WO2012052326A1 - Leuchtvorrichtung und verfahren zum kühlen einer halbleiterlichtquelle - Google Patents

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cooling
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Siegfried Herrmann
Robert Kraus
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    • F21K9/20—Light sources comprising attachment means
    • F21K9/23—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to an apparatus, comprising Minim ⁇ least a semiconductor device and a Schwingungser Wegungs- element for generating a cooling air flow for cooling the semiconductor device.
  • the invention further relates to a method for cooling at least one semiconductor light source, in particular a light-emitting diode.
  • DE 10 2008 038 549 A1 proposes to excite and operate a piezoelectric actuator with a vibration diaphragm mounted thereon with ultrasonic frequencies for cooling small electronic circuits, for example electronic ballasts.
  • the vibrations of the vibrating diaphragm create an air flow which cools the circuit.
  • semiconductor light sources are known, which are attached to a heat sink. If the semiconductor light-emitting device only passively cooled by the cooling body, the cooling body must be relatively large dimen sioned ⁇ , for achieving the required cooling capacity. If the semiconductor luminescent device is actively cooled by means of a fan blowing on the heat sink, the heat sink may be smaller. However, then occurs a disturbing operating noise of the fan.
  • the object is achieved by a lighting device aufwei ⁇ send at least one semiconductor light source and a vibration genungselement generating a cooling air flow, wherein the vibration generating element is a transformer for operating the at least one semiconductor light source.
  • the typically occurring vibration of the transformer is thus used specifically for generating an air flow, which cools the at least one semiconductor light source (directly or indirectly).
  • cooling ⁇ performance in comparison with a purely passive cooling can be improved and a compact design at the same cooling performance are made possible.
  • the use of the transformer be ⁇ compels no further noise-generating components, so that such a light device is quieter than a lighting device with a fan.
  • the transformer is designed as a vibration generating element for generating He ⁇ a cooling air flow in other words, in addition to its converter function.
  • the transformer can convert an electrical supply signal, for example a supply voltage, into an electrical operating signal, for example an operating voltage, for operating the at least one semiconductor light source.
  • the transformer may be arranged stationary.
  • the stationary arrangement may include in particular ⁇ sondere that a focus of the transformer does not oscillate during its operation.
  • the transformer may then generate, for example, an air flow by means of a vibration of external surfaces.
  • the transformer (as such) can be arranged to oscillate.
  • the oscillatable Anord ⁇ drying may comprise, in particular, that a focus of the transformer resonates with the operation thereof.
  • the transformer can then generate an air flow, for example by means of a displacement.
  • the at least one semiconductor light source directly cool, for example by means of a sweep of the Minim ⁇ least one semiconductor light source, and / or indirectly cool, for example by means of a sweep of at least one element is thermally coupled to the at least one semiconductor light source such as a heat sink.
  • the transformer is a piezoelectric transformer.
  • the coupling takes place mechanically.
  • Is used here both the piezoelectric as well as the inverse piezo electric ⁇ principle. This makes it possible to realize an extremely compact design, in particular with a height of less than 1 mm.
  • piezotransformers are particularly suitable for lamp ballasts etc.
  • Another advantage is an efficiency of around 95%, which is significantly higher than the value of conventional electromagnetic transformers. Especially with devices that are operated with batteries or rechargeable batteries, thus increasing the service life.
  • piezoelectric transformer Since the coupling of the primary and secondary side of the piezoelectric transformer is purely mechanical, EMC problems, as they occur in electromagnetic ⁇ tic coupling, not on. This is particularly advantageous if the piezoelectric transformer is operated in close proximity to sensitive MOS ICs that use cu ⁇ engined supply and signal voltages and high impedances. Due to its technical advantages, piezotransformers are particularly suitable as converters for LED Lighting systems. The use of the piezoelectric transformer has the advantage that it more oscillates in contrast to the conven tional ⁇ electromagnetic transformer and so can generate a greater airflow.
  • the transformer is coupled to a resonator structure, so that the vibrations of the transformer can be transferred over a large area to the air, which can improve a cooling performance.
  • the transformer is mounted on a vibration device.
  • the vibrator allows a swing of the transformer (as such or its center of gravity).
  • the transformer can be stored or held free-swinging in particular by means of the vibration device.
  • the vibrator mechanically decouples the transformer from a stationary or non-vibrating pad or base.
  • the vibrator may e.g. a spring element, in particular a coil spring or a rubber block, be.
  • the vibration device has at least one preferred direction of vibration. Since ⁇ by the vibration of the transformer can be addressed ⁇ the to generate a defined, particularly effective cooling air flow.
  • the vibration device can implement a vibration of the transformer for example, substantially in a li ⁇ -linear oscillating movement.
  • the vibration device can then eg have a particularly low modulus of elasticity in the preferred direction of vibration (be particularly yielding) and, for example, have an increased modulus of elasticity and / or abutments transversely to the preferred direction of vibration.
  • the non-vibrating heat sink may include a portion of the vibrator, eg, by providing lateral stops.
