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STAND DER TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein lichtemittierende Dioden-(LED)-Birnen und spezieller die effiziente Übertragung von Wärme, die von LEDs erzeugt wird, in einer flüssigkeitsgefüllten LED-Birne.
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2. Verwandte Technik:
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Traditionell ist Beleuchtung unter Verwendung von Leuchtstoff- und Glühbirnen erzeugt worden. Obwohl beide Arten von Birnen zuverlässig im Einsatz waren, hat jede bestimmte Nachteile. Zum Beispiel neigen Glühbirnen dazu, ineffizient zu sein, da sie nur 2–3% ihrer Energie zur Erzeugung von Licht nutzen, während die restlichen 97–98% ihrer Energie als Wärme verlorengehen. Obwohl sie effizienter als Glühbirnen sind, erzeugen Leuchtstoffbirnen nicht dasselbe warme Licht wie das von Glühlbirnen erzeugte. Außerdem gibt es Gesundheits- und Umweltsorgen wegen des Quecksilbers, das in den Leuchtstofflampen enthalten ist.
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Daher ist eine alternative Lichtquelle erwünscht. Eine solche Alternative ist eine Birne, die LED nutzt. Eine LED umfasst eine Halbleitersperrschicht, die auf Grund eines elektrischen Stroms, der durch die Sperrschicht fließt, Licht emittiert. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Glühbirne kann eine LED-Birne mehr Licht bei Nutzung derselben Leistung erzeugen. Außerdem ist die Betriebsdauer einer LED-Birne Größenordnungen länger als die einer Glühbirne, zum Beispiel 10.000–100.000 Stunden im Vergleich zu 1.000–2.000 Stunden.
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Obwohl es viele Vorteile bei der Verwendung einer LED-Birne statt einer Glühbirne oder Leuchtstoffbirne gibt, haben LEDs eine Reihe von Nachteilen, die verhindert haben, dass sie weitgehend als Ersatz für Glüh- und Leuchtstoffbirnen eingesetzt werden. Ein Nachteil ist, dass eine LED, die einen Halbleiter darstellt, im Allgemeinen nicht wärmer als ca. 120°C werden darf. Beispielsweise sind LED-Birnen vom A-Typ auf eine sehr niedrige Leistung begrenzt worden (d. h. weniger als ca. 8 W), was für eine unzureichende Beleuchtung als Ersatz für Glüh oder Leuchtstoffbirnen sorgt.
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Eine potenzielle Lösung für dieses Problem ist die Verwendung einer großen metallischen Wärmesenke, die an den LEDs befestigt wird und sich von der Birne weg erstreckt. Diese Lösung ist jedoch wegen der allgemeinen Beobachtung unerwünscht, dass Kunden keine Birne verwenden werden, die vollkommen anders als die herkömmlichen Formfaktorbirnen vom A-Typ geformt sind. Außerdem kann es die Wärmesenke erschweren, die LED-Birne in bestehende Beleuchtungskörper einzupassen.
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Eine andere Lösung besteht darin, die Birne mit einer thermisch leitfähigen Flüssigkeit zum Übertragen von Wärme von der LED zur Hülle der Birne zu füllen. Die Wärme kann dann von der Umhüllung an die Luft übertragen werden, die die Birne umgibt. Aktuelle flüssigkeitsgefüllte LED-Birnen übertragen jedoch Wärme nicht effizient von der LED zur Flüssigkeit. Außerdem ermöglichen aktuelle flüssigkeitsgefüllte LED-Birnen nicht, dass die thermisch leitfähige Flüssigkeit effizient strömt, um Wärme von der LED zur Hülle der Birne zu übertragen. Zum Beispiel steigt in einer herkömmlichen LED-Birne, die LEDs am Sockel des Birnenaufbaus hat, die Flüssigkeit, die durch die LEDs erwärmt wird, bis zum oberen Ende der Birne und fällt beim Abkühlen zurück. Die Flüssigkeit strömt jedoch nicht effizient, weil die Scherkraft zwischen der aufsteigenden Flüssigkeit und der Flüssigkeit, die absinkt, die Konvektionsströmung der Flüssigkeit verlangsamt. Ein weiterer Nachteil von aktuellen flüssigkeitsgefüllten LED-Birnen ist, dass sie Wärme nicht effizient ableiten, wenn die Birne nicht aufrecht orientiert ist. Wenn eine herkömmliche LED-Birne z. B. kopfstehend montiert ist, werden die wärmeerzeugenden LEDs vom Boden der Birne zur Oberseite der Birne gedreht. Dadurch wird eine effiziente Konvektionsströmung innerhalb der Birne verhindert, da die erwärmte Flüssigkeit am oberen Ende der Birne in der Nähe der LEDs bleibt.
