DE102014102350B4

DE102014102350B4 - Konverteranordnung mit Kühlung für Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte

Info

Publication number: DE102014102350B4
Application number: DE102014102350.1A
Authority: DE
Inventors: Volker Hagemann; Bernd Hoppe; Günter Weidmann; Seong-Won Kim
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: US20150241046A1; CN104865779B; DE102014102350A1; JP2020079951A; JP6689027B2; KR20150101399A; US20200332993A1; JP2015158673A; US10738988B2; CN104865779A

Abstract

Konverteranordnung (1) für Lichtquellen, umfassend
ein axial drehbares Trägerrad (2),
einen auf einer Seite des Trägerrads (2) angebrachten, mit Leuchtstoffen versehenen oder einen Leuchtstoff bildenden Konverter (3), welcher auftreffendes Licht durch Fluoreszenz in Licht anderer Wellenlänge konvertiert und abstrahlt,
mindestens ein weiteres axial beabstandet zum Trägerrad (2) angeordnetes Rad (22a, 22b, 22c),
wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung (1) zur von der äußeren Umrandungskurve (4) des Konverters (3) umschlossenen Fläche mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5, besonders bevorzugt mindestens 4,5 beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kühlung von Konverteranordnungen für Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte, insbesondere für Hochleistungsprojektoren.
Konverteranordnungen werden im Zusammenhang mit Lichtquellen genutzt, um das von einer Primärlichtquelle abgegebene und auf die Konverteranordnung auftreffende Licht in seiner Wellenlänge zu ändern und wieder abzustrahlen, wodurch besagte Lichtquelle erhalten wird. Zu diesem Zweck ist die Oberfläche der Konverteranordnung beispielsweise zumindest teilweise mit einem fluoreszierenden Material belegt.
So beschreibt die US 2009/0 034 284 A1 eine Beleuchtungseinrichtung, bei der Licht dadurch erzeugt wird, dass ein rotierendes Rad mit einem fluoreszierenden Material belegt und mit Strahlung aus einer Festkörperlichtquelle angeregt wird. Das Ziel der in der US 2009/0 034 284 A1 beschriebenen Erfindung ist es, durch eine Segmentierung des Rades und die Verwendung verschiedener Phosphore verschiedene zeitlich getaktete Farbkanäle zu erzeugen.
Die JP 2012-37 681 A zeigt detailliert die Anwendung dieses Prinzips.
In der DE 10 2011 084 961 A1 ist ebenfalls ein segmentiertes Leuchtstoffrad beschrieben. Es werden keramische Phosphor-Segmente verwendet, wobei diese Segmente metallisiert und mittels Löten mit dem Trägerrad verbunden sein können. Die dadurch erreichte gute thermische Anbindung der Segmente an das Trägerrad wird hervorgehoben.
In den drei genannten Schriften wird das Trägerrad als eine ebene Kreisscheibe beschrieben. Eine solche ebene Kreischeibe kann gemäß der DE 10 2011 084 961 A1 auch Aussparungen oder Hervorhebungen aufweisen, um die Segmente aufzunehmen.
Die DE 10 2012 005 654 A1 der Anmelderin verweist auf die Möglichkeit, ein Konverterrad beispielweise durch zusätzliche Lamellen mit einer ventilierenden Funktion zu kombinieren, um das Konverterrad besser kühlen zu können.
Gemäß der DE 10 2010 034 054 A1 der Anmelderin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Konversionsscheibe selbst kühlend ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise über ein Flügelrad auf der Drehachse des Phosphorträgers geschehen, was einen sogenannten Radiallüfter darstellt. Durch die Rotation wird ein Luftstrom erzeugt, der die Wärme an die Umgebung abführt.
Die DE 10 2012 204 786 A1 zeigt eine Leuchtvorrichtung mit einem Leuchtstoffkörper, der mit seiner Rückseite an einem Kühlkörper angeordnet ist. Der leuchtsstoffkörper ist an seiner zu betsrahlenden Vorderseite mit einer lichtdurchlässigen Lage belegt, die eine zumidnest gleich hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist wied er Leuchtstoffkörper.
Die US 2013/0107222 A1 beschreibt einen Projektor mit einer Laser-Lichtquelle.
Generell kann eine zu hohe Temperatur am Konverter zu einer beschleunigten Degradation des Konvertermaterials, sowie auch der Verbindung zum Träger des Konverters führen. Auch kann es bedingt durch eine Aufheizung des Konverters zu einem Abfall der Konversionseffizienz und/oder einer Farbveränderung des abgestrahlten Sekundär-, beziehungsweise Fluoreszenzlichts kommen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Konverteranordnung bereitzustellen, die eine besonders wirkungsvolle Kühlung des Leuchtstoffs zu gewährleisten und damit besonders hohe Leuchtdichten erzeugen zu können, sowie die Langzeitstabilität der Anordnung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bereits durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass insbesondere bei schnell rotierenden Trägerrädern nicht die Art der Anbindung des Konverters an seine Unterlage, beispielsweise Ankleben oder Anlöten, limitierend für die effiziente Kühlung des Konverters ist, sondern vielmehr die Wärmeabfuhr des Trägers des Konverters selbst.
Erfindungsgemäß wird eine Konverteranordnung für Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte bereit gestellt. Diese Konverteranordnung umfasst ein axial drehbares Trägerrad, einen auf einer Seite des Trägerrads angebrachten, mit Leuchtstoffen versehenen oder einen Leuchtstoff bildenden Konverter, welcher auftreffendes Licht durch Fluoreszenz in Licht anderer Wellenlänge konvertiert und abstrahlt, mindestens ein weiteres axial beabstandet zum Trägerrad angeordnetes Rad, wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung zur von der äußeren Umrandungskurve des Konverters umschlossenen Fläche mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5, besonders bevorzugt mindestens 4,5 beträgt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Konverteranordnung ist das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung zur Fläche des von der äußeren Umrandungskurve des Konverters umschlossenen Fläche kleiner als 50.
Für das Trägerrad kommen verschiedene Materialien in Betracht. Jedoch kommt der Vorteil der vergrößerten Gesamtfläche des Trägerrades besonders zum Tragen, wenn das eingesetzte Material es ermöglicht, die vom Konverter abzuführende Wärme auf die Gesamtfläche der Konverteranordnung zu verteilen. Dazu sollte die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials mehr als 50 W/mK betragen. Beispielsweise können Metalle wie Aluminium, aber auch hochwärmeleitfähige Kunststoffe eingesetzt werden.