  • the at least one semiconductor light source is mounted on a (relative to the light emitting device ⁇ ) stationary or non-oscillating heat sink and the transformer is vibrationally housed in a cavity (or cavity) of the non-oscillating heat sink.
  • the transformer can therefore oscillate in the cavity.
  • the transformer can thus serve as a (in particular low-compression) piston, which is moved in the non-oscillating heat sink, wherein the cavity serves as a cylinder.
  • a particularly strong draft can be generated over the (inner) surface of the heat sink with an effec ⁇ tive convection effect.
  • the at least one semiconductor light source can in particular be arranged on an outer side of the non-oscillating heat sink, while the cavity is delimited by an inner side of the non-oscillating heat sink.
  • the cavity is open to the air.
  • the cavity min ⁇ least one air passage channel is connected to an outer side of the heat sink means.
  • the cavity is covered by egg ⁇ nes non-oscillating air permeable bottom.
  • the air openness can be achieved in a particularly simp ⁇ che way. It can produce a particularly star ⁇ ker air stream at a ceiling opposite the bottom of the cavity.
  • the vibration device in particular spring element, is mounted on the luft thanklässi ⁇ gene soil. This allows a particularly kompak ⁇ te and inexpensive design.
  • the transformer is fixedly connected to a resonant heat sink, wherein the resonant heat sink is separated with the non-vibrating heat sink through an air gap.
  • the resonant heat sink may thus serve as a (low compression) piston which is moved in the non-oscillating heat sink, the cavity serving as a cylinder. While the shape of the resonating heat sink is optimized for the cooling performance and in this regard, e.g. at a gap distance to the non-vibrating or stationary heat sink, the transformer thereof can be highly independently optimized for good efficiency.
  • the lighting device is a lamp.
  • the lamp may be a retrofit lamp, e.g. a halogen retrofit lamp or an incandescent retrofit lamp.
  • the at least one semiconductor light source ⁇ comprises at least one light emitting diode. If several LEDs are present, they can be lit in the same color or in different colors. A color can be monochrome (eg red, green, blue etc.) or multichrome (eg white).
  • the light emitted by the at least one light-emitting diode can also be an infrared light (IR LED) or an ultraviolet light (UV LED).
  • IR LED infrared light
  • UV LED ultraviolet light
  • Several light emitting diodes can produce a mixed light; eg a white mixed light.
  • the at least one light-emitting diode may contain at least one wavelength-converting phosphor (conversion LED).
  • the at least one light-emitting diode can be present in the form of at least one individually ge ⁇ ned LED or in the form of at least one LED chip. Several LED chips can be on a common Submount be mounted.
  • the at least one light-emitting diode may be equipped with at least one own and / or ge ⁇ common optical system for beam guidance, for example, at least one Fresnel lens, collimator, and so on.
  • the at least one semiconductor light source may have, for example Minim ⁇ least one diode laser.
  • the semiconductor light source capable of cooperating with a phosphor, for example, immediately adjacent to an emitter area in the vicinity of an emitter ⁇ surface and / or away from an emitter surface ( "remote phosphor").
  • At least one component of a driver for operating the at least one semiconductor light source, in particular the entire driver, is attached to a (vibrating) element, for example to the transformer (possibly via a printed circuit board). or on the resonating heat sink.
  • a driver for example to the transformer (possibly via a printed circuit board). or on the resonating heat sink.
  • the at least one driver module may be cooled directly in the air stream, so that an even more compact design is made possible.
  • the driver may in particular be electrically connected between the transformer and the at least one semiconductor light source.
  • the object is also achieved by a method for cooling at least one semiconductor light source, wherein an air flow for cooling the at least one semiconductor light source by means of a vibrational motion of a transformer for operating the at least one semiconductor light source, in particular for converting a supply voltage into an operating voltage is generated.
  • the transformer is suspended swinging and is fixedly connected to a swinging heat sink, wherein the transformer with the oscillating Heatsink in an open-air cavity of a non-oscillating heat sink oscillates.
  • FIG. 1 shows a sectional illustration in side view of a lighting device according to a second embodiment.
  • Fig.l shows a lighting device LI according to a first embodiment with a semiconductor light source in the form of a light emitting diode 1.
  • the lighting device LI has a longitudinal axis S, to which they in particular substantially rotationally symmetric or rotationally symmetrical (with discrete symmetry angles) can be configured.
  • the light-emitting diode 1 is connected with its rear side on a circuit board 2 lying flat buildin ⁇ Untitled. The light-emitting diode 1 radiates upwards or forwards into a front half-space.
  • the printed circuit board 2 is surface-mounted on an outer side 3a of a first, stationary or non-oscillating heat sink 3, so that the heat sink 3 is in good thermal contact with the light-emitting diode 1.
  • the heat sink 3 can in particular consist of a material with good thermal conductivity, with a heat conductivity ⁇ > 15 W / (mK), in particular with ⁇ > 100 W / (mK), for example with aluminum and / or copper.
  • the heat sink 3 has a rearwardly or rearwardly open cavity or cavity 4, whose wall corresponds to a mecanicsei ⁇ te 3b of the heat sink 3.
