DE102017216079A1

DE102017216079A1 - Konversionselement in kühlkörper

Info

Publication number: DE102017216079A1
Application number: DE102017216079.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schmidt; Andreas Kloss; Dennis Sprenger; Philipp Erhard; Herbert Weiss; Florian Bösl
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konversionsvorrichtung (2) mit einem Konversionselement (4), das dazu vorbereitet ist, eine Anregungsstrahlung (8) zumindest teilweise in einer Konversionsstrahlung (10) zu konvertieren, wobei eine Kavität (14) eines Kühlkörpers (12) das Konversionselement (4) vollständig oder zumindest teilweise umfasst.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Konversionsvorrichtung mit einem Konversionselement, sowie von einem Leuchtmittel mit einer anregungsstrahlungsseitig des Konversionselements angeordneten Anregungsstrahlungsquelle, sowie von einem Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem Leuchtmittel.
Aus dem Stand der Technik sind LARP (Laser Activated Remote Phosphor)-Systeme bekannt. Bei dieser Technologie wird ein von einer Strahlungsquelle beabstandet angeordnetes Konversionselement oder ein Konverter, das bzw. der einen Leuchtstoff (auch als „Phosphor“ bezeichnet) aufweist oder daraus besteht, mit einer Anregungsstrahlung, insbesondere einem Anregungsstrahl oder Pumpstrahl oder Pumplaserstrahl, bestrahlt, insbesondere mit dem Anregungsstrahl einer Laserdiode. Die Anregungsstrahlung wird vom Leuchtstoff zumindest teilweise absorbiert und zumindest teilweise in eine Konversionsstrahlung oder in ein Konversionslicht umgewandelt, deren Wellenlängen und somit spektralen Eigenschaften und/oder Farbe durch die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs bestimmt werden. Bei der Down-Konversion wird die Anregungsstrahlung der Strahlungsquelle durch den bestrahlten Leuchtstoff in eine Konversionsstrahlung mit einer längeren Wellenlängen als diejenige der Anregungsstrahlung konvertiert. Beispielsweise kann so mit Hilfe des Konversionselements blaue Anregungsstrahlung, insbesondere blaues Laserlicht, in rote und/oder grüne und/oder gelbe Konversionsstrahlung konvertiert werden. Bei einer teilweisen Konversion ergibt dann beispielsweise eine Überlagerung von nichtkonvertiertem blauen Anregungslicht und gelbem Konversionslicht weißes Nutzlicht.
In einer typischen Konfiguration eines LARP-Systems ist eine dünne, einen Phosphor enthaltende Schicht an einer transparenten dielektrischen Scheibe angeordnet. Ein blauer Laser ist auf den Phosphor fokussiert. Die Leuchtdichte und der Lichtstrom dieser Konfiguration werden durch thermisches Quenchen bzw. Quenching begrenzt. Thermisches Quenchen bedeutet, dass die Effizienz der Konversion des blauen Lichts in ein Licht mit einem dazu verschiedenen Spektrum sich im Verhältnis zu einer Temperaturerhöhung verringert. Ab einer bestimmten Temperatur wird eine Erhöhung einer einstrahlenden Strahldichte der Anregungsstrahlung vollständig durch eine entsprechende Reduzierung der Konversionseffizienz aufgewogen, sodass eine weitere Steigerung der Leuchtdichte und des Lichtstroms des Konversionslichts nicht erreicht werden kann.
Üblicherweise liegt diese bestimmte Temperatur, welche einen Grenzwert bildet, bei etwa 180° C. Üblicherweise werden LARP-Systeme bei einer Temperatur von bspw. über 150° C betrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, den Lichtstrom oder die Leuchtdichte eines LARP-Systems zu steigern. Dabei sind serientaugliche Aspekte, wie niedrige Kosten, eine einfache Montage und/oder Fertigung, ein hohe Ausfallsicherheit, etc. bevorzugbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Konversionsvorrichtung gemäß dem Anspruch 1, sowie durch ein Leuchtmittel gemäß den Anspruch 14, sowie durch einen Kraftfahrzeugscheinwerfer gemäß den Anspruch 15. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Unabhängig beanspruchbar ist eine Konversionsvorrichtung mit einem Konversionselement, das dazu vorbereitet ist, eine Anregungsstrahlung zumindest teilweise in eine Konversionsstrahlung zu konvertieren, wobei eine Kavität eines Kühlkörpers das Konversionselement vollständig oder zumindest teilweise umfasst. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das Konversionselement nicht an einem Kühlkörper Schicht-artig angeordnet, sondern es wird durch diesen zumindest teilweise umfasst. Somit kann eine bessere, bspw. höhere, Abfuhr der thermischen Energie erreicht werden. Wenn die Kavität den Kühlkörper durchdringt, kann die Konversionsvorrichtung transmissiv betrieben werden. Ein Durchgangsloch ist ein Beispiel einer den Kühlkörper durchdringenden Kavität. Wenn die Kavität in den Kühlkörper eindringt, kann die Konversionsvorrichtung reflektiv betrieben werden. Ein Sackloch ist ein Beispiel einer in den Kühlkörper (nur) eindringenden Kavität.
Wenn das Konversionselement und/oder die Kavität eine etwa rotationssymmetrische Gestalt aufweisen, sind sie für übliche Fertigungsverfahren besonders geeignet. Solche Fertigungsverfahren sind etwa spanabhebende Fertigungsverfahren. Eine rotationssymmetrische Gestalt hat ferner den Vorteil, dass sie eine winkelunabhängige Montage ermöglicht, welche schnell und preiswert sein kann.
Der Begriff „etwa“ kann beispielsweise bedeuten, dass eine Abweichung in den fachüblichen Toleranzen oder von bis zu 5% vorhanden sein kann.
Wenn der Kühlkörper das Konversionselement etwa konzentrisch zu einer Transmissions(-haupt)-achse oder zu einer Reflexions(-haupt)-achse umfasst, wird ein gleichmäßiger Abstand zwischen Wärmequelle und Wärmesenke erreicht, sodass die bei der Konversion erzeugte thermische Energie besonders gleichmäßig abführbar ist.
Das Konversionselement kann eine etwa zylindrische Gestalt aufweisen. Eine etwa zylindrische Gestalt ist besonders geeignet, um eine entlang einer Konversionsrichtung entstehende thermische Energie abzugeben. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zylinder einen Durchmesser zwischen etwa 0,2 und etwa 1,0 mm aufweist, wobei die Zylinderdurchmesser etwa 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm, 0,75 mm, 0,8 mm und 1,0 mm bevorzugte Abstufungen darstellen. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass der Zylinder eine Länge zwischen etwa 0,2 und etwa 10,0 mm aufweist, wobei die Zylinderlängen etwa 0,2 mm, 1,0 mm, 2,0 mm, 5,0 mm und 10,0 mm bevorzugte Abstufungen darstellen. Die gewählte Zylinderlänge stellt einen Kompromiss da. Einerseits führt eine kürzere Länge zu einem geringeren Absorptionsverlust in dem Phosphor und an den (reflektierenden) Wänden. Andererseits führt eine längere Zylinderlänge zu einer besseren Wärmeverteilung und Wärmeabgabe.
Das Konversionselement kann eine etwa kugelförmige Gestalt aufweisen. Eine Kugel weist eine besonderes gleichmäßige Wärmeabgabe an das Kühlelement auf. Ähnliches gilt für ein Konversionselement in Form einer Halbkugel. Anstelle eine Halbkugel kann auch eine andere Teilkugelform vorteilhaft Verwendung finden. Konversionselemente in Kugel- und Zylinderform besitzen den Vorteil, dass sie einfach herzustellen sind.
Wenn das Konversionselement eine etwa zylindrische und/oder eine etwa kugelförmige Gestalt aufweist, kann ein besonders situationsanpassbares Konversionselement erzielt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Kavität eine zu dem Konversionselement gegengleiche Gestalt aufweist. Mit anderen Worten, es ist eine zu dem Konversionselement komplementäre Gestalt der Kavität bevorzugt. Man kann auch davon sprechen, dass die Gestalt der Kavität zu der Gestalt des Konversionselement korrespondieren soll.
