seitenansicht eines Kühllüfters
der LED-Anordnung mit Leuchtelementen der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1a ist
eine Anordnung mit Leuchtelementen zur Lichtabgabe 10 entsprechend
der ersten Ausführungsform dargestellt. Das Leuchtengehäuse 2 wurde
vorliegend Sandwich-förmig ausgeführt, das eine
längere Seite bzw. eine Längsrichtung und eine kürzere
Seite bzw. eine Querrichtung aufweist. Außerhalb der Zeichnungen
versteht es sich, dass sich am Übergang zwischen einzelnen
Teile des Gehäuses Dichtungen z. B. umlaufende O-Ringe
aus einen Silkonkautschuk befinden können. Die Teile des
Gehäuses können beispielhaft schraub-, rast-,
oder klebbare Gehäuseschalen aus Kunststoff aufweisen, der
elektrostatische Aufladung vermeidet.
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Im
Leuchtengehäuse 2 ist eine Ausnehmung als Lichtaustrittsöffnung 4 vorgesehen,
durch die das Licht austritt, das von der lichterzeugenden LED-Einheit 8 stammt.
Die LED-Einheit 8 wird von einer Zuleitung bzw. einem Energieversorgungsanschluß 5 zentral
gespeist. Die am Energieversorgungsanschluß 5 anliegende
Spannung kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung aufweisen, mindestens
einphasig. Bei Vorgenanntem ist eine Transversalwelle bei 230 Volt
Nennspannung und 50 Hz Nennfrequenz bevorzugt. Netzfilter können
vorgesehen sein. Die in das Leuchtengehäuse 2 eingehenden
Versorgungskabel können im Bereich des Energieversorgungsanschlusses 5 eine
Kabeltülle bzw. Zugentlastung aufweisen, um die Kabel-
und Litzenisolation vor mechanischer Überbeanspruchung, Witterungseinflüssen
und Kurzschlußneigung zu schützen.
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Die
LED-Einheit 8 kann beispielsweise eine flächige
Anordnung von LEDs auf einer Leiterplatte darstellen, bei der LEDs
dicht an dicht oder abstandsvariant angeordnet sein können.
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Falls
eine Mikroprozessorsteuerung vorgesehen ist, beispielsweise zur Überwachung
von Betriebsparametern oder selektiven Steuerung der Leuchte, der
LED-Einheit oder Teilen davon zur Dimmung oder Kalibrierung, kann über
den Energieversorgungsanschluß über geeignete
Frequenzbänder auch eine serielle Diagnoseschnittstelle
zur Datenübertragung über ein Netz und zugehörige
Koppelelemente vorgesehen werden. Bei der Steuerung kann mindestens
ein lichtempfindlicher Halbleiter z. B. ein Phototransistor mitwirken.
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In
Verbindung mit dem Lichtaustrittselement 4, kann hinter
der LED-Einheit eine Optik angeordnet sein. Im einfachsten Fall
kann beispielsweise ein lichtleitender Kunststoff zur Vergleichmäßigung
des Lichtaustritts über den ganzen Abstrahlbereich, ein optischer
Diffusor aus sog. Milchglas, ein Farbfilter oder ein Polarisator
vorliegen.
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Alternativ
kann auch ein montagefertig vorbereiteter Monolith bzw. eine blockförmige
LED-Einheit 8 vorgesehen sein, die vorgenannte Eigenschaften
umfasst, z. B. feuchtigkeitsabweisend, mit optisch durchlässigem
Giesharz wie etwa UV-aushärtbarem Polymer oder Plexiglas
vergossen.
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In
Längsrichtung verläuft durch das Leuchtengehäuse 2 der
Kühlkanal 6, wie sich dies im Detail aus der 1b ablesen
läßt. Zur einen Seite neben dem Kühlkanal 6 (gestrichelt
durch die LED-Leuchte 2 verlaufend dargestellt) ist das
Gegengewicht 3 angeordnet, zur anderen Seite befindet sich
die LED-Einheit 8.
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Das
Gegengewicht kann beispielsweise aus Blei, einem Gußwerkstoff
oder einem Kunststoff mit einem hohen Molekulargewicht oder Metallbeimischungen
bestehen.
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Im
Kühlkanal sind, durch kleine Rechtecke schematisch dargestellt,
Lüfter 12 vorgesehen.
