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Die vorliegende Erfindung betrifft eine poröse Wärmesenke zum aktiven Kühlen elektronischer Komponenten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Wärmesenke, die in einer LED-Lampe, insbesondere einer Retrofit-LED-Lampe, verwendet werden kann, um die elektronischen Komponenten, welche die LED-Lampe betreiben, zu kühlen.
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Eine Retrofit-LED-Lampe ist eine Lampe, die eine oder mehrere weiße oder monochromatische LED(s) als Beleuchtungsmittel verwendet und die mit elektrischen und mechanischen Anschlusseinrichtungen versehen ist, um die Retrofit-LED-Lampe als einen Ersatz für Glühbirnen, Halogenlampen, etc. zu verwenden.
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Die Wärmeübertragung von Wärmequellen, wie den elektronischen Komponenten einer LED-Lampe, kann in die folgenden Verfahren unterteilt werden. Zuerst wird Wärme von der Wärmequelle zu einer Wärmesenke oder einer Luftgrenzfläche geleitet. Dann findet eine Wärmediffusion von der Wärmesenkenoberfläche zu Konvektionsbereichen der Luft statt, und die Wärme wird durch Wärmekonvektion in der Luft abtransportiert. Der Temperaturabfall wird durch Materialeigenschaften, z. B. die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeflussdichte und die Wämeleitdistanz der Wärmesenke bestimmt. Je niedriger die Flussdichte der Wärmesenke ist, desto niedriger wird auch der Temperaturabfall und die entsprechende Kühlwirkung auf die Wärmequellen sein. In der Praxis wird die Kühlwirkung der Wärmesenke umso besser, je größer die Oberfläche der Wärmesenke ist und je turbulenter die Luft, ist die auf die Oberfläche der Wärmesenke einwirkt.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Leistung einer Wärmesenke zu verbessern. Insbesondere zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, die vorstehend erwähnten Eigenschaften zu verbessern, um eine effizientere Kühlung für elektronische Komponenten, z. B. in einer Retrofit-LED-Lampe, bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmesenke für elektronische Komponenten, die aufweist: eine erste Kammer, wobei wenigstens eine elektronische Komponente an einer ersten Wand der ersten Kammer angebracht ist, und wobei wenigstens eine zweite Wand der ersten Kammer wenigstens ein poröses Element aufweist, und erste Druckerzeugungseinrichtungen, die mit der ersten Kammer verbunden sind und die ausgestaltet sind, einen ersten Kammerluftdruck in der ersten Kammer zu variieren.
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Aufgrund des wenigstens einen porösen Elements wird erstens die Oberfläche der Wärmesenke vergrößert, wobei auf diese Weise bereits eine bessere Kühlwirkung erzielt wird. Zweitens können die ersten Druckerzeugungseinrichtungen, die mit der ersten Kammer verbunden sind, Luft durch das wenigstens eine poröse Element in die oder aus der Kammer bewegen, indem sie den ersten Kammerluftdruck variieren. Wärme kann von der Kammer und der Wand, die das poröse Element aufweist, weg abgeleitet werden. Da die elektronische Komponente, die die Wärme erzeugt, an der ersten Wand angebracht ist, die in Wärmekontakt mit der zweiten Wand ist, wird Wärme effektiv von der elektronischen Komponente weg transportiert. Die Druckerzeugungseinrichtungen können innerhalb oder außerhalb der ersten Kammer sein und können mit einer Außenwand von dieser verbunden sein.
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Bevorzugt sind die ersten Druckerzeugungseinrichtungen geeignet, den ersten Kammerluftdruck zu variieren, so dass er abwechselnd höher oder niedriger als der Luftdruck außerhalb der ersten Kammer ist, was bewirkt, dass Luft durch das wenigstens eine poröse Element jeweils aus der ersten Kammer gedrückt und in sie eingesaugt wird.
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Aufgrund der Druckschwankung wird das Luftvolumen im Inneren der Kammer bewegt und wird zyklisch aus der Kammer gedrückt und in sie eingesaugt, wodurch eine Kühlwirkung für die wärmeerzeugende elektronische Komponente bereitgestellt wird. Wenn die Frequenz der Druckschwankungen hoch genug ist, wird im Wesentlichen das gleiche Luftvolumen zyklisch bewegt, um die Wärme zu transportieren, und somit können weniger Staub und Schmutz in die Kammer eintreten. Außerdem dient das poröse Element als ein Filter für größere Staub- oder Schmutzpartikel.
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Bevorzugt weist die erste Wand einen Wärmeverteiler auf, der in Wärmekontakt mit der wenigstens einen elektronischen Komponente ist.
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Der Wärmeverteiler dient dazu, die von der wenigstens einen elektronischen Komponente erzeugte Wärme effizienter in Richtung der Wand, die das poröse Element hat, zu transportieren, welches wiederum durch die zyklisch heraus gedrückte und eingesaugte Luft gekühlt wird.
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Bevorzugt ist das poröse Element eine gesinterte Masse, vorzugsweise Kupfer, das Partikel aufweist, oder poröser Graphit, das ideal geeignet ist, um Wärme abzuführen, die durch die zyklische Luftbewegung weg transportiert werden kann. Die Partikel können zum Beispiel aus Messing gefertigt sein.
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Bevorzugt ist wenigstens eine dritte Wand der ersten Kammer ein luftdichter Verschluss. Folglich wird garantiert, dass Luft nur durch das wenigstens eine poröse Element bewegt werden kann.
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Bevorzugt weist eine der Wände der ersten Kammer wenigstens ein Loch (wie etwa z. B. eine Düse, einen Schlitz, ein längliches oder ein kreisförmiges Loch) auf, das aufgrund des Schwankens des ersten Kammerluftdrucks regelmäßig Luftstrahlen erzeugt.