Wenn die Kavität zumindest in einem Konversionselementnahen Abschnitt und/oder zumindest in einem zum Festlegen des Konversionselements vorbereiteten Abschnitt eine etwa hohlzylindrische Gestalt aufweist, ist sie zum Kombinieren mit einem etwa zylindrischen Konversionselement besonders geeignet. Zum Kombinieren mit einem etwa kugelförmig gestalteten Konversionselement sind eine etwa konkave Gestalt der Kavität, eine etwa hohlzylindrische Gestalt der Kavität, eine etwa hohlkugelige Gestalt der Kavität und/oder eine etwa hohlkugelschichtige Gestalt der Kavität, und zwar zumindest in dem Konversionselementnahen Abschnitt und/oder zumindest in dem zum Festlegen des Konversionselements vorbereiteten Abschnitt.
Wenn die Kavität ein optisches Element aufweist, kann ein Mehrfachnutzen erreicht werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kavität abschnittsweise als optisches Element ausgebildet ist, wie nämlich in dem Sinne, dass ein Abschnitt der Kavität das optische Element aufweist oder als ein solches ausgebildet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das optische Element zu der Kavität als Konversionselement-Umfasser und/oder zu dem Konversionselement unterschiedlich ist.
Mit dem Begriff „Anregungsstrahlungsseite“ wird diejenige Seite des Konversionselements bezeichnet, welche dazu vorbereitet ist, mit einer Anregungsstrahlung bestrahlt zu werden. In gleichen Maßen wird unter einer „Konversionsstrahlungsseite“ diejenige Seite des Konversionselements bezeichnet, welche dazu vorbereitet ist, die Konversionsstrahlung abzugeben. Die Begriffe Anregungsstrahlungsseite und Konversionsstrahlungsseite stehen in einer Wechselwirkung.
Es soll aber nicht verschwiegen werden, dass es auch möglich ist, eine transmissive symmetrische Konversionsvorrichtung darzustellen, bei welcher die Anregungsstrahlungsseite und die Konversionsstrahlungsseite frei wählbar beziehungsweise bestimmbar ist.
Unter einer „Anregungsstrahlung“ des Konversionselements wird jede Strahlung verstanden, die dazu geeignet ist, das Konversionselement anzuregen, es ist also eine mögliche Definition der Strahlung ausgehend von Eigenschaften des Konversionselements. Wie bei dem Begriff Anregungsstrahlung des Konversionselements stellt der Begriff „Konversionsstrahlung“ des Konversionselements eine mögliche Definition dar, welche von einem Konversionselement und dessen Eigenschaften ausgeht. Unter einer Konversionsstrahlung des Konversionselements wird somit eine Strahlung verstanden, welche das jeweilige Konversionselement auf Anregung mit einer Anregungsstrahlung hin abzugeben vorbereitet ist.
Wenn das optische Element an einer Abstrahlungsseite beziehungsweise Konversionsstrahlungsseite angeordnet ist, kann durch das optische Element die Konversionsstrahlung beeinflusst werden. Wenn das optische Element an einer Anregungsstrahlungsseite des Konversionselements angeordnet ist, kann die Anregungsstrahlung durch das optische Element beeinflusst werden.
Wenn die Konversionsvorrichtung ein anregungsstrahlungsseitig angeordnetes oder ein konversionsstrahlungsseitig angeordnetes optisches Element aufweist, können mehrere Nutzen auf einmal erreicht werden: Es kann Bauraum gespart werden. Es kann eine besonders präzise Festlegung des Konversionselements und des optischen Elements zueinander erreicht werden. Es kann Montage-technisch der Vorteil einer Bau-Gruppierung erreicht werden.
Das optische Element kann bezüglich einer Anregungsstrahlung des Konversionselements etwa anti-reflektiv sein. Unter „anti-reflektiv“ wird eine Eigenschaft des optischen Elements verstanden, welche dazu geeignet ist, eine Reflektion der Anregungsstrahlung zu reduzieren. Unter einer „Anti-Reflektivität“ versteht man ein Reduzieren der Reflektion um zumindest 50, stärker bevorzugt zumindest 60%, stärker bevorzugt zumindest 75%, stärker bevorzugt zumindest 80%, stärker bevorzugt zumindest 90%, noch stärker bevorzugt zumindest 95%.
Das optische Element kann etwa anti-reflektiv beschichtet sein. Dadurch kann man die Eigenschaft der anti-Reflektivität mit einer anderen optischen Eigenschaft des optischen Elements kombinieren, um einen Mehrfachnutzen zu erreichen. Die anti-reflektive Beschichtung kann ein- oder beidseitig des optischen Elements beziehungsweise an dem optischen Element vorgesehen sein. Dadurch können verschiedene Vorteile erreicht werden, wie beispielsweise eine Reduzierung der Beschichtungsschritte, eine Reduzierung der gesamten Dicke der Beschichtung et cetera.
Das optische Element kann etwa transparent und/oder etwa teilweise transparent sein. Ein transparentes optisches Element lässt die Anregungsstrahlung und/oder die Konversionsstrahlung des Konversionselements (etwa) verlustfrei passieren.
Das optische Element kann etwa aus Saphir gefertigt sein. Das Material Saphir hat sich in der Vergangenheit als Trägerschicht herkömmlicher Konversionselemente bewährt, und es kann aus denselben technischen Gründen als anregungsstrahlungsseitig angeordnetes optisches Element Verwendung finden.
Das optische Element kann dazu vorbereitet sein, zumindest weniger reflektierend bezüglich einer Anregungsstrahlung des Konversionselements als bezüglich einer Konversionsstrahlung des Konversionselements zu sein. Ein optisches Element, das bezüglich einer Anregungsstrahlung zumindest weniger reflektierend als bezüglich einer Konversionsstrahlung des Konversionselements ist, ist dazu vorbereitet, eine zu einer Anregungsstrahlungsquelle hin abgegebene Konversionsstrahlung zu reflektieren, und so eine höhere Effizienz zu erreichen.
Das optische Element kann ein Wellenlängen-selektiver Filter sein. Wenn sich die Anregungsstrahlung und die Konversionsstrahlung hinsichtlich der Wellenlänge unterscheiden, kann mit dem Wellenlängen-selektiven Filter eine Durchlässigkeit für eine der beiden Strahlungen und eine Nicht-Durchlässigkeit beziehungsweise eine Wenig-Durchlässigkeit bezüglich der anderen Strahlung erreicht werden. Ist das optische Element ein Farbfilter, können dieselben Vorteile wie bei den Wellenlängen-selektiven Filter erreicht werden.
Das optische Element kann ein Wellenlängen-selektiver Spiegel sein. Wenn sich die Anregungsstrahlung und die Konversionsstrahlung hinsichtlich der Wellenlänge unterscheiden, kann mit einem Wellenlängen-selektiven Spiegel eine Durchlässigkeit bezüglich einer der Strahlungen und einer Reflektivität bezüglich der anderen der beiden Strahlungen erreicht werden. Ein Farbspiegel erreicht dieselben Vorteile wie ein Wellenlängen-selektiver Spiegel.
Ein dichroitischer Spiegel ist eine besonders bevorzugte Variante eines Wellenlängen-selektiven Spiegels. Wenn das optische Element dichroitisch ein- oder beidseitig beschichtet ist, kann die Wellenlängen-selektive reflektive Eigenschaft mit anderen optischen Eigenschaften kombiniert einen Mehrfachnutzen erreichen.
Wenn das optische Element einen Kollimatorabschnitt aufweist, wie wenn die Kavität einen Kollimatorabschnitt aufweist, kann der Strahlengang durch das optische Element bzw. durch die Kavität selber beeinflusst werden. Ein Kollimator kann abgabeseitig oder eingabeseitig des Konversionselements vorgesehen sein. Ein Kollimator kann auch separat von der Kavität gebildet sein.
