ARNOLD & RICHTER CINE TECHNIK
GmbH & Co. Betriebs KG
Postfach 40 01 49
80701 München
AR248WO
Scheinwerfer mit einer LED-Lichtquell
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer mit einer LED-Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Der Betrieb von LEDs ebenso wie der von elektronischen Komponenten wie Prozessoren, Speicherbausteinen und dergleichen ist mit einer nicht unerheblichen Verlustleistung verbunden, die in Form von Wärme abgegeben wird. Zur Verringerung der Baugröße von LED-Lichtquellen oder elektronischen Geräten wird die Packungsdichte der LEDs bzw. elektronischen Komponenten aber stetig erhöht, so dass auf engem Raum eine große Wärmemenge abge- geben wird, die zu einer Beeinträchtigung der Funktion und Lebensdauer der LEDs bzw. elektronischen Komponenten führt. Diese arbeiten aber umso effizienter und weisen eine größere Lebensdauer auf je kühler sie betrieben werden. Da die von den LEDs und elektronischen Komponenten abgegebene Wärmemenge aber nicht immer mit einer Luftkühlung bewältigt werden kann, werden zur verstärkten Wärmeabfuhr Flüssigkeitskühlsysteme eingesetzt.
Die gebräuchlichste Form stellt die sog. einphasige indirekte Flüssigkeitskühlung dar, bei der das Kühlmittel die Wärmequellen nicht berührt. Derartige Systeme sind in Form von sog. Umluft-Kühlsystemen, wo das Kühlmittel bis annähernd auf die Temperatur der Umgebungsluft
heruntergekühlt werden kann, auch für Personal Computer als Komplettsets oder in Einzelteilen verfügbar. Sie bestehen im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:
- einem Kühlmittelreservoir oder Tank für das Kühlmittel,
- einer Kühlmittelpumpe zum Transport des Kühlmittels,
- einem Radiator mit Lüfter, durch den die aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgeführt wird und
- einem Kühler (z.B. CPU-Kühler), der von dem Kühlmittel durchströmt wird und der mit möglichst geringem thermischen Widerstand am Wärme abgebenden Bauteil angebracht werden muss. Letzterer wird auch als Kühlplatte bezeichnet.
Eine Alternative mit höherer Wärmeleistung, die vor allem in der Industrie eingesetzt wird, stellt die sog. (einphasige) Eintauchkühlung dar. Dabei werden die Wärme abgebenden Bauteile direkt von einem nicht leitfähigen Kühlmittel umströmt und geben ihre Wärme an das Kühlmittel ab. Hierbei entfallen zwei Materialschichten, nämlich das Gehäusematerial der Kühlplatte selbst und der Wärmevermittler, beispielsweise in Form einer Wärmeleitpaste, der zwischen der Kühlplatte und der Wärmequelle eingebracht werden muss, um kleinere Unebenheiten der Oberfläche auszugleichen. Dadurch wird der thermische Widerstand zwischen der Wärmequelle und dem Kühlmittel stark reduziert, alle Oberflächen werden gekühlt und die Kühlung arbeitet effizienter als eine indirekte Flüssigkeitskühlung.
Eine noch effizientere Methode stellt die sog. Aufprall- und Sprühkühlung dar, bei der die Wärme abgebenden Bauteile direkt mit dem Kühlmittel angesprüht werden.
Sowohl bei den indirekten, als auch bei den direkten Kühlsystemen gibt es auch zweiphasige Ausführungen. Hierbei nutzt man die noch höhere Wärmeleistung aus, die durch den Phasenübergang des Kühlmittels, z.B. beim Verdampfen von Wasser, entsteht. Derartige Kühlsysteme sind z.B. bekannt unter den Bezeichnungen Siedewasserkühlung oder Verdampfungskühlung. Besteht die Anforderung, dass der Kühler bzw. das Kühlmittel bis unter die Temperatur der Umgebungsluft abgekühlt werden müssen, dann muss ein zweikreisiges Kühlsystem eingesetzt werden. Das gilt auch, wenn die Temperatur der Kühlplatte bzw. des Kühlmittels präzise geregelt werden muss. Üblich ist dann der Einsatz eines Rückkühlsystems oder eines Wassertauschsystems.
Ein Rückkühlsystem besitzt neben dem primären Kühlmittelkreislauf noch einen sekundären Kältemittelkreislauf. Das Kühlmittel wird durch das Kältemittel gekühlt, wenn es durch einen Verdampfer läuft. Das Kältemittel nimmt die Wärmeenergie auf, verdampft und wird mittels eines Kompressors und eines Kondensators wieder verflüssigt. Während der Kondensation wird die Wärme über einen Radiator mit Lüfter an die Umgebungsluft abgegeben.
In einem Wassertauschsystem wird das Kühlmittel aus dem Primärkreislauf durch einen Wärmetauscher geleitet, wo es durch das kältere Betriebswasser gekühlt wird. Das Betriebswasser wird hierbei von au ßen zugeführt.
