DE10213042A1

DE10213042A1 - Fahrzeugleuchte

Info

Publication number: DE10213042A1
Application number: DE10213042A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dohmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-23
Filing date: 2002-03-23
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Fahrzeugleuchte unter Verwendung von Leuchtdioden als Leuchtmittel. Zur Vermeidung der thermischen reversiblen Degradation der Leuchtdioden ist die Abfuhr der Abwärme sicherzustellen. Dies wird erreicht, indem die Leuchtdioden von einem Fluid umspült werden, dessen Wärmeaufnahmevermögen höher ist als das von Luft. Als Stoffklassen sind Gase bei erhöhtem Druck oder Gase mit erhöhter Molmasse oder transparente organische oder anorganische Flüssigkeiten günstig. Das Gehäuse der Fahrzeugleuchte wird dicht ausgeführt, damit das Fluid dauerhaft in dem Gehäuse verbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchte für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere in der Funktion als Scheinwerfer, Rückleuchte, Bremsleuchte oder Blinkleuchte oder auch Kombinationsleuchte, die zwei oder drei der oben genannten Funktionen vereint mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, sind mit Leuchten ausgestattet. Scheinwerfer, in der Regel vorn am Fahrzeug befindlich, dienen der Ausleuchtung des Fahrweges. Rückleuchten dienen dazu, das Fahrzeug z. B. als vorausfahrendes oder stehendes Fahrzeug leichter erkennbar zu machen. Rückleuchten insbesondere mit stärkerer Lichtemission üben diese Funktion bei schlechten Sichtverhältnissen aus und werden deshalb als Nebelschlußleuchten bezeichnet. Bremsleuchten besitzen eine- Warnfunktion insbesondere für nachfolgende Fahrzeuge und warnen vor einer möglichen Geschwindigkeitsreduzierung des Fahrzeugs. Blinkleuchten besitzen die Aufgabe zur Anzeige eines beabsichtigten Richtungswechsel des Fahrzeugs. Schließlich besitzt der Rückfahrscheinwerfer die Aufgabe der Fahrwegsausleuchtung bei rückwärtiger Bewegungsrichtung des Fahrzeugs.
In Fahrzeugen können Teile dieser Funktionalitäten auch in einzelnen Leuchten kombiniert auftreten. Beispielsweise ist es übliche Rückleuchten- und Bremsleuchtenfunktion in einer Leuchte zu vereinen. Zusätzlich kann auch die Blinkleuchtenfunktion von einer Rückleuchte übernommen werden, was zwar in Europa unzulässig ist, in anderen Ländern ist diese Kombination von Funktionalität sehr wohl bekannt.
Traditionell werden derartige Leuchten mit Lichtquellen versehen, die als Glühlampen (Glühbirnen) ausgeführt sind.
Die neueren Entwicklungen der Licht emittierenden Halbleiterbausteine haben in jüngster Zeit Leuchten ermöglicht, deren Lichtquellen als Licht emittierende Dioden, auch als LED bezeichnet, ausgeführt sind. Erste Anwendungen der LED-Technik im Zusammenhang mit der Ausführung von Fahrzeugleuchten sind bereits kommerziell im Einsatz. Häufig beschränkt sich dieser Einsatz noch auf die sogenannte "Dritte Bremsleuchte", die bei herkömmlichen Fahrzeugen im Bereich der Heckscheibe angeordnet ist oder in die Kofferraumabdeckung integriert ist. Es sind aber vereinzelt auch Anwendungen als Rückleuchte und Bremsleuchte im Einsatz. Die Anwendung als Fahrscheinwerfer ist ohne weiteres seit der Schaffung weiß-strahlender LED's technisch möglich.
Die Gründe für den Einsatz von LED's liegen in der vergleichsweise geringen Leistungsaufnahme dieser Leuchtmittel, der durch die fortgeschrittene technische Entwicklung bedingten ausreichenden Leuchtintensität, der vergleichsweise langen Lebensdauer und dem niedrigen Preis.
Zum Einsatz kommen jedoch stets größere Anzahlen von LED's, die zu funktionellen Gruppen elektronisch verschaltet und in Gruppen angeordnet sind. Verwendet werden Gruppen von 5 bis 300 LED's, häufig von ca. 64 LED's. Die Verwendung einer größeren Anzahl von LED's hat hauptsächlich die Ursache darin, dass die Leuchtenfunktion bei punktförmigen Lichtquellen vom menschlichen Auge als störend hell empfunden wird. Die empfundene Punktförmigkeit der Lichtquellen wird gelegentlich durch Verwendung von Streuscheiben gemildert.
Die in Fahrzeugleuchten zum Einsatz kommenden Dioden sind nach dem Stand der Technik von verschiedenen Baugruppen umgeben. Zum einen befindet sich auf einer der Seiten der Dioden ein optisches Bauteil, dessen Aufgabe die Lenkung des Lichtes in die gewünschte Richtung darstellt. Diese Lichtlenker werden in bekannten Typen von Leuchten in Form von prismatischen Körpern aus durchsichtigen Materialien ausgeführt. Als günstig haben sich in Hinblick auf eine gerichtete Abstrahlung des Lichts in eine möglichst einheitliche Richtung (Fernwirkung) Formgebungen des Lichtlenkers in Form einer Parabel oder einer Ellipsenhälfte erwiesen.