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Der
Kühlkanal weist einen Eingang bzw. Einlass 6a und
einen Ausgang bzw. Auslass 6b auf. Im vorderen Bereich
der 2 ist der Einlass 6a dargestellt als
runde Ausnehmung im Leuchtengehäuse 2. Der Eingang
und der Ausgang bzw. das eingangs- und ausgangsseitige Ende, können
durch ein feinmaschiges Gitter, bevorzugt eine permeable Membran 14,
steuerbare Lamellen und/oder eine Filteranordnung aus geeigneten
Filterschichten aus Papier oder Schaum ausgestattet sein.
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Zur
Orientierung 7 der LED-Anordnung 10 ist eine Klammer 9 bzw.
ein rechteckiger Bügel, beispielsweise aus einem beidseitig
abgekantetem Blechstreifen oder einem Element aus Aluminiumspritz-
oder -druckguß vorgesehen. Zur Befestigung an oder zur
Verbindung mit einer Wand oder einem Tragsockel kann mindestens
eine Bohrung 11 in der Klammer 9 vorgesehen sein.
Die Orientierung der LED-Anordnung 10, hier gemäß 1a eine Schwenkung
um die Längsachse, kann dabei rastend oder stufenlos durch
eine Presspassung aus Unterlegscheiben mit verschiedenen Reibungskoeffizienten
bzw. Oberflächenbeschichtungen vorgesehen sein.
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2 zeigt
das Kühlsystem 20 der vorliegenden Erfindung.
Der Kühlkörper 22 ist entlang des Kühlkanals 6 aufgeschnitten.
Vorstehend wurde beispielshalber von einem block-, bzw. quaderförmigen Kühlkörper
ausgegangen, bei dem sich der Kühlkanal 6 im Inneren
befindet.
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Eingangsseitig
ist zunächst eine permeable Membran 14 angeordnet.
Entlang des Kühlkanals 6 folgt ein eingangsseitiger
Lüfter 12a. Es versteht sich, dass auch ein Lüf terverbund
aus mehreren hintereinandergeschalteten Lüftern vorgesehen
werden kann. Die Lüfter selbst können beispielsweise
eine ungerade Anzahl an 5 Lüfterschaufeln, aber auch einen Schaufelkranz
mit äußerem Rahmen aufweisen. Die Lüfterschaufel
selbst kann beispielsweise ein geschupptes Oberflächenprofil
haben. Denkbar wäre auch eine Turbine. Im weiteren Verlauf
des Kühlkanals 6 mit dem Querschnitt im Bereich 6a verringert sich
der Querschnitt strömungsgünstig auf den Bereich 6b nach
Durchlaufen eines Übergangsbereiches. In Richtung des Ausgangs,
der wiederum eine permeable Membran 14 aufweist, vollzieht
sich vorstehende Querschnittsreduzierung in umgekehrter Reihenfolge.
Im weiteren Verlauf schließt sich ein ausgangsseitiger
Lüfter 12b und eine weitere permeable Membran
an.
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Zunächst
ist nach dem Venturi-Effekt die Fließgeschwindigkeit im
Fall eines durch ein Rohr strömenden Mediums zu einem sich
verändernden Rohrquerschnitt umgekehrt proportional. Die
Geschwindigkeit des Mediums ist dort am größten,
wo der Querschnitt des Rohres am engsten ist. Vorstehende Beziehung
kann aus dem Kontinuitätsgesetz hergeleitet werden. Dieselbe
Menge an Medium tritt aus jedem beliebigen Rohrabschnitt aus, die
in ihn eingeführt worden ist, da Quellen oder Senken fehlen (Divergenzfreiheit
des Strömungsfeldes).
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Erfindungsgemäß wird
vorliegend der Venturi-Effekt ausgenutzt. Durch eine geeignete Formgebung
bzw. teilweise Querschnittsreduzierung des Kühlkanals kann
im Bereich 6b überraschend eine höhere
Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden, wenn im Kühlkanal
eine höhere Turbulenz entsteht, so dass eine größere
Kühlwirkung erzielt werden kann. In 2 ist die
Strömungsgeschwindigkeit durch eine größere
Anzahl an Pfeilen im Vergleich zum Bereich 6a kenntlich
gemacht. Eine an sich bereits hohe Strömungsgeschwindigkeit,
durch die Lüfter, kann damit so stark erhöht werden,
dass eine wesentliche Verstärkung des Kühleffektes
eintritt.
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Vorstehendes
ist besonders vorteilhaft, als in der Mitte des Kühlkanals 6 im
Kühlkörper 22 die größt abzuführende
Wärmemenge durch die LED-Einheit 8 entsteht und
gleichzeitig die stärkste Ableitung durch das beschleunigt
vorbeiströmende Kühlmedium bereitgestellt werden
kann. Im Ergebnis können als sehr hohe Lichtströme
gefahren werden.
