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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Grundkörper. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeübertragers sowie dessen Verwendung. Wärmeübertrager der eingangs genannten Art können als Kühlkörper bzw. Wärmesenke zur Entwärmung von Halbleiterbauelementen Verwendung finden.
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Aus der Praxis sind Wärmeübertrager aus einer Aluminiumlegierung bekannt. Diese bekannten Wärmeübertrager können beispielsweise im Stranggussverfahren hergestellt werden, wobei die Oberfläche mit einer schwarzen Eloxierung versehen sein kann. Solche Wärmeübertrager können zur Entwärmung von Halbleiterbauelementen eingesetzt werden. Beispielhaft sei die Entwärmung von Leuchtdioden, Leistungstransistoren oder auch Mikroprozessoren genannt. Die Gehäuse der Halbleiterbauelemente werden üblicherweise durch Verschraubung, Klemmung oder Verklebung mit dem Wärmeübertrager verbunden. Im Falle einer Klemmbefestigung kann der Zwischenraum mit einer Wärmeleitpaste oder einer duktilen Metallfolie ausgefüllt werden, um den Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Gehäuse des Halbleiterbauelementes und dem Wärmeübertrager zu senken.
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Diese bekannten Wärmeübertrager weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Wärmeabfuhr für Halbleiterbauelemente mit großer Abwärme zu gering ist. Daher muss der Wärmeübertrager entsprechend groß dimensioniert werden oder es müssen aktive Kühlmaßnahmen ergriffen werden, beispielsweise durch zusätzliche Lüfter oder durch Kühlwasserdurchfluss.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager mit verbesserter Wärmeübertragungsleistung bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 6 und eine Verwendung gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Wärmeübertrager mit einem Grundkörper vorgeschlagen. Der Grundkörper kann aus einem Metall oder einer Legierung mit guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein. Beispielsweise kann der Grundkörper Aluminium und/oder Kupfer enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper aus einem Metall oder einer Legierung mit guter Beständigkeit gegen korrosive Medien bestehen, beispielsweise Nickel, Edelstahl, Titan, Zirkon, Keramik oder Glas.
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Der Grundkörper kann so geformt sein, dass dieser zumindest eine Anlagefläche aufweist, welche eine komplementäre Form zur Außenseite bzw. zu einer Anlagefläche eines Gehäuses aufweist, so dass ein Halbleiterbauelement mit einem solchen Gehäuse mit geringem Wärmeübergangswiderstand mit dem Grundkörper verbunden werden kann. Beispielsweise kann der Grundkörper eine plane Anlagefläche aufweisen, um mit konventionellen TO220- oder TO3-Gehäusen oder ähnlichen Bauformen verbunden zu werden. Sofern das Halbleiterbauelement eine gekrümmte Außenseite aufweist, wie beispielsweise TO99- oder TO100-Gehäuse, kann der Grundkörper eine Anlagefläche mit vergleichbarem Krümmungsradius aufweisen.
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Weiterhin kann der Grundkörper so ausgestaltet sein, dass seine zur Wärmeabgabe verwendbare Oberfläche vergrößert wird. Hierzu kann der Grundkörper beispielsweise hervorstehende Kühlrippen aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper Hohlräume aufweisen, welche von einem Fluid durchströmbar sind. Beispielsweise kann das Fluid Wasser sein oder ein Öl oder ein sonstiges Wärmeträgermedium, welches Wärme vom Grundkörper zu einer Wärmesenke transportiert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Fluid einen Latentwärmespeicher bzw. ein Phasenwechselmaterial umfassen, welches thermosyphonisch im Hohlraum umläuft, so dass Wärme effizient durch den Grundkörper transportiert wird.
