-
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für eine Leuchtvorrichtung, aufweisend ein Gehäuse als Träger für eine Lichtquelle, welches Gehäuse eine Lufteinlassöffnung und eine Luftauslassöffnung aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend einen Kühlkörper. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen einer Leuchtvorrichtung durch Strömen von Kühlluft durch einen Kühlkörper. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf LED-Leuchtvorrichtungen wie LED-Lampen, LED-Module und LED-Leuchten.
-
Es ist eine LED-Leuchtvorrichtung bekannt, welche einen (passiven) Kühlkörper mit außenliegenden Kühlrippen aufweist. An dem Kühlkörper sind zu kühlende Leuchtdioden (LEDs) angeordnet, z. B. über eine Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat (”Submount”). Zur Verstärkung der Kühlleistung wird der Kühlkörper, insbesondere dessen Kühlrippen, direkt von einem Lüfter mit Kühlluft angeblasen. Häufig befindet sich der Lüfter, z. B. bei LED-Lampen, im Bereich eines rückwärtigen Sockels, und ein Luftstrom wird vorderseitig ausgeblasen. Nachteilig hierbei ist, dass der Lüfter für eine ausreichende Verstärkung der Kühlleistung vergleichsweise leistungsstark und damit groß, stromhungrig und meist auch laut ist.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit zur besonders effektiven aktiven Kühlung von Wärmequellen in Leuchtvorrichtungen bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kühlkörper für eine Leuchtvorrichtung, aufweisend ein Gehäuse als Träger für eine Lichtquelle, welches Gehäuse eine Lufteinlassöffnung und eine Luftauslassöffnung aufweist, und einen Lüfter, welcher dazu eingerichtet und angeordnet ist, mittels seines Ausblasluftstroms in dem Gehäuse vor der Luftauslassöffnung einen Unterdruck für durch die Lufteinlassöffnung eingesaugte Kühlluft zu erzeugen.
-
Dieser Kühlkörper weist den Vorteil auf, dass er durch Erzeugung des Unterdrucks den Bernoulli-Venturi-Effekt nutzt und dadurch bei gleicher Leistung ein weitaus höheres Luftvolumen (> 40%) durch das Gehäuse bewegt als ein in das Gehäuse einblasender Lüfter. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, die für eine vorbestimmte Kühlleistung benötigte Energie zum Betreiben des Lüfters zu senken, was den Energieverbrauch verringert. Damit kann insbesondere eine Umdrehungszahl der zugehörigen Lüfterblätter verbunden sein, was einen Geräuschpegel senkt. Zusätzlich oder alternativ mag ein kleinerer Lüfter verwendet werden.
-
Durch die Nutzung des Bernoulli-Venturi-Effekts wird also nicht Kühlluft in das Gehäuse geblasen, sondern von außen in das Gehäuse eingesaugt. Das Einsaugen geschieht nicht durch eine Verbindung der Luftauslassöffnung mit einer Saugseite des Lüfters, sondern mittels des von dem Lüfter erzeugten Ausblasluftstroms. Dieser Ausblasluftstrom ”zieht” aufgrund seiner höheren Geschwindigkeit die in dem Gehäuse befindliche Kühlluft nach dem Venturi-Prinzip mit durch die Luftauslassöffnung. Dadurch wird nach Bernoulli in Bezug auf die Kühlluft ein Unterdruck an der Luftauslassöffnung erzeugt. Der Unterdruck zieht die Kühlluft von der Lufteinlassöffnung durch das Gehäuse und kühlt dadurch das Gehäuse. Das Gehäuse kann folglich eine auf sich übertragende Abwärme einer Lichtquelle (oder einer anderen Wärmequelle wie eines elektronischen Bauteils usw.) mittels der Kühlluft effektiv abführen. Der Lüfter braucht also nur einen Unterdruck an der Luftauslassöffnung zu erzeugen, so dass der (normale) Umgebungsdruck die Kühlluft in das Gehäuse drückt. Dies ist erheblich effektiver als eine direkte Einblasung von Kühlluft oder Absaugung von Kühlluft mittels eines Lüfters.
