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Die Erfindung betrifft einen LED-Hochleistungsspot gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bekannte Hochleistungsbeleuchtungskörper erzeugen in der Regel unter Verwendung von Gasentladungslampen als lichtstarke Lichtquellen eine Vielzahl von erforderlichen Lichtabstrahlungen, sei es in der Bühnentechnik oder in der Gebäudetechnik u. a. Anwendungsgebieten.
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Bei den herkömmlicherweise verwendeten Lichtquellen, beispielsweise lichtstarke Entladungslampen von 250–1200 Watt, ist zwingend die Kühlung dieser Lampen erforderlich aufgrund der starken Wärmeentwicklung. Hierfür ist in der Regel ein geregeltes Lüftersystem erforderlich, was allerdings den Nachteil mit sich bringt, dass es durch die in der Lüfterluft mit angesaugten Staub- und Schmutzpartikel schnell zu einer Verschmutzung im Innern des Scheinwerfers kommt, die eine aufwendige Reinigung insbesondere der optischen Komponenten erforderlich macht.
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Andere Lösungen im Bereich der LED-Beleuchtungen sehen u. a. Flüssigkeitskühlungen vor, wie dies beispielhaft in der Veröffentlichung
DE 10 2009 021 353 A1 beschrieben ist.
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Desweiteren ist nachteilig, dass die in der Regel eingesetzten Gasentladungslampen eine geringe Standzeit aufweisen und zudem über die Zeit deutlich an Leistung einbüßen, weshalb diese Lichtquellen bereits frühzeitig standardmäßig auszutauschen sind.
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Weiterhin ist in bekannten Lösungen häufig problematisch, dass diese für spezielle Anwendungen konstruiert und somit auch nur hierfür verwendbar sind. Für die Ausleuchtung bspw. einer Hotellobby sind gänzlich abweichende Beleuchtungsvorrichtungen erforderlich als solche, die zur Außenbeleuchtung eines Gebäudes Verwendung finden können. Auch die Einbausituationen in Wand, Boden oder Decke als Ein- oder Aufbaulösung erfordern immer neue Konstruktionen.
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Aus der Veröffentlichung
DE 10 2011 113 653 A1 ist bereits ein LED-Hochleistungsspot bekannt, der diese Probleme teilweise löst und zumindest die baulichen Basisbestandteile eines Kühlkörpers mit Kühlrippen aufweist, auf den der LED-Chip direkt aufgesetzt ist, einen auf den Kühlkörper aufgesetzten Reflektorkörpermittelteil in Form eines auf den Reflektor aufschraubbaren Gehäuses, in welches ein Reflektorkörper eingesetzt wird, sowie abschließend einen Verschlusskörper, der den Reflektorkörper in diesem Reflektorkörpermittelteil fixiert und entsprechend das Gehäuse abschließt, um eine Abdichtung zu erreichen. Durch diese grundsätzliche Bauform ist bereits verwirklicht, eine LED-Leuchte derart leistungsstark gestalten zu können, dass diese auch zur Überbrückung längerer Strecken tauglich ist. Auf diese Weise ist bereits durch diese Offenbarung eine alternative zu einer leistungsstarken Gasentladungslampe beschrieben, da auch hier bereits eine starke Kühlleistung gewährleistet ist.
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Diese Offenbarung zeigt allerdings auch Nachteile, die darin liegen, dass zum einen der LED-Chip direkt auf den Kühlkörper aufgebracht wird, da so ein Austausch des Kühlkörpers bei Beibehaltung des LED-Chips nicht möglich ist.