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Somit wird die vorstehend beschriebene Lüftung durch das wenigstens eine poröse Element vorteilhaft mit definierten Luftstrahlen kombiniert, die durch die Löcher oder Düsen erzeugt werden. Vorteilhafterweise sind die Löcher nicht direkt an der elektronischen Komponente positioniert. Die Löcher können sich zum Beispiel in der Wand befinden, die das poröse Element aufweist. Sie können in dem porösen Element oder benachbart davon sein. Die Luftstrahlen stellen aufgrund des weiteren Wärmetransports nach außerhalb der Wärmesenke eine zusätzliche Kühlwirkung bereit. Die Wärmesenke ist somit für eine kombinierte Kühlwirkung ausgelegt, bei der eine Kühlkomponente die Atmung durch das poröse Element ist und die andere Kühlkomponente die regelmäßig erzeugten Luftstrahlen sind. Aufgrund der Begrenzung, die die Löcher darstellen, können die Luftstrahlen turbulent sein. Je höher die Turbulenz (Reynoldszahl) ist, desto höher wird die Kühlwirkung sein.
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Bevorzugt ist der Öffnungsdurchmesser des Lochs in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, um eine ausreichende, vorzugsweise turbulente Luftströmung zwischen innerhalb und außerhalb der Wärmesenke bereitzustellen.
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Bevorzugt ist das wenigstens eine Loch derart angeordnet, dass die zyklischen Luftstrahlen mit dem Luftvolumen außerhalb der ersten Kammer, welche das wenigstens eine poröse Element umgibt, wechselwirken.
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Folglich wird heiße Luft, die während des ersten Bewegungszyklus der Druckerzeugungseinrichtungen, in dem der Druck im Inneren der Kammer höher als außerhalb der Kammer ist, durch das poröse Element in der zweiten Wand heraus gedrückt wird, in dem gleichen Bewegungszyklus durch den Luftstrahl durch das wenigstens eine Loch verlagert. In dem nächsten Bewegungszyklus der Druckerzeugungseinrichtungen, in dem der Druck im Inneren der Kammer niedriger als außerhalb der Kammer ist und Luft durch die poröse Wand eingesaugt wird, wird nicht wieder die vorher ausgestoßene heiße Luft, sondern vielmehr frische und kühlere Luft, die durch den sekundären Luftstrom, der von dem Luftstrahl ausgelöst wurde, zu dem Luftvolumen transportiert wurde, welches das poröse Element umgibt, eingesaugt.
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Bevorzugt weist die Wärmesenke ferner auf: eine zweite Kammer, wobei die erste Kammer und die zweite Kammer wenigstens eine Wand gemeinsam nutzen, und Druckerzeugungseinrichtungen, die mit der zweiten Kammer verbunden sind, die geeignet sind, einen zweiten Kammerluftdruck in der zweiten Kammer zu steuern.
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Auf diese Weise können eine getrennte Kammer für die Bildung der Luftstrahlen durch das wenigstens eine Loch und eine getrennte Kammer für die Atmung durch das poröse Element bereitgestellt werden. Somit kann eine effizientere Erzeugung der Luftstrahlen erzielt werden, da die Druckschwankungen in der zweiten Kammer direkt die Luftstrahlen erzeugen. Da die zweite Kammer kleiner als die erste Kammer ist, sind nun niedrigere Druckschwankungen notwendig, um stark turbulente Luftstrahlen zu erzeugen.
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Bevorzugt sind die Druckerzeugungseinrichtungen geeignet, den Luftdruck im Inneren der zweiten Kammer abwechselnd höher und niedriger als den Luftdruck jeweils außerhalb der zweiten Kammer und der ersten Kammer schwanken zu lassen, wobei die zweite Kammer wenigstens ein Loch aufweist, das aufgrund der Schwankung des zweiten Kammerluftdrucks zyklische Luftstrahlen erzeugt.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine Loch derart angeordnet, dass die zyklischen Luftstrahlen mit dem Luftvolumen außerhalb der ersten Kammer, die das wenigstens eine poröse Element umgibt, wechselwirken. Wie vorstehend erklärt, verstärkt die Wechselwirkung die Kühlwirkung.
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Alternativ weist die erste Wand wenigstens ein poröses Element auf, und die erste Kammer und die zweite Kammer sind durch Druckerzeugungseinrichtungen verbunden, die geeignet sind, den zweiten Kammerluftdruck höher als den Außenluftdruck festzulegen und den ersten Kammerluftdruck niedriger als den Außenluftdruck festzulegen, oder die geeignet sind, den zweiten Kammerluftdruck niedriger als den Außenluftdruck festzulegen und den ersten Kammerluftdruck höher als den Außenluftdruck festzulegen.
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Folglich kann ein Luftstrom in einer Richtung erzeugt werden. Luft wird zum Beispiel durch die poröse Wand eingesaugt. Die Luft wird dann zu der zweiten Kammer transportiert und wird durch das wenigstens eine poröse Element der zweiten Wand der zweiten Kammer extrahiert. Es wird eine Lüfterwirkung in eine Richtung erzielt. Die Lüfterwirkung strömt durch die mit der elektronischen Komponente verbundene Wärmesenke und erzielt somit eine effiziente Kühlwirkung der elektronischen Komponente.
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Bevorzugt weist die zweite Wand der ersten Kammer wenigstens ein Loch auf, das Luftstrahlen erzeugt, wobei das wenigstens eine Loch bevorzugt derart angeordnet ist, dass die Luftstrahlen mit dem Luftvolumen außerhalb der ersten Kammer, das das wenigstens eine poröse Element umgibt, wechselwirken.
