DE102009060434B4

DE102009060434B4 - Geschlossene LED-Leuchte mit thermischem Koppelelement

Info

Publication number: DE102009060434B4
Application number: DE102009060434A
Authority: DE
Inventors: Frank Drees; Thomas Goeke
Original assignee: Trilux GmbH and Co KG
Current assignee: Trilux GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2029-12-23
Also published as: DE102009060434A1

Abstract

LED-Leuchte mit einer Mehrzahl auf einer Platine angeordneter Leuchtdioden in einem geschlossenen Gehäuse aus einem Kunststoff, einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper und Mitteln zum Ableiten der Wärme von der Platine zum Kühlkörper, wobei diese Mittel thermische Koppelelemente aus einem festen, gut wärmeleitenden Material sind, die in den zum Kühlkörper benachbarten Bereich der Gehäusewand eingebaut sind und diese durchdringen und sowohl mit der Platine als auch mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden sind, und wobei die Koppelelemente einstückig mit dem Kühlkörper ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper selbst in die Gehäusewand eingelassen ist und dass der Kühlkörper eine umlaufende Nut aufweist, die einen dichten Anlagebereich mit der Gehäusewand bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine geschlossene LED-Leuchte mit einem thermischen Koppelelement. Insbesondere betrifft sie eine solche Leuchte mit Mitteln zum Ableiten der Verlustwärme aus dem geschlossenen Gehäuse zu einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper.
In den letzten Jahren hat sich infolge des technischen Fortschritts auf dem Gebiet der Licht emittierenden Dioden (LED), der zu sinkenden Preisen und höherer Lichtausbeute geführt hat, deren Anwendungsbereich stark vergrößert. LED finden nun auch Anwendung für feuchtigkeits- und explosionsgeschützte Leuchten. Die Gehäuse solcher Leuchten müssen naturgemäß dicht geschlossen sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit und zündfähigen Gasen zu verhindern. Auch bei LED wird nur ein Anteil von etwa 20 bis 30% der aufgenommenen elektrischen Energie in Licht umgewandelt und der Rest fällt als Verlustwärme an. Gegenüber Leuchten mit herkömmlichen Lampen ist die Ableitung dieser Verlustwärme sehr viel schwieriger. Einerseits muss die Temperatur der LED möglichst niedrig gehalten werden, weil sonst der Wirkungsgrad und die Lebensdauer beeinträchtigt werden. Andererseits ermöglichen LED auch eine besonders kleine Bauweise und strahlen so gut wie keine Wärme ab, so dass die Wärmeabfuhr hauptsächlich zunächst durch Wärmeleitung erfolgen muss, insbesondere wenn wegen des geschlossenen Gehäuses eine Kühlfluidströmung nicht möglich oder zumindest sehr aufwendig ist. Zudem wird als Gehäusematerial für viele Anwendungen Kunststoff bevorzugt, unter anderem weil er leicht ist und eine Schutzisolierung ermöglicht. Kunststoff hat aber nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Weil die Größe und damit die Leistung der einzelnen LED – auch wegen des Problems der Entwärmung – beschränkt ist, werden üblicherweise mehrere LED in einer gegenseitigen geometrischen Zuordnung, meist auf einer ebenen Platine, zusammen in einer Leuchte untergebracht. Als Material für die Platine sind Kunststoffe beziehungsweise mit Kunststoff beschichtete Metallkerne üblich. Zumindest die Oberfläche, welche die LED trägt, muss elektrisch isolierend sein, wenn auf ihr auch die Stromzuführungen der LED angebracht sind.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE 20 2006 015 981 U1 beschreibt eine LED-Straßenleuchte mit einer Wärmeableitanordnung. Diese umfasst ein dicht geschlossenes Gehäuse, indem sich die LED befinden, einen mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper und eine Mehrzahl von Wärmeableitröhrchen, an deren Wärmeaufnahmeende die LED angebracht sind, während das Wärmeabgabeende durch ein abgedichtetes Durchgangsloch und im Kühlkörper verläuft. Eine solche Anordnung ist im Aufbau aufwändig. Außerdem hängt die Funktion der Wärmeableitröhrchen von deren Lage ab, was nur beim Einbau in einer nach unten strahlenden Straßenleuchte keine Bedeutung hat. Ferner sind noch verschiedenste Wärmeableitanordnungen für LED-Fahrzeugleuchten aus DE 10 2007 055 165 A1 , DE 20 2005 007 501 U1 und DE 10 2006 057 569 A1 bekannt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine LED Leuchte mit geschlossenem Gehäuse zu schaffen, bei der die Wärmeableitung zu einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper auf einfache Weise unabhängig von der Lage der Leuchte bewirkt wird. Ferner sollte die bereitgestellte Leuchte einen besonders einfachen und daher kostengünstig herstellbaren Aufbau und zudem eine besonders einfache Wartung und Montage ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Leuchte nach dem Hauptanspruch gelöst.
Die erfindungsgemäßen thermischen Koppelelemente bestehen aus einem festen, gut Wärme leitenden Material. Die Auswahl dieses Materials richtet sich beispielsweise nach Gesichtspunkten wie spezifische Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Bearbeitbarkeit und Kosten. Vorzugsweise kommen in Frage: Kupfer, Aluminium, Messing. Auch keramische Materialien wie Aluminiumoxid, die eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, werden bevorzugt verwendet. Keramische Koppelelemente können vorzugsweise durch Sintern vorgefertigter Formkörper hergestellt werden, während sich Metalle durch unterschiedliche spanende und spanlose Verfahren, wie Drehen, Sägen, Schleifen bzw. Pressen, Drücken, Gießen, Ziehen, bearbeiten lassen, um erfindungsgemäße Koppelelemente zu fertigen. Die gleichen Materialien eignen sich auch bevorzugt für den Kühlkörper.
Wo der Kühlkörper mit der Außenluft in Verbindung steht, kann seine Oberfläche durch Strukturen wie Rippen oder Finger vergrößert sein, um den Wärmeaustausch zu fördern. Daneben ist auch eine Kühlung durch eine Fluidströmung am oder im Kühlkörper möglich.
