WO2016009089A1 - Scheinwerfer mit einer led-lichtquelle - Google Patents

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Erwin Melzner
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Arnold & Richter Cine Technik Gmbh & Co. Betriebs Kg
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to a headlamp with an LED light source according to the preamble of claim 1.
  • the operation of LEDs as well as of electronic components is associated with a significant power loss, which is released in the form of heat.
  • the packing density of the LEDs or electronic components is steadily increased, so that a large amount of heat is emitted in a confined space, which leads to a deterioration in the function and life of the LEDs or electronic Components leads.
  • liquid cooling systems are used for increased heat dissipation.
  • a cooler for example, CPU cooler
  • the latter is also referred to as a cooling plate.
  • Both indirect and direct cooling systems also have two-phase versions. In this case, one exploits the even higher heat output, which results from the phase transition of the coolant, for example during the evaporation of water.
  • Such cooling systems are known, for example, under the designations boiling water cooling or evaporative cooling. If there is a requirement that the radiator or coolant must be cooled below the ambient air temperature, then a dual-circuit cooling system must be used. This also applies if the temperature of the cooling plate or the coolant must be precisely controlled. It is then usual to use a recooling system or a water exchange system.
  • a recooling system has, in addition to the primary coolant circuit, a secondary refrigerant circuit.
  • the refrigerant is cooled by the refrigerant as it passes through an evaporator.
  • the refrigerant absorbs the heat energy, evaporates and is re-liquefied by means of a compressor and a condenser. During condensation, the heat is released via a radiator with fan to the ambient air.
  • the coolant from the primary circuit is passed through a heat exchanger where it is cooled by the colder operating water.
  • the process water is supplied here from outside Shen.
  • an LED light source 1 soldered on a printed circuit board 2 on a Cooling plate 3 'mounted, which through inlets and outlets 31, 32 of cooling water through If the LED light source 1 is mounted in front of a stepped lens and movably mounted along the optical axis of an LED headlamp, this results in a simple focus on a wide range of less than 10 ° to over 60 ° focusable LED headlamps.
  • Fig. 20 shows a schematic functional representation of such a cooling system according to the prior art.
  • the LED light source 1 is thermally coupled to a cooling plate 3 'which is connected to a coolant line 8.
  • the coolant line 8 is thermally coupled to produce a large heat-emitting surface with a heat sink 71, wherein a fan 70 generates a cooling air flow, which generates a cooling air flow directed toward the heat sink 71 for re-cooling the coolant flowing in the coolant line 8.
  • the circulating air cooling device 7 furthermore has a coolant reservoir 72 for the coolant and a coolant pump 73 for generating a circulating coolant flow.
  • a major disadvantage of the indirect water cooling described above is that the power density of the LED light source is limited by the thermal conductivity of the materials used of the printed circuit board receiving the LED light source and the cooling plate. Such a cooling system is no longer suitable for cooling compact LED light sources whose power density is above approximately 50 W / cm 2 .
  • the present invention is therefore based on the object to provide a headlamp with an LED light source of the type mentioned, which allows a compact design, a high power density and high durability.
  • the solution according to the invention realizes a headlamp with a compact LED light source, which allows a high power density of, for example, more than about 50 W / cm 2 without limiting the life or the optical properties of an LED headlamp, as arranged on a circuit board light emitting diodes in a liquid-tight or gas-tight enclosing housing, which has at least one light exit surface through which exits the light emitted from the LED light source, and on the walls has housing openings serving as a coolant inlet and coolant outlet for a liquid or gaseous coolant are formed.
  • the coolant inlet and the coolant outlet for achieving an optimum flow through the housing and thus cooling the LED light source are diametrically opposite one another on the side walls of the housing between the printed circuit board and the light exit. surface arranged.
  • the housing can surround both the LED light source and a cooling element connected to the printed circuit board, in particular consisting of cooling fins, so that a coolant flows around both the LED light source and the cooling element and the heat absorbed via a cooling system to the environment or emits to a heat receiving device.
