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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper mit einem Elektronikbauteil.
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Die
DE 20 2012 103 474 U1 offenbart eine LED-Leuchte mit einem Kühlkörper aus Metall mit Aufnahmen für einen Träger, der mit einer oder mehreren Leuchtdioden bestückt ist. Der Kühlkörper ist aus einem Metallstrangpressprofil gefertigt. Die auf Trägerelementen befestigten Leuchtdioden werden in Nuten des Kühlkörpers eingeschoben. Hierdurch entsteht ein Wärmestau im Übergang zwischen dem Trägerelement und dem Kühlkörper, da aufgrund zwangsläufig an der Montagestelle vorhandener Spalte eine Wärmeleitung nur bedingt möglich ist.
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Dem Fachmann ist bekannt, dass Hochleistungs-LEDs, die für eine Lichtquelle verwendet werden, eine relativ hohe Verlustleistung aufweisen und an Kühlkörpern anliegen müssen, um die erzeugte Verlustwärme abzuführen. Leuchten mit LEDs sind im Betrieb wesentlich wirtschaftlicher als konventionelle Leuchtmittel, da sie eine höhere Lebensdauer und eine größere Effizienz und Lichtausbeute bei einer relativ niedrigen Energieaufnahme aufweisen. Jede Leuchtdiode hat eine eigene Leuchtcharakteristik, die, um eine optimale Flächenausleuchtung zu erzielen, in der Regel in Kombination mit einer Linse eingesetzt wird. Oftmals wird die Linse direkt auf die LED aufgebracht. ln größeren Leuchten sind die Linsen aber gesondert in einem Leuchtkörper eingesetzt oder es wird ein die Leuchtdiode umgebenden Reflektor verwendet.
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Problematisch erweist sich auch die Ableitung von Wärme aus dem Bereich anderer Elektronikbauteile, wie beispielsweise Rechner-Prozessoren, Schalter, Transformatoren oder dergleichen. In vielen Bereichen ist es bekannt, dass mit einer effizienten Wärmeableitung eine Leistungssteigerung des Elektronikbauteils einhergeht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine effiziente Wärmeableitung von dem mit dem Kühlkörper verbundenen Elektronikbauteil bewirkt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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Ein Kühlkörper umfasst ein Elektronikbauteil, wobei die Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Kohlenstoff-Nano-Röhrchen aufweisenden Beschichtung versehen ist oder aus einem Kohlenstoff-Nano-Röhrchen aufweisenden Material hergestellt ist, und wobei mindestens eine mit der die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen aufweisenden Beschichtung versehene Metallplatte zur Befestigung des Elektronikbauteils oder weiterer Bauelemente vorgesehen ist.
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Der Kühlkörper findet beispielsweise bei einer Leuchte Verwendung, deren Leuchtmittel als eine Leuchtdiode ausgebildet ist.
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Selbstverständlich kann der Kühlkörper auch im Zusammenhang mit anderen Elektronikbauteilen bzw. Halbleiteerbauteilen, die sich wie eine Wärmequelle verhalten als eine Wärmesenke verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Beispielsweise können Rechner-Prozessoren, Transformatoren, Akkumulatoren oder dergleichen Elektronikbauteilen an dem Kühlkörper festgelegt sein. Hierzu wird die Metallplatte verwendet, an der sich auch weitere Bauelemente festlegen lassen. Die Metallplatte ermöglicht insbesondere bei einem aus Kohlenstoff-Nano-Röhrchen aufweisenden Material gefertigten Kühlkörper die Verwendung eines harten und/oder spröden Trägermaterials, das üblicherweise keine oder eine nur sehr aufwändige Befestigung von Elektronikbauteilen bzw. Bauelementen zulässt.
