EP3876667A2 - Strahlungsheizung - Google Patents

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EP3876667A2
EP3876667A2 EP21160253.7A EP21160253A EP3876667A2 EP 3876667 A2 EP3876667 A2 EP 3876667A2 EP 21160253 A EP21160253 A EP 21160253A EP 3876667 A2 EP3876667 A2 EP 3876667A2
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EP
European Patent Office
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radiation
wavelength range
semiconductor components
heat sink
ballast
Prior art date
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Pending
Application number
EP21160253.7A
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EP3876667A3 (de
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Volker Fischer
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Individual
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Publication date
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Priority claimed from DE102020006040.4A external-priority patent/DE102020006040A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • H05B3/0071—Heating devices using lamps for domestic applications
    • H05B3/008—Heating devices using lamps for domestic applications for heating of inner spaces
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H05B3/262—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base the insulating base being an insulated metal plate
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating

Definitions

  • the invention relates to the field of heating systems and relates to radiant heating such as can be used, for example, for heating individual areas in large, extended and / or high rooms. Radiant heating can also be used in other technical installations in which delimited areas are primarily to be efficiently heated by means of radiation.
  • the heating systems used for this should be able to maintain the required thermal room parameters only at selected locations or room areas. These locations or areas of space can be, for example, lounge areas for staff or special production or storage areas. Other locations or room areas with lower demands on the thermal room parameters can accordingly be conditioned with less energetic input. Similar tasks, namely the targeted supply of energy for heating purposes to limited local areas, can also be used in the Housing and social construction, also for a limited time, occur. Entrance areas with permanent lounge areas for the service staff are examples here. Special heating solutions are also required, for example, for the targeted conditioning of glass panes which, for example, need to be protected from fogging or kept free of ice and snow, such as checkout areas or in automotive engineering.
  • radiant heating is typically used for these tasks.
  • the term radiant heating generally subsumes heating systems whose share of thermal radiation in the total heat output is considerable. This proportion is of great importance for various heating tasks. This ultimately results in the general task for radiant heating systems to increase the proportion of radiation as much as possible and thereby achieve a high degree of efficiency with regard to the final energy used.
  • thermal radiation originates entirely from the thermal radiation.
  • surfaces of bodies heated in different ways emit electromagnetic radiation in the projected amount, which hits the desired receiving location and is converted into sensible heat in solids.
  • the performance of the radiation emitted by surfaces is determined, among other things, by the temperature. It is proportional to the fourth power of the temperature.
  • the increased surface temperatures required compared to the surroundings also have disadvantages. On the one hand, there may be hazards with regard to contact by people or with regard to the risk of a fire.
  • the surface also gives off a significant amount of heat by convection to the surrounding room air, which in the majority of cases does not benefit the heating task and can therefore be described as a loss and is therefore undesirable.
  • the energy output of the surface determined among other things by its surface temperature, is therefore desirable because of the thermal radiation and is advantageous due to the alignment and transfer to a specific location, due to convection in the room air in many cases but fraught with losses. Furthermore, losses due to heat conduction can occur due to the chosen method of fastening.
  • the LEDs used are preferably IR LEDs (infrared LEDs), i.e. a semiconductor component that primarily emits electromagnetic radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m, since the energy transfer for heating purposes does not affect the visual orientation of people and animals.
  • IR LEDs infrared LEDs
  • electromagnetic radiation in the wavelength range from 0.78 ⁇ m to 1000 ⁇ m is referred to as infrared radiation.
  • the sensible generation of electromagnetic radiation by semiconductor components in this wavelength range for the transmission of energy for heating tasks ends at approx. 15 ⁇ m.
  • heat sinks are used, which are typically placed on the semiconductor component and then essentially emit heat to the environment through the physical transfer processes convection and radiation.
  • a light-emitting diode arrangement which consists of a light-emitting diode chip with an optical element and a heat-conducting element through which the heat generated by the light-emitting diode chip is dissipated and is conducted to a cooling device which absorbs the heat from the heat-conducting element.
  • the cooling device preferably contains at least one of the elements heat sink, thermally conductive material, heat pipe, thermosyphon, liquid circuit, fan.
  • a headlight for vehicles in which a carrier has several light sources, each with a light-emitting semiconductor component, and the carrier is shaped into a reflector in the area of the semiconductor components and has a projection running in the direction of radiation that expires near the cover plate.
  • the carrier takes over the heat dissipation and preferably emits the heat via the approach. This has no semiconductor components and is therefore cooler. Since the approach runs near the cover plate, it is heated. This means that a separate heating system can be dispensed with.
  • a decorative heating panel with a light-emitting layer which essentially consists of a decorative layer, a heating layer and a light-emitting layer, the decorative layer being transparent or translucent for visible light Heating layer emits infrared light and the light-emitting layer emits visible light.
  • the heating layer and the light-emitting layer are arranged on the back of the decorative layer and at least one of the layers is transparent or translucent for visible and / or infrared light.
  • all three layers are arranged on top of one another, and it combines the use of light and infrared radiation, with (IR) LED solutions also being given for radiation emission.
  • the device consists of a heat source emitting heat radiation and a light source emitting light, such as LEDs.
  • the device has a plate-shaped base body on which a luminous element is arranged so that the emitted light of the luminous element enters the base body, and a scattering device is also present in the base body, which couples the light to the top surface of the base body.
  • a heating mat or IR LEDs are also available as a heat source.
  • the object of the present invention is to further increase the efficiency of radiant heaters with semiconductor components - that is, the ratio of the amount of energy arriving in the space to be heated to the amount of energy that is fed to the radiant heater.
  • the radiant heater according to the invention has at least one semiconductor component which emits at least radiation in the wavelength range> 0.7 microns, which is partially surrounded by a heat sink, wherein at least one surface of the semiconductor component for the emission of radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m is not covered by the heat sink, and the heat sink at least one surface in the direction of the radiation emission of the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m, and the heat sink at least in the opposite direction of the radiation output of the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m is at least partially in at least positive contact with thermal insulation, with at least one ballast for converting the electrical energy for the operating mode of the semiconductor components is present, which is positioned with at least one surface on the surface of the or partially in the cooling body and at least one surface of the ballast in the direction of
  • the semiconductor components present are IR LEDs, LEDs, IR OLEDs and / or OLEDs which emit radiation from the wavelength range> 0.4 ⁇ m.
  • the radiation heater likewise advantageously has semiconductor components which emit radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m, and semiconductor components which emit radiation in the wavelength range from 0.4 to 0.78 ⁇ m.
  • the heat sink is advantageously made of copper, aluminum and / or graphite or is designed as a metal core circuit board.
  • the thermal insulation also advantageously consists of mineral, inorganic and organic insulation materials or insulation boards, advantageously of rock wool, glass wool, calcium silicate, foamed plastics, foamed elastomers, vacuum insulation boards, vegetable or animal fibers or recycling material.
  • thermal insulation on the surface of the side facing away from the heating task has a low emission coefficient for Has thermal radiation, which is advantageously realized by an aluminum lamination.
  • the semiconductor component and / or the at least one ballast is not covered by the heat sink only on the surface for emitting radiation from the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m.
  • cooling body is arranged in positive contact with an insulation on all surfaces, except on the surfaces on which the semiconductor components and / or the ballast are arranged and except on the surface in the direction of the radiation output of the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m.
  • plates or baffles are present as structures for obstructing and / or hindering the air flow over the surface of the radiant heater, which emits at least radiation from the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m.
  • ballasts are available as structures for obstructing and / or hindering the air flow above the surface of the radiant heater, which emits at least radiation from the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m, which have a greater height difference between them Have surface in the direction of the radiation emission of the semiconductor components, opposite the surface in the direction of the radiation emission of the semiconductor components.
  • transparent covers, optical lenses and / or beam guiding elements are present as further device elements for radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m.
  • the semiconductor components and / or the ballasts are advantageously arranged on and / or in and / or with the heat sink in a modular design, and the modules can be removed individually from the radiant heater.
  • one or more heat-insulating layers are present as further device elements, which are arranged between semiconductor components and / or ballast and / or heat sink, each as individual elements or as modules.
  • the solution according to the invention makes it possible for the first time to further increase the efficiency of radiant heaters with semiconductor components - that is, the ratio of the amount of energy arriving in the room area to be heated to the amount of energy that is fed to the radiant heater - compared to the solutions of the prior art.
  • the starting point for the solution according to the invention is radiant heating, in which at least one semiconductor component which emits at least radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m is partially surrounded by a heat sink, with at least one surface of the semiconductor component for emitting radiation in the wavelength range> 0 , 7 ⁇ m is not covered by the heat sink, and the heat sink has at least one surface in the direction of the radiation emission of the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m, and the heat sink at least in the opposite direction of the radiation emission of the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m is arranged at least partially in positive contact with thermal insulation.
  • at least one ballast is also present for converting the electrical energy for the operating mode of the semiconductor components.
  • This ballast is positioned with at least one surface on the surface of the or partially in the cooling body and at least one surface of the ballast points in the direction of the radiation output of the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m.
  • IR LEDs are used, i.e. a semiconductor component that primarily emits electromagnetic radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m, so that the energy transfer for heating purposes does not affect the visual orientation of people and animals.
  • all radiation-emitting semiconductor components, LEDs, IR LEDs are intended as (IR) LEDs.
  • IR-OLEDs and / or OLEDs are understood. This includes both semiconductor components that emit radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m, i.e. in the IR range, as well as semiconductor components that emit radiation in the wavelength range from 0.4 to 0.78 ⁇ m, i.e. in the range of visible light.
  • the radiant heater must have at least semiconductor components that emit radiation in the wavelength range> 0.7 ⁇ m.
  • there can also be semiconductor components that emit radiation in the range of visible light so that the radiant heater according to the invention can also perform a lighting task in addition to the heating task.
  • IR LEDs The radiation propagation characteristics of IR LEDs and the pure thermal radiation from surfaces are significantly different. LEDs in general have a much more focused radiation characteristic ("lossless lampshade"). In this way, depending on the location and expansion location of the heating task, the efficiency of such a radiant heating embodiment with IR LEDs can be increased again.
