DE102011078882A1

DE102011078882A1 - Erzeugung eines Gasstroms mittels Schwingungen

Info

Publication number: DE102011078882A1
Application number: DE102011078882A
Authority: DE
Inventors: Franz Bernitz; Dr. Honsberg-Riedl Martin; Dr. Mitic Gerhard; Dr. Mock Randolf; Dr. Vontz Thomas
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013007538A3; WO2013007538A2

Abstract

Eine Strömungsmaschine (1) ist mit mindestens einer Luftstromerzeugungseinheit (12) ausgerüstet, wobei die Luftstromerzeugungseinheit (12) eine Anregungseinheit (14), eine Schwingungseinheit (16), die von der Anregungseinheit (14) zu Schwingungen anregbar ist, und eine Verbindungseinheit (15), welche die Anregungseinheit (14) mit der Schwingungseinheit (16) mechanisch verbindet, aufweist. Die Verbindungseinheit (15) weist mehrere Schichten (4a, 5a, 6a) auf. Die Strömungsmaschine (1) ermöglicht eine besonders kompakte und preiswerte Herstellung der Strömungsmaschine (1). Die Strömungsmaschine (1) ist insbesondere geeignet zum Einsatz mit Leuchtvorrichtungen, insbesondere LED-Leuchtvorrichtungen, insbesondere zur Kühlung von Leuchtdioden. Eine Leuchtvorrichtung (R) weist mindestens eine Halbleiterlichtquelle (L) und mindestens eine Strömungsmaschine (1) zum Kühlen der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (L) auf. Ein Verfahren dient zum Herstellen einer Strömungsmaschine(1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit mindestens einer Luftstromerzeugungseinheit, wobei die Luftstromerzeugungseinheit eine Anregungseinheit, eine Schwingungseinheit, die von der Anregungseinheit zu Schwingungen anregbar ist, und eine Verbindungseinheit, welche die Anregungseinheit mit der Schwingungseinheit mechanisch verbindet, aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine Halbleiterlichtquelle und mindestens eine Strömungsmaschine zum Kühlen der mindestens einen Halbleiterlichtquelle. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschine. Die Erfindung ist insbesondere einsetzbar zum Kühlen von Halbleiterleuchtvorrichtungen, insbesondere LED-Lampen und LED-Modulen.
DE 10 2008 038 549 A1 offenbart eine Methode zur Erzeugung eines Luftstroms mittels Ultraschall, und zwar zur Kühlung von kleinen elektronischen Schaltungen, beispielsweise elektronischen Vorschaltgeräten. Beschrieben ist dazu eine Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstroms mit einem Anregungselement und einem Schwingelement, wobei das Schwingelement von dem Anregungselement zu Schwingungen anregbar ist und die Schwingungen zu einer Luftströmung führen. Insbesondere kann ein Verbindungselement zwischen dem Anregungs-Element und dem Schwingelement vorgesehen und mit beiden mechanisch verbunden sein. Das Verbindungselement kann kegelstumpfförmig ausgebildet sein und an seiner Deckel- und Bodenfläche von dem Schwingelement und dem Anregungselement abgeschlossen sein. Konkret wird vorgeschlagen, einen piezoelektrischen Aktor mit einer davor montierten Schwingmembran mit Ultraschallfrequenzen anzuregen und zu betreiben. Die Schwingungen der Schwingmembran erzeugen einen Luftstrom, der die Schaltung kühlt.
Nachteilig dabei ist, dass die Einrichtung, insbesondere das Verbindungselement, aus einem metallischen Vollmaterial (z.B. Titan) durch Drehen gefertigt wird. Als Fertigungsverfahren für große Stückzahlen ist das Drehen kaum geeignet, weil die Kosten pro Einrichtung vergleichsweise hoch liegen. Zudem ist die Handhabung einzelner Einrichtungen in einer solchen Fertigung vergleichsweise aufwendig. Außerdem bedingt das Drehen eine Baugröße der Einrichtung von mehreren Millimetern, was insbesondere für miniaturisierte Anwendungen sehr groß ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Erzeugung eines Stroms eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luftstroms, mittels mechanischer Schwingungen bereitzustellen, insbesondere im Hinblick auf eine preiswerte und stärker miniaturisierbare Herstellung.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine mit mindestens einer Luftstromerzeugungseinheit, wobei die Luftstromerzeugungseinheit aufweist: eine Anregungseinheit, eine Schwingungseinheit, die von der Anregungseinheit zu Schwingungen anregbar ist, und eine Verbindungseinheit, welche die Anregungseinheit mit der Schwingungseinheit mechanisch verbindet. Zumindest die Verbindungseinheit weist mehrere Schichten auf.
