DE102019134404A1 - Stiftkühlkörper zum Abführen von Wärme von Halbleiter-Lichtquellen und Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit einem solchen Kühlkörper - Google Patents

Abstract

Es wird ein Kühlkörper, insbesondere zur Kühlung von elektronischen Bauteilen (LEDs), vorgeschlagen, der bei gleicher Kühlleistung weniger Bauraum beansprucht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stiftkühlkörper zum Abführen von während des Betriebs mindestens einer Halbleiter-Lichtquelle erzeugter Wärme.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Halbleiter-Lichtquelle und einem Stiftkühlkörper zum Abführen von während des Betriebs der mindestens einen Halbleiter-Lichtquelle erzeugter Wärme.
• Eine Halbleiter-Lichtquelle kann z.B. als eine Leuchtdiode (LED) oder als eine Halbleiter-Laser-Lichtquelle ausgebildet sein. Halbleiter-Lichtquellen geben während ihres Betriebs Wärme ab und sind andererseits relativ wärmeempfindlich, so dass es bei unzureichender Kühlung der Halbleiter-Lichtquellen zu nachlassender Lichtleistung, sich ändernder Lichtfarbe, oder gar zu einem Defekt der Lichtquelle kommen kann. Nachfolgend wird lediglich beispielhaft auf LEDs als Halbleiter-Lichtquellen näher eingegangen, ohne dass die Erfindung jedoch auf solche Halbleiter-Lichtquellen beschränkt wäre.
• Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Stiftkühlkörper bekannt, die eine Grundplatte und mehrere prismatische Kühlstifte aufweist.
• An der Oberfläche des Kühlkörpers findet aufgrund einer Temperaturdifferenz zur umgebenden Luft ein Wärmeaustausch statt. Die Kühlstifte dienen dazu, die Oberfläche des Kühlkörpers zu vergrößern, um dadurch den Wärmeaustausch zu verbessern. Nachteilig ist jedoch, dass mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte der Nutzen der Kühlstifte sinkt. Das ist in der Tatsache geschuldet, dass die Oberflächentemperatur der Kühlstifte mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte abnimmt und in Folge dessen auch die flächenspezifische Wärmeübertragung vom Kühlstift auf die Umgebungsluft abnimmt.
• Aus der WO 2016/110 573 A1 ist ein Kühlköper bekannt, der aus gefaltetem Metallblech besteht. Dieser Kühlkörper hat zwar eine sehr große Oberfläche bezogen auf das Volumen; allerdings behindert die geringe Wandstärke des Kühlkörpers die innere Wärmeleitung, sodass im Ergebnis die Wärmeübertragungsleistung des Kühlkörpers bezogen auf sein Bauvolumen nicht optimal ist.
• Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass er möglichst leicht und kompakt ist, aber dennoch die erforderliche Wärmeabfuhr von der mindestens einen LED-Lichtquelle sicherstellen kann.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Stiftkühlkörper vorgeschlagen, der eine Grundplatte und mehrere auf der Grundplatte angeordnete Stifte umfasst, wobei in einem ersten Bereich der Stifte eine Querschnittsfläche der Stifte mit zunehmender Entfernung von der Grundplatte abnimmt und ein Umfang der Stifte mit zunehmender Entfernung von der Grundplatte zunimmt. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis von Querschnitt zu Oberfläche mit zunehmender Entfernung reziprok bzw. umgekehrt proportional.
• Auf diese Weise wird die Effektivität der Wärmeübertragung verbessert. In dem Bereich in der Nähe der Grundplatte haben die Stifte eine relativ große Querschnittsfläche, so dass dort trotz des relativ großen Wärmestroms die Wärmestromdichte relativ gering ist.