Zum Betrieb der LED's sind ferner zwei verschiedene Zuleitungen für die elektrische Spannung erforderlich.
Als weitere Baugruppe ist nach dem Stand der Technik in der Regel eine Platine vorhanden. Die elektrischen Leiter dieser Platine übertragen elektrischen Strom auf die LED.
Die Lichtausbeute ist wie bei allen bekannten Leuchtmitteln nur endlich. Der überwiegende Teil der zugeführten elektrischen Leistung (ca. 95%) wird in Form langwelliger Wärmestrahlung oder durch Wärmeleitung auf die der LED benachbarten Baugruppen bzw-. Stoffe übertragen. Die Senkung dieses Energieverlustes und damit einhergehend die Steigerung der Lichtausbeute war seit Entdeckung des Funktionsprinzips von LED's angestrebtes Ziel der Entwicklung.
Aus diesem Grund werden nach dem Stand der Technik sogenannte Spreizer verwendet. Dabei handelt es sich um Bauteile, die in der Nähe einer LED angebracht sind und mit diesem mittelbar oder unmittelbar in wärmeleitendem Kontakt stehen. Ein derartiger Spreizer erfüllt die Aufgabe, die Wärmeabfuhr von der LED zu verbessern. Die Abwärme wird dabei an die Platine oder nach dem Stand der Technik an die Luft innerhalb der Leuchte abgegeben. Das Material des Spreizers verfügt vorzugsweise über vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeiten.
Als weitere Baugruppe befindet sich nach dem Stand der Technik eine Halterung innerhalb der Leuchte, deren. Aufgabe die mechanische Befestigung der Platine, des bzw. der Spreizer, der LED's und der Lichtlenker ist. Als konstruktiv günstig hat sich erwiesen, der Rückwand des Leuchtengehäuses die Funktion der Halterung zuzuordnen.
Nachteilig an den Leuchten nach dem Stand der Technik ist die eingeschränkte Möglichkeit der Wärmeabfuhr. Dies hat bei LED's den entscheidenden Nachteil, dass bei mangelnder Wärmeabfuhr die Temperatur der LED's zunimmt. Dies führt zu einer reversiblen Veränderung der Eigenschaften des emittierten Lichts. Insbesondere führt eine Minderung der Lichtintensität zu einer Einbuße der Lichtqualität. Die Leuchte wird als weniger hell empfunden. Dieses negative Qualitätsmerkmal tritt bereits nach kurzer Leuchtdauer in Erscheinung, weshalb eine derartige Leuchte anfänglich als hell, unter dem Einfluß steigender Temperaturen aber als in der Helligkeit nachlassend erscheint. Eine Verschiebung der Wellenlängen des emittierten Lichts tritt ebenfalls auf, die Farbverschiebung wird vom menschlichen Auge aber nicht als störend wahrgenommen.
Dieser. Effekt läßt sich als reversible thermische Degradation bezeichnen und wirkt nachteilig für die Qualität der Leuchte. Störend ist der Effekt bereits bei LED-Temperaturen ab 105°C.
Als prinzipiell nachteilig hat sich erwiesen, dass die Abwärme von den einzelnen LED's durch Wärmeleitung zunächst auf einen Spreizer, von dort gegebenenfalls auf die Platine und von dort auf die Luft im Inneren der Leuchte übertragen wird. Dadurch summieren sich die thermischen Widerstände, was zu hohen Temperaturen in den LED's führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Effekt der reversiblen thermischen Degradation der Leuchten entgegenzuwirken, um so ein in Bezug auf das Lichtemissionsverhalten der LED-nachteiliges Verhalten zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die reversible thermische Degradation der Leuchtdioden vermieden wird. Der mögliche Arbeitsbereich der Leuchtdioden wird dadurch vorteilhaft erweitert.
Der Ansatz zur Lösung der Aufgabe besteht darin, die Bedingungen der Wärmeabfuhr in der Umgebung der LED, des Spreizers und der Platine zu verbessern und dadurch die Temperatur der LED's wirksam zu senken. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Innere der Leuchte hermetisch dicht abgeschlossen wird durch Schließen des Leuchtengehäuses, um einen stofflichen Austausch des Mediums im Inneren der Leuchte mit der Umgebungsluft zu verhindern und das Innere des Gehäuses der Leuchte mit einem transparenten Fluid zu füllen, dessen Wärmeleitfähigkeit wesentlich größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Luft bei Atmosphärenbedingungen und die Dichte größer ist die Dichte von Luft unter Atmosphärenbedingungen oder dessen Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität größer ist als dasjenige von Luft bei Atmosphärenbedingungen. Diese günstigen Bedingungen sind für Gase erfüllt, deren Molmasse größer ist als diejenige von Luft oder Gase mit einer Molmasse in der Größe der Molmasse von Luft, etwa der Molmasse von atmosphärischem Stickstoff, aber bei erhöhtem Druck dieser Gase. Günstige für den Druck im Inneren der Leuchte ist der Bereich zwischen 1,05 bar absolut bis 12 bar absolut, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 bar und 4 bar.
Als im Sinne der Erfindung günstiges Fluid kommen hierzu verschiedene Stoffklassen in Frage, insbesondere eignen sich