  • a piezoelectric transformer 5 which is fastened with its underside to a first end of a spiral spring 6.
  • the piezotransformer 5 vibrates during its operation, wherein the vibrations lead to oscillation of the piezotransformer 5 as such (including its center of gravity) on the coil spring 6.
  • the coil spring 6 is a vibration of the piezoelectric transformer 5 along the longitudinal axis S of the lighting device is preferred so that it oscillates substantially linearly along the longitudinal axis S and in the likewise aligned along the longitudinal axis S cavity 4.
  • a vibration transverse to the longitudinal axis is suppressed by the spiral ⁇ spring 6; additionally or alternatively, a cross-vibration component can be limited by acting as a stop in ⁇ inner side 3b of the radiator.
  • the piezotransformer 5 is fastened with its lower side to the spiral spring 6, its lateral side (s) oriented perpendicular to the longitudinal axis S and its front side oriented in the direction of the longitudinal axis S are covered by a shell-shaped, resonant heat sink 7.
  • the heat sink 7 can in particular consist of a good heat-conductive material with a thermal conductivity ⁇ > 15 W / (mK) best ⁇ hen, in particular with ⁇ > 100 W / (mK), for example with aluminum and / or copper.
  • the heat sink 7 is connected by at least one connecting element 8 fixed to the transformer 5, that is, that the heat sink 7 and the transformer 5 do not oscillate against each other.
  • the connecting member 8 may be in particular ⁇ sondere thermally conductive.
  • the resonant heat sink 7 is separated from the non-oscillating heat sink 3 by a lateral gap p.
  • the coil spring 6 is attached at its other end to an air-permeable cover or bottom 9.
  • the air-permeable bottom 9 closes a rear or rearward ge opening of the cavity 4 and is fixed to the non-vibrating heat sink 3.
  • the bottom 9 is therefore also non-oscillating or stationary.
  • the floor 9 has a plurality of air passage channels 10 between the cavity 4 and an environment.
  • a primary side of the piezoelectric transformer 5 is supplied with a supply change ⁇ voltage, whereby the primary side oscillates.
  • a secondary side is mechanically connected to the primary side and is vibrated from the primary side.
  • an electrical signal is generated on the secondary side, which is provided for operating the light emitting diode, possibly after a signal treatment, such as a rectification.
  • the vibrations or vibrations generated by the piezoelectric effect also cause the piezo transformer 5 and the resonating heat sink 7 to oscillate on the spiral spring 6, essentially along the longitudinal axis S.
  • the resonant heat sink 7 thus runs up and down in the manner of a piston in the cavity 4, wherein the cavity 4 acts like a cylinder.
  • air A is alternately compressed and expanded in a space 11 between the front side of the resonating heat sink 7 and the cavity 4, resulting in an air flow in the space 11 and the gap p.
  • heated air A is pushed out of the cavity 4 through the air-permeable bottom 9, and colder air A is drawn in through the air-permeable bottom 9 into the cavity 4.
  • a cooling air flow over the surfaces of the heat sink 3 and 7 is generated, as well as an exchange of air with the environment.
  • the light-emitting diode 1 and the piezoelectric transformer 5 can be cooled.
  • Die Luminous device L2 is configured as an incandescent retrofit lamp for replacing a conventional incandescent lamp.
  • the lighting device L2 operates basically similar to the light emitting device LI, however, the rearwardly open cavity 4 is terminated by an electrical connector element in the form ei ⁇ nes Edison base 12 here. Since the Edison base 12 is not air-open or air-permeable, 13 laterally in the non-oscillating heat sink air passage openings 14 are provided, through which an exchange of air between the cavity 4 and the environment can take place when operated lighting device L2.
  • the cooling body 13 can on its lateral lateral surface a plurality of cooling fins or similar. exhibit.
  • the light emitting diode 1 is surmounted by a ⁇ light-transmissive envelope 15 which is secured to the heat sink. 13
  • a driver although not explicitly shown, represent ei ⁇ nen part of the lighting devices.
  • the presence of air passage openings for air exchange between the cavity and the environment is not limited to a particular area of the cavity.
  • the resonating heat sink may not be a good heat conductor shaped and may play as made of plastic with ⁇ . This will still the breeze to cool the at least one semiconductor light source ⁇ , especially the non-vibrating heat sink, he testifies ⁇ .
  • the at least one semiconductor light source may be out on a non-vibrating element attached also to a vibrating (with) element, for example at the transformer (possibly via a printed circuit board) or on the mitschwin ⁇ heatsinks.
  • This may involve a small oscillation of the emitted light cone, even beneficial, for example, is but one ⁇ settable for increasing the beam width.
  • the oscillating elements can also be guided mechanically, for example by means of at least one guide rail.

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Abstract

Die Leuchtvorrichtung (L1) weist mindestens eine Halbleiterlichtquelle (1) und ein Schwingungserzeugungselement zur Erzeugung eines Kühlluftstroms auf, wobei das Schwingungserzeugungselement ein Transformator (5) zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (1) ist. Das Verfahren dient zum Kühlen mindestens einer Halbleiterlichtquelle (1), wobei ein Luftstrom (L) zum Kühlen der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (1) mittels einer Schwingungsbewegung eines Transformators (5) zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (1) erzeugt wird.