• Mit zunehmendem Abstand von der Grundfläche verringert sich der Wärmestrom, weil ein Teil der von der Grundplatte in den Stift eingeleiteten Wärme bereits an die Umgebungsluft abgegeben wurde. Infolge dessen kann auch der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche des Stifts abnehmen, ohne dass die Wärmestromdichte zunimmt. Gleichzeitig wird mit zunehmendem Abstand zur Grundfläche bei den erfindungsgemäßen Kühlstiften der Umfang und damit die Oberfläche des Stifts größer. Dadurch ist trotz der geringeren lokalen Oberflächentemperatur der Kühlstifte eine gute Wärmeübertragung an die Umgebungsluft gewährleistet. Die Vergrößerung der Oberfläche mit zunehmenden Abstand zur Grundplatte wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass der Umfang der Kühlstifte mindestens bereichsweise zunimmt.
• Weil die Querschnitte der Stifte mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte abnehmen, kann die Umgebungsluft, welche zwischen den parallel zueinander angeordneten Stiften hindurchströmt, freier strömen, d. h. der Strömungswiderstand nimmt ab. Das verringert den Leistungsbedarf eines Gebläses bzw. verbessert die freie Konvektion.
• All diese Effekte tragen zusammen gemeinsam zu einem sehr guten Wärmeaustausch und einer sehr guten effizienten Wärmeübertragung von dem Kühlkörper auf die Umgebungsluft bei.
• Im Ergebnis kann bei gleichen Randbedingungen, wie Wärmeleistung, Grundfläche der Grundplatte, Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur der Umgebungsluft etc., eine Verringerung der Länge der Stifte um etwa 30% erzielt werden.
• Dies bedeutet, dass der Kühlkörper weniger Bauraum beansprucht und effektiver ist. Weil der Kühlkörper eine geringere Bauhöhe hat, ist er fertigungstechnisch einfacher zu beherrschen und die Herstellung beispielsweise durch Fließpressen oder ein anderes Umformverfahren kann auf kleineren Maschinen mit der erforderlichen Präzision ausgeführt werden. Dadurch verringern sich die Maschinen- und die Werkzeugkosten. Das ist bei einem in großen Serien gefertigten erfindungsgemäßen Kühlkörper ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist darin zu sehen, dass die „Schnittstelle“ zu einer LED oder einem anderen wärmeabgebenden elektronischen Bauteil, unverändert bleibt. Dies bedeutet, dass der erfindungsgemäße Kühlkörper auch in Beleuchtungseinrichtungen, die bereits in Serie gefertigt werden, eingeführt werden kann, ohne an der Schnittstelle zur LED oder der anderen Peripherie der Beleuchtungseinrichtung nennenswerte Änderungen vorgenommen werden müssten.
• Es ist möglich, dass der erste Bereich direkt, das heißt unmittelbar an die Grundplatte anschließt. Allerdings ist es in vielen Fällen auch vorteilhaft, wenn zwischen der Grundplatte und dem ersten Bereich ein zweiter Bereich vorhanden ist. In diesem zweiten Bereich können die Querschnittfläche und der Umfang der Stifte mit zunehmender Entfernung von der Grundplatte abnehmen. Beispielsweise kann in diesem zweiten Bereich die Stifte als Kegelstumpf ausgebildet sein.