Für den Konverter kommen verschiedene Materialien in Betracht. Beispielsweise kann der Konverter ein mit einem Phosphor, beziehungsweise Leuchtstoff versehenes Silikon umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird für den Konverter jedoch eine Optokeramik verwendet. Der Vorteil der Verwendung von Optokeramik besteht in der hohen Temperaturstabilität des Konverters, sowie einer gegenüber in einer Matrix eingebundenem Konverterpulver in einer deutlich besseren Wärmeleitung und erhöhten Wärmekapazität.
In einer Weiterbildung des Konverters aus Optokeramik besteht diese gänzlich aus Leuchtstoff. Damit kann der Leuchtstoff so ausgelegt werden, dass er im Vergleich zu einem Leuchtstoff in einem Matrixmaterial eine geringere lokale Konzentration an aktiven Ionen besitzt, obwohl die mittlere Konzentration an aktiven Ionen gleich ist. Die geringe lokale Konzentration an aktiven Ionen ist vorteilhaft für die Quanteneffizienz und die thermische Stabilität der Konversionsprozesse.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist der Konverter in Form einer Optokeramik als geschlossener Ring auf das Trägerrad aufgebracht. Bei einem geschlossenen Ring gibt es keine Nahtstellen zwischen Segmenten, an denen z. B. der für die Anbindung verwendete Kleber frei liegen und durch die Primärstrahlung hoher Strahldichte geschädigt werden könnte.
Besonders bei großen Konverterringen kann es jedoch vorteilhaft sein, den Ring aus Segmenten zusammenzusetzen, um ggf. durch Vibration erzeugte oder thermisch induzierte mechanische Spannungen zu reduzieren.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist der Konverter in Form einer Optokeramik in Segmenten auf das Trägerrad aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt oder aufgelötet. Auflöten, insbesondere mittels eines metallischen Lotes verbessert die thermische Anbindung der Optokeramik an das Material des Trägerrings. Ein metallisches Lot kann insbesondere auch noch gleichzeitig die Funktion eines Reflektors erfüllen, um die Effizienz der Konverteranordnung zu verbessern. Zudem ist kann eine Lotverbindung üblicherweise höheren Temperaturen ausgesetzt werden als eine Klebeverbindung, so dass sich die für die Konverteranordnung zulässige Maximaltemperatur und somit die maximal zulässige optische Leistung der Primärlichtquelle erhöht. Für viele Anwendungen reicht andererseits eine Klebeverbindung aus. Diese bietet gegenüber dem Auflöten den Vorteil einer einfachen Verarbeitung. Ohne Beschränkung auf ein metallisches Lot als Reflektor kann das Trägerrad im vom Konverter bedeckten Bereich lichtreflektierend ausgebildet sein, beziehungsweise kann der Konverter eine lichtreflektierende Oberfläche der Konverteranordnung bedecken, um die Konversionseffizienz zu verbessern. Als eine lichtreflektierende Oberfläche wird dabei vorzugsweise eine Oberfläche verstanden, welche für das Fluoreszenzlicht des Konverters einen Reflexionsgrad von mindestens 75% aufweist.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann es sein, dass der Konverter eine kreisförmige Spur (die Spur, welche der Lichtstrahl einer Primärlichtquelle bei Rotation der Konverteranordnung beschreibt) um die Mitten- oder Drehachse der Konverteranordnung nicht durchgehend bedeckt. Dies ist etwa dann der Fall, wenn ein ringförmiger Konverter vorgesehen wird, aber ein Ringsegment fehlt. Ein solches fehlendes Segment kann dann vorgesehen werden, wenn bei Rotation der Konverteranordnung zu bestimmten Zeitpunkten anstelle des Fluoreszenzlichts das Primärlicht abgegeben werden soll.
Generell hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Emissivität ε zumindest eines Teils der nicht vom Konverter bedeckten Fläche, vorzugsweise der gesamten nicht bedeckten Fläche des Trägerrads mehr als 0,1, vorzugsweise mehr als 0,7, besonders bevorzugt mehr als 0,85 beträgt. Bevorzugt weisen dabei die nicht bedeckten Flächen im Mittel die oben genannten Emissivitäten von mehr als 0,1, vorzugsweise mehr als 0,7, besonders bevorzugt mehr als 0,85 auf. Obschon man annehmen würde, dass bei den im Betrieb am herkömmlichen Konverterrad herrschenden Temperaturen nur die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft erheblich zur Kühlung beiträgt, hat es sich gezeigt, dass auch die Emissivität einen merklichen Einfluss auf die Wärmeabfuhr hat, da insbesondere Konverteranordnungen mit optokeramischen Konvertern bei hohen Temperaturen betrieben werden können, bei denen die Wärmestrahlung auf Grund des Stefan-Boltzmann-Gesetzes zum Tragen kommt.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr der Konverteranordnung kann die nicht vom Konverter bedeckte Fläche des Trägerrads geschwärzt sein. In Bezug auf die Wärmeabfuhr ergibt eine Schwärzung im Allgemeinen eine sehr hohe Emissivität.
Um die erfindungsgemäße Konverteranordnung auch beispielsweise zusammen mit Hochleistungslichtquellen einsetzen zu können, beträgt die Wärmeabfuhr der Konverteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mehr als 15 W. Für Lichtquellen geringerer Leistung ist entsprechend auch eine geringere Wärmeabfuhr ausreichen. Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere für silikonbasierte Konverter geeignet ist, beträgt die Wärmeabfuhr mindestens 4 W, vorzugsweise 5 bis 10 W.
Bezogen auf die von der äußerem Umrandungskurve des Konverters umschlossene Fläche ist es gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung günstig, wenn die Wärmeabfuhr der Konverteranordnung mehr als 150 WK^–1m^–2·F beträgt, wobei F die von der äußerem Umrandungskurve des Konverters umschlossene Fläche, angegeben in Quadratmetern bezeichnet. Bevorzugt beträgt die Wärmeabfuhr mehr als 180 WK^–1m^–2·F, besonders bevorzugt mehr als 240 WK^–1m^–2·F.
Die Konverteranordnung umfasst mindestens zwei axial beabstandet zueinander angeordnete Räder oder Scheiben, von denen eines einen mit einem Leuchtstoff versehenen oder einen Leuchtstoff bildenden Konverter aufweist. Die Räder sind durch geeignete Wärmebrücken miteinander verbunden, um den Wärmetransport von dem mit Leuchtstoff versehenen Rad auf das mindestens eine weitere Rad zu gewährleisten. Hierdurch wird die Gesamtfläche der Konverteranordnung erhöht und so deren Wärmeabfuhr verbessert.