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Weiterhin
ermöglicht die Formgebung am Beispiel der 2 eine
maximale Geschwindigkeit der Luftströmungszirkulation,
so dass die maximale Wärme von der LED-Einheit abgeführt
werden kann. Zudem wird Vorgenanntes mit einem Minimum an (zusätzlicher)
Energie für den Kühlvorgang selbst erreicht, so
dass der Kühlwirkungsgrad besonders hoch ist.
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In 3a ist
eine Anordnung mit Leuchtelementen zur Lichtabgabe 30 entsprechend
einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das Leuchtengehäuse 2 wurde
vorliegend durch mehrere parallele Kammern in Längsrichtung
eines hier abschnittsweise gezeigten ggf. langgezogenen Profils
bzw. in Verlängerung als Kanäle ausgeführt.
Die Kammern sind durch vertikale Trennwände bzw. Zwischenwände 2a und 2b von
einander abgegrenzt, wobei beispielshalber die gleiche Wanddicke
wie bei den vertikalen Außenwänden 2c und 2d gewählt
wurde.
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Um
ein sogenanntes Hauptschiff 6c in der Mitte sind zwei Seitenschiffe,
die Kühlkanäle 6d und 6e angeordnet.
Die Form der Kühlkanäle ist zunächst rechteckig,
wobei oben eine Abschrägung bzw. langgezogene Fase 6f vorgesehen
ist. Die Kühlkanäle weisen ein unterschiedliches
bzw. ungleiches Seitenverhältnis von Breite zu Höhe
von rund 1 zu 3 in Bezug auf die Seitenmitten auf.
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Es
versteht sich, dass auch eine Ausführung mit nur einem
linken oder rechten Seitenschiff vorgesehen werden kann, Weiters
kann nur auf einer Seite eine Fase vorhanden sein oder das Seitenverhältnis der
beiden Kühlkanäle variieren. Daneben kann anstatt
einer vertikalen Außenwand und der Fase 6f mindestens
einer der Kühlkanäle auch eine runde Wand aufweisen,
bei der ein Radius vorliegt, beispielsweise ein Kreis der die beiden
Wandecken der Seitenwand 2c schneidet. Auch können
die Kühlkanäle als separate Profile seitlich befestigt,
angedockt, angeflanscht oder beispielsweise über Rast-
oder Schraubverbindungen lösbar angekoppelt werden.
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Das
Hauptschiff 6c weist, anstelle der lichterzeugenden bzw.
blockförmigen LED-Einheit 8 aus 1a,
in der Mitte einen horizontal liegenden Träger bzw. eine
Leiterplatte 15 auf, auf dem die einzelnen Leuchtelemente
bzw. LED-Lichtquellen 8a in einem Abstand angeordnet oder
in einem Muster gruppiert sind.
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Die
Leiterplatte 15 kann beispielsweise mindestens einlagig
ausgeführt sein und aus einem Leiterplattenwerkstoff wie
Hartpapier, Epoxid, Glasfaserverbund oder Keramik bestehen bzw.
enthalten. Eventuell kann auch eine vergossene Dickschichttechnik
vorgesehen sein.
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Daneben
versteht sich, dass bei großen Leistungen erforderlichenfalls
die Leuchtelemente zur Lichtabgabe beispielsweise zwischen isoliert
gehaltenen Stromschienen aus mindestens einem massiven länglichem
Metallstab, einer unterbrochenen Leiterstruktur, einem gespannten
Drahtseil oder einer massiven Metallplatte mit Kunststoffbereichen,
Keramik- oder Asbesteinsätzen montiert getragen werden können.
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Über
der Leiterplatte 15, in vertikal nach oben verlaufender
Abstrahlrichtung der LED-Einheit 8, ist eine Lichtaustrittöffnung 4a vorgesehen.
In der Lichtaustrittsöffnung 4a kann eine transparente
Platte als Lichtaustrittselement bzw. ein Leuchtenraster oder eine
Kombination aus Vorgenanntem eingefasst sein.
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Es
versteht sich, dass die Leiterplatte auch umgedreht werden kann,
so dass die Leuchtelemente nach unten zeigen und das Lichtaustrittselement sich
dann unten in der Lichtaustrittsöffnung 4b befindet.
Daneben kommt (nicht dargestellt) eine beidseitig mit LEDs bestückte
Leiterplatte mit oberem und unterem Lichtaustrittselement in Betracht. Übrigens kann
anstelle einer Lichtaustrittöffnung 4b bei großem
Leistungsbedarf ein dritter Kühlkanal ausgebildet sein,
in dem Versorgungsleitungen verlaufen können, die gekühlt
werden sollen.