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Um den Wärmeübergang vom Gehäuse des Halbleiterbauelementes zum Grundkörper und/oder vom Grundkörper in die Umgebung zu optimieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zumindest eine erste Teilfläche des Grundkörpers mit einer Oberflächenmodifikation zu versehen. Die erfindungsgemäße Oberflächenmodifikation weist eine Mehrzahl von Erhebungen auf, welche Höhe von etwa 0,6 µm bis etwa 50 µm und einen Abstand von etwa 0,2 µm bis etwa 10 µm zueinander aufweisen können. Die Höhe der Erhebung ist dabei als Abstand zwischen einem Tal und einer benachbarten Spitze angegeben. Der angegebene Abstand bezieht sich auf den Abstand zweier benachbarter Strukturelemente. Die Erhebungen können entlang einer Raumrichtung erzeugt werden, so dass sich der Eindruck eines Well- oder Trapezbleches ergibt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können beide Raumrichtungen der Oberfläche strukturiert sein, so dass die Oberflächenmodifikation aus einer Mehrzahl benachbarter Türmchen bzw. säulenförmiger Erhebungen besteht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können unterschiedliche Teilbereiche unterschiedlich strukturiert werden, so dass sich unterschiedliche Teilflächen in einer elektronen- oder lichtmikroskopischen Aufnahme unterschiedlich darstellen.
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Während man bisher davon ausging, dass die Kontaktflächen zwischen dem Halbleiterbauelement bzw. einer beliebigen Wärmequelle und dem Grundkörper des Wärmeübertragers möglichst glatt sein sollten, um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zu ermöglichen, wurde erfindungsgemäß völlig überraschend erkannt, dass die beschriebene Oberflächenmodifikation, welche mikroskopisch einer Aufrauung entspricht, dazu geeignet ist, den Wärmeübergangswiderstand zu senken. Demnach erfolgt eine bessere Wärmeleitung über die Grenzschicht zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und/oder eine verbesserte Wärmeabgabe durch Konvektion oder Strahlung, wenn die Oberfläche die vorgeschlagene Oberflächenmodifikation aus einer Mehrzahl benachbarter Türmchen bzw. säulenförmiger Erhebungen aufweist.
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Weiterhin wurde erkannt, dass die beschriebene strukturierte Oberfläche eine geringe Reflexion aufweist, so dass diese annähernd 100% des einfallenden Lichtes absorbiert und somit schwarz erscheint. Dies lässt nach dem Kirchhoffschen Gesetz die Annahme zu, dass sich die Oberfläche wie ein idealer schwarzer Strahler verhält. Demnach nimmt die Oberfläche Wärmestrahlung annähernd ideal auf und strahlt diese auch ideal ab. Da die Wärmestrahlung von Oberflächen ein wesentlicher Mechanismus zur Entwärmung des Grundkörpers bzw. des Wärmeübertragers darstellt, kann durch die erfindungsgemäße Oberflächenmodifikation eine raschere Entwärmung des Grundkörpers erfolgen. Der durch Strahlung übertragene Wärmestrom skaliert mit der 4. Potenz der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Bekannte Wärmeübertrager erreichen nur 10% des Wärmestromes eines schwarzen Strahlers. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann mehr als 30%, mehr als 50%, mehr als 70% oder mehr als 90% des Wärmestromes eines schwarzen Strahlers erreichen. Dadurch kann der Wärmeübertrager entweder bei gleicher Größe eine höhere Kühlleistung erbringen oder aber bei gleicher Kühlleistung in geringerer Baugröße ausgeführt sein.
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Weiterhin ermöglicht die beschriebene Oberflächenmodifikation die Vergrößerung der Kontaktfläche eines den Wärmeübertrager umströmenden Fluides, beispielsweise eines durch einen Lüfter bewegten Gasstromes oder einer freien Konvektion. Auf diese Weise kann auch der konvektive Anteil des Wärmetransportes durch die Oberflächenmodifikation vergrößert werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Oberflächenmodifikation der ersten Teilfläche eine Mehrzahl von säulen- oder konusförmigen Erhebungen aufweisen, welche einen Durchmesser von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Oberflächenmodifikation eine Mehrzahl von säulen- oder konusförmigen Erhebungen aufweisen, welche einen Durchmesser von etwa 1 µm bis etwa 5 µm aufweisen. Durch die gleichmäßige Strukturierung in allen Raumrichtungen kann eine isotrope Wärmeleitung bzw. eine isotrope Wärmeabfuhr erfolgen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Oberflächenmodifikation in zumindest einer Raumrichtung eine Mehrzahl von Erhebungen aufweisen, welche eine Höhe von etwa 5 µm bis etwa 20 µm oder von etwa 10 µm bis etwa 30 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper eine