  • the terms operating device or power supply unit are often used as a synonym for the concept of the ballast present according to the invention.
  • the ballast converts the supplied electrical energy from the general energy network into electrical energy with the parameters required for the operation of (IR) LED modules (current, voltage). This transformation process is fraught with energetic losses. Part of the electrical energy supplied is converted into thermal energy, and the ballast gives off this heat (heat loss). This has a negative impact on the efficiency of radiant heating with (IR) LED modules, i.e. the ratio of the energy arriving at the specified location of the heating task in relation to the electrical energy used.
  • the heat loss from the ballast is at least partially used for the actual heating task.
  • the positioning of the ballast means that at least one surface of the ballast is always facing the area of the room to be heated and thereby also emits infrared radiation to it.
  • the ballast integrated in this way is at least positively connected to the heat sink with very good thermal conductivity.
  • the heat sink absorbs heat from the ballast and then emits the majority of it in the direction of the heating task, which further improves the efficiency of the radiant heater according to the invention.
  • the thermal insulation on the back is minimized As with the (IR) LEDs, the heat output of the ballast in an undesired direction.
  • the surfaces of the ballast which face the area of the room to be heated advantageously have a high emission coefficient for thermal radiation, preferably greater than 0.9. This can be achieved, for example, by applying appropriate paintwork.
  • the geometry of the ballast can be optimized with regard to the task of emitting the largest possible amount of radiant energy in the direction of the heating task and of heat to the heat sink. A small depth (installation height) and consequently a greater length and width are more advantageous.
  • the radiant heater according to the invention can also be advantageous for the radiant heater according to the invention to be of modular construction. Both the semiconductor components and the ballast (s) can be designed as modules.
  • ballast (s) integrated on or in the heat sink are designed in such a way that the (IR) LED modules and the ballast (s) are produced in modules and then shape and / or material at the installation site. and or be positively connected to each other.
  • This embodiment of the invention can offer advantages in production, during assembly and / or in the event of repairs.
  • the modularity can accept a wide range of possible combinations.
  • the ballast with heat sink and thermal insulation can form a module next to the (IR) LED modules.
  • the heat sink for the ballast with thermal insulation can also form a module, in which case the ballast and the (IR) LED modules, as essential components of the radiant heating according to the invention, complete them.
  • a heat-insulating layer is arranged between the module (s) ballast + heat sink and the (IR) LED module (s), which layer can also be designed as an air layer. This is advantageous if the (IR) LEDs used and the ballast have different maximum permissible ambient temperatures as technical parameters. In this case, the thermal insulation significantly minimizes the heat transport through conduction between the two associated heat sinks. It makes sense that the layer thickness of the air layer and / or the thermal insulation is then greater than approx. 3 mm.
  • the heat sink materials used according to the invention should have the highest possible thermal conductivity and thermal conductivity, such as copper, aluminum and / or graphite, for example.
  • the surface emitting heat energy should also have the highest possible emission coefficient for thermal radiation in the direction of the radiation of the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m. This can be achieved, for example, by means of coatings or coverings on the surface. Materials such as radiator paints, for example, can be used as coatings or coverings of this type.
  • the function of the heat sink - large-area heat absorption of the device elements of the radiant heater according to the invention, such as the (IR) LEDs and / or the ballast (s) and removal of the absorbed heat by conduction and by convection and radiation essentially in the direction of the heating task - can be implemented in a further Embodiment of the invention can be fulfilled by a metal core circuit board.
  • a metal core circuit board is a good alternative to a standard circuit board if the circuit board is exposed to greater mechanical loads, dimensional stability is required and / or high heat flows have to be dissipated from power components or (IR) LEDs.
  • IR power components
  • it consists of the copper layer of the actual current-carrying conductor track with a layer thickness usually in the ⁇ m range, an electrically insulating layer also usually in the ⁇ m range and the subsequent metal core, the choice of material due to the named tasks of static hold and dimensional stability as well Ensuring very good heat dissipation is determined and which therefore usually consists of copper or aluminum in the mm range.
  • the copper layer (conductor track) and the electrically insulating layer represent a completely negligible heat transfer resistance due to their layer thickness and the material property of thermal conductivity.
  • the metal core circuit board used according to the invention is then also covered with a highly effective thermal insulation against the direction of the heating task. This reduces the heat dissipation to the environment on this side to a minimum.
  • the side facing the heating task (direction of the radiation from the semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m) has a high emission coefficient for thermal radiation, preferably> 0.9, which can be achieved by a layer of lacquer.
  • the thermal insulation consists of conventional mineral, inorganic and organic insulation materials or insulation boards, for example rock wool, glass wool, calcium silicate, foamed plastics, foamed elastomers, vacuum insulation boards, vegetable or animal fibers or recycling material. It is also advantageous that the thermal insulation on the surface of the side facing away from the heating task has a low emission coefficient for thermal radiation. This is usually achieved with an aluminum lamination.
  • the thermal insulation is advantageously positively and / or non-positively and / or materially connected to the heat sink of the ballast and the (IR) LED modules, unless a support structure is arranged between them.
  • the ballast (s) connected to the heat sink in a form-fitting and / or force-fitting and / or material fit, in which at least one surface faces the heating task and thus contributes to the solution of the heating task with their released heat loss are provided with a cover for optical or functional reasons.
  • This cover can in turn be positively and / or non-positively and / or materially connected to the ballast, whereby the heat loss from the ballast is absorbed by conduction and then, as in the case of the arrangement without a cover, it is given off by radiation and convection, preferably in the direction of the heating task.
  • the radiant heating with further device elements, advantageously in the form of structures, to obstruct and / or hinder the air flow over the surface of the radiant heating, the at least radiation which emits semiconductor components in the wavelength range> 0.7 ⁇ m in the direction of the heating task.
  • structures to block and / or hinder the air flow caused by free convection or other reasons can advantageously be used the side facing the heating task, advantageously in the form of metal sheets or baffles.
  • the ballast (s), with or without a cover are arranged on the surface of the radiant heater with a greater height difference of their surface in the direction of the radiation emission of the semiconductor components, compared to the surface in the direction of the radiation emission of the semiconductor components.
  • the ballast (s) themselves form a flow obstacle for free, forced or mixed heat dissipation by convection above that of the Heating task facing side of the radiant heater, whereby the lossy heat emission of the (IR) LED modules by convection is significantly reduced.
  • the raised arrangement of the ballast (s) can have a height difference of a few millimeters to approx. 10 cm compared to the surface of the (IR) LED module.
  • heating and lighting tasks have to be solved at the same time in residential and public buildings or similar applications.
  • the required heating capacities differ by orders of magnitude from the lower connection capacities required for the lighting task.
  • the advantageous refinements of the invention make it possible to equip one or more (IR) LED modules or even one or more radiant heating modules (see example 5) only with LEDs that emit electromagnetic radiation primarily in the visible wavelength range. In this way, exactly the module areas can be occupied for the two tasks, as required according to a design calculation. At the same time, a uniform appearance is maintained in the room.
  • the heat sink 2 is realized by a metal core circuit board. Copper is used as the material for the metal core.
  • the thickness of the metal core is approx. 1.5 mm, that of the conductor track layer (also made of copper) approx. 35 ⁇ m and that of the insulating layer in between approx. 60 ⁇ m.
  • a foamed, high-temperature-resistant elastomer thermal conductivity 0.045 W / (mK)
  • thermal conductivity 0.045 W / (mK) thermal conductivity 0.045 W / (mK)
  • layer thickness 0.025 m
  • the height difference 8 of the ballast 4 of approx. 0.04 m to the (IR) LEDs 1 on the heat sink 2 hinders a possible free, forced or mixed convective heat dissipation over the surface of the heat sink 2 with the (IR) LEDs 1.
  • Fig. 2 a schematic section through a radiant heater with (IR) LEDs 1 and integrated ballast 4 can be seen, the ballast 4 being partially surrounded by the heat sink 2, at least in a form-fitting manner.
  • a metal core circuit board is also used as the heat sink 2, but in contrast to Example 1 with an aluminum metal core with a layer thickness of 3 mm.
  • the dimensions of the ballast 4 are changed in comparison to example 1 to the effect that the height is now approximately 0.02 m and the width has been doubled for this.
  • the ballast 4 is surrounded by 2 mm of the heat sink 2 on the side surfaces.
  • the structure and properties of the thermal insulation 3 correspond to those of Example 1.
  • FIG. 3 A radiant heater can be seen, which has (IR) LEDs 1, which are electrically conductive with one another through a very thin (thickness approx. 93 ⁇ m) and flexible circuit board with the carrier material polyimide, which ensures the electrical connection of the (IR) LEDs are connected and attached to a heat sink 2 made of 3 mm aluminum.
  • the printed circuit board and the heat sink 2 are arranged separated from one another by an electrically insulating layer with a layer thickness in the ⁇ m range.
  • the circuit board material and the electrically insulating layer represent a negligible thermal resistance due to the combination of the material property thermal conductivity and the selected material thickness.
  • the ballast 4 is arranged on the same heat sink 2 as the (IR) LEDs 1.
  • the circuit board material, the surfaces of the heat sink 2 facing the heating task without any further cover, and the surfaces of the ballast 4 facing the heating task have a surface coating that has a high emission coefficient for thermal radiation of 0.91.
  • the structure and properties of the thermal insulation 3 correspond to those of Example 1.
  • the Fig. 4 shows a schematic perspective projection view of a radiant heater, wherein the (IR) LEDs 1, a heat sink 2 and the thermal insulation 3 to an (IR) LED module, and the ballast 4 and a heat sink 2 and the thermal insulation 3 as another single Module executed and brought together in the radiant heating.
  • This merging can be carried out positively and / or cohesively and / or non-positively. In the present case, it is designed with a positive fit.
  • a heat-insulating layer 6 made of a foamed, high-temperature-resistant elastomer (thermal conductivity 0.045 W / (mK)) with a thickness of 6 mm is arranged at the junction between the modules.
