DE102023134612A1 - Anordnung zur Wärmeableitung für LED-Beleuchtungsarmaturen - Google Patents

Abstract

Eine LED-Beleuchtungsvorrichtung hat eine Vielzahl von LEDs (4), die auf einer Platine (3) montiert sind und zusammen ein LED-Modul bilden. Eine Abdeckung (10) ist auf dem LED-Modul auf einer den LEDs gegenüberliegenden Seite der Platine vorgesehen. Die Abdeckung hat mindestens eine Rippe (12), die sich im Wesentlichen senkrecht zum LED-Modul erstreckt. Jede Rippe hat einen Innenkanal (14), in dem ein Wärmeleitelement (2) vorgesehen ist. Das wärmeleitende Element (2) hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Rippe und ist im Wesentlichen von der Rippe (12) eingekapselt.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Diese Erfindung bezieht sich auf LED-Beleuchtungsvorrichtungen.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die meisten der heute auf dem Markt befindlichen LED-Leuchten werden aus Aluminium hergestellt, da es sich um ein gut erprobtes Material handelt, das eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und Wärme sehr gut leiten kann. Wenn LED-Dioden bei hohen Temperaturen betrieben werden, die die empfohlenen Betriebstemperaturen überschreiten, können sie beschädigt werden und ihre Lebensdauer kann sich verkürzen. Aluminium hat jedoch den Nachteil, dass es oxidieren kann, z. B. wenn die Leuchte bei der Handhabung beschädigt wird; ein Kratzer oder eine Beschädigung der behandelten Oberfläche könnte dazu führen, dass das Metall freiliegt, wodurch die Gefahr der Oxidation besteht. Aluminium ist in jedem Fall empfindlich für Außenbereiche und salzhaltige Umgebungen, auch wenn es durch die richtige Behandlung geschützt ist. Je nach Konstruktion können Aluminiumarmaturen auch ein recht hohes Gewicht haben.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• ist eine perspektivische Ansicht von oben auf eine Ausführungsform einer Kühlkörperanordnung für eine LED-Beleuchtungsvorrichtung.
• zeigt eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der Kühlkörperanordnung in der in angegebenen Richtung B-B.
• Die zeigen eine Seitenansicht der Ausführungsform der Kühlkörperanordnung, wobei eine Querschnittsansicht in der Richtung A-A ist, wie sie in dargestellt ist.
• zeigt die Unterseite einer Ausführungsform der Kühlkörperanordnung, d. h. die Seite, auf der die LED-Elemente angebracht sind und leuchten können.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Verallgemeinernd gesprochen bieten verschiedene Ausführungsformen der Erfindung eine Kühlkörperanordnung für LED-Beleuchtungsvorrichtungen, bei der relativ hoch wärmeleitende Elemente in Innenräumen von Rippen einer relativ niedriger wärmeleitenden Armatur, die die wärmeproduzierenden Teile der Beleuchtungsvorrichtung, einschließlich der LED-Vorrichtungen selbst, abdeckt, angeordnet und im Wesentlichen gekapselt sind.
• zeigt eine Ausführungsform der Kühlkörperanordnung 1, die eine äußere Abdeckung umfasst, die das Vorrichtungsgehäuse 10 bildet, das eine oder normalerweise eine Vielzahl von seitlich beabstandeten Rippen 12 (die auch als „Rippen“, „Wülste“, „Vorsprünge“ usw. bezeichnet werden können) aufweist, die sich nach außen, weg von den wärmeerzeugenden Teilen, erstrecken, um die Oberfläche zu vergrößern, über die Wärme abgeleitet werden kann. Die Rippen können, müssen aber nicht, die gleiche Breite haben, und ihre jeweiligen Längen werden so gewählt, dass sie der gewünschten Form des Gehäuses und der Form der darunter liegenden wärmeerzeugenden Teile entsprechen. In der dargestellten Ausführungsform verjüngen sich die Enden der Rippen bis zur Oberfläche des Gehäuses, was zur Erhöhung der Festigkeit oder aus ästhetischen Gründen geschehen kann, aber in jedem Fall optional ist und im Allgemeinen von der gewünschten Form und dem Aussehen des Gehäuses 10 abhängt. In den Abbildungen sind nur eine oder einige der Rippen 12 mit einer Referenznummer versehen, um die Abbildungen nicht zu überfrachten. Die Anzahl der Rippen 12 auf dem Gehäuse kann je nach Größe und Leistung der LED-Leuchte als Ganzes gewählt werden: größere Leuchten mit mehr LED-Elementen erfordern im Allgemeinen mehr Rippen für eine angemessene Wärmeableitung.