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Folglich können die Luftstrahlen, die durch das wenigstens eine Loch in der zweiten Wand der ersten Kammer ausgestoßen werden, die heiße Luft, die durch die poröse Wand ausgestoßen wird, verlagern und können die Kühlwirkung der Wärmesenke verbessern. Die zweite Kammer kann natürlich mittels des mindestens einen Lochs oder der Düse auch mit außerhalb der Kammer in Verbindung stehen, und in diesem Fall würde das poröse Element auf der Wand der zweiten Kammer weggelassen.
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Die vorliegende Erfindung ist ferner auf eine LED-Lampe, insbesondere eine Retrofit-LED-Lampe, die mit elektronischen Komponenten arbeitet, ausgerichtet, wobei die LED-Lampe eine Wärmesenke gemäß der vorstehenden Beschreibung für wenigstens eine ihrer elektronischen Komponenten hat.
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In Retrofit-LED-Lampen werden typischerweise Hochintensitäts-LEDs verwendet, und die elektronischen Komponenten erzeugen hohe Hitze. Dieser Hitze kann durch die Wärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll entgegengetreten werden.
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Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein Kühlverfahren für elektronische Komponenten ausgerichtet, das die Schritte des Steuerns eines ersten Kammerluftdrucks und einer ersten Kammer, wobei wenigstens eine elektronische Komponente an einer ersten Wand der ersten Kammer angebracht ist, jeweils des Herausdrückens und Einsaugen von Luft durch ein poröses Element wenigstens einer zweiten Wand der ersten Kammer durch Schwankenlassen des ersten Kammerluftdrucks, so dass er abwechselnd höher und niedriger als der Luftdruck außerhalb der ersten Kammer ist, aufweist.
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Zusammengefasst ergeben die große Oberfläche des porösen Elements und mögliche Turbulenzen, die an dem porösen Element (oder in Kombination an Löchern oder Düsen) erzeugt werden, eine enorme Steigerung des Kühlwirkungsgrads der Wärmesenke. Insbesondere, wenn der Sekundärluftstrom auf der Außenoberfläche des porösen Elements zum Beispiel durch die gepulsten Luftstrahlen erzeugt wird, kann der Kühlwirkungsgrad optimiert werden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail diskutiert.
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1 zeigt eine Wärmesenke mit einem porösen Element gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Luftstrom in zwei Richtungen.
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2 zeigt eine Wärmesenke mit einem porösen Element und einer Düse gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Luftstrom in zwei Richtungen.
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3 zeigt eine Wärmesenke mit zwei Kammern gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Luftstrom in zwei Richtungen.
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4 zeigt eine Wärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Luftstrom in einer Richtung.
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5 zeigt eine Wärmesenke mit Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Luftstrom in einer Richtung.
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6 zeigt eine LED-Lampe, insbesondere eine Retrofit-LED-Lampe, gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Luftstrom in zwei Richtungen.
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7 zeigt eine LED-Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Luftstrom in einer Richtung.
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1 zeigt eine Wärmesenke 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, mit der die elektronischen Komponenten gekühlt werden können. Die Wärmesenke 1 weist auf: eine erste Kammer 2, die durch eine erste Wand 5 gebildet wird, die als die obere horizontale Wand der Kammer 2 dargestellt ist, auf der wenigstens eine elektronische Komponente 4 montiert ist. Die Kammer 2 weist ferner zwei zweite Wände 3 auf, die als sich vertikal erstreckend gezeigt sind, und die Kammer 2 ist schließlich durch eine horizontale Bodenwand 6 abgeschlossen. Natürlich kann die Kammer 2 der Wärmesenke 1 auch eine andere Form als eine rechteckige oder eine quadratische Form haben und könnte auch weniger oder mehr als vier Wände haben. Sie kann auch mit einer LED-Lampe 100 integriert sein, was später in Verbindung mit 6 und 7 erklärt wird. Jedoch weist die Kammer 2 der Wärmesenke 1 wenigstens eine Wand, hier die zweite Wand 3, auf, die ein poröses Element 3a hat.
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Das poröse Element 3a ist bevorzugt eine gesinterte Masse, vorzugsweise Kupfer, das Partikel aus einem oder mehreren anderen Materialien, z. B. Messingpartikel, aufweist, oder poröser Graphit, die gut geeignete Materialien sind, um Wärme von der elektronischen Komponente 4 weg zu transportieren. Ferner dient das poröse Element 3a als ein Filter, um zu vermeiden, dass diese Verunreinigungen wie Staub oder andere Partikel in die Kammer 2 eintreten. Das Innere der Kammer 2, die durch die Wände 3, 5 und 6 definiert ist, ist ein umschlossenes Luftvolumen, das, abgesehen von wenigstens den porösen Öffnungen des porösen Elements 3a, nach außen hermetisch verschlossen ist.
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Die elektronische Komponente 4 kann an der Außenseite oder an der Innenseite einer Seitenwand der Kammer 2, hier der ersten Kammer 5, angebracht werden, wobei die Seitenwand auch einen Wärmeverteiler 5a aufweisen kann. In diesem Fall ist die elektronische Komponente 4 in thermischem Kontakt mit einem vorzugsweise wärmeverteilenden Träger- oder Substratelement 5a, das mit den anderen Wänden der Kammer 2, insbesondere der zweiten Wand 3, die das wenigstens eine poröse Element 3a aufweist, thermisch verbunden ist. Das Element 5a kann aus dem gleichen Material gefertigt sein oder kann aus einem anderen Material als die erste Wand 5 gefertigt sein. Bevorzugt hat der Wärmeverteiler eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist bevorzugt aus einem Material wie Kupfer gefertigt, das die Wärme schnell und effektiv von der elektronischen Komponente 4 weg leitet. Auch kann ein weniger teures Material wie etwa Aluminium für den Wärmeverteiler 5a ins Auge gefasst werden.
