DE60220653T2 - Leuchtdiode-beleuchtungsvorrichtung mit wärmeabfuhrsystem - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft lichtemittierende Diodensysteme. Sie findet besondere Verwendung in Verbindung mit der Wärmeabfuhr in lichtemittierenden Diodensystemen und wird mit spezieller Bezugnahme hierauf beschrieben.
  • Standardglühlampenblinklichtsysteme geben Wärme ab, indem sie eine große Menge an Wärme an die vordere Linse und eine kleinere Menge an das Innere des Blinklichts abstrahlen. Die Wärme, die an die Vorderseite der Linse abgestrahlt wird, wird an die Umgebung abgegeben. Derartige herkömmliche Wärmeabfuhrsysteme sind für Standard-Glühlampenblinklichtsysteme und herkömmliche lichtemittierende Dioden-(„LED")-blinklichtsysteme mit niedriger Leistung geeignet. Mit anderen Worten erfordern gegenwärtige LED-Blinklichter mit niedriger Leistung keine besondere Wärmeabfuhrkonstruktion.
  • LED-Beleuchtungssysteme mit relativ hoher Leistung sind seit kurzem erhältlich. Diese Hochleistungs-LED-Beleuchtungssysteme (z. B. Blinklichter) geben Wärme über einen anderen Wärmeübertragungspfad ab als gewöhnliche Glühlampensysteme. Genauer gesagt geben diese Hochleistungs-LED-Beleuchtungssysteme eine wesentliche Wärmemenge über ein Kathodenzweig (Minuspol) oder über einen Chip ab, der in einer direkten Chipbefestigungsvorrichtung befestigt ist. Deshalb bauen die herkömmlichen Wärmeabfuhrsysteme in Hochleistungs-LED-Systemen (z. B. Blinklichter) Wärme unzureichend ab. Folglich werden die Hochleistungs-LED-Systeme meist bei höheren Temperaturen betrieben.
  • Höhere Betriebstemperaturen setzen jedoch die Leistung der Hochleistungs-LED-Beleuchtungssysteme herab. Experimente mit vielen verschiedenen LEDs legen ein exponentielles Verhältnis der Lebensdauer einer LED in Abhängigkeit zur Betriebstemperatur nahe. Die bekannte Arrheniusfunktion ist ein Näherungsmodell für den Energieverlust der LEDs: D variiert gemäß tekT, wobei D der Energieverlust ist, t die Zeit, e die Basis des natürlichen Logarithmus, k eine Aktivierungskonstante und T die absolute Temperatur in Grad Kelvin. Während diese Formel zwangsläufig ungenau ist und innerhalb einer bestimmten LED-Serie offensichtlich vorrichtungsabhängig ist, können die empirischen Daten zufriedenstellend modelliert werden. Die Auswirkungen dieser Ausführung sind dramatisch. Während die Lebensdauer bei Raumtemperatur (25°C) tatsächlich bei 100 000 Stunden liegen kann, kann der Betrieb bei ungefähr 90°C die LED-Lebensdauer auf weniger als 7000 Stunden herabsetzen.
  • Aufgrund der Tatsache, dass keine effektiven Mittel zur Verfügung stehen, um einen Chip mit lichtemittierender Diode in Hochleistungs-LED-Beleuchtungssystemen passiv zu kühlen, wurde die Betriebsdauer von LEDs, die in Hochleistungsbeleuchtungsvorrichtungen verwendet werden, verkürzt.
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine neue und verbesserte LED-Vorrichtung, die die oben genannten Probleme und andere nicht mehr aufweist.
  • JP60253284A zeigt eine LED-basierende Lichtquelle, die einen Chip mit lichtemittierender Diode (3), einen Kühlkörper (8), der einen scheibenförmigen Abschnitt aufweist, enthält, wobei der Chip mit lichtemittierender Diode auf dem scheibenförmigen Abschnitt des Kühlkörpers über eine Chipbefestigungsstruktur (7) befestigt ist und ein äußeres Gehäuse (10), das einen Hülsenabschnitt enthält, der den Kühlkörper umgebend kontaktiert, aufweist.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine auf einer lichtemittierenden Diode basierenden Beleuchtungsvorrichtung, die aufweist:
    einen Chip mit lichtemittierender Diode (14, 114),
    einen Kühlkörper (20, 50), wobei der Kühlkörper einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, die einen Hülsenaufbau bilden, wobei der erste Abschnitt (20a, 50a) ein scheibenförmiger Abschnitt ist, und der zweite Abschnitt (20b, 50b) ein im wesentlichen zylindrisch geformter Hülsenabschnitt ist,
    wobei der Chip mit lichtemittierender Diode auf dem scheibenförmigen Abschnitt des Kühlkörpers befestigt ist und Wärme im Chip mit lichtemittierender Diode zu dem Kühlkörper geleitet wird, und
    ein äußeres Gehäuse (22, 122) zwischen dem Kühlkörper und der äußeren Umgebung, wobei das äußere Gehäuse die Wärme, die von dem Kühlkörper empfangen wurde, an die äußere Umgebung weiterleitet und wobei das äußere Gehäuse einen im wesentlichen zylindrisch geformten Hülsenabschnitt beinhaltet, wobei der im wesentlichen zylindrisch geformte Hülsenabschnitt des Kühlkörpers von dem im wesentlichen zylindrisch geformten Hülsenabschnitt des äußeren Gehäuses umgeben wird, wobei der Hülsenabschnitt des äußeren Gehäuses den Kühlkörper umgebend kontaktiert.