• Hierzu sind auch die 2 und 3 zu beahten. Öffnungen, Nuten oder „Kanäle“ 14 sind im Inneren jeder Rippe 12 und vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Länge jeder jeweiligen Rippe oder zumindest vorzugsweise über die Länge der darunterliegenden wärmeerzeugenden Teile der Beleuchtungsvorrichtung ausgebildet.
• Wie in am besten zu erkennen ist, befindet sich in jedem der Kanäle 14 ein relativ hoch wärmeleitendes Element 2, das die Form eines Streifens, einer Teilscheibe, einer Platte usw. haben kann und sich vorzugsweise an die Innenform der Kanäle anpasst. Die wärmeleitenden Elemente 2 sind vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen Metall oder einer Kombination von Metallen oder einem anderen Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt. In sind die wärmeleitenden Elemente 2 mit einem rechteckigen Querschnitt dargestellt und erstrecken sich vertikal (wie in der Abbildung zu sehen) mehr als horizontal, d. h. „stehend“, und im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Platine 4. Dies ist jedoch nicht zwingend; die Elemente 2 könnten sich vielmehr mehr „horizontal“ erstrecken (wie in gesehen), also „liegen“, oder jede andere bevorzugte Querschnittsform haben, wie z. B. quadratisch oder dreieckig oder sogar mit einer unregelmäßigen Form, aber vorzugsweise so, dass sie dem Querschnitt des Innenraums der Rippen entsprechen, um einen guten Wärmekontakt zwischen den Elementen 2 und der Innenfläche der Kanäle 14 über die maximale Fläche zu erhalten. Die Herstellung und der Zusammenbau des Gehäuses sind einfach: Die Abdeckung kann geformt oder gepresst werden, und die Wärmeleitelemente 2 können dann in die Kanäle 14 eingesetzt werden.
• Die Abdeckung/Gehäuse 10 und damit die Lamellen 12 sind vorzugsweise aus einem Material wie gepresstem organischen Material, Mineralien, Keramik, Schwamm, Kunststoffen oder anderen Kunststoffen unterschiedlicher Art wie härtenden Kunststoffen oder Harzen, Thermoplasten, Nylon, PE, PS, PP, ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PET (Polyethylenterephthalat, also „Polyester“), PMMA (Poly(methylmethacrylat), PA Polyamid (Nylon), Polycarbonat, PC-Kunststoff, PVC (Polyvinylchlorid), Gummimaterialien, Polyurethan, Epoxid, Verbundwerkstoffe und synthetische oder natürliche Fasern oder natürliches Material wie Biokunststoff oder jedes andere Verkleidungsmaterial, das für die jeweilige Anwendung der Leuchte steif genug und gleichzeitig witterungsbeständig und vorzugsweise sogar wasserfest ist, um das Innere der Leuchte vor den Elementen zu schützen.
• Der Erfinder hat durch Tests herausgefunden, dass besonders vorteilhafte Materialien, aus denen die Abdeckung/das Gehäuse 10 und damit die Lamellen 12 hergestellt werden können, Sheet Molding Compound (SMC) sind, auch bekannt als Sheet Molding Composite, was sich gewöhnlich sowohl auf das verstärkte Verbundmaterial als auch auf das dafür verwendete Pressverfahren bezieht; andere duroplastische Polymere (manchmal auch als „Duroplast“ bezeichnet) und geschredderte Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe bieten ebenfalls die Festigkeit und die Wärmetransporteigenschaften, die für Ausführungsformen der Erfindung geeignet sind, und können in ähnlicher Weise durch Formgebung, wie z. B. Formpressen, Warmformung oder beides, hergestellt werden.
