DE212009000243U1

DE212009000243U1 - LED-Leuchtenhalterung mit verbesserter thermischer Handhabung

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Publication number: DE212009000243U1
Application number: DE212009000243U
Authority: DE
Original assignee: Graftech International Holdings Inc
Current assignee: Graftech International Holdings Inc
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2012-08-06
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: WO2011075116A1; US20130242573A1; CN203223884U

Abstract

Leuchtenhalterung, umfassend: a. eine Schaltungsplatine mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche; b. zumindest eine lichtemittierende Diode, die auf der ersten Hauptfläche der Schaltungsplatine angebracht ist; c. eine Abdeckung, die aus einem Material gebildet ist, das zwei Hauptflächen und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 20 mm – W/m·K aufweist und derart geformt ist, um eine Öffnung einer Kavität zu definieren, wobei eine erste der Hauptflächen des Materials die Oberfläche der Kavitäten definiert und die Abdeckung derart positioniert ist, um die zweite Hauptfläche der Schaltungsplatine abzudecken; d. einen Wärmespreizer, der eine Oberflächenfläche, die zumindest das zweifache der Oberflächenfläche der Schaltungsplatine beträgt, und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 10 mm – W/m·K aufweist, wobei der Wärmespreizer in thermischem Kontakt sowohl mit der Schaltungsplatine als auch der Abdeckung positioniert ist, wobei die thermomechanische Entwurfskonstante eines Materials definiert ist durch die thermische Leitfähigkeit des Materials multipliziert mit dessen mittlerer...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine LED-(lichtemittierende Diode)-Leuchtenhalterung, die eine verbesserte thermische Handhabung aufweist. Im Einzelnen betrifft die vorliegende Offenbarung eine Leuchtenhalterung, die eine Schaltungsplatine umfasst, die eine auf ihr angebrachte LED aufweist, und eine Abdeckung, die die Schaltungsplatine z. B. vor den Elementen schützt. Die Abdeckung umfasst einen Wärmespreizer, der sowohl mit der Abdeckung als auch der Schaltungsplatine in thermischem Kontakt steht, um die thermische Handhabung der Leuchtenhalterung zu verbessern.
Verwandter Stand der Technik
Seit der Einführung blauer Wellenlängen mit hoher Helligkeit wurden LEDs zur weißen Beleuchtung effizienter und kostengünstiger. In dem Maße, in dem die LED-Kosten fielen, erhöhten sich die Wirkungsgrade, wuchs der Betrag an Licht pro Vorrichtung beständig an und etablierten sich neue Anwendungen für LEDs. Die jüngsten Pegel an LED-Leistung ermöglichen nun Anwendungen über viele Gebiete hinweg, von spezialisierter Beleuchtung (Schmuckschatullen, Kühl-/Gefriereinheiten, chirurgische Beleuchtung) über allgemeine Beleuchtung für den Innenraum (Spots, Einbaubeleuchtung) bis hin zu allgemeiner Beleuchtung für den Außenraum (Stablampen, Parkplatz-/Bereichslampen, Parkgaragenlampen).
Derzeit werden große LED-Arrayleuchten entworfen und verkauft als Ersatz für Leuchten auf Straßen, in Tunneln, auf Parkplätzen und anderen großen Bereichen. Diese Leuchten weisen typischerweise eine thermische Abstrahlung von 75 W bis 200 W auf, und die Beleuchtungsstruktur ist entworfen, um einen vorherrschend leitfähigen Wärmeweg zu beherrschen, bis Kontakt mit der Außenluft hergestellt ist, an welchem Punkt eine Konvektion mit der Umgebungsluft die Wärme aus dem System abführt. Damit dieser interne Leitweg hin zu einem geeigneten Bereich zur Konvektion beherrscht wird, wurden die meisten LED-Arrayleuchten unter Verwendung einer metallischen, insbesondere einer Aluminium-Wärmesenke entwickelt, die ein Gewichtsproblem und zusätzliche Kosten über herkömmliche Leuchtsysteme hinaus verursacht, die mit einem Abdeckungsmaterial hergestellt werden. Im Einzelnen können derartige metallische Wärmesenken zu einer deutlichen Erhöhung von Kosten und Gewicht bei einer Leuchtenhalterung führen, da insbesondere die Herstellung des Gieß- oder Extrudiermittels oder der Spritzgussform, die zum Ausbilden der Wärmesenke verwendet wird, so schwierig und zeitaufwändig ist, und die Mittel/Gussformen weder lange halten noch leicht modifiziert werden können, insbesondere im Vergleich mit Metallblechausformwerkzeugen. Herkömmliche Metallblechentwürfe sind bei einem Bereitstellen eines geeigneten thermischen Wegs für die thermische LED-Abstrahlung mangelhaft.
Demgemäß ist eine LED-Leuchtenhalterung mit verbesserter thermischer Handhabung das Objekt der Suche. In bestimmten Ausführungsbeispielen wird die verbesserte thermische Handhabung erreicht, ohne den Bedarf an schweren und teuren extrudierten, spritzgegossenen oder druckgegossenen metallischer Wärmesenken.
