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Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung, aufweisend einen Träger für mindestens eine Halbleiterlichtquelle und ein als Kühlkörper dienendes Wärmerohr, das einen Grundkörper mit einem Hohlraum aufweist, in welchem Hohlraum sich ein Arbeitsmedium befindet. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf LED-Module.
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Es ist eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung bekannt, bei welcher ein rohrförmiges, geschlossenes Wärmerohr eine mit einer Leuchtdiode (LED) bestückte Leiterplatte stirnseitig direkt oder über ein gut wärmeleitendes Zwischenelement (z. B. einen Metallhalter) kontaktiert. Durch die Verwendung des Wärmerohrs wird eine effektive passive Kühlung für die Leuchtdiode erreicht. Jedoch ist diese Kühlung an der Leiterplatte lokal begrenzt. Auch bedingt ein solcher Aufbau eine große Bauform.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 007 687 A1 beschreibt eine LED-Lampe mit mindestens einer Lichtquelle, die in einem Arbeitsraum angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühlung der Lichtquelle durch ein Wärmerohr erfolgt, welches durch den Arbeitsraum der Lichtquelle selbst gebildet wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine weiter verbesserte Kühlung von auf einem Träger aufgebrachten Halbleiterlichtquellen mittels eines Wärmerohrs bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung, aufweisend einen Träger für mindestens eine Halbleiterlichtquelle und ein als Kühlkörper dienendes Wärmerohr, an dem der mindestens eine Träger angeordnet ist und das einen Grundkörper mit einem Hohlraum aufweist, in welchem Hohlraum sich ein Arbeitsmedium befindet, wobei der Grundkörper eine erste Öffnung zu dem Hohlraum hin aufweist, die mittels des Trägers abgedeckt ist.
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Dadurch, dass der Träger nun einen Teil der Wand des Wärmerohrs darstellt und direkt dessen Hohlraum begrenzt, wird der Träger direkt von dem Arbeitsmedium bzw. der Kühlflüssigkeit abgekühlt. Dies ermöglicht einen erheblich effektiveren Wärmeübertrag von dem Träger auf das Arbeitsmedium. Auch kann das Wärmerohr kompakter aufgebaut werden.
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Unter einem Wärmerohr kann grundsätzlich jeder Wärmeübertrager verstanden werden, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, und zwar analog einem rohrförmigen Wärmerohr (”funktionales Wärmerohr”). Jedoch ist die Form des vorliegenden Wärmerohrs nicht auf eine rohrartige Grundform beschränkt. Das Wärmerohr mag insbesondere als eine (funktionale) ”Heat Pipe” ausgebildet sein.
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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, usw. 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.
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Der Träger mag beispielsweise eine Leiterplatte und/oder ein Keramiksubstrat (”Submount”) sein oder aufweisen. Die Leiterplatte mag beispielsweise eine Metallkernplatine sein.
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Die Halbleiter-Leuchtvorrichtung mag insbesondere ein Modul, aber auch eine Lampe, sein oder aufweisen. Die Halbleiter-Leuchtvorrichtung mag insbesondere einen Teil einer Retrofitlampe oder eine Retrofitlampe darstellen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der Träger die erste Öffnung von außen abdeckt, z. B. durch Aufsatz von außen. Der Träger mag dazu mit dem Grundkörper dichtend verklebt sein. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass sich der Träger an einem einstückigen Grundkörper auf einfache Weise befestigen lässt.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Träger die erste Öffnung von innen abdeckt. So kann eine besonders kompakte Bauform und effektive Kühlung erreicht werden. Diese Ausgestaltung mag insbesondere bei einem mehrteilig ausgebildeten Träger nützlich sein. Die (mindestens eine) Halbleiterlichtquelle ragt dann z. B. in die erste Öffnung hinein oder sogar darüber hinaus.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Wärmerohr eine plattenartige Grundform aufweist. Dies ermöglicht ein kompaktes Wärmerohr mit großer Oberfläche und effektiver Wärmeabgabe an die Umgebung.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die plattenartige Grundform eine schalenartige Grundform ist. Dies vereinfacht eine Konzentration des gasförmigen Arbeitsmittels. Das Wärmerohr mag insbesondere einen ebenen Bodenbereich und einen davon umfangsseitig schräg abgehenden, insbesondere ringförmigen, Seitenbereich aufweisen. Der Seitenbereich mag eine im Querschnitt ebene Grundform aufweisen und zu dem Bodenbereich angewinkelt sein.