Durch eine Betätigung der Anregungseinheit kann diese zu Schwingungen angeregt werden, die über die Verbindungseinheit an die Schwingungseinheit weitergegeben werden. Die schwingende Schwingungseinheit kann einen Strom eines die Schwingungseinheit umgebenden gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, erzeugen, welcher z.B. als ein Kühlluftstrom verwendbar ist. Die Luftstromerzeugungseinheit ist zur Erzeugung beliebiger gasförmiger Medien geeignet und vorgesehen und könnte also auch als eine Gasstromerzeugungseinheit bezeichnet werden.
Ein Vorteil dieser Strömungsmaschine besteht in der Herstellung zumindest der Verbindungseinheit durch einfache Schichtung, insbesondere mittels vorstrukturierter Platten, anstatt durch eine aufwendige spanende Bearbeitung aus einem Vollmaterial. Die Strömungsmaschine macht sich dabei unter anderem die Tatsache zu Nutze, dass eine für die Funktion günstige Außenkontur der Verbindungseinheit nicht notwendigerweise glatt zu sein braucht, da im Falle typischer, genügend großer von der Anregungseinheit erzeugter Wellenlängen die Anregung über die bei diesem Aufbau vorhandenen Stufen hinwegmitteln. Außerdem lassen sich problemlos Strömungsmaschinen, insbesondere deren Verbindungseinheiten, mit geringer Bauhöhe herstellen.
Des Weiteren ist die Strömungsmaschine in weiten Grenzen der Abmessungen skalierbar. So ist es z.B. denkbar, die Verbindungseinheiten auf der Größenskala von Mikrometern bis zu Zentimetern herzustellen. So lässt sich die Strömungsmaschine auch mit kleinen zu kühlenden Einheiten einsetzen.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Anregungseinheit mit einem periodischen elektrischen Signal, insbesondere einer Wechselspannung, insbesondere mit einer Frequenz von mindestens ca. 50 kHz bis 60 kHz betrieben wird. So kann eine Netzfrequenz als Frequenz des periodischen elektrischen Signals verwendet werden, was eine Signalgebung vereinfacht. Es ist eine bevorzugte Ausgestaltung, dass die Frequenz mindestens ca. 100 kHz beträgt, insbesondere mindestens ca. 200 kHz. So bleibt eine entsprechende Schwingung der Schwingungseinheit außerhalb eines für den Menschen hörbaren Bereichs, was den Betrieb besonders nutzerfreundlich gestaltet.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Verbindungseinheit ein Resonanzkörper ist, also durch den Anregungskörper zu einer mechanischen Schwingungsresonanz anregbar ist. Die Schwingungseinheit kann dadurch besonders stark bzw. mit einer besonders hohen Amplitude schwingen, was den erzeugten Luftstrom verstärkt. Die Verbindungseinheit kann auch als ein Modentransformator dienen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Anregungseinheit zwei Elektrodenschichten aufweist, zwischen denen ein Anregungselement eingebracht ist und/oder, dass die Schwingungseinheit mindestens eine Schicht aufweist. So können auch die Anregungseinheit und/oder die Schwingungseinheit als Schichtsystem hergestellt werden, insbesondere zusammen mit der Verbindungseinheit, was die oben genannten Vorteile weiter verstärkt. Es ist dazu insbesondere eine Ausgestaltung, dass die Schichten der Luftstromerzeugungseinheit einen (gemeinsamen) Schichtstapel bilden.
Die Schichten können aus einem geeigneten Material bestehen, wobei unterschiedliche Einheiten Schichten aus gleichem oder unterschiedlichem Material aufweisen können.
Beispielsweise können die Elektrodenschichten aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, z.B. einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, einer elektrisch leitfähigen Keramik oder Metall. Als Metall wird insbesondere Kupfer bevorzugt. Es ist eine Weiterbildung, dass zwischen den Elektrodenschichten außerhalb das Anregungselements eine elektrische Isolierschicht vorhanden ist, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
Als Materialien der Schichten der Verbindungseinheit kommen insbesondere Kunststoffe wie Plexiglas oder hartes PVC, Metalle wie Kupfer oder Messing, Glas oder Keramiken wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid usw. zum Einsatz. Besonders bevorzugt ist Stahl, da dieses hart, dauerschwingfest, gut formbar, in seinen Materialeigenschaften einfach variierbar sowie preiswert ist. Der Stahl kann insbesondere ein Edelstahl sein, da dieser besonders langlebig ist.
Die Schicht(en) der Schwingungseinheit können insbesondere aus der Gruppe der gleichen Materialen ausgewählt sein wie die Schichten der Verbindungseinheit, insbesondere in ihrem Material identisch zu dem Material der Schichten der Verbindungseinheit sein.
Ein festes Verbinden der Schichten kann beispielsweise durch ein Verkleben, z.B. mittels Epoxydharz, erreicht werden. Insbesondere metallische Schichten können miteinander verlötet werden, z.B. indem die Schichten vor der Strukturierung mit einem geeigneten Lot belegt werden. Im Fall keramischer Schichten können diese auch miteinander gesintert werden. Insbesondere die angeführten Verbindungsmethoden können auch kombiniert werden. So mögen die zwei metallischen Elektrodenschichten beispielsweise miteinander verlötet werden, keramische Schichten der Verbindungseinheit und der Schwingungseinheit miteinander gesintert werden und folgend die gesinterten Schichten durch eine Verklebung mit einer Elektrodenschicht verbunden werden.