Lamellengraphit, das in großem Maße expandiert wurde, und insbesondere expandiert wurde, um eine finale Dicke oder ein Abmaß in „c”-Richtung aufzuweisen, die oder das sage und schreibe etwa das 80-fache oder mehr des ursprünglichen Abmaßes in „c”-Richtung beträgt, kann ohne die Verwendung eines Bindemittels kohäsive oder einstückige Bleche aus expandiertem Graphit ausgebildet werden, z. B. Netze, Papiere, Streifen, Bänder, Folien, Matten oder dergleichen (die im Handelsverkehr typischerweise als ”flexibles Graphit” bezeichnet werden). Die Bildung von Graphitpartikeln, die expandiert wurden, um eine finale Dicke oder finales „c”-Abmaß aufzuweisen, das oder die sage und schreibe das 80-fache oder mehr des ursprünglichen Abmaßes in „c”-Richtung beträgt, in einstückige flexible Bleche durch Kompression ohne die Verwendung irgendeines Bindematerials, gilt aufgrund der mechanischen Verschränkung, oder Kohäsion, als möglich, die zwischen den in großem Maße expandierten Graphitpartikeln erreicht wird.
Zusätzlich zu der Flexibilität, wie vorstehend beschrieben, wurde für das Blechmaterial ebenso ermittelt, dass es einen hohen Grad an Anisotropie hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit aufgrund der Ausrichtung der expandierten Graphitpartikel und von Graphitschichten im Wesentlichen parallel zu den gegenüberliegenden Flächen des Blechs, die aus der hohen Kompression herrühren, aufweist, was es insbesondere nützlich bei Wärmespreizanwendungen macht. Das so hergestellte Blechmaterial weist eine hervorragende Flexibilität, eine gute Stärke und einen hohen Grad an Ausrichtung auf.
Das flexible Graphitblechmaterial zeigt einen deutlichen Grad an Anisotropie aufgrund der Ausrichtung der Graphitpartikel parallel zu den gegenüberliegenden, parallelen Hauptflächen des Blechs, wobei sich der Grad an Anisotropie bei Kompression des Blechmaterials erhöht, um die Ausrichtung zu erhöhen. In dem komprimierten anisotropen Blechmaterial umfasst die Dicke, d. h. die Richtung lotrecht zu den gegenüberliegenden, parallelen Blechflächen, die „c”-Richtung und die Richtungen, die entlang der Länge verlaufen, und umfasst die Breite, d. h. entlang oder parallel zu den gegenüberliegenden Hauptflächen, die „a”-Richtungen, und die thermischen und elektrischen Eigenschaften des Blechs sind für die „c”- und ”a”-Richtungen sehr verschieden, um zumindest eine Größenordnung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Leuchtenhalterung, die eine Schaltungsplatine, die eine erste und eine zweite Hauptfläche aufweist; zumindest eine lichtemittierende Diode, die auf der ersten Hauptfläche der Schaltungsplatine angebracht ist; eine Abdeckung umfasst, wie eine solche, die aus einem metallischen Blech gebildet ist, das zwei Hauptflächen und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 20 mm – W/m·K aufweist und geformt ist, um eine Öffnung und eine Kavität zu definieren, wobei eine der Hauptflächen des Materials die Oberfläche der Kavität definiert und die Abdeckung derart positioniert ist, um die zweite Hauptfläche der Schaltungsplatine abzudecken. In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck ”thermomechanische Entwurfskonstante” auf eine Eigenschaft eines Materials, das zwei Hauptflächen aufweist, die durch die mittlere Dicke des Materials (d. h. den Abstand zwischen den zwei Hauptflächen des Materials) multipliziert mit seiner thermischen In-Plane-Leitfähigkeit dargestellt ist. In bestimmten Ausführungsbeispielen der Offenbarung ist die Abdeckung aus einem Blech aus Aluminium, Stahl, Kupfer oder deren Legierungen ausgebildet und weist eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest etwa 440 mm – W/m·K auf.
Die Leuchtenhalterung der Offenbarung umfasst ebenso einen Wärmespreizer, der in thermischem Kontakt sowohl mit der Schaltungsplatine als auch der Abdeckung positioniert ist, wobei der Wärmespreizer eine Oberflächenfläche, die zumindest das doppelte derer der Schaltungsplatine beträgt, und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 10 mm – W/m·K, vorzugsweise zumindest etwa 75 mm – W/m·K aufweist; in den vorteilhaftesten Ausführungsbeispielen weist der Wärmespreizer eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest etwa 100 mm – W/m·K auf. In vielen Ausführungsbeispielen weist der Wärmespreizer eine thermische In-Plane-Leitfähigkeit von zumindest etwa 140 W/m·K, insbesondere zumindest etwa 220 W/m·K auf (alle hier dargereichten Messungen der thermischen Leitfähigkeit wurden bei Raumtemperatur 20°C ermittelt). Der Wärmespreizer sollte zumindest etwa 0,075 mm in der Dicke bis hin zu etwa 10 mm in der Dicke betragen. Im Allgemeinen beträgt die Dicke des Wärmespreizers von etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Wärmespreizer aus einem Material gebildet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Aluminium, komprimierten Partikeln aus Blähgraphit und Pyrographit besteht. In einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist der Wärmespreizer aus zumindest einem Blech aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit ausgebildet, und erstreckt sich in zusätzlichen Ausführungsbeispielen der Wärmespreizer zumindest teilweise über die Öffnung der Abdeckung und/oder steht in thermischem Kontakt mit der Hauptfläche der Abdeckung, die die Oberfläche der Kavität definiert, mittels der Verwendung eines Klebemittels, von Nieten, von Schrauben oder deren Kombinationen.