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Im
Hauptschiff, zwischen den beiden Kühlkanälen 6d und 6e,
liegt die Leiterplatte 15 auf einem nach unten geöffneten
U-förmigen Profil 17 auf, dass an beiden Seiten
gerundete Bereiche bzw. Radien 19a und 19b aufweist.
Die Verstärkungen bzw. Radien 19a und 19b sind
hier beispielhaft als Füllungen, Verdickungen durch massives
Material ausgeführt, können aber auch Streben
sein und dienen der Verbesserung der Wärmeleitung. Die
Radien 19a und 19b bewerkstelligen weiterhin eine
Anpassung, oder durch geringe Wärmewiderstände,
eine günstige thermische Ankopplung zwischen der Leiterplatte 15, dem
U-förmigen Profil 17 und den beiden Kühlkanälen 6d und 6e,
so dass ein schneller Wärmeabfluß unterstützt
wird. Daneben wird in mechanischer Hinsicht durch vorgenannte Rundungen
bzw. Radien 19a und 19b die Stabilität
der Anordnung und Steifigkeit gegen Verdrehen, Verziehen oder Temperaturdrift
durch die Radien zwischen den Seitenwand des U-förmigen
Profils 17 und der zu der Leiterplatte 15 benachbarten
Seite erhöht.
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Vorstehend
werden unter dem Begriff der Temperaturdrift temperaturbedingte
Verschiebungen, Relativbewegungen der Leiterplatte zur Anordnung,
mechanische Spannungszustände in der Anordnung, Scherrungen
oder Rißneigung im Zusammenhang mit unterschiedlichen Temperaturen
bzw. Temperaturzonen und Schwankungen der Außentemperatur
verstanden, die zu Ermüdungszuständen führen
können.
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Die
Leiterplatte ruht durch vorstehende Tragekonstruktion bzw. Unterstützung
also spannungsfrei auf dem U-förmigen Profil. Die mechanischen Spannungen
von der Leiterplatte, die auch thermischen Einwirkungen unterliegt,
können abgefangen werden, ohne dass die Leiterplatte an
der Stabilität der Anordnung beteiligt ist. Genauer werden
Beiträge mit Auswirkungen auf Stabilität der Anordnung
kompensiert bzw. vermieden. Schließlich können
je nach Radius die Strömungsverhältnisse im Hauptschiff verändert
werden.
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An
der Stirnseite des Hauptschiffs ist etwa mittig im U-förmigen
Profil 17 eine Membran 14 angeordnet, die hier
rein beispielhaft als runde oder ovale Geometrie eines feinmaschigen
Gitters dargestellt wurde. Auf der in der Zeichnung fehlenden Stirn- oder
Endwand, die das Hauptschiff abdeckt, können standardmäßig
stirnseitige Dichtflächen 21 vorgesehen sein.
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In 3b ist,
alternativ zu 2, eine Einheit 40 mit
einem Kühllüfter 12c dargestellt. Der
Kühllüfter, hier als mittig angeordneter Axiallüfter
ausgeführt, ist an 3a stirnseitig
vor den beiden Kühlkanälen 6d und 6e angeordnet
oder angeflanscht. Außerhalb der Zeichnung können
erforderlichenfalls hinter dem Lüfter noch ein Leitbleche
oder ein Strömungsteiler zur Führung des Luftstroms
oder Kühlmediums angeordnet sein. Auch kann ein Radiallüfter
oder bei größeren Anordnungen ein kleines Triebwerk
mit hintereinanderliegenden Schaufelkränzen vorliegen.
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Im
Betrieb teilt bzw. trennt der Lüfter 12c aufgrund
seiner rotierenden, axial getragenen Lüfterschaufeln 12d den
eingesaugten Luftstrom in Richtung des Pfeils 44 ähnlich einem
Strahl- oder Strömungsteiler in zwei ausgehende Strömungen 46 und 48 auf,
die durch die Kühlkanäle 6d und 6e entsprechend
durch die Anordnung verlaufen. Als Lüfter ist bevorzugt
ein Lüfter vorgesehen, der entsprechend einer Schutzklasse
ausgelegt ist, beispielsweise, IP6x.
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Vorstehend
läßt sich für die Strömungsteilung
ausnutzen, dass die Strömung am Lüfter 12c an den
Lüfterschaufeln 12d von der Achse 12e nach
außen zunimmt und dass die Lüfterschaufeln 12d eine verwirbelte
bzw. turbulente Strömung abgeben. Vorstehend wurde bei
den Lüfterschaufeln 12d davon ausgegangen, dass
die Förderfläche der Lüfterschaufeln 12 von
der Achse 12e nach außen zunimmt, bei denen Einsatz
von strömungsformenden Maßnahmen und Leitblechen
bei einen einfachen Aufbau eher optional ist.