Die Koppelelemente durchdringen die Gehäusewand und sind vorzugsweise dichtend in die Gehäusewand eingebaut. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die sich insbesondere für neu gefertigte Leuchten eignet, ist die Gehäusewand mit den diese durchdringenden Koppelelementen durch Einsatzspritzgießen gefertigt (eingespritzt). Dadurch wird eine dichte Durchführung der Koppelelemente durch die Gehäusewand sichergestellt. In einer alternativen Ausführungsform, die sich insbesondere zum Nachrüsten vorhandener Leuchten eignet, werden Durchgangsöffnungen in der Gehäusewand gebildet, in welche die Koppelelemente mit einer Dichtung eingesetzt und befestigt werden. Auch Verkleben der Elemente mit der Gehäusewand ist möglich.
Die Form der Koppelelemente kann unter Berücksichtigung praktischer und ästhetische Gesichtspunkte vielfältig festgelegt werden. Sie sollten bevorzugt in der Richtung der Wärmeleitung einen im Wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt haben, weil Einschnürungen die Wärmeleitung behindern könnten. Der erforderliche Gesamtquerschnitt aller Koppelelemente ergibt sich aus dem vorgesehenen Wärmefluss, der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Entfernung zwischen der Platine und dem Kühlkörper. Demzufolge sind bevorzugte Formen für die Koppelelemente Zylinder und Prismen mit drei bis sechs Seiten.
Die Wärme leitende Verbindung der Koppelelemente mit der Platine und dem Kühlkörper ist von Bedeutung, weil bereits kleine Spalte zwischen diesen Bauteilen den Wärmefluss beträchtlich behindern können. Ein guter Kontakt zwischen den Bauteilen kann durch Schraubverbindungen und/oder zwischen die Bauteile eingebrachte Wärmeleitpaste oder Kleber hergestellt werden. Für den Kontakt zwischen Platine und Koppelelement können auch spezielle Befestigungselemente wie zum Beispiel nach der deutschen Anmeldung DE 2009 25 043 760 A1 verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Koppelelemente einstückig mit dem Kühlkörper ausgebildet. Sie können beispielsweise an den Kühlkörper angeformte Zylinder oder Prismen sein. Eine Wärme leitende Verbindung ist dann nur noch zu der Platine notwendig.
In einer speziellen Ausführungsform ist/sind der oder die Kühlkörper selbst in die Gehäusewand eingelassen. Dabei funktioniert er selbst als Koppelelement und gleichzeitig, da er zumindest mit einer Seite mit der Außenluft in Verbindung bleibt, als Kühlkörper. In diesem Fall kann/können der oder die Kühlkörper ebenfalls in die Gehäusewand eingespritzt oder mit einer Dichtung eingesetzt sein.
Der Wärmeübergang von den LED zu Koppelelement und Kühlkörper wird verbessert, wenn die Platine einen Metallkern aufweist beziehungsweise aus einem Metallkern besteht, der nur auf der Seite, welche die Leiterbahnen trägt, eine Isolierschicht besitzt.
Insbesondere wenn die Platine aus einer relativ dünnen Kunststoffplatte besteht, wird bevorzugt auf der den LED abgewandten Seite ein Wärmeausgleichskörper mit der Platine Wärme leitend verbunden, der beispielsweise die Form einer Metallplatte hat, etwa aus Kupfer oder Aluminium besteht, und dessen Größe bevorzugt in etwa der von der Anordnung der LED überdeckten Fläche entspricht. In diesem Fall werden die Koppelelemente nicht mit der Platine, sondern mit dem Wärmeausgleichskörper verbunden.
Die erfindungsgemäße LED-Leuchte zeichnet sich durch einfachen und kostengünstigen Aufbau aus. Sie kann sowohl neu gebaut als auch durch Nachrüsten einer herkömmlichen Leuchte für. Glühlampen, Fluoreszenzlampen oder LFD hergestellt werden. Sie arbeitet störungsfrei und erfordert keine Wartung.
Die Erfindung wird nun anhand der in den beigegebenen Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Leuchte in einer ersten Ausführungsform mit separatem Koppelelement im Querschnitt,
2 einer erfindungsgemäßen Leuchte in einer zweiten Ausführungsform im Querschnitt.
Die in 1 gezeigte Leuchte 1 weist einen dicht geschlossenen Innenraum auf, der von einer oberen Gehäusewand 3 und einer unteren Gehäusewand 5 begrenzt wird, die gegeneinander mit einer Dichtung 7 abgedichtet sind. Im Inneren der Leuchte 1 befindet sich eine Platine 9, die mit mehreren LED 15 bestückt ist. Die Platine besteht aus einer Isolierschicht 11 und einem Metallkern 13 oder einer Metallbeschichtung. Auf der Isolierschicht befinden sich die Leiterbahnen für die Stromversorgung der LED 15.
Leiterbahnen und Stromanschluss sind zur Vereinfachung hier nicht gezeigt. Der Metallkern 13 oder die Metallbeschichtung steht in thermischem Kontakt mit dem Koppelelement 17, das hier in Form eines Zylinders aus Kupfer ausgeführt ist. Das Koppelelement 17 durchdringt die obere Gehäusewand 3 und steht in thermischen Kontakt mit dem auf der der Leuchte abgewandten Seite mit Rippen versehenen Kühlkörper 19 aus Aluminium. Platine 9, Koppelelement 17 und Kühlkörper 19 sind durch eine Schraube 21 zusammengehalten, die das Koppelelement 17 durchdringt und in ein Gewinde im Kühlkörper 19 eingreift. Um den thermischen Kontakt zwischen Metallkern 13 bzw. Metallbeschichtung, Koppelelement 17 und Kühlkörper 19 zu verbessern, sind in die Spalte zwischen diesen Bauteilen Schichten aus Wärmeleitpaste eingebracht. Des Koppelelement liegt mit einer Rippe 25 an der oberen Gehäusewand 3 an. Durch die Schraube 21 wird der Kühlkörper 19 in Richtung auf die Dichtung 23 aus einem elastischen Material gezogen und dadurch der Innenraum der Leuchte gegen die Außenluft abgedichtet.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform als Leuchte 101 gezeigt, bei der wiederum eine obere Gehäusewand 103 und eine untere Gehäusewand 105, gegeneinander durch die Dichtung 107 abgedichtet, den Innenraum der Leuchte begrenzen. Bei dieser Ausführungsform ist der Kühlkörper 119 selbst in die Gehäusewand 103 eingebaut und bildet damit auch das Koppelelement. An der umlaufenden Seitenfläche des Kühlkörpers ist eine Nut 120 vorgesehen, die bei der Herstellung der Gehäusewand 103 durch Spritzgießen aus thermoplastischen Kunststoff einstückig mit der Gehäusewand gefüllt wird und so eine dichte Verbindung bildet. Durch die Kühlkanäle 122 kann Außenluft geblasen oder auch Kühlwasser geleitet werden. Außerdem steht die Außenseite 123 des Kühlkörpern 119 ebenfalls mit der Außenluft in Verbindung. Auf der Innenseite des Kühlkörpers 119 ist die Platine 109 mit dem LED 115 befestigt.
Bezugszeichenliste

