[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen,
insbesondere LEDs, und einem thermisch mit den Leuchtelementen gekoppelten Kühlkörper.
[0002] Die Arbeitsweise einer LED-Leuchte, bei der relativ hohe Lichtströme erzielt werden
sollen, bedingt, dass eine erhebliche Menge an Wärme effektiv abzuführen ist.
[0003] Der Wärmewiderstand zwischen Sperrschichten der einzelnen LEDs, beispielsweise als
LED-Einheit zusammengefasst, und umgebender Luft kann durch einen Kühlkörper, merklich
vermindert werden, der weiters mit einem Kühlmedium korrespondiert.
[0004] Prinzipiell wird die LED-Einheit, beispielsweise ein Träger oder eine Leiterplatte
mit einer LED-Anordnung, auf ein Kühlblech bzw. an einen Kühlkörper befestigt und
thermisch verbunden, so dass der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und umgebender
Luft sinkt.
[0005] Um den Wärmeübergang zwischen LED-Einheit und Kühlkörper zu begünstigen, ist es üblich,
die Kontaktfläche plan bzw. eben herzustellen.
[0006] Funktionell soll der Kühlkörper wie ein Übertragungselement ein Teil einer Übertragungsstrecke
die erzeugte Verlustwärme durch Wärmeleitung vom wärmeerzeugenden Bauelement als einer
Quelle rasch zu einer Senke weg- bzw. ableiten, bzw., die Verlustwärme dann durch
Austauschprozesse wie Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abgeben.
[0007] Das Verhalten des Kühlkörpers bzw. der Wärmeübergang von einer Wärmequelle zum umgebenden
Kühlmedium, bevorzugt Luft (ggf. auch Wasser oder andere Flüssigkeiten wie Öle) ist
in erster Linie von der Temperaturdifferenz, der wirksamen Oberfläche und der Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmediums abhängig.
[0008] Nach dem Stande der Technik werden monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen,
beispielsweise Block- bzw. Hybridverstärker, soweit vergleichbar mit einer LED-Einheit,
thermisch mit einem massiven Kühlkörper zur Wärmeableitung gekoppelt.
[0009] Insofern scheint bei vorgenanntem Ansatz zwar eine etwas bessere thermische Ankopplung
bzw. Impedanzanpassung an den Außenraum zur Wärmeabfuhr möglich. Aber trotzdem stellt
man im praktischen Betrieb fest, dass bei herkömmlichen Ansätzen ein gewisses Zurückbleiben
der tatsächlichen Kühlleistung hinter der erforderlichen Kühlleistung eintritt. Entsprechende
Überdimensionierung des Kühlkörpers ist erforderlich. Weiter bestehen Gradienten im
Wärmeübergang, bzw. liegt eine Art stationäre Isolationsschicht vor, so dass die Verlustwärme
nur zu einem Teil und auch lokal unterschiedlich abgeführt wird.
[0010] Die
US2007/0139938 zeigt eine Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem Oberbergriff von Anspruch 1.
[0011] Die
US 6,863,421 zeigt ein Lampengehäuse für eine Bildprojektorlampe, in der auf kleinem Raum eine
Luftströmung mit einem Lüfter erzeugt wird. Im Inneren der Kammer, in sich der Brenner
der Lampe befindet, ist eine Mehrzahl an Rippen an der Innenseite der Kammer angeordnet.
Die Rippen dienen zur Strömungsformung und Verbesserung der Luftmischung mit der Umgebungsluft,
die über einen Lüfter ins Innere der Lampe eingeblasen wird. Um einer erheblicher
Geräuschentwicklung entgegen zu wirken, sollte die Strömungsgeschwindigkeit niedrig
sein.
[0012] Es wäre daher wünschenswert, den Kühlkörper so zu verbessern, dass eine Wärmeabgabe
unter Meidung der obengenannten Nachteile möglich ist.
[0013] Aus der
DE 10 2007 037 862 A1 ist ein Beleuchtungssystem mit einer Leuchtdiode bekannt, das eine Entwärmungsanordnung
mit einer Membranpumpe zum Pumpen eines Kühlmediums umfasst. Die Membran der Membranpumpe
kann elektromagnetisch zu Schwingungen angeregt werden.