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Des Weiteren ist nachteilig, dass in dieser Veröffentlichung die Kühlrippen des Basiskühlkörpers wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt horizontal verlaufen, das heißt, parallel zur Ebene des LED-Chips und in etwa lotrecht zum Abstrahlwinkel. Hierbei ist insbesondere nachteilig, dass diese bei einer Abstrahlrichtung nach unten, beispielsweise bei Anordnung des Scheinwerfers an einer Hallendecke, in etwa horizontal verlaufenden Kühlrippenanordnungen zu Verschmutzungen tendieren. Problematisch bei der Verschmutzung beispielsweise bei einem Betrieb in Hallen mit hohen Deckenhöhen ist, dass die Staub- und Dunstentwicklungen, die zur Verschmutzung der Leuchten bzw. der Kühlrippen führen eine Verringerung der Kühlleistung in Endeffekt bewirken, sodass die LED-Lichtquelle bei konstant angelegter Leistung zunehmend aufgeheizt wird, was sowohl die Lichtabgabe wie auch die Lebensdauer der Leuchte zurückgehen lässt. Eine Reinigung der Kühllamellen aber ist bei einem Einsatz der Scheinwerfer bspw. unter einer Hallendecke unüblich da sehr aufwendig und daher unwirtschaftlich.
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Aus der Veröffentlichung
DE 10 2010 013 690 A1 ist ein variables LED-Downlight bekannt, dass eine Tragestruktur umfasst zum Einbau an einer Decke. Bestandteile sind der Rahmen der Tragestruktur, eine LED-Anordnung und eine Reflektorbaugruppe innerhalb dieser Tragestruktur sowie einem rückwärtigen Kühlkörper. Es ist somit zwar eine LED Leuchte offenbart die mittels Verstellbarkeit der Einbauhöhen und Reflektorbaugruppen variabel ist, aber in ihrer Anwendung noch immer stark limitiert ist.
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Die Anpassungsmöglichkeiten sind hierbei durch die Konstruktion der Tragestruktur beschränkt, da diese mögliche Bauhöhen und Anpassungen vorgibt. Dies betrifft auch die verwendbaren Kühlkörper, zudem bei einem Deckeneinbau dem rückwärtigen Kühlkörper grundsätzlich Grenzen gesetzt sind. Hierdurch ergibt sich auch eine Limitierung beim Einsatz der möglichen Leuchtmittelstärken.
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Schließlich offenbart die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 015 210 A1 eine Leuchte mit einem staubdichten Gehäuse, in dem Leuchtmittel angeordnet sind, wobei das Gehäuse eine obere Abschlusswand und durchsichtige Seitenwände aufweist und die Leuchtmittel wenigstens ein LED-Modul aufweisen, das an wenigstens einem Kühlkörper aus wärmeleitendem Material befestigt ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen LED-Hochleistungsspot zu schaffen, der eine konstante Kühlleistung des Kühlkörpers realisiert bei flexibler Montage des Kühlkörpers in Bezug auf sowohl die erforderliche Lichtleistung und somit den verbauten LED-Chip, wie auch den gewünschten Abstrahlwinkel und somit die im Hochleistungsspot verwendeten Reflektoren. Hierfür soll ein neuer Kühlkörper im Hochleistungs-LED-Spot verwirklicht werden, der gleichzeitig als tragendes Bauelement des LED-Hochleistungsspots dienen kann, zu einer geringen Verschmutzung führt und gleichzeitig eine verbesserte Wärmeabfuhr bewirkt. Die Konstruktion soll zudem eine freie Anordnung des LED-Hochleistungsspots einzeln und in Gruppen ermöglichen.
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Erreicht wird dies mit einem Hochleistungs-LED-Spot mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch einen Hochleistungs-LED-Scheinwerfer gelöst, der ebenfalls mehrere Basiskomponenten aufweist, nämlich einen Kühlkörper, eine Trägerplatte für einen LED-Chip, ein Reflektorgehäuse sowie einen Abschlussring. Hierbei gibt es allerdings Variationen, wobei beispielsweise das Reflektorgehäuse zweiteilig ausgebildet sein kann, oder die Trägerplatte für den LED-Chip entweder lösbar auf den Kühlkörper aufgeschraubt werden kann oder auch mit diesem dauerhaft mechanisch verbunden wird.
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Hierbei kommt ein besonderes Gewicht der Gestaltung des Kühlkörpers zu, da dieser klar abweichend von den bislang in diesem Anwendungsbereich im Stand der Technik verwendeten Kühlkörpern ist. Der LED-Hochleistungsspot ist hierbei insgesamt so konstruiert, dass dieser in sich gekapselt und selbsttragend ausgebildet ist. Zudem ermöglicht die Konstruktion durch eine Vermeidung seitlicher tragender Befestigungselemente die parallele Anordnung der LED-Hochleistungsspots zu Gruppen mehrerer LED-Hochleistungsspots auf einer Trägerplatte.
