EP2275738A2 - Kühlelement für eine Halbleiterlichtquelle einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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EP2275738A2
EP2275738A2 EP10002907A EP10002907A EP2275738A2 EP 2275738 A2 EP2275738 A2 EP 2275738A2 EP 10002907 A EP10002907 A EP 10002907A EP 10002907 A EP10002907 A EP 10002907A EP 2275738 A2 EP2275738 A2 EP 2275738A2
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casting
cooling element
heat sink
heat
semiconductor light
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Matthias Brendle
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Automotive Lighting Reutlingen GmbH
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to a cooling element for a semiconductor light source of a lighting device of a motor vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a cooling element according to the preamble of the independent method claim.
  • Such a cooling element has a cooling body arranged for the release of heat to the environment and a flange plate designed for thermal coupling of the semiconductor light source and for fastening the cooling element to the illumination device.
  • LEDs Unlike halogen or gas discharge lamps, LEDs emit cold light. The radiation itself thus contains no heat radiation components which would be comparable to the corresponding proportions of a halogen lamp or gas discharge lamp. Nevertheless, even when operating LEDs, losses of about 80% occur. This means that 80% of the electrical energy used for operation is released as heat loss and the LED heat up. This is problematic because important properties of LEDs such as their luminous flux, color, forward voltage and lifetime are highly temperature dependent. The temperature of the semiconductor light sources must therefore be within narrow, fixed limits by a predetermined thermal operating point. In particular, the LEDs must be protected against overheating.
  • the maximum permissible chip temperature is between 125 ° C and 185 ° C. Exceeding the respective maximum temperature results in destruction of the LED. Since only about 20% of the electrical energy used is converted into light, headlamp heat losses occur, which can reach values between 20 watts and 40 watts.
  • cooling concepts which provide in particular large-scale aluminum or copper cooling elements of the type mentioned above to absorb the heat loss through the flange plate and deliver to the environment via serving as heat sink ribs and other surface-enlarging structures.
  • the heat sink used are predominantly aluminum heat sinks, which are produced optionally by the die casting, continuous casting or extrusion process.
  • heat sinks produced using the die-casting process enable particularly complex shapes.
  • Functional elements and functional surfaces can be easily integrated, as fastening and centering elements can be easily molded.
  • the object of the invention is to specify a cooling element of the type mentioned above, which combines the advantages of the die casting process - great freedom in shaping - with the advantages of extruded or continuously cast heat sinks - namely, low thermal resistances.
  • the object of the invention is to specify a method for producing such a cooling element.
  • the invention is characterized in particular by the fact that the cooling element is a composite part of a casting and an inserted during casting of the casting in the mold insert, wherein the flange plate is the casting and the heat sink is the insert.
  • the casting of the flange plate achieves the important advantages of the great freedom of design in the case of the flange plate.
  • the use of the heat sink as an insert allows in particular the use of extruded or continuously cast heat sink.
  • the invention combines the advantages of lower thermal resistances of a heat sink with the advantages of a large freedom of design in the flange without having to accept disadvantageous large thermal contact resistance between the flange and heat sink in purchasing.
  • the advantage of low thermal resistances is achieved, in particular, with an embodiment which extends through at least one by a continuous casting or Extruded molding produced heat sink made of an aluminum, copper or magnesium alloy.
  • cooling element with at least one magnesium die-cast heat sink have the advantage that lower wall thicknesses and thus more filigree cooling fins can be realized than in Al diecasting.
  • the low density allows significant weight savings.
  • Heat sinks designed with stamping and bending technology have cost advantages, especially with large quantities.
  • cooling elements with particularly small wall thicknesses (and weight) can be represented.
  • a further preferred embodiment therefore provides a plurality of separate heat sinks, which are connected by the casting to a composite heat sink.
  • the casting has molded functional surfaces during casting. This reduces the manufacturing effort and at the same time improves the heat transfer through the flange plate, since thermal contact resistance, which could occur through air gaps, can be avoided.
  • the casting has a set up for thermal coupling of the semiconductor light source bearing surface as a molded functional surface.
  • the composite part has during encapsulation of the insert with embedded metallic functional parts.
  • these functional parts By embedding these functional parts in particular a dimensionally accurate and firm mechanical connection of these parts is achieved with the flange plate.
  • a particularly preferred refinement is characterized in that the heat sink has a heat sink carrier plate and a heat release side adapted to emit heat to the environment, with a surface which is enlarged by first structures (eg, by pins and / or ribs) and one for insertion in a mold of the casting arranged heat receiving side, wherein the heat receiving side of the heat sink has second surface-enlarging structures that are embedded in the casting.
  • first structures eg, by pins and / or ribs
  • ribs in particular dovetail-shaped profiled ribs, and / or pins and / or openings and / or outbreaks in the heat sink carrier plate are preferred, wherein the heat sink carrier plate on the set up for insertion into the mold of the casting Heat absorption side is arranged.