In der Studiobeleuchtung und insbesondere in der professionellen Filmbeleuchtung besteht der Bedarf nach sehr leistungsstarken LED-Scheinwerfern analog zu den heutzutage verwendeten„Tageslichtscheinwerfern". Derartige Scheinwerfer besitzen als Leuchtmittel sog. Halogenmetalldampflampen mit Leistungen von 575W oder mehr und mit Lichtströmen von 49.000lm oder mehr. Die Leuchtflecken dieser Leuchtmittel, d.h. die lichterzeugenden Plasmen sind nur wenige Millimeter groß, so dass extrem hohe Leuchtdichten erreicht werden.
In der Anwendung als„Spot-Scheinwerfer" werden oft Lichtkegel mit Halbstreuwinkeln von 10° oder weniger gefordert. Auf Grund der optischen Gesetze sind dazu Reflektoren oder Linsen erforderlich, die umso größer sind, je größer die Lichtquelle und je kleiner der Halbstreuwinkel ist. Um kompakte und handhabbare LED-Spotscheinwerfer bauen zu können, benötigt man kompaktere LED-Lichtquellen als diejenigen, die heutzutage verfügbar sind. Diese erfordern aber ab einer bestimmten Leistungsdichte besondere Kühlungsmaßnahmen. Auf dem Gebiet der professionellen Beleuchtung mit LED-Lichtquellen wird daher bereits vereinzelt eine indirekte Wasserkühlung eingesetzt, um kompakte LED-Arrays mit ca. 25 W bis 100 W Leistung innerhalb von LED-Scheinwerfern zu kühlen. Hierzu wird gemäß der schematischen Darstellung in den Fig. 17 bis 20 eine auf einer Leiterplatte 2 aufgelötete LED-Lichtquelle 1 auf einer Kühlplatte 3' montiert, die über Ein- und Auslässe 31 , 32 von Kühlwasser durchströmt wird. Wenn die LED-Lichtquelle 1 vor einer Stufenlinse angebracht und entlang der optischen Achse eines LED-Scheinwerfers beweglich montiert wird, entsteht dadurch mit einfachen Mitteln ein in einem weiten Bereich von weniger als 10 ° bis über 60° fokussierbarer LED-Scheinwerfer. Fig. 20 zeigt in einer schematischen Funktionsdarstellung ein derartiges Kühlsystem nach dem Stand der Technik. Die LED-Lichtquelle 1 ist thermisch mit einer Kühlplatte 3' gekoppelt, die
an eine Kühlmittelleitung 8 angeschlossen ist. Die Kühlmittelleitung 8 ist zur Erzeugung einer großen Wärme abgebenden Fläche mit einem Kühlkörper 71 thermisch gekoppelt, wobei ein Ventilator 70 einen Kühlluftstrom erzeugt, der zur Rückkühlung des in der Kühlmittelleitung 8 fließenden Kühlmittels einen auf den Kühlkörper 71 gerichteten Kühlluftstrom erzeugt. Die Um- luft-Kühleinrichtung 7 weist weiterhin ein Kühlmittelreservoir 72 für das Kühlmittel sowie eine Kühlmittelpumpe 73 zur Erzeugung eines umlaufenden Kühlmittelstromes auf.
Die Stromversorgung der LED-Lichtquelle 1 erfolgt über ein Stromversorgungskabel 14, das mit einer elektronischen Steuerung, einem Netzteil bzw. Vorschaltgerät 12 verbunden ist, das über ein Netzkabel 13 mit einer Stromversorgungseinrichtung verbunden ist.
Ein wesentlicher Nachteil der vorstehend beschriebenen indirekten Wasserkühlung besteht darin, dass die Leistungsdichte der LED-Lichtquelle von der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien der die LED-Lichtquelle aufnehmenden Leiterplatte und der Kühlplatte be- grenzt wird. Ein derartiges Kühlsystem ist nicht mehr geeignet, kompakte LED-Lichtquellen zu kühlen, deren Leistungsdichte über ca. 50 W/cm2 liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, einen Scheinwerfer mit einer LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bei kompaktem Auf- bau eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig hoher Lebensdauer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung verwirklicht einen Scheinwerfer mit einer kompakten LED- Lichtquelle, die eine hohe Leistungsdichte von beispielsweise mehr als ca. 50 W/cm2 ohne Einschränkung der Lebensdauer oder der optischen Eigenschaften eines LED-Scheinwerfers ermöglicht, da sich die auf einer Leiterplatte angeordneten Leuchtdioden in einem sie flüssig- keits- oder gasdicht umschließenden Gehäuse befinden, das mindestens eine Lichtaustrittsfläche aufweist, durch die das von der LED-Lichtquelle abgegebene Licht austritt, und das an den Wänden Gehäuseöffnungen besitzt, die als Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass für ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel ausgebildet sind.