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Die Grundform mag aber z. B. auch sphärisch (z. B. kugelkalottenförmig), paraboloid usw. sein. Insbesondere mögen eine vorderseitige Wand und eine rückseitige Wand des Grundkörpers eine gleiche oder unterschiedliche Grundform aufweisen.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass das Wärmerohr mit schalenartiger Grundform sich in eine rückwärtige Richtung erstreckt, so dass das Wärmerohr von der Leuchtdiode vorderseitig abgestrahltes Licht nicht blockiert.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass das Wärmerohr mit schalenartiger Grundform sich in eine vorderseitige Richtung erstreckt, so dass von der Leuchtdiode seitlich abgestrahltes Licht teilweise auf das Wärmerohr fällt. Dadurch kann das Wärmerohr auch als Blende verwendet werden.
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Es ist ferner eine Weiterbildung, dass ein Bereich des Wärmerohrs, auf welchen von der Leuchtdiode abgestrahltes Licht fällt, (diffus oder spiegelnd) reflektierend ausgebildet ist. Dadurch kann das Wärmerohr auch als Reflektor verwendet werden.
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Es ist außerdem eine Weiterbildung, dass die Halbleiter-Leuchtvorrichtung zur Strahlformung zusätzlich einen, insbesondere separat hergestellten, Reflektor aufweist, insbesondere einen Schalenreflektor. Dieser Reflektor mag an dem Wärmerohr befestigt sein.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die erste Öffnung mittig in dem Wärmerohr angeordnet ist. So kann eine besonders gleichmäßige Kühlung erreicht werden.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Grundkörper eine zweite Öffnung zu dem Hohlraum hin aufweist, welche der ersten Öffnung, insbesondere konzentrisch, gegenüberliegt und durch welche zweite Öffnung ein Verbindungselement geführt ist. Dies erleichtert eine elektrische Anbindung des Trägers mittels des Verbindungselements. Zudem kann so auch das Verbindungselement effektiv gekühlt sein. Das Verbindungselement mag den Träger mechanisch und/oder elektrisch kontaktieren.
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Das Verbindungselement mag einen oder mehrere elektrische und/oder elektronische Bauteile aufweisen, wie elektrische Leitungen, Widerstände, Kondensatoren, Spulen, integrierte Bauelemente usw.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Verbindungselement den Träger mit einem außenseitig an dem Wärmerohr im Bereich der zweiten Öffnung angeordneten Funktionselement verbindet. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau einer einfach betreibbaren Halbleiter-Leuchtvorrichtung. Das Funktionselement mag einen oder mehrere elektrische und/oder elektronische Bauteile aufweisen, wie elektrische Leitungen, Widerstände, Kondensatoren, Spulen, integrierte Bauelemente usw.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Funktionselement und das Verbindungselement galvanisch getrennte Transformatorhälften bilden, insbesondere einen Trenntrafo bilden. Diese Ausgestaltung bietet eine durchschlagsichere Kopplung der Leuchtdioden und des Trägers mit dem Stromnetz.
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Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass eine Treiberelektronik zum Betreiben der (mindestens einen) Leuchtdiode in dem Funktionselement und/oder in dem Verbindungselement untergebracht ist. Allgemein mag die Treiberelektronik in dem Verbindungselement, in dem Funktionselement, an dem Träger oder aufgeteilt auf zwei oder alle diese Elemente vorhanden sein.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das Wärmerohr als ein Reflektor für die mindestens eine Halbleiterlichtquelle ausgebildet und angeordnet ist.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Wärmerohr zweiteilig ausgebildet ist und ein Teil davon als eine Reflektorschale bzw. Schalenreflektor ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein auch als Reflektor dienendes Wärmerohr besonders kompakt ausgestaltbar ist. Insbesondere kann so der Träger die erste Öffnung auf einfache Weise von innen verschließen.
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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.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Ansicht schräg von der Seite eine Explosionsdarstellung einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und
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4 zeigt in Ansicht von schräg vorne eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung in Form eines LED-Moduls 11 mit einem als Heatpipe ausgebildetes Wärmerohr 12. Das Wärmerohr 12 weist einen metallischen hohlen Grundkörper 13 auf, in dessen Hohlraum 14 sich ein Arbeitsmedium M befindet. Der Grundkörper 13 ist zu einer Symmetrieachse S rotationssymmetrisch ausgebildet und weist zentrisch zu der Symmetrieachse S eine erste (vorderseitige) Öffnung 15 und eine zweite (rückwärtige) Öffnung 16 zu dem Hohlraum 14 auf. Die erste Öffnung 15 und die zweite Öffnung 16 liegen sich gegenüber, d. h. an gegenüberliegenden, durch den Hohlraum 14 getrennten Wandbereichen des Grundkörpers 13. Die erste Öffnung 15 und die zweite Öffnung 16 sind insbesondere zentrisch zu der Symmetrieachse S (und also mittig in dem Grundkörper 13) und damit zueinander konzentrisch angeordnet.
