DE102011051047B4

DE102011051047B4 - Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102011051047B4
Application number: DE102011051047.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Eusterbrock; Andreas Miemczyk
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: DE102011051047A1; WO2012171972A3; EP2721342B1; WO2012171972A2; EP2721342A2

Abstract

Beleuchtungseinrichtung (1) mit mindestens einem, auf einer Leiterplatte (3) angeordneten Leuchtmittel (2) und einem Kühlkörper (4), der eine Wärmeeinkoppelfläche (5) aufweist, die flächig wärmeleitend mit der Leiterplatte (3) verbunden ist, sowie mit wenigstens einer Optik, die zur Lenkung und Bündelung des von dem mindestens einen Leuchtmittel ausgesandten Lichts wenigstens einen Reflektor und/oder eine Linse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkoppelfläche (5) des Kühlkörpers (4) derart gekrümmt und die Leiterplatte (3) mit Hilfe von Verbindungselementen (8) derart mit dem Kühlkörper (4) verspannt ist, dass die Leiterplatte (3) zwischen der Optik und dem Kühlkörper gegen die Rückstellkraft mehrerer Widerlagerstellen (9) der Optik flächig an die Wärmeeinkoppelfläche (5) des Kühlkörpers (4) angedrückt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einem, auf einer Leiterplatte angeordneten Leuchtmittel und einem Kühlkörper, der eine Wärmeeinkoppelfläche aufweist, die flächig wärmeleitend mit der Leiterplatte verbunden ist.
Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist aus DE 20 2009 001 475 U1 bekannt. Die Beleuchtungseinrichtung hat eine längliche Leiterplatte, an deren Vorderseite mindestens eine Leuchtdiode angeordnet ist. Zum Kühlen der Leuchtdiode hat die Beleuchtungseinrichtung einen länglichen Kühlkörper, der an eine ebene Wärmeeinkoppelfläche hat, die flächig wärmeleitend mit einer der Leuchtdiode abgewandt gegenüberliegenden Rückseitenfläche der Leiterplatte verbunden ist. Der Kühlkörper ist als Luftleitkörper ausgestaltet, der seitliche Öffnungen für den Durchtritt von Kühlluft aufweist. Die beim Betrieb der Beleuchtungseinrichtung in der Leuchtdiode auftretende Verlustwärme wird zunächst von der Leuchtdiode durch die Vorderseite der Leiterplatte hindurch in die Leiterplatte übertragen, durchdringt diese und wird anschließend durch die Rückseitenfläche der Leiterplatte hindurch in die Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers hindurch in diesen eingekoppelt. Der Kühlkörper überträgt die Wärme dann auf die durch seine Öffnungen strömende Kühlluft. Wie die Leiterplatte mit dem Kühlkörper verbunden ist, ist in der DE 20 2009 001 475 U1 nicht offenbart. Üblich sind mechanische Verbindungselemente, wie z. B. Schrauben, oder eine stoffschlüssige Verbindung, die durch eine zwischen der Rückseitenfläche der Leiterplatte und der Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers befindliche Klebstoffschicht ermöglicht wird. Eine derartige Verbindung ist jedoch relativ aufwändig, da die benötigten Einzelteile (Schrauben, Klebstoff) bevorratet und montiert werden müssen. Ungünstig ist außerdem, dass zwischen der Rückseitenfläche der Leiterplatte und der Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers ein relativ großer Wärmewiderstand vorhanden ist, der die Kühlung der Leuchtdiode begrenzt.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einem einfachen und kostengünstigen Aufbau eine wirksame Kühlung des Leuchtmittels ermöglicht.
DE 10 2008 052 869 A1 offenbart eine Straßenleuchte, bei der LEDs auf flexiblen, streifenförmigen Platinen angeordnet sind. Die Platinen werden in Tragschienen eingelegt und über Federklammern an die Tragschienen angedrückt, sodass die Federkraft für ein flächiges Anliegen der Platine an der Anlagefläche der Tragschiene sorgt. Dadurch kann Wärme von der Platine auf die Tragschiene, welche ihrerseits thermisch mit einem Kühlkörper verbunden ist, abgegeben werden.
DE 20 2008 005 814 U1 beschreibt eine LED-Leuchte mit einem Kugelgelenk, wobei über das Kugelgelenk die vom Leuchtmittel erzeugte Wärme abgeführt wird.
Nach der DE 10 2006 048 230 A1 kann eine verbesserte Positionierung einer auf einer Platine angeordnete LED-Baugruppe relativ zu einem Kühlkörper erfolgen, wenn ein Positionierkörper auf den Kühlkörper aufgesetzt wird, der seitlich an der LED-Baugruppe angreift. In der so definierten Position wird die Leiterplatte anschließend dauerhaft verklebt. Anschließend kann der Positionierkörper entformt werden. Alternativ kann der Positionierkörper auch am Kühlkörper befestigt werden und z. B. einen Reflektor aufweisen.