Vorzugsweise sind der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass zum Erzielen einer optimalen Durchströmung des Gehäuses und damit Kühlung der LED-Lichtquelle diametral zuei- nander an den Seitenwänden des Gehäuses zwischen der Leiterplatte und der Lichtaustritts-
fläche angeordnet. Alternativ ist aber auch eine nicht diametrale Anordnung des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses an Seiten-, Rück- oder Vorderwänden des Gehäuses, gegebenenfalls in Verbindung mit Strömungsleitstegen, möglich. Alternativ kann das Gehäuse sowohl die LED-Lichtquelle als auch ein mit der Leiterplatte verbundenes, insbesondere aus Kühlrippen bestehendes, Kühlelement umschließen, so dass ein Kühlmittel sowohl die LED-Lichtquelle als auch das Kühlelement umströmt und die aufgenommene Wärme über ein Kühlsystem an die Umgebung oder an eine Wärme aufnehmende Einrichtung abgibt.
Als LEDs können fertige Leuchtdioden („packages") im Keramik- oder Kunststoffgehäuse verwendet werden, die auf eine Leiterplatte montiert werden. Alternativ dazu können LED-Chips bzw.„dies" ohne Gehäuse verwendet werden, die mittels„chip-on-board"-Technologie auf eine Leiterplatte aufgebracht werden. LED-Chips und fertige LEDs können mit einem optisch inak- tivem Material, wie z.B. Silikon, oder mit einem optisch aktiven Material, wie z.B. einem Leuchtstoff, überdeckt sein. Dieses Material kann direkt auf die Chips bzw. fertigen LEDs aufgebracht sein wie bei der„applied phosphor"-Technologie oder es kann in einem bestimmten Abstand auf einem Trägermaterial aufgebracht sein, wie bei der„remote phosphor"-Technologie. Zur Unterstützung der Kühlwirkung ist es vorteilhaft, die LED-Lichtquelle weiterhin auf eine sehr gut wärmeleitende Leiterplatte zu montieren, insbesondere auf ein sog. „metal core printed circuit board" (MCPCB), das aus einem Kern aus Aluminium oder Kupfer, einem möglichst gut wärmeleitenden Dieelektrikum und einer Kupferauflage mit Lötflächen besteht. Alternativ dazu kann auch ein keramisches Board mit integrierten metallischen Lötflächen verwen- det werden. Die Kühlung der Leiterplatte erfolgt vorteilhafterweise mit einer metallischen Kühlplatte, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird und die mit der der LED-Lichtquelle abgewandten Rückseite der Leiterplatte thermisch gekoppelt wird.
Um die Kühlwirkung an der LED-Lichtquelle auf das erforderliche Maß zu erhöhen, ist es dar- über hinaus erforderlich, das Kühlmittel direkt in Kontakt mit der LED-Lichtquelle zu bringen. Die LED-Lichtquelle wird deshalb von einem flüssigkeits- bzw. gasdichten Gehäuse umgeben, das einen oder mehrere Einlässe und Auslässe für das Kühlmittel besitzt, welche die LED- Lichtquelle direkt umströmt. Als Kühlmittel kommen bevorzugt nichtleitende und nichtkorrosive Flüssigkeiten mit hoher Wärmekapazität in Frage wie z.B. Fluortenside oder Reinstwasser mit anti-korrosiven Zusätzen.
Um das Licht der LED-Lichtquelle auch optisch nutzen zu können, ist das Gehäuse mit einem Fenster aus Glas, aus transparentem optischem Kunststoff oder Ähnlichem versehen, das ebenfalls dicht eingebaut ist. Das optische Fenster kann aus einer planparallelen Platte oder auch aus einer Struktur mit gekrümmten oder abgestuften Flächen wie z.B. einer Linse, einem Linsenarray oder einem Lichtmischstab (Taper) bestehen, so dass eine gewisse Strahlformung und/oder Farbmischung bereits an dieser Stelle durchgeführt wird. Eine dynamische Strahlformung kann durch ein optisches Fenster erreicht werden, das flüssigkeitsdicht, aber beweglich vor der LED-Lichtquelle angeordnet ist. Das optische Fenster kann mit einem Leuchtstoff gemäß der oben genannten„remote phos- phor"-Technologie beschichtet sein, der z.B. das von blauen LEDs abgegebene Licht in weißes Licht umwandelt.
Das optische Fenster, die Oberfläche und ggf. die Primäroptik der LED-Lichtquelle sowie die Kühlflüssigkeit müssen außerdem in Bezug auf ihren Brechungsindex und ihre spektrale Transmission und spektrale Reflexion aufeinander abgestimmt sein, um das gewünschte lichttechnische Ergebnis, wie z.B. einen bestimmten Abstrahlwinkel oder eine bestimmte Lichtausbeute zu erreichen. Weiterhin kann es erforderlich sein, weitere optische Elemente wie z.B. Reflektoren und Blenden in das Gehäuse einzubauen.
