DE102011011700A1

DE102011011700A1 - LED-Scheinwerfer, Kraftfahrzeug mit einem LED-Scheinwerfer und Verfahren zur Kühlung eines LED-Scheinwerfers

Info

Publication number: DE102011011700A1
Application number: DE102011011700A
Authority: DE
Inventors: Frank LANGKABEL; Juergen Pickel; Ingolf Schneider
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Ein LED-Scheinwerfer (1) weist zumindest eine als LED (3) ausgebildete Lichtquelle; — zumindest einen Kühlkörper (5), mit dem die Lichtquelle wärmeleitend verbunden ist; — zumindest ein Wärmerohr (7) auf, durch das der Kühlkörper (5) wärmeleitend mit einem Bereich einer Fahrzeugaußenhaut (11) verbindbar ist.

Description

Es wird ein LED-Scheinwerfer mit zumindest einer als LED ausgebildeten Lichtquelle beschrieben. Derartige LED-Scheinwerfer werden zunehmend auch bei Kraftfahrzeugen für die Hauptlichtfunktionen Abblend- und/oder Fernlicht eingesetzt. Sie erfordern wegen ihrer starken Wärmeabgabe ein Kühlkonzept. Hierzu wird typischerweise ein elektrisch betriebener Lüfter in den Scheinwerfern platziert. Der entstehende Luftstrom kühlt sich an der Abdeckscheibe des Scheinwerfers ab und kühlt somit die LED.
Derartige elektrisch betriebene Lüfter erfordern jedoch erheblichen Bauraum und verbrauchen darüber hinaus Strom.
Es ist auch beispielsweise aus der DE 10 2007 055 165 A1 und der DE 10 2004 046 764 A1 bekannt, Wärmerohre (heat pipes) als passive Kühlsysteme in LED-Scheinwerfern einzusetzen. Bei einer solchen Anordnung muss jedoch das Problem gelöst werden, wie das Wärmerohr möglichst optimal in den Scheinwerfer integriert wird.
Aufgabe eines Aspekts der Erfindung ist es, einen LED-Scheinwerfer anzugeben, der im Hinblick auf einen geringen Stromverbrauch, eine hohe Lebensdauer und geringe Kosten sowohl bei der Montage als auch im Betrieb optimiert ist.
Aufgabe eines weiteren Aspekts der Erfindung ist es, ein möglichst effizientes Verfahren zur Kühlung von LED-Scheinwerfern anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Lösung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein LED-Scheinwerfer angegeben, der zumindest eine als LED ausgebildete Lichtquelle und zumindest einen Kühlkörper aufweist, mit dem die Lichtquelle wärmeleitend verbunden ist. Der LED-Scheinwerfer weist ferner zumindest ein Wärmerohr auf, durch das der Kühlkörper wärmeleitend mit einem Bereich einer Fahrzeugaußenhaut und/oder Fahrzeugstruktur verbindbar ist.
Unter einer Fahrzeugaußenhaut wird hier und im Folgenden die metallische Umhüllung eines Fahrzeugs verstanden, die meist keine tragende oder versteifende Aufgabe hat. Unter einer Fahrzeugstruktur werden weitere, meist metallische Elemente des Fahrzeugs, insbesondere Teile der Karosserie, verstanden. Unter einer wärmeleitenden Verbindung wird eine Verbindung verstanden, die einen sehr guten Wärmetransport ermöglicht.
Wärmerohre sind Wärmeüberträger, die unter Nutzung der Verdampfungswärme eines Stoffes die Übertragung von Wärme mit einer hohen Wärmestromdichte erlauben. Sie sind deshalb auch bei hoher Übertragungsleistung verhältnismäßig platzsparend unterzubringen.
In einem Wärmerohr ist typischerweise ein Transportmedium eingeschlossen, das an einem Ende des Wärmerohrs in der Siedezone unter Aufnahme von Wärme verdampft. Der Dampf tritt durch eine Barriere, die beispielsweise aus einem porösen, nicht benetzbaren Material ausgebildet ist, aus dem Kondensatkanal in den Dampfkanal über und strömt im Dampfkanal an das andere Ende des Wärmerohrs in den Kondensationsbereich.
Im Kondensationsbereich kondensiert das Transportmedium unter Abgabe von Wärme wieder und wird unter Nutzung der Kapillarwirkung im Kondensatkanal in die Siedezone zurückgeführt.
Durch die thermische Anbindung des Kühlkörpers an die Fahrzeugaußenhaut mittels des Wärmerohrs wird erreicht, dass eine große und metallische Abgabefläche für die im LED-Scheinwerfer entstehende Wärme zu Verfügung gestellt wird. Der Wärmetransport weg von den LEDs ist somit sehr effizient, weil einerseits durch den Einsatz des Wärmerohrs eine hohe Wärmestromdichte erzielt wird und andererseits das Wärmerohr derart in das Gesamtkonzept des LED-Scheinwerfers integriert wird, dass die Abgabe der transportierten Wärme sehr effektiv ist.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Wärmerohr zur Verbindung mit dem Bereich der Fahrzeugaußenhaut und/oder Fahrzeugstruktur in eine Verbindungsstruktur des LED-Scheinwerfers zur mechanischen Verbindung mit einem Fahrzeug ausläuft.
Insbesondere kann die Verbindungsstruktur Versteifungs- oder Verstärkungsstrukturen wie beispielsweise Rippen aufweisen.
In einer Ausführungsform ist die Verbindungsstruktur als metallischer Einsatz innerhalb eines aus Kunststoff ausgebildeten Gehäuses des LED-Scheinwerfers ausgebildet.
Bislang weisen Gehäuse von LED-Scheinwerfern oftmals durch Rippen aus Kunststoff verstärkte Bereiche auf, mit denen sie am Fahrzeug montiert werden. Wenn diese Bereiche aus Metall ausgebildet werden, eignen sie sich besonders gut für eine thermische Anbindung des Wärmerohrs. Versteifungs- oder Verstärkungsstrukturen in Form von Rippen erfüllen dann nicht nur eine Verstärkungsfunktion, sondern können gleichzeitig für die Abgabe der Wärme genutzt werden.