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Die erste Öffnung 15 ist dicht durch einen Träger 17 für eine Halbleiterlichtquelle in Form einer vorderseitig angeordneten Leuchtdiode 18 abgedeckt, und zwar durch Aufsatz von außen auf den Grundkörper 13. Die Leuchtdiode 18 ist an der dem Hohlraum 14 abgewandten Seite des Trägers 17 angeordnet. Der Träger 17 mag beispielsweise ein plattenförmiges Keramiksubstrat oder eine Leiterplatte sein.
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Durch die zweite Öffnung 16 ist ein zylinderförmiges Verbindungselement 19 geführt, das den Träger 17 an seiner dem Hohlraum 14 zugewandten, rückwärtigen Seite kontaktiert. Das Verbindungselement 19 führt also durch den Hohlraum 14. Das Verbindungselement 19 ist außenseitig im Bereich der zweiten Öffnung 16 mit einem rückwärtigen zylinderförmigen Funktionselement 20 verbunden. Das Verbindungselement 19 verbindet also das Funktionselement 20 mit dem Träger 17 und damit mit der Leuchtdiode 18 durch das Wärmerohr 12 hindurch. Eine Abdichtung eines möglichen Spalts zwischen dem Grundkörper 13 und dem Verbindungselement 19 im Bereich der zweiten Öffnung 16 kann beispielsweise durch eine Dichtmasse oder durch das Funktionselement 20 erreicht werden. Das Verbindungselement 19 und das Funktionselement 20 können hier beispielsweise stoffschlüssig (z. B. durch Verklebung) und/oder kraftschlüssig (durch eine klemmende Steckverbindung) miteinander verbunden sein.
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Das Verbindungselement 19 und das Funktionselement 20 bilden zwei Transformatorhälften, die miteinander induktiv koppeln und dennoch galvanisch getrennt sind, z. B. eines Trenntransformators. Dazu mag in dem Verbindungselement 19 und in dem Funktionselement 20 jeweils eine Transformatorhälfte angeordnet sein. Das Verbindungselement 19 dient also ebenfalls als ein Funktionselement. Zur galvanischen Trennung mögen das Verbindungselement 19 und das Funktionselement 20 ein Gehäuse aus Kunststoff oder Keramik aufweisen. Durch die galvanische Trennung mag z. B. ein elektrischer Berührschutz an dem Wärmerohr 12 und an dem Träger 17 vor einer an dem Funktionselement 20 anliegenden Betriebsspannung erreicht werden als auch eine durchschlagsichere Kopplung von Träger 17 und Leuchtdiode 18 mit einem Stromnetz. Eine Treiberelektronik zum Betreiben der Leuchtdiode 18 mag in dem Verbindungselement 19, in dem Funktionselement 20, an dem Träger 17 oder aufgeteilt auf zwei oder alle diese Elemente vorhanden sein.
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Das Wärmerohr 12 weist eine plattenartige Grundform auf, d. h., dass es eine im Vergleich zu seinen anderen Ausdehnungsrichtungen geringe Dicke aufweist. Genauer gesagt ist das Wärmerohr 12 schalenförmig mit einem ebenen Bodenbereich 21 und einem davon umfangsseitig schräg abgehenden, ringförmigen Seitenbereich 22 ausgebildet. Der Seitenbereich 22 weist eine im Querschnitt ebene Grundform auf und ist zu dem Bodenbereich 21 angewinkelt. Der Seitenbereich 22 erstreckt sich in Bezug auf den Bodenbereich 21 in eine rückwärtige Richtung, so dass er von der Leuchtdiode 18 vorderseitig abgestrahltes Licht nicht blockiert.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das LED-Modul 11 kopfüber ausgerichtet, z. B. zur Nutzung mit einem Deckenstrahler. Die vorderseitig abstrahlende Leuchtdiode 18 ist also nach unten gerichtet usw. Bei einem Betrieb des LED-Moduls 11 wird der in dem Verbindungselement 19 und Funktionselement 20 befindliche Trenntransformator betrieben, z. B. über die oder mit der Treiberelektronik, und stellt so ein zum Betrieb der Leuchtdiode 18 geeignetes elektrisches Signal an dem Träger 17 bereit. Der Träger 17 führt das elektrische Signal zu der Leuchtdiode 18, welche dadurch Licht abgibt. Die Leuchtdiode 18 produziert dabei auch Abwärme, welche zum größten Teil auf den Träger 17 übertragen wird. Da der Träger 17 einen Wandbereich des Hohlraums 14 darstellt, wird die Abwärme mit geringem Wärmewiderstand und schnell auf das in dem Hohlraum 14 befindliche Arbeitsmedium M übertragen. Der Träger 17 dient also als eine Heizzone, an welcher das Arbeitsmedium M verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium M gelangt aufgrund seiner geringeren Dichte in den Seitenbereich 22, welcher als Kühlzone das Arbeitsmedium M wieder kondensieren lässt. Das Arbeitsmedium M kann durch Schwerkraft und/oder Kapillarkräfte in dem Hohlraum 14 fließen. Der Grundkörper 13 mag zur Unterstützung der Kapillarkräfte an seiner dem Hohlraum 14 zugewandten Wand eine entsprechende Kapillarstruktur aufweisen, z. B. Längsrillen usw.