Der Kollimatorabschnitt bzw. Kollimator kann insbesondere dazu vorbereitet sein, einen auf das Konversionselement gerichteten bzw. zumindest gezielten Lichtstrahl auf eine Eingabefläche des Konversionselements zu lenken und/oder verteilen. Der Kollimatorabschnitt kann insbesondere einen paraboloiden bzw. Parabel-förmigen Wandungsverlauf, einen ellipsoiden bzw. Ellipsen-förmigen Wandungsverlauf und/oder einen hyperboloiden bzw. Hyperbel-förmigen Wandungsverlauf aufweisen. Ein paraboloider Wandungsverlauf weist vorzugsweise in einem entlang einer optischen Achse geschnittenen Längsschnitt einen Abschnitt auf, dessen Verlauf entlang einer zur optischen Achse zumindest etwa parallel verlaufenden Längskoordinate eine Parabelfunktion seines Verlaufs entlang einer zur optischen Achse zumindest etwa radial verlaufenden Radialkoordinate, oder umgekehrt, repräsentiert. Gleichermaßen ist ein ellipsoider oder ein hyperboloider Wandungsverlauf definierbar. Ein Kollimator mit paraboloidem Wandungsverlauf ist fachmännisch auch als ein CPC bzw. ein „Compound Parabolic Concentrator“ bezeichenbar. Ein Kollimator mit ellipsoidem Wandungsverlauf ist fachmännisch auch als ein CEC bzw. ein „Compound Elliptical Concentrator“ bezeichenbar. Ein Kollimator mit hyperboloiden Wandungsverlauf ist fachmännisch auch als ein CHC bzw. ein „Compound Hyperbolic Concentrator“ bezeichenbar. Diese Gestaltungen sind besonders vorteilhaft, weil ein Fokussieren einer Anregungsstrahlung umso aufwendiger und teurer ist, je genauer die einzuhaltenden Toleranzen bemessen sind. Mittels eines Kollimators können aber Ausrichtungsfehler, wie Fluchtungsfehler und/oder Winkelfehler, ausgeglichen bzw. kompensiert werden, sodass die Kosten für das Konversionselement gesenkt und/oder die Zuverlässigkeit des Konversionselements erhöht werden können. Es ist somit ein Doppelnutzen erreichbar.
Wenn das Konversionselement die Konversionsstrahlung lambert'sch abstrahlt, kann durch Vorsehen eines konversionsstrahlungsseitigen Kollimatorabschnitts besonders Bauraum-sparsam die Konversionsstrahlungsrichtung vorgegeben werden.
Das optische Element kann eine Kombination der vorstehenden Eigenschaften und Vorteile aufweisen.
Wenn das Konversionselement einstückig ist, kann eine Montage besonders schnell vonstattengehen. Wenn das Konversionselement mehrstückig ist, ist es beispielsweise aus mehreren Standard-Konversionselementen zusammensetzbar, sodass ein situationsanpassbares Gesamt-Konversionselement erreicht werden kann, insbesondere im Wege einer Gleichteilestrategie.
Das Konversionselement kann einstofflich aus einem Konversionsstoff gebildet sein. Unter dem Begriff „Konversionsstoff“ wird ein Material verstanden, welches eine Anregungsstrahlung zumindest teilweise in eine Konversionsstrahlung konvertiert. Wenn das Konversionselement einstofflich aus dem Konversionsstoff gebildet ist, wird ein homogen fertigbares Konversionselement erreicht. Eine Auflistung geeigneter Konversionsstoffe folgt an späterer Stelle.
Das Konversionselement kann mehrstoffliche aus zumindest einem Konversionsstoff gebildet sein. Beispielsweise ist vorsehbar, dass das Konversionselement mehrstofflich aus zwei verschiedenen Konversionsstoffen gebildet ist. Es ist auch vorsehbar, dass das Konversionselement ein Verbundwerkstoff aus einem Konversionsstoff und beispielsweise einem Matrixstoff ist, wobei vorzugsweise der Konversionsstoff in dem Matrixmaterial auf diskrete Bereiche verteilt angeordnet vorsehbar ist. Bei einem mehrstofflichen Konversionselement können die Eigenschaften situationsangepasst eingestellt werden. Der Konversionsstoff kann als Leuchtstoff bezeichnet sein, insbesondere um einen Unterschied zum Matrixmaterial darzustellen. Vorteilhafte Matrixmaterialien sind eine Keramik, ein Glas und/oder ein Kunststoffmaterial. Die diskreten Bereiche des Konversionsstoffs können kugelförmig, stiftförmig, faserförmig, kornförmig, partikelförmig sein, und/oder sie können eine Kombination daraus umfassen. Jeder der nachfolgenden Konversionsstoffe ist erfindungsgemäß geeignet zur Aufnahme in ein Matrixmaterial, wobei besonders geeignete bzw. vorteilhafte Kombinationen möglich sind.
Unter einer „Konversionsachse“ wird eine optische Achse von einer Anregungsstrahlungsseite des Konversionselements zu einer Konversionsstrahlungsseite des Konversionselements verstanden. Im Zweifel soll die Konversionsachse etwa mittig angeordnet sein. Der Konversionsstoff kann entlang der Konversionsachse etwa homogen konzentriert verteilt sein. Damit ist gemeint, dass ein Konversionsstoff in dem Konversionselement gleichmäßig verteilt ist. Ein solches Konversionselement ist besonders einfach montierbar. Der Konversionsstoff kann auch entlang der Konversionsachse etwa inhomogen konzentriert verteilt sein, sodass die Konzentration des Konversionsstoffs variiert. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Konversionsstoff entlang der Konversionsachse von der Anregungsstrahlungsseite hin zu der Konversionsstrahlungsseite zunehmend konzentriert ist, um eine gleichmäßige Wärmeenergieabgabe entlang der Konversionsachse zu erreichen. Die Konzentration des Konversionsstoffs entlang der Konversionsachse kann kontinuierlich ändernd, wie insbesondere abschnittsweise kontinuierlich ändernd, kontinuierlich schwankend, kontinuierlich zunehmend und/oder kontinuierlich abnehmend vorgesehen sein. Das Konversionselement kann entlang seiner Konversionsachse mehrstückig aus Konversionsteilelementen zusammengesetzt sein, die zueinander eine ungleiche Konversionsstoffkonzentration aufweisen.
Der Konversionsstoff kann etwa Phosphor sein. Der Konversionsstoff kann etwa eine Phosphorkeramik sein. Der Konversionsstoff kann ein in Aluminiumoxid gebundener Phosphor sein. Der Konversionsstoff kann ein oxidisches Material, ein nitridisches Material, und/oder ein oxidnitridisches Material sein. In Betracht kommen insbesondere Materialien, welche zumindest ein Granat, zumindest ein Orthosilikat, zumindest ein Nitridosilikat, zumindest ein Nitridoalumosilikat, zumindest ein Nitridoorthosilikat, zumindest ein Halogenid, und/oder zumindest ein Halophosphat aufweisen und/oder daraus zumindest etwa bestehen. Weiters kann der Konversionsstoff ein Yttrium-Aluminium-Granat, wie ein YAG:Ce-Material, insbesondere ein YAG:Ce-Monokristall, sein. Ferner kann der Konversionsstoff ein dotierte Lutetium-Aluminium-Granat, wie ein LuAG:Ce-Material, sein. Der Konversionsstoff kann auch ein dotierte Siliziumnitrid-Material, wie ein Eu-dotiertes CaAlSiN3, sein. Der Konversionsstoff kann auch dazu ähnliche dotierte Materialien umfassen. Als Dotiermaterialien kommen insbesondere beispielsweise Cer (Ce), Terbium (Tb), Europium (Eu), Ytterbium (Yb), Praseodym (Pr), Thulium (Tm), Samarium (Sm), und/oder zumindest ein anderes, vorzugsweise nicht-radioaktives, Lanthanoid in Betracht. Auch zusätzliche Dotierungen, also Co-Dotierungen, sind vorteilhaft verwendbar. Beliebige Kombinationen der vorstehenden Konversionsstoffe sind ebenfalls vorteilhaft einsetzbar. Die genannten Werkstoffe haben alle den Vorteil, eine gut erzeugbare blaue Anregungsstrahlung in eine praktisch nutzbare gelbe Konversionsstrahlung zu konvertieren. Dies ist beispielsweise im Kraftfahrzeugbau vorteilhaft.