  • LEDs ready-made light-emitting diodes ("packages") in ceramic or plastic housings can be used which are mounted on a printed circuit board
  • LED chips or “dies” without housings can be used, which are “chip-on-board” LED chips and finished LEDs may be covered with an optically inactive material, such as silicon, or with an optically active material, such as a phosphor or applied to a substrate, such as "remote phosphor” technology, to support the cooling effect
  • an optically inactive material such as silicon
  • an optically active material such as a phosphor or applied to a substrate, such as "remote phosphor” technology
  • it is advantageous to continue to use the LED light source to mount on a very good thermal conductivity PCB in particular on a so-called “metal core printed circuit board” (MCPCB), which consists of a core of aluminum or Ku pfer, a very good thermally conductive dielectric and a copper overlay with soldering surfaces.
  • MPCB metal core printed circuit board
  • a ceramic board with integrated metallic pads can be used.
  • the cooling of the circuit board is advantageously carried out with a metallic cooling plate, which is flowed through by a cooling liquid and which is thermally coupled to the LED light source remote from the back of the circuit board.
  • the LED light source is therefore surrounded by a liquid-tight or gas-tight housing having one or more inlets and outlets for the coolant, which flows around the LED light source directly.
  • Suitable coolants are preferably non-conductive and non-corrosive liquids with high heat capacity in question, such as fluorosurfactants or ultrapure water with anti-corrosive additives.
  • the housing is provided with a window made of glass, transparent optical plastic or the like, which is also tightly installed.
  • the optical window may consist of a plane-parallel plate or of a structure with curved or stepped surfaces such as a lens, a lens array or a light mixing rod (taper), so that a certain beam shaping and / or color mixing is already performed at this point.
  • Dynamic beamforming may be achieved through an optical window that is liquid-tight but movably disposed in front of the LED light source.
  • the optical window can be coated with a phosphor according to the above-mentioned "remote phosphor" technology, which converts, for example, the light emitted by blue LEDs into white light.
  • the optical window, the surface and possibly the primary optics of the LED light source as well as the cooling liquid must also be matched with regard to their refractive index and their spectral transmission and spectral reflection to achieve the desired photometric result, such. to achieve a certain beam angle or a specific light output. Furthermore, it may be necessary to use other optical elements, e.g. Reflectors and diaphragms in the housing to install.
  • the LED light source itself is preferably surrounded by an inert liquid as a coolant with certain thermal and optical properties, while for cooling via the cooling plate usually water with suitable additives to prevent calcification and corrosion is used.
  • water with suitable additives to prevent calcification and corrosion is used.
  • the cooling circuits for the cooling of the circuit board and for the cooling of the LED light source can also be combined in a cooling circuit and thus connected in series or in parallel, if in both circuits the same inert coolant is used.
  • the light emitted by the LEDs changes depending on the temperature of the semiconductor layer. It is known that not only does the brightness of the LEDs decrease with increasing temperature, but also that the spectrum shifts so that the color location of a hot LED light source differs from the color location of the same but cold LED light source. To compensate for these effects, a multicolor LED light source with a temperature-controlled electronic control according to WO 2009/034060 can be constructed, with which the color locus is kept stable over the temperature with great accuracy.
  • a liquid cooling system and in particular a recooling system or water exchange system is used, then it is also possible to stabilize the temperature of the LED light source by controlling the coolant temperature or the coolant flow so that control of the electronic control of the LEDs can be dispensed with.
  • the fan in a recirculating air cooling system, can also be controlled so that the heat emission to the ambient air is controlled.
  • a mixed operation between the two control systems may be useful. If e.g. the cooling system is designed in a compact design for normal operation up to a certain ambient temperature, then it is possible to work up to this temperature with the coolant control and LED stabilization as described above. From this temperature can then use an intensive operation in which the color locus of the LEDs is stabilized by their electronic control.