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Außerdem ist in 1 in der ersten Kammer 2 eine erste Druckerzeugungseinrichtung 7 bereitgestellt, die geeignet ist, einen ersten Kammerdruck P1 in der ersten Kammer 2 zu variieren. Die erste Druckerzeugungseinrichtung 7 kann zum Beispiel eine Kammer mit zwei Membranen sein, die Luft in verschiedenen Bewegungsphasen einsaugen und ausstoßen. Derartige Membranen könnten vergleichbar zu Lautsprechermembranen magnetisch angetrieben werden. Die Membranen können auch durch eine Pumpe, die ein piezoelektrisches Element enthält, das sehr leicht mit sehr niedrigem Energieverbrauch zu steuern ist, angetrieben werden. Membranen steilen auch eine Art bereit, Druckerzeugungseinrichtungen 7 ohne reibende Teile zu implementieren, was eine lange Lebensdauer sicherstellt. Jedoch können auch andere geeignete Vorrichtungen, die fähig sind, den Luftdruck zu variieren und insbesondere schwanken zu lassen, verwendet werden. Die Druckerzeugungseinrichtung 7 braucht nicht notwendigerweise im Inneren der ersten Kammer 2 zu sein, sondern muss mit der ersten Kammer 2 verbunden sein, so dass sie den Druck, wie vorstehend erklärt, variieren kann. Die Druckerzeugungseinrichtung 7 könnte zum Beispiel mit der Außenseite der Außenwand der ersten Kammer 2 verbunden sein.
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Insbesondere sind die ersten Druckerzeugungseinrichtungen 7 konstruiert, um fähig zu sein, den ersten Kammerluftdruck P1 in der ersten Kammer 2 schwanken zu lassen, so dass er zwischen einem Zustand, in dem er höher und einem Zustand, in dem er niedriger als der Luftdruck P0 außerhalb der ersten Kammer 2 ist, schwankt. Die Schwankung wird bevorzugt 20 bis 100 Mal pro Sekunde, besser 40 bis 60 Mal pro Sekunde durchgeführt.
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Wenn der Luftdruck P1 im Inneren der ersten Kammer 2 abwechselnd höher oder niedriger als der Außenluftdruck P0 ist, wird bewirkt, dass Luft zyklisch durch das wenigstens eine poröse Element 3a aus der ersten Kammer 2 heraus gedrückt und in sie eingesaugt wird. Die sich zyklisch bewegende Luft wechselwirkt mit der großen Oberfläche der Poren des porösen Elements 3a, die eine gute Grenzfläche zwischen der zweiten Wand 3 und der Luft bereitstellen. Das poröse Element 3a ist bevorzugt in einer Weise konstruiert, dass Turbulenzen in den Poren des porösen Elements 3a erzeugt werden, wenn die Luft zyklisch heraus gedrückt und eingesaugt wird. Die Turbulenzen erhöhen die Kühlwirkung des porösen Elements 3a und folglich der Wärmesenke 1. Für die besten Ergebnisse werden die Poren des porösen Elements 3a derart gewählt, dass sie einen Durchmesser in einem Bereich von 50 bis 500 μm haben. Die Porosität des porösen Elements 3a, das heißt, das Verhältnis, das die Poren an der Gesamtoberfläche des porösen Elements 3a einnehmen, sollte in einem Bereich von 10 bis 50% liegen.
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Die vorstehend beschriebene Atmungswirkung durch das poröse Element 3a, die von den durch die Druckerzeugungseinrichtung 7 erzeugten Druckschwankungen ausgelöst wird, kann mit einer im Folgenden erklärten zweiten Kühlwirkung kombiniert werden. Beachten Sie jedoch, dass jede Kühlwirkung auch einzeln verwendet werden kann. Die zweite Kühlwirkung nutzt definierte Luftstrahlen 9, die von Löchern 8, Schlitzen oder Düsen erzeugt werden, die zum Beispiel in der Wand (kann ein Substrat oder eine gedruckte Leiterplatte sein), auf der die wenigstens eine elektronische Komponente 4 montiert ist, bereitgestellt sind oder in dem Element 5a bereitgestellt sind.
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Das Loch/die Löcher 8 kann können in/auf dem Element 5a der LED 4, aber beabstandet von der LED 4 bereitgestellt sein.
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Alternativ sind die Löcher in die zweite Wand 3 mit dem porösen Element 3a oder in das poröse Element 3a selbst eingearbeitet. 2 zeigt zwei derartige Löcher 8, die in der zweiten Wand 3 in dem porösen Element 3a bereitgestellt sind. Die Löcher 8 können Düsen oder eine andere Art von Begrenzungen für den Luftstrom sein, die vorzugsweise schmal genug sind, dass durch den schwankenden Luftdruck, der von den Druckerzeugungseinrichtungen 7 erzeugt wird, turbulente Luftströme 9 durch die Löcher 8 ausgebildet werden. Die turbulenten Luftstrahlen 9 beeinflussen dann die Oberfläche der zweiten Wand 3 und transportieren heiße Luft nach außen. Die Luftstrahlen 9 kühlen auf diese Weise die zweite Wand 3 und die Wärmesenke 1. Folglich weist auch die wenigstens eine elektronische Komponente 4 eine Kühlwirkung auf. Die durch die Luftstrahlen 9 bewirkte Kühlwirkung kann vorteilhaft mit der Kühlwirkung kombiniert werden, die durch die Atmung durch das wenigstens eine poröse Element 3a bewirkt wird. Die Luftstrahlen 9 werden einfach aufgrund des schwankenden Drucks P1 im Inneren der Kammer direkt an den Löchern 8 erzeugt, während die Druckerzeugungseinrichtungen 7 von den Löchern 8 beabstandet sein können.