Das Konversionselement kann unmittelbar an dem Kühlkörper anliegen, um einen direkten Wärmeübergang zu ermöglichen. Das Konversionselement kann auch mittelbar durch zumindest eine Zwischenschicht an dem Kühlkörper anliegen, um beispielsweise leicht fertigbar zu sein, oder um zusätzlich zur Wärmeleitfähigkeit eine andere Eigenschaft mit Mehrfachnutzen darzustellen.
Die Zwischenschicht kann eine Beschichtung des Konversionselements sein. Diese Zwischenschicht hat eine besonders enge Bindung an das Konversionselement. Wenn die Zwischenschicht eine Beschichtung des Kühlkörpers ist, weist sie eine besonders enge Bindung an den Kühlkörper auf. Die Zwischenschicht kann ein zwischen dem Konversionselement und dem Kühlkörper eingebrachter Werkstoff sein, sodass eine gleichmäßige Bindung an das Konversionselement einerseits den Kühlkörper andererseits erreichbar ist. Die Zwischenschicht kann durch eine Stoffänderung aus dem Konversionselement hervorbringbar sein, beispielsweise durch einen chemischen und/oder physikalischen und/oder werkstoffkundlichen Prozess. In gleicher Weise kann die Zwischenschicht durch eine Stoffänderung aus dem Kühlkörper hervorbringbar sein. In gleicher Weise kann die Zwischenschicht durch eine additive Stoffzusammensetzungsänderung aus dem Konversionselement hervorbringbar sein. In gleicher Weise kann die Zwischenschicht durch eine subtraktive Stoffzusammensetzungsänderung aus dem Kühlkörper hervorbringbar sein. In gleich Weise kann die Zwischenschicht durch eine Stoffgefügeänderung aus dem Konversionselement hervorbringbar sein. In gleicher Weise kann die Zwischenschicht durch eine Stoffgefügeänderung aus dem Kühlkörper hervorbringbar sein. Eine Stoff-(zusammensetzung/gefüge)-änderung betrifft vorzugsweise einen Randbereich oder dergleichen. Wenn die Zwischenschicht aus dem Konversionselement und/oder aus dem Kühlkörper hervorgebracht wird, ermöglicht dies beispielsweise, besonders enge Toleranzen einzuhalten, indem beispielsweise zuerst die Geometrie gefertigt und dann der Radbereich des jeweiligen Teils behandelt wird. Mittels Hervorbringens aus dem Konversionselement und/oder aus dem Kühlkörper kann auch ein Geometrie-bildender Fertigungsschritt bezüglich der Zwischenschicht eingespart werden.
Die Zwischenschicht kann etwa reines Silikon sein. Die Zwischenschicht kann ein etwa Silikon-basierter Werkstoff sein. Die Zwischenschicht kann etwa ein Siliziumoxid sein. Die Zwischenschicht kann etwa ein mit Siliziumoxidpartikeln versehenes Silikon sein. Die Zwischenschicht kann etwa ein reiner Werkstoff sein. Die Zwischenschicht kann etwa ein Glas- schweißbarer Werkstoff sein. Die Zwischenschicht kann etwa ein beschichtbarer Werkstoff sein. Die Zwischenschicht kann etwa ein bedampfbarer Werkstoff sein. Die Zwischenschicht kann etwa ein Verbundwerkstoff sein. Die Zwischenschicht kann etwa eine Kombination der vorstehenden Werkstoffe sein. Die vorstehend genannten Werkstoffe weisen insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit oder eine besonders geeignete Fertigungstechnologie auf. Die Zwischenschicht kann eine hochreflektierende Schicht aus z.B. Silber oder Aluminium sein, die insbesondere mittels eines Aufdampfens und/oder eines chemischen Abscheidens ausgebildet ist, und/oder welche beispielsweise ein optisches Element realisiert. Auch andere Zwischenschicht-bildende Verfahren weisen diese Vorteile auf.
Wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper thermisch eng verbunden ist, wird eine besonders effiziente Wärmeenergieabfuhr aus dem Konversionselement in den Kühlkörper erreicht.
Der Kühlkörper kann ein Primärkühlkörper sein, der mit einem Sekundärkühlkörper thermisch verbunden oder zumindest verbindbar ist. Der Sekundärkühlkörper kann beispielsweise ein reiner Kühlkörper sein. Der Sekundärkühlkörper kann auch ein Gehäuse oder zumindest ein Gehäuseabschnitt, ein Fassung, eine Karosserie, eine „Heat pipe“ (Metallrohr mit verdampfbarem Fluid) oder dergleichen sen.
Wenn der Kühlkörper ein Metall ist, oder dieses zumindest enthält, kann eine metallische Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper eine Silberlegierung ist oder diese zumindest enthält, kann eine besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper etwa reines Silber ist oder dieses zumindest enthält, kann eine besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper eine Kupferlegierung ist oder zumindest enthält, kann eine besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper etwa reines Kupfer ist oder zumindest enthält, kann eine besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper eine Aluminiumlegierung ist oder zumindest enthält, kann eine besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper etwa reines Aluminium ist oder zumindest enthält, kann eine besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper ein Silizium-basierter Werkstoff ist oder zumindest enthält, kann ein besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden. Wenn der Kühlkörper etwa reines Silizium ist oder zumindest enthält, kann eine besonders geeignete Wärmeleitung erreicht werden.
Eine polierte Oberfläche ist einerseits zum Wärmeübergang besonders geeignet, und weist andererseits eine wünschenswerte Reflexions-Eignung auf. Die Vorteile können genutzt werden, wenn die dem Kühlkörper zugewandte Oberfläche des Konversionselements poliert ist. Die Vorteile können genutzt werden, wenn die nicht-anregungsstrahlungsseitige und/oder die zu der Anregungsstrahlungsseite verschiedene beziehungsweise unterschiedliche Oberfläche des Konversionselements und/oder die nicht-konversionsstrahlungsseitige Oberfläche des Konversionselements und/oder die zu der Konversionsstrahlungsseite verschiedene beziehungsweise unterschiedliche Oberflächen des Konversionselements poliert ist. Die vorstehenden Vorteile können genutzt werden, wenn das Konversionselement etwa allseitig poliert ist. Die vorstehenden Vorteile können genutzt werden, wenn die dem Konversionselement zugewandte Oberfläche des Kühlkörpers poliert ist. Die vorstehenden Vorteile können genutzt werden, wenn die dem Konversionselement zugewandte Oberfläche der Kavität poliert ist. Die vorstehenden Vorteile können genutzt werden, wenn die Kavität etwa gesamt poliert ist.
Die Effizienz der Konversionsvorrichtung kann gesteigert werden, indem möglichst viel Strahlung von der Oberfläche der Kavität zu dem Konversionselement zurück gestrahlt wird. Dieser Vorteil kann erreicht werden, wenn die Oberfläche der Kavität reflektierend vorbereitet oder ausgestaltet ist. Derselbe Vorteil kann erreicht werden, wenn die Oberfläche der Kavität hoch-reflektierend vorbreitet und/oder ausgestaltet ist. Derselbe Vorteil kann erreicht werden, wenn die Oberfläche der Kavität spekular reflektierend vorbereitet und/oder ausgestaltet ist. Derselbe Vorteil kann erreicht werden, wenn die Oberfläche der Kavität diffus reflektierend vorbereitet und/oder ausgestaltet ist. Derselbe Vorteil kann erreicht werden, wenn das Konversionselement teilweise, das heißt auf den Flächen, an denen keine Strahlung ein- und/oder austreten muß, hochreflektiert z.B. mit Silber oder Aluminium beschichtet wird.