  • FIG. 1 a perspective view of a conventional die-cast cooling element 10 with cooling fins 12 and a flange plate 14.
  • the flange plate 14 has molded fasteners such Screw-on eyes 16 and screw domes 18 and centering elements such as centering pins 20, 22 and a mounted semiconductor light source 24.
  • the elements 16, 18, 20, 22, 24 are arranged on a functional surface 26.
  • the semiconductor light source is an arrangement 28 of an LED or a plurality of LEDs, which is mounted on a base element 30 and is mechanically and thermally connected to the flange plate 14 of the cooling element 10 via the base element 30.
  • the molded-on cooling fins 12 which represent the heat sink of the known cooling element 10, inevitably made relatively coarse. In the presentation of the FIG. 1 this is expressed by the comparatively rough design of each individual cooling rib 12 and the comparatively small number of eight cooling ribs 12 given given dimensions of the cooling element 10.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a cooling element 32 according to the invention in a plan view of a functional surface 26.
  • the cooling element 32 not different from the known cooling element 10 and therefore has in particular those already in connection with the FIG. 1 explained functional surface 26 with molded fasteners in the form of screw-on eyes 16 and screw domes 18 and centering in the form of centering pins 20, 22 and a mounted with a base member 30 to the functional surface 26 semiconductor light source 24 with an LED array 28.
  • the base element 30 is centered by the centering pins 22 in a predetermined position on the functional surface 26 and by fasteners 34, for example by screws or through to the functional surface 26th molded rivet pins, fixed to the flange plate 14.
  • the centering pins 20 and the fastening elements 16, 18 serve for centering and mounting the cooling element 32 in a lighting device (not shown) for a motor vehicle and / or for mounting an optical element (not shown) and / or a shutter arrangement.
  • the illumination device is a headlight or a light module of a headlight.
  • the optical element is a reflector arranged for focusing the light of the LED array 28 or a lens arranged for this purpose.
  • FIG. 3 shows a section along line III, III cut through the cooling element 32 of the FIG. 2
  • the cooling element 32 as an exemplary embodiment of a cooling element according to the invention a composite part of a casting 36 and an inserted during casting of the casting 36 in the mold insert 38.
  • the flange plate, the casting 36 and the heat sink, the insert 38 are both the flange as well as the casting of a cooling element 32 according to the invention designated by the reference numeral 36.
  • both the insert part and the heat sink identical to the insert part are designated by the reference numeral 38 below.
  • the insert is an extrusion or continuous casting heat sink, a magnesium die-cast heat sink, a heat sink designed as a stamped-bent part or an arrangement of several such heat sink.
  • continuous casting and extrusion processes allow the use of alloys better thermal properties than alloys suitable for die casting.
  • continuous casting and extrusion processes enable the production of significantly finer structures. That is, these methods allow production of heat sinks 38 with, for example, particularly high and / or thin cooling fins or cooling pins. Due to the resulting large surface can be particularly effective heat sink 38 with low thermal resistance, ie produce high thermal conductivity, at the same time compact dimensions.
  • This will be the subject of FIG. 3 by the number of cooling structures 46, which is higher by a factor of about 1.5 than the number eight of the cooling fins 12 of the conventional die-cast cooling element 10 of the FIG. 1 ,
  • magnesium diecasting In magnesium diecasting, smaller wall thicknesses and thus more filigree cooling fins can be realized than in die-cast aluminum. In addition, the low density of magnesium die-casting allows significant weight savings. It is disadvantageous that no rivet pegs can be molded onto magnesium die-cast parts, since magnesium die-casting can not be deformed sufficiently plastically. Even screw connections can not be realized without further ado because of the high reduction potential of magnesium (electrochemical voltage series: -2.38 volts, for comparison: aluminum: -1.66 volts). Special aluminum screws or screws with special coatings may be required.
  • Heat sinks designed with stamping and bending technology have cost advantages, especially with large quantities.
  • cooling elements with particularly low wall thicknesses and thus particularly low weight can be represented.
  • Heatshrills Because the complexity of running in stamping and bending technology Heatshrills is significantly limited by the manufacturing process, it is particularly possible here to connect several heat sink sub-elements by casting with the material of the casting to form a complex composite heat sink.
  • a part of the heat sink 38 is placed in a mold or die-casting tool and encapsulated with the material of the flange plate 36.
  • the material is preferably aluminum, an aluminum alloy, a magnesium alloy, a copper alloy or an alloy having a plurality of these materials.
  • the einzug tellende heat sink 38 has in the embodiment that in the FIG. 3 a heat sink support plate 40 and a heat dissipating side 42 provided for discharging heat to the environment, and a heat receiving side 44 adapted for insertion into a mold of the casting.
  • the heat sink carrier plate 40 is preferably wholly or partly cast in the casting 36.
  • the heat release side 42 has an increased surface area by first structures 46 such as pins and / or ribs to improve the heat dissipation to the environment.