[0014] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper mit verbesserten
Eigenschaften für verbesserten Wärmetransport zu schaffen, so dass LED-Leuchten mit
einer großen Strahlungsleistung günstig hergestellt werden können.
[0015] Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen gemäß dem
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0016] Demgemäß wird nach einem ersten Aspekt ist eine Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen
vorgesehen, insbesondere LEDs, und einem thermisch mit den Leuchtelementen gekoppelten
Kühlkörper,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper derart ausgestaltet ist, dass dieser vollständig oder mindestens ein
Teil oder ein Abschnitt seiner Oberfläche vibriert. Der Kühlkörper kann aus einem
massiven Teil bestehen, der in Ruhe ist, bzw. fest mit einem Gehäuseteil wie dem Leuchtengehäuse
oder einer Tragkonstruktion verbunden, und einem Teil, wie zB. Lamellen oder von einer
massiven Basis auslaufende Kühlenden, die vibrieren. Bei Vorstehenden kann das Bild
von schwingenden oder fächernden Zungen herangezogen werden, die Wärmeleistung an
die Umgebung abgeben und ihre eigene Strömung oder Verwirbelung erzeugen. Indem die
Kühlkörperenden des Kühlkörpers schwingen, wird ein bewegter bzw. dynamischer Kühlkörper
geschaffen. Weiter gelingt es, eine bewegte oder turbulente Strömung an den Wandungen
bzw. Kühlflächen zu erzeugen. Vorstehendes erhöht die Leistungsfähigkeit der Kühleinrichtung
erheblich. Der Kühlkörper wird in der Wärmeleitung bzw. seinen Transporteigenschaften
verbessert. Wärmewiderstand und Wärmekapazität des bewegten Kühlkörpers sind wesentlich
geringer als im Vergleich zu einem normalen Kühlkörper gleicher Bauart, bei dem laminare
Strömungen vorliegen. Nach dem ersten Aspekt der Erfindung wird bemerkenswerterweise
die von der LED-Einheit erzeugte, unter Umständen sehr hohe Verlustleistung viel schneller
abgeführt, bzw., als läge ein Kühlkörper vor, der eigentlich um Größenordnungen größer
und massiver sein müßte als der eingesetzte, um sehr hohe Wärmebelastungen zu bewältigen.
[0017] Nach einem zweiten Aspekt ist die vorstehende Anordnung zur Lichtabgabe
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper zylinderförmig ist und radial umlaufende Kühlrippen aufweist. Vorgenannte
Kühlrippen können aber auch Fräsungen einen massiven Zylinder sein, beispielsweise
eine Anordnung paralleler Fräsungen. Weiter können die Fräsungen in Längs- oder Querrichtung
eines länglichen Zylinders verlaufen, und ein Muster oder ein Raster ergeben. Die
abstehenden Enden können quadratisch oder rund ausgebildet sein.
[0018] Nach einem dritten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem ersten oder
dem zweiten Aspekt
dadurch gekennzeichnet, dass die Form oder die Ausgestaltung des Kühlkörpers das Entstehen einer turbulenten Luftströmung
begünstigt. Vorstehend kann eine Veränderung der Eigenschaften des Kühlkörpers durch
eine Profilierung vorgesehen sein. Das Profil kann rauh, geriffelt oder wellig, schuppen-
oder dachplattenförmig bemustert sein, Unebenheiten oder Unregelmäßigkeiten im Verlauf
aufweisen.
[0019] Nach einem vierten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem ersten bis
dritten Aspekt
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper Kühllammellen, Riffelungen, Fräsungen, polierte oder raue Prismen
aufweist.
[0020] Erfindungsgemäß ist der Kühlkörper mit mindestens einem Antriebselement oder einem
Schwingungserzeuger wie einem Piezoelement, einer Sprach- oder Tauchspule mechanisch
gekoppelt. Die Mechanische Kopplung kann beispielsweise durch ein Anschrauben des
Schwingungserzeugers an den Kühlkörper erfolgen. Zur Vibration wird ein Antrieb eingesetzt.
Auch kann ein kleiner Elektromotor als Vibrationsmotor eingesetzt werden.