• Es ist auch möglich, dass in diesem zweiten Bereich die Querschnittsfläche und der Umfang der Stifte konstant sind. Dann könnten die Stifte in diesem zweiten Bereich als Zylinder oder Polygon ausgebildet sein. Form und Abmessungen des zweiten Bereichs werden im Wesentlichen durch die Fertigungstechnik bestimmt. Es kann einfacher sein, von der Grundplatte mit Hilfe des zweiten Bereichs einen Übergang in den ersten Bereich zu schaffen. Dann ist der Umformgrad am Übergang zwischen der Grundplatte und den Stiften etwas geringer und es können sich dadurch fertigungstechnische Vorteile ergeben.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann im Anschluss an den ersten Bereich, das heißt mit einem größeren Abstand von der Grundplatte als der erste Bereich, ein dritter Bereich anschließen, in dem Querschnitte der Stifte konstant sind.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in dem ersten Bereich der Querschnitt aus einem Kegelstumpf oder einer Pyramide und einem oder mehreren prismatischen Körpern, insbesondere einem oder mehreren Zylindern, zusammengesetzt ist. Diese Durchdringung mehrerer geometrischer Körper (Pyramide bzw. Kegelstumpf und prismatischer Körper, wie zum Beispiel Zylinder oder Polygon), ist fertigungstechnisch relativ einfach zu realisieren, da beispielsweise eine Matrize zum Fließpressen des erfindungsgemäßen Körpers durch Erodieren hergestellt werden kann, wenn die Stifte sich aus den genannten beiden Gruppen von Körpern zusammensetzen.
• In dem dritten Bereich können die Stifte aus einem, zwei, drei, vier oder mehr parallel zueinander verlaufenden Zylindern bestehen. Diese Zylinder bzw. die Mittelachsen dieser Zylinder bzw. der prismatischen Körper sind versetzt zu einer Mittelachse der Pyramide oder des Kegelstumpfs des ersten Bereichs. Dadurch ergibt sich auch als „Nebeneffekt“, dass die Zylinder in dem ersten Bereich langsam aus dem Kegelstumpf bzw. der Pyramide „herauswachsen“. Dadurch stellt sich die erfindungsgemäße Verringerung der Querschnittsfläche bei gleichzeitiger Vergrößerung des Umfangs ein.
• Der erfindungsgemäße Kühlkörper kann vorteilhafterweise durch einen Umformprozess, wie beispielsweise (Rückwärts-)Fließpressen auf einfache und prozesssichere Weise hergestellt werden. Es ist auch möglich, dass er durch ein generatives Herstellungsverfahren oder Feinguss hergestellt wird.
• Die vorliegende Erfindung wird auch durch eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die einen erfindungsgemäßen Kühlkörper aufweist. Die Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Scheinwerfer ausgebildet. Aufgrund des großen Anteils des Kühlkörpers an dem erforderlichen Gesamtbauraum der Beleuchtungseinrichtung, kann mit der vorliegenden Erfindung durch Verwendung des besonders kleinbauenden und auch leichten Stiftkühlkörpers bei gleichen Randbedingungen (Umgebungstemperatur, Naturkonvektion oder Zwangskonvektion) eine deutliche Bauraumreduzierung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung gegenüber herkömmlichen Beleuchtungseinrichtungen erzielt werden.
• Weiter Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen erfindungsgemäßen Stiftkühlkörper gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
• 2 ein Lichtmodul mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform;
• 3 einen erfindungsgemäßen Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform;
• 4 eine schematische Darstellung der Geometrie der erfindungsgemäßen Kühlstifte,
• 5 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kühlstifts gemäß einer ersten Ausführungsform;
• 6 eine schematische Darstellung von Querschnittsfläche und Umfang eines erfindungsgemäßen Kühlstifts in Abhängigkeit von der Entfernung zur Grundplatte; und
• 7 ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlstift bei II in 5.