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Daher ist besteht ein Bedarf an einer LED-Birne, die Wärme effizient weg von den LEDs leiten kann, während sich die LED-Birne in verschiedenen Ausrichtungen befindet.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer beispielhaften Ausführungsform hat eine LED-Birne einen Sockel, eine Hülle, die mit dem Sockel verbunden ist, und eine thermisch leitfähige Flüssigkeit, die in der Hülle gehalten wird. Die LED-Birne hat eine Vielzahl von LEDs, die auf LED-Installationsflächen innerhalb der Hülle montiert sind. Die LED-Installationsflächen weisen in unterschiedliche radiale Richtungen, und die LED-Installationsflächen sind zum Erleichtern einer passiven Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit innerhalb der LED-Birne zum Übertragen von Wärme von den LEDs zur Hülle ausgelegt, wenn die LED-Birne in mindestens drei verschiedenen Orientierungen ausgerichtet ist. In einer ersten Orientierung ist die Hülle vertikal oberhalb des Sockels angeordnet. In einer zweiten Orientierung ist die Hülle in derselben horizontalen Ebene wie der Sockel angeordnet. In einer dritten Orientierung ist die Hülle vertikal unterhalb des Sockels angeordnet.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform hat eine LED-Birne einen Sockel, eine Hülle, die mit dem Sockel verbunden ist, und eine thermisch leitfähige Flüssigkeit, die in der Hülle gehalten wird. Die LED-Birne hat eine Vielzahl von fingerförmige Vorsprüngen, die innerhalb der Hülle angeordnet sind. Die fingerförmigen Vorsprünge sind durch eine Vielzahl von Kanälen getrennt, die zwischen Paaren der Vielzahl von fingerförmigen Vorsprüngen zum Halten der Vielzahl von LEDs gebildet sind. Die Vielzahl von fingerförmigen Vorsprüngen und die Vielzahl von Kanälen sind zum Erleichtern einer passiven Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit durch die Vielzahl von Kanälen ausgelegt, wenn die LED-Birne in mindestens drei verschiedenen Orientierungen ausgerichtet ist. In einer ersten Orientierung ist die Hülle vertikal oberhalb des Sockels angeordnet. In einer zweiten Orientierung ist die Hülle in derselben horizontalen Ebene wie der Sockel angeordnet. In einer dritten Orientierung ist die Hülle vertikal unterhalb des Sockels angeordnet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A illustriert eine beispielhafte LED-Birne.
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1B illustriert eine Querschnittsansicht einer beispielhaften LED-Birne.
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2A illustriert eine Querschnittsansicht einer beispielhaften LED-Birne in einer ersten Orientierung.
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2B illustriert eine Querschnittsansicht einer beispielhaften LED-Birne in einer zweiten Orientierung.
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2C illustriert eine Querschnittsansicht einer beispielhaften LED-Birne in einer dritten Orientierung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung soll den Fachmann auf diesem Gebiet in die Lage versetzen, die verschiedenen Ausführungsformen zu erstellen und zu verwenden. Beschreibungen von speziellen Vorrichtungen, Verfahren und Anweisungen sind nur als Beispiele anzusehen. Verschiedene Modifizierungen an den Beispielen, die hierin beschrieben werden, sind für den Fachmann auf diesem Gebiet sofort erkennbar, und die allgemeinen Prinzipien, die hierin definiert werden, können auf andere Beispiele und Anweisungen angewendet werden, ohne vom Geist und Geltungsbereich der verschiedenen Ausführungsformen abzuweichen. Die verschiedenen Ausführungsformen sollen daher nicht auf die Beispiele, die hierin beschrieben und gezeigt werden, beschränkt sein, sondern sollen mit dem Geltungsbereich entsprechend den Ansprüchen übereinstimmen.
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Verschiedene Ausführungsformen bezüglich der LED-Birnen werden unten beschrieben. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine ”LED-Birne” auf jede lichterzeugende Vorrichtung (z. B. eine Lampe), in der mindestens eine LED zum Erzeugen von Licht verwendet wird. Wie hierin verwendet, umfasst eine ”LED-Birne” keine lichterzeugende Vorrichtung, in der ein Glühfaden zum Erzeugen von Licht verwendet wird, wie zum Beispiel eine herkömmliche Glühbirne. Es ist zu erkennen, dass die LED-Birne neben der birnenartigen A-Typform einer herkömmlichen Glühbirne verschiedene Formen haben kann. Zum Beispiel kann die Birne eine Rohrform, Kugelform oder dergleichen haben. Die LED-Birne der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine beliebige Art von Verbinder umfassen; zum Beispiel einen Einschraubsockel, einen zwei- oder dreipoligen Wandsteckdosenstecker, Bajonettsockel, Edisonschraubsockel, Einstiftsockel, Mehrstiftsockel, vertiefter Sockel, Flanschsockel, genuteter Sockel, Seitensockel oder dergleichen.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff ”Flüssigkeit” auf eine Substanz, die fließen kann. Die Substanz, die als thermisch leitfähige Flüssigkeit verwendet wird, ist eine Flüssigkeit oder im flüssigen Zustand, zumindest beim betriebsmäßigen Umgebungstemperaturbereich der Birne. Ein beispielhafter Temperaturbereich umfasst Temperaturen zwischen –40°C und +40°C. Wie hierin verwendet, bezieht sich ”passive Konvektionsströmung” auf die Zirkulation einer Flüssigkeit ohne Hilfe eines Propellers oder anderer mechanischer Vorrichtungen, die das Strömen der thermisch leitfähigen Flüssigkeit antreiben.
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Die 1A und 1B illustrieren eine perspektivische Ansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer beispielhaften LED-Birne 100. Die LED-Birne 100 umfasst einen Sockel 112 und eine Hülle 101, die die verschiedenen Komponenten der LED-Birne 100 umschließt. Der Vereinfachung halber beschreiben und zeigen alle Beispiele, die in der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden, eine LED-Birne 100, die eine übliche Formfaktorbirne vom A-Typ ist. Wie oben erwähnt, sollte jedoch berücksichtigt werden, dass die vorliegende Offenbarung auf LED-Birnen angewendet werden kann, die eine beliebige Form haben, wie zum Beispiel eine rohrförmige Birne, kugelförmige Birne oder dergleichen.