  • the presence of a heat-insulating layer 6 is necessary because the (IR) LEDs 1 used and the ballast 4 have different maximum permissible ambient temperatures as technical parameters. In this case, the heat-insulating layer 6 significantly minimizes the heat transport through conduction between the two associated heat sinks 2.
  • the structure of the (IR) LED modules with regard to the heat sink 2 and printed circuit board corresponds to the structure, the dimensions and the properties in example 3.
  • the heat sink 2 of the ballast 4 consists of 3 mm thick aluminum.
  • the surfaces of this heat sink 2 and of the ballast 4, which face the heating task, have a surface coating which has a high emission coefficient for thermal radiation of 0.91.
  • the structure and properties of the respective rear thermal insulation 3 correspond to those of Example 1.
  • a plate 5 is provided over the side facing the heating task to reduce the air flow caused by free convection or for other reasons. The sheet protrudes over the side of the (IR) LED modules facing the heating task by approx. 0.04 m.
  • Radiant heating can according to Fig. 5 to Fig. 7 be arranged on a frame-shaped support structure 7.
  • IR-LED modules are used, which consist of IR-LEDs 1 and a heat sink 2.
  • the function of the heat sink 2 in the IR-LED modules is fulfilled by a metal core circuit board. Copper or aluminum are used as the material for the metal core. The thickness of the metal core is approx. 1 to 3 mm.
  • the heat sink 2 assigned to the ballast 4 consists of an aluminum plate approximately 2 to 3 mm thick.
  • IR-LED modules and modules from the ballast 4 and a heat sink 2 are attached to the support structure 7 from the side facing the heating task for easier assembly and possible repairs.
  • the support structure 7 gives the entire IR-LED radiant heater a static hold and also takes on the highly effective continuous thermal insulation 3 to minimize the heat output of the entire radiant heater against the direction of the heating task.
  • the support structure 7 is designed like a frame with individual struts for fastening the IR-LED modules and the modules from the ballast 4 and heat sink 2.
  • a feature of the support structure is a low specific weight. This can be ensured, for example, by using aluminum or glass fiber reinforced plastic (GRP).
  • the IR-LEDs 1 are arranged, the IR-LEDs 1 and each have a heat sink 2. Furthermore, two modules, each with a ballast 4 and a heat sink 2, are arranged in the support structure 7. Together with the continuous thermal insulation 3 inserted in the support structure 7, the modules with the support structure 7 form a radiant heater.
  • a heat-insulating layer 6 in the form of an air layer is formed between the IR-LED modules and the modules made up of ballasts 4 and heat sinks 2.
  • the heat sink 2 belonging to the IR-LED modules and the heat sink 2 assigned to the ballast 4 have different temperatures. This is necessary because the ballasts 4 and IR LEDs 1 used have different permissible ambient temperatures as technical parameters.
  • the necessary heat sink sizes are designed using a corresponding thermal calculation.
  • All heat sink surfaces 2 and the surfaces of the ballasts 4 facing the heating task have a high emission coefficient for thermal radiation of 0.91 due to a lacquer coating.
  • radiant heating module x which essentially consists of a) IR-LED modules, b) module consisting of ballast 4 and heat sink 2, c) support structure 7 and d) thermal insulation 3.
  • the radiant heating module x can be combined with further modules (modules x -1 or x + 1 shown schematically) so that the heating output is increased and a desired heating output is achieved.
  • the ballasts 4 are arranged on a single radiant heating module in such a way that they themselves represent a flow obstacle for free, forced or mixed heat dissipation by convection over the side facing the heating task and thus significantly reduce the heat loss of the IR-LED modules by convection.
  • the lateral and raised arrangement of the ballasts 4 with a height difference 8 of approx. 5 cm hinders a possible free, forced or mixed convective heat emission of the (IR) LED modules. This further minimizes the convective losses, increases the percentage of the emitted thermal radiation in relation to the electrical energy supplied, and thus further increases the overall efficiency of the radiant heating.
  • a total of 162 IR LEDs 1 are arranged on all IR LED modules for a radiant heating module x.
  • Each IR-LED 1 sits in the middle of a proportionate square heat sink surface 2 (metal core circuit board) with an edge length of 0.0625 m and has an electrical power consumption of 3.5 W. at an ambient temperature of 10 ° C.
  • the layer thickness of the thermal insulation 3 made of rock wool is 0.03 m.
  • the thermal insulation 3 has a thermal conductivity coefficient of 0.04 W / (mK) and an aluminum lamination on the side facing away from the heating task (emission coefficient for thermal radiation approx. 0.1).
  • the connected load of all IR-LED modules of a radiant heating module is approx. 567 W.
  • ballasts 4 which together have a power consumption of approx. 600 W.
  • Approx. 80% of the conversion losses of approx. 33 W are emitted as radiation in the direction of the heating task. That is approx. 4.5% of the electrical energy used.
  • a radiant heater with many radiant heating modules in accordance with the structure described emits approx. 85 to 87% of the electrical energy used in the form of infrared radiation in the direction of the heating task.
  • 75 of the radiant heating modules described are used and in total represent radiant heating with semiconductor components and integrated ballasts with a connected load of 45 kW.

Landscapes

  • Arrangement Of Elements, Cooling, Sealing, Or The Like Of Lighting Devices (AREA)
  • Electric Stoves And Ranges (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Heizsystemen und betrifft eine Strahlungsheizung, wie sie beispielsweise zur Beheizung von einzelnen Bereichen in großen Räumen zur Anwendung kommen kann.Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Effizienz von Strahlungsheizungen mit Halbleiterbauelementen weiter zu erhöhen.Die erfindungsgemäße Strahlungsheizung weist mindestens ein Halbleiterbauelement auf, das teilweise von einem Kühlkörper umgeben ist, wobei mindestens eine Oberfläche des Halbleiterbauelementes zur Abgabe von Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm nicht von dem Kühlkörper bedeckt ist, und der Kühlkörper mindestens in entgegengesetzter Richtung der Strahlungsabgabe mindestens teilweise in mindestens formschlüssigem Kontakt mit einer Wärmeisolierung angeordnet ist, und wobei weiterhin mindestens ein Vorschaltgerät vorhanden ist, welches mit mindestens einer Oberfläche auf der Oberfläche des oder teilweise im Kühlköper positioniert ist und mindestens eine Oberfläche des Vorschaltgerätes in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm weist, und weitere Vorrichtungselemente vorhanden sein können.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Heizsystemen und betrifft eine Strahlungsheizung, wie sie beispielsweise zur Beheizung von einzelnen Bereichen in großen, ausgedehnten und/oder hohen Räumen zur Anwendung kommen kann. Weiterhin kann die Strahlungsheizung in anderen technischen Installationen angewendet werden, in denen abgegrenzte Bereiche vorrangig mittels Strahlung effizient erwärmt werden sollen.
  • Hohe und ausgedehnte Räume, wie beispielsweise Werkhallen, Flugzeughangars oder ähnliches, erfordern oftmals besondere Heizsysteme, um eine effektive und energieeffiziente Beheizung zu ermöglichen. Die dafür eingesetzten Heizsysteme sollen dabei aus Gründen der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit in der Lage sein, die benötigten thermischen Raumparameter nur an auswählten Orten oder Raumbereichen aufrecht zu erhalten. Diese Orte oder Raumbereiche können beispielsweise Aufenthaltszonen des Personals sein oder besondere Produktions- oder Lagerzonen. Andere Orte oder Raumbereiche mit geringeren Anforderungen an die thermischen Raumparameter können demnach mit kleinerem energetischem Einsatz konditioniert werden. Ähnliche Aufgabenstellungen, nämlich die gezielte Energiezufuhr zu Heizzwecken auf begrenzte örtliche Bereiche, können auch im Wohnungs- und Gesellschaftsbau, auch zeitlich begrenzt, auftreten. Beispielhaft sind hier Eingangsbereiche mit dauerhaften Aufenthaltszonen des Servicepersonals zu nennen. Spezielle Beheizungslösungen sind beispielsweise auch für die gezielte Konditionierung von Glasscheiben, die beispielhaft vor Beschlag geschützt oder eis- und schneefrei gehalten werden sollen, wie Kassenbereiche oder im Automobilbau, erforderlich.
  • Typischerweise werden für diese Aufgaben oftmals sogenannte Strahlungsheizungen eingesetzt. Unter dem Begriff Strahlungsheizung werden im Allgemeinen Heizsysteme subsumiert, deren Anteil an Wärmestrahlung an der Gesamtwärmeabgabe beträchtlich ist. Für verschiedene Beheizungsaufgaben ist dieser Anteil von großer Bedeutung. Daraus resultiert schlussendlich die allgemeine Aufgabe für Strahlungsheizungen, den Strahlungsanteil soweit wie möglich zu erhöhen und dabei einen hohen Wirkungsgrad bezüglich der eingesetzten Endenergie zu erreichen.
  • Bei klassischen Strahlungsheizungen entspringt die Wärmestrahlung vollständig der Temperaturstrahlung. Hierbei senden Oberflächen von auf unterschiedliche Art und Weise erwärmten Körpern elektromagnetische Strahlung in der projektierten Menge aus, die am gewünschten Empfangsort auftrifft und in Festkörpern in sensible Wärme umgewandelt wird.
  • Die Leistung der hierbei von Oberflächen ausgesandten Strahlung wird unter anderem von der Temperatur bestimmt. Sie ist der vierten Potenz der Temperatur proportional. Die somit gegenüber der Umgebung notwendigen, erhöhten Oberflächentemperaturen haben auch Nachteile. Zum einen können sich Gefährdungen in Hinsicht auf Berührungen durch Menschen oder in Hinsicht auf die Gefahr einer Brandentstehung ergeben. Zum anderen gibt die Oberfläche auch einen nennenswerten Betrag an Wärme durch Konvektion an die umgebende Raumluft ab, der in den überwiegenden Fällen nicht der Beheizungsaufgabe zugutekommt und somit als Verlust zu bezeichnen und damit unerwünscht ist. Die Energieabgabe der Oberfläche, unter anderem bestimmt durch ihre Oberflächentemperatur, ist demzufolge wegen der Temperaturstrahlung erwünscht und durch die Ausrichtung und Übertragung auf/an einen konkreten Ort vorteilhaft, infolge Konvektion an die Raumluft in vielen Fällen aber mit Verlusten behaftet. Des Weiteren können Verluste durch Wärmeleitung durch die gewählte Befestigungsweise auftreten.