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Hierfür ist in dem der Trägerplatte abgewandten Ende des Kühlkörpers zumindest eine Befestigungsaufname angeordnet zur Befestigung des LED-Hochleistungsspots an tragenden Bauteilen. Das heißt, der Hochleistungsspot wird aus den Elementen LED-Chip-Trägerplatte mit Reflektorgehäuse und Abschlussring zusammengesetzt, die zusammen eine geschlossene Einheit bilden und den LED-Chip vor Umwelteinflüssen und Verschmutzung schützen. Diese Einheit wird nun mit dem Kühlkörper tragend verbunden, wobei der Kühlkörper selbst die rückwärtige Befestigung an einem tragenden Bauteil ermöglicht. So wird der gesamte LED-Hochleistungsspot ausschließlich rückwärtig an einem tragenden Bauteil befestigt. So können parallel auch mehrere dieser Hochleistungsspots zusammen auf einer Befestigungsplatte montiert werden, die dann wiederum beispielsweise an einer Deckenaufhängung angeordnet wird.
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Diese Befestigung rückwärtig am Kühlkörper kann ebenfalls durch Gewindebohrungen realisiert werden, wobei grundsätzlich auch andere Verbindungen wie Rastverbindungen u. ä. denkbar sind. Bei einer besonders vorteilhaften Bauform sind an zwei rückwärtigen Stellen des Kühlkörpers Gewindebohrungen zwischen zwei der Lamellen geführt. In diese können durch eine Befestigungsplatte Befestigungsschrauben eingreifen und den Hochleistungsspot befestigen. Ergänzt werden diese Bohrungen durch die Zentral im Kern des Kühlkörpers durchgängig geführte Bohrung, die der Kabelführung dienen kann sowie der Befestigung der LED-Chip-Trägerplatte.
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Die Kühlrippen verlaufen hierbei erfindungsgemäß nicht parallel zur Anordnung des LED-Chips, sondern in etwa rechtwinklig hierzu. Bei einer hängenden Scheinwerferanordnung unter einer Decke bedeutet dies eine in etwa vertikale Anordnung der Kühlrippen hin zum LED-Chip und somit in Längserstreckung zur Lichtachse des Scheinwerfers.
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Die Kühlrippen sind hierbei strahlenförmig um einen Kern des Kühlkörpers herum ausgerichtet, wobei eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, dass ein Innengewinde in diesem Kühlkern vorgesehen ist, in welches die Trägerplatte des LED-Chips mit einem entsprechenden Gewindeansatz einschraubbar ist. Hierdurch wird erreicht, dass eine standardisierte Trägerplatte für diesen Led-Chip verwendet werden kann, je nach erforderlicher Leistung aber dieser LED-Chip unterschiedlich dimensioniert sein kann und ein entsprechend dimensionierter Kühlkörper mit dieser Trägerplatte verbunden werden kann. In der Praxis sind hierfür Kühlkörper zwischen wenigen Zentimetern bis hin zu 50 Zentimetern Länge vorgesehen, um den unterschiedlichen Wärmeabstrahlungen der LED-Chips unterschiedlicher Leistung zu entsprechen und diese angemessen zu kühlen.
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Der besondere technische Effekt dieser Anordnung liegt darin, dass es zu einem Kamineffekt bei der Wärmeabführung kommt, das heißt, die vom LED-Chip abgestrahlte Wärme wird über die Trägerplatte an die Kühllamellen weitergegeben, die wiederum nun diese Wärme zwischen den einzelnen Lamellen vertikal nach oben abgeben können, wodurch es zu einer deutlich verbesserten Wärmeabfuhr kommt gegenüber dem bisher verwendeten horizontal angeordneten Kühllamellen im Stand der Technik. Es kommt durch den angesprochenen Kamineffekt zu einer vertikalen Luftströmung, die eine zusätzliche Kühlung und einer schnellere Wärmeabfuhr bewirkt. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht einen Kühlkörper vor, dessen Kühllamellen sich sternförmig in einer Zahl von 36 Lamellen anordnen, die miteinander jeweils einen Winkel von etwa 10 Grad einschließen.