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Die Hülle 101 kann aus irgendeinem transparenten oder lichtdurchlässigen Materialien hergestellt werden, wie zum Beispiel Kunststoff, Glas, Polycarbonat oder dergleichen. Die Hülle 101 kann Dispersionsmaterial umfassen, das in der ganzen Hülle verteilt ist, um Licht, welches von den LEDs 103 erzeugt wird, zu zerstreuen. Das Dispersionsmaterial verhindert, dass die LED-Birne 100 den Eindruck erweckt, dass sie eine oder mehrere Punktlichtquellen hat.
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Die LED-Birne 100 umfasst eine Vielzahl von LEDs 103, die mit LED-Halterungen 107 verbunden sind, welche innerhalb der Hülle 101 angeordnet sind. LED-Halterungen 107 können aus einem thermisch leitfähigen Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Messing, Magnesium, Zink oder dergleichen. Da die LED-Halterungen 107 aus einem thermisch leitfähigen Material hergestellt sind, kann Wärme, die von LEDs 103 erzeugt wird, konduktiv auf die LED-Halterungen 107 übertragen werden. Die LED-Halterungen 107 können daher als Wärmesenken für LEDs 103 wirken.
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In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird das thermische Bett 105 zwischen einer LED 103 und einer LED-Halterung 107 eingeführt, um die Wärmeübertragung zwischen den zwei Komponenten zu verbessern. Das thermische Bett 105 kann aus jedem thermisch leitfähigen Material hergestellt werden, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Wärmeleitpaste, Wärmeleitklebstoff oder dergleichen. Das thermische Bett 105 kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben als die LED-Halterung 107. Zum Beispiel kann die LED-Halterung 107 aus Aluminium gebildet sein, und das thermische Bett 105 kann aus Kupfer gebildet sein. Es ist jedoch zu erkennen, dass das thermische Bett 105 weggelassen werden kann, und die LED-Halterung 107 direkt mit LEDs 103 verbunden werden kann.
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Wie in 1A dargestellt, sind in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die LED-Halterungen 107 fingerförmige Vorsprünge mit einem Kanal 109, der zwischen Paaren von LED-Halterungen 107 gebildet ist. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration ist die verstärkte Wärmeableitung auf Grund des großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses von LED-Halterungen 107. Es ist zu erkennen, dass LED-Halterungen 107 verschiedene Formen neben der in 1A dargestellten haben können, um fingerförmige Vorsprünge zu erhalten. Zum Beispiel können LED-Halterungen 107 gerade Pfosten mit einem Kanal sein, der zwischen Paaren von Pfosten gebildet ist.
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Wie in 1B dargestellt, können die oberen Teile von LED-Halterungen 107 unter einem Winkel 119, der gegenüber einer vertikalen Linie gemessen wird, gewinkelt oder verjüngt sein, wenn die LED-Birne 100 sich in einer vertikalen Position befindet. Der beispielhafte Winkel 119 umfasst einen Bereich von –35° bis 90°. Ebenfalls gilt, dass alle oberen Teile von LED-Halterungen 107 unter demselben Winkel, wie zum Beispiel 9° oder 15°, abgewinkelt oder verjüngt werden können. Alternativ kann eine Kombination von Winkeln verwendet werden, wie zum Beispiel die Hälfte mit 18° und die Hälfte mit 30°, oder die Hälfte mit 9° und die Hälfte mit 31°. Wie detaillierter unten mit Bezug auf die 2A–2C beschrieben wird, können die abgewinkelten oberen Teile der LED-Halterungen 107 die passive Konvektionsströmung von Flüssigkeiten in der LED-Birne 100 erleichtern.
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Wie ebenfalls in 1B in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform dargestellt, sind die LEDs 103 mit Teilen von LED-Halterungen 107 verbunden, die als Installationsflächen für LEDs 103 dienen, welche unter einem Winkel 121 abgewinkelt oder verjüngt sind, der gegenüber einer senkrechten Linie gemessen wird, wenn LED-Birne 100 sich in einer vertikalen Position befindet. Der beispielhafte Winkel 121 umfasst einen Bereich von –35° bis 90°. Die Teile der LED-Halterungen 107, mit denen LEDs 103 verbunden sind, können unter demselben Winkel, wie zum Beispiel 9° oder 15°, abgewinkelt oder verjüngt sein. Alternativ kann eine Kombination von Winkeln verwendet werden, wie zum Beispiel die Hälfte mit 18° und die Hälfte mit 30°, oder die Hälfte mit 9° und die Hälfte mit 31°. Der spezielle Winkel oder die speziellen Winkel können so gewählt werden, dass sie eine wünschenswerte photometrische Verteilung erzeugen.
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In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1B dargestellt, sind die abgewinkelten oder verjüngten Teile, mit denen LEDs 103 verbunden sind (die Installationsflächen), getrennt von den oberen Teilen der LED-Halterungen 107, die ebenfalls abgewinkelt oder verjüngt sind. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die LEDs 103 an die oberen Teile der LED-Halterungen 107 angeschlossen werden können, die abgewinkelt oder verjüngt sind.
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Die LED-Birne 100 ist mit thermisch leitfähiger Flüssigkeit 111 gefüllt, die zum Übertragen von Wärme, die von den LEDs 103 erzeugt wird, auf die Hülle 101 dient. Die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 kann jede thermisch leitfähige Flüssigkeit, Mineralöl, Silikonöl, Glykole (PAGs), Fluorkohlenstoffe oder anderes Material sein, das fliessen kann. Es kann wünschenswert sein, die Flüssigkeit so zu wählen, dass sie ein nichtkorrodierendes Dielektrikum ist. Durch die Wahl einer solchen Flüssigkeit kann die Wahrscheinlichkeit reduziert werden, dass die Flüssigkeit Kurzschlüsse verursacht, und es können Schäden reduziert werden, die an den Komponenten der LED-Birne 100 verursacht werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Sockel 112 der LED-Birne 100 einen Wärmeverteilungssockel 113. LED-Halterungen 113 können aus leitfähigen Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Messing, Magnesium, Zink oder dergleichen. Der Wärmeverteilungssockel 113 kann thermisch mit einem oder mehreren Elementen aus Hülle 101, LED-Halterungen 107 und thermisch leitfähiger Flüssigkeit 111 verbunden werden. Das ermöglicht, dass ein Teil der Wärme, die von LEDs 103 erzeugt wird, zum Wärmeverteilungssockel 113 geleitet und von demselben abgeleitet wird.