  • the LED light source Since the light emitted by the LED light source is radiated into the far field after passing at least one lens or a reflector and may possibly strike a large receiver surface (scene, actor or the like), it must also have a spatially and temporally homogeneous brightness. and color distribution. Therefore, static light spots, shadows or color spots as well as temporal fluctuations in brightness or color are generally permissible. This can only be achieved if the coolant itself is homogenous, ie has no suspended particles or density fluctuations, and if it is moved and heated in a controlled manner within the housing so that no optically active Density variations occur, which would lead to a whirling or flickering in the light field.
  • the cooling system has at least one recooling device with a coolant reservoir, a coolant pump, a heat sink, cooling fins or cooling fins and a fan.
  • the entire cooling system or a part of the heat exchanger may be formed as a heat-receiving cooling battery, which is flanged to the light source or to the coolant line, absorbs thermal energy for a limited time and then replaced, i. is replaced by a prepared for receiving heat energy cooling battery.
  • the weight, the size or the noise of the coolant pump and the cooling body or cooling fins or cooling fins blowing fans are so large that no manageable LED headlights can be built more.
  • the limiting factor here is the heat transfer coefficient from the heat sink or the cooling fins or cooling fins to the ambient air. Therefore, a compromise between weight, size and volume is sought, which means in the case of professional studio and film headlights that the cooling system or the recooling device from coolant reservoir, coolant pump, cooling fins or cooling fins and fan no longer installed in the LED headlights, but is operated or installed outside of the LED headlight.
  • a water exchange system consisting of a central cooling device and a central coolant distribution similar to a sprinkler extinguishing system can be installed.
  • the LED headlamps require standardized coolant connections for entry and exit as well as an electronic and possibly software-technical interface for the control and regulation.
  • the power supply for the LED headlights - which is provided today by a so-called.
  • Ballast (ballast) - and the cooling system in accordance with another feature of the invention a common device installed.
  • the combined supply and cooling system can then be detached from the LED headlight and from the front of the vehicle like a ballast possibly noise-sensitive environment.
  • To the LED headlamp then lead the power supply lines, the cooling hoses and the interface for the control and regulation of the cooling system.
  • a central cooling system can take over the dissipation of heat to the ambient air, while the LED headlights are equipped with only a coolant pump or an auxiliary pump and a heat exchanger.
  • a two-stage cooling system can be constructed so that the components of the re-cooling system are arranged outside of the LED headlamp, while, for example, the cooling plate and the secondary circuit are installed to save space in the LED headlights themselves.
  • the supply voltage, the electrical control signals or interfaces and the coolant hoses are advantageously combined in a single hybrid cable to facilitate handling.
  • generator vehicles are usually used for the supply.
  • the generators provide the mains voltage with which the LED headlamps are operated directly or via their ballasts.
  • a central cooling unit with a central coolant distribution and coolant control in the generator vehicle, to which the LED headlights are connected. Individual combined supply and cooling systems are thus not required in such a configuration and the existing ballasts or power supply units can continue to be operated.
  • the generator vehicle thus provides the mains voltage supply and the coolant supply and / or refrigerant supply for all connected LED headlights.
  • 1 to 3 a side view, isometric view and a plan view of an LED light source with mounted on a cooled circuit board and surrounded by a liquid-tight housing and surrounded by an inert coolant around LED's; 4 to 6 different optical windows in the housing surrounding the LEDs in a section along the line AA of FIG. 3; 7 to 9 a side view, isometric view and plan view of an LED light source with a printed circuit board with LEDs mounted thereon and a housing surrounding a cooling plate, which is flowed through by a coolant flowing in a cooling circuit; 10 shows a longitudinal section through the LED light source along the line BB according to FIG.
