EP1898144A2 - Leuchtaggregat mit mehreren LED-Bauelementen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP1898144A2
EP1898144A2 EP07112708A EP07112708A EP1898144A2 EP 1898144 A2 EP1898144 A2 EP 1898144A2 EP 07112708 A EP07112708 A EP 07112708A EP 07112708 A EP07112708 A EP 07112708A EP 1898144 A2 EP1898144 A2 EP 1898144A2
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EP
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housing
heat sink
led
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illuminating unit
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Sigmund Braun
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a lighting unit with a plurality of LED components which are indirectly connected by means of a heat-transmitting intermediate element with a heat sink, via which the heat loss of the LED components can be dissipated.
  • Such lighting units can be used both for purposes of interior lighting and outdoor lighting. In particular, use of these lighting units is also possible in or on motor vehicles.
  • LED light emitting diode
  • optical semiconductor components in the form of light-emitting diodes in particular light-emitting diode chips (LED chips) can be used.
  • SMD surface mounted device
  • LEDs are increasingly being used because they have some significant advantages over conventional light bulbs. LEDs have a longer life, a smaller size and a better efficiency in the conversion of electrical energy into light. Furthermore, LEDs are characterized by insensitivity to shocks and vibrations, which represents a considerable advantage, especially in motor vehicles.
  • the LEDs must also be used against the backdrop of constantly increasing performance Loss occurring waste heat to be dissipated to prevent overheating and thus functional impairment or even destruction of the LEDs.
  • the waste heat is dissipated from the underside of the LED components via their electrical connections.
  • the high-brightness LEDs used for a particularly high light output have a third contact, via which the heat loss of the LED is dissipated.
  • This heat connection which is generally not floating, is soldered to a surface area of the circuit carrier which is configured over the layout of the circuit carrier so that it is not in electrical contact with the rest of the circuit. The waste heat is then removed via an electrical insulating layer in the circuit carrier to a metallic heat sink.
  • flexible printed circuit boards are usually equipped with LEDs in a two-dimensional plane, and then the flexible structure thus obtained is glued to a heat sink.
  • the heat sink can, as it is from the DE 199 22 176 A1 is known, for example, made of copper or aluminum, which have the desired application for the desired three-dimensional shape and be provided on the side facing away from the circuit board surfaces with cooling fins.
  • the printed circuit board is preferably attached to the heat sink with a thermal paste, a thermal adhesive, a heat-conducting foil or the like, with an exact alignment of the LED components is difficult and just like the sticking of the circuit board to the heatsink means a considerable assembly effort.
  • a lighting unit of the type mentioned above is from the DE 195 28 459 C2 known.
  • a printed circuit board is equipped with a plurality of encapsulated LEDs in a wired version, wherein on the equipped with the LEDs side of the circuit board a bored cooling plate is arranged such that the heads of the LEDs protrude into the holes and the cooling plate and are aligned therein.
  • Object of the present invention is to provide an improved lighting unit of the type mentioned above, which is constructed in a particularly effective modular construction method and allows installation of the LED modules, which makes their adjustment as possible no more adjustment required.
  • the idea underlying the present invention is that at least one housing is provided, which consists of a thermally conductive material and in which at least one LED component is arranged, wherein the housing is positively received in the heat sink.
  • a pre-assembled LED module which consists of a separate housing with one or more LED components arranged therein, which are preferably designed as LED chips.
  • the inventive lighting unit according to claim 1 has the advantage over the prior art embodiments that in a relatively simple and robust construction due to the frictional recording of the module housing in the heat sink, a very quick and easy installation is possible, the one to the desired orientation of the LED components necessary adjustment to a minimum or even completely dispensable.
  • the housing of the LED modules are taken directly in the frictional insertion into the heat sink so that the desired focus of the LEDs is virtually automatically obtained in a particularly quick and easy way.
  • a fast and particularly effective heat distribution heat spreader function
  • the housing is inserted into an opening or a recess of the heat sink, preferably pressed.
  • a high-precision alignment of the LED module can be achieved.
  • the pressing of the module housing in a complementary recording of the heat sink allows a particularly fast, positive and positive recording and alignment of the LED module.
  • the housing includes an LED module which comprises a plurality of LED components, in particular a plurality of light-emitting diode chips.
  • the LED module can be preassembled with any number of LEDs before it is pressed in the manner described above in the heat sink of the lighting unit according to the invention.