• Es ist zu beachten, dass solche Materialien auch heute noch üblicherweise für die Herstellung von Beleuchtungsgehäusen verwendet werden, aber die Kühlkörper des Standes der Technik bestehen durchweg aus solchem Material, d. h. sie sind massiv, oder sie sind hohl, aber ohne im Wesentlichen eingekapselte Wärmeleitelemente 2 in den inneren Kanälen 14. Daher verlassen sich die bisherigen Kühlkörperanordnungen für LED-Beleuchtungsarmaturen ausschließlich auf die relativ schlechten Wärmeleiteigenschaften des Gehäusematerials, um die Wärme von den LEDs und ihren Ansteuerungsschaltungen abzuleiten. Wie eingangs erwähnt, wurde im Stand der Technik versucht, das Gehäuse ganz oder teilweise aus Aluminium zu fertigen, was eine bessere Wärmeleitung und -ableitung ermöglicht, aber auch zu einer Korrosionsneigung und in der Regel auch zu einem höheren Gewicht führt.
• In Ausführungsformen der Erfindung bildet das Kunststoff-, Verbundmaterial usw. des Gehäuses 10 auch eine Verkleidung für die wärmeleitenden Elemente 2, die diese im Wesentlichen einkapselt, außer an der Unterseite (wie in den Figuren dargestellt), wo die Oberfläche der Elemente 2 so nahe wie möglich und vorzugsweise in direktem - oder so direktem wie möglichem - Wärmekontakt mit entweder der Zwischenmontageplatte/dem Zwischenmaterial 5 oder der Platine 3 und damit nahe an den LEDs 4 liegen sollte, wobei die wärmeleitenden Elemente 2 vorzugsweise dort angeordnet sind, wo die Wärmeerzeugung am größten ist. Es ist zu beachten, dass die Rippen 12 nicht gleichmäßig verteilt sein müssen.
• In der dargestellten Ausführungsform können die LED-Leuchtelemente 4 (von denen nur einige nummeriert sind, um die Abbildung nicht zu verkomplizieren) auf einer herkömmlichen Leiterplatte 3 mit oder ohne eingebaute Wärmeabgabeplatten oder -flächen montiert werden. Die Platine enthält herkömmliche Leiter und andere Komponenten, um die LEDs 4 mit Strom zu versorgen, sowie je nach Art der Beleuchtungsvorrichtung weitere gewünschte mechanische oder elektrische Komponenten, z. B. Antriebsschaltungen. Die Platine 3 und die LEDs bilden zusammen ein LED-Modul, das als solches bei der Herstellung in die Leuchte eingebaut werden kann.
• In den Figuren kann eine optionale Befestigungs- und/oder Abstandsschicht oder -platte 5 auf dem Gehäuse 10 vorgesehen sein, um ein Befestigungselement für das LED-Modul bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform könnte die Abdeckung 10 mit eingelegten Wärmeleitelementen 2 zusammen mit der Platte 5 und damit als vormontierte Einheit fertig zur Endfertigung und Montage bereitgestellt werden. Anstelle der Platte 5, die z. B. aus Graphit, einer dünnen Metallschicht usw. bestehen kann, können auch andere wärmeleitende Materialien wie Wärmeleitpaste verwendet werden. Die Platte 5 oder eine beliebige andere Konfiguration, die als Platte fungiert, kann an der Unterseite der Abdeckung mit jedem bekannten Material und Verfahren befestigt werden, das für die jeweiligen Materialien geeignet ist, aus denen die Teile hergestellt sind. Die Befestigungsmittel sollten jedoch vorzugsweise den Wärmefluss von der Platte 4 in die Wärmeleitelemente 2 nicht wesentlich behindern. In jedem Fall wird die Abdeckung 10 im Allgemeinen auf der den LEDs gegenüberliegenden Seite der Platine 3 angebracht.
• Wenn die LEDs 4 eingeschaltet sind, leuchten sie nach unten (wenn sie wie in den Abbildungen ausgerichtet sind), typischerweise durch eine durchsichtige Abdeckung (nicht dargestellt) aus Glas oder geeignetem Kunststoff. Die Wärme fließt dann von den LEDs und der Platine 4 durch die optionale Montageplatte (falls vorhanden) und in die wärmeleitenden Elemente 2. Von dort aus fließt sie durch die Rippen 12 der Abdeckung 10 sowie teilweise durch die „Täler“ 15 zwischen den Rippen 13.