Ein fester Sitz des Konversionselements relativ zu dem Kühlkörper ist für die zu erreichende Systemsicherheit und für eine gute, bspw. enge, thermische Anbindung vorteilhaft. Insbesondere bei beispielsweise Vibrationen ausgesetzten Anwendungen, wie einer Anwendung als Element eines Fahrzeugscheinwerfers, ist ein fester Sitz beziehungsweise eine Festlegung des Konversionselements relativ zu dem Kühlkörper vorteilhaft. Dies kann erreicht werden, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper kraftschlüssig verbunden ist. Dies kann auch erreicht werden, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden ist. Dies kann auch erreicht werden, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper formschlüssig verbunden ist. Dies kann erreicht werden, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper mittels eines Kühlkörperumformens, wie etwa eines Schmiedens, eines Verpressens oder dergleichen, verbunden ist. Dies kann auch erreicht werden, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper einlegend mittels eines Zusammenfügens zumindest zweier Kühlkörperabschnitte verbunden ist. Diese Konfiguration kann man auch ein „eingelegtes Konversionselement“ nennen. Besonders bevorzugt werden diese Vorteile erreicht, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper mittels eins Pressfügens verbunden wird, weil das Pressfügen ein relativ preisgünstiges Serienfertigungsverfahren ist. Die vorgenannten Vorteile können auch erreicht werden, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper mittels eines Lötens verbunden ist. Die vorstehenden Vorteile können auch erreicht werden, wenn das Konversionselement mit dem Kühlkörper mittels eines Schrumpffügens verbunden ist, indem beispielsweise der Kühlkörper erwärmt, über das Konversionselement geführt und dann abgekühlt wird. Die vorstehenden Vorteile können auch ganz allgemein dadurch erreicht werden, dass das Konversionselement mit dem Kühlkörper das Konversionselement festlegend verbunden ist.
Unabhängig beanspruchbar ist auch ein Leuchtmittel mit einer Konversionsvorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, und mit einer anregungsstrahlungsseitig des Konversionselements angeordneten Anregungsstrahlungsquelle. Zwischen der Anregungsquelle und dem Konversionselement kann ein strahlformendes Element, z.B. eine fokussierende Optik, enthalten sein. Ein solches Leuchtmittel weist die Vorteile der jeweiligen Konversionsvorrichtung auf.
Unabhängig beanspruchbar ist auch ein Scheinwerfer mit einem Leuchtmittel, wie es vorstehend beschrieben wurde, welcher somit die Vorteile der jeweiligen Konversionsvorrichtung erbt. Unabhängig beanspruchbar ist auch ein Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem Leuchtmittel wie es vorstehend beschrieben wurde, welcher die Vorteile der jeweiligen Konversionsvorrichtung erbt. Ein Kraftfahrzeugscheinwerfer ist ein Scheinwerfer, der zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorbereitet ist.
Das Fahrzeug kann ein Luftfahrzeug oder ein wassergebundenes Fahrzeug oder ein landgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen oder ein Kraftrad. Das Fahrzeug kann des Weiteren als nicht-autonomes oder teil-autonomes oder autonomes Fahrzeug ausgestaltet sein.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1a eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Konversionsvorrichtung,
1b eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Konversionsvorrichtung mit einer blendenförmigen Öffnung in einem Kühlkörper,
1c ein Strahlengangdiagramm zu der blendenförmigen Öffnung der 1a,
2 eine schematische Ansicht einer Konversionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 die Ergebnisse einer Temperaturverteilungssimulation bei der Konversionsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die 3a eine perspektivische Draufsicht, die 3b eine quergeschnittene Ansicht und die 3c die zugehörige Temperaturskala in °C darstellen,
4 eine Diagrammdarstellung der Temperaturverteilung entlang einer zentralen Linie aus der Temperaturverteilungssimulation bei der Konversionsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
5 eine schematische Ansicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine Strahlengangsimulation eines Leuchtmittels mit der Konversionsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
7 eine schematische Darstellung einer Konversionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
8 eine schematische Darstellung einer Konversionsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
9a eine schematische Darstellung einer Konversionsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
9b eine schematische Darstellung einer Konversionsvorrichtung gemäß einer Variation der fünften Ausführungsform,
9c eine Strahlengangsimulation zu der in der 9b gezeigten Variation der fünften Ausführungsform,
10 eine geschnittene Darstellung eines Konversionselements einer Konversionsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,
11 eine geschnitten Darstellung eines Konversionselements einer Konversionsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung,
12 eine perspektivische Darstellung einer Temperaturverteilungssimulation der Konversionsvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung,
13 eine perspektivische geschnittene Darstellung einer Temperaturverteilungssimulation einer Konversionsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung,
14 eine geschnittene perspektivische Darstellung einer Temperaturverteilungssimulation einer Konversionsvorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung,
15 eine schematische Darstellung einer Konversionsvorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform,
16 eine Strahlengangsimulation eines Leuchtmittels mit der Konversionsvorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform der Erfindung,
17 eine schematische Darstellung des Konversionselements und des Kühlkörpers der Konversionsvorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform der Erfindung,
18 das Ergebnis einer Temperaturverteilungssimulation bezüglich der Konversionsvorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform der Erfindung, wobei die 18a eine perspektivische Draufsicht, die 18b eine geschnittene Darstellung und die 18c eine Temperaturskala in °C zeigen.
19 die Temperaturverteilung entlang einer zentralen Linie als Ergebnis einer Temperaturverteilungssimulation bezüglich der Konversionsvorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform der Erfindung in einer Diagrammdarstellung,
20 eine schematische Darstellung eines Zeitpunkts während eines Herstellungsverfahrens einer Konversionsvorrichtung gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung, und
21 einen späteren Zeitpunkt des Herstellungsverfahrens der Konversionsvorrichtung gemäß der elften Ausführungsform der Erfindung.

Die 1a zeigt eine schematischer Darstellung eine herkömmliche Konversionsvorrichtung 2 mit einem Konversionselement 4, das an einem Träger 6 angeordnet ist. Der Träger 6 ist eine transparente Scheibe. Das Konversionselement 4 ist beispielsweise eine Phosphorschicht. Eine Anregungsstrahlung 8, die beispielsweise ein blaues Laserlicht ist, bestrahlt durch den Träger 6 hindurch das Konversionselement 4. Das Konversionselement 4 wandelt zumindest einen Teil der Anregungsstrahlung 8 in eine Konversionsstrahlung 10 um. Die Konversionsstrahlung 10 wird lambert'sch abgestrahlt. Bei der Konversion in dem Konversionselement 4 entsteht eine Wärmeenergie, die über das Material des Trägers 6 abgeleitet und von dem Konversionselement 4 selber und anteilig auch von dem Träger 6 direkt in Form einer Wärmestrahlung (nicht dargestellt) abgestrahlt wird.
Die 1b zeigt eine leicht modifizierte Darstellung der herkömmlichen Konversionsvorrichtung 2. Bei dieser Darstellung wird gezeigt, dass der Träger 6 über eine Anbindung 76 an einen Rahmen 78 angebunden ist. Eine Eingabefläche 56 des Konversionselements 2, welche eine durch die in das Konversionselement eintretende Strahlung zu durchquerende Fläche ist, ist durch eine Blende 80 mit rechteckigem Längsquerschnitt bestrahlbar. Die Blende 80 wird durch eine Öffnung des Rahmens 78 ausgebildet. Die 1c stellt einen korrespondierenden Strahlengang 82 dar. Wie der 1c zu entnehmen ist, stellt die Blende 80 hohe Anforderungen an die Fokussierung der Anregungsstrahlung 8.