[0021] Nach einem sechsten Aspekt ist an der Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem fünften
Aspekt
dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schwingungserzeuger eine zeitlich veränderliche Spannung anliegt. Unter einer
zeitlich veränderten Spannung kann eine Wellenform eines Signals verstanden werden,
die eine Amplitude und eine Frequenz und eine Start- oder Bezugsphase aufweist.
[0022] Erfindungsgemäß weist der Kühlkörper zwei Schwingungserzeuger auf. Die Schwingungserzeuger
sind an verschiedenen Orten des Kühlkörpers angeordnet. Die Schwingungserzeuger werden
mit unterschiedlichen Spannungsverläufen angesteuert. Über mindestens einem Teil des
Kühlkörpers lassen Interferenzen ausbilden, die eine turbulente Strömung, eine Strudel-
oder eine Wirbelbildung begünstigen.
[0023] Nach einem achten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß einen der vorhergehenden
Aspekte
dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente auf dem Kühlkörper montiert sind. Der Kühlkörper und die Leuchtelemente
bzw. ein Träger für die Leuchtelemente sind über ein leitfähiges oder isolierendes,
schwingungselastisches oder schwingungsdämpfendes Medium, wie einer Schicht aus vulkanisiertem
Kautschuk verbunden. Neben einem Kautschuk oder Gummi können auch elastische und hitzebeständige
und alterungsresistente Kunststoffe anderer Art, daneben Silikone verwendet werden.
[0024] Nach einem weiteren Aspekt sind die Leuchtelemente LEDs, wobei die Anordnung ein
LED-Strahler ist.
[0025] Unter vorgenanntem Vibrieren ist sind allgemein Schwingungen und Wellen gemeint,
die mechanische Schwingungen und Wellen enthalten, daneben dynamisch veränderliche
Verläufe einer physikalischen Größe, wie eine Federkraft. Als Beispiel sei schwingender
Stab mit einseitiger Lagerung genannt. Das Vibrieren kann über eine niedrige Frequenz
beispielsweise im Bereich von 0 bis 100 Hertz, eine Frequenz im Audiobereich von 20
Hertz bis 20 Kilohertz, KHz, oder eine Frequenz im Bereich von 20 bis 100 KHz auch
einen Teil oder Teile eines elektromagnetischen Spektrums umfassen. Die Orientierung
und Richtung der Vibration kann in Längsrichtung, in Querrichtung oder im Kreise erfolgen,
je nach Anregung des Kühlkörpers gemäß einem der fünften bis siebten Aspekte, die
sich mit dem Antrieb des Kühlkörpers befassen.
[0026] Bei der LED-Anordnung der vorliegenden Erfindung ist es nach den Ausfiihrungsformen
für den Kühlkörper vorgesehen, den Kühlkörper entweder als umlaufend gerippten Metallblock,
bevorzugt aus Aluminium-Strangguss, als massive Metallform, als umlaufend gewellte
Metallplatte, als massiver Kern mit eingepressten, über eine Presspassung eingeführten,
oder eingelöteten Lamellen oder aus Vollmaterial gefräst zu fertigen. Daneben kann
der Kühlkörper auch als gestanztes, geformtes oder gefaltetes Blechpaket, oder als
aufsteckbarer Kühlstern, Kühlkranz und Kühlfahnen ausgeführt sein. Weiter kann bei
Draufsicht auf den Kühlkörper ein gerastertes Muster als gerasterte Anordnung mit
einer Tiefe (Länge der Kühlrippen bzw. -quader von der Basis aus betrachtet) vorliegen.
Ein gerastertes Muster ist beispielsweise eine rautenförmig in einen massiven Rohling
eingefräste Ausbildung an Kühlrippen bzw. Kühlrauten.
[0027] Um den Wärmewiderstand möglichst gering zu halten, soll der Kühlkörper bevorzugt
aus gut wärmeleitendem Material bestehen und vorzugsweise eine dunkle und möglichst
große Oberfläche besitzen. Weiter soll der Kühlkörper vertikal montiert werden, um
den Kamineffekt bei der Luftzirkulation ausnutzen zu können.