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stiftkühlkörper, insbesondere zur Verwendung als Teil eines Lichtmoduls einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, und eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit einem solchen Kühlkörper. In 1 ist als Beispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ein Scheinwerfer 1 dargestellt. Er dient zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung. Die Lichtverteilung kann eine beliebige Scheinwerferfunktion sein, bspw. Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht oder eine beliebige adaptive Lichtverteilung (z.B. Teilfernlicht, Markierungslicht). Bei dem sog. Teilfernlicht fährt das Fahrzeug, vorzugsweise außerhalb geschlossener Ortschaften, mit Dauerfernlicht, wobei diejenigen Bereiche der Lichtverteilung, in denen sich andere Verkehrsteilnehmer befinden, isoliert abgeschattet oder gedimmt werden, um eine Blendung der anderen Verkehrsteilnehmer zu verhindern. Die anderen Verkehrsteilnehmer können bspw. mittels einer Kamera im Frontbereich des Fahrzeugs detektiert werden. Bei dem sog. Markierungslicht wird dauerhaft mit einer abgeblendeten Lichtverteilung mit einer horizontalen Helldunkelgrenze gefahren, wobei diejenigen Bereiche oberhalb der Helldunkelgrenze, in denen Objekte (Fußgänger, Radfahrer, Wildtiere, etc.) detektiert wurden, gezielt isoliert angestrahlt werden, um die Aufmerksamkeit des Fahrers auf diese Objekte zu richten.
• Der Scheinwerfer 1 umfasst ein Gehäuse 2, das vorzugsweise aus einem lichtundurchlässigen Material, insbesondere Kunststoff besteht. In einer Lichtaustrittsrichtung 3 weist das Gehäuse 2 eine Lichtaustrittsöffnung 4 auf, die durch eine Abdeckscheibe 5 verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 5 besteht vorzugsweise aus einem transparenten Material, bspw. Glas oder Kunststoff. Die Abdeckscheibe 5 ist in dem Beispiel ohne optisch wirksame Elemente (z.B. Prismen oder Zylinderlinsen) ausgebildet. Es wäre aber auch denkbar, dass die Abdeckscheibe 5 zumindest bereichsweise mit optisch wirksamen Elementen versehen ist.
• Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein lediglich schematisch dargestelltes Lichtmodul 6 angeordnet. Es dient zur Erzeugung der Lichtverteilung des Scheinwerfers 1 oder eines Teils der Lichtverteilung. Der Scheinwerfer 1 ist an der Außenseite vorzugsweise im Frontbereich des Kraftfahrzeugs in einer entsprechenden Einbauöffnung angeordnet. Außer dem Lichtmodul 6 können in dem Gehäuse 2 selbstverständlich auch noch andere Lichtmodule und/oder Leuchtenmodule angeordnet sein (nicht dargestellt). So wäre es bspw. denkbar, dass das Lichtmodul 6 zusammen mit einem anderen Lichtmodul die Lichtverteilung des Scheinwerfers 1 erzeugt. Alternativ kann ein anderes Lichtmodul auch eine andere Lichtverteilung erzeugen als das Lichtmodul 6. Ein Leuchtenmodul kann zur Realisierung einer beliebigen Leuchtenfunktion (z.B. Blinklicht, Tagfahrlicht, Stand- oder Positionslicht) vorgesehen sein.
• Das Lichtmodul 6 umfasst mindestens eine Halbleiter-Lichtquelle 10 (vgl. 2), die nachfolgend beispielhaft als LED-Lichtquelle bezeichnet wird und die Licht emittiert, das zur Erzeugung der Lichtverteilung des Scheinwerfers 1 dient. Die LED-Lichtquellen 10 sind auf einem Schaltungsträger 11 (Leiterplatte, PCB) angeordnet und über diesen elektrisch kontaktiert. Das von der LED-Lichtquelle 10 emittierte Licht 12 muss durch geeignete optisch wirksame Elemente (in der 2 nicht gezeigt) geformt und umgelenkt werden, um die gewünschte Lichtverteilung gemäß den gesetzlichen Vorgaben und mit der gewünschten Qualität (Helligkeit, Homogenität, etc.) erzeugen zu können. Das emittierte Licht 12 kann bspw. mittels einer Primäroptik (z.B. eines Reflektors oder einer Vorsatzoptik) gebündelt und umgelenkt werden.