-
Der Lüfter mag ein Radiallüfter oder ein Axiallüfter sein. Der Lüfter saugt Luft aus der Umgebung an. Der Lüfter mag in einer Aufnahme des Gehäuses untergebracht sein oder außenseitig an dem Gehäuse angebracht sein.
-
Die Art der Lichtquelle ist grundsätzlich nicht beschränkt und mag beispielsweise mindestens eine Halbleiterlichtquelle umfassen. 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.
-
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Lüfter so eingerichtet und angeordnet ist, dass er einen in dem Gehäuse strömenden, auf die Luftauslassöffnung gerichteten Luftstrom erzeugt. Dadurch kann er die Kühlluft besonders effektiv mitnehmen.
-
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass sich in dem Gehäuse mindestens eine Kühlstruktur befindet. Dies erhöht eine Übertragung von Wärme von dem Gehäuse auf die Kühlluft und damit die Kühlleistung des Kühlkörpers. Die Kühlstruktur mag beispielsweise Kühlrippen, Kühlstifte usw. aufweisen. Die Kühlrippen können eine Strömung der Kühlluft durch das Gehäuse umlenken, z. B. mäanderförmig, um eine besonders gleichmäßige Kühlung des Gehäuses zu bewirken.
-
Das Gehäuse mag beispielsweise aus Aluminium bestehen, welches sehr gut wärmeleitend, leicht und preiswert ist.
-
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Gehäuse einen an dem Lüfter ausblasseitig angeordneten bzw. damit pneumatisch gekoppelten, sich verjüngenden Luftkanal aufweist, welcher Luftkanal vor der Luftauslassöffnung endet. Aus dem Lüfter ausgeblasene Luft (”Ausblasluftstrom”) gelangt somit in den Luftkanal. Aufgrund der sich in Strömungsrichtung des Ausblasluftstroms verjüngenden Form des Luftkanals wird die Strömungsgeschwindigkeit des Ausblasluftstroms erhöht, so dass der (die dann hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisende) Ausblasluftstrom die Kühlluft besonders effektiv mitnehmen kann und einen vergleichsweise hohen Unterdruck erzielt.
-
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Gehäuse eine längliche Grundform aufweist, an deren ersten Endbereich sich die Lufteinlassöffnung befindet und an deren zweiten Endbereich sich die Luftauslassöffnung befindet. Dadurch kann ein langer Strömungsweg der Kühlluft in dem Gehäuse erreicht werden. Die Grundform kann beispielsweise eine in Draufsicht quaderförmige Grundform sein. Jedoch ist die Grundform nicht darauf beschränkt und mag beispielsweise eine in Draufsicht quadratische Form aufweisen.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das Gehäuse ein flaches Gehäuse ist, was eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft in dem Gehäuse ermöglicht. Auch können so schmale Bauformen effektiv zur Kühlung verwendet werden. Die Lichtquelle kann insbesondere an einer Breitseite des Gehäuses angeordnet sein, grundsätzlich aber an jeder Position an einer Außenseite des Gehäuses.
-
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Gehäuse eine L-förmige Grundform aufweist, deren Fuß eine Aufnahme für den Lüfter darstellt. Dies ermöglicht einen besonders robusten und einfach herstellbaren Kühlkörper. Die Form des Gehäuses ist grundsätzlich nicht beschränkt und mag beispielsweise eben, gekrümmt oder frei zweidimensional oder dreidimensional geformt sein.
-
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend einen Kühlkörper wie oben besprochen, wobei an einer Außenseite des Gehäuses des Kühlkörpers mindestens eine Lichtquelle, insbesondere Halbleiterlichtquelle, angebracht ist. Diese Leuchtvorrichtung kann analog zu dem Kühlkörper ausgestaltet sein und die gleichen Vorteile aufweisen.
-
Die Leuchtvorrichtung kann insbesondere eine Lampe (z. B. LED-Lampe), insbesondere Retrofitlampe sein. Die Leuchtvorrichtung kann auch ein Modul sein, z. B. ein LED-Modul.