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Die Größe und Form der LED-Halterungen 107 kann die Menge an Wärme beeinflussen, die zur thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 und zum Wärmeverteilungssockel 113 geleitet wird. Wenn zum Beispiel die LED-Halterungen 107 so gebildet sind, dass sie ein großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis haben, kann ein großer Prozentsatz der Gesamtwärme in den LED-Halterungen 107 von den LED-Halterungen 107 zur leitfähigen Flüssigkeit 111 geleitet werden, während ein kleiner Prozentsatz der Gesamtwärme in den LED-Halterungen 107 von den LED-Halterungen 107 zum Wärmeverteilungssockel 113 geleitet werden kann. Wenn LED-Halterungen 107 ein kleineres Oberflächen-Volumen-Verhältnis haben, kann ein kleiner Prozentsatz der Gesamtwärme in den LED-Halterungen 107 von den LED-Halterungen 107 zur thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 geleitet werden, während ein großer Prozentsatz der Gesamtwärme in den LED-Halterungen 107 von den LED-Halterungen 107 zum Wärmeverteilungssockel 113 geleitet werden kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Sockel 112 der LED-Birne 100 einen Anschlusssockel 115 zum Anschließen der Birne an eine Fassung. Der Anschlusssockel 115 kann ein herkömmlicher Glühbirnensockel sein, der Gewinde 117 zum Einführen in einen herkömmlichen Lampensockel hat. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass der Anschlusssockel 115 jede Art von Verbinder sein kann, wie zum Beispiel ein Einschraubsockel, ein zwei- oder dreipoliger Wandsteckdosenstecker, Bajonettsockel, Edisonschraubsockel, Einstiftsockel, Mehrstiftsockel, vertiefter Sockel, Flanschsockel, genuteter Sockel, Seitensockel oder dergleichen.
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Die 2A–2C illustrieren die passive Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111, die einer Querschnittsansicht einer LED-Birne 100 überlagert ist. Insbesondere illustriert 2A eine Querschnittsansicht des oberen Teils der LED-Birne 100, die sich in einer aufrechten vertikalen Orientierung befindet, bei der die Hülle 101 vertikal über dem Sockel 112 angeordnet ist. Die Pfeile zeigen die Richtung der Flüssigkeitsströmung während des Betriebs der LED-Birne 100 an. Die Flüssigkeit in der Mitte der LED-Birne 100 wird gezeigt, während sie zur Oberseite der Hülle 101 aufsteigt. Das ist auf die Wärme zurückzuführen, die von den LEDs 103 erzeugt und leitfähig zur thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 über LEDs 103 und LED-Halterungen 107 übertragen wird. Wenn die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 erwärmt wird, verringert sich ihre Dichte gegenüber der umgebenden Flüssigkeit, was bewirkt, dass die erwärmte Flüssigkeit zur Oberseite der Hülle 101 aufsteigt.
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Wie oben in Bezug auf 1A beschrieben, können die LED-Halterungen 107 durch Kanäle 109 getrennt werden. Das Trennen der LED-Halterungen 107 durch Kanäle 109 erhöht nicht nur das Oberflächen-Volumen-Verhältnis von LED-Halterungen 107, sondern erleichtert auch eine effiziente passive Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111, indem das Strömen der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 dazwischen ermöglicht wird. Da zum Beispiel die Flüssigkeit entlang der Flächen der LED-Halterungen 107 schneller erwärmt wird, als die umgebende Flüssigkeit, wird eine Aufwärtsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 um die LED-Halterungen 107 und innerhalb der Kanäle 109 erzeugt. In einem Beispiel können die Kanäle 109 zu vertikalen Kanälen geformt werden, die zur Oberseite der Hülle 101 weisen. Im Ergebnis dessen kann die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 entlang der Kanten von Kanal 109 zur Oberseite und Mitte von Hülle 101 geleitet werden.
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Nachdem die erwärmte, thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 den oberen Teil der Hülle 101 erreicht, wird Wärme leitfähig auf die Hülle 101 übertragen, was die Abkühlung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 bewirkt. Wenn sich die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 abkühlt, erhöht sich ihre Dichte, wodurch die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 fällt. In einem Beispiel, wie durch die 1A–1B und die 2A–2C illustriert, können die oberen Teile der LED-Halterungen 107 abgewinkelt sein. Die geneigten Flächen der LED-Halterungen 107 können die Strömung der abgekühlten thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 nach außen und die Seitenfläche der Hülle 101 hinab lenken. Dadurch bleibt die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 länger in Kontakt mit der Hülle 101, was ermöglicht, dass mehr Wärme leitfähig auf die Hülle 101 übertragen wird. Da außerdem das Abwärtsströmen der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 entlang der Oberfläche der Hülle 101 konzentriert ist, ist die Scherkraft zwischen der aufwärts strömenden Flüssigkeit in der Mitte der LED-Birne 100 und der abwärts strömenden Flüssigkeit entlang der Oberfläche der Hülle 101 reduziert, wodurch die Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 innerhalb der LED-Birne 100 verstärkt ist.