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Ein weiterer positiver Aspekt hierbei ist, dass durch den vertikalen Verlauf der Kühllamellen keine horizontalen Oberflächen zur Ablagerung von Verschmutzungen angeboten werden, wodurch grundsätzlich die Verschmutzung dieser Kühlkörper deutlich verringert ist gegenüber denen im bekannten Stand der Technik. Hinzu kommt der zuvor angesprochene Kamineffekt und die entsprechende Luftabfuhr, die zusätzlich dazu beiträgt, dass Ablagerungen an diesen Kühllamellen von diesem Luftströmungseffekt abgetragen werden bzw. sich gar nicht erst ablagern. Somit bietet der erfindungsgemäße Kühlkörper nicht die Angriffsfläche für Verschmutzungen, die im Stand der Technik üblich ist, wodurch diese Kühlkörper über längere Zeit konstant die gewünschte Wärmeabfuhr erreichen.
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Neben diesen baulichen Eigenheiten ist ein weiteres vorteilhaftes Ausgestaltungselement der Kühlkörper, dass jede Kühlrippe eine konisch verlaufende Gestaltung aufweist, die sich nach außen hin leicht verjüngt. Die jeweilige seitliche Neigung kann hierbei in einer beispielhaften Ausführung der Erfindung etwa 0,5 Grad betragen, wodurch eine zusätzliche Verbesserung der Wärmeabfuhr von innen nach außen erreicht werden kann, da sich die Kühllamellen nach außen hin verjüngen und somit der Zwischenraum aufgeweitet wird. Experimentelle Prüfungen haben hierbei ergeben, dass eine bessere Wärmeabfuhr bei konisch nach außen sich verjüngenden Kühllamellen erreicht wird, gegenüber einer Wärmeabfuhr nach außen, wenn diese Kühllamellen eine konstante Dicke aufweisen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht zudem vor, dass die Kühllamellen eine rillig strukturierte Oberfläche aufweisen. Diese Oberflächenrillen bewirken eine noch bessere Wärmeabfuhr, da eine Oberflächenvergrößerung erfolgt, die zusätzlich eine bessere Abfuhr der Wärme an die Umgebungsluft bewirkt.
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Die Konstruktion des Kühlkörpers besteht hierbei aus dem massiven Kühlkern, der in Längserstreckung der Leuchte und somit in deren Abstrahlachse verläuft, von dem aus die Kühllamellen sternenförmig ausgehen, so dass auch diese in Längserstreckung der Leuchte in deren Abstrahlachse verlaufen. Der massive Kern weist hierbei die Gewindebohrung zur Aufnahme eines Gewindeelements zur Verbindung zumindest mit der Trägerplatte des LED-Chips auf. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung handelt es sich hierbei um eine durchgängige Bohrung durch den Kern des Kühlkörpers, wobei entweder einseitig oder beidseitig diese Bohrungen mit einem Innengewinde abschließen oder in einer weiteren Bauform ein komplett durchgängiges Gewinde die gesamte Bohrung durchzieht.
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Die Größe des Kerns des Kühlkörpers ist hierbei in einer zweckmäßigen Bauform derart gewählt, dass dessen Durchmesser grösser ist als die Fläche der auf der Trägerplatte angeordneten LEDs auf dem LED-Chip. Durch dieses Größenverhältniss ist gewährleistet, dass eine ideale rückwertige Wärmeabfuhr von der Trägerplatte des LED-Chips in den Kühlkörper und dessen Kern erfolgen kann.