- Luft bei erhöhtem Druck
- Kohlendioxid unter Atmosphärendruck
- Kohlendioxid unter erhöhtem Druck
- transparente Flüssigkeiten mit Dichten oberhalb von 500 kg/m³.

Geeignete Flüssigkeiten sind unten als Beispiel aufgeführt.
Die Eigenschaften bzw. Anforderungen der verwendbaren Flüssigkeiten sind erklärungsbedürftig. Die verwendeten Medien dürfen nicht zu elektrischen Kurzschlüssen führen. Notfalls sind die elektrischen Leiter mit einem isolierenden Material zu überziehen. Diese Flüssigkeiten sollten nicht die Bildung von Organismen wie z. B. Algen oder Mikroorganismen im Innerem der Leuchte erlauben oder fördern, zum anderen sollten elektrisch leitende Teile und Materialien der beteiligten Baugruppen nicht angegriffen werden. Ferner sollten diese Flüssigkeiten über eine chemische und elektrochemische Langzeitstabilität verfügen.
Folgende Flüssigkeiten sind für den erfindungsgemäßen Einsatz sinnvoll:

- Wasser, vollentsalzt oder in reineren Qualitäten
- organische Flüssigkeiten
- Glykol und abgeleitete Derivate
- Glycerin und abgeleitete Derivate
- Alkane,- Alkene und Alkadiene unabhängig vom Isomer
- einphasige oder zweiphasige Mischungen der genannten Stoffe
- Fluorierte und teilfluorierte Alkane und Isoalkane mit drei und mehr Kohlenstoffatomen je Molekül
- Paraffinöl.