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Durch
die Aufspaltung des Luftstroms kann erreicht werden, dass in den
Kühlkanälen 6d und 6e im Vergleich
zu dem Hauptschiff ein anderer, bevorzugt höherer Strömungsdruck
herrscht. Vorstehendes ergibt in den Kühlkanälen
eine niedrigere Temperatur als im Hauptschiff, so dass durch die
Konvektionsströmung zwischen Hauptschiff und Kühlkanälen die
Wärme bevorzugt vom Hauptschiff in die Kühlkanäle übertritt
und dort abgeleitet bzw. durch den Luftstrom abgeführt
wird. Weiterhin steht durch die beiden Kühlkanälen 6d und 6e auf
einfache Weise eine vergrößerte Oberfläche
zur Verfügung, so dass der Wärmeaustausch weiter
begünstigt ist.
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Es
könnte in den Kühlkanälen 6d und 6e auf der
Basis von 2 wiederum ein Venturi-Rohr
eingesetzt, durch Leitbleche oder Einsätze geschaffen werden,
wenn beispielsweise in der Mitte der Anordnung in den Kühlkanälen
eine hohe Strömungsgeschwindigkeit bzw. ein hoher Massenstrom
des Kühlmediums vorliegen soll.
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Ausgangsseitig,
d. h. am hinteren Ende 38 der Anordnung (am rechten Rand
in 3a), kann wiederum im Sinne von 2 eine
Vorrichtung 40 vorgesehen sein. Ein (außerhalb
der Zeichnung) dort vorliegender Lüfter kann entsprechend
dem Lüfter 12c lediglich in die andere Richtung
oder mit einer anderen Drehzahl rotieren und so an der Strömung bzw.
Strömungsformung in den Kanälen mitwirken, und
die Luft bzw. das Kühlmedium fördern, weiterleiten
bzw. an die Umgebung abgeben, wobei das ausgangsseitige Kühlmedium
mit der Verlustwärme der Anordnung beaufschlagt bzw. gesättigt
ist.
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Schließlich
kann anstatt dem Lüfter 12c auch pro Kühlkanal
ein jeweils zugehöriger Lüfter, beispielsweise
Radiallüfter vorgesehen sein, oder der Lüfter 12 in
Verbindung mit einer Strömungsführung einen Kühlkanal
bevorzugen.
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Im Übrigen
wäre es auch denkbar, anstelle des Axiallüfters
an den Kühlkanälen, insbesondere, wenn die Kühlkanäle
relativ lang Seitenwände aufweisen, Querstromlüfter
parallel zu den Außenwänden anzuordnen, die bei
niedrigen Drehzahlen und geringer Geräuschentwicklung für
eine Durchströmung der Kühlkanäle sorgen.
Die Querstromlüfter können optional kaskadiert
sein, bzw. bei großen Kühlkanälen auch
im Kühlkanal beabstandet sein und erforderlichenfalls modifizierte,
leicht gewellte Förderflächen zur Begünstigung
einer Wirbelströmung aufweisen.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird somit eine einfache, elegante und
wirkungsvolle Möglichkeit geschaffen, einen wohltemperierten
Bereich einer LED-Leuchte, insbesondere einer Leuchte mit einzelnen
LED-Leuchtelementen zu fördern.
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Die
Kühlung durch die verbesserte Formgebung im Kühlkanal
ist durch Einsatz des Lüfters und des Venturi-Effekts aktiv-aktiv
und ermöglicht, dass die vollen Vorteile, die eine LED-Leuchte
hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Lebensdauer und Wartungsfreiheit ausgenutzt
werden können.
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Darüber
hinaus ist die Kühlung durch den erfindungsgemäßen
Kühlkanal auch von der Kühleffizienz unter Ausnutzung
des Venturi-Effektes so gut, dass LED-Einheiten selbst bei hohen
Umgebungstemperaturen und hohen Leistungen bei optimalen Temperaturen
betrieben werden können. Durch die vorgenannten Schutzklassen,
beispielsweise IP69k, wird die LED-Leuchte sicher von der Umgebung
getrennt bzw. abgeschottet. Abschließend können
die Zuverlässigkeit und über die erhöhte
verfügbare Lichtleistung hinaus, der Gesamtwirkungsgrad
und die Umweltverträglichkeit in Hinblick auf die Gesamtenergiebilanz
und Energieeffizienz wesentlich verbessert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0092658
A1 [0003]
- - US 7204615 B2 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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