Description

Beschreibung
Leuchtvorrichtung und Verfahren zum Kühlen einer Halbleiterlichtquelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, aufweisend mindes¬ tens ein Halbleiterbauelement und ein Schwingungserzeugungs- element zur Erzeugung eines Kühlluftstroms zur Kühlung des Halbleiterbauelements. Die Erfindung betrifft ferner ein Ver¬ fahren zum Kühlen mindestens einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere Leuchtdiode.
In DE 10 2008 038 549 AI wird vorgeschlagen, zur Kühlung von kleinen elektronischen Schaltungen, beispielsweise elektronischen Vorschaltgeräten, einen piezoelektrischen Aktor mit einer davon montierten Schwingmembran mit Ultraschallfrequenzen anzuregen und zu betreiben. Die Schwingungen der Schwingmembran erzeugen einen Luftstrom, der die Schaltung kühlt.
Für Halbleiterleuchtvorrichtungen sind Halbleiterlichtquellen bekannt, welche an einem Kühlkörper angebracht sind. Wird die Halbleiterleuchtvorrichtung nur passiv mittels des Kühlkörpers gekühlt, muss der Kühlkörper verhältnismäßig groß dimen¬ sioniert sein, um die erforderliche Kühlleistung zu ereichen. Wird die Halbleiterleuchtvorrichtung aktiv mittels eines den Kühlkörper anblasenden Lüfters gekühlt, kann der Kühlkörper kleiner ausfallen. Jedoch tritt dann ein störendes Betriebsgeräusch des Lüfters auf.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlmög¬ lichkeit für Halbleiterlichtquellen bereitzustellen, welche bei gleicher Kühlleistung eine geringere Bauform aufweist als ein passiv kühlender Kühlkörper und geräuschärmer ist als ein Lüfter . Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Aus führungs formen sind insbesonde¬ re den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufwei¬ send mindestens eine Halbleiterlichtquelle und ein Schwin- gungserzeugungselement zur Erzeugung eines Kühlluftstroms, wobei das Schwingungserzeugungselement ein Transformator zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle ist.
Die typischerweise auftretende Vibration des Transformators wird also gezielt zur Erzeugung eines Luftstroms eingesetzt, welcher die mindestens eine Halbleiterlichtquelle (direkt o- der indirekt) kühlt. So kann bei gleicher Baugröße eine Kühl¬ leistung im Vergleich zu einer rein passiven Kühlung verbessert werden bzw. eine bei gleicher Kühlleistung kompaktere Bauform ermöglicht werden. Die Nutzung des Transformators be¬ nötigt keine weiteren lärmerzeugenden Bauelemente, so dass eine solche Leuchtvorrichtung geräuschärmer ist als eine Leuchtvorrichtung mit einem Lüfter.
Der Transformator ist in anderen Worten zusätzlich zu seiner Wandlerfunktion als ein Schwingungserzeugungselement zur Er¬ zeugung eines Kühlluftstroms ausgebildet. Der Transformator kann insbesondere ein elektrisches Versorgungssignal, z.B. eine Versorgungsspannung, in ein elektrisches Betriebssignal, z.B. eine Betriebsspannung, zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle umwandeln.
Zur Erzeugung des Kühlluftstroms kann der Transformator stationär angeordnet sein. Die stationäre Anordnung kann insbe¬ sondere umfassen, dass ein Schwerpunkt des Transformators bei dessen Betrieb nicht schwingt. Der Transformator kann dann z.B. einen Luftstrom mittels einer Vibration außenliegender Oberflächen erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der Transformator (als solcher) schwingfähig angeordnet sein. Die schwingfähige Anord¬ nung kann insbesondere umfassen, dass ein Schwerpunkt des Transformators bei dessen Betrieb schwingt. Der Transformator kann dann einen Luftstrom z.B. mittels einer Verdrängung erzeugen .