-
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen einer Leuchtvorrichtung, wobei ein Strömen von Kühlluft durch einen Kühlkörper mittels eines Erzeugens von Unterdruck nach dem Venturi-Prinzip erzeugt wird. Das Verfahren kann analog zu den oben beschriebenen Vorrichtungen ausgestaltet werden und weist die gleichen Vorteile auf.
-
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 als Schnittdarstellung in Draufsicht einen Kühlkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 zeigt als Schnittdarstellung in Draufsicht eine Leuchtvorrichtung mit einem Kühlkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
-
3 zeigt in Ansicht von schräg oben noch eine Leuchtvorrichtung mit einem Kühlkörper gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
-
4 zeigt in Ansicht von schräg oben eine weitere Leuchtvorrichtung mit einem Kühlkörper gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
-
5 zeigt in Ansicht von schräg oben noch ein Gehäuse eines Kühlkörpers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; und
-
6 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus dem Gehäuse aus 5.
-
1 zeigt als Schnittdarstellung in Draufsicht einen Kühlkörper 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einer Leuchtvorrichtung 10. Der Kühlkörper 11 weist ein Gehäuse 12 aus Aluminium auf, welches Gehäuse 12 eine Lufteinlassöffnung 13 und eine Luftauslassöffnung 14 aufweist. Die Lufteinlassöffnung 13 und die Luftauslassöffnung 14 sind an gegenüberliegenden Seiten und damit Endbereichen 15 und 16 angeordnet, und zwar auch noch seitlich versetzt, um einen möglichst langen Strömungsweg für durch das Gehäuse 12 strömende Kühlluft K zu erlangen. Das Gehäuse 12 bzw. eine Außenseite 17 davon dient als Träger für eine Lichtquelle (o. Abb).
-
In einer Aufnahme 25 des Gehäuses 12 ist ein Lüfter 18 in Form eines Radiallüfters untergebracht, welcher sich um eine Drehachse D dreht. Der Lüfter 18 saugt durch eine Ansaugöffnung 24 Luft L von außen an und bläst sie durch einen sich verjüngenden Luftkanal 19 durch die Luftauslassöffnung 14 aus. Der Lüfter 18 bzw. die Aufnahme 25 ist von einem Kühlluftbereich 21, durch welchen die Kühlluft K strömt, durch eine Trennwand 22 getrennt. Die Trennwand 22 weist eine Durchgangsöffnung 23 auf, welche den Kühlluftbereich 21 mit dem Luftkanal 19 verbindet. Dadurch kann die durch den Luftkanal 19 geblasene Luft L die Kühlluft K aus dem Kühlluftbereich 21 mitziehen und bewirkt so einen Unterdruck im Bereich der Durchgangsöffnung 23. Dieser Unterdruck wiederum bewirkt, dass Kühlluft K durch die Lufteinlassöffnung 13 nachströmt. Dadurch, dass der Luftkanal 19 auf die Luftauslassöffnung 14 gerichtet ist, wird sichergestellt, dass das Gehäuse 12 einen nur geringen Luftwiderstand auf die durch den Luftkanal 19 geblasene Luft L ausübt.
-
2 zeigt als Schnittdarstellung in Draufsicht eine Leuchtvorrichtung 30 mit einem Kühlkörper 31 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Kühlkörper 31 unterscheidet sich von dem Kühlkörper 11 dadurch, dass er in dem Kühlluftbereich 21 des Gehäuses 12 zusätzlich eine Kühlstruktur in Form parallel verlaufender Kühlrippen 32 aufweist, zwischen denen die Kühlluft K strömen kann. Die erhöht einen Wärmeübertrag auf die Kühlluft K erheblich.
-
An einer Seite des Gehäuses 12 ist eine Lichtquelle in Form einer Leuchtdiode 33 angeordnet. Die Leuchtdiode 33 weist einen LED-Chip 34 auf, welcher auf einem wärmeleitenden Substrat 35, z. B. aus Keramik oder Saphir, aufgebracht ist. Das Substrat 35 wiederum ist an dem Gehäuse 12 angebracht, z. B. mittels eines wärmeleitfähigen Klebers. Beim Betrieb des LED-Chips 34 kann dieser seine Abwärme durch das Substrat 35 auf das Gehäuse 12 übertragen. In dem Gehäuse 12 wird die Wärme verteilt und durch die Kühlluft K mittels Konvektion abgeführt.