  • arbitrarily shaped outer contours are possible both for the heat sink and for the housing, which can be adapted to the respective requirements of the lighting unit.
  • a plurality of housings of a plurality of LED modules can be pressed into a common overall heat sink, whereby particularly close tolerances of the individual LED modules can be maintained and a complex optical alignment of the LED modules to each other during assembly is no longer required.
  • the individual LED components are each arranged in a separate cooling element, wherein the individual cooling elements are each accommodated in the housing in such a way that they are in heat-conducting contact with the housing.
  • the waste heat of the individual LEDs is thereby passed via the individual cooling elements first to the housing of the LED module and from there to the heat sink housing the housing.
  • the individual cooling elements can also be positively received in the housing of the LED module be here to also allow a quick and highly effective heat transfer here.
  • At least individual cooling elements contain or form optical means, in particular reflectors and / or optical conversion means, for example an optical filling medium for color conversion of the light emitted by the LED.
  • optical means are received or fitted in the housing of the LED module.
  • a plastic optic can be inserted into the housing by means of clip mounting.
  • the housing is made of a material which has the same coefficient of thermal expansion as the material of which the heat sink is made.
  • the housing can be made of the same material as the heat sink, which can be used for cost reasons, in particular aluminum.
  • a permanently effective heat transfer can be further ensured by the fact that the outer sides of the housing at least partially have a toothing or knurling, which is pressed into the heat sink.
  • the subject matter of the present invention is furthermore a headlamp, in particular a motor vehicle headlamp, which comprises a headlamp heat sink in which at least one housing of the type described above is received in a force-fitting manner, preferably pressed in.
  • a headlamp in particular a motor vehicle headlamp, which comprises a headlamp heat sink in which at least one housing of the type described above is received in a force-fitting manner, preferably pressed in.
  • the present invention further relates to a method for producing and assembling a lighting unit comprising a plurality of LEDs and a heat sink.
  • a headlight for motor vehicles can then be manufactured or mounted.
  • at least one LED component is arranged in a housing made of a thermally conductive material, which is non-positively inserted into the heat sink. In this way, the production can be particularly fast and easy simultaneously high-precision optical alignment of the housing containing the LEDs are performed in the heat sink.
  • a plurality of openings and / or depressions be introduced simultaneously and / or in a single clamping of the heat sink in the heat sink for receiving a plurality of LED modules, which can be advantageously carried out with appropriate machining centers.
  • the heat sink 2 which simultaneously forms the rear wall of a headlight for a motor vehicle, five recesses 3, in each of which the housing 4 of an LED module 1 is received and held positively and non-positively.
  • the heat sink 2 consists of a substantially flat plate on which are formed to improve the heat dissipation on both sides perpendicularly projecting cooling fins 5.
  • the heat sink 2 as well as the housing 4 of the LED modules 1 is made of aluminum, so that not only a particularly good heat transfer, but also a permanently secure interference fit between the module housings 4 and the overall heat sink 2 is ensured due to the identical thermal expansion coefficient.
  • the individual LED modules 1 comprise seven LED components 6, which are each designed here as surface-mounted LED chips.
  • the individual LED chips 6 are each connected via a separate cooling element 7 thermally conductive to the bottom 8 of the module housing 4.
  • the LED modules 1 are each terminated by a plastic optics 9 clipped into the housing 4.
  • preassembled LED modules are then pressed into the recesses 3 of the overall heat sink 2, that on the trough-shaped Metal housing 4 a particularly fast and effective distribution of heat loss to the heat sink 2 is ensured.
  • an optical alignment of the individual LED modules 1 to each other during assembly is no longer required in the inventive arrangement, since the LED modules 1 are pressed directly into their predetermined position by the recesses 3 positionally accurate alignment in the overall heat sink 2.
  • three LED modules 1 are frictionally received in a total heat sink 2, which also serves to cool a motor vehicle headlight.
  • the LED modules 1 in three different levels 10 of the heat sink 2 are aligned parallel to each other ( Figure 9).
  • the case 4 of the LED modules 1 which is circular in cross-section here, like the heat sink 2, is made of aluminum.
  • Each LED module 1 comprises in the embodiment shown nine LED chips 6, which are each arranged in a separate cone-shaped cooling element 7.
  • These cooling elements 7 are formed as a frusto-conical cooling base, wherein in the front side base of the truncated cone a likewise frusto-conical recess 11 is introduced, on the bottom 12 of the LED chip 6 is soldered.
