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Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul zum Einbau in eine Leuchte, umfassend eine Leiterplatte mit mindestens einer Leiterbahn, mindestens eine mit der Leiterbahn verbundene LED zur Erzeugung eines Lichtstroms, einer Optik mit einer Lichtlenkungseinheit zur Lichtlenkung des Lichtstroms und eine Halteeinheit zur Befestigung der Optik an der leitenden Oberfläche.
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Üblicherweise sind die Leiterbahnen ausgebildet auf Leiterplatten. Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit darauf angeordneten, leitenden Leiterbahnen (Verbindungen). Die Leiterbahnen werden zumeist aus einer oberseitigen, dünnen Kupferschicht geätzt. Einzelne LEDs werden sodann auf Lötflächen (Pads) oder in Lötaugen gelötet, so dass diese gleichzeitig mechanisch gehalten werden und elektrisch verbunden sind. Als isolierendes Material wird vorzugsweise faserverstärkter Kunststoff, z. B. OEM oder FR4 eingesetzt, welche eher schlecht wärmeleitende Materialien darstellen und somit den Großteil der beim Betrieb entstehenden Wärme über die oberseitige Kupferflächen bzw. die Flächen der Leiterbahnen an die Leuchte bzw. die Umgebung abgegeben.
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Die lichterzeugende LED bzw. die mehreren, vorzugsweise in einem Raster angeordneten LEDs bilden zusammen mit den für Ihren Betrieb notwendigen Betriebsgeräten, z. B. einem elektronischen Vorschaltgerät (EVG), Treiber, Sensor oder dergleichen ein LED-Modul, welches häufig auch als Light Engine bezeichnet wird.
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Die Optik sitzt üblicherweise oberseitig auf der Leiterplatte auf und bildet somit die Oberseite des Lichtmoduls, welche also die elektrisch leitende Oberfläche bzw. die Leiterplatte mehr oder weniger vollflächig abdeckt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen der leitenden Oberfläche bzw. der Leiterplatte und der Umgebung durch die abdeckende Optik unterbunden wird. Durch diese Ausbildung entsteht unterhalb der Optik, welche üblicherweise als durchsichtiges Kunststoffspritzgussteil ausgebildet ist, Stauwärme, welche die Lebensdauer der LEDs des LED-Moduls negativ beeinflusst.
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Allgemein befasst sich die Erfindung ausgehend von einem Lichtmodul der eingangs genannten Art mit der Aufgabe, die zuvor genannten Nachteile zumindest teilweise zu vermeiden und insbesondere ein Lichtmodul vorzusehen, welches benannte Stauwärme möglichst weitgehend vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Lichtmodul der eingangs genannten Art im Wesentlichen bereits dadurch gelöst, dass der Haltebereich – zumindest teilweise – als Kühlfläche ausgebildet ist bzw. eine Kühlfläche umfasst. Die Erfindung beruht insofern auf der Erkenntnis, den die Leiterplatte bzw. die leitende Oberfläche des Lichtmoduls in Einbaulage abdeckenden und somit den Hitzestau verursachenden Haltebereiche der Optik als Kühlelement einzusetzen, und zwar indem die Optik mit ihrer primären Lichtlenkungseinheit auf ihre optische Funktion reduziert wird und die an der Optik ansonsten vorgesehenen Haltebereiche nicht nur für die Fixierung der Optik verwendet wird, sondern nunmehr auch für die Kühlung. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird die Optik von einem Bauteil, welches einen Wärmestau verursacht und somit negativ für die Lebensdauer der LEDs ist, in ein Bauteil verwandelt, welches als Kühlkörper fungiert und somit die Lebensdauer der LEDs und somit des Lichtmoduls erhöht.