Erfindungsgemäß wir diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers derart gekrümmt und die Leiterplatte mit Hilfe von Verbindungselementen derart mit dem Kühlkörper verspannt ist, dass die Leiterplatte gegen eine Rückstellkraft flächig an die Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers angedrückt wird.
In vorteilhafter Weise wird die Leiterplatte durch diese Verspannung über die Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers weitgehend gleichmäßig an den Kühlkörper angedrückt, wodurch eine gute Wärmeableitung der in dem Leuchtmittel auftretenden Verlustwärme in den Kühlkörper ermöglicht wird. Da die Leiterplatte mit dem Kühlkörper verspannt ist, können zusätzliche Befestigungselemente, welche die Leiterplatte durchsetzen und/oder stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbinden, eingespart werden. Die Beleuchtungseinrichtung ist daher kostengünstig herstellbar.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Wärmeeinkoppelfläche eine zylindrische Krümmung auf. Die zylindrische Krümmung kann eine kreiszylindrische Krümmung sein oder von der Kreisform abweisen. Insbesondere kann die Krümmung insgesamt oder abschnittweise einen etwa ellipischen oder exponentiellen Verlauf aufweisen.
Bevorzugt weist die Wärmeeinkoppelfläche eine konvexe Krümmung auf. Die Verbindungselemente, welche den Kühlkörper mit der Leiterplatte verspannen, können dann am Rand des Kühlkörpers angeordnet sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung eine mindestens einen Reflektor und/oder eine Linse aufweisende Optik zur Lenkung des von dem wenigstens einen Leuchtmittel ausgesendeten Lichts aufweist, und dass die Leiterplatte zwischen der Optik und dem Kühlkörper eingespannt ist. Die Beleuchtungseinrichtung lässt sich dadurch bei ihrer Herstellung kostengünstig und auf einfache Weise montieren. Die über die Verbindungselemente mit dem Kühlkörper verspannte Optik wirkt wie eine mechaniche Feder, welche die Leiterplatte flächig an die Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers anpresst. Dadurch wird eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Optik Zentrierelemente auf, die mit dazu passenden Zentriergegenstücken der Leiterplatte zusammenwirken. Die Leiterplatte und das mindestens eine darauf befindliche Leuchtmittel sind dann nach ihrer Montage lagerichtig an der Optik positioniert. Die Zentrierelemente sind bevorzugt als Vorsprünge und die Zentriergegenstücke als dazu passende Öffnungen ausgestaltet. Selbstverständlich ist auch eine umgekehrte Anordnung möglich, bei welcher die Zentrierelemente als Öffnungen und die Zentriergegenstücke als dazu passende Vorsprünge ausgebildet sind.
Zweckmäßigerweise verjüngen sich die Vorsprünge ausgehend von ihrem Fuß zu ihrem freien Ende hin. Dadurch wird eine noch einfache Montage der Beleuchtungseinrichtung ermöglicht. Die Zentrierelemente sind bevorzugt domförmig ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind auf der Leiterplatte mehrere Leuchtmittel in einer Reihe nebeneinander angeordnet, wobei die Optik mehrere Widerlagerstellen aufweist, die in Erstreckungsrichtung der Leuchtmittel-Reihe hintereinander angeordnet und durch Zwischenräume voneinander beabstandet sind, wobei die Widerlagerstellen an der Leiterplatte zur Anlage kommen, wobei die Leuchtmittel an den Zwischenräumen vorgesehen sind, und wobei die Verbindungselemente quer zur Erstreckungsrichtung der Leuchtmittel-Reihe beidseits der Widerlagerstellen angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine längliche Beleuchtungseinrichtung, bei der die Leiterplatte entlang der Leuchtmittel-Reihe jeweils benachbart zu den einzelnen Leuchtmitteln an die Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers angepresst wird. Somit ist die Leiterplatte über ihre geamte Länge gut wärmeleitend mit dem Kühlkörper verbunden.
Vorteilhaft ist, wenn die Optik mehrere Brückenteile aufweist, die sich quer zur Reihe der Leuchtmittel erstrecken, wobei die Widerlagerstellen an den Brückenteilen mit Abstand zu deren Brückenenden angeordnet sind. Die Leiterplatte kann dadurch noch besser flächig an den Kühlkörper angepresst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind auf der Leiterplatte mehrere Leuchtmittel in einer Reihe nebeneinander angeordnet, wobei die Leuchtmittel in Höhe der am weitesten vorstehenden Stelle der konvexen Krümmung positioniert sind. Durch diese Maßnahme kann die Leiterplatte mit einer hohen Flächenpresskraft an die Wärmeeinkoppelfläche des Kühlkörpers angepresst werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch eine Beleuchtungseinrichtung, die als Leuchtmittel mehrere die auf einer Leiterplatte angeordnete Leuchtdioden aufweist,
2 eine Vorderansicht der Beleuchtungseinrichtung und
3 eine Ansicht auf die Rückseite der Beleuchtungseinrichtung.