  • Die auf einer lichtemittierenden Diode basierende Beleuchtungsvorrichtung weist vorzugsweise des weiteren auf:
    ein thermisch leitfähiges Klebemittel zwischen dem Kühlkörper und dem äußeren Gehäuse, wobei die Wärme von dem Kühlkörper zu dem äußeren Gehäuse über das Klebemittel geleitet wird.
  • Der Kühlkörper beinhaltet vorzugsweise ein metallisches Material.
  • Der Kühlkörper ist vorzugsweise eine einstückige Ummantelung aus einem metallischen Material.
  • Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass sie eine hochwirksame Wärmeabfuhrkonstruktion für Hochleistungs-LED-Beleuchtungssysteme liefert.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie die Lebensdauer von LED-Beleuchtungssystemen erhöht.
  • Noch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Zeichnungen dienen nur Veranschaulichungszwecken bevorzugter Ausführungsformen und sollen nicht als Beschränkung der Erfindung angesehen werden.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hochleistungs-LED-Lampenvorrichtung, die gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wärmeabfuhrsystem aufweist.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hochleistungs-LED-Lampenvorrichtung, die gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wärmeabfuhrsystem aufweist und
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hochleistungs-LED-Lampenvorrichtung, die gemäß einer dritten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ein Wärmeabfuhrsystem aufweist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Unter Bezugnahme auf 1 enthält eine LED-Beleuchtungsvorrichtung 10 eine lichtemittierende Diode („LED") 12, die innerhalb eines Chips 14 mechanisch befestigt ist. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die LED 12 eine Hochleistungs-LED (z. B. eine LED, deren Eingangsleistung größer oder gleich etwa 0,25 Watt ist).
  • Der Chip 14 wird von einer Energiequelle (nicht gezeigt) mit Strom versorgt und leitet den Strom an die LED 12 weiter. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Energiequelle eine Batterie (z. B. eine Gleichstrombatterie); es versteht sich jedoch, dass andere Energiequellen (z. B. Wechsel- oder Gleichstrom) auch in Betracht gezogen werden können. Eine erste Seite einer Chiphalterung (Chipbefestigung) 16 ist auf dem Chip 14 befestigt. Ein thermisch leitfähiges Material 20 als Kühlkörper ist auf einer zweiten Seite der Chiphalterung 16 befestigt. Wärme innerhalb des Chips 14 wird über die Chiphalterung 16 an den Kühlkörper 20 weitergeleitet. Ein äußerer Körper (Gehäuse) 22 ist um das thermisch leitende Gehäuse 20 herum befestigt. Die Wärme wird von dem thermisch leitenden Material 20 über das äußere Gehäuse 22 an eine äußere Umgebung 24 geleitet. In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Wärme von dem Chip 14 zuerst an den Kühlkörper 20 geleitet und dann an das äußere Gehäuse 22 und zwar mittels Wärmeleitung und nicht mittels Wärmestrahlung oder Wärmekonvektion. Des weiteren wird die Wärme vorzugsweise von dem äußeren Gehäuse 22 über Wärmekonvektion an die externe Umgebung 24 geleitet. Wie üblich enthält der Chip 14 beziehungsweise die Chiphalterung 16 Materialien wie GaN beziehungsweise mit Silber gefülltes Epoxid und/oder metallische Leadframe aufbauten.