• Das Lichtmodul 6 kann darüber hinaus weitere optisch wirksame Elemente aufweisen (z.B. eine Sekundäroptik in Form einer Projektionslinse oder eines Reflektors, Lichtleiter-, Blendenelemente, etc.). Dem Fachmann sind viele verschiedene Ausführungsformen von LED-Lichtmodulen 6 einschließlich deren Aufbau und Funktionsweise bekannt, so dass darauf an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird.
• Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist jedoch, dass die LED-Lichtquellen 10 während des Betriebs gekühlt werden müssen, um deren Überhitzen zu vermeiden. Dies wird mittels eines Kühlkörpers 13 erreicht, der erfindungsgemäß in besonderer Weise ausgebildet ist.
• Der Kühlkörper 13 umfasst eine Grundplatte 14. Auf der Vorderseite der Grundplatte 14 sind die LED-Lichtquellen 10 und der Schaltungsträger 11 möglichst gut wärmeleitend (zum Beispiel mittels eines geeigneten Klebstoffs) befestigt bzw. angeordnet. Die erfindungsgemäßen Kühlstifte 15 sind auf der Rückseite der Grundplatte 14 angeordnet. Kühlstifte 15 und Grundplatte 14 sind in der Regel aus einem Stück gefertigt. Bevorzugt kommen Aluminium, Magnesium oder Legierungen dies Metalle zum Einsatz. Die Geometrie der erfindungsgemäßen Kühlstifte 15 wird anhand der 3 ff im Detail erläutert.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Kühlstifte 15 optional von einem Kasten-, Halbrund- oder Rundprofil 16 umgeben sind. Die Grundplatte 14 und das Profil bilden einen Kanal durch den Kühlluft strömt. Das Kasten-, Halbrund- oder Rundprofil 16 ist vorteilhafterweise als Strangpressprofil, vorzugsweise aus Aluminium, ausgebildet.
• Die Belüftung des Kühlkörpers 13 erfolgt über den Kamineffekt in dem Hohlraum 17 des geschlossenen Kasten-, Halbrund- oder Rundprofils 16. Alternativ oder zusätzlich können auch Mittel 18 zur Zwangsbelüftung vorgesehen sein, bspw. in Form eines Gebläses. Dieses kann blasend oder saugend arbeiten. In der 2 ist ein saugendes Gebläse 18 gezeigt, das einen Luftstrom 19 durch den Hohlraum 17 und an den in dem Hohlraum 17 angeordneten Kühlstiften 15 vorbei fördert.
• In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 13 in einer Isometrie dargestellt. In der 3 ist die Rückseite der Grundplatte mit einer Vielzahl von Stiften 15 gut zu sehen. Die Stifte 15 sind in der Art einer Matrix dicht nebeneinanderstehend angeordnet. Ihre Längsachsen verlaufen parallel zueinander und orthogonal zu der Grundplatte 14. Schon aus dieser Isometrie ist zu erkennen, dass sich die Stifte 15 mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte hin verjüngen. Eine Längenkoordinate „1“, die ihren Ursprung in der Rückseite 19 der Grundplatte 14 hat, ist zu Veranschaulichung in der 3 eingetragen.
• Anhand der 4 soll exemplarisch die zusammengesetzte Geometrie eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlstifts 15 veranschaulicht werden. Der Kühlstift 15 setzt sich bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Kegelstumpf 20 und vier parallelen Zylindern 21 zusammen. Die Längsachsen des Kegelstumpfs 20 und der Zylinder 21 verlaufen parallel zueinander.
