ES2560961T3 - Lámpara con elemento de acoplamiento térmico a base de plástico conductor del calor - Google Patents

Lámpara con elemento de acoplamiento térmico a base de plástico conductor del calor Download PDF

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Abstract

Lámpara (1), especialmente para uso en exteriores, con una pluralidad de diodos emisores de luz (LED) (16) dispuestos en una placa de circuitos impresos en una carcasa cerrada (3, 5) compuesta de plástico, con un disipador de calor (12) que está en comunicación con el ambiente exterior, y con, al menos, un elemento de acoplamiento térmico (10) que está compuesto de un material conductor del calor y que está montado en la zona de la pared de carcasa (5) adyacente al disipador de calor (12), para evacuar al disipador de calor el calor generado por los LED (16), estando el o los elementos de acoplamiento térmico (10) compuestos de un plástico conductor del calor que es compatible con el plástico de la carcasa (3, 5), caracterizada porque para cambiar la lámpara puede desmontarse del disipador de calor la carcasa (3, 5) con el elemento de acoplamiento (10).

Description

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Lampara con elemento de acoplamiento termico a base de plastico conductor del calor
[0001] La presente invencion se refiere a una lampara LED cerrada para la utilizacion en exteriores, por ejemplo como farola, o en espacios con atmosfera agresiva o potencialmente explosiva. En particular, se refiere a una lampara de este tipo con un elemento de acoplamiento termico que esta compuesto de un plastico conductor del calor que es compatible con el plastico de la carcasa.
[0002] En los pasados anos, a consecuencia del progreso tecnico en el campo de los diodos emisores de luz (LED), que ha llevado a una bajada de los precios y a un mayor rendimiento luminoso, sus campos de aplicacion se han ampliado en gran medida. Los LED se utilizan ahora para lamparas protegidas contra la humedad y las explosiones. Naturalmente, las carcasas de tales lamparas han de estar cerradas hermeticamente para impedir la penetracion de humedad y gases inflamables. Incluso en los LED, solo una parte de aproximadamente un 20% a un 30% de la energfa electrica consumida se transforma en luz y el resto se presenta como calor perdido. En comparacion con las lamparas con bombillas convencionales, la disipacion de este calor perdido es mucho mas diffcil. Por una parte, la temperatura de los LED debe mantenerse lo mas baja posible, porque de lo contrario se merman el rendimiento y la vida util. Por otra parte, los LED permiten tambien una ejecucion muy compacta y practicamente no irradian calor, de manera que la evacuacion del calor ha de realizarse en primer lugar principalmente mediante conduccion termica, especialmente si debido a la carcasa cerrada no es posible una circulacion de fluido de refrigeracion. Ademas, para muchas aplicaciones se prefiere el plastico como material de carcasa, entre otras cosas porque es ligero y permite un aislamiento de proteccion. Sin embargo, el plastico tiene una conductividad termica baja.
[0003] El documento DE 102007055165 A1 describe un faro LED, especialmente para la utilizacion en vehfculos, con un elemento conductor del calor que se extiende desde una fuente de calor que se halla en una carcasa de faro hasta un elemento de refrigeracion, que esta dispuesto al menos en parte exteriormente en la carcasa de faro. El elemento conductor del calor es preferentemente un tubo termico.
[0004] El documento DE 102006057569 A1 revela un grupo constructivo de faro con reflector integrado y con un disipador de calor que se extiende a traves de la carcasa y que conduce el calor del LED a traves de la pared de la carcasa. Aquf esta previsto un disipador de calor para cada LED, de manera que el diseno es complicado.
[0005] El modelo de utilidad aleman DE 202006015981 U1 describe una lampara LED para iluminacion en calles y carreteras con una disposicion de disipacion de calor. Esta comprende una carcasa cerrada hermeticamente en la que se hallan los LED, un disipador de calor que se esta en comunicacion con el ambiente exterior, y una pluralidad de tubitos disipadores de calor en cuyo extremo de absorcion de calor estan fijados los LED, mientras que el extremo de desprendimiento de calor se extiende a traves de un orificio de paso hermetizado y por el interior del disipador de calor. El diseno de tal disposicion es complicado. Ademas, el funcionamiento de los tubitos disipadores de calor depende de su posicion, lo que carece de importancia solo en caso de un montaje en una lampara para iluminacion en calles y carreteras que luzca hacia abajo.