Eine in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Beleuchtungseinrichtung weist als Leuchtmittel 2 mehrere Leuchtdioden auf, die auf einer Leiterplatte 3 in einer Reihe nebeneinander angeorndet sind. Die Leiterplatte 3 erstreckt sich in der unausgelenkte Ruhelage in einer Ebene.
Zum Abführen der beim Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 1 in den Leuchtmitteln 2 auftretenden Verlustwärme ist die Leiterplatte 3 flächig wärmeleitend mit einem Kühlkörper 4 verbunden, der aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff besteht, beispielsweise aus Aluminium.
In 2 ist erkennbar, dass die Leuchtmittel 2 an der Vorderseite der Leiterplatte 3 angeordnet sind. Mit ihrer den Leuchtmitteln 2 abgewandten Rückseite liegt die Leiterplatte 3 flächig an einer Wärmeeinkoppelfläche 5 des Kühlkörpers 4 an. Die in den Leuchtmitteln 2 auftretende Verlustwärme wird zunächst von den Leuchtmitteln 2 auf die Leiterplatte und danach durch die Leiterplatte übertragen und in die Wärmeeinkoppelfläche 5 des Kühlkörpers 4 eingeleitet. Der Kühlkörper 4 weist an seiner der Wärmeeinkoppelfläche 5 abgewanten Vorderseite Kühlrippen 6 auf, über welche die Verlustwärme an die Umgebungsluft abgeführt wird.
Wie in 1 erkennbar ist, weist die Wärmeeinkoppelfläche 5 des Kühlkörpers 4 eine konvexe, etwa zylindrische Krümmung auf, deren am weitesten vorstehende Stelle etwa mittig zur Leiterplatte 3 angeordnet ist. Die Zylinderachse der Krümmung ist normal zur Zeichenebene in 1 angeordnet und verläuft oberhalb des Kühlkörpers 4. In der in 1 gezeigten Querschnittsebene verläuft die Wärmeeinkoppelfläche 5, ausgehend vom linken Rand der Leiterplatte 3 zur Mitte der Leiterplatte 3 hin etwas nach unten und im weiteren Verlauf von der Mitte zum rechten Rand der Leiterplatte 3 hin etwas nach oben.
Zur Lenkung und Bündelung des von den Leuchtmitteln 2 ausgesendeten Lichts weist die Beleuchtungseinrichtung eine Optik 7 auf, die ein Gehäuseteil hat, an dem mehrere, in der Zeichnung nicht näher dargestellte, lichtablenkende optische Elemente vorgesehen sind, die im Abstrahlbereich der Leuchtmittel 2 angeordnet sind.
In 1 ist erkennbar, dass die Leiterplatte 3 mit Hilfe von Verbindungselementen 8 derart zwischen der Optik 7 und dem Kühlkörper 4 eingespannt ist, dass die Optik 7 gegen die Rückstellkraft ihres Werkstoffs an meheren voneinander beabstandeten Widerlagerstelle 9 an der Vorderseite der Leiterplatte 3 zur Anlage kommt und die Leiterplatte 3 zwischen der Optik 7 und dem Kühlkörper 4 eingeklemmt wird. Die Verbindungselemente 8 durchsetzen Durchtrittsöffnungen des Kühlkörpers und sind in der Optik 7 verankert. Dabei sind die Verbindungselemente 8 neben der Leiterplatte 3 angeordnet. An ihrem von der Optik 7 entfernten Ende weisen die Verbindungselemente 8 eine Verbreiterung auf, welche den Randbreich der Durchtrittsöffnung des Kühlkörpers übergreift. Die Verbindungselemente 8 können beispielsweise Schrauben sein.
Die Widerlagerstellen 9 liegen der am weitesten vorstehenden Stelle der konvexzylindrischen Krümmung der Wärmeeinkoppelfläche 5 gegenüber. Durch die Rückstell- bzw. Federkraft der Optik 7 wird die Leiterplatte 3 mit ihrer Rückseite flächig an die Wärmeeinkoppelfläche 5 anpresst. Dadurch ergibt sich an der Wärmeeinkoppelfläche 5 ein geringer Wärmewiderstand zwischen der Leiterplatte 3 und dem Kühlkörper 4.