Es kann ebenso ein Wärmesenke mit umfasst sein, wobei die Wärmesenke derart positioniert ist, um den Wärmespreizer gegen die Schaltungsplatine zu pressen. Verfügbare Wärmesenken umfassen extrudierte, spritzgegossene oder druckgegossene metallische Wärmesenken, oder gefaltete Feinblechmetallwärmesenken, insbesondere Wärmesenken aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Es sei zu verstehen, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachstehende ausführliche Beschreibung Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen und beabsichtigen, einen Überblick oder Rahmen zum Verständnis der Natur und des Wesens der Erfindung gemäß den Ansprüchen bereitzustellen. Die beiliegenden Zeichnungen sind umfasst, um einen weitergehendes Verständnis der Erfindung bereitzustellen, und sind in dieser Beschreibung umfasst und bilden einen Teil dieser. Die Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Beschreibung der Prinzipien und Vorgänge der Erfindung. Andere und weitergehende Merkmale und Vorteile der Erfindung leuchten dem Fachmann bei Lesen der nachstehenden Offenbarung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne Weiteres ein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Teilansicht eines Ausführungsbeispiels einer LED-Leuchtenhalterung, die eine Schaltungsplatine und einen Wärmespreizer in thermischem Kontakt mit der Abdeckung und der Schaltungsplatine umfasst;
2 eine perspektivische schematische Teilaufrissansicht der Leuchtenhalterung gemäß 1, die den Wärmespreizer zeigt;
3 eine perspektivische Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer LED-Leuchtenhalterung, die die Abdeckung gemäß 1 umfasst, einschließlich einer Schaltungsplatine und eines Wärmespreizers in thermischem Kontakt mit der Abdeckung und der Schaltungsplatine zusammen mit einer metallischen Wärmesenke; und
4 eine Querschnittsteilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer LED-Leuchtenhalterung, die die Abdeckung gemäß 1 umfasst, einschließlich einer Schaltungsplatine und eines Wärmespreizers in thermischem Kontakt mit der Abdeckung und der Schaltungsplatine, zusammen mit einer metallischen Wärmesenke.
Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
Wie vorstehend beschrieben, betrifft die vorliegende Offenbarung Leuchtenhalterungen, die lichtemittierende Dioden, oder LEDs, umfassen. Als ”Leuchtenhalterung” ist eine Vorrichtung gemeint, die zur Verwendung bei der Bereitstellung einer Beleuchtung für einen Bereich entweder einzeln oder in Kombination beabsichtigt ist. Eine LED-Leuchtenhalterung verwendet LEDs als die Beleuchtungsquelle. Typischerweise sind eine oder mehrere LEDs auf einer Schaltungsplatine angebracht, die die Beleuchtung der LEDs steuert. Es können eine oder mehrere derartige Schaltungsplatinen in einer Leuchtenhalterung Verwendung finden. Natürlich leuchtet schnell ein, dass es erforderlich ist, die Schaltungsplatinen einer LED-Leuchtenhalterung sowohl aus Sicherheitsgründen als auch zur Verhinderung von Schaden an der Schaltungsplatine verursacht durch Staub, Schmutz oder andere Umgebungsmaterialien abzudecken. Wird eine LED-Leuchtenhalterung im Außenraum angebracht, wie bei der Verwendung als eine Straßenlaterne oder dergleichen, ist der Schutz vor den Elementen in der Tat noch wichtiger. Eingedenk dessen ist es ebenso erforderlich, eine Art und Weise zur Abstrahlung von Wärme bereitzustellen, die durch die LED erzeugt wird, um eine temperaturverursachte Herabminderung der Leistung der Leuchtenhalterung zu vermeiden. Somit werden oft Ventile oder dergleichen verwendet, die ein Einfallstor für unerwünschte Materialien darstellen können. Als solche beschreibt die vorliegende Offenbarung die Verwendung eines Wärmespreizers, um die Wärmeabstrahlungseigenschaften von LED-Leuchtenhalterungen zu verbessern. In bestimmten Ausführungsbeispielen ist der Wärmespreizer aus einem oder mehreren Blechen aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit ausgebildet.