Oberflächenmodifikation aufweisen, welche in zumindest einer Raumrichtung eine Mehrzahl von Erhebungen aufweist, welche einen Abstand von etwa 2 µm bis etwa 6 µm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können benachbarte Erhebungen einen Abstand von etwa 5 µm bis etwa 7 µm aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Oberflächenmodifikation durch Bestrahlung mit einem Kurzpulslaser erhältlich, welcher eine Pulsbreite von etwa 20 fs bis etwa 500 fs aufweist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Pulsbreite etwa 500 fs bis etwa 5000 fs betragen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Pulsbreite etwa 300 fs bis etwa 1000 fs aufweisen. Die Herstellung der Strukturierung bzw. der Oberflächenmodifikation durch Bestrahlung mit einem Kurzpulslaser kann in einfacher Weise auch in der Großserienfertigung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erfolgen. Durch die berührungslose Materialbearbeitung werden aufwendige und Schadstoffbelastete nass- oder trockenchemische Ätzschritte vermieden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Oberflächenmodifikation durch Licht eines Kurzpulslasers erhältlich, welcher eine Wellenlänge zwischen etwa 700 nm und etwa 1050 nm aufweist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlung des Kurzpulslasers eine Pulsenergie von etwa 100 µJ bis etwa 1 mJ aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlung des Kurzpulslasers eine Repititionsrate von etwa 0,8 kHz bis etwa 2 kHz aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlung des Kurzpulslasers eine Repititionsrate von etwa 0,8 kHz bis etwa 10 kHz aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlung des Kurzpulslasers eine Repetitionsrate von etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz aufweisen. Dies ermöglicht eine rasche und effiziente Strukturierung auch großflächiger Wärmeübertrager, auch wenn eine Mehrzahl von Laserpulsen auf eine einzelne Fläche einwirken muss, um die Oberflächenmodifikation zu erzeugen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Licht des Kurzpulslasers einem Pulsformer zugeführt werden, welcher die Pulsform an eine vorgebbare Sollform anpasst. Im Pulsformer bzw. in der Steuerung des Pulsformers kann ein selbstlernendes System mit einem genetischen Algorithmus implementiert sein, so dass die Sollform der Pulse beim Betrieb des Kurzpulslasers in Abhängigkeit der erzeugten Oberflächenmodifikation anpassbar ist. Auf diese Weise können konus- bzw. säulenförmige Oberflächenmodifikationen hoher Qualität erzeugt werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann während der Einwirkung der Strahlung des Kurzpulslasers eine vorgebbare Gasatmosphäre auf die Oberfläche des Wärmeübertragers einwirken. Auf diese Weise kann die Form und Größe der entstehenden Materialmodifikation durch weitere Parameter beeinflusst werden, nämlich die Zusammensetzung und der Druck der umgebenden Atmosphäre. Sofern die Atmosphäre als Gasstrom ausgebildet ist, kann diese gleichzeitig dazu dienen, von der Laserstrahlung ablatiertes Material von der Oberfläche abzutragen, so dass dieses nicht benachbarte Flächenbereiche des Wärmeübertragers kontaminiert.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung berifft diese die Verwendung eines erfindunggemäßen Wärmeübertragers zur Entwärmung elektronischer Bauelemente. In einigen Ausführungsformen kann zumindest ein elektronisches Bauelement ausgewählt sein aus einem Leistungstransistor, einem Mikroprozessor, einer Leuchtdiode oder einem Leuchtdiodenarray, einer Solarzelle, einem Solarmodul oder einem elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator oder einem Lithiumpolymerakku.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 die Anordnung einer Mehrzahl von Leuchtdioden auf einem Wärmeübertrager von der Vorderseite.
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2 zeigt den Wärmeübertrager gemäß 1 von der Rückseite.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Wärmeübertragers.
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4 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation.
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5 und 6 zeigen den Einfluss der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation am Beispiel freier Konvektion und Wärmestrahlung.
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7 und 8 zeigen den Einfluss der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation am Beispiel einer erzwungenen Konvektion.
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9 und 10 zeigen den Einfluss der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation am Beispiel eines Wärmeübergangs zwischen zwei Festkörpern.