  • Bekannt ist nach DE 20 2012 003681 U1 , KR 10 1 059 950 B1 , DE 10 2014 001 044 , dass Strahlungsheizungen auf der Basis von LEDs (LED - light-emitting-diode = lichtemittierende Diode = Halbleiterbauelement) Effizienzvorteile gegenüber Strahlungsheizungen auf reiner Basis von Temperaturstrahlung bieten.
    Bei diesen Lösungen wird die Ausbreitung und Übertragung von Energie durch Strahlung für Heizzwecke beibehalten, als Quelle der Strahlung aber nicht mehr primär und ausschließlich die Temperaturstrahlung genutzt. Zumindest ein Teil der emittierten Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich wird durch die Rekombination von Ladungsträgern entgegengesetzter Ladung im Halbleitermaterial erzeugt.
  • Als LEDs kommen vorzugsweise IR-LEDs (Infrarot-LEDs) zum Einsatz, also ein Halbleiterbauteil, dass vorrangig elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm emittiert, da somit die Energieübertragung für Heizzwecke nicht die visuelle Orientierung von Menschen und Tieren beeinflusst.
  • Üblicherweise wird elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,78 µm bis 1000 µm als Infrarotstrahlung bezeichnet. Die sinnvolle Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung durch Halbleiterbauelemente in diesem Wellenlängenbereich zur Übertragung von Energie für Beheizungsaufgaben endet bei ca. 15 µm.
  • Solche Halbleiterbauelemente wandeln aber nicht vollständig die zugeführte elektrische Energie in Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich um. Es entsteht zusätzlich Wärme, die vom Halbleitergrundkörper abgeführt werden muss. Dazu dienen Kühlkörper, die typischerweise auf das Halbeiterbauelement aufgesetzt werden und dann im Wesentlichen durch die physikalischen Übertragungsprozesse Konvektion und Strahlung Wärme an die Umgebung abgeben.
  • Nach der DE10 2004 047 324 A1 ist eine Leuchtdiodenanordnung bekannt, die aus einem Leuchtdiodenchip mit einem optischen Element und einem Wärmeleitelement besteht, durch welches die von dem Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme abgeführt wird und zu einer Kühlvorrichtung geleitet wird, die die Wärme vom Wärmeleitelement aufnimmt.
  • Dabei ist von Bedeutung, dass von der Leuchtdiode Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes in Richtung des optischen Elementes abgegeben wird und die vom Leuchtdiodenchip an das Wärmeleitelement bevorzugt mittels Wärmeleitung abgegebene Wärme vom Wärmeleitelement an die Kühlvorrichtung vorzugsweise mittels Wärmeleitung und/oder Konvektion übertragen wird. Die Kühlvorrichtung enthält bevorzugt wenigstens eines der Elemente Kühlkörper, wärmeleitendes Material, Heatpipe, Thermosyphon, Flüssigkeitskreislauf, Lüfter.
  • Aus der DE 102 05 695 A1 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge bekannt, bei dem auf einem Träger mehrere Lichtquellen mit jeweils einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement vorhanden sind und der Träger im Bereich der Halbleiterbauelemente zu einem Reflektor geformt ist und einen in Strahlungsrichtung verlaufenden Ansatz aufweist, der in der Nähe der Abdeckscheibe ausläuft. Dabei übernimmt der Träger die Wärmeableitung und gibt vorzugsweise über den Ansatz die Wärme ab. Dieser trägt keine Halbleiterbauelemente und ist daher kühler. Da der Ansatz in der Nähe der Abdeckscheibe verläuft, wird diese geheizt. Damit kann eine separate Heizung entfallen.
  • Weiterhin bekannt ist aus der DE 10 2016 211 317 A1 eine Strahlungsheizung mit mindestens einem Halbleiterbauelement, welches mindestens Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt und teilweise von einem Kühlkörper umgeben ist, wobei mindestens eine Oberfläche des Halbleiterbauelementes zur Abgabe von Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm nicht von dem Kühlkörper bedeckt ist, und wobei der Kühlkörper mindestens eine Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe im Wellenlängenbereich > 0,7 µm aufweist, und der Kühlkörper mindestens in entgegengesetzter Richtung der Strahlungsabgabe im Wellenlängenbereich > 0,7 µm mindestens teilweise in formschlüssigem Kontakt mit einer Isolierung angeordnet ist.
  • Aus der DE 10 2019 203 593 A1 ist ein dekoratives Heizpaneel mit einer lichtemittierenden Schicht bekannt, welches im Wesentlichen aus einer dekorativen Schicht, einer Heizschicht und aus einer lichtemittierenden Schicht besteht, wobei die dekorative Schicht für sichtbares Licht transparente oder transluzent ist, die Heizschicht Infrarotlicht emittiert und die lichtemittierende Schicht sichtbares Licht emittiert. Dabei sind die Heizschicht und die lichtemittierende Schicht auf der Rückseite der dekorativen Schicht angeordnet und mindestens eine der Schichten transparent oder transluzent für sichtbares und/oder Infrarotlicht. Bei diesem Heizpaneel sind also alle drei Schichten übereinander angeordnet, und es kombiniert die Anwendung von Licht- und Infrarotstrahlung, wobei für die Strahlungsemittierung auch (IR-)LED-Lösungen angeführt sind.
  • Gemäß der EP 3 173 694 A1 ist eine Vorrichtung zur kombinierten Abgabe von Wärmestrahlung und Licht bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einer Wärmestrahlung abgebenden Wärmequelle und aus einer Licht abgebenden Lichtquelle, wie LEDs. Dabei weist die Vorrichtung einen plattenförmigen Grundkörper auf, auf dem ein Leuchtelement so angeordnet ist, dass das emittierte Licht des Leuchtelementes in den Grundkörper eintritt, und weiterhin im Grundkörper eine Streuvorrichtung vorhanden ist, die das Licht an die Deckfläche des Grundkörpers auskoppelt. Weiterhin sind als Wärmequelle eine Heizmatte oder IR-LEDs vorhanden.
  • Nachteilig bei den Lösungen des Standes der Technik von Strahlungsheizungen mit Halbleiterbauelemente ist es, dass ein Teil der durch die Strahlungsheizung erzeugten Wärmeenergie immer noch nicht der eigentlichen Beheizungsaufgabe zugutekommt und daher die Energieeffizienz von Strahlungsheizungen mit Halbleiterbauelementen noch unzureichend ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Effizienz von Strahlungsheizungen mit Halbleiterbauelementen - also das Verhältnis aus der im zu beheizenden Raumbereich ankommenden Energiemenge zur Energiemenge, die der Strahlungsheizung zugeführt wird - weiter zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
    Die erfindungsgemäße Strahlungsheizung weist mindestens ein Halbleiterbauelement, welches mindestens Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, auf, das teilweise von einem Kühlkörper umgeben ist, wobei mindestens eine Oberfläche des Halbleiterbauelementes zur Abgabe von Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm nicht von dem Kühlkörper bedeckt ist, und wobei der Kühlkörper mindestens eine Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm aufweist, und der Kühlkörper mindestens in entgegengesetzter Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm mindestens teilweise in mindestens formschlüssigem Kontakt mit einer Wärmeisolierung angeordnet ist, wobei weiterhin mindestens ein Vorschaltgerät zur Umwandlung der elektrischen Energie für den Betriebsmodus der Halbleiterbauelemente vorhanden ist, welches mit mindestens einer Oberfläche auf der Oberfläche des oder teilweise im Kühlköper positioniert ist und mindestens eine Oberfläche des Vorschaltgerätes in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm weist, und weitere Vorrichtungselemente vorhanden sein können.
  • Vorteilhafterweise sind als Halbleiterbauelement IR-LEDs, LEDs, IR-OLEDs und/oder OLEDs vorhanden, die Strahlung ab dem Wellenlängenbereich > 0,4 µm abgeben.
  • Ebenfalls vorteilhafterweise weist die Strahlungsheizung Halbleiterbauelemente, die Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgeben, und Halbleiterbauelemente, die Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,4 bis 0,78 µm abgeben, auf.
  • Weiterhin vorteilhafterweise ist der Kühlkörper aus Kupfer, Aluminium und/oder Grafit besteht oder als eine Metallkernleiterplatte ausgebildet.
  • Und auch vorteilhafterweise besteht die Wärmeisolierung aus mineralischen, anorganischen und organischen Dämmstoffen oder Dämmplatten, vorteilhafterweise aus Steinwolle, Glaswolle, Kalziumsilikat, geschäumten Kunststoffen, geschäumten Elastomeren, Vakuumdämmplatten, pflanzlichen oder tierischen Fasern oder Recyclingmaterial.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn die Wärmeisolierung auf der Oberfläche der der Beheizungsaufgabe abgewandten Seite einen geringen Emissionskoeffizienten für Wärmestrahlung aufweist, der vorteilhafterweise durch eine Alukaschierung realisiert ist.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Halbleiterbauelement und/oder das mindestens eine Vorschaltgerät nur an der Oberfläche zur Abgabe von Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm nicht von dem Kühlkörper bedeckt ist.
  • Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Kühlköper an allen Oberflächen in formschlüssigem Kontakt mit einer Isolierung angeordnet ist, außer an den Oberflächen, an denen die Halbleiterbauelemente und/oder das Vorschaltgerät angeordnet sind und außer an der Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm.
  • Und auch vorteilhaft ist es, wenn als weitere Vorrichtungselemente Aufbauten zur Ver- und/oder Behinderung der Luftströmung über die Oberfläche der Strahlungsheizung, die mindestens Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, vorhanden sind.
  • Von Vorteil ist es auch, wenn als Aufbauten zur Ver- und/oder Behinderung der Luftströmung über der Oberfläche der Strahlungsheizung, die mindestens Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, Bleche oder Leitbleche vorhanden sind.
  • Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn als Aufbauten zur Ver- und/oder Behinderung der Luftströmung über der Oberfläche der Strahlungsheizung, die mindestens Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, ein oder mehrere Vorschaltgeräte vorhanden sind, die eine größere Höhendifferenz ihrer Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente aufweisen, gegenüber der Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente.
  • Weiterhin von Vorteil ist es, wenn als weitere Vorrichtungselemente für Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm durchlässige Abdeckungen, optische Linsen und/oder Strahlleitelemente vorhanden sind.
  • Vorteilhafterweise sind die Halbleiterbauelemente und/oder die Vorschaltgeräte auf und/oder in und/oder mit dem Kühlkörper in modularer Bauweise angeordnet, und die Module können einzeln aus der Strahlungsheizung entfernt werden.
  • Und auch vorteilhaft ist es, wenn als weitere Vorrichtungselemente eine oder mehrere wärmeisolierende Schichten vorhanden sind, die zwischen Halbleiterbauelementen und/oder Vorschaltgerät und/oder Kühlkörper, jeweils als einzelne Elemente oder als Module, angeordnet sind.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, die Effizienz von Strahlungsheizungen mit Halbleiterbauelementen - also das Verhältnis aus der im zu beheizenden Raumbereich ankommenden Energiemenge zur Energiemenge, die der Strahlungsheizung zugeführt wird - gegenüber den Lösungen des Standes der Technik weiter zu erhöhen.
  • Für die erfindungsgemäße Lösung ist eine Strahlungsheizung als Ausgangspunkt vorhanden, bei der mindestens ein Halbleiterbauelement, welches mindestens Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, teilweise von einem Kühlkörper umgeben ist, wobei mindestens eine Oberfläche des Halbleiterbauelementes zur Abgabe von Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm nicht von dem Kühlkörper bedeckt ist, und wobei der Kühlkörper mindestens eine Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm aufweist, und der Kühlkörper mindestens in entgegengesetzter Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm mindestens teilweise in formschlüssigem Kontakt mit einer Wärmeisolierung angeordnet ist.
    Ausgehend von derartigen Strahlungsheizungen ist erfindungsgemäß weiterhin mindestens ein Vorschaltgerät zur Umwandlung der elektrischen Energie für den Betriebsmodus der Halbleiterbauelemente vorhanden.
    Dieses Vorschaltgerät ist mit mindestens einer Oberfläche auf der Oberfläche des oder teilweise im Kühlköper positioniert und mindestens eine Oberfläche des Vorschaltgerätes weist in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm. Durch die Ausnutzung der Strahlung, die auch das Vorschaltgerät abgibt, für die Beheizungsaufgabe wird die Effizienz der Strahlungsheizung durch die erfindungsgemäße Anordnung des Vorschaltgerätes weiter gesteigert.
  • Als Halbleiterbauelemente sind dabei LEDs (LED - light-emitting-diode = lichtemittierende Diode = Halbleiterbauelement) vorhanden.
    Strahlungsheizungen mit LEDs bieten generell Effizienzvorteile gegenüber Strahlungsheizungen auf Basis der Ausnutzung von nur Temperaturstrahlung dadurch, dass zumindest ein Teil der emittierten Strahlung durch die Rekombination von Ladungsträgern entgegengesetzter Ladung im Halbleiter erzeugt wird, wodurch eine gleiche flächenspezifische Strahlungsleistung eine geringere Oberflächentemperatur zur Folge hat, die schlussendliche eine verringerte konvektive Wärmeabgabe, und damit einen geringeren konvektiven Verlust nach sich zieht. Vorzugsweise kommen dabei IR-LEDs zum Einsatz, also ein Halbleiterbauelement, dass vorrangig elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm emittiert, wodurch die Energieübertragung für Heizzwecke nicht die visuelle Orientierung von Menschen und Tieren beeinflusst. Die Verwendung von OLEDs (OLED - organic light emitting diode = leuchtendes Dünnschichtbauelement aus organischen halbleitenden Materialien) ist in Bezug auf die vorliegende Erfindung als gleichwertig anzusehen.
  • Nachfolgend sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als (IR-)LEDs alle strahlungsemittierenden Halbleiterbauelemente, LEDs, IR-LEDs. IR-OLEDs und/oder OLEDs verstanden werden. Dies umfasst sowohl Halbleiterbauelemente, die Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgeben, also im IR-Bereich, als auch Halbleiterbauelemente, die Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,4 bis 0,78 µm abgeben, also im Bereich des sichtbaren Lichtes.
    Für die vorliegende Erfindung ist es klar, dass die Strahlungsheizung mindestens Halbleiterbauelemente aufweisen muss, die Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgeben. Es können aber innerhalb der erfindungsgemäßen Strahlungsheizung auch Halbleiterbauelemente vorhanden sein, die Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes abgeben, so dass die erfindungsgemäße Strahlungsheizung neben der Beheizungsaufgabe auch eine Beleuchtungsaufgabe realisieren kann.
  • Die Strahlungsausbreitungscharakteristik von IR-LEDs und der reinen Temperaturstrahlung von Oberflächen ist signifikant anders. LEDs im Allgemeinen haben eine wesentlich fokussiertere Abstrahlungscharakteristik ("verlustfreier Lampenschirm"). Damit kann je nach Lage und Ausdehnungsort der Beheizungsaufgabe die Effizienz einer solchen Strahlungsheizungsausführungsform mit IR-LEDs noch einmal gesteigert werden.
  • Als Synonym für den Begriff des erfindungsgemäß vorhandenen Vorschaltgerätes werden oftmals auch die Bezeichnungen Betriebsgerät oder Netzteil verwendet. Das Vorschaltgerät wandelt die zugeführte elektrische Energie aus dem allgemeinen Energienetz in elektrische Energie mit den für den Betrieb von (IR-)LED-Modulen geforderten Parametern (Stromstärke, Spannung) um.
    Dieser Transformationsprozess ist mit energetischen Verlusten behaftet. Ein Teil der zugeführten elektrischen Energie wird dabei in Wärmeenergie umgewandelt, und das Vorschaltgerät gibt diese Wärme ab (Verlustwärme). Dadurch wird die Effizienz einer Strahlungsheizung mit (IR-)LED-Modulen negativ beeinflusst, also das Verhältnis aus der am vorgegebenen Ort der Beheizungsaufgabe ankommenden Energie in Bezug auf die eingesetzte elektrische Energie.
  • Erfindungsgemäß kommt die Verlustwärme des Vorschaltgerätes nun zumindest teilweise der eigentlichen Beheizungsaufgabe zugute. Das geschieht in der Form, dass das Vorschaltgerät Bestandteil der eigentlichen Strahlungsheizung wird. Es ist auf oder in jedem Fall nur teilweise im die (IR-)LEDs auch nur teilweise umschließenden Kühlkörper integriert, der die Wärmeabfuhr von den (IR-)LEDs und dem Vorschaltgerät übernimmt. Durch die Positionierung des Vorschaltgerätes ist mindestens immer eine Oberfläche des Vorschaltgerätes dem zu beheizenden Raumbereich zugewandt und gibt dadurch auch Infrarotstrahlung an diesen ab. Weiterhin ist das somit integrierte Vorschaltgerät sehr gut wärmeleitend mit dem Kühlkörper zumindest formschlüssig verbunden. Der Kühlkörper nimmt Wärme vom Vorschaltgerät auf und gibt diese dann zum überwiegenden Anteil ebenfalls in Richtung der Beheizungsaufgabe ab, wodurch die Effizienz der erfindungsgemäßen Strahlungsheizung weiter verbessert wird. Die rückseitige Wärmeisolierung minimiert wie auch bei den (IR-)LEDs die Wärmeabgabe des Vorschaltgerätes in eine nicht gewollte Richtung.
  • Die Oberflächen des Vorschaltgerätes, die dem zu beheizendem Raumbereich zugewandt sind, weisen vorteilhafterweise einen hohen Emissionskoeffizienten für Temperaturstrahlung auf, vorzugsweise größer als 0,9. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Lackierungen realisiert werden. Des Weiteren kann die Geometrie des Vorschaltgerätes bezüglich der Aufgabenstellung, eine möglichst große Menge an Strahlungsenergie in Richtung der Beheizungsaufgabe und von Wärme an den Kühlkörper abzugeben, optimiert werden. Eine geringe Tiefe (Aufbauhöhe) und demzufolge eine größere Länge und Breite sind vorteilhafter.
  • Je nach Anwendungsfall kann es weiterhin vorteilhaft sein, dass die erfindungsgemäße Strahlungsheizung modular aufgebaute ist. Dabei können sowohl die Halbleiterbauelemente als auch das oder die Vorschaltgeräte als Modul ausgeführt sein.
  • Jedes Halbleiterbauelement- oder (IR-)LED-Modul als konstruktives Bauteil vereint dabei ein oder mehrere (IR-)LEDs und erfüllt mindestens eine der nachfolgenden Aufgaben a) bis f).
    1. a) elektrisch leitfähige Verbindung der (IR-)LEDs entsprechend den projektierten technischen Parametern,
    2. b) elektrische Anschlussfähigkeit der so zusammengeschalteten (IR-)LEDs,
    3. c) statische Fixierung der (IR-)LEDs,
    4. d) Gewährleistung der bestimmungsgemäßen Wärmeabfuhr,
    5. e) Aufnahme von optischen oder mechanischen Vorrichtungen zur Beeinflussung der Ausbreitung der von den (IR-)LEDs ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung,
    6. f) Aufnahme von gestalterischen Elementen zur Verbesserung des ästhetischen Erscheinungsbildes des Moduls.
  • Es ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlungsheizung, wenn das oder die auf oder im Kühlkörper integrierten Vorschaltgeräte derart ausgebildet sind, dass die (IR-)LED-Module und das oder die Vorschaltgeräte modulweise produziert und dann am Installationsort form- und/oder stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Diese Ausführung der Erfindung kann Vorteile in der Produktion, während der Montage und/oder im Reparaturfall bieten.
