DE212012000096U1

DE212012000096U1 - Dampfkammerkühlung von Festkörper-Beleuchtungskörpern

Info

Publication number: DE212012000096U1
Application number: DE212012000096.8U
Authority: DE
Original assignee: Phoseon Technology Inc
Current assignee: Phoseon Technology Inc
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2014-01-28
Anticipated expiration: 2022-05-19
Also published as: WO2012159017A1; CN203757470U; TW201300691A; US20120294002A1

Abstract

Beleuchtungsmodul, welches umfasst: eine Anordnung von Lichtstrahlern; eine Wärmesenke mit einer ersten Oberfläche, wobei die Anordnung von Lichtstrahlern an der ersten Oberfläche angebracht ist; eine Dampfkammer in der Wärmesenke, wobei die Dampfkammer eine Flüssigkeit umfasst und ausgelegt ist, um Wärme von der ersten Oberfläche zu absorbieren, bis die Flüssigkeit zu Dampf wird; und eine Kühleinheit, die mit einer zweiten Oberfläche der Wärmesenke gegenüber der ersten Oberfläche thermisch verbunden ist.

Description

HINTERGRUND
Licht emittierende Festkörper-Vorrichtungen, wie etwa Leuchtdioden (LED) und Laserdioden, haben sich bei Aushärtungsanwendungen, wie etwa solche, die UV-Licht veran, durchgesetzt. Festkörper-Lichtstrahler weisen gegenüber herkömmlichen Quecksilberdampflampen mehrere Vorteile auf, darunter, dass sie weniger Strom verbrauchen, allgemein sicherer sind und bei Betrieb kühler sind.
Aber auch wenn sie allgemein bei kühleren Temperaturen als Bogenlampen arbeiten, erzeugen sie doch Wärme. Die die Lichtstrahler im Allgemeinen Halbleitertechnologien verwenden, verursacht zusätzliche Wärme Leckstrom und andere Probleme, die zu einer verschlechterten Leistung führen. Das Wärmemanagement bei diesen Vorrichtungen ist wichtig geworden.
Eine herkömmliche Kühlmethode nutzt eine Wärmesenke, die im Allgemeinen aus wärmeleitenden Materialien besteht, die auf den Trägern aufgebracht sind, auf denen sich die Lichtstrahler befinden. Irgendein Kühl- oder Wärmeübertragungssystem wirkt im Allgemeinen mit der Rückseite der Wärmesenke zusammen, wie etwa Wärme ableitende Rippen, Lüfter, Flüssigkeitskühlung, etc., um die Wärme weg von den Lichtstrahlerträgern zu ziehen. Die Effizienz dieser Vorrichtungen bleibt geringer als erwünscht, und Flüssigkeitskühlsysteme können Einbau- und Größeneinschränkungen komplizieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Festkörper-Beleuchtungskörpers mit Dampfkammerkühlung.
2 zeigt eine Schnittansicht eines LED-basierten Beleuchtungskörpers mit Dampfkammerkühlung.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Dampfkammerkühlung aufweisenden Festkörper-Beleuchtungskörpers mit einer flüssigkeitsgekühlten Struktur.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es gibt mehrere Strategien zum Kühlen von LED- und anderen Festkörper-Beleuchtungskörpern, darunter luft- und flüssigkeitsgekühlte Systeme. Luftgekühlte Systeme erfordern typischerweise eine Wärmesenke, im Allgemeinen ein Stück wärmeleitendes Material wie Aluminium oder Kupfer, das auf der Rückseite des Trägers oder der Träger der Anordnungen von Licht emittierenden Elementen aufgebracht ist. Von den Licht emittierenden Festkörper- oder Halbleiter-Elementen erzeugte Wärme wird durch die wärmeleitende Wärmesenke aus der Rückseite des Moduls heraus, weg von den Elementen befördert. Dieser Prozess kann durch die Verwendung von Rippen auf der Rückseite der Wärmesenke und Luftumwälzung, etwa mit einem Lüfter, unterstützt werden.
Flüssigkeitsgekühlte Systeme erfordern typischerweise eine in einer Art von Gefäß eingeschlossene Flüssigkeit, die die Rückseite der Anordnung von Elementen überquert. Die Flüssigkeit nimmt die Wärme von der Anordnung auf und bewegt sie zu einem anderen Bereich, in dem eine Art von Kühler die Wärme abführt, so dass bei Rückkehr der Flüssigkeit zu der Rückseite der Anordnung sie mehr Wärme aufnehmen kann. Der Kühler kann aus einer Kälteerzeugungseinrichtung bestehen, durch die sich die Flüssigkeit bewegt. Der Kühler kann auch aus Luftkühlungssystemen bestehen, doch baut das Gesamtsystem für die Wärmeübertragung auf Flüssigkeit und wird daher als Flüssigkeitskühlsystem betrachtet.
Während diese beiden Optionen eine Lösung der Probleme der Kühlung von Festkörper-Beleuchtungskörpern bieten, weisen sie Probleme auf. Luftgekühlte Systeme sehen typischerweise nicht das erwünschte hohe Maß an Kühlung vor. Diese Systeme könnten etwas 'heißlaufen', was die Effizienz und Wirksamkeit der Beleuchtungskörper reduziert. Flüssigkeitsgekühlte Systeme weisen typischerweise komplizierte Einbauanforderungen auf, um sowohl die Flüssigkeitskanäle, die abgedichtet sein müssen, um nicht die Elektronik zu beschädigen, als auch das Kühlsystem zum Kühlen der Flüssigkeit aufzunehmen.
Eine andere machbare Option umfasst das Verwenden eines dampfkammerartigen Kühlsystems statt einer herkömmlichen Wärmesenke. Eine Dampfkammer kann viele Formen annehmen, eine übliche Form umfasst aber eine Kammer 'innen in' der Wärmesenke. Die Kammer weist typischerweise drei Bereiche auf. Ein erster Bereich ist der Transportbereich, in dem sich eine Flüssigkeit befindet. Ein Verdampfungsbereich kann darin ein Dochteffektmaterial aufweisen, um die Flüssigkeit durch Kapillarwirkung weg von dem Bereich zu transportieren, in dem die Wärme von den Anordnungen übertragen wird. Schließlich befindet sich typischerweise ein Kondensationsbereich am weitesten weg von dem Wärmeübertragungs/-transportbereich.