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1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines Wärmeübertragers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Wärmeübertrager 1 weist einen Grundkörper 10 mit einer Vorder- und einer Rückseite auf. Die Vorderseite ist in 1 dargestellt, die Rückseite ist in 2 dargestellt. Der Wärmeübertrager 1 soll zur Entwärmung einer Mehrzahl von Leuchtdioden 12 dienen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind 12 Leuchtdioden 12 auf der Vorderseite des Grundkörpers 10 des Wärmeübertragers 1 angeordnet. Über elektrische Leitungen 3 kann den Leuchtdioden 12 ein Betriebsstrom zugeführt werden, so dass diese Licht abstrahlen. Daneben geben die Leuchtdioden 12 Wärme ab. Die Nennleistung der Leuchtdioden 12 beträgt 10 Watt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Leistung größer oder geringer sein. Die bei Betrieb der Leuchtdioden 12 anfallende Wärme wird über die Verlötung bzw. Verklebung der Leuchtdioden 12 mit dem Grundkörper 10 an den Grundkörper 10 abgegeben. Der Grundkörper 10 ist aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Der Grundkörper 10 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines Quaders mit quadratischer Grundfläche. Der Grundkörper 10 wird durch Konvektion, Wärmestrahlung und optional durch Kontakt mit einer weiteren Wärmesenke entwärmt.
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Um die Funktionsweise der Erfindung zu verdeutlichen sind an der Vorderseite zwei Temperaturmessstellen 4 und 11 angeordnet. Auf der Rückseite finden sich zwei Temperaturmessstellen 13 und 14. Die nachfolgenden 5 bis 10 zeigen jeweils Messwerte für die Temperatur der Vorder- und Rückseite, welche als Mittelwert der an den Messpunkten 11 und 4 bzw. 13 und 14 gemessenen Temperaturen ermittelt wurden. Beide Vergleichsmessungen wurden an dem identischen Bauelement erhalten, wobei das Bauelement zunächst unprozessiert vermessen wurde, d.h. auf der Rückseite befindet sich keine Oberflächenmodifikation. Sodann wurde mittels Laserstrahlung eine Teilfläche 101, welche im Wesentlichen die gesamte in 2 dargestellte Rückseite umfasst, mit der erfindungsgemäßen und in 4 dargestellten Oberflächenmodifikation versehen, ehe die Messungen erneut durchgeführt wurden.
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Auch wenn die Erfindung nachfolgend anhand eines Kühlkörpers für ein Halbleiterbauelement erläutert wird, ist die Erfindung gleichwohl nicht auf diesen Anwendungszweck beschränkt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Oberflächenmodifikation der Oberfläche von Wärmeübertragern auch in anderen Bereichen der Technik eingesetzt werden, beispielsweise im Kraftwerksbau, beim Betrieb von Wärmeübertragern für Gasverflüssigung, im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der Luft- und Raumfahrtechnik, beispielsweise für Strahlungskühler, welche ein Raumfahrzeug entwärmen und Wärme effizient an den Weltraum abgeben.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmeübertrager ein Glas enthalten oder daraus bestehen und zur Entwärmung von Solarzellen oder Solarmodulen oder elektrochemischen Energiespeichern eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmeübertrager eine Keramik, Aluminium oder Kupfer enthalten oder daraus bestehen und zur Entwärmung von Leuchtdioden eingesetzt werden oder Teil eines thermoelektrischen Generators oder eines Peltier-Elementes sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmeübertrager einen Edelstahl, Nickel oder Titan enthalten oder daraus bestehen und als Wärmetauscher oder Wärmeübertrager in korrosiven Umgebungen oder bei hohen Einsatztemperaturen eingesetzt werden, beispielsweise zwischen etwa 400°C und etwa 1000°C, zwischen etwa 600°C und etwa 1000°C oder zwischen etwa 800°C und etwa 1000°C. In all diesen Anwendungsfällen kann der erfindungsgemäß modifizierte Wärmeübertrager bei gleicher Leistungsfähigkeit eine geometrisch kleinere Bauform aufweisen oder bei gleicher Baugröße eine verbesserte Wärmeübertragung bzw. Kühlleistung aufweisen.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers. Auch dieser Wärmeübertrager weist einen Grundkörper 10 auf. Der Grundkörper 10 ist mit einer Mehrzahl von Kühlrippen 105 versehen, welche die Oberfläche des Grundkörpers 10 vergrößern und auf diese Weise den konvektiven Anteil der Wärmeübertragung an die Umgebung vergrößern. Auch der Grundkörper 10 der zweiten Ausführungsform kann aus einer Aluminium – oder Kupferlegierung bestehen und beispielsweise als Stranggussprofil hergestellt sein.