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Die Löcher 8 haben einen Öffnungsdurchmesser in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, so dass ausreichend starke Luftstrahlen 9 erzeugt werden, die zulassen, dass ausreichend Luft durch die Löcher 8 strömt, und die vorzugsweise turbulent sind.
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Die Löcher 8 können ferner mit zusätzlichen Begrenzungen 8a, wie einem Gitter oder einem Netz versehen sein, die einerseits den Grad an Turbulenzen der zyklischen Luftstrahlen 9 erhöhen und andererseits verhindern können, dass Staub, Schmutz oder andere Partikel in die erste Kammer 2 eintreten. Die Löcher 8 oder Düsen sind bevorzugt derart angeordnet, dass sie mit dem Luftvolumen wechselwirken, welches das wenigstens eine poröse Material 3a umgibt. Wie in 2 angezeigt, strömen die Luftstrahlen 9 aus der ersten Kammer 2 und zirkulieren vorzugsweise zu den porösen Elementen 3a. Abhängig davon, wo sich die Löcher 8 befinden, könnten zusätzliche Luftreflektoren für den Luftstrom an der ersten Kammer 2 montiert werden, um die Luftstrahlen 9 zu der richtigen Stelle zu leiten, so dass die Luftstrahlen 9 mit dem Luftvolumen, welches das poröse Element 3a umgibt, wechselwirken. Die kombinierte Kühlwirkung der Atmung durch das wenigstens eine poröse Element 3a und der Luftstrahlen 9 kann somit sogar weiter verstärkt werden, wenn die vorstehend erwähnte Wechselwirkung stattfindet.
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Insbesondere, wenn in einem Zyklus der Druck P1 im Inneren der ersten Kammer 2 höher als außerhalb der ersten Kammer 2 ist, wird einerseits Luft durch das wenigstens eine poröse Element 3a heraus gedrückt und wird andererseits als ein turbulenter Luftstrahl 9 durch das wenigstens eine Loch 8 heraus gedrückt. Die von dem porösen Element 3a heraus gedrückte Luft ist Luft, die Wärme von der wenigstens einen elektronischen Komponente 4 transportiert. Wenn der Druck P1 im Inneren der ersten Kammer 2 in dem nächsten Zyklus der Druckerzeugungseinrichtungen 7 niedriger als der Druck P0 außerhalb wird, wird Luft durch das wenigstens eine poröse Element 3a gesaugt, und ebenso strömt ein turbulenter Luftstrahl 9 durch das Loch 8 einwärts. Wenn die zwei Zyklen sehr kurz aufeinander folgen, besteht die Gefahr, dass die heiße Luft, die in dem ersten Zyklus durch das wenigstens eine poröse Element 3a ausgestoßen wurde, in dem nächsten Zyklus erneut durch das wenigstens eine poröse Element 3a eingesaugt wird, und die Kühlwirkung wird nicht optimiert. Wenn jedoch in dem ersten Zyklus Luftstrahlen 9 mit dem Luftvolumen außerhalb der Oberfläche des wenigstens einen porösen Elements 3a wechselwirken und bevorzugt die heiße Luft, die durch das wenigstens eine poröse Element 3a ausgestoßen wird, verlagern, d. h. weg drücken, kann die Kühlwirkung in dem nächsten Zyklus vergrößert werden. Der Luftstrahl 9 verlagert die heiße Luft außerhalb des wenigstens einen porösen Elements 3a und saugt die sekundäre frische, insbesondere kühlere Luft aus der umliegenden Umgebung der ersten Kammer 2 ein. Wenn folglich in dem zweiten Zyklus Luft durch das wenigstens eine poröse Element 3a eingesaugt wird, ist die eingesaugte Luft kühler, und die Kühlwirkung der Wärmesenke wird erheblich verbessert.
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3 zeigt eine andere Ausführungsform der Wärmesenke 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In 3 sind eine erste Kammer 2 und eine zweite Kammer 10 dargestellt. Die zweite Kammer 10 ist vorzugsweise in einer Weise bereitgestellt, dass die erste Kammer 2 und die zweite Kammer 10 wenigstens eine Wand, zum Beispiel wie in 3 die erste Wand 5, an der die wenigstens eine elektronische Komponente 4 angebracht ist, gemeinsam nutzen. Jede Kammer 2, 10 kann mit einzelnen Druckerzeugungseinrichtungen 7, 11 ausgestattet sein. Hier ist die erste Kammer 2 mit ersten Druckerzeugungseinrichtungen 7 ausgestattet, und die zweite Kammer 10 ist mit zweiten Druckerzeugungseinrichtungen 11 ausgestattet. Jedoch kann auch eine einzige Druckerzeugungseinrichtung konstruiert werden, um den Luftdruck jeweils in beiden Kammern 2, 10 zu variieren oder schwanken zu lassen. Wiederum brauchen die Druckerzeugungseinrichtungen 7, 11 nicht notwendigerweise jeweils im Inneren der ersten Kammer 2 und der zweiten Kammer 10 bereitgestellt sein. Jedoch muss eine Druckerzeugungseinrichtung 7, 11 mit jeder der Kammern 2, 10 verbunden sein, um den Druck zu variieren. Eine einzige Druckerzeugungseinrichtung kann auch mit den beiden Kammern verbinden und beide Drücke schwanken lassen. In dem Fall der zwei Druckerzeugungseinrichtungen 7, 11 ist die erste Druckerzeugungseinrichtung 7, wie vorstehend beschreiben, besonders geeignet, um den Luftdruck P1 in der ersten Kammer 2 zu variieren und schwanken zu lassen, um die Atmungswirkung durch das wenigstens eine poröse Element 3a zu bewirken. Die zweite Druckerzeugungseinrichtung 11 arbeitet auf die gleiche Weise und kann äquivalent zu der ersten Druckerzeugungseinrichtung 7 aufgebaut sein. Die zweite Druckerzeugungseinrichtung 11 bewirkt zum Beispiel, dass der Luftdruck P2 in der zweiten Kammer 10 schwankt, wodurch, wie für die erste Ausführungsform beschrieben, die zyklischen Luftstrahlen 9 durch das wenigstens eine Loch 8 erzeugt werden. Da das Luftvolumen der zweiten Kammer 10 kleiner als das Luftvolumen der ersten Kammer 2 ist, sind