Der Luftstrom kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle direkt kühlen, z.B. mittels eines Überstreichens der mindes¬ tens einen Halbleiterlichtquelle, und/oder indirekt kühlen, z.B. mittels eines Überstreichens mindestens eines mit der mindestens einen Halbleiterlichtquelle thermisch gekoppelten Elements, z.B. eines Kühlkörpers.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Transformator ein Piezo- transformator ist. Im Gegensatz zu einem konventionellen e- lektromagnetischen Transformator, bei dem die Sekundär- und Primärseite über ein Magnetfeld gekoppelt sind, erfolgt beim Piezotransformator die Kopplung mechanisch. Genutzt wird dabei sowohl das piezoelektrische wie auch das inverse piezo¬ elektrische Prinzip. Dadurch lässt sich eine äußerst kompakte Bauform realisieren, insbesondere mit einer Bauhöhe von unter 1 mm. Wegen des in weiten Grenzen flexiblen Formfaktors eignen sich Piezotransformatoren insbesondere für Lampenvor- schaltgeräte usw. Ein weiterer Vorteil ist ein Wirkungsgrad von rund 95%, der damit deutlich über dem Wert von konventionellen elektromagnetischen Transformatoren liegt. Gerade bei Geräten, die mit Batterien oder Akkus betrieben werden, erhöht sich damit die Betriebsdauer. Da die Kopplung der Primär- und Sekundärseite beim Piezotransformator rein mechanisch erfolgt, treten EMV-Probleme, wie sie bei elektromagne¬ tischer Kopplung auftreten, nicht auf. Dies ist insbesondere von Vorteil, falls der Piezotransformator in unmittelbarer Nähe von empfindlichen MOS-ICs betrieben wird, die mit nied¬ rigen Versorgungs- und Signalspannungen sowie hohen Impedanzen arbeiten. Durch seine technischen Vorteile eignen sich Piezotransformatoren insbesondere als Wandler für LED- Beleuchtungssysteme. Die Verwendung des Piezotransformators weist den Vorteil auf, dass er im Gegensatz zu dem konventio¬ nellen elektromagnetischen Transformator stärker schwingt und so einen stärkeren Luftstrom erzeugen kann.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Transformator mit einer Resonatorstruktur gekoppelt ist, so dass die Schwingungen des Transformators großflächiger an die Luft übertragbar sind, was eine Kühlleistung verbessern kann .
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Transformator an einer Schwingungseinrichtung gehaltert ist. Die Schwingungseinrichtung ermöglicht ein Schwingen des Transformators (als solchem bzw. dessen Schwerpunkts) . Der Transformator kann mittels der Schwingungseinrichtung insbesondere freischwingend gelagert oder gehaltert sein. Die Schwingungseinrichtung entkoppelt in anderen Worten den Transformator mechanisch von einer stationären oder nicht-schwingenden Unterlage oder Basis. Die Schwingungseinrichtung kann z.B. ein Federelement, insbesondere eine Spiralfeder oder ein Gummiblock, sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schwingungseinrichtung mindestens eine bevorzugte Schwingungsrichtung aufweist. Da¬ durch kann die Schwingung des Transformators gerichtet wer¬ den, um einen definierten, besonders effektiven Kühlluftstrom zu erzeugen. Die Schwingungseinrichtung kann eine Schwingung des Transformators beispielsweise im Wesentlichen in eine li¬ neare Schwingungsbewegung umsetzen. Die Schwingungseinrichtung kann dann z.B. in der bevorzugten Schwingungsrichtung einen besonders geringen Elastizitätsmodul aufweisen (besonders nachgiebig sein) und z.B. quer zu der bevorzugten Schwingungsrichtung einen erhöhten Elastizitätsmodul und/oder Anschläge aufweisen. Der nicht-schwingende Kühlkörper kann einen Teil der Schwingungseinrichtung aufweisen, z.B. indem er seitliche Anschläge bereitstellt. Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle an einem (relativ zu der Leucht¬ vorrichtung) stationären oder nicht-schwingenden Kühlkörper angebracht ist und der Transformator schwingfähig in einer Kavität (oder Hohlraum) des nicht-schwingenden Kühlkörpers untergebracht ist. Bei Betrieb kann der Transformator also in der Kavität schwingen. Der Transformator kann somit als ein (insbesondere geringverdichtender) Kolben dienen, der in dem nicht-schwingenden Kühlkörper bewegt wird, wobei die Kavität als ein Zylinder dient. So kann ein besonders starker Luftzug über die (innere) Oberfläche des Kühlkörpers mit einer effek¬ tiven Konvektionswirkung erzeugt werden.
Die mindestens eine Halbleiterlichtquelle kann insbesondere an einer Außenseite des nicht-schwingenden Kühlkörpers ange¬ ordnet sein, während die Kavität durch eine Innenseite des nicht-schwingenden Kühlkörpers begrenzt ist.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Kavität luftoffen ist. So kann durch einen Luftaustausch zwischen der Kavität und der Außenseite erwärmte Luft aus der Kavität herausge¬ drückt und kühlere Frischluft angesaugt werden, was eine Kühlwirkung weiter erhöht. Unter einer Luftoffenheit kann insbesondere verstanden werden, dass die Kavität mittels min¬ destens eines Luftdurchlasskanals mit einer Außenseite des Kühlkörpers verbunden ist.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass die Kavität mittels ei¬ nes nicht-schwingenden luftdurchlässigen Bodens abgedeckt ist. Dadurch kann die Luftoffenheit auf eine besonders einfa¬ che Weise erreicht werden. Es lässt sich ein besonders star¬ ker Luftstrom an einer dem Boden gegenüberliegenden Decke der Kavität erzeugen. Insbesondere falls die Halbleiterlichtquel¬ le (n) an der Decke angebracht sind, (z.B. an einer der Kavität abgewandten Seite der Decke) wird eine besonders hohe Kühlwirkung erreicht. Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass die Schwingungseinrichtung, insbesondere Federelement, auf dem luftdurchlässi¬ gen Boden angebracht ist. Dadurch wird eine besonders kompak¬ te und preisgünstige Bauform ermöglicht.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Transformator fest mit einem mitschwingenden Kühlkörper verbunden ist, wobei der mitschwingende Kühlkörper mit dem nicht-schwingenden Kühlkörper durch einen Luftspalt getrennt ist. Der mitschwingende Kühlkörper kann somit als ein (geringverdichtender) Kolben dienen, der in dem nicht-schwingenden Kühlkörper bewegt wird, wobei die Kavität als Zylinder dient. Während die Form des mitschwingenden Kühlkörpers auf die Kühlleistung hin optimiert ist und diesbezüglich z.B. auf einen Spaltabstand zu dem nicht-schwingenden oder stationären Kühlkörper, kann der Transformator davon hochgradig unabhängig auf einen guten Wirkungsgrad hin optimiert sein.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung eine Lampe ist. Die Lampe kann insbesondere eine Retrofitlam- pe sein, z.B. eine Halogenlampen-Retrofitlampe oder eine Glühlampen-Retrofitlampe .
Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlicht¬ quelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z.B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z.B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z.B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED) . Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln ge¬ nausten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat ("Submount") montiert sein. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder ge¬ meinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z.B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. An¬ stelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z.B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs ) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z.B. mindes¬ tens einen Diodenlaser aufweisen. Die Halbleiterlichtquelle kann mit einem Leuchtstoff zusammenwirken, z.B. unmittelbar angrenzend an eine Emitterfläche, in der Nähe einer Emitter¬ fläche und/oder entfernt von einer Emitterfläche ("Remote Phosphor" ) .
Es ist noch eine Weiterbildung, dass mindestens ein Baustein eines Treibers (Treiberbaustein) zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle, insbesondere der gesamte Trei¬ ber, an einem (mit) schwingenden Element angebracht ist, z.B. an dem Transformator (ggf. über eine Leiterplatte) oder an dem mitschwingenden Kühlkörper. Dadurch mag der mindestens eine Treiberbaustein direkt in dem Luftstrom gekühlt werden, so dass eine noch kompaktere Bauform ermöglicht wird. Der Treiber kann insbesondere elektrisch zwischen den Transformator und die mindestens eine Halbleiterlichtquelle geschaltet sein .
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen mindestens einer Halbleiterlichtquelle, wobei ein Luftstrom zum Kühlen der mindestens einer Halbleiterlichtquelle mittels einer Schwingungsbewegung eines Transformators zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle, insbesondere zum Umwandeln einer Versorgungsspannung in eine Betriebsspannung, erzeugt wird.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Transformator schwingend aufgehängt ist und mit einem schwingenden Kühlkörper fest verbunden ist, wobei der Transformator mit dem schwingenden Kühlkörper in einer luftoffenen Kavität eines nicht- schwingenden Kühlkörpers schwingt.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemen¬ te mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. zeigt als Schnittdarstel lung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungs- form;
zeigt als Schnittdarstel lung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungs- form.
Fig.l zeigt eine Leuchtvorrichtung LI gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer Halbleiterlichtquelle in Form einer Leuchtdiode 1. Die Leuchtvorrichtung LI weist eine Längsachse S auf, zu der sie insbesondere im Wesentlichen rotationssymmetrisch oder drehsymmetrisch (mit diskreten Symmetriewinkeln) ausgestaltet sein kann. Die Leuchtdiode 1 ist mit ihrer Rückseite auf einer Leiterplatte 2 flächig aufliegend befes¬ tigt. Die Leuchtdiode 1 strahlt nach oben oder vorne in einen vorderen Halbraum.
Die Leiterplatte 2 ist flächig auf einer Außenseite 3a eines ersten, stationären oder nicht-schwingenden Kühlkörpers 3 befestigt, so dass der Kühlkörper 3 in gutem thermischen Kontakt mit der Leuchtdiode 1 steht. Während eines Betriebs der Leuchtdiode 1 kann so ein erheblicher Teil der von der Leuchtdiode erzeugten Abwärme auf den Kühlkörper 3 abgeführt werden. Der Kühlkörper 3 kann insbesondere aus einem gut wär- meleit fähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit λ > 15 W/(m-K) bestehen, insbesondere mit λ > 100 W/(m-K), z.B. mit Aluminium und/oder Kupfer. Der Kühlkörper 3 weist einen rückwärtig oder nach hinten offenen Hohlraum oder Kavität 4 auf, deren Wand einer Innensei¬ te 3b des Kühlkörpers 3 entspricht. Innerhalb der Kavität 4 befindet sich ein Piezotransformator 5, der mit seiner Unterseite an einem ersten Ende einer Spiralfeder 6 befestigt ist. Der Piezotransformator 5 vibriert während seines Betriebs, wobei die Vibrationen zu einer Schwingung des Piezotransfor- mators 5 als solchem (einschließlich seines Schwerpunkts) an der Spiralfeder 6 führt. Durch die Spiralfeder 6 wird eine Schwingung des Piezotransformators 5 entlang der Längsachse S der Leuchtvorrichtung bevorzugt, so dass dieser im Wesentlichen linear entlang der Längsachse S und in der ebenfalls entlang der Längsachse S ausgerichteten Kavität 4 schwingt. Eine Schwingung quer zu der Längsachse wird durch die Spiral¬ feder 6 unterdrückt; zusätzlich oder alternativ kann eine Querschwingungskomponente durch die als Anschlag wirkende In¬ nenseite 3b des Kühlkörpers 3 begrenzt werden.