Die LED-Lichtquelle selbst wird vorzugsweise von einer inerten Flüssigkeit als Kühlmittel mit bestimmten thermischen und optischen Eigenschaften umspült, während für die Kühlung über die Kühlplatte üblicherweise Wasser mit geeigneten Zusatzstoffen zur Vermeidung von Verkalkung und Korrosion verwendet wird. Um ein optimales Kühlergebnis unter bestimmten Rahmenbedingungen, wie z. B. einer maximalen Baugröße zu erreichen, kann es daher sinnvoll sein, ein zweistufiges Kühlsystem, bestehend aus einem Primärkreislauf mit Wasser als Kühlmedium, einem Sekundärkreislauf mit dem zur Kühlung der LED-Lichtquelle geeigneten Kühl- medium und einem Wärmetauscher aufzubauen.
Die Kühlkreisläufe für die Kühlung der Leiterplatte und für die Kühlung der LED-Lichtquelle können aber auch in einem Kühlkreislauf vereinigt und damit in Reihe oder parallelgeschaltet werden, wenn in beiden Kreisläufen das gleiche inerte Kühlmittel eingesetzt wird.
Das von den LEDs abgestrahlte Licht verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur der Halbleiterschicht. Es ist bekannt, dass sich nicht nur die Helligkeit der LEDs mit steigender Temperatur verringert, sondern dass sich auch das Spektrum verschiebt, so dass der Farbort einer heißen LED-Lichtquelle abweicht vom Farbort der gleichen, aber kalten LED-Licht- quelle. Zur Kompensation dieser Effekte kann eine mehrfarbige LED-Lichtquelle mit einer temperaturgesteuerten elektronischen Regelung entsprechend der WO 2009/034060 aufgebaut werden, mit der der Farbort über die Temperatur mit großer Genauigkeit stabil gehalten wird.
Wird ein Flüssigkeitskühlsystem und insbesondere ein Rückkühlsystem oder Wassertausch- System verwendet, dann besteht auch die Möglichkeit, die Temperatur der LED-Lichtquelle durch Regelung der Kühlmitteltemperatur oder des Kühlmitteldurchflusses so weit zu stabilisieren, dass auf die Regelung der elektronischen Ansteuerung der LEDs verzichtet werden kann. Bei einem Umluft-Kühlsystem kann auch der Lüfter (Ventilator) geregelt werden, so dass damit die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft gesteuert wird.
Der Aufwand für die Hardware und Software wird auf diese Weise stark reduziert, da nicht mehr jeder einzelne Farbkanal geregelt werden muss, sondern nur noch die Kühlmitteltemperatur bzw. der Kühlmitteldurchfluss und ggf. die Drehzahl des Ventilators am Radiator. Da die Temperatur des Kühlmittels üblicherweise im Bereich von ca. 40 - 60 ^ liegt, werden die LEDs auch einer geringeren Wärmebelastung ausgesetzt und erreichen eine höhere Lebensdauer.
In einer besonderen Ausführung kann auch ein Mischbetrieb zwischen den beiden Regelungssystemen sinnvoll sein. Wenn z.B. das Kühlsystem in einer kompakten Bauform für den Normalbetrieb bis zu einer bestimmten Umgebungstemperatur ausgelegt ist, dann ist es möglich, bis zu dieser Temperatur mit der Kühlmittelregelung und LED-Stabilisierung wie oben beschrieben zu arbeiten. Ab dieser Temperatur kann dann ein Intensivbetrieb einsetzen, bei der der Farbort der LEDs über ihre elektronische Ansteuerung stabilisiert wird.
Da das von der LED-Lichtquelle abgestrahlte Licht nach Passieren mindestens einer Linse oder eines Reflektors in das Fernfeld abgestrahlt wird und dort möglicherweise auf eine große Empfängerfläche (Szene, Schauspieler o.ä.) trifft, muss es auch eine räumlich und zeitlich homogene Helligkeits- und Farbverteilung aufweisen. Daher sind in der Regel weder statische Lichtflecken noch Schatten oder Farbflecken sowie zeitliche Schwankungen der Helligkeit o- der der Farbe zulässig. Das kann nur erreicht werden, wenn auch das Kühlmittel selbst homo- gen ist, also keine Schwebeteilchen oder Dichteschwankungen aufweist, und wenn es innerhalb des Gehäuses so kontrolliert bewegt und aufgeheizt wird, dass keine optisch wirksamen
Dichteschwankungen entstehen, die zu einem Wabern oder Flimmern im Lichtfeld führen würden. Auch muss vermieden werden, dass das Kühlmittel bereits an den LEDs siedet, da dann - ggf. auch nur mikroskopisch kleine - Blasen entstehen, die sowohl die Wärmeableitung, als auch die Lichtauskopplung verschlechtern. Daher ist eine laminare Strömung mit geringem Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmitteleintritt und Kühlmittelaustritt anzustreben.