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Vorzugsweise wird die Erfindung eingesetzt in Verbindung mit Leiterplatten, welche aus elektrisch isolierendem Material mit darauf angeordneten, leitenden Leiterbahnen (Verbindungen) bestehen und ein Bauteil darstellen, welches in größere Baugruppen eingebaut wird, z. B. in ein Leuchtengehäuse einer Leuchte oder dergleichen. Die elektrisch leitende Oberfläche kann aber auch als eine auf einem nichtleitenden Träger (Kunststoff, Keramik) durch Aufmetallisieren aufgebrachte leitende Oberfläche ausgebildet sein. So kann z. B. eine dreidimensionale Anordnung von LEDs mit Hilfe der Laser-Direktstrukturierung (LDS) von 3D-Schaltungsträgern (3D-MID) realisiert worden. Mit LDS können somit dreidimensionale, komplexe Kunststoffkörper mit Leiterbahnen versehen werden. Damit übernimmt das eine Bauteil, z. B. das Leuchtengehäuse oder die Leuchtenabdeckung, elektronische Funktionen. Die LDS-Komponenten reduzieren somit den Platzbedarf und das Gewicht, lassen sich schnell an neue Anforderungen anpassen und sparen auch noch separate Komponenten ein.
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Es liegt dabei auch im Rahmen der Erfindung, die LEDs direkt auf einer aufmetallisierten und somit als Leiterbahn fungierenden Oberfläche anzuordnen, die ihrerseits auf einer zumindest in diesem Bereich nicht leitenden Trägerfläche angeordnet ist. Diese Trägerfläche kann entweder auf einem getrennten Bauteil sein oder die Oberfläche eines Bauteils selbst sein, z. B. eines Leuchtengehäuses aus Kunststoff, Keramik, Metall oder Kombinationen derselben.
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Zu diesem Zweck ist die Optik im Verbund mit einem wärmeleitenden Element ausgeführt sein, was entweder den Einsatz von wärmeleitenden Kunststoffen, also mit wärmeleitenden Füllstoffen, z. B. Aluminium-Oxid, Graphit, Bornitrid, angereicherte Trägerkunststoffe, wie PC, PC, PBT, womit die Wärmeleitfähigkeit dieser Trägerkunststoffe um mindestens das 3-fache erhöht wird. Der Verbund kann aber auch mit einem wärmleitenden Metall realisiert sein, insbesondere Kupfer. Vorzugsweise weist eingesetztes Metall zur erhöhten Wärmeaufnahme oder -abgabe eine vergrößerte Oberfläche auf, z. B. in Form einer Sägezahn-, Rippen oder Wellenstruktur.
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Dieses kann auch durch mindestens einen in die Optik integrierten Kühlkörper erfolgen, z. B. in Form mindestens einer einsetzbaren Metallplatte, z. B. aus Kupfer. Vorzugsweise umfasst die Optik rasterartig aufgebaute bzw. zueinander beabstandete Stege, in welche mehrere Kühlkörper facettenartig zur Befestigung an der Optik einsetzbar bzw. mit dieser befestigbar sind.
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Eine Optik umfasst neben der eigentlichen Optik- bzw. Lichtlenkungseinheit auch einen Halte- bzw. Befestigungsbereich, welcher z. B. als seitlich neben der Optik angeordnete Halteleiste ausgebildet sein kann, welche in Einbaulage üblicherweise flächig auf der Leiterplatte des Lichtmoduls aufliegt. Erfindungsgemäß kann auf dem Haltebereich eine Metallfläche aufgebracht sein, welche als Kühlfläche fungiert und vorzugsweise mit einem Wellen- bzw. einem Sägezahnprofil zur Vergrößerung der Oberflächef ausgebildet ist.