Während der Piezotransformator 5 mit seiner Unterseite an der Spiralfeder 6 befestigt ist, sind seine senkrecht zu der Längsachse S ausgerichtete (n) Mantelseite (n) und seine in Richtung der Längsachse S ausgerichtete Vorderseite von einem schalenförmigen, mitschwingenden Kühlkörper 7 überdeckt. Der Kühlkörper 7 kann insbesondere aus einem gut wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit λ > 15 W/(m-K) beste¬ hen, insbesondere mit λ > 100 W/(m-K), z.B. mit Aluminium und/oder Kupfer. Der Kühlkörper 7 ist durch mindestens ein Verbindungselement 8 fest mit dem Transformator 5 verbunden, d.h., dass der Kühlkörper 7 und der Transformator 5 nicht gegeneinander schwingen. Das Verbindungselement 8 kann insbe¬ sondere thermisch leitfähig sein. Der mitschwingende Kühlkörper 7 ist durch einen seitlichen Spalt p von dem nicht- schwingenden Kühlkörper 3 getrennt.
Die Spiralfeder 6 ist mit ihrem anderen Ende an einer luftdurchlässigen Abdeckung oder Boden 9 befestigt. Der luftdurchlässige Boden 9 verschließt eine hintere oder rückwärti- ge Öffnung der Kavität 4 und ist an dem nicht-schwingenden Kühlkörper 3 befestigt. Der Boden 9 ist somit selbst auch nicht-schwingend oder stationär. Für eine Erlangung der Luftdurchlässigkeit weist der Boden 9 mehrere Luftdurchlasskanäle 10 zwischen der Kavität 4 und einer Umgebung auf.
Bei einem Betrieb der Leuchtvorrichtung LI ist eine Primärseite des Piezotransformators 5 mit einer Versorgungswechsel¬ spannung beaufschlagt, wodurch die Primärseite schwingt. Eine Sekundärseite ist mechanisch mit der Primärseite verbunden und wird von der Primärseite in Schwingung versetzt. Durch die mechanischen Schwingungen wird an der Sekundärseite ein elektrisches Signal erzeugt, welches zum Betreiben der Leuchtdiode vorgesehen ist, ggf. nach einer Signalbehandlung, z.B. einer Gleichrichtung. Die durch den Piezoeffekt erzeugten Schwingungen oder Vibrationen bewirken auch, dass der Piezotransformator 5 und der mitschwingende Kühlkörper 7 auf der Spiralfeder 6 schwingen, und zwar im Wesentlichen entlang der Längsachse S.
Der mitschwingende Kühlkörper 7 läuft somit nach Art eines Kolbens in der Kavität 4 auf und ab, wobei die Kavität 4 wie ein Zylinder wirkt. Dadurch wird Luft A in einem Raum 11 zwischen der Vorderseite des mitschwingenden Kühlkörpers 7 und der Kavität 4 abwechselnd komprimiert und entspannt, wodurch sich ein Luftstrom in dem Raum 11 und dem Spalt p ergibt. Dadurch wiederum wird erwärmte Luft A durch den luftdurchlässi¬ gen Boden 9 aus der Kavität 4 herausgedrückt und kältere Luft A durch den luftdurchlässigen Boden 9 in die Kavität 4 hin- eingesaugt. Insgesamt wird so ein kühlender Luftstrom über die Oberflächen der Kühlkörper 3 und 7 erzeugt, als auch ein Luftaustausch mit der Umgebung. So können indirekt die Leuchtdiode 1 als auch der Piezotransformator 5 gekühlt werden .
Fig.2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung L2 gemäß einer zweiten Aus führungs form. Die Leuchtvorrichtung L2 ist als eine Glühlampen-Retrofitlampe zum Ersatz einer herkömmlichen Glühlampe ausgestaltet.
Die Leuchtvorrichtung L2 arbeitet grundsätzlich analog zu der Leuchtvorrichtung LI, wobei hier jedoch die rückwärtig offene Kavität 4 durch ein elektrisches Anschlusselement in Form ei¬ nes Edisonsockels 12 abgeschlossen ist. Da der Edisonsockel 12 nicht luftoffen oder luftdurchlässig ist, sind seitlich in dem nicht-schwingenden Kühlkörper 13 Luftdurchlassöffnungen 14 vorhanden, durch welche ein Luftaustausch zwischen der Kavität 4 und der Umgebung bei betriebener Leuchtvorrichtung L2 stattfinden kann.
Der Kühlkörper 13 kann an seiner seitlichen Mantelfläche mehrere Kühlrippen o.ä. aufweisen. Um sich als Glühlampen- Retrofitlampe einem Formfaktor einer herkömmlichen Glühlampe zumindest anzunähern, ist die Leuchtdiode 1 von einem licht¬ durchlässigen Kolben 15 überwölbt, welche an dem Kühlkörper 13 befestigt ist.