[0028] Ausgehend von einer massiven Bodenplatte, soll die LED-Einheit beispielsweise in
der Mitte montiert werden, und soll dann also von der Mitte punktförmig nach außen
in Richtung des Umfangs abstrahlen. Weiter soll ruhende Luft der Umgebung ohne zusätzliche
Wärmeeinstrahlung vorliegen.
[0029] An dem Boden oder am Umfang des Kühlkörpers soll ein Vibrationsantrieb angebracht
sein, beispielsweise ein Piezoelement, der bzw. das den Kühlkörper vibriert. Der Kühlkörper
bewegt sich. Die einzelnen Lamellen, bzw. Kühlenden führen Schwingungsbewegungen aus.
Die Bewegung einer Lamelle bzw. einer Wandung kann sowohl um ihre Einspannung bzw.
Verbindung zur massiven Basis erfolgen, beispielsweise hin-und-her schwingend, aber
auch leicht verzerrt, um eine Achse entlang der Einspannung verdreht bzw. tordiert
sein. Im Fall einer umlaufenden Kühlschlange kann auch die Anordnung selbst vibrieren.
[0030] Die Art der Schwingung (Wellenform) und die räumliche Ausbildung auf der Oberfläche
der Lamelle bzw. auf dem Kühlkörper, beispielsweise ein Entlanglaufen von Wellen über
eine gerasterte Anordnung, soll dabei durch die Geometrie und Formverlauf der Lamelle
bestimmt werden. Durch den Antrieb können bestimmte Schwingungsmuster auch selektiv
angeregt werden. Der Antrieb, im Falle eines elektrischen Piezoelementes oder einer
elektromagnetischen Spule, bzw. ein Vibrationsmotor, erfolgt durch einen entsprechenden
Signalverlauf (Spannung, Strom, Bezugsphasenwinkel, Wellenform, Wellenart (transversal,
longitudinal), spektrale Komponenten) über eine Zuführung, bevorzugt ein Kabel oder
ein Koaxialleitung, die ein entsprechendes Schwingungsverhalten in Verbindung mit
der Geometrie der Lamellen bewirkt.
[0031] Durch die Vibration des Kühlkörpers wird die Ausbildung einer laminaren Grenzschicht
bzw. verhindert. Es entstehen turbulente Strömungen. Die Kühlleistung wird erhöht.
Die Größe des Kühlkörpers kann verringert werden. Eine Verringerung der Kühlung über
den Betriebszeitraum entfällt.
[0032] Im Zwischenergebnis ist und bleibt die LED-Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen
damit auch über lange Zeit wartungsfrei, vor vorzeitiger Alterung und plötzlichem
Betriebsausfall bewahrt.
[0033] Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert
werden. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Seitenansicht der LED-Anordnung mit einem Lamellen-Kühlkörper gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 1a
- eine Schrägansicht der LED-Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit länglichen Lamellen;
- Fig. 2a
- eine Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers mit einem radial umlaufenden
Kühlkranz und einer integriertem LED-Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2b
- eine Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers mit radial strahlförmig auslaufenden
Spitzen mit Innen-Ausnehmung und einer integriertem LED-Einheit gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2c
- eine Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers mit einem radial strahlförmig
auslaufenden massiven Kühlkörper gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung; und
- Fig. 2d
- eine Draufsicht einer Ausgestaltung eines Kühlkörpers mit einem massiven Kühlkörper
mit umlaufend gewelltem Profil gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
[0034] In Fig. 1 ist eine LED-Anordnung 10 entsprechend der ersten Ausführungsform von der
Seite frontal dargestellt. Zunächst ist das Leuchtengehäuse 2 ist durch zwei konkav
nach innen gewölbte Seitenteile ausschnittsweise gezeigt und mit Blick ins Innere
der LED-Anordnung 10 freigeschnitten. Vorliegend können vorgenannte Seitenteile also
radial umlaufend sein und eine Halbschale bzw. Hemisphäre bilden. Im Fall einer länglichen
LED-Leuchte kann man sich Fig. 1, alternativ interpretiert, auch hinter die Zeichnungsebene
linear verlängert vorstellen, so dass die Seitenteile dann eine rechter und ein linker
Teil eines länglichen Profils darstellen.