  • the heat receiving side 44 of the heat sink 38 has second surface enlarging structures 48 embedded in the casting 36.
  • As a second surface-enlarging structures are preferably ribs, in particular dovetail-shaped profiled ribs and / or pins and / or openings (the material penetrating recesses) and / or outbreaks (reaching into the material, but not completely penetrating the material recesses) used.
  • the second surface-enlarging structures 48 enlarge the form-fitting surface between the insert 36 and the casting 38. As a result, a firm connection without air gaps between the two components 36, 38 is achieved.
  • the resulting composite part offers great design freedom thanks to the casting process.
  • the casting process offers the possibility of embedding further metallic functional parts, for example screw and bearing bushings, centering pins and bearing bolts.
  • the good thermal properties correspond to those of the extruded or continuous casting heat sink.
  • insulating air layers between the parts can be reliably excluded.
  • the production cost is lower when casting, especially for larger quantities, as would be required for the subsequent machining of the functional surfaces on the extrusion or continuous casting heat sink.
  • the cooling element 32 with the features of the invention enables the saving of additional holding and Fasteners.
  • FIGS. 4 and 5 show embodiments of heat sinks with carrier plates in each case in perspective view. It shows FIG. 4 an embodiment in which both the first surface-enlarging structures 46 on the heat-emitting side 42 and the second surface-enlarging structures 48 on the heat receiving side 44 are pins. FIG. 5 shows an embodiment in which both surface-enlarging structures 46/48 are formed as ribs. It is understood, however, that differently shaped structures can also be used on both sides of the carrier plate 40.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Kühlelement (32) für eine Halbleiterlichtquelle (24) eines Kraftfahrzeugs mit einem zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichteten Kühlkörper (38) und mit einer zur thermischen Ankopplung der Halbleiterlichtquelle (24) und zur Befestigung des Kühlelements (32) an der Beleuchtungseinrichtung eingerichteten Flanschplatte (36). Das Kühlelement (32) zeichnet sich dadurch aus, dass es ein Verbundteil aus einem Gussteil und einem beim Gießen des Gussteils in die Gussform eingelegten Einlegeteil (38) ist, wobei die Flanschplatte (36) das Gussteil und der Kühlkörper (38) das Einlegeteil ist. Ein unabhängiger Anspruch richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlelements.

Description

    Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für eine Halbleiterlichtquelle einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlelements nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
  • Ein solches Kühlelement weist einen zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichteten Kühlkörper und eine zur thermischen Ankopplung der Halbleiterlichtquelle und zur Befestigung des Kühlelements an der Beleuchtungseinrichtung eingerichtete Flanschplatte auf.
  • Halbleiterlichtquellen werden derzeit in zunehmendem Umfang in Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Nachdem sich der Einsatz zunächst auf Signalleuchten wie Brems- und Blinkleuchten beschränkt hatte, wird derzeit damit begonnen, Halbleiterlichtquellen auch für Scheinwerferfunktionen, also für eine Beleuchtung des Fahrzeugumfeldes zu verwenden. Ein Beispiel dafür ist ein von der Anmelderin gelieferter LED-Scheinwerfer für den Audi R8 (LED = Light Emitting Diode).
  • Im Gegensatz zu Halogenlampen oder Gasentladungslampen geben LEDs kaltes Licht ab. Die Strahlung selbst enthält also keine Wärmestrahlungsanteile, die mit den entsprechenden Anteilen einer Halogenlampe oder Gasentladungslampe vergleichbar wären. Trotzdem treten auch beim Betrieb von LEDs Verluste von ca. 80 % auf. Das heißt, dass 80 % der zum Betrieb eingesetzten elektrischen Energie als Verlustwärme frei werden und die LED aufheizen. Dies ist problematisch, weil wichtige Eigenschaften von LEDs wie deren Lichtstrom, Farbe, Vorwärtsspannung und Lebensdauer stark temperaturabhängig sind. Die Temperatur der Halbleiterlichtquellen muss daher innerhalb enger, fest vorgegebener Grenzen um einen vorbestimmten thermischen Arbeitspunkt liegen. Dabei müssen die LED insbesondere vor einer Überhitzung geschützt werden.
  • Die maximale zulässige Chiptemperatur liegt je nach Hersteller zwischen 125°C und 185°C. Eine Überschreitung der jeweiligen Maximaltemperatur hat eine Zerstörung der LED zur Folge. Da nur etwa 20 % der eingesetzten elektrischen Energie in Licht umgewandelt werden, treten in Frontscheinwerfern Verlustwärmeleistungen auf, die Werte zwischen 20 Watt und 40 Watt erreichen können.