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Das Auftragen einer Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (CNT) umfassenden Beschichtung auf die wärmeabstrahlende Oberfläche des Kühlkörpers führt zu einer wesentlichen Steigerung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer des Elektronikbauteils, beispielsweise einer Leuchtdiode, wobei zur Kühlung bzw. Ableitung der Wärme keine Aufwändigen zusätzlichen Vorrichtungen, wie z. B. Lüfter oder dergleichen verbaut werden. Der passive Kühlkörper kann durch spanende Formgebung, beispielsweise Drehen, durch Gießen, Spritzgießen, Laserschneiden bzw. Stanzen und anschließendes Umformen hergestellt sein. Bei dem Kühlkörper ist im Wesentlichen zu beachten, dass der Bereich des Kühlkörpers, der das Elektronikbauteil trägt, unter Beibehaltung möglichst gleichmäßiger Querschnitte in den wärmeabgebenden Bereich übergeht, um hier einen Wärmestau zu vermeiden. Hierzu ist beispielsweise der gesamte Kühlkörper einstückig ausgeführt. Die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen verbessern aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit die Effizienz gegenüber einem konventionellen Kühlkörper, insbesondere einer Leuchte odereines Computers oder Smartphones oder dergleichen. Selbstverständlich kann der Kühlkörper auch mit Rippen aus Kohlenstoff-Nano-Röhrchen versehen sein. Bereits mit der Oberflächenbeschichtung des beispielsweise aus einem metallischen oder mineralischen Werkstoffs bzw. Trägermaterials gefertigten Kühlkörpers geht eine effiziente Wärmeübertragung von der warmen Seite des Kühlkörpers zu dessen kalter Seite einher.
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Durch den hohen Wärmeleitwert der CNT – Beschichtung und die verhältnismäßig dünnen Kühlrippen des Kühlkörpers wird ein aufheizen des Kühlkörpers weitgehend verhindert, da die Temperatur sehr schnell von der Wärmequelle, also dem Elektronik bzw. Halbleiterbauteil, weg an die Oberfläche der Kühlrippen geleitet und dort durch Wärmestrahlung abgeführt wird.
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Eine relativ schlanke Ausführung des Kühlkörpers und eine schwarze Färbung begünstigt die Ableitung der Wärme, wodurch ein verhältnismäßig konstanter Temperaturfluss bewirkt ist.
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Vorzugsweise sind Metalle mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen legiert oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden unterschiedlichsten Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen, Farben oder sonstigen Beschichtungsmitteln oder Trägermaterialien beigemischt, wobei die prozentualen Maximalanteile für den Fachmann leicht zu ermitteln sind, da er sich beispielsweise an der Zusammensetzung bekannter Materialien, die insbesondere mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, orientieren kann.
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Zweckmäßigerweise ist das Elektronikbauteil als eine Leuchtdiode ausgebildet. Leuchtdioden sind besonders empfindlich gegen Wärme, weshalb eine ausreichende Kühlung zur Erzielung einer relativ großen Effizienz unumgänglich ist. Selbstverständlich umfasst die Leuchte in der Regel nicht eine einzige Leuchtdiode sondern es sind mehrere Leuchtdioden vorhanden.
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Vorzugsweise ist ein Träger des Elektronikbauteils mittels einer Wärmeleitpaste und/oder einer Graphitunterlage und/oder der die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen aufweisenden Beschichtung auf einer Befestigungsfläche des Kühlkörpers befestigt. Die Wärmeleitpaste kann beispielsweise aus einem Füllstoff auf Basis von Graphitpulver und einem Matrixmaterial auf Basis von Öl, Fett oder Wachs bestehen, wobei dem Füllstoff Kohlenstoff-Nano-Röhrchen zugesetzt sein können. Die Beschichtung weist vorzugweise eine Klebe-Eigenschaft auf, die eine unmittelbare Festlegung des Elektronikbauteils ohne Einsatz weiterer Befestigungsmittel sicherstellt. Der Träger selbst ist dem Fachmann bekannt und dient sowohl zur mechanischen Befestigung der Leuchtdioden als auch zur Herstellung einer elektrischen Verbindung.
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Um eine großflächige und sichere Befestigung des Trägers an dem Kühlkörper, insbesondere unter Zwischenanordnung der Wärmeleitpaste oder der Beschichtung, sicherzustellen, ist bevorzugt der Träger mittels Schrauben auf dem Kühlkörper respektive der beschichteten Metallplatte festgelegt.
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In Ausgestaltung geht von der Befestigungsfläche für den Träger, also der Metallplatte, im Wesentlichen senkrecht eine Umfangswandung ab, die mit nach außen weisenden Kühlrippen versehen ist. Ein solcher Kühlkörper kann beispielsweise topfförmig gestaltet sein, wobei die Befestigungsfläche eben ausgebildet ist. Selbstverständlich ist bei einem solchen Kühlkörper die gesamte Oberfläche mit der Kohlenstoff-Nano-Röhrchen aufweisenden Beschichtung überzogen, insbesondere die Außenseite des Kühlkörpers mit seinen Kühlrippen.