Im Einzelnen umfasst in bestimmten Ausführungsbeispielen die LED-Leuchtenhalterung der vorliegenden Offenbarung eine Schaltungsplatine, die eine erste und eine zweite Hauptfläche aufweist. Wie vorstehend beschrieben, ist zumindest eine lichtemittierende Diode auf der ersten Hauptfläche der Schaltungsplatine angebracht. Eine Abdeckung ist derart positioniert, um die zweite Hauptfläche der Schaltungsplatine abzudecken. In einem Ausführungsbeispiel ist die Abdeckung aus einem Material ausgebildet, wie einem Blech aus Metall (manchmal als Metallblech bezeichnet), das zwei Hauptflächen und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 20 mm – W/m·K aufweist. In einigen Ausführungsbeispielen beträgt die thermomechanische Entwurfskonstante des Materials der Abdeckung zumindest etwa 110 mm – W/m·K, und in anderen Ausführungsbeispielen beträgt sie zumindest etwa 270 mm – W/m·K, oder zumindest etwa 440 mm – W/m·K. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Material Aluminium, Kupfer oder Stahl oder deren Legierungen sein. Im Allgemeinen reicht die Dicke des Materials für die Abdeckung von etwa 0,1 mm bis etwa 7 mm; in einigen Ausführungsbeispielen beträgt das Material in der Dicke von etwa 1,5 mm bis etwa 2,5 mm.
Die Abdeckung ist geformt, um eine Öffnung und eine Kavität zu definieren, wobei eine der Hauptfläche des Materials die Oberfläche der Kavität definiert und die andere der Hauptflächen des Materials die äußere Oberfläche der Abdeckung definiert. Die Abdeckung ist derart positioniert, um die zweite Hauptfläche der Schaltungsplatine abzudecken, wobei die Kavität der Abdeckung bezüglich und über der zweiten Hauptfläche der Schaltungsplatine positioniert ist. Die Abdeckungsöffnung kann, in bestimmten Ausführungsbeispielen, entworfen werden, um in Antwort auf eine Einstellung der Halterung in Größe oder Winkel zu variieren.
In bestimmten Ausführungsbeispielen ist die äußere Oberfläche der Abdeckung im Wesentlichen glatt, insbesondere verglichen mit der Oberfläche einer Rippenwärmesenke, um die Tendenz der äußeren Oberfläche der Leuchtenhalterung zu verringern, Schmutz aufzunehmen, wie unerwünschte Umgebungselemente, wie Vogelkot. Als „im Wesentlichen glatt” ist gemeint, dass die Oberflächenfläche der äußeren Oberfläche der Abdeckung nicht mehr als das zehnfache der minimalen Oberflächenfläche eines theoretischen sechsseitigen Quaders mit perfekt glatter Oberfläche beträgt, der erforderlich ist, um die Abdeckung vollständig zu umbeschreiben (ausschließlich irgendwelcher Abdeckungsoberflächenrauheitsmerkmale von weniger als 25 μm). In bevorzugteren Ausführungsbeispielen beträgt die Oberflächenfläche der äußeren Oberfläche der Abdeckung nicht mehr als das fünffache der minimalen Oberflächenfläche der äußeren Abdeckung; noch mehr bevorzugt beträgt sie nicht mehr als das zweifache der minimalen Oberflächenfläche der äußeren Oberflächenfläche der Abdeckung.
Die Leuchtenhalterung der Offenbarung umfasst ebenso einen Wärmespreizer, der, wie beschrieben in einigen Ausführungsbeispielen, aus einem oder mehreren Blechen aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit ausgebildet ist. In anderen Ausführungsbeispielen ist der Wärmespreizer aus einem Material ausgebildet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Aluminium und Pyrographit besteht. Mittels ”Pyrographit” ist ein Graphitmaterial gemeint, das durch die Wärmebehandlung von bestimmten Polymeren ausgebildet ist, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 5,091,025 offenbart, dessen Offenbarung durch Bezugnahme aufgenommen ist.
In bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung ist die Abdeckung aus mehr als einem Teil gebildet, die aneinander mittels eines Klebemittels, mittels Nieten, Schrauben oder deren Kombinationen angefügt sind. Unter diesen Umständen kann die Anfügestelle, an der die Teile der Abdeckung aufeinander treffen, Bereiche von niedriger thermischer Verbindung sein. Der Wärmespreizer kann diese Anfügestellen überlagern und -spannen, und somit ”die Lücke überbrücken”, die durch die Anfügestelle erzeugt wurde, und die Wärmeübertragung über die angefügten Bereiche verbessern.
In einigen Ausführungsbeispielen weist der Wärmespreizer eine Oberflächenfläche auf, die zumindest das zweifache jener der Oberflächenfläche der Schaltungsplatine beträgt. Als „Oberflächenfläche des Wärmespreizers” ist die Oberflächenfläche von einer der Hauptoberflächen des Wärmespreizers gemeint; als „Oberflächenfläche der Schaltungsplatine” ist die Oberflächenfläche von einer der Hauptoberflächen der Schaltungsplatine gemeint. Alternativ bezieht sich in anderen Ausführungsbeispielen die Oberflächenfläche auf die Gesamtoberflächenfläche des Wärmespreizers bzw. die Gesamtoberflächenfläche der Schaltungsplatine.
In vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist der Wärmespreizer eine thermomechanische Entwurfskonstante auf, die von jener des Materials verschieden ist, aus dem die Abdeckung gebildet ist. Vorzugsweise weist der Wärmespreizer eine thermomechanische Entwurfskonstante auf, die zumindest 30% der thermomechanischen Entwurfskonstante des Materials beträgt, aus dem die Abdeckung gebildet ist, insbesondere bevorzugt zumindest 40% der thermomechanischen Entwurfskonstante des Materials, aus dem die Abdeckung gebildet ist. In einigen Ausführungsbeispielen weist der Wärmespreizer eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest etwa 10 mm – W/m·K auf, vorzugsweise zumindest etwa 75 mm – W/m·K oder zumindest etwa 100 mm – W/m·K auf. In bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen weist der Wärmespreizer eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest etwa 175 mm – W/m·K auf. Vorzugsweise weist der Wärmespreizer eine thermische In-Plane-Leitfähigkeit von zumindest 140 W/m·K auf, vorzugsweise zumindest etwa 220 W/m·K, und noch vorteilhafter zumindest etwa 300 W/m·K auf.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Wärmespreizer in thermischem Kontakt sowohl mit der Schaltungsplatine als auch der Abdeckung positioniert, um Wärme von der Schaltungsplatine effektiv zu der Abdeckung abzustrahlen, zur Abstrahlung an die Umgebung. In zusätzlichen Ausführungsbeispielen erstreckt sich der Wärmespreizer zumindest teilweise über die Öffnungen der Abdeckung und/oder steht in thermischem Kontakt mit der Hauptfläche der Abdeckung, die die Oberfläche der Kavität definiert, wie mittels der Verwendung eines Klebemittels, von Nieten, von Schrauben oder deren Kombinationen.
Wie vorstehend beschrieben, kann der Wärmespreizer aus zumindest einem Blech aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit ausgebildet sein. Graphit ist eine kristalline Form des Kohlenstoffs, der kovalent gebundene Atome in flachschichtigen Ebenen mit schwächeren Bindungen zwischen den Ebenen umfasst. Durch Behandlung von Graphitpartikeln, wie natürlichem Lamellengraphit, mit einem Interkalant, z. B. einer Lösung aus Schwefel- und Salpetersäure, reagiert die kristalline Struktur des Graphits zur Bildung eines Verbunds aus Graphit und dem Interkalant. Die behandelten Graphitpartikel werden nachstehend als ”Partikel interkalierten Graphits” bezeichnet. Bei Einwirkung einer hohen Temperatur zersetzt sich das Interkalant innerhalb des Graphits und verflüchtigt sich, was dazu führt, dass sich die Partikel interkalierten Graphits in ihrem Abmaß um sage und schreibe das 80-fache oder mehr ihres ursprünglichen Volumens in einer ziehharmonikaartigen Art und Weise in der „c”-Richtung expandieren, d. h. in der Richtung lotrecht zu den Kristallebenen des Graphits. Die Blähgraphitpartikel sind von wurmartiger Erscheinung, und werden deshalb üblicherweise als Würmer bezeichnet. Die Würmer können in flexible Bleche zusammenkomprimiert werden, die im Gegensatz zu dem ursprünglichen Lamellengraphit in verschiedene Formen geformt und geschnitten werden können.
Die Graphitausgangsmaterialien, die zum Bereitstellen des Wärmespreizers in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, können Nicht-Graphitkomponenten enthalten, solange die Kristallstruktur der Ausgangsmaterialien den erforderlichen Grad an Graphitisierung beibehalten und zum Aufblähen in der Lage sind. Im Allgemeinen ist jedwedes kohlenstoffhaltige Material, dessen Kristallstruktur den erforderlichen Grad an Graphitisierung aufweist und aufgebläht werden kann, zur Verwendung mit der Erfindung geeignet. Derartiger Graphit weist vorzugsweise eine Reinheit von zumindest etwa 80 Gewichts-% auf. Vorzugsweise weist der für den Wärmespreizer verwendete Graphit gemäß der Erfindung eine Reinheit von zumindest etwa 94% auf. In dem bevorzugtesten Ausführungsbeispiel weist der verwendete Graphit eine Reinheit von zumindest etwa 98% auf.
Komprimierte Blähgraphitmaterialien, wie Graphitblech und -folie, sind kohärent bei guter Handhabungsstärke, und werden geeignet komprimiert, z. B. durch Walzenpressung, auf eine Dicke von etwa 0,05 mm bis 3,75 mm und eine typische Dichte von etwa 0,4 bis 2,0 g/cm³ oder darüber. Um als ”Blech” zu gelten, soll der Graphit in der Tat eine Dichte von zumindest etwa 0,6 g/cm³ aufweisen, und um die für die Erfindung erforderliche Flexibilität aufzuweisen, soll er eine Dichte von zumindest etwa 1,1 g/cm³ aufweisen, insbesondere zumindest etwa 1,6 g/cm³. Während in der Beschreibung der Ausdruck ”Blech” verwendet wird, ist dieser so auszulegen, dass auch fortlaufende Rollen von Material im Gegensatz zu einzelnen Blechen gemeint sind.