Die 2 zeigt eine Konversionsvorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Konversionsvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Konversionselement 4 und einen Kühlkörper 12. Das Konversionselement 4 ist in einer Kavität 14 des Kühlkörpers 12 aufgenommen. Die Kavität 14 umfasst das Konversionselement. Die 2 zeigt eine Konversionsachse 16, entlang derer die Anregungsstrahlung 8 in das Konversionselement 4 eintritt, und zumindest teilweise zur Konversionsstrahlung 10 konvertiert wird. Die Kavität 14 ist ein Durchgangsloch 18 mit einer Hohlzylinderform 20, welches beziehungsweise welche zu der Konversionsachse 16 konzentrisch ist. Das Konversionselement 4 weist eine Zylinderform 22 auf, die ebenfalls zu der Konversionsachse 16 konzentrisch ist. Die Länge und der Durchmesser der Hohlzylinderform 20 und der Zylinderform 22 entsprechen einander etwa. Die Hohlzylinderform 20 und die Zylinderform 22 sind beide eine rotationssymmetrische Gestalt. Die Konversionsachse 16 ist eine Transmissionsachse.
Wird die Konversionsvorrichtung 2 der ersten Ausführungsform mit der Anregungsstrahlung 8 bestrahlt, wird die Anregungsstrahlung 8 innerhalb des Konversionselements 4 entlang der Konversionsachse 16 zumindest teilweise in die Konversionsstrahlung 10 konvertiert. Die dabei auftretende Abwärme beziehungsweise dabei erzeugte Wärmeenergie wird von dem Konversionselement 4 zwar einerseits an den beiden Zylinderstirnseiten 24 der Zylinderform 22 abgestrahlt, größtenteils aber mittels eines kontaktierenden Wärmeübergangs von Konversionselement 4 an den Kühlkörper 12 übertragen. Diese Wärmeübertragung wird dadurch befördert, dass sich die Umfangsoberfläche 26 des Konversionselements 4, also eine Mantelfläche der Zylinderform 22, in einem engen thermischen Kontakt beziehungsweise in einer engen thermischen Verbindung mit dem Kühlkörper 12 befindet, welcher aus einem Metall hergestellt ist. Somit kann die Temperatur des Konversionselements 4 im Konversionsbetrieb gesenkt werden, wodurch ein Quenching bzw. Quenchen verringert und eine höhere Leuchtdichte und ein höherer Lichtstrom erreicht werden können.
Die enge thermische Verbindung zwischen dem Konversionselement 4 und dem Kühlkörper 12 wird bei dieser Ausführungsform dadurch erreicht, dass der Kühlkörper 12 und das Konversionselement 4 mittels eines thermischen Schrumpf-Fügens miteinander zusammengefügt werden. Die Fertigungstemperaturen wurden dabei bspw. unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur der Konversionsvorrichtung 12 sowie eines Sicherheitsfaktors bestimmt. Die Fertigungstemperaturen werden ferner anhand von Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien gewählt.
Der Kühlkörper kann unter einer mechanischen Zugbeanspruchung stehen, welche den Kühlkörper 12 gegen das Konversionselement 4 drückt. Diese Zugspannung kann so eingestellt sein, dass sie ein thermisches Expandieren der verwendeten Materialien ausgleicht beziehungsweise auffängt beziehungsweise verhindert, sodass der gute beziehungsweise enge thermische Kontakt zwischen dem Konversionselement 4 und dem Kühlkörper 12 unabhängig von einem thermischen Expandieren mit einem thermischen Kontrahieren beziehungsweise Zusammenziehen beibehalten werden kann. Einer mechanischen Ersatzvorstellung gemäß kann man den Kühlkörper 12 diesbezüglich auch als einen Spannring bezeichnen, beziehungsweise kann man sagen, dass der Kühlkörper 12 diesbezüglich wie ein Spannring wirkt.
Der Kühlkörper 12 kann beispielsweise aus Aluminium gemacht sein. Eine Oberfläche 28 der Kavität 14 ist poliert, sodass sie eine polierte Aluminiumoberfläche darstellt.
Die 3a-c und 4 zeigen verschiedene Berechnungsergebnisse bezüglich der Konversionsvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die 3a-c zeigen, dass simulationsgemäß die Temperatur des Konversionselements 4 im Konversionsbetrieb auf etwas mehr als 90° Celsius bei einer Temperatur des Kühlkörpers von etwa 80 °C begrenzt werden kann. Die 4 zeigt ein Diagramm mit einer Temperaturverteilung entlang einer zentralen Linie als Ergebnis einer Simulation.
Gemäß einer nicht dargestellten Variation der ersten Ausführungsform ist auf die Umfangsoberfläche 26 des Konversionselements 4 eine reflektierende Beschichtung aufgebracht. Die reflektierende Beschichtung ist vorzugsweise aus Silber oder aus Aluminium gebildet.
Gemäß einer weiteren Variation der ersten Ausführungsform, die auch nicht dargestellt ist, ist der Kühlkörper aus Kupfer gebildet. Auf die Oberfläche 28 der Kavität 14 wird dabei eine Beschichtung aus Silber aufgebracht.
Die 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Im Folgenden wird vorwiegend nur auf Unterschiede der jeweiligen Ausführungsform bezüglich der jeweils vorangegangenen Ausführungsformen abgestellt.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass anregungsstrahlungsseitig eine transparente Scheibe 30 angeordnet ist. Die transparente Scheibe 30 deckt die Kavität 14 und das in der Kavität 14 angeordnete Konversionselement 4 ab.
Gemäß einer Variation der zweiten Ausführungsform ist die transparente Scheibe 30 mit einer nicht dargestellten anti-reflektierten Beschichtung versehen. So ist beispielsweise die Anregungsstrahlung 8 ein blaues Laserlicht, und ist die anti-reflektierende Beschichtung auf der transparenten Scheibe 30 bezüglich der Anregungsstrahlung konfiguriert, sodass die Anregungsstrahlung 8 besonders gut durch die transparente Scheibe 30 hindurch gelassen und in das Konversionselement 4 eingeleitet wird. Dies verbessert eine Effizienz der Konversionsvorrichtung 2.
Gemäß einer weiteren Variation der zweiten Ausführungsform ist anstelle der transparenten Scheibe 30 ein dichroitischer Spiegel vorgesehen. Der (nicht dargestellte) dichroitische Spiegel wirkt zum Reduzieren des Betrags einer von dem Konversionselement 4 zu einer (nicht dargestellte) Anregungsstrahlungsquelle zurück abgestrahlten Konversionsstrahlung 10. Vorzugsweise ist der dichroitische Spiegel so ausgestaltet, dass er für ein blaues Anregungslicht durchlässig und für ein konvertiertes Licht zumindest zur Abstrahlungsseite hin reflektierend ausgebildet und/oder angeordnet ist. Auch diese Maßnahme verbessert die Effizienz der Konversionsvorrichtung 2.
Die 6 zeigt ein Berechnungsergebnis bezüglich der Konversionsvorrichtung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wie in der 6 gezeigt, wird eine Anregungsstrahlung 8 auf das sich hinter der transparenten Scheibe 30 befindende Konversionselement 4 fokussiert. Daraufhin strahlt das Konversionselement 4 die Konversionsstrahlung 10 lambert'sch ab.
Die 7 zeigt eine Konversionsvorrichtung 2 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung weist die Kavität 14 neben der Hohlzylinderform 20 zur Aufnahme des Konversionselements 4 konversionsstrahlungsseitig einen als optisches Element 32 ausgebildeten Abschnitt auf. Das optische Element 32 ist ein - hier abgabeseitig des Konversionselements ausgebildeter - Kollimator 34. Der Kollimator 34 bewirkt, dass die lambert'sch abgestrahlte Konversionsstrahlung 10 im Vergleich zur ersten und zweiten Ausführungsform deutlich fokussierter abgestrahlt wird. Der Kollimator 34 ist in einer CPC-Form gebildet.