[0035] Weiter ist, angeschlossen an das Leuchtengehäuse 2 und zum Abschluß der LED-Anordnung
gegenüber den Außenraum, ist ein Lichtaustrittelement 4 vorgesehen. In an sich bekannter
Weise kann das Lichtaustrittselement im einfachsten Fall eine transparente oder leicht
metallbedampfte Glassplatte in Verbindung mit einem Gitter oder einem Rasterreflektor
sein. Das Lichtaustrittselement kann lösbar mit dem Leuchtengehäuse 2 verbunden sein.
[0036] An dem Leuchtengehäuse 2 schließt sich oben der Kühlkörper 6 an. Die Verbindung des
Kühlkörpers zum Leuchtengehäuse kann elastisch durch eine (außerhalb der Zeichnung
stehende) Zwischenschicht aus einem elastischen Material, das auch dichtet, vorliegen.
[0037] Der Kühlkörper 6 weist hier, rein beispielhaft ausgeführt, eine regelmäßige Struktur
von Kühllamellen 8 auf.
[0038] Die LED-Einheit 12 ist geeignet mechanisch, thermisch, ggf. auch elektrisch mit dem
Kühlkörper elastisch verbunden. An der LED-Einheit ist beispielsweise eine LED 14
gezeigt, wobei es sich versteht, dass die LED-Einheit 12 auch einen größeren Bereich
des Kühlkörpers 6 einnehmen kann und mehrere LEDs in einer Matrix-Anordnung führen
kann.
[0039] Im Betrieb dienen die Kühllamellen 8 zur Kühlung der LED-Einheit 12, also für die
Abfuhr der bei der Lichterzeugung angefallene Verlustwärme. Die Verlustwärme wird
dabei von innen aus der LED-Einheit über den Kühlkörper geleitet und an den Enden,
beispielshalber als vertikale Linen im Kühlkörper 6 gezeigt, nach außen transportiert
und in den Außenraum abgegeben.
[0040] Der Kühlkörper 6 kann durch einen (außerhalb der Zeichnung liegenden) Antrieb in
Schwingungen versetzt werden. Im Betrieb bleibt die Ausbildung einer laminaren Grenz-
bzw. Isolierschicht aus. Vielmehr treten durch die Vibration der Kühlkörperoberfläche
oder an den Enden des Kühlkörpers Turbolenzen, Wirbel und eine höhere Luftgeschwindigkeit
auf. Die Vermischung der Umgebungsluft wird verbessert. Die Wärmeabfuhr wird also
merklich wirkungsvoller.
[0041] Zudem wird auch dem Verstauben der Kühlkörperlamellen vorgebeugt, Übertemperaturen
mit Rückwirkung auf das LED-Element werden vermieden. Die angetriebenen Lamellen bewegen
sich und werden ausreichend belüftet bzw. umwirbelt.
[0042] Fig. 1a zeigt die LED-Anordnung aus Fig. 1 in Schrägansicht, wobei eine radial umlaufende
Form des Leuchtengehäuses 2 bei der LED-Anordnung zugrunde gelegt wurde.
[0043] Zum Beispiel können aber auch symmetrisch über den Umfang verteilte Abschnitte als
eine Art Seitenfenster 3 aus einem transparenten Kunststoff gebildet sein, falls ein
Lichtaustritt zur Seite erwünscht ist. Das oder die Seitenfenster können wie das Lichtaustrittselement
4 in Fig. 1 ausgeführt sein, wobei es sich anbietet, eine geraute Oberfläche für einen
Diffusor für eine gleichmäßige Lichtverteilung vorzusehen.
[0044] Im Übrigen kann für eine optisch ansprechende und handliche Form, beispielsweise,
neben einem ein Kugelradius, eine Ei-, Ellipsen- oder Parabelförmige Ausgestaltung
des Leuchtengehäuses gewählt werden.
[0045] Die Kühllamellen 8 des Kühlkörpers 6 sind in Fig. 1a länglich parallel beabstandet
dargestellt und haben eine bestimmte Dicke. Die Dicke kann dabei bevorzugt so gewählt
werden, dass die Lamelle schwingfähig ist.