Als Anregungselement kann insbesondere jedes Element verwendet werden, welches mittels eines über die Elektrodenschichten angelegten elektrischen Signals zu einer mechanischen Schwingung anregbar ist. Besonders vorteilhaft ist dazu ein piezoelektrisches Element, da ein solches Element robust, preiswert herstellbar, schnell, präzise und mit großer Kraft auslenkbar ist. Das piezoelektrische Element kann selbst wieder ein piezoelektrischer Schichtstapel sein. Jedoch ist das Anregungselement nicht darauf beschränkt, sondern kann z.B. auch ein elektrostriktives oder magnetostriktives Element usw. umfassen.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass eine Fläche der Schichten der Verbindungseinheit von der Anregungseinheit zu der Schwingungseinheit abnimmt. So kann an der Anregungseinheit eine besonders große Schwingungsamplitude erreicht werden. Die Verbindungseinheit liegt dann also in Form eines gestuften Stumpfs vor. Der Stumpf kann je nach seiner Querschnittsfläche ein Kegelstumpf (bei einer kreisförmigen oder ovalen Querschnittsfläche) oder ein Pyramidenstumpf (bei einer eckigen, z.B. viereckigen oder sechseckigen, Querschnittsfläche) sein. Insbesondere mag der Stumpf mit seiner (größeren) Bodenfläche an der Anregungseinheit aufliegen und mit seiner (kleineren) Deckfläche an der Schwingungseinheit.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Strömungsmaschinen mehrere, insbesondere gleich aufgebaute, Luftstromerzeugungseinheiten aufweisen, deren entsprechende Schichten über einen gemeinsamen Schichtrahmen einstückig miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht eine dichte, präzise und einfach umsetzbare Anordnung der Luftstromerzeugungseinheiten ohne Handhabung einzelner Luftstromerzeugungseinheiten.
Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass die Schichten der Luftstromerzeugungseinheit mit dem zugehörigen Schichtrahmen über jeweils mindestens zwei Stege verbunden sind. Die Stege ermöglichen eine einfache Vereinzelung der Luftstromerzeugungseinheiten, insbesondere falls die Stege unterschiedlicher Schichten nicht deckungsgleich, z.B. zueinander verdreht, sind. Auch ermöglichen die Stege bei einer Strömungsmaschine mit mehreren Luftstromerzeugungseinheiten eine ausreichend große Schwingung der Luftstromerzeugungseinheiten relativ zu den Schichtrahmen. Die Zahl der Stege kann bevorzugt z.B. auch drei oder vier oder sechs Stege umfassen.
Es ist eine, insbesondere für Strömungsmaschinen mit vielen Luftstromerzeugungseinheiten bevorzugte, Ausgestaltung, dass die Stege zumindest in die Schichtrahmen hinein verlängert sind. So werden Amplituden von Schwingungen einer Luftstromerzeugungseinheit mit ihrem zugehörigen Schichtrahmen vergrößert, und eine Spitzenbelastung der Stege bei einer schwingenden Luftstromerzeugungseinheit wird verringert.
Es ist außerdem eine, insbesondere für Strömungsmaschinen mit vielen Luftstromerzeugungseinheiten bevorzugte, Ausgestaltung, dass die Schichtrahmen mindestens einen gemeinsamen durchgehenden Luftkanal aufweisen. Dadurch wird eine Luftzufuhr zu von dem Schichtrahmen gehaltenen Luftstromerzeugungseinheiten verbessert, was insbesondere eine Erzeugung gleichmäßiger Luftströme von den Luftstromerzeugungseinheiten ermöglicht.
Es ist noch eine weitere, insbesondere für Strömungsmaschinen mit vielen Luftstromerzeugungseinheiten bevorzugte, Ausgestaltung, dass die Luftstromerzeugungseinheiten in einem regelmäßigen, insbesondere matrixartigen, Muster angeordnet sind. Insbesondere vorteilhaft ist dabei die Tatsache, dass die Luftstromerzeugungseinheiten bereits während ihrer Herstellung in einer Matrix angeordnet sind. Damit sind sie auch für flächige zu kühlende Vorrichtungen in einer günstigen geometrischen Anordnung platziert. Eine separate Anordnung bzw. Handhabung der Luftstromerzeugungseinheiten ist nicht erforderlich. Jedoch ist die Anordnung nicht auf ein Matrixmuster beschränkt.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine Halbleiterlichtquelle und mindestens eine Strömungsmaschine zum Kühlen der mindestens einen Halbleiterlichtquelle, wobei die mindestens eine Strömungsmaschine eine Strömungsmaschine wie oben beschrieben ist.
Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z.B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z.B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z.B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED). Der Leuchtstoff kann alternativ oder zusätzlich entfernt von der Leuchtdiode angeordnet sein ("remote phosphor"). Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat ("Submount") montiert sein. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z.B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z.B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z.B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen.
So kann auch eine kompakte Leuchtvorrichtung effektiv gekühlt werden. Die Leuchtvorrichtung kann eine Lampe, ein Modul oder eine Leuchte usw. sein. Eine kompakte Leuchtvorrichtung kann beispielsweise eine Halbleiter-Retrofitlampe sein, welche herkömmliche Lampen ersetzt, insbesondere eine Glühlampen-Retrofitlampe. Mittels der Strömungsmaschine können eine Elektronik, mindestens eine Lichtquelle und/oder mindestens ein Kühlkörper der Leuchtvorrichtung gekühlt, insbesondere mit Kühlluft angeblasen, werden. Die Strömungsmaschine kann insbesondere anstelle eines Lüfters oder Ventilators verwendet werden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschine, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: (a) Strukturieren mehrerer schichtartiger Platten so, dass in jeder der Platten in einem gemeinsamen vorbestimmten Muster mehrere Teilbereiche teilsepariert werden, wobei diese Teilbereiche mit einem übrigbleibenden Schichtrahmen über jeweils mindestens zwei Stege verbunden sind; und (b) Verbinden der strukturierten Platten zu einem festen Schichtstapel so, dass die Teilbereiche übereinanderliegen.
Dies ergibt die gleichen Vorteile wie die oben beschriebene Strömungsmaschine. Das Verfahren kann auch analog zu der Strömungsmaschine ausgestaltet werden.
Es ist beispielsweise eine Ausgestaltung, dass zumindest zwei übereinanderliegende Teilbereiche benachbarter Platten gleichgeformte Teilbereiche aufweisen, wobei sich eine Größe der Flächen dieser Teilbereiche abfolgend kontinuierlich verändert. Dies ermöglicht eine Einstellung einer Schwingungsamplitude und eine Modentransformation oder Resonanzfilterung gewünschter Schwingungsmoden.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Verfahren zusätzlich folgenden Schritt aufweist, nämlich (c) Vereinzeln gestapelter Teilbereiche aus dem Schichtrahmen mittels Durchtrennens der Stege. Die vereinzelten Teilbereiche können insbesondere die Schichten einer Luftstromerzeugungseinheit sein, wobei der Schichtstapel bzw. der Stapel der Teilbereiche insbesondere eine Luftstromerzeugungseinheit darstellen kann.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Platten, in dieser Reihenfolge, mindestens aufweisen: eine untere Elektrodenschicht, eine obere Elektrodenschicht, mindestens zwei Schichten der Verbindungseinheit und eine Schicht der Schwingungseinheit. Zwischen die zwei Elektrodenschichten wird ein Anregungselement, insbesondere Piezoelement, eingebracht.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt in einer Ansicht von schräg oben eine Explosionszeichnung einer Strömungsmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Luftstromerzeugungseinheit der Strömungsmaschine;
3 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Platte einer Strömungsmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
4 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Platte einer Strömungsmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
5 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Platte einer Strömungsmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
6 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Platte einer Strömungsmaschine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
7 zeigt in einer Ansicht von schräg oben eine Explosionszeichnung einer Strömungsmaschine gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
8 zeigt in einer Ansicht von schräg oben eine Explosionszeichnung einer Strömungsmaschine gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel; und
9 zeigt eine Leuchtvorrichtung mit einer Strömungsmaschine.
1 zeigt in einer Ansicht von schräg oben eine Explosionszeichnung einer Strömungsmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Strömungsmaschine 1 ist aus mehreren schichtförmigen Platten 2 bis 7 aufgebaut.
Jede der Platten 2 bis 7 ist dahingehend strukturiert, dass dort mehrere teilseparierte, kreisförmige Teilbereiche 2a bis 7a vorhanden sind. Die Teilbereiche 2a bis 7a sind mit einem übrigbleibenden Schichtrahmen 2b bis 7b über jeweils hier drei Stege 8 einstückig verbunden. Die Teilbereiche 2a bis 7a sind in einem gemeinsamen Muster angeordnet, hier in einem mxn-Matrixmuster mit m gleich sieben und n gleich fünf. Die Zahl der Stege 8 pro Teilbereich 2a bis 7a kann variabel gewählt werden, z.B. in Bezug auf eine gewünschte Festigkeit.