Ferner wird eine Ausführungsform der Konverteranordnung bevorzugt, bei der das Trägerrad als Lüfterrad ausgebildet ist. Insbesondere kann dabei ein Antriebsmotor für das Trägerrad vorgesehen sein, welcher das Lüfterrad so dreht, dass Luft axial angesaugt wird. Es hat sich gezeigt, dass die Kühlwirkung der Anordnung vom Drehsinn der Anordnung abhängt, sofern die Lüfterlamellen nicht radial, sondern unter einem Winkel zur radialen Richtung ausgestaltet sind. Jedoch ist diese Ausführungsform nicht auf Radiallüfter beschränkt. Die Anordnung des Konverters auf dem als Lüfterrad ausgebildetem Trägerrad und die bevorzugte Drehrichtung können je nach gewählter Lüftergeometrie variieren. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind aber eine gute Wärmeleitfähigkeit des Lüfterrades, so dass die Konverterkühlung über die rein ventilierende Wirkung des Lüfterrades hinaus durch die vergrößerte Oberfläche des Trägerrades bewirkt wird.
Auch kann das Trägerrad der erfindungsgemäßen Konverteranordnung auf der dem Konverter abgewandten Seite Kühllamellen aufweisen, die aufgrund der Drehung des Trägerrads einen Kühleffekt durch Luftumwälzung bewirken.
In einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Konverteranordnung ist der Durchmesser des Trägerrads um mindestens einen Faktor 1,5 größer als der Durchmesser der äußeren Umrandungskurve des Konverters.
Besonders bevorzugt wird für das Trägerrad, vorzugsweise auch gegebenenfalls weitere Teile der Konverteranordnung Metall als Material verwendet. Metall eignet sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit besonders gut. Zudem lassen sich Lötverbindungen zur Befestigung des Konverters auf Metall gut ausführen. Besonders bevorzugtes Material ist Aluminium. Dieses Metall weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und ist zudem noch sehr leicht. Damit können Unwuchten bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten des Trägerrads verringert werden.
Erfindungsgemäß wird auch eine Lichtquelle mit einer Konverteranordnung bereit gestellt, wobei die Konverteranordnung ein axial drehbares Trägerrad und einen auf einer Seite des Trägerrads angebrachten, mit Leuchtstoffen versehenen oder einen Leuchtstoff bildenden Konverter umfasst, welcher auftreffendes Licht durch Fluoreszenz in Licht anderer Wellenlänge konvertiert und abstrahlt. Diese Lichtquelle umfasst ein Leuchtelement zur Beleuchtung eines Leuchtflecks auf dem Konverter, sowie einen Motor, um die axial gelagerte Konverteranordnung während der Beleuchtung mit dem Leuchtelement in Drehung zu versetzen, so dass sich die auftreffende Strahlungsleistung des Leuchtelements nach einer Umdrehung der Konverteranordnung auf einer kreisförmigen Spur auf dem Konverter verteilt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt dabei das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung zur von der äußeren Umrandungskurve des Konverters umschlossenen Fläche mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5, besonders bevorzugt mindestens 4,5.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung zu der vom äußeren Rand der kreisförmigen Spur umschlossenen Fläche mindestens 3,3, vorzugsweise mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 5 betragen. Je größer dieses Verhältnis ist, desto besser kann die an der jeweils bestrahlten Stelle eingebrachte Wärme über die Gesamtfläche der Konverteranordnung verteilt werden, was zu einer niedrigeren mittleren Temperatur der gesamten Konverteranordnung führt.
Insbesondere kann die Lichtquelle einen Laser als Primärlichtquelle umfassen. Laser können auf sehr kleine Strahldurchmesser fokussiert werden, so dass auch das vom Konverter abgestrahlte Sekundärlicht in einem entsprechend kleinen Volumen erzeugt wird. Damit kann eine Lichtquelle mit sehr kleiner Etendue geschaffen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser des äußeren Rands der Spur, welche der Leuchtfleck auf dem Konverter beschreibt, mindestens das 0,8-fache des Durchmessers der äußeren Umrandungskurve des Konverters, vorzugsweise mindestens das 0,9-fache des Durchmessers der äußeren Umrandungskurve des Konverters.
Bei der Lichtquelle kann es sich um einen Projektor, insbesondere einen Hochleistungsprojektor handeln.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.
Es zeigen
1 ein Diagramm zur Abhängigkeit zwischen Durchmesser des Trägerrads und dessen thermischem Widerstand,
2 eine Konverteranordnung mit axialsysmemtrischem Trägerrad und kreisringförmigen Konverter nach dem Stand der Technik,
3 eine Konverteranordnung mit axialsysmemtrischem Trägerrad und kreisringförmigen Konverter, wobei der Durchmessers des Trägerrades deutlich größer als der Durchmesser des Konverters ist.
4 eine Konverteranordnung mit auf dem Trägerrad angebrachten Kühllamellen,
5 ein Diagram zur Abhängigkeit der Maximaltemperatur vom Scheibendurchmesser,
6 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Maximaltemperatur des Konverters von der Wärmeleitfähigkeit eines Trägerrades mit Kühllamellen.
7 eine Konverteranordnung mit einem Trägerrad mit mehreren axial hintereinander angeordneten Scheiben,
8 Eine Konverteranordnung mit Lüfterrad, geschwärztem Spiegelsubstrat und Luftzufuhr von der vom Konverter abgewandten Seite.
9 eine Lichtquelle mit einer Konverteranordnung.
Wie bereits ausgeführt haben Untersuchungen der Erfinder ergeben, dass die Kühlung des Trägerrades der entscheidende Faktor für eine effiziente Kühlung einer Konverteranordnung ist.
Der Grund hierfür ist, dass die Wärmeabfuhr im Mittel über die gesamte bestrahlte Fläche des Konverters inklusive der in die Wärmeleitung einbezogenen Randbereiche erfolgt. Beispielsweise ist diese Fläche im Falle eines Konverterrings mit einem Durchmesser von 43 mm, der in einem Mittelpunktsabstand von 20 mm mit einem 3 mm breiten Strahlfleck bestrahlt wird, mindestens 40-fach größer als der eigentliche Strahlfleck. Näherungsweise kann dieses Verhältnis durch den Quotienten aus dem Leuchtfleckdurchmesser und dem Umfang der durch den Leuchtfleck beschriebenen Bahn auf dem Konverterring beschrieben werden.
Bei diesen Verhältnissen ist die Anbindung des Konverters an das Trägerrad trotz der schlechten Wärmeleitfähigkeit z. B. einer Klebeverbindung vergleichsweise gut gegenüber der schlechten thermischen Anbindung des rotierenden Trägerrads an die umgebende Luft.