Falls gewünscht, können Bleche aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit mit Harz behandelt werden, und das absorbierte Harz, nach Ausheilen, steigert die Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit und die Handhabungsstärke, d. h. die Steifigkeit des Graphitstücks und ”fixiert” ebenso die Gestalt des Stücks. Ein geeigneter Harzgehalt beträgt vorzugsweise zumindest etwa 5 Gewichts-%, insbesondere bevorzugt etwa 10 bis 35 Gewichts-%, und geeigneterweise bis zu 60 Gewichts-%. Harze, die sich bei der Ausbildung der Erfindung als besonders nützlich erwiesen, umfassen acryl-, epoxid- und phenolbasierte Harzsysteme, fluorbasierte Polymere oder deren Mischungen. Geeignete Epoxidharzsysteme umfassen jene auf der Grundlage von Diglycidiläther von Bisphenol A (DGEBA) und andere multifunktionale Harzsysteme; Phenolharze, die eingesetzt werden können, umfassen Resol- und Novolakphenole. Optional kann der flexible Graphit mit Fasern und/oder Salzen zusätzlich zu dem Harz oder anstelle des Harzes imprägniert werden. Zusätzlich können reagierende oder nicht-reagierende Zusätze mit dem Harzsystem eingesetzt werden, um Eigenschaften (wie Klebrigkeit, Materialfluss, Hydrophobie usw.) zu modifizieren.
Bei Einsatz als ein Wärmespreizer gemäß der vorliegenden Offenbarung soll ein Blech aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit eine Dichte von zumindest etwa 0,6 g/cm³ aufweisen, vorzugsweise zumindest etwa 1,1 g/cm³, insbesondere bevorzugt zumindest etwa 1,6 g/cm³. Von einem praktischen Standpunkt aus beträgt die Obergrenze für die Dichte des Graphitblechwärmespreizers etwa 2,0 g/cm³. Das Blech soll eine Dicke von nicht mehr als etwa 10 mm aufweisen, vorzugsweise nicht mehr als etwa 2 mm, und insbesondere bevorzugt nicht mehr als 0,5 mm Dicke. Wird mehr als ein Blech eingesetzt, dann soll die Gesamtdicke der zusammengenommenen Bleche vorzugsweise nicht mehr als etwa 10 mm betragen. Ein Graphitblech, das für die Verwendung als der Wärmespreizer in der vorliegenden Offenbarung geeignet ist, ist im Handelsverkehr verfügbar als eGRAF-Material von GrafTech International Holdings Inc. aus Parma, Ohio.
In bestimmten Ausführungsbeispielen kann eine Vielzahl von Graphitblechen in ein einstückiges Stück geschichtet werden zur Verwendung in der hier offenbarten Abdeckung und der LED-Leuchtenhalterung. Die Bleche aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit können mit einem geeigneten Klebemittel dazwischen laminiert werden, wie ein druckempfindliches oder thermisch aktiviertes Klebemittel. Das gewählte Klebemittel soll Bindestärke mit einem Minimieren von Dicke ausgleichen und in der Lage sein, eine geeignete Anbindung bei der Diensttemperatur beizubehalten, bei der ein Wärmetransfer angestrebt ist. Geeignete Klebemittel sind dem Fachmann geläufig, und umfassen Acryl- und Phenolharze.
Das (die) Graphitblech(e) soll(en) eine thermische Leitfähigkeit parallel zu der Ebene des Blechs (als ”thermische In-Plane-Leitfähigkeit” bezeichnet) von zumindest etwa 140 W/m·K zur effektiven Verwendung aufweisen. Mit noch vorteilhafterer Wirkung beträgt die thermische Leitfähigkeit parallel zu der Ebene des (der) Graphitblech(e) zumindest etwa 220 W/m·K, mit dem größten Vorteil zumindest etwa 300 W/m·K. Von einem praktischen Standpunkt aus sind Bleche aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit mit einer thermischen In-Plane-Leitfähigkeit von bis zu etwa 600 W/m·K alles, was für den Großteil an Beleuchtungshalterungsentwürfen erforderlich ist.
Zusätzlich zu der thermischen In-Plane-Leitfähigkeit des (der) Blech(e) aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit ist ebenso die thermische Through-Plane-Leitfähigkeit relevant. Es ist insbesondere das anisotrope Verhältnis des Blechs (wie nachstehend definiert) relevant. In bestimmten Ausführungsbeispielen soll die thermische Through-Plane-Leitfähigkeit des Blechs aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit weniger als etwa 12 W/m·K betragen; in anderen Ausführungsbeispielen beträgt die thermische Through-Plane-Leitfähigkeit weniger als etwa 10 W/m·K. In noch weiteren anderen Ausführungsbeispielen beträgt die thermische Through-Plane-Leitfähigkeit des Blechs von komprimierten Partikeln aus Blähgraphit weniger als etwa 7 W/m·K. In einem einzelnen Ausführungsbeispiel beträgt die thermische Through-Plane-Leitfähigkeit des Blechs weniger als etwa 1,5 W/m·K.