  • Die Modularität kann dabei vielfältige Kombinationsmöglichkeiten annehmen. Das Vorschaltgerät mit Kühlkörper und Wärmeisolierung kann ein Modul neben den (IR-)LED- Modulen bilden. Es kann aber auch der Kühlkörper für das Vorschaltgerät mit Wärmedämmung ein Modul bilden, wobei dann das Vorschaltgerät und die (IR-)LED-Module als wesentliche Bestandteile der erfindungsgemäßen Strahlungsheizung diese komplettieren.
    Es kann auch sein, dass zwischen dem(n) Modul(en) Vorschaltgerät + Kühlkörper und dem(den) (IR-)LED-Modul(en) eine wärmeisolierende Schicht angeordnet ist, die auch als Luftschicht ausgebildet sein kann. Das ist dann vorteilhaft, wenn die verwendeten (IR-)LEDs und das Vorschaltgerät unterschiedliche maximal zulässige Umgebungstemperaturen als technischen Parameter aufweisen. Die Wärmeisolierung minimiert in diesem Fall signifikant den Wärmetransport durch Leitung zwischen den beiden zugehörigen Kühlkörpern. Sinnvollerweise ist die Schichtdicke der Luftschicht und/oder der Wärmeisolierung dann größer als ca. 3 mm.
  • Die erfindungsgemäß eingesetzten Kühlkörpermaterialien sollen eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit aufweisen, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium und/oder Grafit. Gleichzeitig soll die Wärmeenergie abgebende Oberfläche in Richtung der Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm auch einen möglichst hohen Emissionskoeffizienten für Temperaturstrahlung aufweisen. Dies kann beispielsweise durch Beschichtungen oder Überzüge der Oberfläche realisiert sein. Als derartige Beschichtungen oder Überzüge können Materialien wie beispielsweise Heizkörperlacke eingesetzt werden.
  • Die Funktion des Kühlkörpers - großflächige Wärmeaufnahme der Vorrichtungselemente der erfindungsgemäßen Strahlungsheizung, wie den (IR-)LEDs und/oder dem oder den Vorschaltgeräten und Abfuhr der aufgenommenen Wärme durch Wärmeleitung und durch Konvektion und Strahlung im Wesentlichen in Richtung der Beheizungsaufgabe - kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch eine Metallkernleiterplatte erfüllt werden.
  • Eine Metallkernleiterplatte ist eine gute Alternative zu einer Standardleiterplatte, wenn die Leiterplatte größeren mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, eine Dimensionsstabilität verlangt wird und/oder hohe Wärmeströme von Leistungsbauelementen oder (IR-)LEDs abgeführt werden müssen. Im einfachsten Fall besteht sie aus der Kupferschicht der eigentlichen stromführenden Leiterbahn mit einer Schichtdicke im Regelfall im µm- Bereich, einer elektrisch isolierenden Schicht ebenfalls im Regelfall im µm- Bereich und dem dann folgenden Metallkern, dessen Materialwahl durch die benannten Aufgaben statischer Halt und Formstabilität sowie Gewährleistung einer sehr guten Wärmeabfuhr bestimmt wird und der deshalb im Regelfall aus Kupfer oder Aluminium im mm-Bereich besteht. Die Kupferschicht (Leiterbahn) und die elektrisch isolierende Schicht stellen auf Grund ihrer Schichtdicke und der Materialeigenschaft Wärmeleitfähigkeit einen vollständig zu vernachlässigen Wärmedurchgangswiderstand dar.
    Die erfindungsgemäß verwendete Metallkernleiterplatte wird dann auch entgegen der Richtung der Beheizungsaufgabe mit einer hochwirksamen Wärmeisolierung belegt. Dadurch wird die Wärmeabgabe an die Umgebung auf dieser Seite auf ein Minimum reduziert. Die der Beheizungsaufgabe zugewandte Seite (Richtung der Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm) weist einen hohen Emissionskoeffizienten für Temperaturstrahlung vorzugsweise > 0,9 auf, was durch eine Lackschicht erreicht werden kann.
  • Es ist vorteilhaft, dass die Wärmeisolierung aus üblichen mineralischen, anorganischen und organischen Dämmstoffen oder Dämmplatten, beispielsweise aus Steinwolle, Glaswolle, Kalziumsilikat, geschäumten Kunststoffen, geschäumten Elastomeren, Vakuumdämmplatten, pflanzlichen oder tierischen Fasern oder Recyclingmaterial, besteht. Vorteilhaft ist es auch, dass die Wärmeisolierung auf der Oberfläche der der Beheizungsaufgabe abgewandten Seite einen geringen Emissionskoeffizienten für Wärmestrahlung aufweist. Das wird üblicherweise durch eine Alukaschierung erreicht.
  • Die Wärmeisolierung ist vorteilhafterweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig mit dem Kühlkörper des Vorschaltgerätes und den (IR-)LED-Modulen verbunden, außer es ist dazwischen eine Trägerkonstruktion angeordnet.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass das oder die mit dem Kühlkörper form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig verbundenen Vorschaltgeräte, bei denen mindestens eine Oberfläche der Beheizungsaufgabe zugewandt ist und sie somit mit ihrer freigesetzten Verlustwärme zur Lösung der Beheizungsaufgabe beitragen, aus optischen oder funktionellen Gründen mit einer Abdeckhaube versehen sind. Diese Abdeckhaube kann wiederum form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig mit dem Vorschaltgerät verbunden sein, wodurch die Verlustwärme vom Vorschaltgerät durch Wärmeleitung aufgenommen und dann diese wie bei der Anordnung ohne Abdeckhaube durch Strahlung und Konvektion vorzugsweise in Richtung der Beheizungsaufgabe abgegeben wird.
  • Eine weitere Minimierung der konvektiven Wärmeabgabe und damit von Effizienzverlusten kann bei der erfindungsgemäßen Lösung dadurch erzielt werden, dass die Strahlungsheizung mit weiteren Vorrichtungselementen, vorteilhafterweise in Form von Aufbauten, zur Ver- und/oder Behinderung der Luftströmung über der Oberfläche der Strahlungsheizung, die mindestens Strahlung der Halbleiterbauteile im Wellenlängenbereich > 0,7 µm in Richtung der Beheizungsaufgabe abgibt, versehen ist.
  • Dabei können vorteilhafterweise an der Umrandung der Strahlungsheizung an den Oberflächen, die mindestens durch Halbleiter emittierte Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm in Richtung der Beheizungsaufgabe abgeben, Aufbauten zur Ver- und/oder Behinderung der durch freie Konvektion oder aus anderen Gründen entstandene Luftströmung über der der Beheizungsaufgabe zugewandten Seite, vorteilhafterweise in Form von Blechen oder Leitblechen vorhanden sein.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das oder die Vorschaltgeräte, mit oder ohne Abdeckhaube, auf der Oberfläche der Strahlungsheizung mit einer größeren Höhendifferenz ihrer Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente, gegenüber der Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente angeordnet.
    Dadurch bilden das oder die Vorschaltgeräte selbst ein Strömungshindernis für eine freie, erzwungene oder gemischte Wärmeabfuhr durch Konvektion über der der Beheizungsaufgabe zugewandten Seite der Strahlungsheizung, wodurch die verlustbehaftete Wärmeabgabe der (IR-)LED-Module durch Konvektion wesentlich verringert wird.
    Die herausgehobene Anordnung des oder der Vorschaltgeräte kann eine Höhendifferenz von wenigen Millimetern bis ca. 10 cm gegenüber der Oberfläche der (IR-)LED-Module aufweisen. Dadurch wird eine mögliche freie, erzwungene oder gemischt konvektive Wärmeabgabe über den (IR-)LED-Modulen behindert, die konvektiven Verluste in Summe weiter minimiert, der prozentuale Anteil der ausgesendeten Wärmestrahlung in Bezug auf die zugeführte elektrische Energie erhöht und somit die Gesamteffizienz der Strahlungsheizung weiter gesteigert.
  • Ebenso können weitere Bauelemente wie beispielsweise für Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm wie durchlässige Abdeckungen, optische Linsen und/oder Strahlleitelemente vorhanden sein.
  • Üblicherweise sind im Wohnungs- und Gesellschaftsbau oder ähnlichen Anwendungsfällen Beheizungs- und Beleuchtungsaufgaben gleichzeitig zu lösen. Dabei weichen in der Regel die benötigten Heizleistungen in Größenordnungen von den benötigten geringeren Anschlussleistungen für die Beleuchtungsaufgabe ab. Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen es, ein oder mehrere (IR-)LED-Module oder sogar ein oder mehrere Strahlungsheizungsmodule (siehe Beispiel 5) nur mit LEDs auszustatten, die elektromagnetische Strahlung vorrangig im sichtbaren Wellenlängenbereich ausstrahlen. So können genau die Modulflächen für die beiden Aufgaben belegt werden, wie Sie entsprechend einer Auslegungsberechnung notwendig sind. Gleichzeitig wird ein einheitliches Erscheinungsbild im Raum gewahrt.
  • Nachfolgend ist die Erfindung an mehreren Beispielen näher erläutert.
    • Dabei zeigen
    • Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Strahlungsheizung mit (IR-)LEDs und integriertem Vorschaltgerät, wobei das Vorschaltgerät auf dem Kühlkörper angeordnet ist
    • Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Strahlungsheizung mit (IR-)LEDs und integriertem Vorschaltgerät, wobei das Vorschaltgerät teilweise vom Kühlkörper zumindest formschlüssig umgeben ist
    • Fig. 3 eine schematische perspektivische Projektionsansicht einer Strahlungsheizung mit (IR-)LEDs und integriertem Vorschaltgerät
    • Fig. 4 eine schematische perspektivische Projektionsansicht einer Strahlungsheizung mit (IR-)LEDs und integriertem Vorschaltgerät, wobei die (IR-)LEDs und ein Kühlkörper und eine Wärmedämmung, die zusammen ein (IR-)LED-Modul bilden, und das Vorschaltgerät und ein Kühlkörper und eine Wärmedämmung, die zusammen ein Modul bilden, als einzelne Module ausgeführt und zusammengeführt sind
    • Fig. 5 eine rahmenförmige Trägerkonstruktion
    • Fig. 6 die Ansicht in Richtung der Beheizungsaufgabe des Strahlungsheizungsmoduls x mit (IR-)LED-Modulen und zwei Modulen aus Vorschaltgerät und Kühlkörper
    • Fig. 7 einen Schnitt durch das Strahlungsheizungsmodul x mit (IR-)LED-Modulen und zwei Modulen aus Vorschaltgerät und Kühlkörper entlang der Schnittlinie A - A in Fig. 6
    Beispiel 1
  • Bei einer Strahlungsheizung gemäß Fig. 1 ist der Kühlkörper 2 durch eine Metallkernleiterplatte realisiert. Als Material für den Metallkern ist Kuper verwendet. Die Dicke des Metallkerns beträgt ca. 1,5 mm, die der Leiterbahnschicht (ebenfalls aus Kupfer) ca. 35 µm und die der dazwischenliegenden Isolierschicht ca. 60 µm.