Nebenstehend ist ein Teil einer Einzellamelle 8a gezeigt, um durch eine Rasterung
anzudeuten, dass die Oberfläche der Lamelle ein Profil 7 aufweisen kann.
[0046] Vorstehende Oberfläche kann insbesondere, rauh, geriffelt oder schuppen- oder dachplattenförmig
ausgebildet sein, sie kann ein Höhen- oder Tiefenprofil bzw. Unebenheiten entlang
der Lamelle aufweisen.
[0047] Vorgenanntes erlaubt, laminare Strömungen an der Lamelle zu vermindern und Ausbildung
von Turbulenzen zu fördern. Auch der Antrieb des Kühlkörpers kann unterstützt werden.
Umgekehrt kann vorstehendes bei der Art der Ansteuerung des Antriebes im Hinblick
auf Amplitude, Frequenz und Wellenform, mitberücksichtigt werden.
[0048] In Fig. 2a ist eine Sicht von oben auf den Kühlkörper 20a gezeigt. Der Kühlkörper
20a läßt sich als Kühlkörper 6 aus Fig. 1 mit dem Leuchtengehäuse 2 einsetzen.
[0049] Vorliegend wurde ein umlaufender Kühlkranz 22 eingesetzt, der auch als sog. Heatpipe
ausgeführt sein kann. Die vertikalen Linien in Fig. 1 entsprechen den nach außen zeigenden
gerundeten Ecken des Kühlkranzes.
[0050] Der Kühlkranz kann aus massivem Material gefräst oder gegossen sein. Der Kühlkranz
ist auf einer Bodenplatte 24 bzw. einer massiven Grundplatte angeordnet. Die äußere
Umrandung 23 kann als Grenzlinie für die Abmessung der Grundplatte dienen.
[0051] Allerdings können, insbesondere im Fall der Heatpipe, auch Lamellen mit einem ringförmig
umlaufenden Rohr als Ringradiator verbunden sein, dass in Verbindung mit einer Bodenplatte
24 des Kühlkörpers 20a steht, wobei ein Kühlmittel zirkuliert. In der Bodenplatte
sind dann innen verlaufenden Ausnehmungen bzw. Kühlschlangen vorgesehen.
[0052] In der Mitte von Fig. 2a ist, rein exemplarisch als Wärmequelle, wiederum die LED-Einheit
12 und die LED 14 eingezeichnet.
[0053] Der Kühlkranz entspricht nach Fig. 2a einer umlaufenden geschlossenen Welle oder
Wendelung. Der Kühlkranz, vorliegend mit 20 regelmäßigen und gerundeten Windungen
bzw. Perioden des Wandungsverlaufs ausgeführt, kann auch eine andere Anzahl an Wandungen
bzw. eine andere Wellenlänge aufweisen. Die Wellenform des Umlaufs kann verändert
sein. Beispielsweise können statt den Rundungen 26 auch rechteck- oder trapezförmige
Wandungen bzw. Lamellenwandungen möglich sein.
[0054] Daneben können einzelne Wandungen fehlen bzw. Flächen plan sein, dh. es fehlen Abschnitte
in der umlaufenden Welle.
[0055] Daneben kann eine umlaufende Feder als Kühlkranz zum Einsatz kommen. Weiter kann
die Feder mehrfach wie bei dem Wickeln einer Spule um den Umfang laufen und nach oben
schraubenförmig verjüngt oder als gewendelte Wendel ausgebildet sein.
[0056] Weiters kann das Prinzip der Heatpipe mit eine Flachspule kombiniert werden. Ein
Rohr wird dabei spulenförmig von innen nach außen gewickelt. Im Inneren der Flachspule
zirkuliert Kühlflüssigkeit, die wärmeleitend, elektrisch leitend, oder isolierend
oder magnetisch ist. An der Flachspule liegt eine Wechselspannung. Da sich durch geeignete
Ansteuerung erreichen läßt, dass Flachspulen innen kälter sind als außen, jedenfalls
sich ein Temperaturunterschied vom Mittelpunkt zum Umfangs ausbilden läst, kann man
das Prinzip des Gegenstromkühlers vorteilhaft anwenden, indem man den Ausgang der
Kühlschlangen des massiven Kühlkörpers zur Mitte der Basis heranführt und mit dem
Eingang des spulenförmigen Rohres verbindet.