Zur Wärmeabfuhr weist das Kühlsystem mindestens eine Rückkühleinrichtung mit einem Kühlmittelreservoir, einer Kühlmittelpumpe, einem Kühlkörper, Kühllamellen oder Kühlrippen und einem Ventilator auf.
Alternativ kann das gesamte Kühlsystem oder ein Teil des Wärmetauschers als Wärme aufnehmender Kühlakku ausgebildet sein, der an die Lichtquelle bzw. an die Kühlmittelleitung angeflanscht wird, für eine begrenzte Zeit Wärmeenergie aufnimmt und dann ausgetauscht, d.h. durch einen zur Aufnahme von Wärmeenergie vorbereiteten Kühlakku ersetzt wird.
Ab einer bestimmten Verlustleistung werden das Gewicht, die Baugröße oder das Geräusch der Kühlmittelpumpe und des den Kühlkörper bzw. Kühllamellen oder Kühlrippen anblasenden Ventilators so groß, dass kein handhabbarer LED-Scheinwerfer mehr gebaut werden kann. Der begrenzende Faktor ist hierbei der Wärmeübergangskoeffizient vom Kühlkörper bzw. den Kühllamellen oder Kühlrippen zur Umgebungsluft. Daher wird ein Kompromiss zwischen Gewicht, Größe und Lautstärke angestrebt, was im Falle von professionellen Studio- und Filmscheinwerfern bedeutet, dass das Kühlsystem bzw. die Rückkühleinrichtung aus Kühlmittelreservoir, Kühlmittelpumpe, Kühllamellen oder Kühlrippen und Ventilator nicht mehr in den LED- Scheinwerfer eingebaut, sondern außerhalb des LED-Scheinwerfers betrieben bzw. installiert wird.
Bei Scheinwerfern, die in Festinstallationen eingesetzt sind, wie z.B. im Fernsehstudio, kann ein Wassertauschsystem bestehend aus einer zentralen Kühleinrichtung und einer zentralen Kühlmittelverteilung ähnlich einer Sprinkler-Löschanlage installiert werden. Die LED-Schein- werter benötigen dazu standardisierte Kühlmittelanschlüsse für den Ein- und Austritt, sowie eine elektronische und ggf. softwaretechnische Schnittstelle für die Steuerung und Regelung.
Bei mobil eingesetzten LED-Scheinwerfern, wie z.B. LED-Scheinwerfern am Filmset oder bei Veranstaltungen, werden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Stromversorgung für den LED-Scheinwerfer - die heute durch ein sog. Vorschaltgerät (Ballast) bereitgestellt wird - und das Kühlsystem in ein gemeinsames Gerät eingebaut. Das kombinierte Versorgungsund Kühlsystem kann dann wie ein Vorschaltgerät abgesetzt vom LED-Scheinwerfer und von
der möglicherweise geräuschempfindlichen Umgebung aufgestellt werden. Zum LED-Scheinwerfer führen dann die Stromversorgungsleitungen, die Kühlschläuche und die Schnittstelle für die Steuerung und Regelung des Kühlsystems. Für bestimmte Einsatzzwecke ist es auch sinnvoll, die verschiedenen Funktionseinheiten des Kühlsystems, wie z.B. das Kühlmittelreservoir oder die Kühlmittelpumpe in verschiedene Anlagen oder Geräte zu integrieren. So kann z.B. ein zentrales Kühlsystem die Ableitung der Wärme an die Umgebungsluft übernehmen, während die LED-Scheinwerfer selbst nur mit einer Kühlmittelpumpe oder einer Hilfspumpe und einem Wärmetauscher ausgestattet sind. Auch ein zweistufiges Kühlsystem kann so aufgebaut sein, dass die Komponenten des Rückkühlsystems au ßerhalb des LED-Scheinwerfers angeordnet sind, während z.B. die Kühlplatte und der Sekundärkreislauf platzsparend im LED-Scheinwerfer selbst eingebaut sind.
Die Versorgungsspannung, die elektrischen Steuersignale bzw. Schnittstellen und die Kühl- mittelschläuche werden vorteilhafterweise in einem einzigen Hybridkabel zusammengefasst, um die Handhabung zu erleichtern.