-
Jedoch ist die Kühlstruktur nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt und mag beispielsweise auch Kühlstifte usw. aufweisen. Auch mag die Kühlstruktur die Kühlluft K anders, insbesondere gewundener, durch den Kühlluftbereich 21 führen
-
3 zeigt in Ansicht von schräg oben eine Leuchtvorrichtung 40 mit einem Kühlkörper 41 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Kühlkörper 41 weist einen ähnlichen Grundaufbau auf wie der Kühlkörper 11 oder 31. Der Kühlkörper 41 weist hier ein Gehäuse 42 auf, das als ein flacher Quader mit einer in Draufsicht quadratischen Grundform ausgebildet ist. Durch seine geringe Höhe kann in dem Gehäuse 42 eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhalten werden.
-
Die Leuchtdiode 33 bis 35 ist an einer Breitseite 43 des Gehäuses 42 angeordnet. Der Lüfter 44 ist ein Radiallüfter, dessen Drehachse D normal zu der Breitseite 43 liegt. Dadurch kann der Lüfter 44 ebenfalls flach ausgestaltet und z. B. die Höhe der Leuchtvorrichtung 40 nicht oder zumindest nicht wesentlich erhöhen. Der Lüfter 44 ist dazu an einer Schmalseite 45 des Gehäuses 42 angeordnet.
-
4 zeigt in Ansicht von schräg oben eine weitere Leuchtvorrichtung 50 mit einem Kühlkörper 51 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Der Kühlkörper 51 ist dem Kühlkörper 41 ähnlich, wobei aber das Gehäuse 52 in eine Breitenrichtung langgestreckt ist. Auf der zugehörigen Breitseite 53 des Gehäuses 52 sind nun auf einem gemeinsamen wärmeleitenden Substrat 54 mehrere LED-Chips 34 als Lichtquellen angebracht. Die gestreckte bzw. längliche, flachquaderförmige Grundform ermöglicht eine höhere Zahl gekühlter LEDs, hier: LED-Chips 34.
-
5 zeigt in Ansicht von schräg oben ein oberseitig teilweise offen dargestelltes Gehäuse 62 eines Kühlkörpers 61 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel einer Leuchtvorrichtung 60.
-
6 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus dem Gehäuse 62. Im realen Betrieb ist das Gehäuse 62 oberseitig geschlossen.
-
Das Gehäuse 62 weist eine flache, L-förmige Grundform auf. An einer stirnseitigen Schmalseite 63 (einer Spitze) eines senkrechten Schenkels 67 des ”L” (entsprechend einem oberen Endbereich 15) befindet sich eine schlitzförmige Lufteinlassöffnung 64. In einem fußseitigen Endbereich 16 des senkrechten Schenkels 67 befindet sich an einer langen Schmalseite 65 die Luftauslassöffnung 66. Die durch die Lufteinlassöffnung 64 angesaugte Kühlluft durchströmt somit fast die ganze Höhe des senkrechten Schenkels 67. Der Kühlluftbereich 68 wird also durch den Schenkel 67 gebildet.
-
Vor der Luftauslassöffnung 66 queren zwei geschwungene Trennwände 69 und 70 den Schenkel 67. Die der Lufteinlassöffnung 64 benachbarte Trennwand 69 reicht nicht bis zur Schmalseite 65 und stellt so vor der Luftauslassöffnung 66 die Durchgangsöffnung 23 bereit. Die Trennwände 69 und 70 bilden einen sich in Richtung der Durchgangsöffnung 23 verjüngenden, auf die Luftauslassöffnung 66 gerichteten Luftkanal 71. Der Luftkanal 71 beginnt an einer der Durchgangsöffnung 23 gegenüberliegenden langen Schmalseite 72 des Schenkels 67. Die Schmalseite 72 weist im Bereich des Luftkanals 71 eine Lufteinblasöffnung 73 auf.
