DE202012000325U1

DE202012000325U1 - LED-Modul mit verbesserter Kühlung

Info

Publication number: DE202012000325U1
Application number: DE202012000325U
Authority: DE
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-03-05
Anticipated expiration: 2022-01-14
Also published as: WO2013104623A1

Abstract

LED-Modul mit mindestens einer LED und einem Gehäuse, das die LED umgibt, wobei das Gehäuse gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse an eine Wärmebrücke angeschlossen ist, wobei die Wärmebrücke mit einem Wärmetauscher thermisch in Kontakt steht, wobei der Wärmetauscher einer aktiven Kühlung durch ein Mittel zur aktiven Kühlung ausgesetzt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem LED-Modul mit verbesserter Kühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine sog. LED light engine.
Stand der Technik
Die WO 2006/016324 offenbart eine light engine, die durch eine Flüssigkeit gekühlt wird.
Die WO 2005/043619 offenbart einen geschlitzten Körper aus Graphitschaum als Wärmesenke für elektronische Geräte. Er wird für eine passive Kühlung verwendet.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlung für LED-Module, insbesondere eine light engine auf Basis von LEDs, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Beim Betrieb von LEDs werden 70–80% der eingespeisten elektrischen Energie als Wärme freigesetzt. Dies führt zur Aufheizung des Chips, kriitshc ist ihrer insbesondere die Junction-Temperatur des Chips, die dabei ansteigt. Da die Effizienz und die Lebensdauer von LEDs mit steigender Junction-Temperatur dramatisch abnimmt, ist eine gute Wärmeabfuhr für den problemlosen Betrieb von LEDs in großen, konzentrierten Leistungspaketen entscheidend.
Abwärme wird durch Kühlkörper an die Umgebungsluft abgeführt. Der Austausch der Luft geschieht durch natürliche Konvektion mittels Unterstützung durch Kühlkörper (passive Kühlung) oder durch erzwungene Konvektion mit einem Lüfter-Element (aktive Kühlung). Natürliche Konvektion erfordert mit zunehmender Leistung immer größere Kühlkörper. So lassen sich mit einem Kühlkörper in der Größe einer 100 W Glühlampe maximal etwa 15 W wegkühlen. Die Größe und Leistungsfähigkeit von Kühlkörpern mit erzwungener Konvektion wird durch die Menge der bewegten Luft und von der Effizienz des Wärmeaustauschs vom Kühlkörper selbst an die Luft bestimmt. Bei traditionellen Konstruktionen, wobei ein Lüfter auf Kühlkörper bläst, werden lediglich 20 bis 40% der möglichen Wärme an die Luft übertragen und abgeführt. Ein dementsprechend großer Luftstrom erzeugt wiederum störende Geräusche.
Da der Übergang der Wärme auf die vorbeiströmende Luft entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines Kühlsystem ist, wird erfindungsgemäß eine Konstruktion vorgeschlagen, die einen offenporigen Graphitschaum für eine aktive Kühlung zu Hilfe nimmt.
Der Kühlkörper besteht aus einem Block, bevorzugt mindestens zweiseitig geschlitzt, aus offenporigem Graphitschaum oder weist diesen überwiegend auf. Die Wärme wird bevorzugt durch eine Dampfkammer auf Stirnseiten des Graphitblocks geführt. Der Block selbst wird flächig von einem Lüfter durchblasen.
Durch den offenporigen Schaum, beispielsweise von ORNS angeboten, wird die durchströmende Luft verwirbelt und an einer so großen Fläche vorbeigeführt, daß die ausströmende Luft etwa die gleiche Temperatur hat wie der Graphitschaum. Dadurch werden die physikalischen Möglichkeiten der Konvektion voll genutzt. Die hohe Wärmeleitung des Graphits oder eines anderen Materials mit hoher Wärmeleitung führt zu einer möglichst vollständigen Nutzung des Schaum-Volumens. Die Schlitze vergrößern die durchströmte Fläche und verringern den Strömungswiderstand, der zusammen mit dem gewählten Lüfter-Element den resultierenden Luftstrom bestimmt. Die Wärme wird in die Stirnflächen des Graphitschaumblocks eingetragen, dazu empfiehlt sich ein wärmespreizendes Element wie z. B. eine Dampfkammer oder eine Wärmebrücke aus Metall.
Das Wesen der Erfindungsmeldung besteht darin, dass ein offenporiger Graphitschaum als Wärmetauscher verwendet wird, der die Wärme vom eigentlichen Kühlkörper, der als Wärmebrücke verstanden werden kann, an die durchgeblasene Luft abgibt. Dies ist nämlich die eigentliche Engstelle auf dem thermischen Pfad für die Kühlung von LEDs. Um das zu erreichen wird sowohl die Offenporigkeit als auch die extrem gute Wärmeleitfähigkeit des Schaums im Zusammenhang mit erzwungener oder aktiver Kühlung, d. h. der Benutzung z. B. eines Lüfters, gebraucht und verwendet.
Um dieses Zusammenspiel der beiden Effekte zu nutzen, wird der Graphitschaum insbesondere auch in einer bestimmten Weise von den entgegengesetzten Seiten aus geschlitzt. Bevorzugt sind die Schlitze auf beiden Seiten versetzt zueinander angeordnet.
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:

1. LED-Modul mit mindestens einer LED und einem Gehäuse, das die LED umgibt, wobei das Gehäuse gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse an eine Wärmebrücke angeschlossen ist, wobei die Wärmebrücke mit einem Wärmetauscher thermisch in Kontakt steht, wobei der Wärmetauscher einer aktiven Kühlung durch ein Mittel zur aktiven Kühlung ausgesetzt ist.
2. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebrücke aus Metallblech gestaltet ist, insbesondere als Band oder Rohr oder Dampfkammer.
3. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebrücke zusätzlich mit einem Mittel zur Wärmespreizung ausgestattet ist.
4. LED-Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Wärmespreizung eine Dampf enthaltender Hohlraum ist, insbesondere ein Hohlraum in einem Metallrohr.
5. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Körper aus offenporigem Graphitschaum ist, der mindestens eine Seitenfläche aufweist.
6. LED-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Quader mit Seitenflächen ist, insbesondere mit Schmalseiten und Breitseiten.
7. LED-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seitenfläche mit der Wärmebrücke in thermischem Kontakt stehen.
8. LED-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mindestens eine zweite Seitenfläche besitzt, wobei mindestens eine zweite Seitenfläche mit Schlitzen versehen ist.
9. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Modul eine light engine ist.
10. LED-Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper zwei einander gegenüberliegende zweite Seitenflächen mit Schlitzen aufweist, wobei die Schlitze auf den beiden zweiten Seitenflächen gegeneinander versetzt sind.

Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer light engine mit aktiver Kühlung in Frontansicht;
2 die light engine mit aktiver Kühlung in Seitenansicht.
Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine Baueinheit 1 mit einem LED-Modul 2, insbesondere eine light engine, deren konkreter Aufbau für die Erfindung keine Rolle spielt. Hier hat der LED-Modul ein zylindrisches Gehäuse 3, mit einer unteren Stirnfläche 5 und einer oberen Stirnfläche 4. Eine Wärmebrücke 6 ist kontaktierend an die untere Stirnfläche 5 angesetzt. Sie ist ein U-förmig gebogenes Blech, Metallband oder bevorzugt ein flachgedrücktes metallisches Rohr, insbesondere aus Kupfer oder einem anderen hochwärmeleitendem metallischen Material. Die Wärmebrücke hat eine Basis 7 und davon ausgehend zwei freie Schenkel 10 und 11.
Der Wärmebrücke ist ein Hohlraum (nicht dargestellt) zugeordnet, insbesondere der Hohlraum eines metallischen Rohrs, wobei die Wärmebrücke 6 bevorzugt eine Dampfkammer bildet. Derartige Dampfkammern mit spezieller Hohlraumstruktur sind kommerziell angeboten, ihr Prinzip ist in US 2010/067194 und US 2010/133553 beschrieben. In ihr ist ein Dampf, beispielsweise Wasserdampf, enthalten. Der Hohlraum ist abgeschlossen, um den Dampf nicht entweichen zu lassen. Im kalten Zustand bei Zimmertemperatur ist die Dampfkammer mit einer Arbeitsflüssigkeit wie insbesondere Wasser bei Unterdruck gefüllt. Eine derartige Dampfkammer lässt sich als plattgedrückte heat pipe mit speziellem Innenaufbau, insbesondere gemäß einer sog. Dochtstruktur, charakterisieren.
Im Bereich der freien Schenkel 10, 11 der Wärmebrücke ist zwischen den beiden Schenkeln ein Block 15 aus offenporigem Graphitschaum angeordnet. Er ist quaderförmig oder anderweitig zweckmäßig gestaltet.
Als Quader hat er Schmalseiten 20 und 21, die mit der Wärmebrücke, insbesondere deren freien Schenkeln, in Kontakt stehen. Außerdem hat er Breitseiten 22 und 23, die quer dazu stehen.
Die Breitseiten 22 und 23 sind mit Schlitzen ausgestattet, symbolisiert durch Striche 26 und 27, die von den zwei Breitseiten her abwechselnd in den Quader hineinreichen, aber nicht durchgängig sind. Vor der ersten Breitseite 22 ist ein Lüfter-Element 30 gesetzt, das eine aktive Kühlung des als Wärmetauscher fungierenden Quaders bewirkt.
2 zeigt schematisch dieselbe Baueinheit von der Seite gesehen. Dadurch wird zum einen die Lage des Lüftungselements 30 relativ zum Quader und seiner ersten Breitseite 22 deutlich. Zum andern wird die Lage der Schlitze 26, 27 im Graphitschaum deutlicher, wobei die Schlitze abwechselnd von der ersten Breitseite 22 und von der zweiten Breitseite 23 aus in den Körper aus Graphitschaum hineinreichen.
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 2006/016324 [0002]
WO 2005/043619 [0003]
US 2010/067194 [0018]
US 2010/133553 [0018]

Claims

LED-Modul mit mindestens einer LED und einem Gehäuse, das die LED umgibt, wobei das Gehäuse gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse an eine Wärmebrücke angeschlossen ist, wobei die Wärmebrücke mit einem Wärmetauscher thermisch in Kontakt steht, wobei der Wärmetauscher einer aktiven Kühlung durch ein Mittel zur aktiven Kühlung ausgesetzt ist.
LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebrücke aus Metallblech gestaltet ist, insbesondere als Band oder Rohr oder Dampfkammer.
LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebrücke zusätzlich mit einem Mittel zur Wärmespreizung ausgestattet ist.
LED-Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Wärmespreizung eine Dampf enthaltender Hohlraum ist, insbesondere ein Hohlraum in einem Metallrohr.
LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Körper aus offenporigem Graphitschaum ist, der mindestens eine Seitenfläche aufweist.
LED-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Quader mit Seitenflächen ist, insbesondere mit Schmalseiten und Breitseiten.
LED-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seitenfläche mit der Wärmebrücke in thermischem Kontakt stehen.
LED-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mindestens eine zweite Seitenfläche besitzt, wobei mindestens eine zweite Seitenfläche mit Schlitzen versehen ist.
LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Modul eine light engine ist.
LED-Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper zwei einander gegenüberliegende zweite Seitenflächen mit Schlitzen aufweist, wobei die Schlitze auf den beiden zweiten Seitenflächen gegeneinander versetzt sind.