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Sobald der Boden der Hülle 101 erreicht ist, strömt die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 nach innen zu den LED-Halterungen 107 und steigt auf, wenn die Wärme, die von LEDs 103 erzeugt wird, die Flüssigkeit erwärmt. Die erwärmte thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 wird wieder durch die Kanäle 109 gelenkt, wie oben beschrieben. Der beschriebene Konvektionszyklus wiederholt sich kontinuierlich während des Betriebs der LED-Birne 100, um die LEDs 103 zu kühlen. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Konvektionsströmung, die oben beschrieben wird, die allgemeine Strömung von Flüssigkeit innerhalb der Hülle 101 darstellt. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass ein Teil der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 eventuell die Oberseite und den Boden der Hülle 101 nicht erreichen kann, bevor sie ausreichend abgekühlt oder erwärmt ist, um das Fallen oder Aufsteigen der Flüssigkeit zu bewirken.
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2B illustriert zwei Querschnittsansichten des oberen Teils der LED-Birne 100, die sich in einer horizontalen Orientierung befindet, wobei die Hülle 101 in derselben Ebene wie der Sockel 112 angeordnet ist. 2B umfasst eine Seitenansicht der LED-Birne 100 und eine Vorderansicht, die in den oberen Teil der LED-Birne 100 blickt. Ähnlich wie in 2A zeigen die Pfeile zeigen die Richtung der Flüssigkeitsströmung während des Betriebs der LED-Birne 100 an. In der Seitenansicht von 2B wird die Flüssigkeit in der Mitte der LED-Birne 100 gezeigt, wie sie zur Oberseite (vorher Seite) der Hülle 101 aufsteigt. Das ist auf die Wärme zurückzuführen, die von den LEDs 103 erzeugt und leitfähig zur thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 über LEDs 103 und LED-Halterungen 107 übertragen wird. Wenn die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 erwärmt wird, verringert sich ihre Dichte, wodurch bewirkt wird, dass die erwärmte Flüssigkeit zur Oberseite (vorher Seite) der LED-Birne 100 aufsteigt.
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Wie oben in Bezug auf 1A beschrieben, können die LED-Halterungen 107 durch Kanäle 109 getrennt werden. Durch das Trennen der LED-Halterungen 107 durch Kanäle 109 erhöht sich nicht nur das Oberflächen-Volumen-Verhältnis der LED-Halterungen 107, sondern es kann auch eine effiziente passive Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 durch Lenken der Strömung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 erleichtert werden. Da zum Beispiel die Flüssigkeit entlang der Flächen der LED-Halterungen 107 schneller erwärmt wird, als die umgebende Flüssigkeit, wird eine Strömung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 um die LED-Halterungen 107 und innerhalb der Kanäle 109 erzeugt. Wie durch die Vorderansicht von 2B illustriert, können die Kanäle 109 in einem Beispiel so geformt werden, dass sie radial nach außen weisen, wenn man von oben nach unten blickt. Wie durch die Pfeile angezeigt, die die Flüssigkeitsströmung darstellen, können die Kanäle 109 die erwärmte thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 radial nach außen entlang der Kanten der Kanäle 109 zur Hülle 101 hin lenken. Dadurch kann eine effiziente Konvektionsströmung der Flüssigkeit erzeugt werden, wie in 2B gezeigt. Außerdem können die Kanäle 109 weiter eine effiziente Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 erleichtern, indem sie der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 ermöglichen, zwischen den LED-Halterungen 107 entlang zu fließen, statt um den gesamten Halterungsaufbau herumzufließen.
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Nachdem die erwärmte, thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 den oberen Teil (vorher Seite) der Hülle 101 erreicht hat, wird Wärme leitfähig auf die Hülle 101 übertragen, was die Abkühlung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 bewirkt. Wenn sich die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 abkühlt, erhöht sich ihre Dichte, wodurch die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 fällt. Wie durch die 1A–1B und die 2A–2C illustriert, kann in einem Beispiel der obere Teil der LED-Halterung 107 nach innen zur Mitte der LED-Birne 100 hin abgewinkelt sein. Wie durch die Seitenansicht von 2B illustriert, kann die geneigte Fläche der LED-Halterung 107 die Strömung der abgekühlten thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 die Seitenfläche (vorher oben) der Hülle 101 hinab lenken. Dadurch bleibt die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 länger in Kontakt mit der Hülle 101, was ermöglicht, dass mehr Wärme leitfähig auf die Hülle 101 übertragen wird.
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Wie durch die Vorderansicht von 2B illustriert, kann das Draufsichtprofil der LED-Halterungen 107 der Form der Hülle 101 ähnlich sein. In dem illustrierten Beispiel ist diese Form ein Kreis. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Hülle 101 und die LED-Halterungen 107 zu anderen gewünschten Formen geformt werden können. Wie in 2B dargestellt, weisen die LED-Installationsflächen in verschiedene radiale Richtungen. Im Ergebnis dessen, dass die LED-Halterungen 107 der Form der Hülle 101 entsprechen, können die äußeren Seitenflächen der LED-Halterungen 107 die Strömung der abgekühlten thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 an den Seitenflächen der Hülle 101 abwärts lenken. Dadurch bleibt die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 länger in Kontakt mit der Hülle 101, was ermöglicht, dass mehr Wärme leitfähig auf die Hülle 101 übertragen wird. Da das Abwärtsströmen der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 entlang der Außenfläche der Hülle 101 konzentriert ist, ist die Scherkraft zwischen der aufwärts strömenden Flüssigkeit in der Mitte der LED-Lampe 100 und der abwärts strömenden Flüssigkeit entlang der Oberfläche der Hülle 101 reduziert, wodurch die Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 innerhalb der LED-Lampe 100 verstärkt ist.