  • the inner side region of the cooling base 7 surrounding the LED chip 6 forms a reflector 13, which is preferably mirrored (FIG. 6).
  • the individual cooling base 7 are then introduced with the soldered LED chips 6 in accordance with conically executed holes 14 in the bottom 8 of the module housing 4, wherein either the cooling base 7 wetted with a thermally conductive adhesive layer 15 or a thermally conductive adhesive before the onset of the cooling base 7 by dispensing is placed in the holes 14.
  • the cooling base 7 is made as a cooling element of a single LED chip 6 from a copper blank produced in particular by extrusion
  • the housing 4 of an LED module 1 is made of aluminum.
  • a geometrical requirements of the headlight corresponding three-dimensional housing base body is formed by die casting or machining.
  • nine conical holes 14 are machined into the bottom 8 of the module housing 4, wherein the number and arrangement The holes 14 may vary depending on the requirements placed on the headlight. In particular, any orientation of the bores 14 in three-dimensional space are possible with a three-dimensional basic body.
  • a plug-shaped plastic frame 16 is inserted with injected contacts 17 and exposed bonding surfaces 18 in the module housing 4 and preferably secured by gluing therein.
  • the individual LED components 6 are connected by bonding wires 19 in series with each other and with the two bonding surfaces 18 of the plastic frame 16.
  • an optical converting means 20 for converting the blue light emitted from the LED chip 6 into white light is applied to the recesses 11 of the cooling pedestals 7 on the bonded LED chips 6 (FIG. 7).
  • a plastic primary optics 9 is glued to the aluminum housing 4, which has an opening for the passage of the contact pins 17 of the plastic frame 16 in its lower region.
  • the three LED modules 1 thus produced are then pressed positively and non-positively into the recesses 3 provided in the overall heat sink 2, so that they are located directly in the desired optical alignment and subsequent adjustments are not required.
  • the three recesses 3 have been introduced in a corresponding processing center in only a single clamping.
  • special processing machines with a number of cutting tools corresponding to the desired number of LED modules 1 can be introduced into the heat sink 2 at the same time and thus in a high-precision positional tolerance.
  • a flexible circuit carrier 21 is applied to the heat sink 2 in a final assembly step and selectively soldered to the contacts 17 of the three LED modules 1 (FIG. 9).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein insbesondere für Kraftfahrzeuge einsetzbares Leuchtaggregat mit mehreren LED-Bauelementen (6), die mittelbar mit einem Kühlkörper (2) verbunden sind, über den die Verlustwärme der LED-Bauelemente (6) abgeführt wird, wobei mindestens ein Gehäuse (4) vorgesehen ist, das aus einem wärmeleitenden Material besteht und in dem mindestens ein LED-Bauelement (6) angeordnet ist, und wobei das Gehäuse (4) kraftschlüssig in dem Kühlkörper (2) aufgenommen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leuchtaggregats.

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtaggregat mit mehreren LED-Bauelementen die vermittels eines wärmeübertragenden Zwischenelementes mittelbar mit einem Kühlkörper verbunden sind, über den die Verlustwärme der LED-Bauelemente abgeführt werden kann. Derartige Leuchtaggregate können sowohl zu Zwecken der Innenraumbeleuchtung als auch bei der Außenbeleuchtung eingesetzt werden. Insbesondere ist ein Einsatz dieser Leuchtaggregate auch in oder an Kraftfahrzeugen möglich. Als lichtabgebende LED-Bauelemente (LED = light emitting diode) können optische Halbleiterbauelemente in der Form von Leuchtdioden, insbesondere Leuchtdiodenchips (LED-Chips) eingesetzt werden. Üblicherweise wird dabei eine Vielzahl von LED-Bauelementen (im folgenden auch LEDs genannt) zu einem Array angeordnet, wobei die LEDs vorzugsweise als oberflächenmontiertes SMD-Element (SMD= surface mounted device) durch Löten oder Kleben auf einer Leiterplatte, die auch als strukturierter Schaltungsträger ausgebildet sein kann, montiert werden.
  • Nicht nur bei Kraftfahrzeugen werden zunehmend LEDs eingesetzt, da sie gegenüber konventionellen Glühlampen einige wesentliche Vorteile aufweisen. So haben LEDs eine längere Lebensdauer, eine geringere Baugröße sowie einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Licht. Ferner zeichnen sich LEDs durch eine Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Erschütterungen aus, was insbesondere bei Kraftfahrzeugen einen erheblichen Vorteil darstellt.