Die Teilseparierung der Teilbereiche 2a bis 7a kann beispielsweise durch ein Einbringen dreier ringsektorförmiger Aussparungen 11 pro Teilbereich 2a bis 7a in eine vollflächige Platte 2 bis 7 durchgeführt werden. Die Teilseparierung kann z.B. mittels eines Ätzverfahrens, eines Stanzverfahrens oder eines Laserstrukturierungs-, insbesondere Laserschneid-, Verfahrens aus der vollflächigen Platte 2 bis 7 erreicht werden. Alternativ mag zumindest eine der Platten 2 bis 7 bereits in der die teilseparierten Teilbereiche 2a bis 7a aufweisenden Form hergestellt worden sein. Die Teilbereiche 2a bis 7a sind dergestalt in dem gleichen Muster auf den Platten 2 bis 7 angeordnet, dass übereinanderliegende Teilbereiche 2a bis 7a konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Als unterste Platte weist die Strömungsmaschine 1 eine untere Elektrodenplatte 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Kupfer, auf. Über der unteren Elektrodenplatte 2 ist eine obere Elektrodenplatte 3 aus einem, insbesondere dem gleichen, elektrisch leitfähigen Material angeordnet.
Zwischen übereinander angeordneten Teilbereichen 2a und 3a der beiden Elektrodenplatten 2, 3 ist ein hier kreisscheibenförmiges Anregungselement in Form eines piezoelektrischen Elements oder Piezoelements 9 eingebracht. Das Piezoelement 9 kann folglich durch die zugehörigen Teilbereiche 2a und 3a elektrisch kontaktiert und mittels elektrischer Signale zu einer Schwingung angeregt werden.
Über der oberen Elektrodenplatte 3 sind mehrere übereinander angeordnete Platten ("Verbindungsplatten") 4, 5, 6 vorhanden, deren Teilbereiche 4a, 5a, 6a zwar die gleiche Grundform aufweisen bzw. gleichgeformt sind, aber mit steigendem Abstand von der obere Elektrodenplatte 3 in ihrer Fläche (hier: in ihrem Durchmesser) kleiner werden.
Als oberste Schicht ist eine weitere Platte ("Schwingungsplatte") 7 vorhanden. Deren Teilbereiche 7a weisen einen größeren Durchmesser auf als die Teilbereiche 6a der direkt darunterliegenden Verbindungsplatte 6.
Die Platten 4 bis 7 können aus einem gleichen Material bestehen, oder die Verbindungsplatten 4 bis 6 können aus einem gleichen Material bestehen und die Schwingungsplatte 7 kann aus einem dazu unterschiedlichen Material bestehen. Die Platten 4 bis 7 können aus Metall, Kunststoff und/oder Keramik bestehen.
Zur Herstellung der Strömungsmaschine 1 werden die Platten 2 bis 7 zu einem festen Schichtstapel verbunden. Dieses Verbinden kann beispielsweise durch ein Verkleben, z.B. mittels Epoxydharz, hergestellt werden. Insbesondere metallische Platten 2, 3 können miteinander verlötet werden, z.B. indem die Platten 2, 3 (oder Bleche) vor der Strukturierung mit einem geeigneten Lot beschichtet werden. Im Fall keramischer (Grünkörper-)Platten 4 bis 7 können diese auch miteinander gesintert werden. Diese Verbindungsmethoden können auch kombiniert werden. So mögen die zwei metallischen Elektrodenplatten 2, 3 beispielsweise miteinander verlötet werden, keramische Verbindungsplatten 4 bis 6 sowie die keramische Schwingungsplatte 7 miteinander gesintert werden und folgend die gesinterten Platten 4 bis 7 durch eine Verklebung der untersten Verbindungsplatte 4 mit der oberen Elektrodenplatte 3 verbunden werden.
Übereinandergestapelte Teilbereiche 2a bis 7a bilden eine Luftstromerzeugungseinheit 12, wobei die Teilbereiche 2a bis 7a Schichten der Luftstromerzeugungseinheit 12 entsprechen. Die Strömungsmaschine 1 weist mehrere Luftstromerzeugungseinheiten 12 auf, deren Schichten oder Teilbereiche 2a bis 7a noch über die Stege 8 mit ihren Schichtrahmen 2b bis 7b zusammenhängen.
Alternativ können die Luftstromerzeugungseinheiten 12 vereinzelt werden, wobei sie dann jeweils einen Teil einer weiteren Strömungsmaschine 27 (siehe auch 9) bilden. Die Vereinzelung einer Luftstromerzeugungseinheit 12 kann beispielsweise mit Hilfe eines Durchtrennens der Stege 8 erreicht werden. Eine solche Vereinzelung kann dadurch vereinfacht werden, dass die Stege 8 zumindest einiger übereinanderliegender Teilbereiche 2a bis 7a gegeneinander versetzt (insbesondere verdreht) sind. Das Durchtrennen der Stege 8 kann z.B. durch mechanisches Schneiden oder Laserschneiden erreicht werden.
2 zeigt die Luftstromerzeugungseinheit 12 als Schnittdarstellung in Seitenansicht, und zwar einer Strömungsmaschine 1 oder einer Strömungsmaschine 27.
Die übereinander gestapelten, fest miteinander verbundenen Teilbereiche 2a bis 7a, welche die Schichten der Luftstromerzeugungseinheit 12 darstellen, bilden drei Funktionseinheiten, nämlich eine Anregungseinheit 14, eine Verbindungseinheit 15 und eine Schwingungseinheit 16.