[0006] El documento DE 102009054926 A1 describe una luz de circulacion diurna para automoviles, en la que la placa de circuitos impresos que lleva los LED es una seccion de pared de la carcasa. La placa de circuitos impresos y la carcasa estan compuestas preferentemente de un plastico homogeneo y estan soldadas entre si.
[0007] La invencion tiene el objetivo de crear una lampara LED con una carcasa cerrada en la que la evacuacion de calor a un disipador de calor que este en comunicacion con el ambiente exterior, se efectue de una manera sencilla e independiente de la posicion de la lampara. Ademas, la lampara debe ser facil de producir y adecuada para un cambio facil de lamparas convencionales o lamparas LED.
[0008] Este objetivo se logra mediante una lampara segun la reivindicacion principal.
[0009] La utilizacion de plasticos conductores del calor para disipadores de calor en combinacion con componentes metalicos para extraer el calor de subgrupos electronicos ya es en si conocida (documento DE 102007057533 A1). Tales plasticos comprenden ingredientes de relleno con buena conductividad termica en forma de partfculas finas en una matriz de plastico. Aunque los ingredientes de relleno pueden tener conductividad electrica, en cualquier caso el plastico conductor del calor no es electricamente conductor si la proporcion del ingrediente de relleno es inferior al umbral de percolacion.
[0010] Segun la invencion, el plastico de la carcasa de la lampara es compatible con el plastico conductor del calor. Con esto quiere decirse que estos plasticos, al menos dentro de ciertos lfmites, pueden mezclarse uno con otro incluso en estado solidificado y son tan similares en cuanto a su comportamiento termico que, en caso de un cambio de temperatura en una union de los dos plasticos, no se producen tensiones que puedan destruir esta union. En caso de duda, el tecnico en la materia puede comprobar si existe compatibilidad entre los dos plasticos mediante ensayos sencillos y adecuados.
[0011] La carcasa y tambien la matriz del plastico conductor del calor estan formadas preferentemente por termoplasticos. De este modo se facilita la produccion de las lamparas segun la invencion.
[0012] En particular, el elemento de acoplamiento termico puede insertarse en una abertura de la pared de la carcasa y soldarse a la misma, fundiendose parcialmente uno con otro los plasticos de los dos componentes o uniendose estos plasticos con un aditivo compatible. Tal soldeo puede realizarse de manera ya conocida, por ejemplo con aire caliente o ultrasonidos. Tambien es posible introducir el elemento de acoplamiento como inserto en un molde de inyeccion para la pared de la carcasa e inyectar a su alrededor el plastico de esta ultima. En este caso
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tambien puede producirse cierta fusion de los dos componentes en la superficie lfmite. De este modo se consigue una union muy buena y hermetica del elemento de acoplamiento termico con la pared de la carcasa.
[0013] Como alternativa, la concha de carcasa que comprende el elemento de acoplamiento puede tambien producirse mediante moldeo por inyeccion en un proceso de dos componentes, por ejemplo formandose en el molde en primer lugar solo el elemento de acoplamiento a partir del plastico conductor del calor y abriendose a continuacion mas el molde para el moldeo del resto de la concha de carcasa. Tambien es posible, adaptando adecuadamente las presiones de llenado, inyectar simultaneamente en el molde los materiales para los dos componentes.
[0014] El termoplastico de la pared de la carcasa y de la matriz del plastico conductor del calor es preferentemente una poliolefina tal como polietileno, polipropileno, una poliamida, un policarbonato, un polfmero vinflico, tereftalato de polietileno o tereftalato de polibutileno. En la eleccion del material de la carcasa pueden tenerse en cuenta requisitos opticos y esteticos.