Bei der Verwendung der genannten Flüssigkeiten ist zur Begrenzung der im Inneren des Gehäuses auftretenden Drücke sind Maßnahmen zum Ausgleich der thermischen Volumenausdehnung vorzusehen, etwa durch Einbringung oder Belassung eines Gasvolumens bei einem beliebigen Druckniveau, unabhängig ob das Druckniveau unterhalb, bei oder oberhalb des Drucks außerhalb des Gehäuses liegt. Bei Verwendung brennbarer oder entflammbarer Flüssigkeiten ist es günstig, den Gasraum oberhalb der Flüssigkeit mit einem Inertgas zu füllen, etwa mit Kohlendioxid.
Bei Verwendung von Flüssigkeiten muß insbesondere die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, dass die Flüssigkeit im Bereich heißer Stellen innerhalb der Leuchte partiell zum Sieden kommt und dadurch ein Druckabstieg im Inneren des Gehäuses auftreten kann. Dieser Druckanstieg ist durch Vorsehen eines Ausgleichsvolumens in den Auswirkungen zu begrenzen.
Durch Verwendung der genannten dichten Medien wird der Wärmestrom der von den Dioden abgeht nicht verändert. Statt dessen werden die Bedingungen des Wärmeübergangs von den Dioden auf das Medium in Inneren der Leuchten verbessert und dadurch die Temperatur der LED's nachhaltig und wirkungsvoll gesenkt. Dies führt erfindungsgemäß zur Vermeidung des Effekts der reversiblen thermischen Degradation der LED's.
Die Erfindung sei zur Verdeutlichung an dem Beispiel einer Fahrzeugrückleuchte und der Fig. 1 erläutert.
Ein geschlossenes Gehäuse 1 beinhaltet eine Platine 2, auf der Leuchtdioden 3 angebracht sind. Das Licht der Leuchtdioden 3 wird durch Lichtlenker 4 in die gewünschte Richtung gelenkt und in diesem Ausführungsbeispiel über eine Streuscheibe 5 und ein Fenster 6, das sich in der Wand des Gehäuses 1 befindet, nach außen abgestrahlt. Gehäuse 1 und Platine 2 sind durch Befestigungselemente 7 miteinander verbunden. Im Inneren des Gehäuses befindet sich in dem freien Volumen ein transparentes Fluid (8), im dargestellten Ausführungsbeispiel Cyclohexan.
Die Befestigungselemente sind so gestaltet, dass eine wärmeinduzierte konvektive Bewegung des Fluids (8) im Inneren des Gehäuses auch in dem Teilvolumen des Gehäuses 1 stattfinden kann, in dem sich die Leuchtdioden 3 befinden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Befestigungselemente 7 mit Durchbrüchen 9 versehen.
Das Gehäuse 1 ist über nicht dargestellte Befestigungseinrichtungen in dieser Ausführungsform mit der Fahrzeugrückwand 10 verbunden. Die Fahrzeugrückwand. 10 ist wegen der flachen Bauweise des Gehäuses nicht mit einem Durchbruch zur Aufnahme der Leuchte versehen sein. Es ist wegen der geringen Bautiefe ausreichend die Fahrzeugrückwand 10 mit einer tiefgezogenen Mulde zu vesehen, in der das Gehäuse 1 ganz oder teilweise Platz findet. Außerdem in Fig. 1 nicht dargestellt sind elektrische Zuleitungen zu den Leuchtdioden. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse 1 mit Einrichtungen versehen, die es erlauben, elektrische Energie von außen in das Innere des Gehäuses 1 zu leiten. Diese Stromdurchleitungen müssen für das im Inneren des Gehäuses 1 befindliche Fluid 8 dicht sein.
In Fig. 1 ist ebenfalls das Ausgleichsvolumen 11 zur Vermeidung eines unzulässigen Druckanstiegs im Inneren des Gehäuses 1 dargestellt. In dieser Ausführungsvariante ist das Ausgleichsvolumen mit Stickstoff gefüllt. Es ist ausreichend, dass das Ausgleichsvolumen kleiner ist als das Volumen der Flüssigkeit im Inneren des Gehäuses.

Claims

1. Fahrzeugleuchte zur Verwendung als Fahrscheinwerfer, Rückfahrscheinwerfer, Signalleuchter Fahrtrichtungsanzeiger, Schlußleuchte, Nebelschlußleuchte oder Bremsleuchte oder als Kombinatiosleuchte, die mehrere dieser Funktionen in Kombination erfüllt, unter Verwendung von Leuchtdioden als Leuchtmittel, die in einem Gehäuse untergebracht sind, das mindestens über ein Fenster verfügt, durch das das von den Leuchtdioden emittierte Licht nach außen gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse für das im Inneren des Gehäuses befindlichen Fluids dicht geschlossen ist, so dass dieses Fluid dauerhaft innerhalb des Gehäuses verbleibt und dieses Fluid über ein höheres volumenbezogenes Wärmeaufnahmevermögen besitzt als Umgebungsluft.

2. Fahrzeugleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren der Leuchte befindliche Fluid ein Gas unter einem gegenüber der Atmosphäre außerhalb der Leuchte erhöhtem Druck steht im Druckbereich zwischen 1,05 bar absolut und 12 bar absolut.

3. Fahrzeugleuchte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren der Leuchte befindliche Fluid ein Gas mit einer Molmasse oberhalb von 28,0 kg/kmol, vorzugsweise Kohlendioxid ist oder ein Gas mit einer spezifischen Wärmekapazität bei konstantem Volumen oberhalb dieser Stoffgröße von Luft ist, vorzugsweise Kohlendioxid.

4. Fahrzeugleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren der Leuchte befindliche Fluid eine transparente organische oder anorganische Flüssigkeit ist mit einer Dichte oberhalb von 500 kg/m³.

5. Fahrzeugleuchte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren der Leuchte befindliche Fluid Wasser ist.

6. Fahrzeugleuchte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren der Leuchte befindliche Fluid Alkan, Isoalkan, Alken, Cycloalkan, Alkadien, Alkanol, Glykol, Glycerin oder ein fluoriertes oder teilfluoriertes Derivat dieser Verbindungen ist oder eine Mischung dieser Stoffe gegebenenfalls mit Beimengungen von Wasser ist.

7. Fahrzeugleuchte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Leuchte ein Teilvolumen des freien Volumens mit einem Gas, vorzugsweise mit einem Inertgas, gefüllt ist und dieses gasgefüllte Teilvolumen weniger als die Hälfte des freien Volumens ausfüllt.