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Sobald der Boden der Hülle 101 erreicht ist, strömt die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 zu den LED-Halterungen 107 und steigt auf, wenn die Wärme, die von LEDs 103 erzeugt wird, die Flüssigkeit erwärmt. Die erwärmte thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 wird wieder durch die Kanäle 109 gelenkt, wie oben beschrieben. Der beschriebene Konvektionszyklus wiederholt sich kontinuierlich während des Betriebs der LED-Lampe 100, um die LEDs 103 zu kühlen. Es ist zu berücksichtigen, dass die Konvektionsströmung, die oben beschrieben wird, die allgemeine Strömung von Flüssigkeit innerhalb der Hülle 101 darstellt. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass ein Teil der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 eventuell die Oberseite und den Boden der Hülle 101 nicht erreichen kann, bevor sie ausreichend abgekühlt oder erwärmt ist, um das Fallen oder Aufsteigen der Flüssigkeit zu bewirken.
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2C illustriert eine Querschnittsansicht des oberen Teils der LED-Lampe 100, die sich in einer umgekehrten vertikalen Orientierung befindet, bei der die Hülle 101 vertikal unter dem Sockel 112 angeordnet ist. Die Pfeile zeigen die Richtung der Flüssigkeitsströmung während des Betriebs der LED-Lampe 100 an. Die Flüssigkeit in der Mitte der LED-Lampe 100 wird gezeigt, während sie zur Oberseite (vorher Boden) der Hülle 101 aufsteigt. Das ist auf die Wärme zurückzuführen, die von den LEDs 103 erzeugt und leitfähig zur thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 über LEDs 103 und LED-Halterungen 107 übertragen wird. Wenn die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 erwärmt wird, verringert sich ihre Dichte, wodurch bewirkt wird, dass die erwärmte Flüssigkeit zur Oberseite (vorher Boden) der LED-Lampe 100 aufsteigt.
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Wie oben in Bezug auf 1A beschrieben, können in einem Beispiel die LED-Halterungen 107 durch Kanäle 109 getrennt werden. Durch das Trennen der LED-Halterungen 107 durch Kanäle 109 erhöht sich nicht nur das Oberflächen-Volumen-Verhältnis der LED-Halterungen 107, sondern es kann auch eine effiziente passive Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 durch Lenken der Strömung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 erleichtert werden. Da zum Beispiel die Flüssigkeit entlang der Flächen der LED-Halterungen 107 schneller erwärmt wird, als die umgebende Flüssigkeit, wird eine Aufwärtsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 um die LED-Halterungen 107 und innerhalb der Kanäle 109 erzeugt. In einem Beispiel können die Kanäle 109 zu vertikalen Kanälen geformt werden, die zum Boden (vorher Oberseite) der Hülle 101 zeigen. Im Ergebnis dessen kann die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 entlang der vertikalen Kanten von Kanal 109 zur Oberseite (vorher Boden) von Hülle 101 geleitet werden.
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Nachdem die erwärmte, thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 den oberen Teil (vorher Boden) der Hülle 101 erreicht hat, wird Wärme leitfähig auf die Hülle 101 übertragen, was die Abkühlung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 bewirkt. Wenn sich die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 abkühlt, erhöht sich ihre Dichte, wodurch die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 fällt. Da die erwärmte thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 nach oben und außen in einer umgekehrten vertikalen Orientierung gedrückt wird, fällt die abgekühlte thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 an den Seiten der Hülle 101 herab. Dies ermöglicht, dass die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 länger in Kontakt mit der Hülle 101 bleiben kann, wodurch mehr Wärme leitfähig auf die Hülle 101 übertragen wird. Da außerdem das Abwärtsströmen der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 entlang der Oberfläche der Hülle 101 konzentriert ist, ist die Scherkraft zwischen der aufwärts strömenden Flüssigkeit in der Mitte der LED-Lampe 100 und der abwärts strömenden Flüssigkeit entlang der Oberfläche der Hülle 101 reduziert, wodurch die Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 innerhalb der LED-Lampe 100 verstärkt ist.
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Sobald der Boden (vorher Oberseite) der Hülle 101 erreicht ist, kann die thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 sich zur Mitte der LED-Lampe 100 bewegen und aufsteigen, wenn Wärme, die durch die LEDs 103 erzeugt wird, die Flüssigkeit erwärmt. Wie durch die 1A–1B und die 2A–2C illustriert, können in einem Beispiel untere (vorher obere) Teile der LED-Halterungen 107 nach innen zur Mitte der LED-Lampe 100 hin abgewinkelt sein. Die geneigte Fläche der LED-Halterung 107 kann die Strömung der erwärmten thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 nach außen und oben zur Oberseite (vorher Boden) der Hülle 101 lenken, wie durch 2C illustriert. Die erwärmte thermisch leitfähige Flüssigkeit 111 kann ferner durch Kanäle 109 zum oberen (vorher unteren) Teil der Hülle 101 gelenkt werden. Der beschriebene Konvektionszyklus wiederholt sich kontinuierlich während des Betriebs der LED-Lampe 100, um die LEDs 103 zu kühlen. Es ist zu berücksichtigen, dass die Konvektionsströmung, die oben beschrieben wird, die allgemeine Strömung von Flüssigkeit innerhalb der Hülle 101 darstellt. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass ein Teil der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 eventuell die Oberseite und den Boden der Hülle 101 nicht erreichen kann, bevor sie ausreichend abgekühlt oder erwärmt ist, um das Fallen oder Aufsteigen der Flüssigkeit zu bewirken.