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Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, mehrere Flächen einer Leiste mit derartigen Kühlflächen zu versehen; eine besonders hohe Kühlleistung wird realisiert, wenn neben der ober- und unterseitigen Horizontalfläche auch die seitliche Vertikalfläche eine kühlende Metallfläche bzw. ein derartiges Metallelement umfasst, die Halteleiste also von den Kühlflächen eingefasst ist. Dieses kann auch durch einen auf die Halteleiste seitlich aufgeschobenen und in Einbaulage diese umschließenden Überzug bzw. Mantel erfolgen, welcher die Halteleiste außenseitig umschließt.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Haltebereich der Optik, Stege, z. B. mehrere stabförmige Stege zur Bildung einer Art von Gitter. So kann der Haltebereich z. B. eine Gitterstruktur mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Längssteg und in bestimmten Abständen entlang dieses Längsstegs quer erstreckenden Querstegen umfassen, welche somit ein Karo-Gitter definieren. In das so erzeugte Gitter können als Kühlflächen fungierende Einsatzelemente eingesetzt werden, wobei diese so gebildeten Einsatzelemente vorzugsweise Metall umfassen oder aus Metall bestehen, um dann in Einbaulage quasi eine Art Fliesenstruktur bestehend aus den Einsatzelementen zu bilden, welche von den Stegen der Halteeinheit eingefasst sind. Diese Einsatzelemente können aber auch aus wärmeleitfähigen Kunststoffen bestehen. Sofern die Einsätze aus Metall bestehen, sind zumindest die auf den darunterliegenden Leiterbahnen aufliegenden Metallbereiche mit einer wärmeleitenden Isolierung mit einer Materialstärke vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,2 mm versehen. Vorzugsweise kommt dabei Epoxid-Harz zum Einsatz, also typische Thermoplaste (PC, PBT, PA usw.), vorzugsweise mit elektrisch nichtleitenden Füllstoffen zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit versehen.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Teil der Beschreibung entnehmen, in dem ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lichtmoduls an Hand der Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Frontansicht einer ersten Ausführungsform des Lichtmoduls;
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2 eine vergrößerte Stirnansicht des Lichtmoduls gemäß 1;
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3 eine Vergrößerung des Abschnitts III gemäß 2;
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4 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Lichtmoduls;
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5 eine vergrößerte perspektivische Detailansicht einer dritten Ausführungsform eines Lichtmoduls; und
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6 eine vergrößerte perspektivische Detailansicht einer vierten Ausführungsform eines Lichtmoduls.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lichtmoduls an sich, also ausgebaut aus einer Leuchte. Dieses Lichtmodul besteht im Wesentlichen aus einem plattenförmigen LED-Modul 2, welches gebildet wird aus einer plattenförmigen Leiterplatte 2A und sich entlang der mittleren Längsachse kollinear in gleichmäßigen Abständen zueinander erstreckend darauf befestigte LEDs 2B. Über dieses LED-Modul 2 erstreckt sich eine als einstückiges Kunststoffspritzgussteil aus durchsichtigem Kunststoff gebildete Optik 4, welche einen domartig sich über die LEDs 2B wölbenden Mittelabschnitt umfasst, welcher gleichzeitig die eigentliche Optik zur Fokussierung des von den LEDs 2B ausgestrahlten Lichtes bildet, sowie jeweils seitlich an diesen Mittelabschnitt 4A einstückig angeformte Seitenleisten 4B, 4C umfasst, welche mit ihren unteren Montageflächen flächig auf der Oberseite der Leiterplatte 2A aufliegen und mittels Befestigungsschrauben 6 an einem darunter angeordneten Element lagefixiert ist.
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Bei der ersten, in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform sind die Seitenleisten 4B, 4C an den Ober-, Unter- und den Seitenflächen mit einem umfänglich umfassenden Metallmantel eingefasst, deren Anlageflächen an die Seitenleisten 4B, 4C glatt ausgestaltet sind und deren von der Anlagefläche abgewandten Außenflächen zur Erhöhung der wirksamen Oberfläche und der Kühlleistung mit einem Sägezahnprofil versehen sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung fungieren die Seitenleisten 4B, 4C entlang der gesamten Fläche als Kühlkörper und verbessern somit den Wirkungsgrad des LED-Moduls bzw. des Lichtmoduls, verhindern aber in jedem Fall die für die Lebensdauer der LEDs 2B schädliche Stauwärme zwischen der Leiterplatte 2A und der Optik 4.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Lichtmoduls in perspektivischer Ansicht, bei welcher sich an den Mittelabschnitt 4A der Optik 4 keine Seitenleisten anschließen, sondern in bestimmten, äquidistanten Abständen zueinander Querstege 4D bis 4F angeformt sind, welche sich quer zur Längsachse der Optik 4 erstrecken und eine Art Gitterstruktur definieren, in welche aus Kupfer gebildete Kühlkörper 8 seitlich einschiebbar sind, so dass diese in Einbaulage auf der Leiterplatte 2A aufliegen. Eine Variante dieser zweiten Ausführungsform sieht vor, einen wärmeleitenden Kunststoff im 2-K-Verfahren in die Zwischenräume zwischen den Querstegen 4D–4F einzuspritzen. Als optische Kunststoffe werden besonders bevorzugt PC, PMMA und SAN verwendet, und als wärmeleitfähige Kunststoffe die mit wärmeleitenden Füllstoffen, z. B. Aluminium-Oxid, Graphit, Bornitrid, gefüllten Trägerkunststoffe, z. B. PC, PC, PBT und andere geeignete Kunststoffe.