  • Um diese im LED-Chip auftretenden Verlustwärmeleistungen ohne unzulässig hohe LED-Temperaturen zuverlässig abführen zu können, werden Kühlkonzepte angewandt, die insbesondere großflächige Aluminium- oder Kupfer-Kühlelemente der eingangs genannten Art vorsehen, um die Verlustwärme über die Flanschplatte aufzunehmen und über als Kühlkörper dienende Rippen und oder andere Oberflächen-vergrößernde Strukturen an die Umgebung abzugeben.
  • Oftmals sind die Anforderungen an die Kühlung so hoch, das die normale konvektive Kühlung nicht mehr ausreicht und mit einem Lüfter ein konstanter Kühlluftstrom erzwungen werden muss.
  • Als Kühlkörper kommen überwiegend Aluminiumkühlkörper zum Einsatz, die wahlweise nach dem Druckguss-, Strangguss-oder Fließpress-Verfahren hergestellt werden.
  • Strangguss- und Fließpress-Kühlkörper werden zum Einen wegen der besseren thermischen Eigenschaften der für diese Verfahren zur Verfügung stehenden Aluminiumlegierungen eingesetzt. Zum Anderen erlauben diese Verfahren bedeutend feinere Strukturen, d.h. es sind besonders hohe und dünne Kühlrippen oder Kühlstifte herstellbar, mit denen sich, wegen ihrer großen Oberfläche, besonders wirksame Kühlkörper mit geringem thermischem Widerstand bei gleichzeitig kompakter Bauform darstellen lassen.
  • Nachteilig ist, dass diese Verfahren schlecht geeignet sind, die in der Regel erforderlichen Zentrier- und Befestigungselemente mit anzuformen. Darüber hinaus erfordern diese Kühlkörper häufig eine aufwändige spanende Nachbearbeitung einzelner Funktionsflächen, beispielsweise der Anbindungsfläche für die LED.
  • Nach dem Druckgussverfahren hergestellte Kühlkörper ermöglichen hingegen besonders komplexe Formen. Dadurch können Funktionselemente und Funktionsflächen einfach integriert werden, da Befestigungs- und Zentrierelemente einfach mit angeformt werden können.
  • Dahingegen lassen sich im Druckgussverfahren nur relativ kurze und dicke Kühlrippen herstellen, worunter die Effizienz der Kühlkörper leidet. Des Weiteren weisen Druckgusslegierungen im Vergleich zu Strangguss- oder Fließpresslegierungen schlechtere Wärmeleitwerte auf. Meist benötigen diese Kühlkörper sehr viel größere Volumen im Vergleich zu Strangguss- oder Fließpress-Kühlkörpern.
  • Verschiedentlich wurde bereits versucht, die Vorteile von Druckguss- und Fließpress-Teilen bzw. von Druckguss- und Strangguss-Teilen zu kombinieren. Dabei wurden Strangguss-oder Fließpresskühlkörper auf Druckguss-Halteelemente montiert. Bei solchen Montagelösungen ist es jedoch schwer, eine gute thermische Anbindung zwischen den zu verbindenden Bauteilen sicherzustellen: Selbst wenn die Verbindungsflächen auf Ebenheiten im Bereich von 0,01 mm aufwändig spanend nachbearbeitet werden, unterliegen die verbleibenden Luftspalte und die damit verbundenen thermischen Widerstände großen, nicht tolerierbaren Schwankungen.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Kühlelements der eingangs genannten Art, das die Vorteile des Druckgussverfahrens - große Freiheit in der Formgebung - mit den Vorteilen fließgepresster oder stranggegossener Kühlkörper - nämlich niedrige thermische Widerstände - vereint. Mit Blick auf die Verfahrensaspekte besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Kühlelements.
  • Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Kühlelement ein Verbundteil aus einem Gussteil und einem beim Gießen des Gussteils in die Gussform eingelegten Einlegeteil ist, wobei die Flanschplatte das Gussteil und der Kühlkörper das Einlegeteil ist.
  • Durch das beim Gießen des Gussteils in die Gussform eingelegte Einlegeteil wird der als Einlegeteil eingelegte Kühlkörper von der Schmelze der als Gussteil zu gießenden Flanschplatte umflossen, so dass das Gussteil beim Erkalten auf das Einlegeteil aufschrumpft und das Einlegeteil damit formschlüssig umschließt. Dadurch wird insbesondere eine sehr gute thermische Verbindung beider Teile ohne störende, den Wärmewiderstand nachteilig steigernde Luftspalte gewährleistet.
  • Durch das Gießen der Flanschplatte werden die bei der Flanschplatte wichtigen Vorteile der großen Formgebungsfreiheit erzielt. Das Verwenden des Kühlkörpers als Einlegeteil erlaubt insbesondere die Verwendung fließgepresster oder stranggegossener Kühlkörper. Dadurch vereint die Erfindung die Vorteile niedriger thermischer Widerstände eines Kühlkörpers mit den Vorteilen einer großen Formgebungsfreiheit bei der Flanschplatte ohne dafür nachteilig große thermische Übergangswiderstände zwischen Flanschplatte und Kühlkörper in Kauf nehmen zu müssen.