  • FIG. 1 to 15 a schematic representation of a cooling circuit of an inert coolant flowing through a cooling plate, which is thermally coupled to a printed circuit board with LEDs mounted thereon, and / or flowing around the LEDs as well as being recooled in a recooling device;
  • Fig. 16 is a schematic representation of a cooling plate, which is thermally coupled to the LEDs receiving circuit board, flowing through the primary cooling circuit and connected via a heat exchanger to the primary cooling circuit, the mounted on the PCB LEDs secondary cooling circuit and
  • 17 to 20 is a schematic representation of a cooling system according to the prior art with a coolant flowed through by a cooling plate, which is thermally coupled to a PCB receiving the LEDs.
  • LED light source 1 has a with a printed circuit board 2 thermally tightly coupled cooler 3, which of a coolant is flowed through, which is guided in a first coolant line 81, which is connected via a first coolant inlet 31 and a first coolant outlet 32 to the radiator 3.
  • the heat absorbed by the coolant is dissipated to the environment or to heat by means of a cooling system 7a to 7e. given direction, so that during operation of the LED light source 1, a substantially constant temperature on the circuit board 2 can be adjusted with the LEDs mounted thereon.
  • LEDs of the LED light source 1 are of a preferably flat, the Form of the LED light source 1 adapted, generally cuboidal or circular housing 4 surrounded, which is connected via a second coolant inlet 41 and a second coolant outlet 42 to a second coolant line 82 of a cooling system 7a to 7d as shown in FIG. 1 1 to 14, so that the cooling liquid guided in the first coolant line 81 flows directly around the LEDs of the LED light source 1.
  • the heat absorbed by the coolant is released to the environment or to a heat-absorbing device - Taking device in the form of a cooling battery 300 according to the schematic representation in Fig. 15 are flanged directly to the LED light source 1.
  • the surface of the wall of the housing 4 surrounding the LED light source 1 opposite the LED light source 1 has an optical window 5 which has different optical properties and, as shown in FIG. 4 of a plane-parallel glass or plastic plate 50 or a structure with curved or stepped surfaces such as a lens array 51 according to FIG. 5, a lens array, a diffusion plate 52 according to FIG. 6 or a light mixing rod, in order to carry out beam shaping and / or color mixing already at the optical window 5.
  • dynamic beam shaping can be achieved by a liquid-tight, but movably arranged in front of the LED light source 1 optical window.
  • the second exemplary embodiment of an LED light source 1 shown in different views and in a longitudinal section in FIGS. 7 to 10 differs from the first exemplary embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 6 and 11 and 12 in that the housing 40 is not only the mounted on a printed circuit board 2 LED light source 1, but also consisting of cooling fins, cooling pins or the like existing cooling element 30 so that guided in a first coolant line 81 and entering the housing 40 via the coolant inlet 41 and the coolant outlet 42nd
  • the housing 40 leaving coolant flows around both the LED light source 1 and the cooling element 30 and delivers the absorbed heat via a cooling system 7 to the environment or to a heat receiving device.
  • the optical window 5 arranged in the emission direction of the LEDs in front of the LEDs 1 can be designed analogously to the illustrations of FIGS. 4 to 6 as a plane-parallel plate or as a lens, lens array or light mixing rod in order to carry out beam shaping and / or color mixing.
  • dynamic beam shaping can be achieved by means of an optical window 5 which is liquid-tight but movably arranged in front of the LED light source 1. It can be coated with phosphor and thus fulfill the function of a "remote phosphor" light source.
  • the mounted on the circuit board 2 LEDs 1 are connected to a power cable 14 which is connected to an electronic control, a power supply or ballast 12.
  • the control unit, power supply or ballast 12 is connected via a power cable 13 to a voltage source.
  • 1 to 16 are intended to explain various cooling systems 7a to 7e, but the type of cooling and recooling is not limited to the illustrated systems.