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Durch die zentrale Anordnung des LED-Chips auf der Trägerplatte wird hierbei erreicht, dass der LED-Chip direkt über dem massiven Kühlkern des Kühlkörpers angeordnet ist und so ein guter Eintrag der Abwärme in das Zentrum des Kühlkörpers erfolgt. Die Wände des Kühlkörperkernes von der zentralen Bohrung im Kern zu den Ausgangspunkten der Kühllamellen sind hierbei in einem Größenverhältnis von zumindest 1 zu 1 gewählt, das heißt, der Kühlkern weist trotz der innenliegenden Kernbohrung immer noch genug massives Kühlkernmaterial auf, um eine gute Wärmeabfuhr trotz der innenliegenden Bohrung sicherzustellen, durch die ja wärmeleitfähiges Material im Kühlkern verloren geht.
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Zweckmäßigerweise ist bei der Gestaltung des Kühlkörpers mit einer durchgängigen Bohrung diese Bohrung gleichzeitig als Kabelführung zu nutzen. Hierbei ist vorgesehen, dass in dem Innengewinde der Bohrung auf der von der LED-Trägerplatte abgewandten Seite des Kühlkörpers eine Kabelverschraubung vorgesehen ist, um die Kabel fest mit dem Lampenkörper verbinden zu können.
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Der eigentliche Lampenkörper ohne den Kühlkörper setzt sich zusammen aus der LED-Trägerplatte als Teil 1, die über ein Schraubgewinde mit einem Reflektorgehäuse als Teil 2 verbunden werden kann oder alternativ bei niedrigen Bauhöhen des Reflektorgehäuses auch eine bauliche Einheit mit diesem bilden kann. Hintergrund dieser alternativen Bauformen ist, dass bei niedrigen Wandungshöhen des Reflektorgehäuses die Montage des LED-Chips auf der Trägerplatte problemlos ist, wobei höhere Wandungen für höhere einzusetzende Reflektoren bewirken, dass eine Montage auf die von der Wandung umgebenen Trägerplatte stark behindert wird. Hier ist es sinnvoll, das Reflektorgehäuse ablösbar von der Trägerplatte zu gestalten, um dieses Problem zu lösen.
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Das Reflektorgehäuse dient der Aufnahme eines austauschbaren Reflektors, wobei durch die Ausbildung dieses Bauteils als separater Körper sichergestellt wird, dass hier eine Ausgestaltung eines standardisierten LED-Trägerplattenkörpers mit einer Vielzahl von Reflektorgehäusen gewährleistet ist und so eine Vielzahl von Leuchten unterschiedlicher Abstrahlungen mit den Bauteilen in modularer Bauweise erzeugt werden kann.
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Schließlich wird als drittes Teil ein Abschlussring auf das Reflektorgehäuse aufgesetzt, wobei in zweckmäßiger Bauform auch hier eine Schraubverbindung vorgesehen ist. Durch Kombination mit einer Frontscheibe wird so der Lampenkörper abgeschlossen und ist somit gegen Verschmutzungen geschützt. Durch die Veränderung in der Länge des Reflektorgehäuses und der somit in Kombination mit einem LED-Chip genutzten Reflektoren wird insbesondere eine Variation des Abstrahlwinkels in Abhängigkeit beispielsweise von der Montagehöhe einer Leuchte möglich.
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Die separat verwendbare Trägerplatte ermöglicht wie bereits ausgeführt eine Anordnung ein und derselben Trägerplatte auf Kühlkörpern in unterschiedlicher Ausbildung. Auch dies spielt beim modularen Bausystem der Leuchten eine wesentliche Rolle. Im Falle einer Standardausführung in größerer Stückzahl kann aus Kostengründen diese LED-Trägerplatte beispielsweise mit einer Presspassung direkt auf den Kühlkörper aufgepresst werden, was zwar eine spätere Demontage nicht mehr möglich macht, aber bei eventueller Massenproduktion für eine Serienanwendung sinnvoll erscheinen kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
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1 die erfindungsgemäße LED-Trägerplatte 1 in einer seitlichen Ansicht,
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2 die erfindungsgemäße LED-Trägerplatte 1 in einer perspektivischen Ansicht,
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3 die LED-Trägerplatte 1 in einer perspektivischen Unteransicht,
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4 das Reflektorgehäuse in perspektivischer Ansicht,
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5 den Abschlussring 14 zum Aufsetzen auf das Reflektorgehäuse in perspektivischer Ansicht,
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6 den Kühlkörper 2 in einer Draufsicht,
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7 den Kühlkörper 2 in Schnitt A-A in seitlicher Ansicht.