  • Der Vorteil niedriger thermischer Widerstände wird insbesondere mit einer Ausgestaltung erzielt, die sich durch wenigstens einen durch ein Strangguss- bzw. Fließpressverfahren hergestellten Kühlkörper aus einer Aluminium-, Kupfer- oder Magnesiumlegierung auszeichnet.
  • Alternative Ausgestaltungen des Kühlelements mit wenigstens einem Magnesium-Druckguss-Kühlkörper haben den Vorteil, dass sich geringere Wandstärken und damit auch filigranere Kühlrippen als in Al-Druckguss realisieren lassen. Außerdem erlaubt die geringe Dichte eine erhebliche Gewichtsersparnis.
  • In Stanz-Biegetechnik ausgeführte Kühlkörper haben besonders bei großen Stückzahlen Kostenvorteile. Außerdem lassen sich Kühlelemente mit besonders geringen Wandstärken (und Gewicht) darstellen.
  • Da die Komplexität der Teile durch den Herstellungsprozess deutlich beschränkt ist, bietet sich insbesondere hier die Möglichkeit, mehrere Kühlkörperelemente durch Umgießen mit dem Material der Flanschplatte zu einem komplexen Verbund-Kühlkörper zu verbinden. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht daher mehrere separate Kühlkörper vor, die durch das Gussteil zu einem Verbund-Kühlkörper verbunden werden.
  • Bevorzugt ist auch, dass das Gussteil beim Gießen angeformte Funktionsflächen aufweist. Dies verringert den Herstellungsaufwand und verbessert gleichzeitig den Wärmetransport durch die Flanschplatte, da thermische Übergangswiderstände, die durch Luftspalte auftreten könnten, vermieden werden.
  • Für eine gute Wärmeableitung aus der die Verlustleistung produzierenden LED ist es besonders vorteilhaft, dass das Gussteil eine zur thermischen Ankopplung der Halbleiterlichtquelle eingerichtete Auflagefläche als angeformte Funktionsfläche aufweist.
  • Bevorzugt ist auch, dass das Verbundteil beim Umgießen des Einlegeteils mit eingebettete metallische Funktionsteile aufweist. Durch das Einbetten dieser Funktionsteile wird insbesondere eine maßgenaue und feste mechanische Verbindung dieser Teile mit der Flanschplatte erzielt. Dies gilt insbesondere für Zentrierelemente und/oder Befestigungselemente für die Halbleiterlichtquelle und/oder für ein Optikelement und/oder für die Befestigung des Kühlelements in der Beleuchtungseinrichtung. Beispiele solcher Elemente sind Schraub- und/oder Lagerbuchsen und/oder wenigstens Zentrierstifte und/oder Gewindestehbolzen und/oder Lagerbolzen als Zentrierelemente und/oder als Befestigungselemente.
  • Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlkörper eine Kühlkörper-Trägerplatte und eine zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichtete Wärmeabgabeseite mit einer durch erste Strukturen (z. B. durch Stifte und/oder Rippen) vergrößerten Oberfläche und eine zum Einlegen in eine Gussform des Gussteils eingerichtete Wärmeaufnahmeseite aufweist, wobei die Wärmeaufnahmeseite des Kühlkörpers zweite Oberflächen-vergrößernde Strukturen aufweist, die in das Gussteil eingebettet sind.
  • Als zweite Oberflächen-vergrößernde Strukturen werden Rippen, insbesondere Schwalbenschwanz-förmig profilierte Rippen, und/oder Stifte und/oder Durchbrüche und/oder Ausbrüche in der Kühlkörper-Trägerplatte bevorzugt, wobei die Kühlkörper-Trägerplatte auf der zum Einlegen in die Gussform des Gussteils eingerichteten Wärmeaufnahmeseite angeordnet ist.
  • Mit Blick auf die Verfahrensaspekte der Erfindung liegt ein Vorteil darin, dass der Fertigungsaufwand geringer ist als der für die an einem Strangguss- oder Fließpress-Kühlkörper erforderliche Aufwand für die spanende Nachbearbeitung von Funktionsflächen.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
    • Figur 1
    ein bekanntes Druckguss-Kühlelement;
    Figur 2
    eine Draufsicht auf eine Funktionsfläche eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
    Figur 3
    ein Querschnitt durch den Gegenstand der Figur 2;
    Figur 4
    eine Ausgestaltung eines Kühlkörper-Einlegeteils; und
    Figur 5
    eine weitere Ausgestaltung eines Kühlkörper- Einlegeteils.