nur kleine Druckschwankungen notwendig, um effiziente äquivalente Luftstrahlen 9 zu erzeugen, welche mit dem Luftvolumen, welches das poröse Element 3a außerhalb der Wärmesenke 1 umgibt, wechselwirken. Die zwei Druckerzeugungseinrichtungen 7, 11 können gleichzeitig betrieben werden oder können leicht unterschiedliche Zykluszeiten, d. h. leicht unterschiedliche Frequenzen, zeigen. Verschiedene Zykluszeiten können die Kammergeometrie ausgleichen. Sagen wir zum Beispiel, dass das Herausdrücken der Luft durch das wenigstens eine poröse Element 3a ein wenig länger oder kürzer als das Herausdrücken der Luftstrahlen 9 in das Volumen, welches das poröse Element 3a umgibt, braucht. Dann könnte es günstig sein, die zwei Zykluszeiten verschieden voneinander festzulegen, so dass die Luftstrahlen trotzdem mit dem Luftvolumen, welches das wenigstens eine poröse Element 3a umgibt, wechselwirken werden und genau in dem Moment wechselwirken werden, wenn heiße Luft aus der ersten Kammer 10 durch das wenigstens eine poröse Element 3a ausgestoßen wird. Auf diese Weise kann die bestmögliche Kühlwirkung erzielt werden.
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Die eine oder die zwei getrennten Druckerzeugungseinrichtungen 7, 11 können von einer Steuereinrichtung gesteuert werden. Die Steuereinheit könnte zum Beispiel den Betrag der Druckänderungen oder die Zykluszeiten festlegen. Die Steuereinheit könnte auch Rückmeldungsinformationen von einem Temperatursensor empfangen und könnte die Parameter, die den Kühlwirkungsgrad der Wärmesenke 1 beeinflussen, automatisch variieren, bis die niedrigste Temperatur von dem Temperatursensor rückgemeldet wird. Folglich könnte die Erfindung auch mit Änderungen in dem Kühlwirkungsgrad mit der Zeit klarkommen, die andernfalls entstehen könnten, wenn Staub oder andere Schmutzpartikel Poren des porösen Elements 3a versperren oder das wenigstens eine Loch 8 versperren. Wenn eine steigende Temperatur abgetastet wird, könnte auch ein Warnsignal ausgegeben werden.
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Bis jetzt waren die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf einen Zweirichtungsluftstrom ausgerichtet, der von dem schwankenden Luftdruck, vorzugsweise einem abwechselnd im Vergleich zu dem Außenluftdruck jeweils höheren oder niedrigeren Luftdruck im Inneren der ersten oder zweiten Kammer erzeugt wird. Als ein Ergebnis tragen die zyklische Atmung durch das wenigstens eine poröse Element 3a und die zyklischen Luftstrahlen 9, die von dem wenigstens einen Loch 8 erzeugt werden, zu der Kühlwirkung der Wärmesenke 1 bei.
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Alternativ kann eine Wärmesenke 1 mit einem Strom in eine Richtung, wie im Folgenden als dritte Ausführungsform vorgestellt, realisiert werden. Zum Beispiel zeigt 4 erneut eine Wärmesenke 1 mit zwei getrennten Kammern 2, 10. Wiederum nutzen die Kammern 2, 10 wenigstens eine Wand, in 4 die erste Wand 5, auf der die wenigstens eine elektronische Komponente 4 montiert ist, gemeinsam. In 4 weist die erste Wand 5 wenigstens ein poröses Element 12 auf, und die zweite Wand 3 in dem Bereich der ersten Kammer 2 weist wenigstens ein poröses Element 3a auf. Die Druckerzeugungselemente 7, 11 sind in jeder der Kammern 2, 10 bereitgestellt. Die Kammern 2, 10 sind durch eine Öffnung 13 verbunden. Die zweite Kammer 10 und die erste Kammer 2 können auch durch eine einzige Druckerzeugungseinrichtung 7, 11 der Wärmesenke 1 verbunden sein. Die Druckerzeugungseinrichtungen 7, 11 arbeiten entweder in einer Weise, dass der zweite Kammerluftdruck P2 immer höher als der Außenluftdruck P0 festgelegt wird und der erste Kammerluftdruck P1 immer niedriger als der Außenluftdruck P0 festgelegt wird. Dies bedeutet natürlich, dass der erste Kammerluftdruck P1 immer niedriger als der zweite Kammerluftdruck P2 ist. In diesem Aufbau wird durch die porösen Elemente 12 und 3a jeweils ein Luftstrom in einer Richtung erzeugt, wobei Luft von außerhalb in die zweite Kammer 10 einströmt, aus welcher die Luft durch die Öffnung 13 zu der ersten Kammer 2 strömt, von der die Luft weiter durch das wenigstens eine poröse Element 3a nach außen strömt. Alternativ arbeiten die Druckerzeugungseinrichtungen in einer Weise, dass der zweite Kammerluftdruck P2 immer niedriger als der Außenluftdruck P0 festgelegt wird und der erste Kammerluftdruck P1 immer höher als der Außenluftdruck P4 festgelegt wird. Dies bedeutet natürlich, dass der erste Kammerluftdruck P1 immer höher als der zweite Kammerluftdruck P2 ist. In diesem Aufbau wird durch die porösen Elemente 3a und 12 jeweils ein Luftstrom in einer Richtung erzeugt, wobei Luft von außerhalb in die erste Kammer 14 einströmt, aus welcher die Luft durch die Öffnung 13 zu der ersten Kammer 2 strömt, von der die Luft weiter durch das wenigstens eine poröse Element 12 nach außen strömt. Da das wenigstens eine poröse Element 12 sich nahe an der wenigstens einen elektronischen Komponente 4 befindet, geht lüfterartige Luft nahe an der Wärmequelle vorbei, wodurch eine gute Kühlwirkung erzielt wird. Da in dem wenigstens einen porösen Element 3a und 12 jeweils weitere Turbulenzen erzeugt werden können, kann die Kühlung der elektronischen Komponente 4 verbessert werden. Beide porösen Elemente 12 und 3a dienen auch als ein Schutz vor Staub und anderen Schmutzpartikeln, die andernfalls jeweils in die erste oder die zweite Kammer 10 eintreten könnten.