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Zur gleichmäßigen und verhältnismäßig schnellen Wärmeleitung sind vorteilhafterweise die Befestigungsfläche und die Umfangswandung einstückig ausgebildet und die freien Enden der Kühlrippen und/oder die Übergänge von der Umfangswandung zu den Kühlrippen mit Radien versehen. Der Kühlkörper ist mit möglichst gleichen Wandstärken ohne Unterbrechung durch Luftspalte gefertigt.
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Bei der konstruktiven Gestaltung des Kühlkörpers ist bevorzugt darauf zu achten, dass die Beschichtung durchgehend, also ohne Unterbrechung der wärmeleitenden Befestigungsfläche bis zu den wärmeabstrahlenden Kühlrippen ausgeführt wird. Ein Reflektorgehäuse einer Leuchte sollte z. B. angeflanscht werden. Ein Schraubgewinde zur Festlegung des Reflektorgehäuses an dem Kühlkörper unterbricht die Beschichtung aufgrund der Zweiteiligkeit des Reflektorgehäuses und des damit verschraubten Kühlkörpers.
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In alternativer Ausgestaltung gehen von der als Befestigungsfläche dienenden Metallplatte Kühlrippen ab, die sich in ihrer Breite radial nach Außen und in ihrer Länge senkrecht zur Befestigungsfläche erstrecken. Die Kühlrippen weisen in einer ebenen Gestalt des Kühlkörpers flügelartig nach außen und der Kühlkörper kann in dieser Ausgestaltung in einem Laserschneidverfahren oder durch Stanzen gefertigt und anschließend umgeformt werden, so dass die Kühlrippen in Ihrer Endlage, also nach einem Biegevorgang, nach der Art von Beinen an der Befestigungsfläche ausgerichtet sind.
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Zweckmäßigerweise ist die Metallplatte im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. An der Metallplatte lassen sich Reflektoren oder Gehäuseelemente der Leuchte anordnen.
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Nach einer Weiterbildung ist die Beschichtung im Flammspritzverfahren, durch Lackieren oder durch Pulverbeschichten aufgetragen. Die Beschichtung kann im Grundstoff alle Substanzen umfassen, die durch Flammspritzen, Lackieren, Spritzen, Pulvern usw. aufgetragen werden können.
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Zum kompakten Aufbau beispielsweise der Leuchte ist vorzugsweise in dem Kühlkörper mindestens ein elektrischer Anschluss des Elektronikbauteils und/oder eine Vorschaltelektronik angeordnet.
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In Abhängigkeit von der Ausgestaltung ist der Kühlkörper als ein Guss-Teil oder ein Blechteil ausgebildet.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung des Kühlkörpers ist es möglich, diesen gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Kühlkörper bei gleicher Leistung des Elektronikbauteils kleiner zu dimensionieren, womit eine Kostenreduzierung einhergeht.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
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1 eine schematische Seitenansicht eines Kühlkörpers mit einem Leuchtmittel für eine Leuchte nach der Erfindung,
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2 eine Schnittdarstellung des Kühlkörpers nach 1,
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3 eine schematische Seitenansicht des Kühlkörpers nach 1 in alternativer Ausgestaltung im Teilschnitt,
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4 eine schematische Seitenansicht des Kühlkörpers nach 1 in zweiter alternativer Ausgestaltung im Teilschnitt,
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5 eine schematische Seitenansicht auf eine Leuchte mit einem Kühlkörper in dritter alternativer Ausgestaltung im Schnitt.
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Der Kühlkörper 1 ist aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen aufweisen kann. Auf einer Befestigungsfläche 2 des Kühlkörpers 1 ist ein Träger 3 mit einem als eine Leuchtdiode 4 ausgebildeten Elektronikbauteil 5 festgelegt. Die Oberfläche 6 des Kühlkörpers 1 ist mit einer Kohlenstoff-Nano-Röhrchen umfassenden Beschichtung versehen, die gegenüber der Aluminiumlegierung des Kühlkörpers 1 einen höheren Wärmeleitwert aufweist. Die Beschichtung ist durch die Zugabe von Kohlenstoff tiefschwarz gefärbt, wodurch die Wärmestrahlung weitergehend vergrößert ist. Weist die Beschichtung Chrom auf, ist die Korrosionsbeständigkeit des Kühlkörpers 1 verbessert und sein Einsatz beispielsweise im Außenbereich möglich. Ein alternativer Werkstoff zur Fertigung des Kühlkörpers kann auf mineralischen Substanzen basieren.