  • Für die Wärmeisolierung 3 auf der der Beheizungsaufgabe abgewandten Seite wird ein geschäumtes, hochtemperaturbeständiges Elastomer (Wärmeleitfähigkeit 0,045 W/(mK)) mit einer Schichtdicke von 0,025 m genutzt, dass auf der der Beheizungsaufgabe abgewandten Seite mit einer Alukaschierung versehen ist.
    Die Höhendifferenz 8 des Vorschaltgerätes 4 mit ca. 0,04 m zu den (IR)-LEDs 1 auf dem Kühlkörper 2 behindert eine mögliche freie, erzwungene oder gemischt konvektive Wärmeabgabe über der Oberfläche des Kühlkörpers 2 mit den (IR-)LEDs 1.
  • Dadurch werden die konvektiven Verluste weiter minimiert, der prozentuale Anteil der ausgesendeten Wärmestrahlung in Bezug auf die zugeführte elektrische Energie erhöht und somit die Gesamteffizienz der LED-Strahlungsheizung weiter gesteigert.
    • Beispiel 2
  • In Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt durch eine Strahlungsheizung mit (IR-)LEDs 1 und integriertem Vorschaltgerät 4 zu sehen, wobei das Vorschaltgerät 4 teilweise vom Kühlkörper 2 zumindest formschlüssig umgeben ist.
    Als Kühlkörper 2 wird ebenfalls eine Metallkernleiterplatte verwendet, aber im Unterschied zu Beispiel 1 mit einem Aluminiummetallkern mit einer Schichtdicke von 3 mm. Weiterhin sind die Abmessungen des Vorschaltgerätes 4 im Vergleich zum Beispiel 1 dahin gehend verändert, dass die Höhe nun ca. 0,02 m beträgt und die Breite dafür verdoppelt worden ist. An den Seitenflächen ist das Vorschaltgerät 4 mit 2 mm vom Kühlkörper 2 umgeben. Der Aufbau und die Eigenschaften der Wärmeisolierung 3 entsprechen denen des Beispiels 1.
    Durch die Nutzung der Verlustwärme des Vorschaltgerätes 4 für die Beheizungsaufgabe wird die Gesamtwärmeleistung der Strahlungsheizung somit gesteigert.
    • Beispiel 3
  • Gemäß Fig. 3 ist eine Strahlungsheizung zu sehen, die (IR)-LEDs 1 aufweist, die durch eine sehr dünne (Dicke ca. 93 µm) und flexible Leiterplatte mit dem Trägermaterial Polyimid, die den elektrischen Anschluss der (IR)-LEDs gewährleistet, elektrisch leitend miteinander verbunden und auf einem Kühlkörper 2 aus 3 mm Aluminium befestigt sind. Die Leiterplatte und der Kühlkörper 2 sind durch eine elektrisch isolierende Schicht mit einer Schichtdicke im µm-Bereich voneinander getrennt angeordnet. Dabei stellen das Leiterplattenmaterial und die elektrisch isolierende Schicht auf Grund der Kombination aus der Materialeigenschaft Wärmeleitfähigkeit und der gewählten Materialdicke einen zu vernachlässigenden Wärmedurchgangswiderstand dar. Das Vorschaltgerät 4 ist auf demselben Kühlkörper 2 wie die (IR-)LEDs 1 angeordnet. Das Leiterplattenmaterial, die Flächen des Kühlkörpers 2, die der Beheizungsaufgabe ohne weitere Abdeckung zugewandt sind, und die Flächen des Vorschaltgerätes 4, die der Beheizungsaufgabe zugewandt sind, weisen eine Oberflächenbeschichtung auf, die einen hohen Emissionskoeffizienten für Wärmestrahlung von 0,91 besitzt.
    Der Aufbau und die Eigenschaften der Wärmeisolierung 3 entsprechen denen des Beispiels 1.
    • Beispiel 4
  • Die Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Projektionsansicht einer Strahlungsheizung, wobei die (IR-)LEDs 1, ein Kühlkörper 2 und die Wärmeisolierung 3 zu einem (IR-)LED-Modul, und das Vorschaltgerät 4 und ein Kühlkörper 2 und die Wärmeisolierung 3 als ein anderes einzelnes Modul ausgeführt und in der Strahlungsheizung zusammengeführt sind. Diese Zusammenführung kann form- und/oder stoff- und/oder kraftschlüssig ausgeführt sein. Im vorliegenden Fall ist sie formschlüssig ausgeführt.
    An der Zusammenführung zwischen den Modulen ist eine wärmeisolierende Schicht 6 aus einem geschäumten, hochtemperaturbeständigen Elastomer (Wärmeleitfähigkeit 0,045 W/(mK)) mit einer Dicke von 6 mm angeordnet.
  • Das Vorhandensein einer wärmeisolierenden Schicht 6 ist notwendig, da die verwendeten (IR-)LEDs 1 und das Vorschaltgerät 4 unterschiedliche maximale zulässige Umgebungstemperaturen als technischen Parameter aufweisen. Die wärmeisolierende Schicht 6 minimiert in diesem Fall signifikant den Wärmetransport durch Leitung zwischen den beiden zugehörigen Kühlkörpern 2.
    Der Aufbau der (IR-)LED-Module bezüglich Kühlkörper 2 und Leiterplatte entspricht dem Aufbau, den Abmessungen und den Eigenschaften in Beispiel 3. Der Kühlkörper 2 des Vorschaltgerätes 4 besteht aus 3 mm dickem Aluminium. Die Oberflächen dieses Kühlkörpers 2 und des Vorschaltgerätes 4, die der Beheizungsaufgabe zugewandt sind, weisen eine Oberflächenbeschichtung auf, die einen hohen Emissionskoeffizienten für Wärmestrahlung von 0,91 besitzt. Der Aufbau und die Eigenschaften der jeweiligen rückseitigen Wärmeisolierung 3 entsprechen denen des Beispiels 1.
    Weiterhin ist ein Blech 5 zur Verringerung der durch freie Konvektion oder aus anderen Gründen entstandene Luftströmung über der der Beheizungsaufgabe zugewandten Seite vorhanden. Das Blech überragt die der Beheizungsaufgabe zugewandte Seite der (IR-)LED-Module um ca. 0,04 m.
    • Beispiel 5
  • Eine Strahlungsheizung kann gemäß Fig. 5 bis Fig.7 auf einer rahmenförmigen Trägerkonstruktion 7 angeordnet sein.
  • Es werden IR-LED-Module verwendet, die aus IR-LEDs 1 und einem Kühlkörper 2 bestehen. Die Funktion des Kühlkörpers 2 bei den IR-LED-Modulen wird durch eine Metallkernleiterplatte erfüllt. Als Material für den Metallkern findet Kupfer oder Aluminium Verwendung. Die Dicke des Metallkerns beträgt ca. 1 bis 3 mm.
    Der dem Vorschaltgerät 4 zugeordnete Kühlkörper 2 besteht aus einer Aluminiumplatte von ca. 2 bis 3 mm Dicke.
  • IR-LED-Module und Module aus Vorschaltgerät 4 und einem Kühlkörper 2 werden zur einfacheren Montage und eventuellen Reparatur von der der Beheizungsaufgabe zugewandten Seite auf der Trägerkonstruktion 7 befestigt. Die Trägerkonstruktion 7 gibt der gesamten IR-LED-Strahlungsheizung statischen Halt und nimmt auch die hochwirksame durchgängige Wärmeisolierung 3 zur Minimierung der Wärmeabgabe der gesamten Strahlungsheizung entgegen der Richtung der Beheizungsaufgabe auf. Die Trägerkonstruktion 7 ist rahmenartig mit einzelnen Streben zur Befestigung der IR-LED-Module und der Module aus Vorschaltgerät 4 und Kühlkörper 2 ausgeführt. Ein Merkmal der Trägerkonstruktion ist ein geringes spezifisches Gewicht. Dieses kann beispielsweise durch die Materialien Aluminium oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) gewährleistet werden.
  • Innerhalb der Trägerkonstruktion 7 sind gemäß Fig. 6 sechs IR-LED-Module angeordnet, die IR-LEDs 1 und je einen Kühlkörper 2 aufweisen. Weiterhin sind in der Trägerkonstruktion 7 zwei Module mit je einem Vorschaltgerät 4 und je einem Kühlkörper 2 angeordnet. Zusammen mit der in der Trägerkonstruktion 7 eingelegten durchgängigen Wärmeisolierung 3 bilden die Module mit der Trägerkonstruktion 7 eine Strahlungsheizung.
  • Zwischen den IR-LED-Modulen und den Modulen aus Vorschaltgeräten 4 und Kühlkörper 2 ist eine wärmeisolierende Schicht 6 in Form einer Luftschicht ausgebildet. Dadurch weisen der zu den IR-LED-Modulen gehörende Kühlkörper 2 und der dem Vorschaltgerät 4 zugeordnete Kühlkörper 2 unterschiedliche Temperaturen auf. Das ist notwendig, da die verwendeten Vorschaltgeräte 4 und IR-LEDs 1 unterschiedliche zulässige Umgebungstemperaturen als technischen Parameter aufweisen. Durch eine entsprechende wärmetechnische Berechnung werden die notwendigen Kühlkörpergrößen ausgelegt.