  • the circulating-air cooling system 7a shown in FIG. 11 includes a cooling body 71 thermally coupled to the coolant lines 81, 82, a fan 70 for generating a cooling air flow directed onto the heat sink 71, and a coolant reservoir or tank 72 for the coolant and a coolant pump 73 for generating a circulating coolant flow.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a cooling system designed as a re-cooling system 7b with primary coolant circuit and secondary coolant circuit with a mechanical cooling device consisting of a heat exchanger designed as an evaporator 74 with primary-side connection to the coolant lines 81, 82 and secondary side connection to a refrigerant line 77, which connects the evaporator 74 via a compressor 76 with a capacitor 75.
  • the capacitor 75 has in this embodiment analogous to the arrangement shown in FIG. 1 1, a fan 70 and a heat sink 71, which emits the transported via the refrigerant line 77 amount of heat to the environment.
  • the primary-side connection of the evaporator 74 corresponds to the arrangement according to FIG. 11 with a Coolant reservoir or tank 72 and a coolant pump 73 for generating a circulating coolant flow.
  • the refrigerant is cooled by the refrigerant as it passes through the evaporator 74.
  • the refrigerant absorbs the heat energy, vaporizes and is re-liquefied by means of the compressor 76 and the condenser 75, wherein during the condensation the heat is released by means of the fan 70 and heat sink 71 to the ambient air.
  • the compressor 76 and the condenser 75 absorbs the heat energy, vaporizes and is re-liquefied by means of the compressor 76 and the condenser 75, wherein during the condensation the heat is released by means of the fan 70 and heat sink 71 to the ambient air.
  • the cooling system consists of a water exchange system 7c with a heat exchanger 78 which is connected on the primary side to the coolant lines 81, 82, the coolant reservoir 72 for the coolant and the coolant pump 73 for generating a circulating coolant flow, while the heat exchanger 78 Secondary side of the service water pipes 84, 85 is connected.
  • this water exchange system 7c the coolant from the primary circuit is passed through the heat exchanger 78, where it is cooled by the colder operating water supplied from the outside.
  • FIG. 14 shows a schematic representation of the use of a heat-absorbing device designed as a cooling battery 300 in an indirect cooling battery system 7d, in which the cooling battery 300 is flanged onto the coolant lines 81, 82.
  • a heat exchanger 79 is connected on the primary side to the coolant circuit consisting of the coolant lines 81, 82, the coolant reservoir 72 for the coolant and the coolant pump 73 for generating the circulating coolant flow and secondary side with a corresponding device for receiving the cooling battery 300 or for flanging the cooling battery 300 is provided.
  • Fig. 15 shows a schematic representation of the formation of a cooling system as a heat-absorbing direct cooling battery system 7e with a cooling battery 300, which is flanged directly to the LED light source 1 receiving housing 4, 40 or to the coolant line.
  • the cooling battery 300 absorbs the heat energy emitted by the LED light source 1 for a limited time and is then replaced by a second cooling battery 300 prepared for receiving heat energy when a predetermined temperature is reached.
  • the coolant flowing around the LED light source 1 is guided in a coolant line 83, which lasts one second.
  • Därniklauf forms and is thermally coupled via a heat exchanger 9 with a primary cooling circuit having a coolant line 81, which is connected via the firstdeffenein- lass 31 and firstdeffenauslass 32 with the cooling plate 3 and a cooling system 7.
  • the secondary cooling circuit has a reservoir 10 for receiving coolant and a coolant pump 1 1 for transporting the coolant through the secondary circuit.
  • the cooling system 7 can be designed analogously to the cooling systems 7a to 7c described above with reference to FIGS. 11 to 13.
  • cooling element (cooling fins, cooling pins)

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer mit einer LED-Lichtquelle, die mindestens eine auf einer Leiterplatte angeordnete Leuchtdiode enthält und in einem die LED-Lichtquelle umschließenden Gehäuse angeordnet ist, das mindestens eine Lichtaustrittsfläche aufweist, durch die das von der LED-Lichtquelle abgegebene Licht austritt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuses die LED-Lichtquelle flüssigkeits- oder gasdicht umschließt und mindestens einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass für ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel aufweist.