Die 8 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Bei der vierten Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkörper 12 als ein Primärkühlkörper 36 ausgebildet. Der Primärkühlkörper 36 ist dazu vorbereitet, wärmeübertragend an einen Sekundärkühlkörper 38 angekoppelt zu werden. Der Sekundärkühlkörper 38 ist kein Teil der Konversionsvorrichtung 2, und er ist in der 8 nur sehr schematisch angedeutet.
Die 9a zeigt eine Konversionsvorrichtung 2 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Die Konversionsvorrichtung 2 ist hier ein Teil eines Leuchtmittels 40. Das Leuchtmittel 40 umfasst die Konversionsvorrichtung 2 sowie eine Lichtquelle 42. Die Lichtquelle 42 gibt die Anregungsstrahlung 8 ab, sie ist somit eine Anregungsstrahlungsquelle. Die Lichtquelle 42 ist in dieser Ausführungsform ein Halbleiterbauteil (d.h. eine ein Licht emittierende Diode, LED, oder eine organische Licht emittierende Diode, OLED), welche ein inkohärentes Licht emittiert.
Die Kavität 14 weist anregungsstrahlungsseitig des Konversionselements ein optisches Element 32 auf, das ein eingabeseitig des Konversionselements ausgebildeter Kollimator 34 ist, das bzw. der eine Sammelgeometrie 44 aufweist. Die Sammelgeometrie 44 der 9a weist einen paraboloiden Wandungsverlauf 82 auf.
Die 9b und 9c zeigen eine Variation der Konversionsvorrichtung 2 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Diese Konversionsvorrichtung 2 weist als Teil der Kavität 14 ein optisches Element 32 mit einer Sammelgeometrie 44, die bei dieser Variation einen hyperboloiden Wandungsverlauf 84 aufweist. In der Darstellung der 9c ist eine mit der Konversionsachse 16 deckungsgleiche optische Achse gezeigt. Zu der optischen Achse deckungsgleich (Extremfall der Parallelität) verläuft eine Längskoordinate 86, und im Längsschnitt der 9c senkrecht zu der optischen Achse steht eine Radialkoordinate 88. Der hyperbolische Wandungsverlauf 84 weist eine solche Gestalt auf, dass seine Längskoordinaten eine hyperbolische Funktion seiner Radialkoordinaten entsprechen. Dabei stellt die 9c als Ergebnis einer Strahlengangsimulation dar, wie verschiedene nicht zentral einstrahlende Lichtstrahlen, beispielsweise aus einer Laserlichtquelle, vorteilhaft durch den hyperbolischen Wandungsverlauf auf das Konversionselement in der Kavität gelenkt werden.
Die 10 und 11 zeigen Ergebnisse einer Strahlengangsimulation bezüglich einer sechsten und einer siebten Ausführungsform. Bei der sechsten Ausführungsform weist das Konversionselement 4 entlang der Konversionsachse 16 eine gleichmäßige Konversionsstoffkonzentration auf. Bei der siebten Ausführungsform weist das Konversionselement 4 entlang der Konversionsachse 16 eine zunehmende Konversionsstoffkonzentration auf. Dabei zeigt die siebte Ausführungsform in den 11 und 12 ein Konversionselement 4, das aus beispielsweise vier Konversionsteilelementen 46 zusammengesetzt ist, die eine zunehmende Konversionsstoffkonzentration entlang der Konversionsachse 16 von der Anregungsstrahlungsseite zu der Konversionsstrahlungsseite aufweisen. Wie man der 12 entnehmen kann, wird so erreicht, dass die Wärmeenergie näherungsweise gleichmäßig entlang der Konversionsachse 16 entsteht und abgeführt wird. Alternativ denkbar ist eine Variante aus Konversionsteilelementen 46, die die Form dünner Scheiben aufweisen, wobei nur zwei hinsichtlich der Konversionsstoffkonzentration verschiedene Scheibenarten existieren, die je nach Stapelreihenfolge verschiedene Konversionsstoffkonzentrationen ergeben.
Die 13 und 14 zeigen anhand der Ausführungsformen acht und neun zwei Konversionsvorrichtungen 2 mit einer Zwischenschicht 48 zwischen dem Konversionselement 4 und dem Kühlkörper 12. Bei der achten Ausführungsform wird als Zwischenschicht etwa reines Silikon angenommen, was zu einer errechnete Höchsttemperatur von etwa 188°C führt. Bei der neunten Ausführungsform wird als die Zwischenschicht 48 ein mit Siliziumoxid-Partikeln gefülltes Silikon angenommen, was zu einer errechneten Höchsttemperatur von etwa 81°C führt.
Die 15 bis 19 zeigen eine zehnte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser weist das Konversionselement 4 eine Kugelform 50 auf. Bei der Kavität 14 handelt es sich um eine hohlkugelförmige Kavität in einem plattenförmigen Kühlkörper, die anregungsstrahlungsseitig und konversionsstrahlungsseitig offen ist. Das Konversionselement und die Kavität sind koaxial zur Konversionsachse 16 angeordnet. Anregungsstrahlungsseitig des Konversionselements 4 ist ein zu der Kugelform 50 korrespondierend angepasstes und/oder an diese vom Radius her zu Anliegen vorbereitet angepasstes optisches Element 32 angeordnet, das ein dichroitischer Spiegel 54 ist. Dieser Spiegel kann auch mehrere aufgedampfte Lagen umfassen und/oder daraus bestehen. Zwischen der Wand der Kavität 14 und dem Konversionselement 4 kann eine hochreflektierende Zwischenschicht 48 eingebracht sein. Bei der zehnten Ausführungsform sind eine Eingabefläche 56 und eine Ausgabefläche 58 der Kavität 14 kreisförmig.
Bei der zehnten Ausführungsform ist der Kühlkörper 12 aus einem Metall. Ferner ist die Zwischenschicht 48 aus etwa reinem Silber. Ferner ist das Konversionselement 4 zumindest an den zu der Zwischenschicht 48 benachbarten Bereichen, vorzugsweise (zum Ermöglichen einer lageunabhängigen Montage) aber über die gesamte Oberfläche, poliert. Im Zusammenwirken der polierten Oberfläche und der hochreflektierenden Silberschicht 48 ergibt sich synergetisch eine besonders hohe Reflexionswirkung mit einer Effizienz von beispielsweise über 98% über den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts hinweg, beispielsweise von etwa 400 nm bis etwa 800 nm.
Die 16 zeigt das Ergebnis einer Strahlengangsimulation der zehnten Ausführungsform, und die 18a bis c und 19 zeigen Ergebnisse einer Temperatursimulation. Dabei fällt auf, dass die simulierte Höchsttemperatur unter etwa 90°C liegt, wodurch eine hohe Verbesserung bezüglich der Leuchtdichte und des Lichtstroms gegenüber dem Stand der Technik erzielbar ist. Die Simulation wurde mit folgenden Werten durchgeführt: Die Pumpleistung betrug 7,8 W, der Wärmeeintrag 5,47 W, der Ausgangslichtstrom 685 Im. Dafür wurde eine Leuchtdichte von 880 Mnits berechnet.
Die 17 illustriert die Dimensionen des Konversionselements nochmals, wobei der Radius 62 des Konversionselements 4 0,8 mm beträgt, wobei der Radius 64 der Abgabefläche 58 0, 3 mm beträgt, und der Abstand 66 des Mittelpunkts des Konversionselements 4 zu der Abgabefläche 58 etwa 0,742 mm beträgt.
Die 20 und 21 zeigen schließlich ein Herstellungsverfahren gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung. Das Konversionselement 4 weist in einem in der 20 gezeigten Ausgangszustand eine Kugelform 50 auf. Ein Rohling 68 des Kühlkörpers 12 weist eine Zylinderausnehmung 70 auf. Dann wird der Rohling 68 mit dem in die Zylinderausnehmung 70 eingelegtem Konversionselement 4 zwischen Pressstempel 72 gebracht. Die Pressstempel 72 der 20 weisen je eine zum Konversionselement 4 korrespondierende Ausnehmung 74 auf. Der Rohling 68 wird dann unter Druck derart verformt, dass die Zylinderausnehmung 70 zu der Kavität 14 mit der Hohl-Kugelschicht-Form 52 umgeformt wird.