Die Anregungseinheit 14 besteht aus einem Teilbereich 2a der unteren Elektrodenplatte 2, einem Teilbereich 3a der oberen Elektrodenplatte 3 und dem dazwischen eingelegten Piezoelement 9. Die beiden Teilbereiche 2a und 3a sind elektrisch voneinander getrennt, um einen Kurzschluss zu verhindern.
Die Verbindungseinheit 15 besteht aus den Teilbereichen 4a bis 6a der Verbindungsplatten 4 bis 6. Da die Teilbereiche 4a bis 6a eine sukzessiv abnehmende Fläche aufweisen, verjüngt sich die Verbindungseinheit 15. Die Verbindungseinheit 15 ist ein gestufter Stumpf. Bei der hier gezeigten kreisförmigen Ausgestaltung der Teilbereiche 2a bis 7a weist die Verbindungseinheit 15 die Form eines gestuften Kegelstumpfs auf.
Die Schwingungseinheit 16 besteht aus dem Teilbereich 7a der Schwingungsplatte 7. Der Teilbereich 7a weist einen größeren Durchmesser auf als die Teilbereiche 4a bis 6a der Verbindungseinheit 15.
Im Betrieb wird durch Anlegen eines elektrischen Signals, insbesondere einer Wechselspannung, an die Teilbereiche 2a und 3a das Piezoelement 9 zu mechanischen Schwingungen (insbesondere akustischen Schwingungen, insbesondere Ultraschallschwingungen von mindestens 100 kHz) angeregt, welche über die mitschwingenden Teilbereiche 2a und 3a weitergeben werden. Diese Schwingungen werden weiter auf die Verbindungseinheit 15 übertragen, welche insbesondere als ein Resonator wirken kann und dabei eine Schwingungsamplitude an der Schwingungseinheit 16 verstärkt. Folglich werden die von der Anregungseinheit 14 in die Verbindungseinheit 15 eingebrachten Schwingungen für eine Schwingungsanregung der Schwingungseinheit 16 optimiert, insbesondere deren Amplitude verstärkbar. Die Schwingungseinheit 16 ist also von der Anregungseinheit 14 über die Verbindungseinheit 15 (welche die Anregungseinheit 14 mit der Schwingungseinheit 16 mechanisch verbindet) zu Schwingungen anregbar. Die schwingende (insbesondere ultraschallschwingende) Schwingungseinheit 16 wiederum erzeugt den gewünschten Luftstrom.
Insbesondere das Material und/oder die Dicke der Teilbereiche 4a bis 6a der Verbindungseinheit 15 und/oder des Teilbereichs 7a der Schwingungseinheit 16 kann auf einen geringe Schwingungsdämpfung und/oder auf eine starke Anregung der Schwingungseinheit 16 hin ausgelegt sein.
Dass die Außenkontur der Luftstromerzeugungseinheit 12, insbesondere der Verbindungseinheit 15, stufig ausgebildet ist, stellt keinen Nachteil dar, weil eine Dicke der Platten 2 bis 7, insbesondere 4 bis 6, typischerweise klein gegen eine Wellenlänge einer in der Verbindungseinheit 15 erzeugten mechanischen Anregung ist und somit von der mechanischen Welle nicht aufgelöst wird.
Die Strömungsmaschinen 1 und 27 können zusätzlich zu der /den Luftstromerzeugungseinheit(en) 12 z.B. auch elektrische Anschlüsse, eine Halterung und/oder einen Treiber zum elektrischen Betrieb der Luftstromerzeugungseinheit 12 usw. aufweisen.
Wieder zurückkommend zu 1 mag die Strömungsmaschine 1 nicht vereinzelt werden (und dann in diesem Ausführungsbeispiel (m = 7)×(n = 5) = 35 Luftstromerzeugungseinheiten 12 aufweisen) oder so aufgeteilt werden, dass die Strömungsmaschine 1 immer noch mehrere Luftstromerzeugungseinheiten 12 aufweist. Die Strömungsmaschine 1 kann z.B. in Streifen mit 1×5 oder 7×1 Luftstromerzeugungseinheiten 12 aufgeteilt werden.
Im Falle einer nicht aufgeteilten oder teilweise aufgeteilten Strömungsmaschine 1 sind die Luftstromerzeugungseinheiten 12 immer noch über die Stege 8 mit den gestapelten Schichtrahmen 2b bis 7b verbunden und werden also von den Schichtrahmen 2b bis 7b schwingfähig gehalten. Die Schwingungen in den Luftstromerzeugungseinheiten 12 werden dann zusätzlich durch die Eigenschaften der Stege 8, z.B. deren Zahl, Maße und/oder Material, bestimmt.