• Im rechten Teil der 4 ist ein Kühlstift 15 als Durchdringung von Kegelstumpf 20 und Zylindern 21 dargestellt. Der in 4 dargestellte erfindungsgemäße Kegelstift 15, der aus einem Kegelstumpf 20 und vier Zylindern 21 zusammengesetzt ist, lässt sich durch Erodieren oder andere formgebende Verfahren in eine Matrize einbringen. Diese Matrize ist ein Umform-Werkzeug mit dessen Hilfe der erfindungsgemäße Kühlkörper 13 kostengünstig und in großen Stückzahlen durch Fließpressen hergestellt werden kann.
• Es ist selbstverständlich auch möglich, dass beispielsweise anstelle des Kegelstumpfs 20 eine Pyramide zum Einsatz kommt. Auch können anstelle der Zylinder 21 andere prismatische Körper (Vierkantstäbe oder Stäbe mit sechseckigem Querschnitt) zum Einsatz kommen. Die Erfindung ist nicht auf einen Kegelstumpf 20 und vier Zylinder 21 beschränkt.
• In der 5 ist nun eine Seitenansicht eines des Stifts 15 gemäß der 3 und 4 dargestellt. In der Seitenansicht ist die aus der 3 bekannte Längenkoordinate „1“ eingetragen. Der Ursprung dieser Längenkoordinate L beginnt an der Rückseite der Grundplatte 14.
• Die Längenkoordinate „1“ ist insgesamt in vier Bereiche unterteilt. Bei „I“ beginnt ein erster Bereich 100; er endet bei „II“. Dieser erste Bereich 100 umfasst im Querschnitt den Kegelstumpf 20 und die Zylinder 21. Weil mit zunehmendem Abstand zur Grundplatte der Durchmesser des Kegelstumpfs bzw. der Querschnitt des Kegelstumpfs 20 abnimmt, treten die Zylinder 20 immer weiter aus dem Kegelstumpf hervor. Im Ergebnis hat der Stift 15 in dem ersten Bereich 100 einen kleeblattartigen Querschnitt entsprechend dem Schnitt entlang der Linie B-B. In diesem kleeblattartigen Querschnitt kann man die vier Zylinder 21 und in deren Mitte den Kegelstumpf 20 gut erkennen.
• An der Längenkoordinate „II“ ist der Durchmesser des Kegelstumpfs 20 kleiner als die lichte Weite zwischen den Zylindern 21, so dass von da ab der (Gesamt-)Querschnitt aus fünf kreisförmigen kleinen (Teil-)Querschnittsflächen besteht, die einander nicht berühren.
• In einem zweiten optionalen Bereich 200, beginnend an der Rückseite der Grundplatte 14 (1 = 0) ist der Querschnitt des Stifts 15 ausschließlich durch den Kegelstumpf 20 vorgegeben. Anschaulich gesprochen verschwinden die Zylinder 21 noch im Inneren des Kegelstumpfs. Es auch möglich, dass die Grundplatte 14 direkt bei der Längenkoordinate I angeordnet ist, so dass der Stift 15 direkt mit dem ersten Bereich 100 beginnt.
• Der zweite Bereich 200 ist oftmals vor dem Hintergrund der Fertigungstechnik zu sehen. Es ist manchmal eine Vereinfachung, wenn der Übergang zwischen der Grundplatte 14 und den Stiften mit einer einfachen Querschnittsgeometrie (Kreisform) und nicht sofort mit der erfindungsgemäßen „kleeblattartigen“ Querschnittsgeometrie beginnt.
• Bei der Längenkoordinate L = „III“ und bis zum Ende des Kühlstifts 15 bei „L“ sind nur noch die vier parallel zueinander verlaufenden Zylinder 21 vorhanden. In diesem dritten Bereich ist die Querschnittsfläche des Stifts 15 und die Umfangsfläche konstant. In dem ersten Bereich 100 nimmt der Querschnitt kontinuierlich ab, während der Umfang zunimmt.
• Zwischen dem ersten Bereich 100 und dem dritten Bereich 300 ist ein Übergangsbereich 400 vorhanden. In dem Übergangsbereich 400 nehmen der Querschnitt und der Umfang kontinuierlich ab. Es ist auch möglich, dass der Übergangsbereich 400 entfällt. Dann endet der Kegelstumpf 20 schon bei „II“ und nicht erst bei „III“.