[0057] Schließlich kann auch eine über den Umfang einer Geometrie laufende geschlossene
Radkurve als sog. gewöhnliche Zykloide, ähnlich der zweiweg-gleichgerichteten Variante
der vorgenannten geschlossenen Welle als sog. gestreckte Zykloide, verwendet werden.
Der Umfang der Geometrie kann ein Kegelschnitt, wie vor ein Kreis, aber auch ein Polygon
sein. Falls ein umlaufendes dünnes Rohr vorgesehen ist, kann dies gewendelt werden
als sog. verschlungene Zykloide.
[0058] In der Fig. 2b ist ein Kühlkörper 20b gezeigt, bei dem das sternförmig von einem
Zentrum ausgehende (ursprünglich sternförmige) Profil in der Zeichnungsebene verdreht
wurde. Eine Art Rechtsrotation ist bei tangential nach außen laufenden Kühlkörperenden
28 als den äußeren Enden der Kühllamellen 8b ausgebildet. An den Kühlkörperenden 28
kann eine zylinder- oder polygonförmige Umwölbung, Umkragung oder Umrundung mit einem
Radius 28a vorliegen um scharfe Kanten zu meiden. Der Radius 28a ist in der Zeichnung
an zwei benachbarten Spitzen stellvertretend für die anderen Enden gezeigt. Die Fortsetzung
ist durch drei Punkte " ... " angedeutet, soweit alle Spitzen einen Radius 28a erhalten;
die Lamellen können auch gekürzt bzw. gestaucht sein. Durch den Radius 28a am Lamellenende
lassen sich die thermische Ankopplung an den Außenraum an der Spitze der Kühllamelle
optimieren und das Abstrahlverhalten bzw. die Großsignaleigenschaften des Kühlkörpers
verbessern. Daneben kann auch das mechanische Schwingverhalten optimiert werden.
[0059] Der Kühlkörper 20b ist thermisch mit einer (nicht gezeigten) Bodenplatte 30 stoffschlüssig,
formschlüssig oder lösbar verbunden. Im Inneren des Kühlkörpers ist eine kreisförmige
Ausnehmung vorgesehen, die bevorzugt Bohrungen aufweist, beispielsweise zur Befestigung
für die LED-Einheit 12 mit LED 14 und zur Durchführung der Versorgungskabel und Steuerleitungen.
[0060] Die hier rein exemplarisch spitz ausgeführten Ecken, können, wie in Fig. 2a ausgeführt,
wiederum durch Radien abgerundet werden.
[0061] Fig. 2c zeigt einen weiteren massiven Kühlkörper 20c in Draufsicht mit einem sternförmigen
oder sonnenstrahlenartigen Profil als sog. Sonnenform-Kühlkörper oder Sonnenstrahlkühlkörper.
Sonnenform bedeutet hierbei, dass ein massiver zylindrischer Kern im Mittelpunkt mit
einem hier kreisförmig ausgeführten Umfang vorliegt. Aus dem Ursprung bzw. Mitte entspringen
eine Vielzahl an sog. Sonnenstrahlen oder Sonnenstraßen.
[0062] Sowohl die Anzahl an vorgenannter Strahlen, der Umfang des massiven Kerns, als auch
das Verhältnis zwischen Strahlenlänge und Kernumfang können für eine möglichst große
Oberfläche für den Wärmeaustausch gewählt werden. Es versteht sich dass einzelne oder
mehrere Strahlen an einer Seite entfallen können, beispielsweise für die Zuführung
einer Versorgungsleitung für das LED-Element, falls dies aus bautechnischen Gründen
bevorzugt wird. Das LED-Element (ungezeigt) kann unten an den Kühlkörper thermisch
angeschlossen werden.
[0063] Wie bei Fig. 2b besonders deutlich und bei Fig. 1 angedeutet, wurde als Beispiel
so gewählt, dass die Enden des Kühlkörpers alle gleich lang von einem Zentrum abstehen.
Vorliegend wurde ein dreieckförmiger Querschnitt gewählt, der sich nach außen verjüngt.