Die Ausbildung von Verstärkungsrippen aus Metall hat zudem den Vorteil, dass die Verstärkungsrippen nicht nur eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit, sondern auch eine hohe Festigkeit aufweisen und sehr robust sind.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Wärmerohr teilweise innerhalb der Verbindungsstruktur. Dazu kann innerhalb der Verbindungsstruktur ein Hohlraum vorgesehen sein, in den das Wärmerohr ausläuft.
Unter einer Erstreckung des Wärmerohrs innerhalb eines Bauteils wird hier und im Folgenden verstanden, dass ein Hohlraum innerhalb dieses Bauteils vorgesehen ist, in dem der Gasaustausch des Wärmerohrs stattfindet. Dazu können in diesem Bereich die Wände des Hohlraums die Wände des Wärmerohrs ausbilden, während das Wärmerohr im Übrigen an das Bauteil angeflanscht ist.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Wärmerohr teilweise innerhalb einer Gehäusewand des LED-Scheinwerfers. Dazu kann innerhalb der Gehäusewand ein Hohlraum vorgesehen sein, in den das Wärmerohr ausläuft.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Wärmerohr teilweise innerhalb des Kühlkörpers. Dazu kann innerhalb des Kühlkörpers ein Hohlraum vorgesehen sein, in den das Wärmerohr ausläuft. Der Kühlkörper kann in dieser Ausführungsform auch derart ein integraler Bestandteil eines Gehäuses des Wärmerohrs sein, dass er die Wand des Wärmerohrs bildet. Die als LED-ausgebildete Lichtquelle ist dann direkt mit der Wand des Wärmerohrs verbunden.
Der LED-Scheinwerfer kann insbesondere als LED-Matrix-Scheinwerfer ausgebildet sein und eine Vielzahl einzelner LED-Lichtquellen aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Scheinwerfer frei programmierbar sind, da die Lichtquellen einzeln oder in Teilgruppen angesteuert werden können.
Der LED-Scheinwerfer kann als LED-Vollscheinwerfer ausgebildet sein, bei dem sowohl eine Abblendlichtfunktion als auch, Zusatzfunktionen wie Tagfahrlicht, Blinker, Bremslicht, Nebelschlusslicht, Rückfahrlicht, Kennzeichenbeleuchtung oder Rückleuchten mittels LED realisiert sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der LED-Scheinwerfer in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, wobei ein zweites Ende des Wärmerohrs mit der Fahrzeugaußenhaut wärmeleitend verbunden ist.
Ein derartiger Scheinwerfer weist aufgrund des Einsatzes von LEDs in Kombination mit einer sehr effektiven Kühlung eine lange Lebensdauer und eine sehr gute Lichtleistung auf. Auf eine aktive Kühlung, die einen zusätzlichen Strombedarf bedeuten würde, kann daher verzichtet werden. Dadurch kann zum einen Kraftstoff gespart werden, zum anderen kann ein geringer Bauraumbedarf erreicht werden.
Im Kondensatkanal 17 ist ein Geflecht aus Fasern 19, beispielsweise aus Kupferdraht, angeordnet, das für die Kapillarwirkung innerhalb des Kondensatkanals 19 und damit für den Rücktransport des Transportmediums aus der Kondensatzone 13 in die Siedezone 12 verantwortlich ist.
Im Betrieb nimmt das Transportmedium am ersten Ende 8 Wärme der LED 3 auf und verdampft. Es tritt in den Dampfkanal 16 über und strömt in diesem im Wesentlichen adiabatisch in die Kondensationszone 13 am zweiten Ende 9 des Wärmerohrs 7, an dem es unter Abgabe von Wärme an die Verbindungsstruktur 10 kondensiert. Aufgrund der Kapillarwirkung wird es entlang der Fasern 19 in die Siedezone 12 zurückgeführt.
4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen LED-Scheinwerfer 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der LED-Scheinwerfer 1 gemäß der weiteren Ausführungsform unterscheidet sich von dem gemäß 1 in mehreren Punkten.
Ein erstes Ende 8 des Wärmerohrs 7 läuft in den Kühlkörper 5 aus, derart, dass die Wand 15 des Wärmerohrs 7 in diesem Bereich durch den Kühlkörper 5 ausgebildet ist. Im Übergangsbereich 22 ist die Wand 15 der Transportzone 14 des Wärmerohrs 7 an den Kühlkörper 5 angeflanscht.
Ein zweites Ende 9 des Wärmerohrs 7 läuft in die Verbindungsstruktur 10 aus, derart, dass die Wand 15 des Wärmerohrs 7 in diesem Bereich durch die Verbindungsstruktur 10 ausgebildet ist. Im Übergangsbereich 23 ist die Wand 15 der Transportzone 14 an die Verbindungsstruktur 10 angeflanscht.
Die Verbindungsstruktur 10 ist als metallischer Einsatz in dem ansonsten aus Kunststoff ausgebildete Gehäuse 6 des LED-Scheinwerfers 1 ausgebildet. Sie ist in den Bereichen 24, 25 mit dem übrigen Gehäuse 6 verbunden.
In 4 ist ein Verschraubungspunkt 21 der Verbindungsstruktur 10 zur Befestigung der LED-Scheinwerfers 1 an Elementen einer hier nicht gezeigten Fahrzeugkarosserie bzw. einer Fahrzeugaußenhaut dargestellt.
Die Verbindungsstruktur 10 weist Versteifungs- oder Verstärkungsstrukturen in Form von Rippen 20 auf, die gleichzeitig die Abgabe von der Verbindungsstruktur 10 durch das Wärmerohr 7 zugeführter Wärme erleichtern.
Bezugszeichenliste