Die Ausdrücke ”thermische Leitfähigkeit parallel zu der Ebene des Blechs” und ”thermische In-Plane-Leitfähigkeit” beziehen sich auf die Tatsache, dass ein Blech aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit zwei Hauptflächen aufweist, von denen sich sagen lässt, dass diese die Ebene des Blechs bilden; somit bilden ”thermische Leitfähigkeit parallel zu der Ebene des Blechs” und ”thermische In-Plane-Leitfähigkeit” die thermische Leitfähigkeit entlang der Hauptflächen des Blechs aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit. Der Ausdruck ”thermische Through-Plane-Leitfähigkeit” bezieht sich auf die thermische Leitfähigkeit zwischen oder lotrecht zu den Hauptflächen des Blechs.
Um Zugang zu den anisotropen Eigenschaften des Graphitblechs zu erhalten, kann das anisotrope Verhältnis des Blechs zumindest etwa 50 betragen; in anderen Ausführungsbeispielen beträgt das anisotrope Verhältnis des Blechs zumindest etwa 70. Im Allgemeinen muss das anisotrope Verhältnis nicht größer als etwa 500 sein, insbesondere bevorzugt nicht größer als etwa 250. Das anisotrope Verhältnis wird berechnet durch Teilen der thermischen In-Plane-Leitfähigkeit durch die thermische Through-Plane-Leitfähigkeit. Somit weist ein Blech aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit mit einer thermischen In-Plane-Leitfähigkeit von 350 W/m·K und einer thermischen Through-Plane-Leitfähigkeit von 5 W/m·K ein thermisches anisotropes Verhältnis von 70 auf.
In bestimmten Ausführungsbeispielen kann der Wärmespreizer mit einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material überzogen sein, wie Plastik, wie Polyetylentetraphtalat (PET) zur elektrischen Isolation.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen nicht alle Bezugszeichen in jeder Zeichnung gezeigt sind, ist um der Klarheit willen eine LED-Leuchtenhalterung gemäß der Offenbarung mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Leuchtenhalterung 10 umfasst eine Schaltungsplatine 20 mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche 20a und 20b. Zumindest eine lichtemittierende Diode 25 ist auf der ersten Hauptfläche 20a der Schaltungsplatine 20 angebracht. Die Leuchtenhalterung 10 umfasst ebenso eine Abdeckung 30 mit zwei Hauptflächen 30a und 30b. Die Abdeckung 30 ist derart geformt, um eine Öffnung 32 und eine Kavität 33 zu definieren, in der eine der Hauptflächen 30a die Oberfläche der Kavität 33 definiert und die Abdeckung 30 derart positioniert ist, um die zweite Hauptfläche 20b der Schaltungsplatine 20 abzudecken; die zweite der Hauptflächen der Abdeckung 30, die durch 30b bezeichnet ist, ist im Wesentlichen glatt, wie vorstehen beschrieben.
Die Leuchtenhalterung 10 umfasst ebenso einen Wärmespreizer 40 mit einer Oberflächenfläche, die zumindest das doppelte derer der Schaltungsplatine 20 beträgt, wobei der Wärmespreizer 40 in thermischem Kontakt sowohl mit der Schaltungsplatine 20 als auch der Abdeckung 30 positioniert ist. 3 und 4 zeigen das Ausführungsbeispiel, in dem eine Wärmesenke 50 ebenso vorhanden ist, und die Wärmesenke derart positioniert ist, um den Wärmespreizer gegen die Schaltungsplatine 20 zu pressen, um den Wärmetransfer zu erleichtern.
In Ausführungsbeispielen, in denen die Abdeckung 30 aus mehr als einem Teil ausgebildet ist, wie in 3 gezeigt, wie Abdeckungsteile 36, 37 und 38, die aneinander z. B. durch Nieten 35 angefügt sind, kann die Anfügestelle, an der die Teile 31, 32 und 33 der Abdeckung 30 aufeinander treffen, Bereiche von niedriger thermischer Verbindung sein. Der Wärmespreizer 20 überlagert und -spannt diese Anfügestellen und verbessert somit die Wärmeübertragung über die angefügten Bereiche der Abdeckung 30.
Somit lässt sich durch Anwendung der vorstehend beschriebenen Offenbarung die thermische Abstrahlung in einer LED-Leuchtenhalterung erreichen, die äquivalent zu oder besser ist als jene, die durch die Verwendung einer Aluminiumwärmesenke erreicht wird, ohne viele von deren Nachteilen in Kauf zu nehmen.
Alle zitierten Patente und Offenlegungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, sind durch Bezugnahme aufgenommen.
Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ist offensichtlich, dass sie auf viele Arten und Weisen variiert werden kann. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung anzusehen, und alle solche Modifikationen, die für den Fachmann offensichtlich sind, sind als in dem Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche umfasst beabsichtigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5091025 [0021]

Claims

Leuchtenhalterung, umfassend: a. eine Schaltungsplatine mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche; b. zumindest eine lichtemittierende Diode, die auf der ersten Hauptfläche der Schaltungsplatine angebracht ist; c. eine Abdeckung, die aus einem Material gebildet ist, das zwei Hauptflächen und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 20 mm – W/m·K aufweist und derart geformt ist, um eine Öffnung einer Kavität zu definieren, wobei eine erste der Hauptflächen des Materials die Oberfläche der Kavitäten definiert und die Abdeckung derart positioniert ist, um die zweite Hauptfläche der Schaltungsplatine abzudecken; d. einen Wärmespreizer, der eine Oberflächenfläche, die zumindest das zweifache der Oberflächenfläche der Schaltungsplatine beträgt, und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 10 mm – W/m·K aufweist, wobei der Wärmespreizer in thermischem Kontakt sowohl mit der Schaltungsplatine als auch der Abdeckung positioniert ist, wobei die thermomechanische Entwurfskonstante eines Materials definiert ist durch die thermische Leitfähigkeit des Materials multipliziert mit dessen mittlerer Dicke.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmespreizer aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Aluminium, komprimierten Partikeln aus Blähgraphit und Pyrographit besteht.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmespreizer eine thermische In-Plane-Leitfähigkeit von zumindest etwa 140 W/m·K aufweist.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 3, wobei der Wärmespreizer aus zumindest einem Blech aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit ausgebildet ist.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei die Abdeckung aus einem Blech aus Metall ausgebildet ist.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 5, wobei die Abdeckung eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest etwa 110 mm – W/m·K aufweist.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmespreizer sich zumindest teilweise über die Öffnung der Abdeckung erstreckt.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmespreizer in thermischem Kontakt mit der Hauptfläche der Abdeckung steht, die die Oberfläche der Kavität definiert.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Wärmesenke, die positioniert ist, um den Wärmespreizer gegen die Schaltungsplatine zu pressen.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei die Abdeckungsöffnung entworfen ist, um in Antwort auf eine Einstellung der Halterung in Größe oder Winkel zu variieren.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei die Hauptfläche des Materials, das die äußere Oberfläche der Abdeckung definiert, im Wesentlichen glatt ist.
Leuchtenhalterung gemäß Anspruch 1, wobei die Abdeckung aus mehr als einem Teil ausgebildet ist, die eine Anfügestelle aufweisen, an der die Teile der Abdeckung aufeinander treffen, und wobei weiterhin der Wärmespreizer die Anfügungsstelle überlagert und die Wärmeübertragung über die Anfügestelle verbessert.
Abdeckung für eine Leuchtenhalterung, umfassend ein Material mit zwei Hauptflächen und eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 20 mm – W/m·K, das derart geformt ist, um eine Öffnung und eine Kavität zu definieren, wobei eine der Hauptflächen des Materials die Oberfläche der Kavität definiert, und einen Wärmespreizer, der eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest 10 mm – W/m·K aufweist, wobei sich der Wärmespreizer zumindest teilweise über die Öffnung erstreckt und in thermischem Kontakt mit der Oberfläche des Materials steht, das die Oberfläche der Kavität definiert, wobei die thermomechanische Entwurfskonstante definiert ist durch die thermische Leitfähigkeit multipliziert mit der mittleren Dicke.
Abdeckung gemäß Anspruch 13, wobei der Wärmespreizer aus einem Material ausgebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Aluminium, komprimierten Partikeln aus Blähgraphit und Pyrographit besteht.
Abdeckung gemäß Anspruch 14, wobei der Wärmespreizer eine thermische In-Plane-Leitfähigkeit von zumindest etwa 220 W/m·K aufweist.
Abdeckung gemäß Anspruch 15, wobei der Wärmespreizer aus zumindest einem Blech aus komprimierten Partikeln aus Blähgraphit ausgebildet ist.
Abdeckung gemäß Anspruch 13, wobei das Material ein Blech aus Metall umfasst.
Abdeckung gemäß Anspruch 17, wobei das Material eine thermomechanische Entwurfskonstante von zumindest etwa 110 mm – W/m·K aufweist.
Abdeckung gemäß Anspruch 13, wobei die Hauptfläche des Materials, das die äußere Oberfläche der Abdeckung definiert, im Wesentlichen glatt ist.
Abdeckung gemäß Anspruch 13, wobei die thermomechanische Entwurfskonstante des Wärmespreizers von der thermomechanischen Entwurfskonstante des Materials verschieden ist.
Abdeckung gemäß Anspruch 13, wobei das Material aus mehr als einem Teil gebildet ist, die eine Anfügestelle aufweisen, an der die Teile des Materials aufeinander treffen, und wobei weiterhin der Wärmespreizer die Anfügestelle überlagert und die Wärmeübertragung über die Einfügestelle verbessert.