[0015] El ingrediente de relleno del plastico conductor del calor es preferentemente oxido de aluminio, aluminio, cobre, nitruro de boro o carbono en forma de grafito o nanotubos. Los plasticos conductores del calor adecuados tienen una conductividad termica mayor de 2, preferentemente de aproximadamente 10 y con especial preferencia mayor de 25 W/mK.
[0016] La carcasa de la lampara se compone preferentemente de, al menos, dos conchas, estando el elemento de acoplamiento insertado en la pared de una de las conchas. En el caso de la utilizacion preferida de dos conchas, estas tienen convenientemente bordes congruentes. Para la produccion de las lamparas se unen entre si estos bordes, de manera que se obtiene una carcasa cerrada hermeticamente. Por supuesto, antes de ensamblar las conchas se han de colocar en el interior del elemento de acoplamiento los LED o la placa de circuitos impresos dotada de los LED y se han de montar entradas de corriente y equipos funcionales en caso dado necesarios.
[0017] Preferentemente, las dos conchas de la carcasa se pegan o se sueldan entre si por los bordes, por ejemplo mediante ultrasonidos. Sin embargo, tambien es posible unir hermeticamente entre si las dos conchas de carcasa mediante juntas y elementos de fijacion, tales como clips elasticos o tornillos.
[0018] Los equipos funcionales o las reactancias necesarios para el funcionamiento de los LED pueden colocarse tanto dentro como fuera de la lampara. Si estan dispuestos dentro de la carcasa puede utilizarse para extraer el calor el mismo disipador de calor, correspondientemente agrandado, que para los lEd. Tambien puede preverse en la carcasa un disipador de calor separado para los equipos funcionales, que puede estar incorporado a la pared de la carcasa de igual manera que el destinado a los LED.
[0019] Resulta conveniente unir la placa de circuitos impresos de los LED al elemento de acoplamiento de tal manera que se asegure la mejor transferencia de calor posible, por ejemplo mediante elementos de apriete tales como tornillos con elementos elasticos y/o la utilizacion de una pasta termica.
[0020] Dado que el plastico conductor del calor del elemento de acoplamiento es aislante electrico, puede prescindirse de la utilizacion de una placa de circuitos impresos separada para el montaje de los LED. En lugar de ello, tanto los LED mismos como el cableado necesario para la alimentacion de corriente de los LED pueden colocarse en el elemento de acoplamiento mismo. Las conexiones exteriores necesarias para la alimentacion de corriente tambien pueden pasarse a traves del elemento de acoplamiento. Por ejemplo es posible moldear el elemento de acoplamiento con las conexiones exteriores pasantes a traves suyo y los conductores impresos en la superficie interior mediante moldeo por inyeccion de inserto y despues soldar los LED. Este ultimo paso puede realizarse tambien despues inyectar la concha de carcasa alrededor del elemento de acoplamiento.
[0021] El disipador de calor que pertenece a la lampara segun la invencion y que absorbe el calor del elemento de acoplamiento y esta en comunicacion con el ambiente exterior puede estar compuesto de un metal tal como aluminio, cobre, hierro, o estar compuesto a su vez tambien de plastico conductor del calor. En este ultimo caso, la proporcion de ingrediente de relleno conductor del calor puede incluso estar por encima del umbral de percolacion, dado que por lo general cierta conductividad electrica del disipador de calor no estorba. El disipador de calor puede presentar estructuras para aumentar la superficie libre, como espigas o nervios, y/o tambien ser atravesado por una corriente de aire o de otro fluido refrigerante.
[0022] Para que el elemento de acoplamiento montado en la pared de carcasa pueda evacuar el calor de la carcasa hacia el disipador de calor, que esta en comunicacion con el aire exterior, debe existir un contacto termico adecuado entre los dos componentes. Este puede establecerse por ejemplo montando en el elemento de acoplamiento unos pernos roscados que atraviesen el disipador de calor y lo sujeten mediante unas tuercas enroscadas en los mismos. El intersticio que queda entre los dos componentes se llena convenientemente con una pasta termica. Tambien es posible fijar la carcasa de la lampara al disipador de calor en arrastre de friccion mediante unas espigas. Si se afslan electricamente estas espigas, pueden servir tambien para la alimentacion de corriente. Como alternativa, el elemento de acoplamiento puede estar realizado en una pieza con el disipador de calor, por ejemplo en forma de un cuerpo uniforme compuesto del mismo plastico conductor del calor.