  • Trotz der im Vergleich zu Glühlampen geringeren Wärmeabgabe muss vor dem Hintergrund einer ständig fortschreitenden Leistungssteigerung auch bei LEDs die als Verlust auftretende Abwärme abgeführt werden, um eine Überhitzung und damit eine Funktionsbeeinträchtigung oder sogar eine Zerstörung der LEDs zu verhindern. Üblicherweise wird die Abwärme von der Unterseite der LED-Bauelemente über ihre elektrischen Anschlüsse abgeführt. Die für eine besonders hohe Lichtausbeute eingesetzten High-Brightness LEDs haben dazu neben den beiden elektrischen Anschlusskontakten einen dritten Kontakt, über den die Verlustwärme der LED abgeführt wird. Dieser Wärmeanschluss, der im allgemeinen nicht potenzialfrei ist, wird auf einen Flächenbereich des Schaltungsträgers gelötet bzw. geklebt, welcher über das Layout des Schaltungsträgers so gestaltet ist, dass er nicht mit der restlichen Schaltung in elektrischem Kontakt steht. Die Abwärme wird anschließend über eine elektrische Isolierschicht im Schaltungsträger an einem metallischen Kühlkörper abgeführt.
  • Um beispielsweise in einem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs mehrere LEDs oder mehrere LED-Gruppen anzuordnen, werden üblicherweise flexible Leiterplatten in einer zweidimensionalen Ebene mit LEDs bestückt, und danach wird das so erhaltene flexible Gebilde auf einen Kühlkörper aufgeklebt. Der Kühlkörper kann dabei, wie es aus der DE 199 22 176 A1 bekannt ist, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen, die für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschte dreidimensionale Form aufweisen und auf den von der Leiterplatte abgewandten Oberflächen mit Kühlrippen versehen sein. Die Leiterplatte wird dabei vorzugsweise mit einer Wärmeleitpaste, einen Wärmeleitkleber, einer Wärmeleitfolie oder dergleichen auf den Kühlkörper befestigt, wobei eine exakte Ausrichtung der LED-Bauelemente schwierig ist und ebenso wie das Aufkleben der Leiterplatte auf den Kühlkörper einen erheblichen montagetechnischen Aufwand bedeutet.
  • Aus der DE 10 2004 001 124 B3 ist eine Leuchte für ein Fahrzeug bekannt, bei der mehrere Leuchtdioden mittels federelastischer Andrückelemente an einen Kühlkörper angedrückt werden und somit über zusätzliche Bauelemente kraftschlüssig daran gehalten sind.
  • Unabhängig von optischen Anwendungen und Leuchtaggregaten sind aus der DE 197 57 513 A1 auch Einpressdioden in Kühlplattenbauweise bekannt, die in einer Ausnehmung oder Vertiefung einer Kühlplatte kraftschlüssig aufgenommen sind. Derartige Einpressdioden werden beispielsweise in Schweißgeräten als Gleichrichter eingesetzt, wo es nicht auf eine exakte Ausrichtung bei der Montage ankommt.
  • Ein Leuchtaggregat der eingangsgenannten Art ist aus der DE 195 28 459 C2 bekannt. Dabei ist eine Leiterplatte mit mehreren eingekapselten LEDs in gedrahteter Ausführung bestückt, wobei auf der mit den LEDs bestückten Seite der Leiterplatte eine mit Bohrungen versehene Kühlplatte derart angeordnet ist, dass die Köpfe der LEDs in die Bohrungen und der Kühlplatte hineinragen und darin ausgerichtet sind.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Leuchtaggregat der eingangs genannten Art zu schaffen, das in Modulbauweise thermisch besonders effektiv aufgebaut ist und einen Einbau der LED-Module gestattet, der nach ihrer Montage möglichst keine Justierung mehr erforderlich macht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leuchtaggregat nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass mindestens ein Gehäuse vorgesehen ist, das aus einem wärmeleitenden Material besteht und in dem mindestens ein LED-Bauelement angeordnet ist, wobei das Gehäuse kraftschlüssig in dem Kühlkörper aufgenommen ist.