  • Alle Kühlkörperoberflächen 2 und die Flächen der Vorschaltgeräte 4, die der Beheizungsaufgabe zugewandt sind, weisen durch einen Lacküberzug einen hohen Emissionskoeffizienten für Wärmestrahlung von 0,91 auf.
  • Infolge der Auswahl der einzelnen Bestandteile der beschriebenen Strahlungsheizung mit IR-LEDs 1 weist diese eine definierte elektrische Anschlussleistung und eine definierte Strahlungsleistung als Funktion der Raumtemperatur auf. Zur Abdeckung der gesamten Heizlast der konkreten Beheizungsaufgabe ist es notwendig, mehrere Strahlungsheizungen der konkreten Ausführung zu verwenden. Eine einzelne Strahlungsheizung wird dabei dann als Strahlungsheizungsmodul x bezeichnet, welches im Wesentlichen besteht aus a) IR-LED-Modulen b) Modul aus Vorschaltgerät 4 und Kühlkörper 2, c) Trägerkonstruktion 7 und d) Wärmeisolierung 3.
    Das Strahlungsheizungsmodul x kann mit weiteren Modulen (schematisch dargestellt Module x -1 bzw. x + 1) zusammengefügt werden, so dass die Heizleistung vergrößert und eine gewünschte Heizleistung erreicht ist.
  • Die Vorschaltgeräte 4 sind so auf einem einzelnen Strahlungsheizungsmodul angeordnet, dass sie selbst ein Strömungshindernis für eine freie, erzwungene oder gemischte Wärmeabfuhr durch Konvektion über der der Beheizungsaufgabe zugewandten Seite darstellen und somit die verlustbehaftete Wärmeabgabe der IR-LED-Module durch Konvektion wesentlich verringern.
    Die seitliche und herausgehobene Anordnung der Vorschaltgeräte 4 mit einer Höhendifferenz 8 von ca. 5 cm behindert eine mögliche freie, erzwungene oder gemischt konvektive Wärmeabgabe der (IR-)LED-Module. Dadurch werden die konvektiven Verluste weiter minimiert, der prozentuale Anteil der ausgesendeten Wärmestrahlung in Bezug auf die zugeführte elektrische Energie erhöht und somit die Gesamteffizienz der Strahlungsheizung weiter gesteigert.
  • Auf allen IR-LED-Modulen für ein Strahlungsheizungsmodul x sind in der Summe 162 IR-LEDs 1 angeordnet. Jede IR-LED 1 sitzt in der Mitte einer anteiligen quadratischen Kühlkörperfläche 2 (Metallkernleiterplatte) mit einer Kantenlänge von 0,0625 m und hat bei einer Umgebungstemperatur von 10 °C eine elektrische Leistungsaufnahme von 3,5 W. Die Schichtdicke der Wärmeisolierung 3 aus Steinwolle beträgt 0,03 m. Weiterhin besitzt die Wärmeisolierung 3 einen Wärmeleitkoeffizient von 0,04 W/(mK) und eine Aluminiumkaschierung an der der Beheizungsaufgabe abgewandten Seite (Emissionskoeffizient für Wärmestrahlung ca. 0,1).
    Die Anschlussleistung aller IR-LED-Module eines Strahlungsheizungsmoduls beträgt ca. 567 W. Versorgt werden diese durch zwei Vorschaltgeräte 4, die dafür zusammen eine Leistungsaufnahme von ca. 600 W haben. Die Umwandlungsverluste in Höhe von ca. 33 W werden ca. zu 80 % als Strahlung in Richtung der Beheizungsaufgabe abgestrahlt. Das sind ca. 4,5 % der eingesetzten elektrischen Energie.
  • In Summe gibt eine Strahlungsheizung mit vielen Strahlungsheizungsmodulen entsprechend dem beschriebenen Aufbau ca. 85 bis 87 % der eingesetzten elektrischen Energie in Form von Infrarotstrahlung in Richtung der Beheizungsaufgabe ab.
    Im konkreten Anwendungsfall kommen 75 der beschriebenen Strahlungsheizungsmodule zur Ausführung und stellen in Summe eine Strahlungsheizung mit Halbleiterbauelementen und integrierten Vorschaltgeräten mit einer Anschlussleistung von 45 kW dar. Ca. 39 kW werden davon als Infrarotstrahlung in Richtung der Beheizungsaufgabe abgeben.
  • Zur Lösung der Beleuchtungsaufgabe im konkreten Anwendungsfall werden weitere vier Strahlungsheizungsmodule vollständig mit LEDs 1 ausgestattet, die Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 0,4 bis 0,78 µm abgeben, wodurch die berechnete notwendigen Lichtleistung realisiert werden kann. Diese Module sind somit vollständig Lichtmodule. Eingefügt in das Band der Strahlungsheizung aus 45 Strahlungsheizungsmodulen wird ein einheitliches Erscheinungsbild im Raum erreicht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 - (IR-)LED
    • 2 - Kühlkörper
    • 3 - Wärmeisolierung
    • 4 - Vorschaltgerät
    • 5 - Blech, welches als weiteres Vorrichtungselement eine Kante zur Minimierung der durch freie Konvektion oder aus anderen Gründen entstandenen Luftströmung über der der Beheizungsaufgabe zugewandten Oberfläche, bildet
    • 6 - wärmeisolierende Schicht
    • 7 - rahmenförmige Trägerkonstruktion
    • 8 - Höhendifferenz zwischen Oberfläche Vorschaltgerät und Oberfläche (IR-)LED-Modul

Claims (14)

  1. Strahlungsheizung, bei der mindestens ein Halbleiterbauelement, welches mindestens Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, teilweise von einem Kühlkörper umgeben ist, wobei mindestens eine Oberfläche des Halbleiterbauelementes zur Abgabe von Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm nicht von dem Kühlkörper bedeckt ist, und wobei der Kühlkörper mindestens eine Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm aufweist, und der Kühlkörper mindestens in entgegengesetzter Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm mindestens teilweise in mindestens formschlüssigem Kontakt mit einer Wärmeisolierung angeordnet ist, wobei weiterhin mindestens ein Vorschaltgerät zur Umwandlung der elektrischen Energie für den Betriebsmodus der Halbleiterbauelemente vorhanden ist, welches mit mindestens einer Oberfläche auf der Oberfläche des oder teilweise im Kühlköper positioniert ist und mindestens eine Oberfläche des Vorschaltgerätes in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm weist, und weitere Vorrichtungselemente vorhanden sein können.
  2. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der als Halbleiterbauelement IR-LEDs, LEDs, IR-OLEDs und/oder OLEDs vorhanden sind, die Strahlung ab dem Wellenlängenbereich > 0,4 µm abgeben.
  3. Strahlungsheizung nach Anspruch 2, bei der die Strahlungsheizung Halbleiterbauelemente, die Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgeben, und Halbleiterbauelemente, die Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,4 bis 0,78 µm abgeben, aufweist.
  4. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der der Kühlkörper aus Kupfer, Aluminium und/oder Grafit besteht oder als eine Metallkernleiterplatte ausgebildet ist.
  5. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der die Wärmeisolierung aus mineralischen, anorganischen und organischen Dämmstoffen oder Dämmplatten, vorteilhafterweise aus Steinwolle, Glaswolle, Kalziumsilikat, geschäumten Kunststoffen, geschäumten Elastomeren, Vakuumdämmplatten, pflanzlichen oder tierischen Fasern oder Recyclingmaterial, besteht.
  6. Strahlungsheizung nach Anspruch 5, bei dem die Wärmeisolierung auf der Oberfläche der der Beheizungsaufgabe abgewandten Seite einen geringen Emissionskoeffizienten für Wärmestrahlung aufweist, der vorteilhafterweise durch eine Alukaschierung realisiert ist.
  7. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der das Halbleiterbauelement und/oder das mindestens eine Vorschaltgerät nur an der Oberfläche zur Abgabe von Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm nicht von dem Kühlkörper bedeckt ist.
  8. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der der Kühlköper an allen Oberflächen in formschlüssigem Kontakt mit einer Isolierung angeordnet ist, außer an den Oberflächen, an denen die Halbleiterbauelemente und/oder das Vorschaltgerät angeordnet sind und außer an der Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm.
  9. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei dem als weitere Vorrichtungselemente Aufbauten zur Ver- und/oder Behinderung der Luftströmung über die Oberfläche der Strahlungsheizung, die mindestens Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, vorhanden sind.
  10. Strahlungsheizung nach Anspruch 9, bei der als Aufbauten zur Ver- und/oder Behinderung der Luftströmung über der Oberfläche der Strahlungsheizung, die mindestens Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, Bleche oder Leitbleche vorhanden sind.
  11. Strahlungsheizung nach Anspruch 9 bei der als Aufbauten zur Ver- und/oder Behinderung der Luftströmung über der Oberfläche der Strahlungsheizung, die mindestens Strahlung der Halbleiterbauelemente im Wellenlängenbereich > 0,7 µm abgibt, ein oder mehrere Vorschaltgeräte vorhanden sind, die eine größere Höhendifferenz ihrer Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente aufweisen, gegenüber der Oberfläche in Richtung der Strahlungsabgabe der Halbleiterbauelemente.
  12. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der als weitere Vorrichtungselemente für Strahlung im Wellenlängenbereich > 0,7 µm durchlässige Abdeckungen, optische Linsen und/oder Strahlleitelemente vorhanden sind.
  13. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der die Halbleiterbauelemente und/oder die Vorschaltgeräte auf und/oder in und/oder mit dem Kühlkörper in modularer Bauweise angeordnet sind, und die Module einzeln aus der Strahlungsheizung entfernt werden können.
  14. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, bei der als weitere Vorrichtungselemente eine oder mehrere wärmeisolierende Schichten vorhanden sind, die zwischen Halbleiterbauelementen und/oder Vorschaltgerät und/oder Kühlkörper, jeweils als einzelne Elemente oder als Module, angeordnet sind.
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