  • Optional ist eine Platine („PCB") 26 mit oder ohne einer thermischen Fläche auf dem thermisch leitfähigen Material 20 befestigt. Die PCB steuert den Strom, der an die LED 12 geleitet wird und unterstützt die Wärmeabfuhr von Chip 14. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper 20 ein metallisches Material (z. B. Kupfer oder Aluminium) auf. Andere thermisch leitfähige Materialien (z. B. Magnesium- und/oder Kupferverbindungen (Messinge)) werden jedoch auch in Erwägung gezogen. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper 20 zum Beispiel als einstückiges Gehäuse des metallischen Materials gegossen. Außerdem enthält der Kühlkörper 20 jeweils erste und zweite Abschnitte 20a, 20b, die einen Hülsenaufbau bilden. Genauer gesagt ist der erste Abschnitt 20a des Hülsenaufbaus scheibenförmig während der zweite Abschnitt 20b im wesentlichen eine zylindrische Form hat und sich in einer Richtung erstreckt, sodass er die LED 12, den Chip 14 und die Chiphalterung 16 umgibt. Die Durchmesser der ersten und zweiten Abschnitte 20a, 20b des Kühlkörpers 20 sind kleiner als der Durchmesser des äußeren Gehäuses 22. Das äußere Gehäuse 22 umgibt vorzugsweise im wesentlichen den Kühlkörper 20.
  • Ein thermisch leitfähiges Klebemittel 30 (z. B. ein mit Metall gefülltes Epoxid) befestigt das äußere Gehäuse 22 an dem thermisch leitfähigen Material 20. Deshalb wird die Wärme aus dem Kühlkörper 20 über das thermisch leitfähige Klebemittel 30 an das äußere Gehäuse 22 geleitet. In einer anderen Ausführungsform wird das thermisch leitfähige Klebemittel 30 durch eine enge Anpassung des Kühlkörpers 20 an das äußere Gehäuse 22 ersetzt. Eine derartige enge Anpassung wird durch verschiedene Mittel verwirklicht (z. B. Presspassung oder Umspitzen).
  • Zum Schutz der LED 12, des LED-Chips 14, der Chiphalterung 16 und zur Fokussierung des Lichts, das die LED 12 erzeugt, ist eine Linse 32 nahe einem Ende des äußeren Gehäuses 22 befestigt. Die Linse 32 ist vorzugsweise im wesentlichen scheibenförmig und ihr Durchmesser ist etwas kleiner als der des äußeren Gehäuses 22 wodurch die Linse reibschlüssig in dem äußeren Gehäuse 22 befestigt ist. Die Linse kann auch durch andere chemische/mechanische Verfahren wie (jedoch nicht nur) Klebemittel, Ultraschallschweißen, Schnappverbindung oder Vibrationsschweißen gesichert werden.
  • Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 10 wird durch die Befestigung der Hochleistungs-LED an den Chip 14 hergestellt. Der Chip 14 und das thermisch leitfähige Material 20 sind auf der Chiphalterung 16 befestigt. Auf diese Weise wird die Wärme innerhalb des Chips 14 an das thermisch leitfähige Material 20 geleitet und durch dieses verteilt. Das Gehäuse 22 ist zwischen dem thermisch leitfähigen Material 20 und der externen Umgebung 24 befestigt. Das Klebemittel 30 wird optional auf dem Gehäuse 22 oder dem thermisch leitfähigen Material 20 angewandt. Dann wird das thermisch leitfähige Material 20 reibschlüssig innerhalb des Gehäuses 22 befestigt. Des weiteren wird unter Verwendung von dem Klebemittel 30 das thermisch leitfähige Material 20 und das Gehäuse 22 befestigt.
  • Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 2 gezeigt. Der Einfachheit halber wurden Komponenten der in 2 gezeigten Ausführungsform, die den jeweiligen Komponenten der in 1 gezeigten Ausführungsform entsprechen, mit um 100 größeren Bezugszahlen als die der entsprechenden Komponenten in 1 versehen. Neue Komponenten sind durch neue Zahlen bezeichnet.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Kühlkörper 50 ein Hülsenaufbau, der erste und zweite Abschnitte 50a beziehungsweise 50b enthält. Wie in der bevorzugten Ausführungsform ist der erste Abschnitt 50a des Hülsenaufbaus scheibenförmig während der zweite Abschnitt 50b im wesentlichen zylindrisch geformt ist. In der zweiten Ausführungsform erstreckt sich der zweite Abschnitt 50b des Kühlkörpers 50 von der LED 112, dem Chip 114 und der Chiphalterung 116 weg. Des weiteren sind die Durchmesser der ersten und zweiten Abschnitte 50a und 50b des Kühlkörpers 50 kleiner als der Durchmesser des äußeren Gehäuses 122 wobei das äußere Gehäuse 122 im wesentlichen den Kühlkörper 50 umgibt.
  • Die Kanten des Kühlkörpers 50 kontaktieren wie in 2 gezeigt direkt den äußeren Körper (Gehäuse) 122, sodass der Kühlkörper 50 innerhalb des Gehäuses 122 reibschlüssig befestigt ist. Mit anderen Worten ist im Gegensatz zu der in 1 gezeigten LED-Beleuchtungsvorrichtung 10 zwischen dem Kühlkörper 50 und dem Gehäuse 122 der in 2 gezeigten LED-Beleuchtungsvorrichtung 110 kein thermisch leitfähiges Klebemittel.