• Anhand der 6 werden der Verlauf der Querschnittsfläche A und des Umfangs U in Abhängigkeit der Längenkoordinate „1“ veranschaulicht und erläutert. Eine Linie 32 zeigt den Verlauf der Querschnittsfläche A durch einen Stift 15 in Abhängigkeit der Längenkoordinate „1“, deren Ursprung mit der Rückseite der Grundplatte 14 zusammenfällt. Der zweite Bereich 200 erstreckt sich von 1 = 0 bis I. Dort hat Stift 15 die Form eines Kegelstumpfs. Daher nimmt die Querschnittsfläche A ab, beginnend bei 0 bis zum Ende des zweiten Abschnitts 200.
• Danach beginnt der erste Bereich 100, bei dem der Stift durch die Durchdringung des Kegelstumpfs 20 und der Zylinder 21 gebildet wird. Die Querschnittfläche A nimmt in diesem Bereich weiterhin ab, allerdings mit einer geringeren negativen Steigung als im zweiten Bereich 200.
• In dem Übergangsbereich 400 (zwischen „II“ und „III“ ist der Betrag der negativen Steigung der Linie 32 etwas größer als im ersten Bereich, weil in dem Übergangsbereich 400 die Abnahme des Querschnitts ausschließlich von dem Kegelstumpf bestimmt wird. Die Zylinder 21, die den Kegelstumpf in diesem Bereich nicht mehr berühren, haben einen konstanten Querschnitt.
• In dem dritten Bereich 300, beginnend bei „III“ bis hin zum Ende bei „L“ der Koordinate L ist die Querschnittsfläche A konstant, weil dort nur noch die vier Zylinder 21 vorhanden sind und diese einen konstanten Querschnitt haben.
• Mit der Linie 34 ist der Umfang U des erfindungsgemäßen Kühlstifts 15 in Abhängigkeit der Längenkoordinate „1“ dargestellt. In dem zweiten Bereich 200 nimmt der Umfang linear ab.
• In dem Bereich zwischen I und II nimmt der Umfang U wieder deutlich zu. In dem Übergangsbereich 400 zwischen II und III nimmt der Umfang wieder etwas ab. In dem dritten Bereich 300 ist der Umfang wieder konstant.
• Die Linien 32 und 34 stellen die Verläufe von „A“ und „U“ nur qualitativ und nicht exakt dar. Insbesondere sind bei einer exakten Darstellung die Linien 32 und 34 in den Bereichen 100, 200 und 400 nicht gerade, sondern gekrümmt.
• Für die Erfindung wesentlich ist, dass in dem größeren Teil des ersten Bereichs 100 die Querschnittsfläche A abnimmt, während gleichzeitig der Umfang U zunimmt.
• Der zunehmende Umfang gewährleistet, dass ein guter Wärmeaustausch zwischen der die Stifte 15 umströmenden Luft und den Stiften 15 stattfindet, obwohl die Temperatur im Inneren der Stifte 15 niedriger ist als am Fuß der Stifte 15, wo die Stifte 15 mit der Grundplatte 14 verbunden sind.
• In dem dritten Bereich 300, wo die Zylinder 21 parallel zueinander verlaufen, ist eine sehr filigrane Struktur vorhanden, die ausreicht, um die dort noch vorhandene Wärme an die Spitzen der Zylinder 21 zu leiten. Gleichzeitig stellen diese dünnen Zylinder 21 nur einen sehr geringen Strömungswiderstand für die sie umströmende Umgebungsluft dar, so dass auch aus diesem Grund eine sehr gute Umströmung der Zylinder 21 erfolgt und infolge dessen ein sehr guter Wärmeaustausch stattfindet.
• Der erfindungsgemäße Kühlkörper 13 ist fertigungstechnisch einfach zu beherrschen, indem eine Matrize hergestellt wird, welche die Negativform der Stifte 15 aufweist. Diese Matrize wird in einem Aluminiumrohling gepresst, so dass die Stifte 15 durch Rückwärtsfließpressen aus der Grundplatte herausgeformt werden.
• Anhand der 7 soll der Zusammenhang zwischen Querschnitt A und Umfang U bei der erfindungsgemäßen Querschnittsgeometrie im ersten Bereich, genauer gesagt in dem Bereich an der Stelle II gemäß der 5 verdeutlicht werden.
• Wenn man den Durchmesser des Kegelstumpfs 20 bei 1 = „I“ mit D bezeichnet, dann ergeben sich für Querschnitt A und Umfang U bei 1 = I: $${\text{A}}_{\left(\text{I}\right)}=\left(\mathrm{\pi }/4\right)\times {\text{D}}^2$$