1: Leuchte
3: obere Gehäusewand
5: untere Gehäusewand
7: Dichtung
9: Platine
11: Isolierschicht
13: Metallkern
15: LED
17: thermisches Koppelelement
19: Kühlkörper
21: Schraube
23: Dichtung
25: Rippe
101: Leuchte
103: obere Gehäusewand
105: untere Gehäusewand
107: Dichtung
109: Platine
115: LED
119: Kühlkörper
120: Nut
122: Kühlkanal

Claims

LED-Leuchte mit einer Mehrzahl auf einer Platine angeordneter Leuchtdioden in einem geschlossenen Gehäuse aus einem Kunststoff, einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper und Mitteln zum Ableiten der Wärme von der Platine zum Kühlkörper, wobei diese Mittel thermische Koppelelemente aus einem festen, gut wärmeleitenden Material sind, die in den zum Kühlkörper benachbarten Bereich der Gehäusewand eingebaut sind und diese durchdringen und sowohl mit der Platine als auch mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden sind, und wobei die Koppelelemente einstückig mit dem Kühlkörper ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper selbst in die Gehäusewand eingelassen ist und dass der Kühlkörper eine umlaufende Nut aufweist, die einen dichten Anlagebereich mit der Gehäusewand bildet.
Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente die Form eines Zylinders oder eines drei- bis sechsseitigen Prismas haben.
Leuchte nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper sich vollständig außerhalb des Gehäuses befindet.
Leuchte nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente in die Gehäusewand eingespritzt sind.
Leuchte nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente in Öffnungen der Gehäusewand eingebaut und mit Dichtungen abgedichtet sind.
Leuchte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine einen wärmeleitenden Metallkern aufweist.
Leuchte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Platine und Koppelelementen ein Wärmeausgleichskörper vorhanden ist.
Leuchte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente und/oder der Kühlkörper aus Kupfer, Aluminium, Messing oder einer Keramik bestehen.