  • Im Einzelnen zeigt die Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Druckguss-Kühlelements 10 mit Kühlrippen 12 und einer Flanschplatte 14. Die Flanschplatte 14 weist angeformte Befestigungselemente wie Anschraubaugen 16 und Schraubdome 18 sowie Zentrierelemente wie Zentrierstifte 20, 22 und eine montierte Halbleiterlichtquelle 24 auf. Die Elemente 16, 18, 20, 22, 24 sind auf einer Funktionsfläche 26 angeordnet. Bei der Halbleiterlichtquelle handelt es sich um eine Anordnung 28 einer LED oder mehrerer LEDs, die auf einem Sockelelement 30 angebracht und über das Sockelelement 30 mechanisch und thermisch mit der Flanschplatte 14 des Kühlelements 10 verbunden ist.
  • Aufgrund seiner Herstellung als einstückig in einem einzigen Gussvorgang hergestelltes Druckguss-Kühlelement 10 sind die angeformten Kühlrippen 12, die den Kühlkörper des bekannten Kühlelements 10 repräsentieren, zwangsläufig relativ grob ausgeführt. In der Darstellung der Figur 1 kommt dies durch die vergleichsweise grobe Ausführung jeder einzelnen Kühlrippe 12 und die bei gegebenen Abmessungen des Kühlelements 10 vergleichsweise geringe Zahl von acht Kühlrippen 12 zum Ausdruck.
  • Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlelements 32 in einer Draufsicht auf eine Funktionsfläche 26. In der Draufsicht unterscheidet sich das Kühlelement 32,nicht von dem bekannten Kühlelement 10 und weist daher insbesondere die bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 erläuterte Funktionsfläche 26 mit angeformten Befestigungselementen in Form von Anschraubaugen 16 und Schraubdomen 18 sowie Zentrierelemente in Form von Zentrierstiften 20, 22 und eine mit einem Sockelelement 30 an die Funktionsfläche 26 montierte Halbleiterlichtquelle 24 mit einem LED-Array 28 auf. Das Sockelelement 30 wird durch die Zentrierstifte 22 in einer vorbestimmten Lage auf der Funktionsfläche 26 zentriert und durch Befestigungselemente 34, beispielsweise durch Schrauben oder durch an die Funktionsfläche 26 angeformte Nietstifte, an der Flanschplatte 14 fixiert.
  • Die Zentrierstifte 20 und die Befestigungselemente 16, 18 dienen zum Zentrieren und Montieren des Kühlelements 32 in einer nicht dargestellten Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug und/oder zum Montieren eines nicht dargestellten Optikelements und/oder einer Blendenanordnung. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Beleuchtungseinrichtung um einen Frontscheinwerfer oder ein Lichtmodul eines Frontscheinwerfers. Bei dem Optikelement handelt es sich um einen zur Bündelung des Lichtes der LED-Anordnung 28 eingerichteten Reflektor oder eine zu diesem Zweck eingerichtete Linse.
  • Figur 3 zeigt einen längs der Linie III, III vorgenommenen Schnitt durch das Kühlelement 32 aus der Figur 2. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen, einstückigen Druckguss-Kühlelement 10 der Figur 1 ist das Kühlelement 32 als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlelements ein Verbundteil aus einem Gussteil 36 und einem beim Gießen des Gussteils 36 in die Gussform eingelegten Einlegeteil 38. Dabei ist die Flanschplatte das Gussteil 36 und der Kühlkörper das Einlegeteil 38. Im Folgenden wird daher sowohl die Flanschplatte als auch das Gussteil eines erfindungsgemäßen Kühlelements 32 mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet. Analog wird im Folgenden sowohl das Einlegeteil als auch der mit dem Einlegeteil identische Kühlkörper mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnet. Bei dem Einlegeteil handelt es sich um einen Fließpress- oder Strangguss-Kühlkörper, einen Magnesium-Druckguss-Kühlkörper, einen als Stanz-Biegeteil ausgeführten Kühlkörper oder um eine Anordnung mehrerer solcher Kühlkörper.
  • Wie bereits erwähnt wurde, erlauben Strangguss- und Fließpressverfahren eine Verwendung von Legierungen mit besseren thermischen Eigenschaften als für DruckgussVerfahren geeignete Legierungen. Außerdem ermöglichen Strangguss- und Fließpress-Verfahren eine Herstellung bedeutend feinerer Strukturen. Das heißt, dass diese Verfahren eine Herstellung von Kühlkörpern 38 mit zum Beispiel besonders hohen und/oder dünnen Kühlrippen oder Kühlstiften erlauben. Aufgrund der daraus resultierenden großen Oberfläche lassen sich besonders wirksame Kühlkörper 38 mit geringem thermischen Widerstand, d.h. mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bei gleichzeitig kompakten Abmessungen herstellen. Dies wird beim Gegenstand der Figur 3 durch die Zahl von Kühlstrukturen 46 deutlich, die um einen Faktor von ca. 1,5 höher liegt als die Zahl acht der Kühlrippen 12 des herkömmlichen Druckguss-Kühlelements 10 aus der Figur 1.