Wenn eine größere Anzahl von LED-Scheinwerfern an einem Filmset benötigt wird und wenn die Anschlussleistung und die Qualität der vorhandenen Stromversorgung nicht ausreichen, dann werden in der Regel Generatorfahrzeuge zur Versorgung eingesetzt. Die Generatoren liefern in diesem Fall die Netzspannung mit denen die LED-Scheinwerfer direkt oder über ihre Vorschaltgeräte betrieben werden. Für diesen Anwendungsfall ist es vorteilhaft, ein zentrales Kühlaggregat mit einer zentralen Kühlmittelverteilung und Kühlmittelregelung im Generatorfahrzeug anzuordnen, an die die LED-Scheinwerfer angeschlossen werden. Individuelle kom- binierte Versorgungs- und Kühlsysteme werden somit bei einer derartigen Konfiguration nicht benötigt und es können die vorhandenen Vorschaltgeräte oder Netzgeräte weiter betrieben werden. Das Generatorfahrzeug liefert somit die Netzspannungsversorgung und die Kühlmittelversorgung und/oder Kältemittelversorgung für alle angeschlossenen LED-Scheinwerfer. Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 eine Seitenansicht, isometrische Ansicht und eine Draufsicht auf eine LED- Lichtquelle mit auf einer gekühlten Leiterplatte montierten und von einem flüs- sigkeitsdichten Gehäuse umgebenen und von einem inerten Kühlmittel umströmten LEDs;
Fig. 4 bis 6 verschiedene optische Fenster in dem die LEDs umgebenden Gehäuse in einem Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 3; Fig. 7 bis 9 eine Seitenansicht, isometrische Ansicht und Draufsicht auf eine LED-Lichtquelle mit einem eine Leiterplatte mit darauf montierten LEDs und eine Kühlplatte umgebenden Gehäuse, das von einem in einem Kühlkreislauf fließenden Kühlmittel durchströmt wird; Fig. 10 einen Längsschnitt durch die LED-Lichtquelle entlang der Linie B-B gemäß Fig.
9;
Fig. 1 1 bis 15 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufes eines durch eine Kühlplatte, die mit einer Leiterplatte mit darauf montierten LEDs thermisch gekoppelt ist, fließenden und/oder die LEDs umströmenden sowie in einer Rückkühleinrichtung rückgekühlten inerten Kühlmittels;
Fig. 16 eine schematische Darstellung eines die Kühlplatte, die mit der die LEDs aufnehmenden Leiterplatte thermisch gekoppelt ist, durchströmenden primären Kühlkreislaufes und eines über einen Wärmetauscher mit dem primären Kühlkreislauf verbundenen, die auf der Leiterplatte montierten LEDs umströmenden sekundären Kühlkreislaufs und
Fig. 17 bis 20 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems nach dem Stand der Technik mit einer von einem Kühlmittel durchströmten Kühlplatte, die mit einer die LEDs aufnehmenden Leiterplatte thermisch gekoppelt ist.
Die in den Fig. 1 bis 6 in verschiedenen Ansichten und in einem Längsschnitt dargestellte erste Ausführungsform einer direkten Kühlung einer auf einer Leiterplatte 2 montierten LED-Licht- quelle 1 weist einen mit einer Leiterplatte 2 thermisch eng gekoppelten Kühler 3 auf, der von einem Kühlmittel durchströmt wird, das in einer ersten Kühlmittelleitung 81 geführt ist, die über einen ersten Kühlmitteleinlass 31 und einen ersten Kühlmittelauslass 32 mit dem Kühler 3 verbunden ist. Die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärme wird gemäß den Fig. 1 1 bis 15 mittels eines Kühlsystems 7a bis 7e an die Umgebung oder eine Wärme aufnehmende Ein-
richtung abgegeben, so dass im Betrieb der LED-Lichtquelle 1 eine im Wesentlichen konstante Temperatur an der Leiterplatte 2 mit den darauf montierten LEDs eingestellt werden kann. Die als fertige Leuchtdioden im Keramik- oder Kunststoffgehäuse auf der Leiterplatte 2 montierten oder alternativ als LED-Chips ohne Gehäuse mittels„Chip-On-Board"-Technologie auf der Leiterplatte 2 montierten LEDs der LED-Lichtquelle 1 sind von einem vorzugsweise flachen, der Form der LED-Lichtquelle 1 angepassten, im Allgemeinen quaderförmigen oder kreisrunden Gehäuse 4 umgeben, das über einen zweiten Kühlmitteleinlass 41 und einen zweiten Kühlmittelauslass 42 mit einer zweiten Kühlmittelleitung 82 eines Kühlsystems 7a bis 7d gemäß den Fig. 1 1 bis 14 verbunden ist, so dass die in der ersten Kühlmittelleitung 81 geführte Kühlflüssigkeit die LEDs der LED-Lichtquelle 1 unmittelbar umströmt. Über das Kühlsystem 7a bis 7d wird die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärme an die Umgebung bzw. an eine Wärme aufnehmende Einrichtung abgegeben. Alternativ kann auch eine Wärme auf- nehmende Einrichtung in Form eines Kühlakkus 300 entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 15 direkt an die LED-Lichtquelle 1 angeflanscht werden.