Dies wird durch die in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellten Abschätzungen der jeweiligen thermischen Widerstände verdeutlicht.

	Wärmeleitfähigkeit	Dicke	WÜK	OD	ID	Fläche	Therm. Widerstand
	[W/mK]	[mm]	[W/m²K]	[mm]	[mm]	[mm²]	[K/W]

Keramischer Konverter	6	0.2	30000	30	20	392.70	0.085
Bond (Silikonkleber)	0.3	0.01	30000	30	20	392.70	0.085
Rotierendes Rad			150	30	0	706.86	9.431

Tabelle 1: Abschätzungen der thermischen Widerstände

Führt man diese Abschätzung für verschiedene Radgeometrien durch, so wird deutlich, dass größere Raddurchmesser einen deutlich geringeren thermischen Widerstand zu Umgebungsluft aufweisen, aber dass auch hier mehr als 95% des thermischen Widerstands durch die Kühlung des Rades gegeben sind.
Diese Zusammenhänge werden in 1 gezeigt, das in Form eines Diagramms die Abhängigkeit zwischen Durchmesser des Trägerrads und dessen thermischem Widerstand zeigt. Für jeden gewählten Durchmesserwert ist ein Balken gezeigt, der den Anteil des Klebers am thermischen Widerstand zeigt sowie den Anteil des Übergangs vom rotierenden Rad an die Luft am Thermischen Widerstand.
Grundlage dieser Abschätzungen ist, dass die Rotation des Trägerrads tatsächlich für eine gute Mittelung sorgt. Dies bedeutet, dass die lokale Aufheizung des Konverters an der aktuell bestrahlten Stelle klein sein muss gegenüber der mittleren Aufheizung. Dies ist dann gegeben, wenn die Wärmeleitung des Konverters selbst gut ist, und wenn die Wärmekapazität groß ist, da dann die augenblickliche Bestrahlung nicht zu einem sofortigen, starken Temperaturanstieg führt. Diese beiden Anforderungen werden bei typischen Umdrehungsgeschwindigkeiten von 7200 Umdrehungen/Minute von optokeramischen Konvertern erfüllt. Kommt es zu einer zu starken lokalen Aufheizung des Konverters im Strahlspot, so kann die Umdrehungsgeschwindigkeit der Konverteranordnung erhöht werden, um die Temperatur im Strahlspot zu reduzieren und an die mittlere Temperatur des Konverters anzunähern.
Zur Bereitstellung einer Konverteranordnung mit hoher Kühlleistung sind also die folgenden Merkmale oder Merkmalskombinationen von Vorteil.

– Verwendung eines keramischen Konvertermaterials.
– Eine Umdrehungsgeschwindigkeit des Trägerrades, die hoch genug ist, um eine ausreichende Mittelung der Temperatur über die Konverteranordnung zu erreichen.
– Ein Trägerrad mit einer im Vergleich zum Konverterkreis deutlich vergrößerten Oberfläche. Ein Trägerrad aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, um die Wärme effizient über die deutlich vergrößerte Oberfläche verteilen und abgeben zu können.
– Ein Trägerrad mit Kühllamellen oder einer anderen vorteilhaften Lüfterähnlichen Geometrie, die eine gute Luftzirkulation bewirkt.
– Ein Trägerrad mit einer erhöhten Emissivität für Wärmestrahlung
– Eine Konverteranordnung, die hohe Betriebstemperaturen erlaubt, um von der erhöhten Emissivität profitieren zu können.

Im Folgenden werden numerische Studien zur Verwendung von YAG Optokeramik (Optoceramics = OC) für Hochleistungsprojektoren beschrieben.
Als Trägerräder wurden spiegelnde Scheiben betrachtet, auf denen die Optokeramik in Form eines Kreisrings aufgebracht war. Zumindest unterhalb der Optokeramik sind diese Scheiben verspiegelt.

Die folgende Tabelle 2 enthält die Stoff- und Geometrieparameter der betrachteten Scheiben.

Größe	Wert	Einheit
Scheibendurchmesser	50...80	mm
Scheibendicke	0,5...1,0	mm
Breite OC-Ring	4	mm
Dicke OC-Ring	200	μm
Dicke Siliconkleber	10	μm

Drehzahl	7200	min^–1
Laserleistung	Max. 200	W
Davon thermische Verluste In der OC	25	%
	Kasten:
Strahlprofil	2_tan × 3_rad	mm²

Absorptionskoeffizient OC	10000	1/m
WLF OC	10	W/Km
WLF Kleber	0,3	W/Km
Dichte OC	4560	kg/m³
Spez. Wärmekap. OC	590	J/kgK

Tabelle 2: Stoff- und Geometrieparameter der betrachteten Scheiben

Trifft man die Annahme, dass es gelingt, die Scheibe beidseitig konvektiv mit einem Wärmeübergangskoeffizienten von h = 50 Wm^–2K^–1 zu kühlen, würde die Scheibe sich im Mittel um
gegenüber der Umgebung erwärmen.
Für die stationäre Berechnung der rotierenden Scheibe wird abgeschätzt, wie groß der reale Temperaturhub T . eines Punktes in der Optokeramik abhängig von einer eingestrahlten Leistung P sein wird. Es gilt: P = mc_PT .
Bezogen auf das Volumen (p: Leistungsdichte in W/m³) gilt entsprechend: p = ρc_pT .
Unter der Annahme, dass 50 W in einem Volumen von 2 × 3 × 0,1 mm³ deponiert werden, erhält man: p = 50 W/0,6·10^–9m³ ≈ 83·10⁹ W/m³ und T . ≈ 31·10³ K/s.
Bei einer Periodendauer von τ = 1/f = 1/120 Hz ≈ 8,3 ms, einer mittleren Bahnlänge von L = πD = π46 mm ≈ 145 mm und einer Fleckbreite von b = 2 mm, ergibt sich eine Aufheizdauer an jeder Stelle der bestrahlten Optokeramik von t_Puls = τb/L ≈ 0,12 ms.
In dieser Zeit steigt die Temperatur um ΔT . = t_PulsT . ≈ 3,7 K an. Im Vergleich zum erwarteten Temperaturniveau ist dies wenig, so dass die Annahme stationärer Wärmequellen in einem 3 mm breiten Ringvolumen getroffen werden kann.
Ausführungsbeispiel 1:
2 zeigt eine bezüglich des Verhältnisses der Gesamtfläche der Konverteranordnung zur von der Umrandungskurve des Konverters umschlossenen Fläche herkömmliche Konverteranordnung 1 mit einem ebenen kreisförmigen Trägerrad 2, auf dem ein Konverter 3 angebracht ist. Alle weiteren Merkmale der in 2 gezeigten Konverteranordnung können demgegenüber auch Merkmale einer erfindungsgemäßen Konverteranordnung sein.
Das Trägerrad 2 ist axial symmetrisch gelagert, so dass es um eine durch seinen Mittelpunkt 5 verlaufende Achse gedreht werden kann.
In 2 ist der Konverter 3 als Kreisring ausgebildet, der zum Seitenrand, beziehungsweise zum Umfang des Trägerrads 2 kaum beabstandet ist. Der auf dem Trägerrad 2 angebrachte Konverter 3 wird von einer äußeren, hier kreisförmigen Umrandungskurve 4 begrenzt. Die von der äußeren Umrandungskurve 4 eingeschlossene Fläche ist, anders als erfindungsgemäß vorgesehen etwa so groß wie die vom Umfang des Trägerrades eingeschlossene Fläche. Typische Abmessungen zeigt Tabelle 3. Rechnet man noch die für die Kühlung ebenfalls wirksame Fläche der Rückseite des Trägerrads 2 hinzu, ist damit erfindungsgemäß das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung 1 zur Fläche des von der Umrandungskurve 4 des Konverters 3 umschlossenen Fläche allenfalls geringfügig größer als 2.
In 3 ist der Konverter 3 als Kreisring ausgebildet, der zum Seitenrand, beziehungsweise zum Umfang des Trägerrads 2 deutlich beabstandet ist. Der auf dem Trägerrad 2 angebrachte Konverter 3 wird von einer äußeren, hier kreisförmigen Umrandungskurve 4 begrenzt. Durch den Abstand zum Rand des Trägerrads 2 weist die äußere Umrandungskurve 4 einen deutlich geringeren Durchmesser auf, als der Umfang des Trägerrads 2. Demgemäß ist auch die von der äußeren Umrandungskurve 4 eingeschlossene Fläche kleiner als die vom Umfang des Trägerrads 2 eingeschlossene Fläche. Rechnet man noch die für die Kühlung ebenfalls wirksame Fläche der Rückseite des Trägerrads 2 hinzu, ist damit erfindungsgemäß das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung 1 zur Fläche des von der Umrandungskurve 4 des Konverters 3 umschlossenen Fläche mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5, besonders bevorzugt mindestens 4,5 beträgt.
Bei bisher üblichen Konverteranordnungen beträgt der Abstand des Konverters zum Rand des Trägers nur wenige Millimeter. Selbst bei kleinen Trägerrädern ergibt sich dann nur ein Verhältnis von Gesamtfläche der Konverteranordnung zur Fläche des von der Umrandungskurve 4 des Konverters 3 umschlossenen Fläche von weniger als 2,5.
Typische Werte sind in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3: Verhältnis von Gesamtfläche der Konverteranordnung zur Fläche des von der Umrandungskurve des Konverters umschlossenen Fläche für verschiedene Konverteranordnungen:

Bemerkung		Typischer SdT			Erfindungsgemäße Anordnungen
Durchmesser Konverterring	[mm]	30	48	60	44	44
Durchmesser Konverteranordnung	[mm]	33	50	65	50	80
Umschlossene Fläche Konverterring	[mm²]	707	1810	2827	1521	1521
Oberfläche Konverteranordnung (Vor- und Rückseite)	[mm²]	1711	3927	6637	3927	10053
Flächenverhältnis		2.4	2.2	2.3	2.6	6.6

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Konverter 3 auch aus Segmenten zusammengesetzt sein, beziehungsweise es können mehrere Konverter 3 in Form von nebeneinander angeordneten Segmenten verwendet werden. Bei den in 2 und 3 gezeigten Beispielen ist der Kreisring des Konverters 3 aus drei Segmenten 31, 32, 33 zusammengesetzt. Die Segmente, vorzugsweise jeweils aus Optokeramik sind auf dem Trägerrad 2 aufgeklebt oder aufgelötet. Insbesondere können die Segmente 31, 32, 33 auch verschiedene Konvertermaterialien aufweisen, so dass bei der Rotation des Trägerrades nacheinander die verschiedenen Konvertermaterialien von einem Leuchtelement ausgeleuchtet werden und dann jeweils Sekundärlicht unterschiedlicher Farben abgeben. Dies ist beispielsweise bei Projektoren sinnvoll, um mittels eines vom Sekundärlicht ausgeleuchteten und im Takt des Wechsels zwischen den Segmenten geschalteten DMD-Bausteins (DMD = ”Digital Mirror Device”) Farbbilder zu erzeugen.
Der Konverter 3 des Ausführungsbeispiels der 2 ist als geschlossener Kreisring dargestellt. Es ist aber beispielsweise auch möglich, einen offenen Kreisring als Konverter 3 zu verwenden und ein Segment mit einem lichtstreuenden Medium zu ergänzen. Damit kann als weitere Farbe zusätzlich zu den verschiedenfarbig emittierenden Konvertersegmenten auch die Farbe des Primärlichts für die Anwendung als Projektor verwendet werden. Im Falle eines Konverters 3 in Gestalt eines offenen Kreises oder offenen Kreisrings wird als äußere Umrandungskurve ein Vollkreis mit dem Außendurchmesser des Konverters verstanden.
Als Material für den Konverter 3 ist Optokeramik vorgesehen, die gänzlich aus einem Leuchtstoff besteht. Alternativ kann der Konverter 3 auch mit Phosphor versehenes Silikon umfassen. In diesem Fall ist der Konverter 3 also mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff versehen. Aufgabe des jeweiligen Leuchtstoffs ist es, auftreffendes Licht in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln und wieder abzustrahlen. Vorzugsweise wird eine monolithische, einphasige Optokeramik für den Konverter verwendet.
Bei der Verwendung von Optokeramik kann diese auf das Trägerrad 2 aufgelötet werden. Die Lötverbindung schafft einen guten Wärmekontakt des Konverters zum Trägerrad.
Die Anbringung des Konverters 3 auf dem Trägerrad 2 kann gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung aber auch durch Kleben erfolgen.
In beiden Fällen ist es günstig, wenn die vom Konverter bedeckte Oberfläche lichtreflektierend ausgebildet ist. Bei einer Lotverbindung kann dieses Merkmal, insbesondere mit einem Reflexionsgrad von mindestens 75% für das vom Konverter unter Einstrahlung eines geeigneten Primärlichts emittierten Fluoreszenzlichts in einfacher Weise durch die Wahl eines geeigneten lichtreflektierenden metallischen Lotes erzielt werden. Wird der Konverter 3 aufgeklebt, kann der Kleber transparent und die Fläche, auf die der Konverter 3 aufgeklebt ist, entsprechend lichtreflektierend, vorzugsweise mit dem genannten Reflexionsgrad von mindestens 75% ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Emissivität ε zumindest eines Teils der nicht vom Konverter bedeckten Fläche 29 des Trägerrads 2 mehr als 0,1, insbesondere mehr als 0,7, besonders bevorzugt > 0,85. Je höher die Emissivität ist, desto besser kann die nicht vom Konverter bedeckte Fläche des Trägerrads 2 absorbierte Wärme als Wärmestrahlung wieder abgeben. Überraschend kann selbst bei den angestrebten möglichst niedrigen Temperaturen der Konverteranordnung noch eine signifikante Verbesserung der Kühlleistung erzielt werden, indem die Emissivität der nicht bedeckten Fläche 29 erhöht wird. Gerade Aluminium als aufgrund einer hohen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität bevorzugtes Material für das Trägerrad weist eine sehr niedrige Emissivität auf. Hier kann eine Erhöhung der Emissivität, insbesondere durch eine Schwärzung der nicht vom Konverter 3 bedeckten Flächen eine Verbesserung der Kühlung durch Erhöhung der Wärmeabstrahlung bewirken.
Hinsichtlich der Kühlung der Konverteranordnung 1 wird das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung 1 zur Fläche des von der Umrandungskurve 4 des Konverters 3 umschlossenen Fläche derart gewählt, dass es mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5, besonders bevorzugt mindestens 4,5 beträgt.
Das Flächenverhältnis übersteigt aber vorzugsweise den Wert 50 nicht. Dies ist günstig, da einerseits Material und Gewicht gespart wird, andererseits auch der Zuwachs an Kühlleistung mit steigendem Flächenverhältnis abnimmt.
Die nicht vom Konverter 3 bedeckte Fläche des Trägerrads 2 kann geschwärzt sein.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahmen, insbesondere durch das große Flächenverhältnis von Konverteroberfläche zur eingeschlossenen Fläche der äußerem Umrandungskurve des Konverters kann die Konverteranordnung nun so ausgelegt werden, dass die Wärmeabfuhr der Konverteranordnung mehr als 150 WK^–1m^–2·F beträgt, bevorzugt mehr als 180 WK^–1m^–2·F und besonders bevorzugt 240 WK^–1m^–2·F beträgt, wobei F die von der äußerem Umrandungskurve des Konverters umschlossene Fläche in m² bezeichnet.
In einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Konverteranordnung 1 ist der Durchmesser des Trägerrads 2 um mindestens einen Faktor 1,5 größer als der Durchmesser der Umrandungskurve 4 des Konverters 3.
Eine Berechnung dieses axialsymmetrischen Modells ergab die folgenden Ergebnisse. Es wurde eine exemplarische Rechnung für eine Drehzahl von n = 7200 min^–1 durchgeführt. Als homogen in der Optokeramik verteilte Wärmeleistung wurde ein Wert von P_therm = 23 W angenommen. Auf beiden Seiten der Scheibe konnte die Luft mit 30°C frei ein- und ausströmen. Ferner wurde unterstellt, dass keine sonstige Zwangskonvektion auftritt. Es wurde eine zylindrische Seitenwand der Scheibe angenommen, an der die Luft adiabat anhaftet. Die Abmessungen von Scheibe, Optokeramik und Kleber wurden wie in Tabelle 1 gewählt. Ein Kammerdurchmesser von 80 mm wurde unterstellt.
Die Berechnungen wurden mittels eines Turbulenzmodells SST-kω mit low-Re-Correction durchgeführt. Die Luft wurde als inkompressibles, ideales Gas angenommen. Die Werte für c_P, λ und h wurden nach der kinetischen Gastheorie angenommen.
Auf der Scheibenoberfläche ergab sich ein berechneter mittlerer Wärmeübergangkoeffizient von h ≈ 24 Wm^–2K^–1 für eine Referenztemperatur der umgebenden Luft von 30°C. Der Wärmeübergangkoeffizient h ist weitgehend unabhängig vom Scheibenradius. Von der in die Optokeramik eingebrachten Wärmeleistung von 23 W gehen etwas 4 W von der Optokeramik an die umgebende Luft und etwas 19 W in die Scheibe.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass Turbulenzmodelle stets nur Näherungen sind, die je nach Anwendungsfall die Realität mehr oder weniger gut beschreiben. Daher sind Absolutaussagen ohne Kalibrierung an Experimenten schwierig. Relativaussagen zur Bewertung von Maßnahmen zu einer besseren Kühlung können jedoch getroffen werden.
Ausführungsbeispiel 2:
4 zeigt eine erfindungsgemäße Konverteranordnung 1, bei der ebenfalls ein Konverter 3 auf einem Trägerrad 2 angebracht ist, das Trägerrad 2 aber auf der dem Konverter 3 abgewandten Seite Kühllamellen 16 aufweist. Diese Kühllamellen stehen senkrecht zur Oberfläche des Trägerrads 2 und stehen mit dem Trägerrad 2 in thermischer Verbindung. Insgesamt wird die Gesamtoberfläche des Trägerrads 2 aufgrund der Kühllamellen 16 erhöht. Hierdurch wird die Wärmeabgabe der Konverteranordnung erhöht. Wird das Trägerrad 2 zusätzlich um seine zentrale Achse gedreht, entsteht ein Luftzug, wodurch die Wärmeabgabe weiter erhöht wird. Die Kühllamellen können auch auf einer zusätzlichen Platte 6 angebracht sein. Hinsichtlich der Geometrie des Konverters 13 und dem für den Konverter 3 verwendeten Material gelten grundsätzlich die gleichen Überlegungen wie für Ausführungsbeispiel 1.
Eine Berechnung dieses Ausführungsbeispiels ergab die folgenden Ergebnisse im Vergleich zu einer Scheibe gemäß Ausführungsbeispiel 1.
Es wurde als Modell ein 45°-Segment eines Lüfterrad für eine gekoppelte Strömungs- und Temperatur-Berechnung erstellt.
Als Geometrieparameter wurden für die Optokeramik eine Dicke von 200 μm und ein Wert von 4 mm für die Breite des Kreisrings verwendet.
Das Trägerrad für die Optokeramik wurde als Aluminium-Spiegelträger mit einer Dicke von 0,5 mm, einem Innenloch-Durchmesser von 25 mm und einem Außendurchmesser von 44 mm angenommen.
Folgende Größen gingen ebenfalls in die Rechnung ein:

– Kleber zwischen Optokeramik und Spiegel: Dicke d = 10 μm, λ = 0,3 WK^–1m^–1,
– Kleber zwischen Spiegel und Lüfterrad: d = 45 μm, λ = 1,7 WK^–1m^–1,
– Material des Lüfterrades ist Aluminium, λ = 202 WK^–1m^–1
– Drehzahl: 7200 U/min (Für das Lüfterrad wurden beide Drehrichtungen betrachtet.)
– Das Lüfterrad wurde in ein zylindrisches Gehäuse eingebaut, dessen Radius um 20 mm größer ist als der des Rades und das beidseitig 25 mm in axialer Richtung ausgedehnt ist.
– Freie Ein- und Ausströmung der Luft über die Stirnflächen des Gehäuses.
– Die Seitenwand wurde als adiabat mit einer Haftbedingung für die Strömung angenommen.
– Strahlung wurde nicht berücksichtigt.
– Die Rechnung wurde stationär vorgenommen. Es wurde angenommen, dass in der Optokeramik homogene Quellterme vorliegen, so dass die totale dort deponierte thermische Leistung 20 W beträgt. Diese Annahme ist bei ausreichend schnell rotierender Konverteranordnung gerechtfertigt, wie bereits gezeigt wurde.

Es wurden verschiedene Modelle (s11, s12, , s25) für das Lüfterrad betrachtet, deren Stoff und Geometrieparameter der folgenden Tabelle entnommen werden können. In dieser Tabelle bedeutet ”CW” clockwise, also im Uhrzeigersinn und ”CCW” counter-clockwise, also gegen den Uhrzeigersinn.

Modell	Drehsinn	DM [mm]	T_max [°C]	A_freieOF [mm²]	P_OC [W/m²K]	h_mittel [W/m²K]	R_therm [K/W]
S11	CW	44	254	7720	1,99e8	12	11,2
S12	CCW	44	134	7720	1,99e8	28	5,2
S21	egal	44	309	3160	1,99e8	23	13,95
S22	egal	50	247	4064	1,73e8	23	10,85
S23	egal	60	178	5816	1,42e8	24	7,4
S24	egal	75	118	9040	1,12e8	27	4,4
S25	egal	100	74	15984	0,83e8	33	2,2

Tabelle 4: Stoff- und Geometrieparameter Lüfterrad

In der vorstehenden Tabelle werden die folgenden Abkürzungen verwendet:

DM:: Außendurchmesser der Scheibe,
T_max:: Maximale in der Optokeramik auftretende Temperatur,
A_freieOF:: gesamte mit Luft in Kontakt stehenden Oberfläche,
P_OC:: vorgegebene Leistungsdichte homogen in der Optokeramik, so dass integral 20 W freigesetzt werden,
h_mittel:: über alle freien Oberflächen gemittelter Wärmeübergangskoeffizient gegenüber 30°C: P = h_miitelA(T_mittel – T_Umg). Damit lassen sich auch für Leitungen ungleich 20 W die zu erwartenden Temperaturen abschätzen.
R_therm:: thermischer Widerstand der Optokeramik gegen die Umgebung