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5 zeigt, wie die vorstehende Ausführungsform zusätzlich mit dem Konzept der Löcher oder Düsen kombiniert ist, die hier in der ersten Kammer 2 bereitgestellt sind, die Luftstrahlen 15 erzeugen. Im Gegensatz zu den vorstehenden Ausführungsformen gehen die Luftstrahlen 15 nun ebenfalls nur in eine Richtung und strömen zum Beispiel aus der ersten Kammer 2. Natürlich können Luftstrahlen 15 in eine Richtung erzeugt werden, um abhängig davon, wie die Drücke im Inneren der Kammer festgelegt sind, in eine der beiden Richtungen zu strömen. Die Luftstrahlen 15 werden in einer derartigen Weise geteilt, dass sie mit dem Luftvolumen außerhalb des wenigstens einen porösen Elements 3a wechselwirken und somit die gleiche zusätzliche Kühlwirkung wie vorstehend beschrieben erzeugen. Die Kühlung wird effizienter gemacht, da die heiße Luft, die nach außerhalb des wenigstens einen porösen Elements 3a ausgestoßen wird, verlagert und durch frische und kühlere Luft ersetzt wird.
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Außerdem könnte wenigstens eine Düse oder ein Loch in der zweiten Kammer 10 bereitgestellt werden, um weitere Luftstrahlen zu erzeugen, die in die zweite Kammer 10 strömen. Diese Luftstrahlen könnten die Oberfläche der wenigstens einen elektronischen Komponente 4 direkt beeinflussen und könnten die Kühlung der heißen Oberflächen verbessern. Auch kann eine Kombination des wenigstens einen porösen Elements und des wenigstens einen Lochs, die für jede der zwei Kammern bereitgestellt werden, realisiert werden. Die Wärmesenke 1 kann auch mehr als zwei Kammern aufweisen, die entweder durch Öffnungen miteinander verbunden sind oder hermetisch gegeneinander abgedichtet sind.
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Die vorliegende Erfindung offenbart auch eine LED-Lampe 100, insbesondere eine Retrofit-LED-Lampe, die typischerweise mit elektronischen Komponenten 4 arbeitet, um wenigstens eine LED im Inneren des Kolbens 10 einer derartigen Lampe 100 zu betreiben. Da für Retrofit-LED-Lampen 100 besonders hoch effiziente LEDs verwendet werden, ist es günstig, eine gute Wärmesenke für die Kühlung der elektronischen Komponenten zu haben. Folglich kann eine Wärmesenke 1, wie in einer der vorstehenden Ausführungsformen beschrieben, in einer derartigen LED-Lampe 100 implementiert werden.
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6 zeigt eine LED-Lampe 100, bevorzugt eine Retrofit-LED-Lampe, gemäß der vorliegenden Erfindung, die für einen Luftstrom in zwei Richtungen ausgelegt ist. Die LED-Lampe 100 hat einen Kolben 10, der bevorzugt aus Glas oder Kunststoff gefertigt ist und für sichtbares Licht transparent ist. Der Kolben 10 hat vorzugsweise die typische hauptsächlich kugelförmige Form, die von gewöhnlichen elektrischen Kolben bekannt ist. Der Kolben 10 hat eine Fassung 11 auf einem seiner Enden, die bevorzugt gefertigt ist, um zu Normverbindern für die elektrische Stromversorgung der Lampe 100 zu passen. Im Inneren der Lampe 100 erzeugen wenigstens eine oder mehr LEDs sichtbares Licht. Der Kolben 10 kann mit Phosphormaterial versehen sein, das von der einen oder den mehreren LEDs emittiertes Licht umwandelt oder durch stimulierte Emission eine oder mehrere weitere Spektrallinien zu dem emittierten Licht hinzufügt. Zum Beispiel können die LEDs im Inneren des Kolbens 10 derart konstruiert sein, dass sie blaues Licht emittieren, und ein Phosphormaterial im Inneren des Kolbens 10 oder das als eine Schicht auf der äußeren oder inneren Oberfläche des Kolbens 10 bereitgestellt ist, emittiert eine andere Wellenlänge, wenn es von dem blauen Licht getroffen wird. Insgesamt wird das von der LED-Lampe 100 emittierte Licht weiß erscheinen. Eine andere Art, weißes Licht im Inneren der LED-Lampe 100 zu erzeugen, ist, mehrere verschiedenfarbige LEDs bereitzustellen, die für einen Betrachter von außen in Kombination weiß erscheinen.