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Die Zusammenschau der Zeichnungen 1 bis 7 zeigt die Einzelelemente des Lampenkörpers, die in modularer Bauweise zu einer Leuchte verbunden werden können. Hierbei ist insbesondere die Darstellung des Kühlkörpers 2 relevant in Zusammenschau mit der darauf aufgesetzten Trägerplatte 1.
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Hierbei wird deutlich, dass oberseitig auf der Trägerplatte 1 in 2 das Gewindeelement 3 erkennbar ist, welches wie in 1 erkennbar eine zentrale Kanalbohrung 4 aufweist, die zur Ableitung von Verkabelungen zum LED-Chip dient. Dies wird auch in der Oberansicht der Trägerplatte 1 in 3 deutlich, die entsprechende Bohrungen 5 zeigt. Das heißt, die Verkabelungen des Led-Chips werden durch dieses Gewindeelement 4 in die Bohrung 6 des Kühlkörpers 2 geführt, durch die die Kabel weiter zum hinteren Ende des Kühlkörpers 2 geführt werden können.
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Die LED-Trägerplatte 1 weist hierbei oberseitig ein Außengewindeflansch 7 auf, welches zur Verbindung mit dem Reflektorgehäuse 8 dient. Unterseitig ist die LED-Trägerplatte 1 vollständig plan ausgebildet, sodass diese untere Fläche vollständig der Wärmeübertragung sowohl in dem Kern 10 des Kühlkörpers 2 als auch in jede einzelne Lamelle 11 dient.
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Das Reflektorgehäuse 8 ist in der vorliegenden Bauform sehr kurz ausgestaltet, da es für eine Leuchte mit breitem Abstrahlradius bestimmt ist. Es handelt sich hierbei lediglich um eine beispielhafte Ausführungsform. Bei stärkerer Bündelung des Lichtes würde sich dieses Reflektorgehäuse 8 deutlich höher ausnehmen. Es ist erkennbar, dass das Reflektorgehäuse 8 unterseitig ein Innengewinde 12 aufweist und oberseitig ein Außengewinde 13. Das Innengewinde unterseitig dient der Verbindung mit der LED-Trägerplatte 1, wobei das oberseitige Außengewinde 13 der Verbindung mit dem Abschlussring 14 dient.
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Der Abschlussring 14 schließlich weist eine oberseitige Anlagekante 15 zum Einsetzen einer Schutzscheibe 16 auf sowie ein Innengewinde 17 zur Verbindung mit de Reflektorgehäuse 8. Nach Montage einer Leuchte kann so durch das Aufsetzen des Abschlussrings 14 die Lampe abschließend geschlossen und so gegen Verschmutzungen des LED-Chips gesichert werden.
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Die 6 und 7, die den Kühlkörper 2 darstellen verdeutlichen insbesondere in der Draufsicht, dass hier eine Vielzahl von Kühllamellen 11 sternförmig vom Kern 10 des Kühlgehäuses 2 ausgehen. Diese Kühllamellen 11 weisen miteinander in etwa einen 10 Grad Winkel auf, wobei die Kühllamellen 11 leicht konisch vom Kern 10 des Kühlkörpers 2 ausgehend sich nach außen hin verjüngen. Die Vorteile, die hierdurch erreicht werden, sind in der Beschreibung näher erläutert.
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Es sind zudem die Bohrungen 6 und 18 erkennbar, die unterschiedliche Funktionen haben. Bohrung 6 dient sowohl der Aufnahme des Gewindeelements 4 an der Trägerplatte 1 und deren Fixierung auf dem Kühlkörper 2, als auch der Kabelführung von der Rückseite des Kühlkörpers 2 hin zur Trägerplatte 1. Die parallel hierzu verlaufenden Gewindebohrungen 18 dienen der Befestigung der Kühlkörper 2 und somit des gesamten Hochleistungsspots auf einer Befestigungsplatte, so dass dieser frei und in variabler Anordnung auf dieser Trägerplatte angeordnet wird.