Im Falle des Lüfterrades kommt auch der Drehrichtung eine Bedeutung bei. Das Lüfterrad wird mittels eines Motors derart gedreht, dass Luft axial angesaugt und radial entlang des Konverterträgers ausgeblasen wird. Der Volumendurchsatz hängt dabei von dem mittleren Anstellwinkel und der Ausgestaltung der Lüfterlamellen, die gleichzeitig als Kühllamellen wirken, ab. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Volumendurchsatz und die Kühlwirkung aufgrund des Anstellwinkels der Kühllamellen 16 bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn am größten.
5 zeigt die Abhängigkeit der auftretenden Maximaltemperatur T_max vom Scheibendurchmesser DM für eine Planscheibe sowie die Modelle s11 und s12 eines Lüfterrades, wobei die Abkürzungen CW und CCW, wie in Tabelle 4, für „clockwise” bzw. „counter-clockwise”, also im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn stehen. Das Diagramm der 5 zeigt beispielsweise, dass eine Scheibe von etwa 70 mm Durchmesser die gleiche Kühlleistung aufweist wie das Modell s12 für das Lüfterrad. Die Maximaltemperatur ist bei der Drehung gegen den Uhrzeigersinn demnach deutlich niedriger, als bei der Drehung im Uhrzeigersinn. Wie bei dem in 4 gezeigten Beispiel erfolgt bei dem getesteten Lüfterrad die Luftansaugung in axialer Richtung durch die Öffnung 18 mit Luftaustritt durch die Kühl- und Lüfterlamellen. Bei Drehung im Uhrzeigersinn sind Anstellwinkel der Lamellen und Drehrichtung nicht aufeinander abgestimmt und die Kühlwirkung ist deutlich schlechter.
Die Wärme abführende Wirkung der Antriebswelle des Lüfterrades wurde im Modell nicht berücksichtigt.
Da sowohl die durch das Lüfterrad bewirkte Luftströmung als auch die Wärmeableitung über die vergrößerte Oberfläche des Lüfterrades für die Kühlung relevant sind, sollte das Material des Lüfterrades einen ausreichenden Wärmetransport erlauben. 6 zeigt, dass die Maximaltemperatur des Konverters drastisch ansteigt, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Lüfterrad-Materials unterhalb von λ = 50 WK^–1m^–1 liegt. Der genaue Kurvenverlauf hängt von der exakten Geometrie des Lüfterrades ab.
Ausführungsbeispiel 3:
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 7 wird eine Ausführungsform beschrieben, bei der eine Konverteranordnung 1 mehrere Räder, beziehungsweise Scheiben 2, 22a, 22b, 22c umfasst, die auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordnet und axial beabstandet sind. Nur eine dieser Scheiben, hier 2, trägt einen Konverter 3, dient also als Trägerrad. In 7 ist eine Konverteranordnung 1 gezeigt, die zusätzlich zum Trägerrad 2 drei weitere Scheiben aufweist. Erfindungsgemäß ist aber auch eine Konverteranordnung mit nur zwei Scheiben, von denen eine als Trägerrad den Konverter trägt, sowie eine Konverteranordnung mit mehr als drei zusätzlichen Scheiben möglich.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, eine Lichtquelle bereit zustellen, die eine erfindungsgemäße Konverteranordnung aufweist. Ferner umfasst die Lichtquelle ein Leuchtelement zur Beleuchtung eines Leuchtflecks auf dem Konverter 3. Wird die axial gelagerte Konverteranordnung 1 während der Beleuchtung mittels eines Motors gedreht, so verteilt sich die auftreffende Strahlungsleistung des Leuchtelements nach einer Umdrehung der Konverteranordnung 1 auf einer kreisförmigen Spur auf dem Konverter 3.
Der Durchmesser des äußeren Rands der Spur der Lichtquelle beträgt mindestens das 0,8-fache des Durchmessers der Umrandungskurve des Konverters 3, vorzugsweise mindestens das 0,9-fache des Durchmessers der Umrandungskurve des Konverters 3.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Lichtquelle einen Laser, was höhere Leuchtleistungen ermöglicht.
Bevorzugt handelt es sich bei der Lichtquelle um die Lichtquelle eines Projektor, insbesondere eines Hochleistungsprojektor.
Ein Beispiel einer solchen Lichtquelle 10 zeigt 9 in perspektivischer Ansicht. Die Lichtquelle 10 umfasst ein Leuchtelement 13, vorzugsweise in Form eines Lasers 14. Das Leuchtelement 13 strahlt einen Primärlichtstrahl 130 auf den Konverter 3 der Konverteranordnung 1. Der Auftreffpunkt des Primärlichtstrahls 130 bildet einen Leuchtfleck 131. Am Leuchtfleck 131 wird das auftreffende Primärlicht durch Fluoreszenz in Sekundärlicht 132 anderer, im Allgemeinen längerer Wellenlänge konvertiert und abgestrahlt. Wie anhand der in verschiedene Richtungen weisenden Pfeile symbolisiert erfolgt die Abstrahlung des Sekundärlichts diffus. Die Konverteranordnung 1 ist durch eine Welle 11 in einem Motor 13 axial gelagert und wird während der Bestrahlung durch das Leuchtelement 13 durch den Motor 12 in Drehung versetzt. Dadurch verteilt sich die auftreffende Strahlungsleistung des Leuchtelements nach einer Umdrehung der Konverteranordnung 1 auf einer kreisförmigen Spur 30 auf dem Konverter 3. Der äußere Rand der kreisförmigen Spur 30 weist einen Durchmesser D_S auf.
Es ist günstig, den Durchmesser D_S geringfügig kleiner zu wählen, als den Durchmesser D_K der äußeren Umrandungskurve 4 des Konverters. Damit wird sichergestellt, dass die Spur des Leuchtflecks 131 nicht die äußere Umrandungskurve 4 des Konverters 3 überkreuzt. Auch bezüglich der kreisförmigen Spur gilt aber entsprechend wie für die äußere Umrandungskurve 4, dass das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung 1 zur vom äußeren Rand der kreisförmigen Spur 30 umschlossenen Fläche mindestens 3,3, vorzugsweise mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 5 beträgt, um eine gute Kühlung der Konverteranordnung 1 zu erzielen.
Andererseits sollte auch die Spur 30 möglichst lang sein, um eine gute Verteilung der Strahlungsleistung auf dem Konverter 3 zu erreichen. Daher ist in Weiterbildung der Erfindung zusätzlich vorgesehen, dass der Durchmesser D_S des äußeren Rands der Spur 30 mindestens das 0,8-fache des Durchmessers D_K der äußeren Umrandungskurve 4 des Konverters 3, vorzugsweise mindestens das 0,9-fache des Durchmessers D_K der äußeren Umrandungskurve 4 des Konverters 3 beträgt.
Ausführungsbeispiel 4:
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine Konverteranordnung 1 beschrieben, die ebenfalls auf einem Lüfterrad basiert. Das Trägerrad 2 umfasst hier zwei Teile, ein partiell geschwärztes Spiegelsubstrat, beziehungsweise einen Spiegelträger 7 und ein zweites Teil des Trägerrades mit Lüfter- und Kühllamellen 16. Beide Teile sind in gutem thermischem Kontakt. Das partiell geschwärzte Spiegelsubstrat 7 ist beispielsweise ein metallisches Spiegelsubstrat, das außerhalb des Konverters aufgeraut und geschwärzt ist, um den Wärmeübertrag an die Luft und die Emissivität zu erhöhen. Die Kühlluft wird über eine Öffnung 18 auf der dem Konverter abgewandte Seite zugeführt. Dies kann in einem Gesamtsystem, in dem vor dem Konverter ein optisches System zur Lichtführung angeordnet ist, aus Platzgründen vorteilhaft sein. Auch wird bei dieser Luftführung bei radialer Luftabgabe einer Staubablagerung auf dem Konverter entgegengewirkt. Ohne Beschränkung auf das spezielle in 8 dargestellte Beispiel ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung daher vorgesehen, dass das Trägerrad 2 als Lüfterrad so ausgebildet ist, dass Luft bei Drehung des Trägerrads mittels eines Motors axial von der dem Konverter 3 gegenüberliegenden Seite der Konverteranordnung angesaugt wird. Wie gesagt kann dies durch eine Öffnung 18 auf der dem Konverter 3 abgewandte Seite der Konverteranordnung 1 erfolgen.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche variiert werden kann. Dabei können insbesondere auch die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. So kann die in 9 gezeigte Lichtquelle 10 mit jeder der in den 2, 3, 5 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiele realisiert werden. Auch kann jedes der beschriebenen Ausführungsbeispiele einen segmentierten Konverter entsprechend der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Konverteranordnung
2: Trägerrad
3: Konverter
4: Umrandungskurve des Konverters 3
5: Mittelpunkt des Trägerrads 2
6: Platte
7: Partiell geschwärztes Spiegelsubstrat
10: Lichtquelle
11: Antriebswelle
12: Motor
13: Leuchtelement
14: Laser
16: Kühllamelle
18: Öffnung
21: Achse
22a: Scheibe
22b: Scheibe
22c: Scheibe
29: nicht von Konverter 3 bedeckte Fläche
30: Spur
31, 32, 33: Segmente von 3
130: Primärlichtstrahl
131: Leuchtfleck
132: Sekundärlicht