Wenn sich die Flüssigkeit in dem Transportbereich in Gas verwandelt, bewegt der Verdampfungsbereich das Gas zu dem Kondensationsbereich. Wenn das Gas abkühlt und zur flüssigen Form zurückkehrt, bewegt es sich zurück durch den Verdampfungsbereich in den Transportbereich.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dampfkammergekühlten Festkörper-Lichtmoduls. Das Lichtmodul 10 weist eine Anordnung 12 aus einzelnen Licht emittierenden Elementen, die zu einer Anordnung ausgebildet sind, auf. Die Anordnung kann sich auf einem Träger befinden oder kann aus mehreren kleinen Anordnungen bestehen, jede auf einzelnen Trägern, wie etwa 14 und 16, doch schließt der hier verwendete Begriff Anordnung beide Möglichkeiten ein. Das Lichtmodul kann auch Steuerelektronik und Optik, die nicht gezeigt sind, umfassen.
Die Anordnung 12 ist an der Vorderfläche der Wärmesenke 18 angebracht, möglicherweise mit einem Wärmeschnittstellenmaterial, wie etwa Wärmeleitpaste. Die Wärmesenke scheint in dieser Ansicht aus einer herkömmlichen Wärmesenke zu bestehen, typischerweise einem großen Block eines wärmeleitenden Materials, wie etwa Kupfer, Aluminium oder Messung, mit Kühlstrukturen 20. In diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Kühlstrukturen 20 aus Rippen für eine luftgekühlte Wärmesenke, sie können aber stattdessen aus flüssigkeitsgekühlten Merkmalen oder anderen Luftkühlungsmerkmalen wie etwa einem Lüfter mit oder ohne die Rippen bestehen, die typischerweise auf der Oberfläche der Wärmesenke gegenüber der Fläche angeordnet sind, auf der sich die Lichtstrahler befinden.
Würde man die Wärmesenke 18 entlang der Schnittlinie A schneiden, zeigt sich in 2 die resultierende Ansicht. Wie in 2 ersichtlich ist, wird aufgezeigt, dass die Wärmesenke 18 eine Dampfkammer 22 umfasst. Die Dampfkammer 22 enthält die Flüssigkeit und die vorstehend erwähnten drei Zonen. Die Flüssigkeit besteht im Allgemeinen aus Wasser, auch wenn andere Flüssigkeiten wie etwa Alkohol, Ethylenglykol, eines fluorkohlenstoffbasieren Fluids verwendet werden können. Die Flüssigkeit sollte gute Dochteffekteigenschaften aufweisen und nicht zu viskos sein. Die Dampfkammer 22 kann auch unter Druck gesetzt werden, um den Siedepunkt der Flüssigkeit zu senken, um die Effizienz des Systems zu steigern.
Die Dampfkammer scheint wie jede andere Wärmesenke zu sein, sie kann lediglich eine etwas größere Dicke aufweisen, um die Kammer aufzunehmen. Dies ermöglicht ein kleineres Profil als bei anderen flüssigkeitsgekühlten Systemen, bietet aber immer noch die höheren Wärmeübertragungseigenschaften als bei einem typischen luftgekühlten System.
Bei typischen Wärmesenken nehmen die Rippen hin zur Mitte der Wärmesenke letztendlich den größten Teil der Wärme von den Lichtstrahlern auf. Dies beschränkt den Wärmebetrag, den die Wärmesenke abführt, da die Rippen, die den größten Teil der Wärme aufnehmen, einen Flächeninhalt aufweisen, der viel kleiner als der Flächeninhalt aller Rippen ist. Die Rippen hin zur Oberseite und zum Boden der Wärmesenke, wie in der Zeichnung ausgerichtet, werden im Wesentlichen nicht verwendet.
Durch Nutzen einer Dampfkammer in der Wärmesenke werden diese Rippen Teil des Wärmeabfuhrwegs. Der Dampf dehnt sich aus und füllt die Kammer, wenn er sich weg von der Wärmequelle bewegt, so dass die Wärme gleichmäßiger gegen die zweite Oberfläche der Wärmesenke verteilt wird. Dies nutzt die Rippen, die zuvor nicht verwendet wurden. Vorteile davon umfassen das Zulassen des Arbeitens der Wärmequelle bei höheren Temperaturen als vorher, da mehr Wärme abgeführt wird, und die Fähigkeit, Wärmesenken zu haben, die viel größer als die Wärmequelle sind. Man könnte eine große Wärmesenke mit mehreren Rippen haben, die sich weit über die Größe der Wärmequelle hinaus erstrecken. Ohne die Dampfkammer würden die extra Rippen keinen zusätzlichen Vorteil bieten.
In manchen Fällen können höhere Kühlanforderungen von der Nutzung einer Strategie mit Wasserkühlung oder Kühlung mit anderer Flüssigkeit profitieren. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Strategie. Die Wärmesenke 18, mit der Innendampfkammer, ist an einem Rohr angebracht. Das Rohr weist einen Einlassrohrabschnitt 34 auf, der kühles Wasser oder eine andere Flüssigkeit von einer nicht gezeigten Kühlereinheit umwälzt. Die kühle Flüssigkeit überquert die Rückseite der Wärmesenke 18, wobei sie die Wärme von der Dampfkammer abführt. Wie vorstehend erwähnt lässt dies den Dampf in den flüssigen Zustand zurückkehren und sich hin zu der Oberfläche der Wärmesenke benachbart zu der Anordnung von Licht emittierenden Elementen bewegen. Die Flüssigkeit bewegt sich durch ein Auslassrohr 32 weg von der Wärmesenke 18. Dann leitet das Auslassrohr 32 die Flüssigkeit zu der Kühleinheit, wo sie gekühlt und dann zu der Wärmesenke zurückgeleitet wird. Die Kühleinheit kann eine von vielen Formen einnehmen, einschließlich eines Lüfters, einer Kälteerzeugungseinrichtung, etc.
Bis zu diesem Punkt wurde ein bestimmtes Ausführungsbeispiel für ein dampfkammergekühltes Lichtmodul beschrieben, wobei sich versteht, dass die vorstehend gegebenen Beispiele lediglich für die Zwecke der Beschreibung dienen und nicht den Schutzumfang der Ausführungsbeispiele oder der folgenden Ansprüche auf eine bestimmte Umsetzung beschränken sollen.