  • In Magnesium-Druckguss lassen sich geringere Wandstärken und damit auch filigranere Kühlrippen als in Aluminium-Druckguss realisieren. Außerdem erlaubt die geringe Dichte von Magnesium-Druckguss eine erhebliche Gewichtsersparnis. Nachteilig ist, dass sich an Magnesium-Druckgussteile keine Nietzapfen anformen lassen, da Magnesium-Druckguss sich nicht ausreichend plastisch verformen lässt. Auch Schraubverbindungen lassen sich wegen des hohen Reduktionspotentials von Magnesium (elektrochemische Spannungsreihe: -2,38 Volt, zum Vergleich: Aluminium: -1,66 Volt) nicht ohne Weiteres realisieren. Es müssen gegebenenfalls spezielle Aluminium-Schrauben oder Schrauben mit Spezialbeschichtungen verwendet werden.
  • In Stanz-Biegetechnik ausgeführte Kühlkörper haben besonders bei großen Stückzahlen Kostenvorteile. Außerdem lassen sich Kühlelemente mit besonders geringen Wandstärken und damit besonders geringem Gewicht darstellen. Da die Komplexität von in Stanz-Biegetechnik ausgeführten Kühlkörpern durch den Herstellungsprozess deutlich beschränkt ist, bietet sich insbesondere hier die Möglichkeit an, mehrere Kühlkörper-Teilelemente durch Umgießen mit dem Material des Gussteils zu einem komplexen Verbund-Kühlkörper zu verbinden.
  • Bei der Herstellung des Kühlelements 32 wird ein Teil des Kühlkörpers 38 in ein Kokillen- oder Druckguss-Werkzeug eingelegt und mit dem Material der Flanschplatte 36 umgossen. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um Aluminium, eine Aluminiumlegierung, eine Magnesiumlegierung, eine Kupferlegierung oder eine mehrere dieser Materialien aufweisende Legierung.
  • Beim Umgießen werden in einer bevorzugten Ausgestaltung einige oder alle benötigten Funktionsflächen gleich mit angeformt und einige oder alle metallischen Funktionsteile wie Zentrier- und Befestigungs-Elemente für die LED-Anordnung 28 und/oder das Sockelelement und/oder die Optik und/oder die Blendenanordnung und/oder die Befestigung in der Beleuchtungseinrichtung mit dem flüssigen Flanschmaterial umgossen und so in die Flanschplatte eingebettet. Die zur thermischen Ankopplung der LED-Anordnung 28 vorgesehene Funktionsfläche wird dabei gleich als möglichst ebene und nur eine möglichst geringe Rauhtiefe aufweisende Auflagefläche gegossen.
  • Der einzugießende Kühlkörper 38 weist in der Ausgestaltung, die in der Figur 3 dargestellt ist, eine Kühlkörper-Trägerplatte 40 und eine zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichtete Wärmeabgabeseite 42 und eine zum Einlegen in eine Gussform des Gussteils eingerichtete Wärmeaufnahmeseite 44 auf.
  • Die Kühlkörper-Trägerplatte 40 wird bevorzugt ganz oder teilweise in das Gussteil 36 eingegossen. Die Wärmeabgabeseite 42 weist eine durch erste Strukturen 46 wie Stifte und/oder Rippen vergrößerte Oberfläche auf, um die Wärmeabgabe an die Umgebung zu verbessern. Die Wärmeaufnahmeseite 44 des Kühlkörpers 38 weist zweite Oberflächen-vergrößernde Strukturen 48 auf, die in das Gussteil 36 eingebettet werden. Als zweite Oberflächen-vergrößernde Strukturen werden bevorzugt Rippen, insbesondere Schwalbenschwanz-förmig profilierte Rippen und/oder Stifte und/oder Durchbrüche (das Material durchdringende Ausnehmungen) und/oder Ausbrüche (in das Material hineinreichende, aber das Material nicht vollständig durchdringende Ausnehmungen) verwendet.
  • Die zweiten Oberflächen-vergrößernden Strukturen 48 vergrößern die Formschlussoberfläche zwischen Einlegeteil 36 und Gussteil 38. Dadurch wird eine feste Verbindung ohne Luftspalte zwischen beiden Bauteilen 36, 38 erreicht. Das so entstandene Verbundteil bietet dank des Gießverfahrens große Gestaltungsfreiheit. Der Gießprozess bietet die Möglichkeit, weitere metallische Funktionsteile, beispielsweise Schraub- und Lagerbuchsen, Zentrierstifte und Lagerbolzen mit einzubetten.