  • Auf dieses Weise wird ein vormontiertes LED-Modul geschaffen, dass aus einem eigenen Gehäuse mit einer oder mehreren darin angeordneten LED-Bauelementen besteht, die vorzugsweise als LED-Chips ausgeführt sind. Das erfindungsgemäße Leuchtaggregat gemäß Anspruch 1 weist gegenüber den vorbekannten Ausführungsformen den Vorteil auf, dass bei einer relativ einfachen und robusten Konstruktion aufgrund der kraftschlüssigen Aufnahme des Modulgehäuses in dem Kühlkörper eine sehr schnelle und einfache Montage möglich ist, die eine zur gewünschten Ausrichtung der LED-Bauelemente erforderlichen Justierung auf ein Minimum beschränkt oder sogar vollständig entbehrlich macht. Vorteilhafterweise werden die Gehäuse der LED-Module bei den kraftschlüssigen Einsetzen in den Kühlkörper direkt so aufgenommen, dass die gewünschte Fokussierung der Leuchtdioden quasi automatisch auf besonders schnelle und einfache Art und Weise erhalten wird. Gleichzeitig wird auf diese Weise eine schnelle und besonders effektive Wärmeverteilung (Heatspreader Funktion) ermöglicht.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Leuchtaggregats ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • So ist es besonders vorteilhaft, wenn das Gehäuse in eine Öffnung oder eine Vertiefung des Kühlkörpers eingesetzt, vorzugsweise eingepresst ist. Hierdurch kann eine hochpräzise Ausrichtung des LED-Moduls erreicht werden. Das Einpressen des Modulgehäuses in eine komplementäre Aufnahme des Kühlkörpers gestattet dabei ein besonders schnelle, kraft- und formschlüssige Aufnahme und Ausrichtung des LED-Moduls.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse ein LED-Modul beinhaltet, welches mehrere LED-Bauelemente, insbesondere mehrere Leuchtdioden-Chips, umfasst. Das LED-Modul kann mit einer beliebigen Anzahl von LEDs vormontiert werden, bevor es in der vorangehend beschriebenen Art und Weise in den Kühlkörper des erfindungsgemäßen Leuchtaggregats eingepresst wird. Dabei sind sowohl für den Kühlkörper als auch für das Gehäuse beliebig ausgeformte Außenkonturen möglich, die an die jeweiligen Anforderungen an das Leuchtaggregat anpasst werden können. Vorteilhafterweise können auch mehrere Gehäuse einer Mehrzahl von LED-Modulen in einen gemeinsamen Gesamtkühlkörper eingepresst werden, wodurch besonders enge Lagetoleranzen der einzelnen LED-Module zueinander eingehalten werden können und eine aufwändige optische Ausrichtung der LED-Module zueinander bei der Montage nicht mehr erforderlich ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die einzelnen LED-Bauelemente jeweils in einem eigenen Kühlelement angeordnet sind, wobei die einzelnen Kühlelemente jeweils derart in dem Gehäuse aufgenommen sind, dass sie mit dem Gehäuse in wärmeleitendem Kontakt stehen. Die Abwärme der einzelnen LEDs wird dabei über die einzelnen Kühlelemente zunächst an das Gehäuse des LED-Moduls und von da weiter an den das Gehäuse aufnehmenden Kühlkörper geleitet. Vorzugsweise können dabei auch die einzelnen Kühlelemente kraftschlüssig in dem Gehäuse des LED-Moduls aufgenommen sein, um hier ebenfalls eine schnelle und besonders effektive Wärmeübertragung zu ermöglichen.
  • Günstig ist es dabei weiterhin, wenn zumindest einzelne Kühlelemente optische Mittel, insbesondere Reflektoren und/oder optische Konvertierungsmittel, beispielsweise ein optisches Füllmedium zur Farbumwandlung des von der LED emittierten Lichts enthalten oder ausbilden.
  • Ebenso ist es von Vorteil, wenn in das Gehäuse des LED-Moduls optische Mittel aufgenommen oder eingepasst sind. Insbesondere kann eine Kunststoffoptik per Clip-Montage in das Gehäuse eingesetzt sein.
  • Um eine dauerhaft sichere Presspassung zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper zu erreichen wird ferner vorgeschlagen, dass das Gehäuse aus einem Material besteht, das den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie das Material, aus dem der Kühlkörper besteht. Vorzugsweise kann das Gehäuse dabei aus dem gleichen Material bestehen wie der Kühlkörper, wobei aus Kostengründen insbesondere Aluminium eingesetzt werden kann.