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Das Wärmerohr 12 weist aufgrund seiner schalenartigen Form eine besonders große Kühlzone auf. Es lässt sich so eine sehr gute Wärmeabfuhr von der Leuchtdiode 18 erreichen.
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Zur verbesserten Wärmeabgabe an die Umgebung mag der Grundkörper 13, insbesondere dessen Seitenbereich 22, außenseitig eine Kühlstruktur aufweisen, z. B. mit Kühlrippen, Kühlstiften usw.
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein LED-Modul 31 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu der Halbleiter-Leuchtvorrichtung 11 sind das Verbindungselement 32 und das Funktionselement 33 nun miteinander verschraubt.
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Ansicht schräg von der Seite ein LED-Modul 41 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das LED-Modul 41 ist ähnlich zu den LED-Modulen 11 und 31 aufgebaut, weist jedoch nun zusätzlich einen schalenförmigen Reflektor 42. Der Reflektor 42 weist einen ringförmigen Fuß 43 zum Aufsatz auf einer vorderseitigen Wand des Bodenbereichs 21 auf. Die Leuchtdiode 18 ragt in eine Halsöffnung 44 des Reflektors 42.
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4 zeigt in Ansicht von schräg vorne ein LED-Modul 51 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das LED-Modul 51 ist grundsätzlich ähnlich zu den LED-Modulen 51 aufgebaut, weist aber nun ein unterschiedlich ausgebildetes Wärmerohr 52 auf. Das Wärmerohr 52 weist weiterhin eine schalenförmige Grundform auf, ist aber nun nach vorne gebogen. Dadurch wird das Wärmerohr 52 durch seitlich von der Leuchtdiode 18 abgegebenes Licht bestrahlt.
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Zur Nutzung des Wärmerohrs 52 ist dieses zweiteilig ausgebildet mit einer vorderseitigen Wand 53 und einer rückwärtigen Wand 54, welche zusammengesetzt den Grundkörper bilden. In der vorderseitigen Wand 53 befindet sich die nun als Halsöffnung dienende erste Öffnung 55, während sich die zweite Öffnung 56 in der rückwärtigen Wand 54 befindet. Die vorderseitige Wand 53 ist als Reflektorschale ausgebildet, so dass auf einen separaten Reflektor verzichtet werden kann. Dazu mag die vorderseitige Wand 53 z. B. eine parabolische Grundform aufweisen und z. B. an ihrer Vorderseite 57 spiegelnd ausgebildet sein.
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Der Träger 17 deckt die erste Öffnung 55 von innen ab, befindet sich also in dem Hohlraum 58 des Wärmerohrs 52.
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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.
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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. Beispielsweise mag eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung mehrere Wärmerohre aufweisen, mag ein Wärmerohr mehrere erste und zweite Öffnungen aufweisen usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl und auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- LED-Modul
- 12
- Wärmerohr
- 13
- Grundkörper
- 14
- Hohlraum
- 15
- erste Öffnung
- 16
- zweite Öffnung
- 17
- Träger
- 18
- Leuchtdiode
- 19
- Verbindungselement
- 20
- Funktionselement
- 21
- Bodenbereich
- 22
- Seitenbereich
- 31
- LED-Modul
- 32
- Verbindungselement
- 33
- Funktionselement
- 41
- LED-Modul
- 42
- Reflektor
- 43
- Fuß
- 44
- Halsöffnung
- 51
- LED-Modul
- 52
- Wärmerohr
- 53
- vorderseitige Wand
- 54
- rückseitige Wand
- 55
- erste Öffnung
- 56
- zweite Öffnung
- 57
- Vorderseite
- 58
- Hohlraum
- M
- Arbeitsmedium
- S
- Symmetrieachse