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In den Beispielen, die oben mit Bezug auf 2C beschrieben werden, wird eine passive Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit 111 durch die ganze Hülle 101 durch Einführen der zentralen Struktur verbessert, die LED-Halterungen 107 umfasst. Das Bereitstellen von LEDs 103 auf LED-Halterungen 107 in der Nähe der Mitte der Hülle 101 vermeidet die Situation, die oben mit Bezug auf eine herkömmliche LED-Lampe beschrieben wird, wo die wärmeerzeugenden Elemente (LEDs) an der Oberseite der Lampe positioniert sind.
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Obwohl ein Merkmal als in Verbindung mit einer speziellen Ausführungsform beschrieben erscheinen mag, erkennt der Fachmann auf diesem Gebiet, dass verschiedene Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können. Außerdem können Erscheinungsformen, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, auch für sich allein stehen.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
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- E1. Lichtemittierende Dioden-(LED)-Birne, umfassend:
einen Sockel;
eine Hülle, die mit dem Sockel verbunden ist;
eine thermisch leitfähige Flüssigkeit, die innerhalb der Hülle gehalten wird;
eine Vielzahl von LEDs; und
eine Vielzahl von LED-Installationsflächen, die innerhalb der Hülle angeordnet sind, wobei jede LED auf einer der LED-Installationsflächen montiert ist, wobei die LED-Installationsflächen in unterschiedliche radiale Richtungen weisen und wobei die LED-Installationsflächen zum Erleichtern einer passiven Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit innerhalb der LED-Birne ausgelegt sind, um Wärme von den LEDs auf die Hülle zu übertragen, wenn die LED-Birne in mindestens drei verschiedenen Orientierungen ausgerichtet ist, die mindestens drei verschiedenen Orientierungen umfassend:
eine erste Orientierung, bei der die Hülle vertikal oberhalb des Sockels angeordnet ist;
eine zweite Orientierung, bei der die Hülle in derselben horizontalen Ebene wie der Sockel angeordnet ist; und
eine dritte Orientierung, bei der die Hülle vertikal unter dem Sockel angeordnet ist.
- E2. Die LED-Birne nach 1, wobei die LEDs in die thermisch leitfähige Flüssigkeit eingetaucht sind;
- E3. Die LED-Birne nach einem von 1 bis 2, wobei die LED-Installationsflächen in die thermisch leitfähige Flüssigkeit eingetaucht sind.
- E4. Die LED-Birne nach einem von 1 bis 3, wobei die LED-Installationsflächen Teile der LED-Halterungen sind.
- E5. Die LED-Birne nach 4, wobei die LED-Halterungen fingerförmige Vorsprünge sind,
wobei die fingerförmigen Vorsprünge in die thermisch leitfähige Flüssigkeit hineinragen, welche innerhalb der Hülle gehalten wird.
- E6. Die LED-Birne nach 5, ferner umfassend:
eine Vielzahl von Kanälen, die zwischen Paaren der fingerförmigen Vorsprünge gebildet sind, wobei die fingerförmigen Vorsprünge und die Vielzahl von Kanälen zum Erleichtern einer passiven Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit durch die Vielzahl von Kanälen ausgelegt sind, wenn die LED-Birne in den mindestens drei verschiedenen Orientierungen ausgerichtet ist.
- E7. Die LED-Birne nach E6, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass sie nach oben, weg vom Sockel, durch die Vielzahl von Kanälen in der Mitte der LED-Birne fließt und nach unten an einer Fläche der Hülle in der ersten Orientierung fließt.
- E8. Die LED-Birne nach einem von E6 bis 7, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass diese durch die Vielzahl von Kanälen nach oben und auf einer Fläche der Hülle in der zweiten Orientierung nach unten strömen kann.
- E9. Die LED-Birne nach einem von E6 bis 8, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass sie nach oben, hin zum Sockel, durch die Vielzahl von Kanälen in der Mitte der LED-Birne und auf einer Fläche der Hülle in der dritten Orientierung nach unten strömen kann.
- E10. Die LED-Birne nach einem von E6 bis 9, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass diese konvektiv zum Übertragen von Wärme von der Vielzahl von LEDs und den fingerförmigen Vorsprüngen zur Hülle fließen kann, wenn die Vielzahl von LEDs eingeschaltet sind.
- E11. Die LED-Birne nach einem von E6 bis 10, wobei die Vielzahl von fingerförmigen Vorsprüngen und die Vielzahl von Kanälen von der Mitte der Hülle radial nach außen zeigen.
- E12. Die LED-Birne nach nach einem von E5 bis 11, wobei jeder der fingerförmigen Vorsprünge einen abgewinkelten oberen Teil umfasst.
- E13. Die LED-Birne nach einem von E1 bis 12, wobei die LED-Installationsflächen gegenüber einer vertikalen Linie abgewinkelt sind, wenn die LED-Birne in einer vertikalen Position ist.
- E14. Die LED-Birne nach einem von E1 bis 13, die ferner mindestens ein thermisches Bett umfasst, das zwischen mindestens einer der LEDs und mindestens einer der LED-Installationsflächen angeordnet ist.
- E15. Die LED-Birne nach E14, wobei das mindestens eine thermische Bett eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die mindestens eine der LED-Installationsflächen hat.
- E16. Die LED-Birne nach einem von E1 bis 15, wobei der Sockel Folgendes umfasst:
einen Wärmeverteilungssockel, der mit den fingerförmigen Vorsprüngen verbunden ist, wobei der Wärmeverteilungssockel zum leitfähigen Übertragen von Wärme von den fingerförmigen Vorsprüngen ausgelegt ist; und
einen Anschlusssockel, der zum Anschließen der LED-Birne an eine Fassung ausgelegt ist.