[0023] Segun la invencion, el disipador de calor ha de unirse al elemento de acoplamiento en la carcasa de la lampara de manera desmontable, porque en caso de un cambio de la lampara por regla general es posible seguir utilizando el disipador de calor. De este modo se evita un gasto innecesario de material. La lampara cambiada puede reacondicionarse facilmente, por ejemplo abriendo la carcasa y sustituyendo los LED. En la forma de realizacion especialmente preferida, la carcasa esta cerrada de manera hermetica al aire.
[0024] A continuacion se explica la invencion mas detalladamente por medio del ejemplo de realizacion representado en seccion longitudinal y en seccion transversal ("a" o "b") en la figura 1.
[0025] En la figura puede verse una lampara 1, cuya carcasa esta formada por dos conchas 5 (concha superior) y 3 (concha inferior). Las dos conchas presentan unas bridas perifericas congruentes, que estan soldadas entre si. El
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elemento de acoplamiento termico 10 esta insertado en la concha superior de carcasa 5, de tal manera que reemplaza a una parte de su pared. En la superficie de contacto 24, el plastico conductor del calor del elemento de acoplamiento 10 esta mezclado con el plastico de la concha de carcasa 5 y soldado hermeticamente al mismo. El elemento de acoplamiento 10 esta atravesado por unas espigas de contacto 20, que estan unidas al cableado 18 del elemento de acoplamiento 10 en el lado interior de la concha 5. El cableado 18 esta conectado a los diodos emisores de luz 16 para suministrarles corriente. En el lado exterior de la concha 5, el elemento de acoplamiento 10 se encuentra en contacto termico con el disipador de calor 12, que esta moldeado en forma de nervios 14 en el lado orientado en direccion opuesta a la lampara. Las espigas de contacto 20 estan fijadas en arrastre de friccion en las hembrillas de contacto 22, que aquf se han dibujado demasiado holgadas solo con fines de ilustracion. Las hembrillas de contacto estan aisladas electricamente en el disipador de calor y conectadas a los polos de una fuente de corriente. En este caso, la carcasa de la lampara puede desmontarse facilmente del disipador de calor sacando las espigas de contacto 20 de las hembrillas 22. El disipador de calor puede entonces permanecer en la disposicion de iluminacion. Unos ejemplos no limitativos de longitudes tfpicas de tales lamparas se encuentran entre aproximadamente 80 y 150 cm, con un consumo de potencia desde menos de 20 hasta mas de 150 W.
[0026] En la fabricacion de las lamparas mostradas, en primer lugar se inyecta plastico conductor del calor alrededor de las espigas de contacto 20 para formar el elemento de acoplamiento 10. Despues se introduce este elemento de acoplamiento en el molde para la concha superior de carcasa 5 y se inyecta a su alrededor el plastico previsto para esta concha. Despues el cableado 18 se conecta a las espigas de contacto 20 y se fijan, por ejemplo se sueldan, los diodos emisores de luz al cableado 18 o al elemento de acoplamiento 10. A continuacion se sueldan entre si las dos conchas de carcasa 3 y 5 por las bridas 7 y se obtiene una carcasa de lampara hermetica al aire. Esta se inserta con las espigas de contacto 20 en las hembrillas de contacto 22, con lo que se produce un contacto termico entre el elemento de acoplamiento 10 y el disipador de calor 12 y se forma la lampara 1.