Zum Abstrahlen des von den LEDs der LED-Lichtquelle 1 abgegebenen Lichts weist die der LED-Lichtquelle 1 gegenüberliegende Fläche der Wand des die LED-Lichtquelle 1 umgeben- den Gehäuses 4 ein optisches Fenster 5 auf, das unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen und gemäß Fig. 4 aus einer planparallelen Glas- oder Kunststoff platte 50 oder aus einer Struktur mit gekrümmten oder abgestuften Flächen wie z.B. einer Linse 51 gemäß Fig. 5, einem Linsenarray, einer Streuplatte 52 gemäß Fig. 6 oder aus einem Lichtmischstab bestehen kann, um bereits am optischen Fenster 5 eine Strahlformung und/oder Farbmischung durchzuführen. Zusätzlich kann eine dynamische Strahlformung durch ein flüssigkeitsdicht, aber beweglich vor der LED-Lichtquelle 1 angeordnetes optisches Fenster erzielt werden.
Das in den Fig. 7 bis 10 in verschiedenen Ansichten und in einem Längsschnitt dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer LED-Lichtquelle 1 unterscheidet sich von dem vorstehend anhand der Fig. 1 bis 6 sowie 1 1 und 12 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass das Gehäuse 40 nicht nur die auf einer Leiterplatte 2 montierte LED-Lichtquelle 1 , sondern auch ein aus Kühlrippen, Kühlstiften oder dergleichen bestehendes Kühlelement 30 umgibt, so dass das in einer ersten Kühlmittelleitung 81 geführte und über den Kühlmitteleinlass 41 in das Gehäuse 40 eintretende und über den Kühlmittelauslass 42 das Gehäuse 40 verlassende Kühlmittel sowohl die LED-Lichtquelle 1 als auch das Kühlelement 30 umströmt
und die aufgenommene Wärme über ein Kühlsystem 7 an die Umgebung oder an eine Wärme aufnehmende Einrichtung abgibt.
Das in Abstrahlrichtung der LEDs vor den LEDs 1 angeordnete optische Fenster 5 kann analog zu den Darstellungen der Fig. 4 bis 6 als planparallele Platte oder als Linse, Linsenarray oder Lichtmischstab ausgebildet sein, um eine Strahlformung und/oder Farbmischung durchzuführen. Auch in dieser Ausführungsform kann eine dynamische Strahlformung durch ein flüssigkeitsdicht, aber beweglich vor der LED-Lichtquelle 1 angeordnetes optisches Fenster 5 erzielt werden. Es kann mit Leuchtstoff beschichtet sein und somit die Funktion einer„remote phos- phor"-Lichtquelle erfüllen.
Die auf der Leiterplatte 2 montierten LEDs 1 sind mit einem Stromversorgungskabel 14 verbunden, das an eine elektronische Steuerung, ein Netzteil bzw. Vorschaltgerät 12 angeschlossen ist. Das Steuergerät, Netzteil bzw. Vorschaltgerät 12 ist über ein Netzkabel 13 mit einer Spannungsquelle verbunden.
Anhand der schematischen Darstellungen der Fig. 1 1 bis 16 sollen verschiedene Kühlsysteme 7a bis 7e erläutert werden, wobei die Art der Kühlung und Rückkühlung aber nicht auf die dargestellten Systeme beschränkt ist.
Das in Fig. 1 1 dargestellte Umluft-Kühlsystem 7a enthält einen mit den Kühlmittelleitungen 81 , 82 thermisch gekoppelten Kühlkörper 71 , einen Ventilator 70 zur Erzeugung eines auf den Kühlkörper 71 gerichteten Kühlluftstromes und ein Kühlmittelreservoir bzw. einen Tank 72 für das Kühlmittel sowie eine Kühlmittelpumpe 73 zur Erzeugung eines umlaufenden Kühlmittel- Stromes.
Fig. 12 zeigt in schematischer Darstellung ein als Rückkühlsystem 7b ausgebildetes Kühlsystem mit primärem Kühlmittelkreislauf und sekundärem Kältemittelkreislauf mit einer mechanischen Kühleinrichtung bestehend aus einem als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 74 mit primärseitiger Anbindung an die Kühlmittelleitungen 81 , 82 und sekundärseitiger Anbin- dung an eine Kältemittelleitung 77, die den Verdampfer 74 über einen Kompressor 76 mit einem Kondensator 75 verbindet. Der Kondensator 75 weist in diesem Ausführungsbeispiel analog zur Anordnung gemäß Fig. 1 1 einen Ventilator 70 und einen Kühlkörper 71 auf, der die über die Kältemittelleitung 77 transportierte Wärmemenge an die Umgebung abgibt. Die pri- märseitige Anbindung des Verdampfers 74 entspricht der Anordnung gemäß Fig. 1 1 mit einem
Kühlmittelreservoir oder Tank 72 und einer Kühlmittelpumpe 73 zur Erzeugung eines umlaufenden Kühlmittelstromes.