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Weiterhin weist der Grundkörper 10 eine Anlagefläche 101a auf, welche mit der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation versehen werden kann. Hierdurch kann der Wärmeübergang zwischen dem Gehäuse eines Halbleiterbauelementes bzw. einer anderen Wärmequelle und dem Grundkörper 10 verbessert werden. Weiterhin können in einigen Ausführungsformen der Erfindung Teilflächen 101b der Kühlrippen 105 mit der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation versehen sein, um den konvektiven Wärmestrom und/oder den durch Strahlung übertragenen Wärmestrom in die Umgebung zu vergrößern.
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Die Teilflächen 101a und 101b können beispielsweise durch die Strahlung eines Kurzpulslasers mit der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation versehen werden. Hierdurch kann für den jeweiligen Anwendungszweck eine optimierte Form der Oberflächenmodifikation und/oder eine optimierte Größe der Teilflächen 101a und 101b hergestellt werden, in dem nur die jeweils benötigten Teilflächen der Laserstrahlung ausgesetzt werden.
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Vergleichsbeispiel 1
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Anhand der 5 und 6 wird nachfolgend der Einfluss der Oberflächenmodifikation auf die Temperatur des Grundkörpers 10 bzw. des Wärmeübertragers 1 bei freier Konvektion und Strahlung gezeigt. Dabei wird der anhand der 1 und 2 erläuterte Aufbau aus einer Mehrzahl von Leuchtdioden auf einem quadratischen Grundkörper 10 verwendet. 5 zeigt die Temperatur der Vorderseite und 6 zeigt die Temperatur der Rückseite. Die Kurven B bzw. D zeigen dabei die an den unstrukturierten Flächen gemessenen Temperaturen, d.h. das LED-Modul befand sich in dem vom Hersteller gelieferten und an sich bekannten Auslieferungszustand.
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Nach Erfassung der Messwerte wurde die Rückseite mit der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation versehen, indem die Rückseite des Grundkörpers 10 mit Laserstrahlung eines Kurzpulslasers bestrahlt wurde. Bei erneuter Durchführung der Messung wurden die Messwerte gemäß Kurve A bzw. Kurve C erhalten.
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5 und 6 zeigen jeweils die Temperatur auf der Ordinate und die Messzeit auf der Abszisse. Nach wenigen Sekunden wird das LED-Modul eingeschaltet, woraufhin die Temperatur ansteigt und sich asymptotisch einem Grenzwert nähert. Dieser Grenzwert ist einerseits durch die Wärmezufuhr in den Grundkörper durch die Wärmeabgabe der Leuchtdioden und andererseits durch den vom Grundkörper 10 durch Konvektion und Wärmestrahlung abgegebenen Wärmestrom definiert. Die Figuren zeigen, dass sich auf der Vorderseite des bekannten LED-Moduls eine Temperatur von etwa 70° und auf der Rückseite eine Temperatur von etwa 65° einstellt. Nach dem Ausschalten nähert sich die Temperatur in einem exponentiellen Verlauf wieder der Raumtemperatur an.
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Durch Erzeugen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Oberflächenmodifikation sinkt die Temperatur auf der Vorderseite von etwa 70° auf 63° und die Temperatur der Rückseite von 65° auf etwa 50°. Insoweit zeigen die 5 und 6, dass durch die Oberflächenmodifikation die Wärmeabgabe des Grundkörpers 10 an die Umgebung durch freie Konvektion und Strahlung ansteigt. Daher kann die Betriebstemperatur der Leuchtdioden gesenkt und die Lebensdauer gesteigert werden.
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Vergleichsbeispiel 2
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Anhand der 7 und 8 wird nachfolgend der Einfluss der Oberflächenmodifikation auf die Temperatur des Grundkörpers 10 bzw. des Wärmeübertragers 1 bei erzwungener Konvektion und Strahlung gezeigt. Dabei wird der anhand der 1 und 2 erläuterte Aufbau aus einer Mehrzahl von Leuchtdioden auf einem quadratischen Grundkörper 10 verwendet. 7 zeigt die Temperatur der Vorderseite und 8 zeigt die Temperatur der Rückseite. Die Kurven E bzw. H zeigen dabei die an den unstrukturierten Flächen gemessenen Temperaturen, d.h. das LED-Modul befand sich in dem vom Hersteller gelieferten und an sich bekannten Auslieferungszustand.