  

  $${\text{U}}_{\left(\text{I}\right)}=\mathrm{\pi }\times \text{D}$$

  
• Bei der Längenkoordinate II haben die Zylinder 21 in dem gewählten Beispiel und der Kegelstumpf 20 den Durchmesser D/3. Dies bedeutet, dass sich der Kegelstumpf 20 und die Zylinder 21 gerade noch berühren.
• Damit ergeben sich FÜR 1 0 ii folgende Werte für die Querschnittsfläche A und den Umfang U: $${\text{A}}_{\left(\text{II}\right)}=5\times \left(\mathrm{\pi }/4\right)\times {\left(\text{D}/3\right)}^2$$

  

  $${\text{U}}_{\left(\text{II}\right)}=5\mathrm{\pi }\times \text{D}/\text{3=}\left(5/3\right)\times \text{D}$$

  
• Daraus folgt: $${\text{A}}_{\left(\text{I}\right)}>{\text{A}}_{\left(\text{II}\right)}$$

  

  und $${\text{U}}_{\left(\text{II}\right)}>{\text{U}}_{\left(\text{I}\right)}$$

  
• Eine vergleichbare Rechnung lässt sich auch für andere zusammengesetzte Geometrien, wie zum Beispiel einen Pyramidenstumpf anstelle des Kegelstumpfs 20 oder prismatische Stäbe mit polygonalem Querschnitt anstelle der Zylinder 21 aufmachen.
• Bezugszeichenliste

1

Scheinwerfer

2

Gehäuse

3

Lichtaustrittsrichtung

4

Lichtaustrittsöffnung

5

Abdeckscheibe

6

Lichtmodul

10

LED-Lichtquellen

11

Schaltungsträger

12

emittiertes Licht

13

(Stift-)Kühlkörper

14

Grundplatte

15

Kühlstifte

16

Kasten-, Halbrund- oder Rundprofil

17

Hohlraum

18

Mittel zur Zwangsbelüftung/Gebläse

20

Kegelstumpf

21

Zylinder

32

Line A(l)

34

Line U(1)

100

erster Bereich

200

zweiter Bereich

300

dritter Bereich

400

Übergangsbereich

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2016/110573 A1 [0006]

Claims (12)

1. Stift-Kühlkörper umfassend eine Grundplatte (14) und mehrere auf der Grundplatte (14) angeordnete Stifte (15), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Bereich (100) eine Querschnittsfläche (A) der Stifte (15) mit zunehmender Entfernung (1) von der Grundplatte (14) abnimmt und ein Umfang (U) der Stifte (15) mit zunehmender Entfernung (1) von der Grundplatte (14) zunimmt.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (100) unmittelbar an die Grundplatte (14) anschließt
3. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bereich (100) und der Grundplatte (14) ein zweiter Bereich (200) vorhanden ist, und dass in dem zweiten Bereich (100) eine Querschnittsfläche (A) und ein Umfang (U) der Stifte (15) mit zunehmender Entfernung (1) von der Grundplatte (14) abnehmen.
4. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bereich (100) und der Grundplatte (14) ein zweiter Bereich (200) vorhanden ist, und dass in dem zweiten Bereich (200) die Querschnittsfläche (A) und der Umfang (U) der Stifte (15) konstant sind.
5. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Bereich (100) ein dritter Bereich (300) anschließt, und dass in dem dritten Bereich (300) die Querschnittsfläche (A) und der Umfang (U) der Stifte (15) konstant ist.
6. Kühlkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bereich (100) und dem dritten Bereich (300) ein Übergangsbereich (400) vorhanden ist, und dass in dem ein Übergangsbereich (400) die Querschnittsfläche (A) und der Umfang (U) der Stifte (15) abnehmen.
7. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem ersten Bereich (100) der Querschnitt aus einem Kegelstupf (20) oder einer Pyramide und einem oder mehreren prismatischen Körpern, insbesondere einem oder mehreren Zylindern (21), zusammensetzt.
8. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (15) in dem dritten Bereich (300 einen konstanten Querschnitt aufweisen.
9. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (15) in dem dritten Bereich (300) aus einem, zwei, drei, oder mehr parallelen Zylindern (21) bestehen.
10. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durch Fließpressen, insbesondere durch Vorwärts-Fließpressen hergestellt ist.
11. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durch ein generatives Fertigungsverfahren oder Feinguss hergestellt ist.
12. Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (1) mit mindestens einer Halbleiter-Lichtquelle (10) und einem Kühlkörper (13) aus Aluminium zum Abführen von während des Betriebs der mindestens einen Halbleiter-Lichtquelle (10) erzeugter Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.

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