Claims

Konverteranordnung (1) für Lichtquellen, umfassend ein axial drehbares Trägerrad (2), einen auf einer Seite des Trägerrads (2) angebrachten, mit Leuchtstoffen versehenen oder einen Leuchtstoff bildenden Konverter (3), welcher auftreffendes Licht durch Fluoreszenz in Licht anderer Wellenlänge konvertiert und abstrahlt, mindestens ein weiteres axial beabstandet zum Trägerrad (2) angeordnetes Rad (22a, 22b, 22c), wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung (1) zur von der äußeren Umrandungskurve (4) des Konverters (3) umschlossenen Fläche mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5, besonders bevorzugt mindestens 4,5 beträgt.
Konverteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung (1) zur Fläche des von der Umrandungskurve (4) des Konverters (3) umschlossenen Fläche kleiner als 50 ist.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material des Trägerrads (2) einen Wärmeleitwert von mindestens 50 W/mK aufweist.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wärmeabfuhr der Konverteranordnung mehr als 150 WK^–1m^–2·F, bevorzugt mehr als 180 WK^–1m^–2·F und besonders bevorzugt 240 WK^–1m^–2·F beträgt, wobei F die von der äußeren Umrandungskurve des Konverters umschlossene Fläche, angegeben in Quadratmetern bezeichnet.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der nicht vom Konverter (3) bedeckten Fläche des Trägerrads (2) geschwärzt ist.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Emissivität ε zumindest eines Teils der nicht vom Konverter bedeckten Fläche (29) des Trägerrads (2) mehr als 0,1, insbesondere mehr als 0,7, besonders bevorzugt > 0,85 beträgt.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konverter (3) eine Optokeramik oder mit Leuchtstoff versehenes Silikon umfasst.
Konverteranordnung (1) nach vorstehendem Anspruch, wobei der Konverter (3) eine Optokeramik umfasst, die in Segmenten auf den Trägerring (2) aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt oder aufgelötet ist.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Trägerrad (2) als Lüfterrad ausgebildet ist, und wobei ein Motor (12) vorgesehen ist, welcher das Lüfterrad so dreht, dass Luft bei Drehung des Trägerrads axial angesaugt wird.
Konverteranordnung nach vorstehendem Anspruch, wobei das Trägerrad (2) als Lüfterrad so ausgebildet ist, dass Luft bei Drehung des Trägerrads (2) axial von der dem Konverter (3) gegenüberliegenden, nicht mit Leuchtstoff versehenen Seite der Konverteranordnung (1) angesaugt wird.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konverter (3) eine lichtreflektierende Oberfläche der Konverteranordnung (1) bedeckt.
Konverteranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser des Trägerrads (2) um mindestens einen Faktor 1,5 größer ist als der Durchmesser der Umrandungskurve des Konverters (3).
Lichtquelle mit einer Konverteranordnung (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Konverteranordnung (1) ein axial drehbares Trägerrad (2) und einen auf einer Seite des Trägerrads (2) angebrachten, mit Leuchtstoffen versehenen oder einen Leuchtstoff bildenden Konverter (3) umfasst, welcher auftreffendes Licht durch Fluoreszenz in Licht anderer Wellenlänge konvertiert und abstrahlt, mindestens ein weiteres axial beabstandet zum Trägerrad (2) angeordnetes Rad (22a, 22b, 22c), umfassend ein Leuchtelement (13) zur Beleuchtung eines Leuchtflecks (131) auf dem Konverter (3), sowie einem Motor, um die axial gelagerte Konverteranordnung (1) während der Beleuchtung mit dem Leuchtelement in Drehung zu versetzen, so dass sich die auftreffende Strahlungsleistung des Leuchtelements nach einer Umdrehung der Konverteranordnung (1) auf einer kreisförmigen Spur (30) auf dem Konverter (3) verteilt, wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung (1) zur Fläche des von der äußeren Umrandungskurve (4) des Konverters (3) umschlossenen Fläche mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5, besonders bevorzugt mindestens 4,5 beträgt.
Lichtquelle gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Konverteranordnung (1) zu der vom äußeren Rand der kreisförmigen Spur (30) umschlossenen Fläche mindestens 3,3, vorzugsweise mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 5 beträgt.
Lichtquelle gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle einen Laser (14) umfasst.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Durchmesser des äußeren Rands der Spur (30) mindestens das 0,8-fache des Durchmessers der äußeren Umrandungskurve (4) des Konverters (3), vorzugsweise mindestens das 0,9-fache des Durchmessers der äußeren Umrandungskurve (4) des Konverters (3) beträgt.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Lichtquelle ein Projektor, insbesondere ein Hochleistungsprojektor ist.