- E17. Die LED-Birne nach E16, wobei der Anschlusssockel Gewinde umfasst.
- E18. Die LED-Birne nach einem von E1 bis 17, wobei die thermisch leitfähige Flüssigkeit ein Element aus der Gruppe ist, die aus einem Mineralöl, Silikonöl, Glykolen und Fluorkohlenstoffen besteht.
- E19. Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Dioden-(LED)-Birne, umfassend:
Erhalten eines Sockels;
Verbinden einer Hülle mit dem Sockel;
Füllen der Hülle mit einer thermisch leitfähigen Flüssigkeit;
Anordnen einer Vielzahl von LED-Installationsflächen innerhalb der Hülle; und
Montieren einer Vielzahl von LEDs auf den LED-Installationsflächen, wobei jede LED auf einer der LED-Installationsflächen montiert wird, wobei die LED-Installationsflächen in unterschiedliche radiale Richtungen weisen und wobei die LED-Installationsflächen zum Erleichtern einer passiven Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit innerhalb der LED-Birne ausgelegt sind, um Wärme von den LEDs auf die Hülle zu übertragen, wenn die LED-Birne in mindestens drei verschiedenen Orientierungen ausgerichtet ist, die mindestens drei verschiedenen Orientierungen umfassend:
eine erste Orientierung, bei der die Hülle vertikal oberhalb des Sockels angeordnet ist;
eine zweite Orientierung, bei der die Hülle in derselben horizontalen Ebene wie der Sockel angeordnet ist; und
eine dritte Orientierung, bei der die Hülle vertikal unterhalb des Sockels ist.
- E20. Verfahren nach E19, wobei die LEDs und LED-Installationsflächen in die thermisch leitfähige Flüssigkeit eingetaucht sind.
- E21. Verfahren nach einem von E19 bis 20, wobei die LED-Installationsflächen Teile von LED-Halterungen sind und wobei die LED-Halterungen fingerförmige Vorsprünge sind, wobei die fingerförmigen Vorsprünge in die thermisch leitfähige Flüssigkeit innerhalb der Hülle hineinragen.
- E22. Verfahren nach E21, das ferner Folgendes umfasst:
eine Vielzahl von Kanälen, die zwischen Paaren der fingerförmigen Vorsprünge gebildet sind, wobei die fingerförmigen Vorsprünge und die Vielzahl von Kanälen zum Erleichtern einer passiven Konvektionsströmung der thermisch leitfähigen Flüssigkeit durch die Vielzahl von Kanälen ausgelegt sind, wenn die LED-Birne in den mindestens drei verschiedenen Orientierungen ausgerichtet ist.
- E23. Verfahren nach E22, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass sie nach oben, weg vom Sockel, durch die Vielzahl von Kanälen in der Mitte der LED-Birne fließt und nach unten an einer Fläche der Hülle in der ersten Orientierung herabfließt.
- E24. Verfahren nach einem von E22 bis 23, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass sie durch die Vielzahl von Kanälen nach oben und an einer Fläche der Hülle in der zweiten Orientierung nach unten strömt.
- E25. Verfahren nach einem von E22 bis 24, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass sie nach oben, hin zum Sockel, durch die Vielzahl von Kanälen in der Mitte der LED-Birne und auf einer Fläche der Hülle in der dritten Orientierung nach unten strömen kann.
- E26. Verfahren nach einem von E22 bis 25, wobei die Vielzahl von Kanälen zum Lenken der thermisch leitfähigen Flüssigkeit ausgelegt sind, so dass diese konvektiv zum Übertragen von Wärme von der Vielzahl von LEDs und den fingerförmigen Vorsprüngen zur Hülle fließen kann, wenn die Vielzahl von LEDs eingeschaltet sind.
- E27. Verfahren nach einem von E22 bis 26, wobei die Vielzahl von fingerförmigen Vorsprüngen und die Vielzahl von Kanäle von der Mitte der Hülle radial nach außen zeigen.
- E28. Verfahren nach einem von E21 bis 27, wobei jeder der fingerförmigen Vorsprünge einen abgewinkelten oberen Teil umfasst.
- E29. Verfahren nach einem von E19 bis 28, wobei die LED-Installationsflächen gegenüber einer vertikalen Linie abgewinkelt sind, wenn die LED-Birne in einer vertikalen Position ist.
- E30. Verfahren nach einem von E19 bis 29, das ferner mindestens ein thermisches Bett umfasst, das zwischen mindestens einer der LEDs und mindestens einer der LED-Installationsflächen angeordnet ist.
- E31. Verfahren nach einem von E30, wobei das mindestens eine thermische Bett eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die mindestens eine der LED-Installationsflächen hat.
- E32. Das Verfahren nach einem von E19 bis 31, wobei der Sockel Folgendes umfasst:
einen Wärmeverteilungssockel, der mit den fingerförmigen Vorsprüngen verbunden ist, wobei der Wärmeverteilungssockel zum leitfähigen Übertragen von Wärme von den fingerförmigen Vorsprüngen ausgelegt ist; und
einen Anschlusssockel, der zum Anschließen der LED-Birne an eine Fassung ausgelegt ist.
- E33. Das Verfahren nach E32, wobei der Anschlusssockel Gewinde umfasst.
- E34. Das Verfahren nach einem von E19 bis 33, wobei die thermisch leitfähige Flüssigkeit ein Element aus der Gruppe ist, die aus einem Mineralöl, Silikonöl, Glykolen und Fluorkohlenstoffen besteht.