Bei der Darstellung der Leuchtvorrichtungen LI und L2 ist zu besseren Übersichtlichkeit auf eine Darstellung elektrischer Leitungen, Leitungskanäle usw. verzichtet worden. Diese sind jedoch vorhanden, z.B. mindestens eine elektrische Leitung, welche den Transformator mit der mindestens einen Halbleiterlichtquelle verbindet, ggf. über einen Treiber.
Auch ein Treiber kann, obwohl nicht explizit dargestellt, ei¬ nen Teil der Leuchtvorrichtungen darstellen.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Allgemein ist das Vorhandensein von Luftdurchlassöffnungen zum Luftaustausch zwischen der Kavität und der Umgebung nicht auf einen bestimmten Bereich der Kavität beschränkt. In einer anderen Weiterbildung mag der mitschwingende Kühlkörper nicht gut wärmeleitend ausgestaltet sein und mag bei¬ spielsweise aus Kunststoff bestehen. Damit wird immer noch der Luftzug zur Kühlung der mindestens einen Halbleiterlicht¬ quelle, insbesondere des nicht-schwingenden Kühlkörpers, er¬ zeugt .
Allgemein mag die mindestens eine Halbleiterlichtquelle außer an einem nicht-schwingenden Element auch an einem (mit) schwingenden Element angebracht sein, z.B. an dem Transformator (ggf. über eine Leiterplatte) oder an dem mitschwin¬ genden Kühlkörper. Dadurch mag eine geringe Schwingung des ausgestrahlten Lichtkegels einhergehen, welcher jedoch sogar vorteilhaft z.B. für eine Vergrößerung der Strahlbreite ein¬ setzbar ist.
Die schwingenden Elemente können auch mechanisch geführt sein, z.B. mittels mindestens einer Führungsschiene.
Bezugs zeichenliste
1 Leuchtdiode
2 Leiterplatte
3 nicht-schwingender Kühlkörper
3a Außenseite des Kühlkörpers
3b Innenseite des Kühlkörpers
4 Kavität
5 Piezotransformator
6 Spiralfeder
7 mitschwingender Kühlkörper
8 Verbindungselernent
9 Boden
10 Luftdurchlasskanal
11 Raum
12 Edisonsockel
13 nicht-schwingender Kühlkörper
14 Luftdurchlassöffnungen
15 lichtdurchlässiger Kolben
A Luft
LI Leucht orrichtung
L2 Leucht orrichtung
P Spalt
S Längsachse

Claims

Patentansprüche
Leuchtvorrichtung (LI; L2), aufweisend
- mindestens eine Halbleiterlichtquelle (1) und
- mindestens ein Schwingungserzeugungselement zur Er¬ zeugung eines Kühlluftstroms (A) ,
- wobei das Schwingungserzeugungselement ein Transfor¬ mator (5) zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (1) ist.
2. Leuchtvorrichtung (LI; L2) nach Anspruch 1, wobei der Transformator (5) ein Piezotransformator ist.
3. Leuchtvorrichtung (LI; L2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Transformator (5) an einer Schwingungseinrichtung, insbesondere Federelement, gehaltert ist .
4. Leuchtvorrichtung (LI; L2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Halbleiterlicht¬ quelle (1) an einem nicht-schwingenden Kühlkörper (3; 13) befestigt ist und wobei der Transformator (5) schwingfähig in einer Kavität (4) des nicht-schwingenden Kühlkörpers (3; 13) untergebracht ist.
5. Leuchtvorrichtung (LI; L2) nach Anspruch 4, wobei die Kavität (4) luftoffen ist.
6. Leuchtvorrichtung (LI) nach Anspruch 5, wobei die Kavi- tät (4) mittels eines nicht-schwingenden luftdurchlässi¬ gen Bodens (9) abgedeckt ist.
7. Leuchtvorrichtung (LI) nach den Ansprüchen 3 und 6, wobei die Schwingungseinrichtung auf dem luftdurchlässigen Boden (9) angebracht ist. Leuchtvorrichtung (LI; L2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Transformator (5) fest mit einem mitschwingenden Kühlkörper (7) verbunden ist, wobei der mitschwingende Kühlkörper (7) mit dem nicht-schwingenden Kühlkörper (3; 13) durch einen Luftspalt (p) getrennt ist .
Verfahren zum Kühlen mindestens einer Halbleiterlicht¬ quelle (1), wobei ein Luftstrom (L) zum Kühlen der min¬ destens einen Halbleiterlichtquelle (1) mittels einer Schwingungsbewegung eines Transformators (5) zum Betrei¬ ben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (1) er¬ zeugt wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Transformator (5) schwingend aufgehängt ist und mit einem mitschwingenden Kühlkörper (7) fest verbunden ist, wobei der Transformator (5) mit dem mitschwingenden Kühlkörper (7) in einer luftoffenen Kavität (4) eines nicht-schwingenden Kühl- körpers (3; 13) schwingt.
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