  • Ein dauerhaft effektiver Wärmeübergang kann weiterhin dadurch gewährleistet werden, dass die Außenseiten des Gehäuses zumindest teilweise eine Zahnung oder Rändelung aufweisen, die in den Kühlkörper eingepresst wird.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Scheinwerfer, insbesondere ein Kraftfahrzeug-Scheinwerfer, der einen Scheinwerferkühlkörper umfasst, in dem mindestens ein Gehäuse der vorangehend beschriebenen Art kraftschlüssig aufgenommen, vorzugsweise eingepresst ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung und Montage eines mehrere LEDs und einen Kühlkörper umfassenden Leuchtaggregats. Vorzugsweise kann danach ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge hergestellt bzw. montiert werden. Dazu wird mindestens ein LED-Bauelement in einem aus einem wärmeleitenden Material bestehenden Gehäuse angeordnet, welches kraftschlüssig in den Kühlkörper eingesetzt wird. Auf diese Weise kann die Herstellung besonders schnell und einfach bei gleichzeitig hochgenauer optischer Ausrichtung des die LEDs enthaltenden Gehäuses in dem Kühlkörper ausgeführt werden.
  • Besonders vorteilhaft zur Erzielung einer hochexakten optischen Ausrichtung ist es bei diesem Verfahren, wenn das Gehäuse in eine Öffnung oder in eine Vertiefung des Kühlkörper eingepresst wird.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird vorgeschlagen, dass für die Aufnahme mehrere LED-Module mehrere Öffnungen und/oder Vertiefungen gleichzeitig und/oder in einer einzigen Aufspannung des Kühlkörpers in den Kühlkörper eingebracht werden, was vorteilhafterweise mit entsprechenden Bearbeitungszentren ausgeführt werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • Figur 1:
    dreidimensionale Darstellung eines Teils einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leuchtaggregats;
    Figur 2:
    Ansicht eines einzelnen, noch nicht eingesetzten LED-Moduls für die Ausführungsform aus Figur 1;
    Figur 3:
    Schnittdarstellung eines eingesetzten LED-Moduls;
    Figur 4:
    Ansicht des LED-Moduls aus Figur 2 mit abgenommener Optik;
    Figur 5:
    dreidimensionale Explosions-Darstellung eines LED-Moduls für eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leuchtaggregats;
    Figur 6:
    Ansicht eines einzelnen LED-Bauelements für das LED-Modul aus Figur 5 in einem eigenen Kühlelement;
    Figur 7:
    Ansicht des teilmontierten LED-Moduls aus Figur 5;
    Figur 8:
    Darstellung der Montage von drei LED-Modulen aus Figur 5 in eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leuchtaggregats; und
    Figur 9:
    fertigmontiertes Leuchtaggregat aus Figur 8.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Bei der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform eines Leuchtaggregats sind fünf LED-Module 1 in einen Kühlkörper 2 eingepresst. Dazu weist der Kühlkörper 2, der hier gleichzeitig die Rückwand eines Scheinwerfers für ein Kraftfahrzeug bildet, fünf Ausnehmungen 3 auf, in denen jeweils das Gehäuse 4 eines LED-Moduls 1 formschlüssig sowie kraftschlüssig aufgenommen und gehalten ist. Der Kühlkörper 2 besteht aus einer im wesentlichen ebenen Platte, auf der zur Verbesserung der Wärmeabfuhr auf beiden Seiten senkrecht vorstehende Kühlrippen 5 angeformt sind. Dabei ist der Kühlkörper 2 ebenso wie das Gehäuse 4 der LED-Module 1 aus Aluminium gefertigt, so dass aufgrund der identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht nur eine besonders gute Wärmeübertragung, sondern auch eine dauerhaft sichere Presspassung zwischen den Modulgehäusen 4 und dem Gesamtkühlkörper 2 gewährleistet ist.