1: LED-Scheinwerfer
2: Frontbereich
3: LED
4: Reflektor
5: Kühlkörper
6: Gehäuse
7: Wärmerohr
8: erstes Ende
9: zweites Ende
10: Verbindungsstruktur
11: Fahrzeugaußenhaut
12: Siedezone
13: Kondensationszone
14: Transportzone
15: Wand
16: Dampfkanal
17: Kondensatkanal
18: Barriere
19: Faser
20: Rippen
21: Verschraubungspunkt
22: Übergangsbereich
23: Übergangsbereich
24: Bereich
25: Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007055165 A1 [0003]
DE 102004046764 A1 [0003]

Claims

LED-Scheinwerfer (1), aufweisend – zumindest eine als LED (3) ausgebildete Lichtquelle; – zumindest einen Kühlkörper (5), mit dem die Lichtquelle wärmeleitend verbunden ist; – zumindest ein Wärmerohr (7), durch das der Kühlkörper (5) wärmeleitend mit einem Bereich einer Fahrzeugaußenhaut (11) und/oder Fahrzeugstruktur verbindbar ist.
LED-Scheinwerfer (1) nach Anspruch 1, wobei das Wärmerohr (7) zur Verbindung mit dem Bereich der Fahrzeugaußenhaut (11) in eine Verbindungsstruktur (10) des LED-Scheinwerfers (1) zur mechanischen Verbindung mit einem Fahrzeug ausläuft.
LED-Scheinwerfer (1) nach Anspruch 2, wobei die Verbindungsstruktur (10) Versteifungs- oder Verstärkungsstrukturen aufweist.
LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbindungsstruktur (10) als metallischer Einsatz innerhalb eines aus Kunststoff ausgebildeten Gehäuses (6) des LED-Scheinwerfers (1) ausgebildet ist.
LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich das Wärmerohr (7) teilweise innerhalb der Verbindungsstruktur (10) erstreckt.
LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich das Wärmerohr (7) teilweise innerhalb einer Gehäusewand des LED-Scheinwerfers (1) erstreckt.
LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich das Wärmerohr (7) teilweise innerhalb des Kühlkörpers (5) erstreckt.
LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest Bereiche des Kühlkörper (5) eine Wand (15) des Wärmerohrs (7) ausbilden.
LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der als LED-Matrix-Scheinwerfer ausgebildet ist.
LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der als LED-Vollscheinwerfer ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit zumindest einem LED-Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein zweites Ende (9) des Wärmerohrs (7) mit der Fahrzeugaußenhaut (11) wärmeleitend verbunden ist.
Verfahren zur Kühlung eines LED-Scheinwerfers (1), wobei durch zumindest eine LED-Lichtquelle (3) erzeugte Wärme mittels eines Wärmerohrs (7) abgeführt und an eine Fahrzeugaußenhaut (11) abgegeben wird.