• Wie zeigt, kann mehr als ein LED-Modul 3, 4 in einer einzigen Leuchte 1 enthalten sein.
• Die wärmeleitenden Elemente 2 haben sowohl eine höhere Wärmekapazität als auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Abdeckung, die vorzugsweise nicht aus Metall besteht, sondern aus einem Material mit einer relativ geringeren - sogar viel geringeren - Wärmeleitfähigkeit als die Elemente 2. Wären die Wände der Rippen 12 so dick wie die Rippen von Kühlkörpern nach dem Stand der Technik, würde sich die Wärme in ähnlicher Weise stauen, obwohl die Elemente 2 in der Lage wären, mehr Wärme zu speichern als z. B. Kunststoff oder Keramik, wodurch ein Temperaturanstieg an der Platine 3 verzögert würde. Es ist zu beachten, dass die Montageplatte 5 selbst, falls vorhanden, je nach ihrem Material ebenfalls etwas Wärme leiten und abführen kann.
• In den bevorzugten Ausführungsformen können die Rippen jedoch dünner ausgeführt werden als im Stand der Technik. Bei einem Prototyp waren die wärmeleitenden Elemente 2 beispielsweise 3 mm breit, und die Rippen waren an der dünnsten Stelle, d. h. an der Rippenwand, die an die vertikalen (in 3 gesehenen) Flächen der wärmeleitenden Elemente 2 angrenzt, höchstens 2 mm dick und nahmen an der Basis auf höchstens 10 mm zu. Diese geringere Dicke im Vergleich zu herkömmlichen Rippenanordnungen hat sich in Tests als geeignet erwiesen, eine Überhitzung von Standard-LED-Dioden zu verhindern und eine angemessene Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Es ist zu beachten, dass die Dicke der Rippen im Allgemeinen eher eine Frage der Haltbarkeit als des Wärmetransports ist: Die eingefügten Wärmeleitelemente 2 sorgen selbst für Steifigkeit.

Claims (8)

1. Eine LED-Beleuchtungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Vielzahl von LEDs (4), die auf einer Platine (3) montiert sind und zusammen ein LED-Modul bilden; eine Abdeckung (10), die auf dem LED-Modul auf einer den LEDs gegenüberliegenden Seite der Platine vorgesehen ist, wobei die Abdeckung mindestens eine Rippe (12) aufweist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem LED-Modul erstreckt; wobei die mindestens eine Rippe einen inneren Kanal (14) aufweist; ein wärmeleitendes Element (2), das eine größere Wärmeleitfähigkeit als die Rippe hat und innerhalb des Kanals (14) vorgesehen ist, wobei das wärmeleitende Element (2) dadurch im Wesentlichen von der Rippe (12) eingekapselt wird.
2. LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abdeckung (10) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die gepresstes organisches Material, Mineralien, Keramik, Schwamm, Kunststoffe oder andere synthetische Materialien unterschiedlicher Art, wie härtende Kunststoffe oder Harze, Plattenformmasse, Thermoplast, Nylon, PE, PS und PP-Kunststoff, ABS, PET, PMMA, Polyamid PA, Polycarbonat PC, PVC, Gummimaterialien, Polyurethan, Epoxid, Verbundstoffe, synthetische und natürlich vorkommende Fasern und Biokunststoff umfasst.
3. LED-Leuchte nach Anspruch 2, bei der jedes Wärmeleitelement (2) aus einem Metall hergestellt ist.
4. LED-Leuchte nach Anspruch 3, bei der jedes Wärmeleitelement (2) aus mindestens einer der Gruppen Aluminium und Kupfer hergestellt ist.
5. LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, die ferner ein Montageelement (5) umfasst, das zwischen dem LED-Modul und der Abdeckung angeordnet ist.
6. LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Befestigungselement (5) eine Platte ist.
7. LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Befestigungselement (5) eine Schicht aus Wärmeleitpaste ist.
8. LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Rippe (12) eine maximale Dicke von 2 mm seitlich neben ihrem jeweiligen gekapselten Wärmeleitelement aufweist.

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