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5 zeigt eine vergrößerte, perspektivische Detailansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls 10, bei dem die Kühlung einer Leiterplatte 10A primär über Konvektion erfolgt. Auf der Oberfläche der Leiterplatte 10A sind beabstandet zueinander in einem Raster mehrere LEDs 10B–10E befestigt. Über einen seitlichen, sich quer zur Ebene der Leiterplatte erstreckenden Rand 10F ist ein wärmeleitender Träger 10G auf die Leiterplatte 10A aufgebracht bzw. diese umschließend aufgesetzt. Da der Rand 10F nur am Rand des Trägers 10G vorgesehen ist, existiert zwischen Leiterplatte 10A und dem Träger 10G ein als Kühlraum fungierender Hohlraum, über den von der Leiterplatte 10A abgestrahlte Wärme aufsteigen und über das wärmeleitende Material der Trägers 10G abgekühlt werden kann. Die entstehende Wärme steigt demnach von der Leiterplatte 10A nach oben, kühlt sich an dem als Kühlkörper ausgebildeten Träger 10G ab und strömt nach unten zur Kühlung der Leiterplatte 10A. Die Luft zirkuliert also in dem zwischen der Oberseite der Leiterplatte 10A und Unterseite des Trägers 10G gebildeten Zwischenraum, wobei der aus Metall ausgebildete Träger 10G 10G als Kühlkörper fungiert. Der Träger 10G weist korrespondierend zur Anordnung der LEDs 10B–10E beabstandet zueinander mehrere kreisrunde Öffnungen auf, an deren Unterseiten den LEDs 10B–10E zugeordnete Linsen 10H vorgesehen sind, welche an der Innenseite eine zylindrische Ausnehmung aufweisen und an der Außenfläche etwa die Gestalt einer Rotationsparabel aufweisen, also symmetrische Rotationskörper ausgebildet sind. Durch bedarfsgerecht angepasste Linsen 10H können somit gewünschte Lichtverteilungskurven zur Verwirklichung gewünschter Beleuchtungsaufgaben im Zusammenspiel mit den LEDs realisiert werden.
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6 zeigt schließlich zeigt eine weitere vergrößerte perspektivische Detailansicht eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls, welches grundsätzlich ähnlich aufgebaut ist wie die Ausführungsform gemäß 5, allerdings mit dem Unterschied, dass in dem Kühlraum zwischen der Unterseite des Trägers 12G und der Oberseite der Leiterplatte 12A ein Körper aus einem wärmeübertragenden Kunststoff eingesetzt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist dieser wärmeübertragende Kunststoff, welcher den Wärmeübertrag hier mittels Wärmeleitung und nicht mittels Konvektion wie bei der Ausführungsform gemäß 5 realisiert, mit einer Lochstruktur versehen, welche Öffnungen zum Umschließen der LEDs 12B–12E aufweist, sowie die an der Unterseite des Trägers 12G angeordneten Linsen 12H umschließend aufnehmen. Diese Anordnung ist aber nicht zwangsläufig und stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform dar.
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Die grundsätzliche Lösung der Erfindung besteht demnach darin, die Haltebereiche zur Befestigung der Optik an einer Leiterplatte als Kühlflächen zu gestalten, indem diese entweder Einfassungen aus Metall aufweisen oder von Metall eingefasst sind.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen – einschließlich der Zusammenfassung – offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- LED-Modul
- 2A
- Leiterplatte
- 2B
- LED
- 4
- Optik
- 4A
- Mittelabschnitt
- 4B
- Seitenleiste
- 4C
- Seitenleiste
- 4D
- Quersteg
- 4E
- Quersteg
- 4F
- Quersteg
- 6
- Befestigungsschraube
- 8
- Kühlkachel
- 10
- Lichtmodul
- 10A
- Leiterplatte
- 10B
- LED
- 10C
- LED
- 10D
- LED
- 10E
- LED
- 10F
- Rand
- 10G
- Träger
- 10H
- Linse
- 12
- Lichtmodul
- 12A
- Leiterplatte
- 12B
- LED
- 12C
- LED
- 12D
- LED
- 12E
- LED
- 12F
- Rand
- 12G
- Träger
- 12H
- Linse