Claims

Beleuchtungsmodul, welches umfasst: eine Anordnung von Lichtstrahlern; eine Wärmesenke mit einer ersten Oberfläche, wobei die Anordnung von Lichtstrahlern an der ersten Oberfläche angebracht ist; eine Dampfkammer in der Wärmesenke, wobei die Dampfkammer eine Flüssigkeit umfasst und ausgelegt ist, um Wärme von der ersten Oberfläche zu absorbieren, bis die Flüssigkeit zu Dampf wird; und eine Kühleinheit, die mit einer zweiten Oberfläche der Wärmesenke gegenüber der ersten Oberfläche thermisch verbunden ist.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Lichtstrahlern mindestens einen Träger mit mehreren auf dem Träger angeordneten Lichtstrahlern umfasst.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 2, wobei die Anordnung von Lichtstrahlern mehrere Träger umfasst, wobei die Träger entweder in sowohl einer vertikalen als auch einer horizontalen Richtung gestapelt sind oder in einer horizontalen Richtung gestapelt sind.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Lichtstrahlern eine einzige Linie von Strahlern umfasst.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei das Wärmerohr eines von Kupfer, Aluminium oder Messing umfasst.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit eines von Wasser, Alkohol, Ethylenglykol oder fluorkohlenstoffbasiertem Fluid umfasst.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Kühleinheit einen Lüfter umfasst, der ausgelegt ist, um Luft über mindestens einen Abschnitt der zweiten Oberfläche zu blasen.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Kühleinheit entweder Grate oder Rippen auf mindestens einem Abschnitt der zweiten Oberfläche umfasst.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Kühleinheit eine Flüssigkeitskühleinheit mit einem an der zweiten Oberfläche angebrachten Rohr umfasst.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Lichtstrahlern unter Verwenden eines Wärmeschnittstellenmaterials an der Wärmesenke angebracht ist.
Beleuchtungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Lichtstrahlern an mindestens einem Träger angebracht ist und der Träger an der Wärmesenke angebracht ist.