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Ein vorteilhafter Bestandteil der Beschichtung ist Aluminium mit einem mittleren Wärmeleitwert von 200 W/mK. Um den Wärmeleitwert zu erhöhen, werden dem Aluminiumpulver Kohlenstoff-Nano-Röhrchen mit einem Wärmeleitwert von 6000 W/mK, beigemischt, wodurch ein wesentlich verbessertes Temperaturmanagement einer Leuchte 7 mit dem Kühlkörper 1 erzielt ist, da sowohl die Wärmeleitung durch die Beschichtung und den Kühlkörper 1 als auch die Wärmestrahlung verbessert ist.
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Die Beschichtung wird als Pulverbeschichtung oder im Flammspritzverfahren oder mittels Lackiertechnik oder dergleichen Oberflächenbeschichtungstechnik in einer Schichtstärke von ca. 0,2–3 mm auf die Oberfläche 6 des Kühlkörpers 1 aufgetragen.
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Um auch die Wärmeeinleitung von der Leuchtdiode 4 in den Kühlkörper 1 positiv zu beeinflussen, ist der Träger 3 aus einer Kohlenstoff-Nano-Röhrchen umfassenden Aluminium-Legierung gefertigt und unter Verwendung einer Wärmeleitpaste auf der Metallplatte 2, also der Befestigungsfläche, festgelegt, beispielsweise unter Verwendung von Schrauben 8. Alternativ oder zusätzlich ist der Träger 3 des Elektronikbauteils 5 oder das Elektronikbauteil selbst mittels der die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen umfassenden Beschichtung als Befestigungsfläche dienenden Metallplatte 2 festgelegt.
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Der Kühlkörper 1 ist einstückig ausgebildet, um eine schnelle Wärmeabfuhr von dem als Leuchtdiode 4 ausgebildeten Elektronikbauteil über seine Oberfläche 6 zu erzielen, die nicht durch Luftspalte zwischen einzelnen Komponenten des Kühlkörpers 1 gestört ist.
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Der in einem Gießverfahren oder mittels einer spanabhebenden Fertigung, beispielsweise durch Drehen, hergestellte Kühlkörper 1 ist im Wesentlichen topfförmig und weist umfangsseitige Kühlrippen 9 auf, die zueinander beabstandet sind, wie den 1 und 2 zu entnehmen ist. Nach 4 sind die freien Enden 10 der Kühlrippen 9 und die Übergänge von einer Umfangswandung 11 des Kühlkörpers 1 zu den Kühlrippen 9 mit Radien 12 versehen.
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Bei den Kühlkörper 1 nach den 5 und 6 handelt es sich um ein Blechteil, dessen abgewickelter Zuschnitt beispielsweise mittels Laserschneiden oder Stanzen zu fertigen ist. In der Ebene erstrechen sich die freigeschnittenen Kühlrippen 9 radial nach außen. In einer Gebrauchslage sind die Kühlrippen 9 um etwa 90° gegenüber der Befestigungsfläche 2 abgewinkelt und in ihrer Längsachse verdreht, so dass die Kühlrippen 9 quasi Füße unter der als Befestigungsfläche dienenden Metallplatte 2 bilden.
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Zur Komplettierung der Leuchte 7 ist auf der Metallplatte 2 der Befestigungsfläche ein Reflektorgehäuse 13 mit einem die Leuchtdiode 4 umgebenden Reflektor 14 befestigt. An der Oberseite des Reflektorgehäuses 13 ist ein Schraubring 18 auf einem reflektorgehäuseseitigen Gewinde 15 befestigt, um eine Glasscheibe 16 mit einem untergelegten Dichtungsring 17 festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkörper
- 2
- Metallplatte
- 3
- Träger
- 4
- Leuchtdiode
- 5
- Elektronikbauteil
- 6
- Oberfläche
- 7
- Leuchte
- 8
- Schraube
- 9
- Kühlrippen
- 10
- Ende
- 11
- Umfangswandung
- 12
- Radius
- 13
- Reflektorgehäuse
- 14
- Reflektor
- 15
- Gewinde
- 16
- Glasscheibe
- 17
- Dichtungsring
- 18
- Schraubring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012103474 U1 [0002]