Description

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

Claims

Ansprüche
1 . Scheinwerfer mit einer LED-Lichtquelle, die mindestens eine auf einer Leiterplatte ange- ordnete Leuchtdiode enthält und in einem die LED-Lichtquelle umschließenden Gehäuse angeordnet ist, das mindestens eine Lichtaustrittsfläche aufweist, durch die das von der LED-Lichtquelle abgegebene Licht austritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuses (4, 40) die LED-Lichtquelle (1 ) flüssigkeits- oder gasdicht umschließt und mindestens einen Kühlmitteleinlass (41 ) und einen Kühlmittelauslass (42) für ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel aufweist.
2. Scheinwerfer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4, 4') die LED-Lichtquelle (1 ) und ein mit der Leiterplatte (2) verbundenes, insbesondere aus Kühlrippen bestehendes Kühlelement (30) umschließt.
3. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (5) als optisches Element oder optisches Fenster (5) ausgebildet ist.
4. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element oder optische Fenster (5) flüssigkeits- oder gasdicht mit dem Gehäuse (4, 4') verbunden ist.
5. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element oder optische Fenster (5) aus einem transparenten, optischen Kunststoff oder Glas besteht.
6. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element oder optische Fenster (5) aus einer planparallelen Glas- oder Kunststoff platte (50) besteht.
7. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element oder optische Fenster (5) zur Strahlformung und/oder Farbmischung optisch aktiv ist.
8. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element oder optische Fenster (5) gekrümmte oder abgestufte optische Flächen zur Lichtlenkung aufweist.
9. Scheinwerfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element oder optische Fenster (5) aus einer Linse (51 ), einem Linsenarray, einer Streuplatte (52) oder aus einem Licht-Mischstab besteht.
10 Scheinwerfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element oder optische Fenster (5) mit einem Leuchtstoff beschichtet ist.
1 1 Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand und/oder die Ausrichtung des optischen Elements, optischen Fensters (5) oder des Gehäuses (4, 4') gegenüber der Position der LED-Lichtquelle (1 ) zur dynamischen Strahlformung des von der mindestens einen LED der LED-Lichtquelle (1 ) abgegebenen Lichts veränderbar ist.
12 Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex und die spektrale Transmission und Reflektion des optischen Elements oder optischen Fensters (5), der Oberfläche der LED-Lichtquelle (1 ), einer Primäroptik der LED-Lichtquelle (1 ) sowie dem Kühlmittel zum Erzielen eines vorgegebenen lichttechnischen Resultats, insbesondere eines vorgegebenen Abstrahlwinkels oder einer vorgegebenen Lichtausbeute, abgestimmt sind.
13 Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (4, 4') oder an einer Wandfläche des Gehäuses (4, 4') weitere optische Elemente wie Reflektoren oder Linsen angeordnet sind.
14. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) als Kühlplatte ausgebildet oder mit einem Kühler (3) verbunden ist.
15. Scheinwerfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel die als Kühlplatte ausgebildete Leiterplatte (2) und/oder den Kühler (3) und/oder das Gehäuse (4, 40) durchströmt.
16. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein das Kühlmittel enthaltendes Kühlsystem (7; 7a bis 7e), das das Kühlmittel auf eine vorgegebene Arbeitstemperatur herunterkühlt.
17. Scheinwerfer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (7; 7a bis 7e) innerhalb des Scheinwerfers angeordnet ist.
18. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (7; 7a bis 7e) au ßerhalb des Scheinwerfers angeordnet ist.
19. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (1 ) und/oder der Kühler (3) von einem Kühlmittel durchströmt sind, das von einem auf mehrere Anlagen oder Geräte verteilten Kühlsystem (7; 7a bis 7e) bewegbar und auf Arbeitstemperatur herunterkühlbar ist.
20. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (1 ) in einem sekundären Kühlkreislauf und die Kühl- platte (3) in einem primären Kühlkreislauf angeordnet sind und dass der primäre und sekundäre Kühlkreislauf thermisch über einen Wärmetauscher (9) gekoppelt sind.
21 . Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (7) ein Kühlmittelreservoir (72), eine Kühlmittelpumpe (73), einen Kühlkörper, Kühllamellen oder Kühlrippen (71 ) und einen Ventilator (70) aufweist.
22. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem aus einem Wärme aufnehmenden, austauschbaren Kühlakku (300) besteht.
23. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (7; 7a bis 7e) an eine zentrale Kühleinrichtung mit einer Kühlmittelverteilung über einen vorgegebenen, standardisierten Kühlmittelanschluss angeschlossen ist.
24. Scheinwerfer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der standardisierte Kühlmittelanschluss eine Schnittstelle für eine elektrische Verbindung und/oder einen Steuerbus zur Steuerung und Regelung der LED-Lichtquelle (1 ) aufweist.
25. Scheinwerfer nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der standardisierte Kühlmittelanschluss mit einem Hybridkabel verbindbar ist, das die Schnittstellen für eine elektrische Verbindung, elektrische Steuersignale, eine Versorgungsspannung und die Kühlflüssigkeit aufweist.
26. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentrales Kühlmittelsystem (7; 7a bis 7e) die von dem Kühlmittel abgegebene Wärme abführt und dass der Scheinwerfer eine Pumpe für das Kühlmittel auf- weist.
27. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (7; 7a bis 7e) aus einem zentralen Kühlgerät mit zentraler Kühlmittelverteilung und Kühlmittelregelung eines Generatorfahrzeugs zur Stromversorgung mehrere an das Generatorfahrzeug angeschlossener Kühleinrichtungen besteht.
28. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine LED der LED-Lichtquelle (1 ) aus einer Leuchtdiode im Keramik- oder Kunststoffgehäuse, das auf der Leiterplatte (2) montiert ist, besteht.
29. Scheinwerfer nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Keramikoder Kunststoffgehäuse angeordnete LED der LED-Lichtquelle (1 ) mit einem optisch aktiven oder inaktiven Material überdeckt ist.
30. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine LED aus einem LED-Chip besteht, der in„Chip-on- Board"-Technologie auf der Leiterplatte (2) montiert ist.
31 . Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbort der LEDs der LED- Lichtquelle (1 ) in Abhängigkeit von der Temperatur der LEDs elektronisch regelbar und stabilisierbar ist.
32. Scheinwerfer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbort der LEDs der LED- Lichtquelle (1 ) durch die Regelung der Kühlmitteltemperatur, des Kühlmitteldurchflusses oder der Drehzahl des Ventilators (70) am Wärmetauscher (9; 78, 79) stabilisierbar ist.
33. Scheinwerfer nach Anspruch 30 und 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der Farbort der LEDs der LED- Lichtquelle (1 ) in einem Mischbetrieb sowohl in Abhängigkeit von der Temperatur der LEDs als auch in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur, des Kühlmittel- durchflusses oder der Drehzahl des Ventilators (70) am Wärmetauscher (9; 78, 79) regelbar und stabilisierbar ist.
34. Scheinwerfer nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbort der LEDs der LED- Lichtquelle (1 ) in einem Normalbetrieb bis zu einer vorgebbaren Umgebungstemperatur durch Regelung der Kühlmitteltemperatur, des Kühlmitteldurchflusses oder der Drehzahl des Ventilators (70) am Wärmetauscher (9; 78, 79) und bei Überschreiten der vorgegebenen Umgebungstemperatur in einem Intensivbetrieb durch elektronische Regelung der LED-Lichtquelle (1 ) stabilisierbar ist.
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