  • Gleichzeitig entsprechen die guten thermischen Eigenschaften denen des Fließpress- oder Strangguss-Kühlkörpers. Im Gegensatz zu verschraubten, vernieteten oder verklebten Kühlkörper-Baugruppen können isolierende Luftschichten zwischen den Teilen prozesssicher ausgeschlossen werden. Der Fertigungsaufwand ist beim Umgießen, insbesondere bei größeren Stückzahlen, geringer als für die spanende Nachbearbeitung der Funktionsflächen am Fließpress- oder Strangguss-Kühlkörper erforderlich wäre. Das Kühlelement 32 mit den Merkmalen der Erfindung ermöglicht die Einsparung zusätzlicher Halte- und Befestigungselemente.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen Ausgestaltungen von Kühlkörpern mit Trägerplatten jeweils in perspektivischer Darstellung. Dabei zeigt Figur 4 eine Ausgestaltung, bei der sowohl die ersten Oberflächen-vergrößernden Strukturen 46 auf der Wärmeabgabeseite 42 als auch die zweiten Oberflächen-vergrößernden Strukturen 48 auf der Wärmeaufnahmeseite 44 Stifte sind. Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung, bei der beide Oberflächen-vergrößernde Strukturen 46/48 als Rippen geformt sind. Es versteht sich jedoch, dass auf beiden Seiten der Trägerplatte 40 auch unterschiedlich geformte Strukturen verwendet werden können.

Claims (13)

  1. Kühlelement (32) für eine Halbleiterlichtquelle (24) eines Kraftfahrzeugs mit einem zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichteten Kühlkörper (38) und mit einer zur thermischen Ankopplung der Halbleiterlichtquelle (24) und zur Befestigung des Kühlelements (32) an der Beleuchtungseinrichtung eingerichteten Flanschplatte (36), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement ein Verbundteil aus einem Gussteil und einem beim Gießen des Gussteils in die Gussform eingelegten Einlegeteil (38) ist, wobei die Flanschplatte (36) das Gussteil und der Kühlkörper (38) das Einlegeteil ist.
  2. Kühlelement (32) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen durch ein Strangguss- bzw. Fließpressverfahren hergestellten Kühlkörper (38) aus einer Aluminium-, Kupfer- oder Magnesiumlegierung.
  3. Kühlelement (32) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen als Magnesium-Druckguss-Kühlkörper (38) oder als Stanz-Biegeteil ausgeführten Kühlkörper (38).
  4. Kühlelement (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere separate Kühlkörper, die durch das Gussteil (36) zu einem Verbund-Kühlkörper verbunden werden.
  5. Kühlelement (32) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil (36) beim Gießen angeformte Funktionsflächen (26) aufweist.
  6. Kühlelement (32) nach Anspruch 3, dadurch
    gekennzeichnet dass das Gussteil (36) eine zur thermischen Ankopplung der Halbleiterlichtquelle (24) eingerichtete Auflagefläche als angeformte Funktionsfläche (26) aufweist.
  7. Kühlelement (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es beim Umgießen des Einlegeteils (38) mit dem Material des Gussteils (36) mit eingebettete metallische Funktionsteile aufweist.
  8. Kühlelement (32) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch wenigstens ein Zentrierelement und/oder wenigstens ein Befestigungselement für die Halbleiterlichtquelle (24) und/oder für wenigstens ein Optikelement und/oder für die Befestigung des Kühlelements (32) in der Beleuchtungseinrichtung.
  9. Kühlelement (32) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch wenigstens eine Schraub- und/oder wenigstens eine Lagerbuchse und/oder wenigstens einen Zentrierstift (20, 22) und/oder wenigstens einen Gewindestehbolzen und/oder wenigstens einen Lagerbolzen als Zentrierelement und/oder als Befestigungselement.
  10. Kühlelement (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (38) eine Kühlkörper-Trägerplatte (40) und eine zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichtete Wärmeabgabeseite (42) mit einer durch erste Strukturen (46) vergrößerten Oberfläche und eine zum Einlegen in eine Gussform des Gussteils (36) eingerichtete Wärmeaufnahmeseite (44) aufweist, wobei die Wärmeaufnahmeseite (44) des Kühlkörpers (38) zweite Oberflächen-vergrößernde Strukturen (48) aufweist, die in das Gussteil (36) eingebettet sind.
  11. Kühlelement (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Oberflächen-vergrößernden Strukturen (48) Rippen, insbesondere Schwalbenschwanz-förmig profilierte Rippen, und/oder Stifte und/oder Durchbrüche und/oder Ausbrüche in der Kühlkörper-Trägerplatte (40) sind und die Kühlkörper-Trägerplatte (40) auf der zum Einlegen in die Gussform des Gussteils (36) eingerichteten Wärmeaufnahmeseite (44) angeordnet ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements (32) für eine Halbleiterlichtquelle (24) eines Kraftfahrzeugs mit einem zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichteten Kühlkörper (38) und mit einer zur thermischen Ankopplung der Halbleiterlichtquelle (24) und zur Befestigung des Kühlelements (32) an der Beleuchtungseinrichtung eingerichteten Flanschplatte (36), dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Kühlkörpers (38) in eine zum Gießen der Flanschplatte (36) eingerichtete Gussform eingelegt und mit dem Material der Flanschplatte (36) umgossen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Aluminium-, eine Magnesium- oder eine Kupfer-Legierung als Material der Flanschplatte (36).
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