Damit die Optik 7 lagerichtig relativ zu der Leiterplatte 3 und den darauf angeordneten Leuchtmitteln 2 positioniert ist, weist die Optik 7 mehrere dom- oder kegelstumpfförmige Zentrierelemente 10 auf, die jeweils eine dazu passende Öffnung der Leiterplatte 3 durchsetzen (1). Die Zentrierelemente 10 sind leicht konisch ausgestaltet und verjüngen sich, ausgehend von ihrem Fuß zu ihrem freien Ende hin.
In 2 ist erkennbar, dass die Optik 7 mehrere in einer Reihe nebeneinander angeordnete Widerlagerstellen 9 aufweist, und dass zueinander beanchbart nebeneinander angeorndete Widerlagerstellen 9 jeweils durch einen Zwischenraum 11 voneinander beabstandet sind. In jedem Zwischenraum 11 ist jeweils ein Leuchtmittel etwa mittig zwischen den an den Zwischenraum 11 angrenzenden Widerlagerstellen 9 angeordnet. Die Zwischenräume 11 sind jeweils als Wandungsdurchbruch ausgestaltet.
In 2 ist außerdem erkennbar, dass die Optik 7 mehrere stegfömige Brückenteile 12 aufweist, die sich quer zur Leuchtmittel-Reihe erstrecken und an ihren Brückenenden an Gehäuserandbereichen verankert sind, die etwa parallel zur Leuchtmittel-Reihe verlaufen. Die Widerlagerstellen 9 sind etwa mittig zwischen den Brückenenden angeordnet.
In 1 ist erkennbar, dass die Brückenteile 12 in Längserstreckungsrichtung einen etwa W-förmigen Verlauf haben und an den Enden der beiden äußeren W-Schenkeln mit den Gehäuserandbereichen verankert sind. Die Widerlagerstelle 9 ist an den von den äußeren W-Schenkeln entfernten Enden der inneren W-Schenkel angeordnet. Somit haben die Brückenteile 12 zwischen der Widerlagerstelle 9 und den Brückenenden jeweils einen von einer geraden Linie abweichenden Verlauf.
Bezugszeichenliste

1: Beleuchtungseinrichtung
2: Leuchtmittel
3: Leiterplatte
4: Kühlkörper
5: Wärmeeinkoppelfläche
6: Kühlrippe
7: Optik
8: Verbindungselement
9: Widerlagerstelle
10: Zentrierelement
11: Zwischenraum
12: Brückenteil

Claims

Beleuchtungseinrichtung (1) mit mindestens einem, auf einer Leiterplatte (3) angeordneten Leuchtmittel (2) und einem Kühlkörper (4), der eine Wärmeeinkoppelfläche (5) aufweist, die flächig wärmeleitend mit der Leiterplatte (3) verbunden ist, sowie mit wenigstens einer Optik, die zur Lenkung und Bündelung des von dem mindestens einen Leuchtmittel ausgesandten Lichts wenigstens einen Reflektor und/oder eine Linse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkoppelfläche (5) des Kühlkörpers (4) derart gekrümmt und die Leiterplatte (3) mit Hilfe von Verbindungselementen (8) derart mit dem Kühlkörper (4) verspannt ist, dass die Leiterplatte (3) zwischen der Optik und dem Kühlkörper gegen die Rückstellkraft mehrerer Widerlagerstellen (9) der Optik flächig an die Wärmeeinkoppelfläche (5) des Kühlkörpers (4) angedrückt wird.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkoppelfläche (5) eine zylindrische Krümmung aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkoppelfläche (5) eine konvexe Krümmung aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (7) Zentrierelemente (10) aufweist, die mit dazu passenden Zentriergegenstücken der Leiterplatte (3) zusammenwirken.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriergegenstücke als Öffnungen und die Zentrierelemente (10) als Vorsprünge ausgestaltet sind, und dass sich die Vorsprünge ausgehend von ihrem Fuß zu ihrem freien Ende hin verjüngen.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (3) mehrere Leuchtmittel (2) in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind, dass die Widerlagerstellen (9) der Optik (7) in Erstreckungsrichtung der Leuchtmittel-Reihe hintereinander angeordnet und durch Zwischenräume (11) voneinander beabstandet sind, dass die Widerlagerstellen (9) an der Leiterplatte (3) zur Anlage kommen, dass die Leuchtmittel (2) an den Zwischenräumen (11) vorgesehen sind, und dass die Verbindungselemente (8) quer zur Erstreckungsrichtung der Leuchtmittel-Reihe beidseits der Widerlagerstellen (9) angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (7) mehrere Brückenteile (12) aufweist, die sich quer zur Reihe der Leuchtmittel (2) erstrecken, und dass die Widerlagerstellen (9) an den Brückenteilen (12) mit Abstand zu deren Brückenenden angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (3) mehrere Leuchtmittel (2) in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind, und dass die Leuchtmittel (2) in Höhe der am weitesten vorstehenden Stelle der konvexen Krümmung positioniert sind.