  • Obwohl die Ausführungsform in 1 im Gegensatz zu der Ausführungsform in 2 das Klebemittel 30 enthält, versteht es sich, dass in beiden jeweiligen Ausführungsformen von 1 und 2 ein thermisch leitfähiges Klebemittel enthalten oder auch nicht enthalten sein kann.
  • Eine Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist in 3 gezeigt. Komponenten der in 3 gezeigten Ausführungsform, die den entsprechenden Komponenten der in 1 gezeigten Ausführungsform entsprechen, wurden der Einfachheit halber mit um 200 größeren Bezugszahlen als den entsprechenden Komponenten in 1 versehen. Neue Komponenten wurden mit neuen Nummern versehen.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Kühlkörper 60 scheibenförmig. Der Kühlkörper 60 hat einen kleineren Durchmesser als das äußere Gehäuse 222. Des weiteren umgibt das äußere Gehäuse 222 im wesentlichen den Kühlkörper 60. In dieser Ausführungsform wird Wärme von Chip 214 an den Kühlkörper 60 geleitet und durch diesen verteilt. Wärme, die die Kanten des Kühlkörpers 60 erreicht, wird an den äußeren Körper (Gehäuse) 222 übertragen (z. B. über Wärmeleitung). Die Wärme wird dann von dem äußeren Körper (Gehäuse) 222 an die externe Umgebung 224 übertragen (z. B. abgestrahlt).
  • Das Wärmeabfuhrsystem der vorliegenden Erfindung ist für den Einbau in einer Vielzahl von LED-Beleuchtungsvorrichtungen (z. B. Blinklichtern, Spot-LED-Beleuchtungsmodulen, etc.) vorgesehen.

Claims (5)

  1. Auf einer lichtemittierenden Diode basierende Beleuchtungsvorrichtung, die aufweist: einen Chip mit lichtemittierender Diode (14, 114), einen Kühlkörper (20, 50), wobei der Kühlkörper einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, die einen Hülsenaufbau bilden, wobei der erste Abschnitt (20a, 50a) ein scheibenförmiger Abschnitt ist, und der zweite Abschnitt (20b, 50b) ein im wesentlichen zylindrisch geformter Hülsenabschnitt ist, wobei der Chip mit lichtemittierender Diode auf dem scheibenförmigen Abschnitt des Kühlkörpers befestigt ist und Wärme im Chip mit lichtemittierender Diode zu dem Kühlkörper geleitet wird, und ein äußeres Gehäuse (22, 122) zwischen dem Kühlkörper und der äußeren Umgebung, wobei das äußere Gehäuse die Wärme, die von dem Kühlkörper empfangen wurde, an die äußere Umgebung weiterleitet und wobei das äußere Gehäuse einen im wesentlichen zylindrische geformten Hülsenabschnitt beinhaltet, wobei der im wesentlichen zylindrisch geformte Hülsenabschnitt des Kühlkörpers von dem im wesentlichen zylindrisch geformten Hülsenabschnitt des äußeren Gehäuses umgeben wird, wobei der Hülsenabschnitt des äußeren Gehäuses den Kühlkörper umgebend kontaktiert.
  2. Beleuchtungsvorrichtung, die auf einer lichtemittierenden Diode basiert, nach Anspruch 1, die weiterhin beinhaltet: eine Befestigungsstruktur (16, 116), die an dem Chip mit lichtemittierender Diode und dem Kühlkörper befestigt ist, wobei die Wärme in dem Chip mit lichtemittierender Diode zu dem Kühlkörper über die Chipbefestigungsstruktur übertragen wird.
  3. Beleuchtungsvorrichtung auf Basis einer lichtemittierenden Diode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die weiterhin beinhaltet: ein thermisch leitfähiges Klebemittel zwischen dem Kühlkörper und dem äußeren Gehäuse, wobei die Wärme von dem Kühlkörper zu dem äußeren Gehäuse über das Klebemittel geleitet wird.
  4. Beleuchtungsvorrichtung basierend auf einer lichtemittierenden Diode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Kühlkörper ein metallisches Material beinhaltet.
  5. Beleuchtungsvorrichtung basierend auf einer lichtemittierenden Diode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kühlkörper eine einstückige Ummantelung aus einem metallischen Material ist.
DE60220653T 2001-03-29 2002-03-29 Leuchtdiode-beleuchtungsvorrichtung mit wärmeabfuhrsystem Expired - Lifetime DE60220653T2 (de)

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