Die beschriebenen Ausführungsformen stellen Illustrationen dar, und sie können untereinander auch auszugsweise kombiniert werden, selbst wenn dies vorstehend nicht explizit aufgeführt sein sollte.
Bezugszeichenliste

Konversionsvorrichtung	2
Konversionselement	4
Träger	6
Anregungsstrahlung	8
Konversionsstrahlung	10
Kühlkörper	12
Kavität	14
Konversionsachse	16
Durchgangsloch	18
Hohlzylinderform	20
Zylinderform	22
Zylinderstirnseite	24
Umfangsoberfläche	26
Oberfläche	28
Scheibe	30
optisches Element	32
Kollimator	34
Primärkühlkörper	36
Sekundärkühlkörper	38
Leuchtmittel	40
Lichtquelle	42
Sammelgeometrie	44
Konversionsteilelement	46
Zwischenschicht	48
Kugelform	50
Hohl-Kugelschicht-Form	52
dichroitischer Spiegel	54
Eingabefläche	56
Abgabefläche	58
Durchmesser	60
Radius	62
Radius	64
Abstand	66
Rohling	68
Zylinderausnehmung	70
Pressstempel	72
Ausnehmung	74
Anbindung	76
Rahmen	78
Blende	80
paraboloider Wandungsverlauf	82
hyperboloider Wandungsverlauf	84

Claims

Konversionsvorrichtung mit einem Konversionselement (4), das dazu vorbereitet ist, eine Anregungsstrahlung (8) zumindest teilweise in einer Konversionsstrahlung (10) zu konvertieren, wobei eine Kavität (14) eines Kühlkörpers (12) das Konversionselement (4) vollständig oder zumindest teilweise umfasst.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) und/oder die Kavität (14) eine etwa rotationssymmetrische Gestalt (20, 22, 50, 52) aufweisen, und/oder wobei der Kühlkörper (12) das Konversionselement (4) etwa konzentrisch zu einer Transmissionsachse (16) oder zu einer Reflexionshauptachse umfasst.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) eine etwa zylindrische Gestalt (22) und/oder eine etwa kugelförmige Gestalt (50) aufweist, und/oder wobei die Kavität (14) zumindest in einem Konversionselementnahen Abschnitt und/oder zumindest in einem zum Festlegen des Konversionselements (4) vorbereiteten Abschnitt eine etwa hohlzylindrische Gestalt (20) und/oder eine etwa konkave hohlzylindrische Gestalt und/oder eine etwa hohlkugelige Gestalt und/oder eine etwa hohlkugelschichtige Gestalt (52) und/oder eine etwa teilkugelförmige Gestalt und/oder eine etwa halbkugelförmige Gestalt aufweist.
Konversionselement nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem anregungsstrahlungsseitig angeordneten und/oder einem konversionsstrahlungsseitig angeordneten optischen Element (32).
Konversionsvorrichtung nach dem Anspruch 4, wobei das optischen Element (32) bezüglich einer Anregungsstrahlung (8) des Konversionselements (4) etwa anti-reflektiv und/oder etwa anti-reflektiv ein- oder beidseitig beschichtet und/oder etwa transparent und/oder etwa aus Saphir gefertigt und/oder zumindest weniger reflektierend als bezüglich einer Konversionsstrahlung (10) des Konversionselements (4) und/oder ein wellenlängen-selektives Filter und/oder ein Farbfilter und/oder ein wellenlängen-selektiver Spiegel und/oder ein Farbspiegel und/oder ein dichroitischer Spiegel (54) und/oder dichroitisch ein- oder beidseitig beschichtet und/oder eine Kombination daraus ist, und/oder das optische Element (32) ein Abschnitt der Kavität (14) ist, und/oder das optische Element (32) einen Kollimatorabschnitt (34) aufweist, und/oder das das optische Element (32) einen paraboloiden Wandungsverlauf (82) und/oder einen ellipsoiden Wandungsverlauf und/oder einen hyperboloiden Wandungsverlauf (84) aufweist, und/oder das optische Element (32) eine Kombination daraus ist.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) einstückig oder mehrstückig ist.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) einstofflich aus einem Konversionsstoff gebildet ist, oder wobei das Konversionselement mehrstofflich aus zumindest einem Konversionsstoff gebildet ist.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konversionsstoff entlang einer Konversionsachse (16) etwa homogen oder etwa inhomogen konzentriert verteilt ist, und/oder wobei der Konversionsstoff entlang der Konversionsachse (16) von der Anregungsstrahlungsseite hin zu der Konversionsstrahlungsseite zunehmend konzentriert ist, und/oder wobei das Konversionselement (4) entlang einer Konversionsachse (16) mehrstückig aus Konversionsteilelementen (46) mit zueinander etwa ungleichen Konversionsstoffkonzentrationen zusammengesetzt ist.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konversionsstoff etwa Phosphor und/oder etwa eine Phosphorkeramik und/oder ein in Aluminiumoxid gebundener Phosphor ist.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (4) an dem Kühlkörper (12) unmittelbar oder mittelbar durch zumindest eine Zwischenschicht (48) anliegt, wobei die zumindest eine Zwischenschicht (48) eine Beschichtung des Konversionselements (4) und/oder des Kühlkörpers (12) ist, und/oder wobei die Zwischenschicht (48) ein zwischen das Konversionselement (4) und den Kühlkörper (12) eingebrachter Werkstoff ist, und/oder wobei die zumindest eine Zwischenschicht (48) durch eine Stoffänderung und/oder eine additive und/oder subtraktive Stoffzusammensetzungsänderung und/oder eine Stoffgefügeänderung aus dem Konversionselement (4) und/oder aus dem Kühlkörper (12) hervorbringbar ist.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Zwischenschicht (48) etwa reines Silikon und/oder etwa Silikon-basierter Werkstoff und/oder etwa Siliziumoxid und/oder mit Siliziumoxidpartikeln versehenes Silikon und/oder ein reiner Werkstoff und/oder ein glasschweißbarer Werkstoff und/oder ein beschichtbarer Werkstoff und/oder ein bedampfbarer Werkstoff und/oder ein Verbundwerkstoff und/oder eine Kombination daraus ist; und/oder wobei der Kühlkörper (12) ein Metall und/oder eine Silberlegierung und/oder als etwa reines Silber und/oder eine Kupferlegierung und/oder etwa reines Kupfer und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder etwa reines Aluminium und/oder ein Silizium-basierten Werkstoff und/oder etwa reines Silizium ist oder zumindest enthält.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (12) ein Primärkühlkörper (36) ist, der mit einem Sekundärkühlkörper (38) thermisch verbunden oder zumindest verbindbar ist.
Konversionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dem Kühlkörper (12) zugewandten Oberfläche des (4) Konversionselements poliert ist, und/oder die nicht-anregungsstrahlungsseitige und/oder die zu der Anregungsstrahlungsseite verschiedene und/oder die nichtkonversionsstrahlungsseitigen und/oder die zu der Konversionsstrahlungsseite verschiedene Oberfläche des Konversionselements (4) poliert ist, und/oder das Konversionselement (4) etwa allseitig poliert ist, und/oder die dem Konversionselement (4) zugewandte Oberfläche des Kühlkörpers (12) und/oder der Kavität (14) und/oder die Oberfläche (28) der Kavität (14) poliert ist.
Leuchtmittel mit einer Konversionsvorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einer anregungsstrahlungsseitig des Konversionselements (4) angeordneten Anregungsstrahlungsquelle (42).
Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem Leuchtmittel (40) nach dem vorstehenden Anspruch.