Lista de numeros de referencia
[0027] 1
Lampara
3
Concha inferior de carcasa
5
Concha superior de carcasa
7
Bridas con cordon de soldadura
10
Elemento de acoplamiento
12
Disipador de calor
14
Nervios
16
Diodos emisores de luz (LED)
18
Cableado
20
Espigas de contacto
22
Hembrillas de contacto
24
Superficie de contacto

Claims (12)

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    REIVINDICACIONES
    1. Lampara (1), especialmente para uso en exteriores, con una pluralidad de diodos emisores de luz (LED) (16) dispuestos en una placa de circuitos impresos en una carcasa cerrada (3, 5) compuesta de plastico, con un disipador de calor (12) que esta en comunicacion con el ambiente exterior, y con, al menos, un elemento de acoplamiento termico (10) que esta compuesto de un material conductor del calor y que esta montado en la zona de la pared de carcasa (5) adyacente al disipador de calor (12), para evacuar al disipador de calor el calor generado por los LED (16), estando el o los elementos de acoplamiento termico (10) compuestos de un plastico conductor del calor que es compatible con el plastico de la carcasa (3, 5), caracterizada porque para cambiar la lampara puede desmontarse del disipador de calor la carcasa (3, 5) con el elemento de acoplamiento (10).
  2. 2. Lampara segun la reivindicacion 1, caracterizada porque en el elemento de acoplamiento (10) estan montados unos pernos roscados que atraviesan el disipador de calor (12) y lo sujetan mediante unas tuercas enroscadas en los mismos.
  3. 3. Lampara segun la reivindicacion 1, caracterizada porque la carcasa de lampara (3, 5) esta fijada al disipador de calor en arrastre de friccion mediante unas espigas.
  4. 4. Lampara segun la reivindicacion 3, caracterizada porque las espigas son espigas de contacto (20), que estan fijadas en arrastre de friccion en unas hembrillas de contacto (22) que estan aisladas entre si en el disipador de calor (12) y conectadas a una fuente de suministro de corriente.
  5. 5. Lampara segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el plastico conductor del calor es un material termoplastico que comprende un ingrediente de relleno conductor del calor, y porque la carcasa esta compuesta de un material termoplastico.
  6. 6. Lampara segun la reivindicacion 5, caracterizada porque la pared de carcasa (5) esta soldada al elemento de acoplamiento (12) o inyectada alrededor del mismo.
  7. 7. Lampara segun la reivindicacion 5 o 6, caracterizada porque el material termoplastico es una poliolefina, una poliamida, un policarbonato, tereftalato de polietileno o tereftalato de polibutileno.
  8. 8. Lampara segun la reivindicacion 5 a 7, caracterizada porque el ingrediente de relleno conductor del calor es oxido de aluminio, aluminio, cobre, nitruro de boro o carbono en forma de grafito o de nanotubos.
  9. 9. Lampara segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la carcasa se compone de, al menos, dos conchas (3, 5), estando el elemento de acoplamiento insertado en la pared de una de las conchas (5).
  10. 10. Lampara segun la reivindicacion 9, caracterizada porque, para formar la carcasa cerrada, las conchas se pegan o se sueldan entre si.
  11. 11. Lampara segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el elemento de acoplamiento (12) constituye al mismo tiempo la placa de circuitos impresos sobre la que estan colocados los LED (16) con su cableado (18).
  12. 12. Procedimiento para fabricar una lampara segun una de las reivindicaciones precedentes, que comprende las etapas de:
    - preparacion de un disipador de calor (12) con hembrillas de contacto (22) que estan aisladas entre si y pueden conectarse a los polos de una fuente de suministro de corriente,
    - produccion del elemento de acoplamiento (10), inyectando un plastico conductor del calor alrededor de unas espigas de contacto (20) introducidas en un molde,
    - introduccion del elemento de acoplamiento en un molde para la concha superior de carcasa (5) de la lampara e inyeccion de un material termoplastico alrededor de dicho elemento de acoplamiento,
    - conexion de un cableado (18) a las espigas de contacto (20),
    - fijacion de los diodos emisores de luz (16) al cableado,
    - soldeo de la concha superior de carcasa (5) a la concha inferior de carcasa (3),
    - introduccion de las espigas de contacto (18) en las hembrillas de contacto (22) del disipador de calor.
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