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Nach Erfassung der Messwerte wurde die Rückseite mit der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation versehen, indem die Rückseite des Grundkörpers 10 mit Laserstrahlung eines Kurzpulslasers bestrahlt wurde. Bei erneuter Durchführung der Messung wurden die Messwerte gemäß Kurve F bzw. Kurve G erhalten.
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7 und 8 zeigen jeweils die Temperatur auf der Ordinate und die Messzeit auf der Abszisse. Nach wenigen Sekunden wird das LED-Modul eingeschaltet, woraufhin die Temperatur ansteigt und sich asymptotisch einem Grenzwert nähert. Dieser Grenzwert ist einerseits durch die Wärmezufuhr in den Grundkörper durch die Wärmeabgabe der Leuchtdioden und andererseits durch den vom Grundkörper 10 durch erzwungene Konvektion und Wärmestrahlung abgegebenen Wärmestrom definiert. Hierzu wurde die in 2 dargestellte Rückseite mit einem Lüfter angeblasen.
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Wie 7 zeigt, sinkt durch die Oberflächenmodifikation die Temperatur der Vorderseite von 45° auf 40° ab. Die Temperatur der Rückseite sinkt von 37° auf 35°. Damit ist der positive Einfluss der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation auch für erzwungene Konvektion nachgewiesen.
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Vergleichsbeispiel 3
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Anhand der 9 und 10 wird nachfolgend der Einfluss der Oberflächenmodifikation auf die Temperatur des Grundkörpers 10 bzw. des Wärmeübertragers 1 bei Wärmeleitung gezeigt. Dabei wird der anhand der 1 und 2 erläuterte Aufbau aus einer Mehrzahl von Leuchtdioden auf einem quadratischen Grundkörper 10 verwendet. 9 zeigt die Temperatur der Vorderseite und 10 zeigt die Temperatur eines mit der Rückseite verbundenen Kühlkörpers, welcher als zusätzliche Wärmesenke dient. Die Kurven I bzw. L zeigen dabei die an den unstrukturierten Flächen gemessenen Temperaturen, d.h. das LED-Modul befand sich in dem vom Hersteller gelieferten und an sich bekannten Auslieferungszustand.
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Nach Erfassung der Messwerte wurde die Rückseite mit der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation versehen, indem die Rückseite des Grundkörpers 10 mit Laserstrahlung eines Kurzpulslasers bestrahlt wurde. Bei erneuter Durchführung der Messung wurden die Messwerte gemäß Kurve K bzw. Kurve M erhalten.
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9 und 10 zeigen jeweils die Temperatur auf der Ordinate und die Messzeit auf der Abszisse. Nach wenigen Sekunden wird das LED-Modul eingeschaltet, woraufhin die Temperatur ansteigt und sich asymptotisch einem Grenzwert nähert. Dieser Grenzwert ist einerseits durch die Wärmezufuhr in den Grundkörper durch die Wärmeabgabe der Leuchtdioden und andererseits durch den vom Grundkörper 10 über die Wärmesenke abgegebenen Wärmestrom definiert. Hierzu wurde die in 2 dargestellte Rückseite mit einer Thermoleitfolie mit dem als Wärmesenke wirkenden Kühlkörper verbunden.
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Abweichend zu 8 und 6 gibt die 10 daher nicht die Temperatur der Rückseite des Grundkörpers 10 an, sondern die Temperatur des externen Kühlkörpers.
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Wie aus 9 ersichtlich ist, sinkt die Temperatur durch die Strukturierung der Kontaktfläche von 43° auf 41° ab. Durch die erfindungsgemäß vergrößerte Kontaktfläche der beiden aneinandergrenzenden Festkörper ist die Wärmeleitfähigkeit an der Grenzschicht höher bzw. der Wärmeleitwiderstand sinkt. Somit kann die Temperatur der Leuchtdioden durch die erfindungsgemäße Strukturierung bzw. Oberflächenmodifikation verringert werden, so dass die Lebensdauer und/oder die Lichtausbeute der Leuchtdioden ansteigt. Eine weitere Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes kann durch eine gleichartige Oberflächenmodifikation des Kühlkörpers erzielt werden. In diesem Fall sind beide mit der Thermoleitfolie in Kontakt stehenden Metallflächen mit der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation versehen, so dass sich eine weiter vergrößerte Kontaktfläche ergibt.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