Um in diesem Falle die Schwingung der Luftstromerzeugungseinheiten 12 nicht zu sehr zu behindern und außerdem die mechanischen Spannungen in den Stegen 8 während einer Schwingungsanregung in materialverträglichen Grenzen zu halten, können die Stege 8 in den jeweiligen Schichtrahmen 2b bis 7b verlängert sein, wie folgend auch genauer in 3 erläutert wird. 3 zeigt dazu in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer der Platten 2 bis 7 einer Strömungsmaschine 13. Die Strömungsmaschine 13 ist analog zu der Strömungsmaschine 1 aufgebaut, außer dass nun die Stege 8 dadurch in den Schichtrahmen 2b bis 7b verlängert sind, dass in die Schichtrahmen 2b bis 7b ausgehend von der Aussparung 11 zwei parallele Schnitte 10 längs des Stegs 8 vorhanden sind. Durch die vergrößerte Länge der Stege 8 wird deren Federsteifigkeit verringert, und gleichzeitig werden mechanische Spannungen verringert. Folglich wird eine effektivere Erzeugung einer Luftströmung bei einer gleichzeitig höheren Betriebssicherheit erreicht.
Die Stege 8 der unteren Elektrodenplatte 2 und der oberen Elektrodenplatte 3 können auch als elektrische Zuleitungen zu den zugehörigen Teilbereichen 2a bzw. 3a dienen. Zudem mag zwischen der unteren Elektrodenplatte 2 und der oberen Elektrodenplatte 3 zumindest außerhalb der Positionen der Piezoelemente 9 (z.B. zwischen den Schichtrahmen 2b und 3b) eine elektrisch isolierende Schicht (o.Abb.) vorhanden sein, um einen Kurzschluss zwischen den Elektrodenplatten 2 und 3 zu verhindern.
4 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer der Platten 2 bis 7 einer Strömungsmaschine 17. 5 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer der Platten 2 bis 7 einer Strömungsmaschine 18. Die Strömungsmaschinen 17 und 18 unterscheiden sich von der Strömungsmaschine 1 dadurch, dass die Teilbereiche 2a bis 7a der Luftstromerzeugungseinheit 12 in Draufsicht nicht kreisförmig, sondern quadratisch bzw. sechseckig ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine höhere Flächennutzung im Vergleich zu der Strömungsmaschine 1 und damit einem höheren Durchsatz des erzeugten Luftstroms.
Bei den Strömungsmaschinen 1, 13, 17 und 18, die mehrere Luftstromerzeugungseinheiten 12 aufweisen, kann es bei einer großen seitlichen Ausdehnung mit vielen Luftstromerzeugungseinheiten 12 vorkommen, dass eine Luftnachfuhr zu den Luftstromerzeugungseinheiten 12 nicht gleichmäßig ist, da am Rand der Strömungsmaschinen 1, 13, 17 und 18 befindliche Luftstromerzeugungseinheiten 12 besser mit Luft versorgt werden als innere Luftstromerzeugungseinheiten 12. Dadurch mag aber eine Effizienz der Luftstromerzeugung und folglich einer Kühlleistung von Außen nach Innen abnehmen. Um eine Luftzufuhr oder Luftnachfuhr zu den Luftstromerzeugungseinheiten 12 zu verbessern, insbesondere zu vergleichmäßigen, können, wie in anhand der Strömungsmaschine 19 in 6 und anhand der Strömungsmaschine 20 in 7 gezeigt, zwischen den Luftstromerzeugungseinheiten 12 Luftkanäle 21 bzw. 22 vorhanden sein, welche durch die gestapelten Schichtrahmen 2b bis 7b hindurchlaufen. Dadurch kann Luft von einer Rückseite der Strömungsmaschinen 19, 20 zu deren Vorderseite, welche die Schwingungseinheiten 16 aufweist, angesaugt oder nachgeführt werden.
Eine Kontur der Luftkanäle 21 kann, wie in 6 gezeigt, für eine gute Raumausnutzung im Wesentlichen der Form der benachbarten Aussparungen 11 entsprechen. Alternativ mag sich, wie in 7 gezeigt, die Kontur der Luftkanäle 22 an einfachen geometrischen Formen, hier einer Kreisform, orientieren, um eine Herstellung zu vereinfachen.
8 zeigt in einer Ansicht von schräg oben eine Explosionszeichnung einer Strömungsmaschine 23. Die Strömungsmaschine 23 unterscheidet sich von der Strömungsmaschine 1 dadurch, dass die sich sukzessive verkleinernde Fläche der Teilbereiche 4a bis 6a nicht wie bei der Strömungsmaschine 1 dadurch erzeugt wird, dass die Aussparungen 11 einen geringeren Radius aufweisen, sondern dadurch, dass die Aussparungen 24, 25 und 26 der Teilbereiche 5a, 6a bzw. 7a eine entsprechend größere Breite aufweisen. Dies vereinfacht eine Vereinzelung der Luftstromerzeugungseinheiten 12.