  • Die einzelnen LED-Module 1 umfassen in dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sieben LED-Bauelemente 6, die hier jeweils als oberflächenmontierte LED-Chips ausgeführt sind. Die einzelnen LED-Chips 6 sind dabei jeweils über ein eigenes Kühlelement 7 wärmeleitend mit dem Boden 8 des Modulgehäuses 4 verbunden. Vorderseitig sind die LED-Module 1 jeweils durch eine in das Gehäuse 4 eingeclipste Kunststoffoptik 9 abgeschlossen. Die dadurch erhaltenen und in Figur 2 dargestellten, vormontierten LED-Modulel werden anschließend so in die Ausnehmungen 3 des Gesamtkühlkörpers 2 eingepresst, dass über das wannenförmige Metallgehäuse 4 eine besonders schnelle und effektive Verteilung der Verlustwärme an den Kühlkörper 2 gewährleistet ist. Gleichzeitig ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine optische Ausrichtung der einzelnen LED-Module 1 zueinander bei der Montage nicht mehr erforderlich, da die LED-Module 1 direkt in ihrer durch die Ausnehmungen 3 vorgegebenen positionsgenauen Ausrichtung in den Gesamtkühlkörper 2 eingepresst werden.
  • Bei der in den Figuren 5 bis 9 dargestellten Ausführungsvariante sind drei LED-Module 1 kraftschlüssig in einem Gesamtkühlkörper 2 aufgenommen, der ebenfalls zur Kühlung eines KFZ-Scheinwerfers dient. Dabei sind die LED-Module 1 in drei verschiedenen Ebenen 10 des Kühlkörpers 2 parallel zueinander ausgerichtet (Figur 9). Das hier im Querschnitt kreisrund ausgebildete Gehäuse 4 der LED-Module 1 besteht ebenso wie der Kühlkörper 2 aus Aluminium.
  • Jedes LED-Modul 1 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel neun LED-Chips 6, die jeweils in einem eigenen kegelförmig ausgebildeten Kühlelement 7 angeordnet sind. Diese Kühlelemente 7 sind als kegelstumpfförmiger Kühlsockel ausgebildet, wobei in die vorderseitige Grundfläche des Kegelstumpfs eine ebenfalls kegelstumpfförmige Vertiefung 11 eingebracht ist, auf deren Boden 12 der LED-Chip 6 aufgelötet ist. Der den LED-Chip 6 dabei umgebende innenseitige Bereich des Kühlsockels 7 bildet einen Reflektor 13 aus, der vorzugsweise verspiegelt ist (Figur 6).
    Die einzelnen Kühlsockel 7 werden anschließend mit den aufgelöteten LED-Chips 6 in entsprechend konisch ausgeführte Bohrungen 14 im Boden 8 des Modulgehäuses 4 eingebracht, wobei entweder der Kühlsockel 7 mit einer wärmeleitenden Klebstoffschicht 15 benetzt oder ein wärmeleitender Klebstoff vor dem Einsetzen der Kühlsockel 7 durch Dispensen in die Bohrungen 14 hineingegeben wird.
  • Während der Kühlsockel 7 als Kühlelement eines einzelnen LED-Chips 6 aus einem insbesondere durch Fließpressen hergestellten Kupferrohling gefertigt ist, besteht das Gehäuse 4 eines LED-Modul 1 aus Aluminium. Dazu wird in diesem Ausführungsbeispiel zunächst ein den geometrischen Anforderungen des Scheinwerfers entsprechender dreidimensionaler Gehäusegrundkörper durch Druckgießen oder spanende Bearbeitung geformt. Anschließend werden in den Boden 8 des Modulgehäuses 4 neun konische Bohrungen 14 spanend eingebracht, wobei die Anzahl und Anordnung der Bohrungen 14 je nach den an den Scheinwerfer gestellten Anforderungen variieren kann. Insbesondere sind bei einem dreidimensionalen Grundkörper auch beliebige Ausrichtungen der Bohrungen 14 im dreidimensionalen Raum möglich.
  • Danach wird ein steckerförmiger Kunststoffrahmen 16 mit eingespritzten Kontakten 17 und freiliegenden Bondflächen 18 in das Modulgehäuse 4 eingesetzt und vorzugsweise durch Kleben darin befestigt. Anschließend werden die einzelnen LED-Bauelemente 6 durch Bonddrähte 19 in Reihenschaltung miteinander sowie mit den beiden Bondflächen 18 des Kunststoffrahmens 16 verbunden. Nach der Herstellung dieser elektrischen Verbindung zu den Kontaktstiften 17 wird ein optisches Konvertierungsmittel 20 zur Umwandlung des von den LED-Chips 6 abgegebenen blauen Lichts in weißes Licht in die Vertiefungen 11 der Kühlsockel 7 auf die gebondeten LED-Chips 6 aufgebracht (Figur 7). Um die einzelnen LED-Module 1 abzuschließen, wird eine aus Kunststoff bestehende Primäroptik 9 auf das Alu-Gehäuse 4 aufgeklebt, die in ihrem unteren Bereich eine Öffnung für den Durchtritt der Kontaktstifte 17 des Kunststoffrahmens 16 aufweist.