Bei dem in Fig. 12 dargestellten Rückkühlsystem 7b wird das Kühlmittel durch das Kältemittel gekühlt, wenn es durch den Verdampfer 74 läuft. Das Kältemittel nimmt die Wärmeenergie auf, verdampft und wird mittels des Kompressors 76 und des Kondensators 75 wieder verflüssigt, wobei während der Kondensation die Wärme mittels des Ventilators 70 und Kühlkörpers 71 an die Umgebungsluft abgegeben wird. In der Ausführungsform gemäß Fig. 13 besteht das Kühlsystem aus einem Wassertauschsystem 7c mit einem Wärmetauscher 78, der primärseitig an die Kühlmittelleitungen 81 , 82, das Kühlmittelreservoir 72 für das Kühlmittel und die Kühlmittelpumpe 73 zur Erzeugung eines umlaufenden Kühlmittelstromes angeschlossen ist, während der Wärmetauscher 78 sekun- därseitig an Betriebswasserleitungen 84, 85 angeschlossen ist. In diesem Wassertauschsys- tem 7c wird das Kühlmittel aus dem Primärkreislauf durch den Wärmetauscher 78 geleitet, wo es durch das von außen zugeführte kältere Betriebswasser gekühlt wird.
Fig. 14 zeigt in schematischer Darstellung den Einsatz einer als Kühlakku 300 ausgebildeten Wärme aufnehmenden Einrichtung in einem indirekten Kühlakkusystem 7d, bei dem der Kühl- akku 300 an die Kühlmittelleitungen 81 , 82 angeflanscht wird. Zu diesem Zweck ist ein Wärmetauscher 79 primärseitig an den Kühlmittelkreislauf bestehend aus den Kühlmittelleitungen 81 , 82, dem Kühlmittelreservoir 72 für das Kühlmittel und die Kühlmittelpumpe 73 zur Erzeugung des umlaufenden Kühlmittelstromes angeschlossen und sekundärseitig mit einer entsprechenden Einrichtung zur Aufnahme des Kühlakkus 300 bzw. zum Anflanschen des Kühl- akkus 300 vorgesehen.
Fig. 15 zeigt in schematischer Darstellung die Ausbildung eines Kühlsystems als wärmeaufnehmendes Direkt-Kühlakkusystem 7e mit einem Kühlakku 300, der direkt an das die LED- Lichtquelle 1 aufnehmende Gehäuse 4, 40 bzw. an die Kühlmittelleitung angeflanscht wird. Der Kühlakku 300 nimmt für eine begrenzte Zeit die von der LED-Lichtquelle 1 abgegebene Wärmeenergie auf und wird bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur dann durch einen zur Aufnahme von Wärmeenergie vorbereiteten zweiten Kühlakku 300 ersetzt.
In alternativer Anordnung wird gemäß der schematischen Darstellung der Fig. 12 das die LED- Lichtquelle 1 umströmende Kühlmittel in einer Kühlmittelleitung 83 geführt, die einen Sekun-
därkreislauf bildet und über einen Wärmetauscher 9 mit einem primären Kühlkreislauf thermisch gekoppelt ist, der eine Kühlmittelleitung 81 aufweist, die über den ersten Kühlmittelein- lass 31 und ersten Kühlmittelauslass 32 mit der Kühlplatte 3 und einem Kühlsystem 7 verbunden ist. Der sekundäre Kühlkreislauf weist ein Reservoir 10 zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit sowie eine Kühlmittelpumpe 1 1 zum Transport des Kühlmittels durch den Sekundärkreislauf auf. Das Kühlsystem 7 kann analog zu den vorstehend anhand der Fig. 1 1 bis 13 beschriebenen Kühlsysteme 7a bis 7c ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
1 LED-Lichtquelle
2 Leiterplatte
3 Kühler
3' Kühlplatte
4 Gehäuse
5 optisches Fenster
7; 7a - 7e Kühlsystem
8 Kühlmittelleitung
9 Wärmetauscher
10 Reservoir
1 1 Kühlmittelpumpe
12 Netzteil bzw. Vorschaltgerät
13 Netzkabel
14 Stromversorgungskabel
30 Kühlelement (Kühlrippen, Kühlstifte)
31 . 41 Kühlmitteleinlass
32. 42 Kühlmittelauslass
40 Gehäuse
50 planparallele Glas- oder Kunststoffplatte
51 Linse
52 Streuplatte
70 Ventilator
71 Kühlkörper, Kühllamellen oder Kühlrippen
72 Kühlmittelreservoir
73 Kühlmittelpumpe
74 Verdampfer
75 Kondensator
76 Kompressor
77 Kältemittelleitung
78, 79 Wärmetauscher
81 - 83 Kühlmittelleitungen
84, 85 Betriebswasserleitungen
300 Kühlakku