-
An die Lufteinblasöffnung 73 grenzt auf der anderen Seite eine in das Gehäuse 62 integrierte Aufnahme 76 für einen Lüfter, z. B. den Lüfter 44. Die Aufnahme 76 entspricht einem seitlich des Schenkels 67 anschließenden ”Fuß” 74 des Gehäuses 62. Dadurch braucht der Lüfter nicht separat an dem Gehäuse 62 befestigt zu werden. Dies ergibt einen besonders robusten und einfach herstellbaren Kühlkörper 61. Die Aufnahme weist eine oberseitige Ansaugöffnung 75 auf.
-
Im Betrieb saugt ein in der Aufnahme 76 untergebrachter Radiallüfter Luft durch eine oberseitige Ansaugöffnung 75 ein und bläst sich durch die Lufteinblasöffnung 73 in den Luftkanal 71 ein. Da sich der Luftkanal 71 in Strömungsrichtung verjüngt, strömt die Luft mit hoher Geschwindigkeit durch die Luftauslassöffnung 66. Aufgrund der Durchgangsöffnung 23 wird dabei Kühlluft aus dem Kühlluftbereich 68 des Schenkels 67 mitgerissen und so in dem Kühlluftbereich 68 vor der Luftauslassöffnung 66 ein Unterdruck erzeugt. Der Unterdruck wiederum erzeugt einen Strom von Kühlluft durch den Kühlluftbereich 68 zwischen der Lufteinlassöffnung 64 und der Luftauslassöffnung 66.
-
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.
-
Allgemein kann unter ”ein”, ”eine” usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von ”mindestens ein” oder ”ein oder mehrere” usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z. B. durch den Ausdruck ”genau ein” usw. Bezogen auf die obige Erfindung mag also beispielsweise das Gehäuse als Träger für mindestens eine Lichtquelle dienen und/oder der Kühlkörper mindestens eine Lufteinlassöffnung, mindestens eine Luftauslassöffnung und/oder mindestens einen Lüfter aufweisen, usw.
-
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl und auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
-
Grundsätzlich können Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele kombiniert werden oder alternativ verwendet werden. So mag jedes Gehäuse eine Kühlstruktur aufweisen, z. B. wie in 2 gezeigt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Leuchtvorrichtung
- 11
- Kühlkörper
- 12
- Gehäuse
- 13
- Lufteinlassöffnung
- 14
- Luftauslassöffnung
- 15
- Endbereich
- 16
- Endbereich
- 17
- Außenseite
- 18
- Lüfter
- 19
- Luftkanal
- 21
- Kühlluftbereich
- 22
- Trennwand
- 23
- Durchgangsöffnung
- 24
- Ansaugöffnung
- 25
- Aufnahme
- 30
- Leuchtvorrichtung
- 31
- Kühlkörper
- 32
- Kühlrippe
- 33
- Leuchtdiode
- 34
- LED-Chip
- 35
- Substrat
- 40
- Leuchtvorrichtung
- 41
- Kühlkörper
- 42
- Gehäuse
- 43
- Breitseite
- 44
- Lüfter
- 45
- Schmalseite
- 50
- Leuchtvorrichtung
- 51
- Kühlkörper
- 52
- Gehäuse
- 53
- Breitseite
- 54
- Substrat
- 60
- Leuchtvorrichtung
- 61
- Kühlkörper
- 62
- Gehäuse
- 63
- stirnseitige Schmalseite
- 64
- Lufteinlassöffnung
- 65
- lange Schmalseite
- 66
- Luftauslassöffnung
- 67
- senkrechter Schenkel
- 68
- Kühlluftbereich
- 69
- Trennwand
- 70
- Trennwand
- 71
- Luftkanal
- 72
- lange Schmalseite
- 73
- Lufteinblasöffnung
- 74
- Fuß
- 75
- Ansaugöffnung
- 76
- Aufnahme
- D
- Drehachse
- K
- Kühlluft
- L
- Luft