  • Die drei so hergestellten LED-Module 1 werden anschließend formschlüssig und kraftschlüssig in die im Gesamtkühlkörper 2 vorgesehenen Ausnehmungen 3 eingepresst, so dass sie sich direkt in der gewünschten optischen Ausrichtung befinden und nachträgliche Justierungen nicht erforderlich sind. Um diese hochpräzise Ausrichtung der drei LED-Module 1 im Kühlkörper 2 zu erreichen, sind die drei Ausnehmungen 3 in einem entsprechenden Bearbeitungszentrum in nur einer einzigen Aufspannung eingebracht worden. Auch können hierzu spezielle Bearbeitungsmaschinen mit einer der gewünschten Anzahl von LED-Modulen 1 entsprechenden Anzahl von spanabhebenden Werkzeugen gleichzeitig und somit in einer hochpräzise Lagetoleranz zueinander in den Kühlkörper 2 eingebracht werden.
  • Nachdem Einpressen der LED-Module 1 in den Kühlkörper 2 wird in einem abschließenden Montageschritt ein flexibler Schaltungsträger 21 auf den Kühlkörper 2 aufgebracht und punktuell mit den Kontakten 17 der drei LED-Module 1 verlötet (Figur 9).

Claims (12)

  1. Leuchtaggregat mit mehreren LED-Bauelementen (6), die mittelbar mit einem Kühlkörper (2) verbunden sind, über den die Verlustwärme der LED-Bauelemente (6) abführbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens ein Gehäuse (4) vorgesehen ist, das aus einem wärmeleitenden Material besteht und in dem mindestens ein LED-Bauelement (6) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (4) kraftschlüssig in dem Kühlkörper (2) aufgenommen ist.
  2. Leuchtaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) in eine Öffnung oder in eine Vertiefung (3) des Kühlkörpers (2) eingesetzt, vorzugsweise eingepresst ist.
  3. Leuchtaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) ein LED-Modul (1) beinhaltet, das mehrere LED-Bauelemente (6), insbesondere mehrere Leuchtdioden-Chips, umfasst.
  4. Leuchtaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen LED-Bauelemente (6) jeweils in einem eigenen Kühlelement (7) angeordnet sind, wobei die einzelnen Kühlelemente (7) jeweils mit zu dem Gehäuse (4) wärmeleitendem Kontakt in dem Gehäuse (4) aufgenommen sind.
  5. Leuchtaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Kühlelemente (7) optische Mittel, insbesondere Reflektoren (13) und/oder optische Konvertierungsmittel (20), enthalten oder ausbilden.
  6. Leuchtaggregat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (4) optische Mittel, insbesondere eine Kunststoffoptik (9), aufgenommen oder eingepasst sind.
  7. Leuchtaggregat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus einem Material besteht, das den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie das Material, aus dem der Kühlkörper (2) besteht.
  8. Leuchtaggregat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseiten des Gehäuses (4) zumindest teilweise eine Zahnung oder Rändelung aufweisen.
  9. Leuchtaggregat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Scheinwerfer, insbesondere als Kraftfahrzeug-Scheinwerfer ausgebildet ist, der einen Scheinwerferkühlkörper (2) aufweist, in dem mindestens ein Gehäuse (4) kraftschlüssig aufgenommen, vorzugsweise eingepresst ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines mehrere LED-Bauelemente (6) und einen Kühlkörper (2) umfassenden Leuchtaggregats, vorzugsweise eines Scheinwerfers für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein LED-Bauelement (6) in einem aus einem wärmeleitenden Material bestehenden Gehäuse (4) angeordnet wird, und dass das Gehäuse (4) kraftschlüssig in den Kühlkörper (2) eingesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) in eine Öffnung oder in eine Vertiefung (3) des Kühlkörpers (2) eingepresst wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Öffnungen und/oder Vertiefungen (3) gleichzeitig und/oder in einer Aufspannung des Kühlkörpers (2) in den Kühlkörper (2) eingebracht werden.
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