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Im Inneren des Kolbens 10 oder als ein Teil des Kolbens 10 integriert ist die vorstehend beschriebene Wärmesenke 1 implementiert und angeordnet. Wenigstens die elektronischen Komponenten 4, welche die wenigstens eine LED betreiben, und bevorzugt auch die LED selbst, sind an der Wärmesenke 1 im Inneren des Kolbens 10 montiert. 6 zeigt insbesondere eine Retrofit-LED-Lampe 100, in der die Wärmesenke 1 mit dem Kolben 10 integriert ist. Das Innere des Kolbens 10 stellt hier die erste Kammer 2 dar, und der obere nahezu halbkugelförmige Teil des Kolbens 10 stellt die erste Wand 5 dar. Der untere Teil des Kolbens 10 zwischen dem oberen Teil und der Fassung 11 stellt die zweite Wand 3 dar und kann entweder teilweise oder ganz aus einem porösen Element 3a gefertigt sein. In 6 ist er teilweise aus einem porösen Element 3a gefertigt, und der andere Teil der zweiten Wand 3 ist ein luftdichter Teil, der Löcher 8 oder Düsen aufweist. Durch das poröse Element 3a wird mit dem Betrieb der Druckerzeugungseinrichtung 7, die im Inneren der Lampe 100 bereitgestellt ist, Luft ausgestoßen und eingesaugt. Der Luftstorm in zwei Richtungen ist durch die horizontalen Pfeile angezeigt. Außerdem werden Luftstrahlen 9, die durch den vertikalen Pfeil angezeigt sind, durch die Löcher 8 ausgestoßen. Die Löcher 8 sind derart angeordnet, dass die Luftstrahlen 9 mit dem Luftvolumen, das die LED-Lampe 100 außerhalb des porösen Elements 3a umgibt, wechselwirken. In 6 kann diese mit Hilfe der Form des Kolbens 10 der Retrofit-LED-Lampe 10 erreicht werden. Die hauptsächlich kugelförmige Form, das heißt, die Verbreiterung des Kolbens 10 in dem oberen Teil ordnet die Löcher 8 über dem porösen Element 3a leicht geneigt an, so dass ausgestoßene Luftstrahlen ausgerichtet sind, um entlang der Außenseite der Lampe 100 nach unten – in die Richtung der Fassung 11 – zu strömen. Auf diese Weise findet eine Wechselwirkung mit der Luft außerhalb des porösen Elements 3a statt und verstärkt, wie vorstehend erklärt, die Kühlwirkung.
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Das Gehäuse des Kolbens 10 könnte weitere Öffnungen wie Schlitze, Löcher oder ähnliches an der Fassung 11 haben, so dass auch dort regelmäßig Luft aus dem Innenvolumen des Kolbens 10 gedrückt wird und dann wieder eingesaugt wird, wenn die zweite Phase einer Wärmesenke 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Luftstrom in zwei Richtungen gilt.
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7 zeigt eine andere LED-Lampe 100, die eine integrierte Wärmesenke 1 hat, die für den Luftstrom in eine Richtung konstruiert ist. Die erste Wand 5 an der Oberseite der Lampe 100 weist ein poröses Element 12 auf und ist ferner mit der wenigstens einen LED versehen. Ein transparentes Fenster ist zum Beispiel in der ersten Wand 5 sichtbar, durch welches die LED Licht aus dem Inneren emittieren kann. Die durch die Seitenwände der LED-Lampe 100 dargestellte zweite Wand 3 weist ein anderes poröses Element 3a auf. Die Unterseite der Lampe 100 stellt die dritte Wand 6 dar, die luftdicht ist und in einer Fassung oder einem Verbinder endet. Im Inneren der ersten, zweiten und dritten Wand 5, 3, 6 sind wenigstens zwei Kammern definiert, und wenigstens eine Druckerzeugungseinrichtung ist bereitgestellt, die zum Beispiel die zwei Kammern verbindet. Durch Anwenden der vorstehend erwähnten Beziehungen zwischen dem ersten Kammerdruck, dem zweiten Kammerdruck und den Außendrücken kann ein Luftstrom in eine Richtung erzeugt werden. In 7 ist der Luftstrom in eine Richtung durch Pfeile angezeigt, und Luft wird durch das poröse Element 12 in die Wärmesenke 1 der Lampe 100 eingesaugt und wird durch das poröse Element 3a ausgestoßen. Natürlich könnte eine der Wände der LED-Lampe 100 auch Löcher 8, Schlitze oder Düsen aufweisen, um, falls notwendig, Luftstrahlen zu erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung eines Kühlverfahrens in jeder Art von LED-Lampe 100, insbesondere einer Retrofit-LED-Lampe. Ein derartiges Verfahren würde die Schritte des Steuerns eines ersten Kammerluftdrucks in einer ersten Kammer 2 umfassen, wobei wenigstens eine elektronische Komponente 4 an einer ersten Wand 5 der ersten Kammer 2 angebracht ist. Ferner würde das Verfahren jeweils das Herausdrücken und Einsaugen von Luft durch poröse Elemente 3a wenigstens einer zweiten Wand 3 der ersten Kammer 2 umfassen, indem der erste Kammerluftdruck P1 schwanken gelassen wird, so dass er abwechselnd höher und niedriger als der Luftdruck P0 außerhalb der ersten Kammer 2 ist.
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Alle vorstehenden Ausführungsformen dienen dazu, eine effiziente Kühlung für elektronische Komponenten 4 bereitzustellen, die bevorzugt LEDs betreiben. Alle in den ursprünglichen Ausführungsformen vorstehend beschriebenen Merkmale können nach Wunsch und abhängig von den Gegebenheiten, die die besten Ergebnisse bereitstellen, kombiniert werden. Insbesondere stellt die kombinierte Kühlwirkung durch die Atmung durch poröse Elemente, die mit gerichteten Luftstrahlen wechselwirken, einen hohen Kühlwirkungsgrad bereit.