9 zeigt eine Leuchtvorrichtung R mit einer der Strömungsmaschinen 27, welche eine Luftstromerzeugungseinheit 12 aufweist. Die Leuchtvorrichtung R weist ferner zwei Halbleiterlichtquellen L auf, die mittels eines Kühlluftstroms K gekühlt werden, welcher von der Strömungsmaschine 27 erzeugt wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
So mag zwischen der Anregungseinheit 14 und der Verbindungseinheit 15 eine Verbindungsschicht vorhanden sein, z.B. eine Anpassungsschicht und/oder eine Haftschicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008038549 A1 [0002]

Claims

Strömungsmaschine (1; 13; 17–20; 27) mit mindestens einer Luftstromerzeugungseinheit (12), wobei die Luftstromerzeugungseinheit (12) aufweist: – eine Anregungseinheit (14), – eine Schwingungseinheit (16), die von der Anregungseinheit (14) zu Schwingungen anregbar ist, und – eine Verbindungseinheit (15), welche die Anregungseinheit (14) mit der Schwingungseinheit (16) mechanisch verbindet, wobei – die Verbindungseinheit (15) mehrere Schichten (4a, 5a, 6a) aufweist.
Strömungsmaschine (1; 13; 17–20; 27) nach Anspruch 1, wobei – die Anregungseinheit (14) zwei Elektrodenschichten (2a, 3a) aufweist, zwischen denen ein Anregungselement (9) eingebracht ist, und – die Schwingungseinheit (16) mindestens eine Schicht(7a) aufweist, – wobei die Schichten (2a–7a) der Luftstromerzeugungseinheit (12) einen Schichtstapel bilden.
Strömungsmaschine (1; 13; 17–20; 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Fläche der Schichten (4a–6a) der Verbindungseinheit (15) von der Anregungseinheit (14) zu der Schwingungseinheit (16) abnimmt.
Strömungsmaschine (1; 13; 17–20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (1; 13; 17–20) mehrere gleich aufgebaute Luftstromerzeugungseinheiten (12) aufweist, deren entsprechende Schichten (2a–7a) über einen gemeinsamen Schichtrahmen (2b–7b) einstückig miteinander verbunden sind.
Strömungsmaschine (1; 13; 17–20) nach Anspruch 4, wobei die Schichten (2a–7a) der Luftstromerzeugungseinheit (12) mit dem zugehörigen Schichtrahmen (2b–7b) über jeweils mindestens zwei Stege (8) verbunden sind.
Strömungsmaschine (13) nach Anspruch 5, wobei die Stege (8) zumindest in die Schichtrahmen (2b–7b) hinein verlängert sind.
Strömungsmaschine (19; 20) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Schichtrahmen (2b–7b) mindestens einen gemeinsamen durchgehenden Luftkanal (21; 22) aufweisen.
Strömungsmaschine (1; 13; 17–20) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Luftstromerzeugungseinheiten (12) in einem regelmäßigen, insbesondere matrixartigen, Muster angeordnet sind.
Leuchtvorrichtung (R), aufweisend mindestens eine Halbleiterlichtquelle (L) und mindestens eine Strömungsmaschine (1; 13; 17–20; 27) zum Kühlen der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (L), wobei die mindestens eine Strömungsmaschine eine Strömungsmaschine (1; 13; 17–20; 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschine(1; 13; 17–20; 27), aufweisend mindestens die folgenden Schritte: (a) Strukturieren mehrerer schichtartiger Platten (2–7) so, dass in jeder der Platten (2–7) in einem gemeinsamen vorbestimmten Muster mehrere Teilbereiche (2a–7a) teilsepariert werden, wobei diese Teilbereiche (2a–7a) mit einem übrigbleibenden Schichtrahmen (2b–7b) über jeweils mindestens zwei Stege (8) verbunden sind; und (b) Verbinden der strukturierten Platten (2–7) zu einem festen Schichtstapel so, dass die Teilbereiche (2a–7a) übereinanderliegen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei zumindest zwei übereinanderliegende Teilbereiche (4a–6a) benachbarter Platten (4–6) gleichgeformte Teilbereiche(4a–6a) aufweisen, wobei sich eine Größe der Flächen dieser Teilbereiche (4a–6a) abfolgend kontinuierlich ändert.
Verfahren einem der Ansprüche 10 oder 11, zusätzlich aufweisend folgenden Schritt: (c) Vereinzeln gestapelter Teilbereiche (2a–7a) aus dem Schichtrahmen (2b–7b) mittels Durchtrennens der Stege (8).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Platten (2–7), in dieser Reihenfolge, mindestens aufweisen: – eine untere Elektrodenschicht (2), – eine obere Elektrodenschicht (3), – mindestens zwei Schichten (4–6) einer Verbindungseinheit (15) und – eine Schicht (7) einer Schwingungseinheit (16), – wobei zwischen die zwei Elektrodenschichten (2, 3) ein Anregungselement (9) eingebracht worden ist.