An Vorgenanntem fehlt es aber, wenn ein Zylinder Rohling, lediglich senkrecht zum
Umfang in Richtung des Mittelpunktes längs und/oder quer eingefräst bzw. gerastert
wird. In beiden vorgenannten Fällen können die Flächen in Rotationsrichtung (Schneidflächen)
auch ein gewelltes Profil oder eine Oberflächenstruktur aufweisen.
[0064] Vorstehendes Profil ermöglicht folgenden Vorteil: Wird der Kühlkörper bei einer Vielzahl
von im wesentlichen gleichartiger Enden 28c in der Nähe der Eigen- bzw. Resonanzfrequenz
angeregt, wofür zudem naturgemäß nur eine geringe Energie aufgewendet werden muß,
der Antrieb kann also entsprechend einfach ausgestaltet werden, entsteht aus den vielfachen
Resonanzen, Zeitverzögerungen und Reflexionen der schwingenden Enden untereinander
eine Art Hall mit einem Rauschanteil.
[0065] Vorliegend ist der vorstehende Rauschanteil wiederum vorteilhaft für die Verbesserung
der Kühleigenschaften. Die Ausbildung von Turbulenzen wird die schwingenden bzw. rauschenden
Kühlkörperlamellen verbessert. Im Ergebnis besteht ein synergetischer Effekt. Die
verbesserte Verwirbelung der kühlenden Luft verbessert die Kühlung des LED-Elementes.
Über die Form bzw. Strahlenform der Enden 28c kann auf die Art des Rauschens, Nachhallzeiten
und die spektrale Dichteverteilung der Resonanzen bzw. das Klirren des Kühlkörpers
Einfluss genommen werden, um so ein gleichmäßiges Rauschen des Kühlkörpers zu begünstigen.
[0066] Um zur Anregung in der Nähe der Resonanz zu gelangen, kann eine einfache Regelschaltung
mit einem spannungsgesteuerten Oszillator dienen, der in dem Bereich der zu erwartenden
Resonanzfrequenzen schwingen kann. Als von einem Sensor gelieferte Regelspannung dient
die Amplitude der Schwingung des Kühlkörpers.
[0067] Solange die Amplitude außerhalb ihres Maximums oder eines Sollwertes liegt, erhöht
die Schaltung die Regelspannung langsam, dh. die Oszillatorfrequenz erhöht sich. Der
Anstieg der Oszillatorfrequenz dauert an, bis die Regelspannung wieder abfällt. Die
Amplitude der Eigenschwingung nimmt nach Überschreiten des Resonanzpunktes wieder
ab. Nach vorstehendem Verfahren läßt sich der Resonanzbereich des Kühlkörpers durchfahren.
Die Nähe der Resonanzfrequenz ist also dann erreicht, wenn die Regelspannung gegen
ihr Maximum tendiert, also die Änderungen immer größer werden und sich fast ein Gleichgewicht
zwischen Regelspannung und Oszillatorfrequenz einstellen würde. Die optimale Anregungsfrequenz
wird bevorzugt aus Sicherheitsgründen etwas neben der Resonanzfrequenz des Kühlkörpers
gewählt, alternativ bei einer Harmonischen. Auch sollten Gehäuseresonanzen der LED-Anordnung
berücksichtigt werden. Bei kleinen Anregungsamplituden kann auch auf die Resonanzgrundfrequenz
des Kühlkörpers abgestimmt werden.
[0068] Durch eine geeignete Wahl von Anregungsfrequenz und -amplitude ist bevorzugt, dass
der Kühlkörper ausreichend vibriert, so dass die Ausbildung von laminaren Strömungen
unterbleibt, aber noch keine merkliche Geräuschentwicklung von der LED-Anordnung ausgeht.
[0069] Fig. 2c und Fig. 2b können kombiniert werden. Am Boden ist die Profilierung nach
Fig. 2c angesetzt und nach oben verlaufend liegt eine Verdrehung um eine gemeinsame
Mittelachse der Lamellen vor auf der Basis von Fig. 2b, wobei allerdings entgegen
beiden Zeichnungen gleiche Strahlenanzahlen zugrunde gelegt werden.
[0070] Werden nun die Profile von Fig. 2c in vorgenannter gegeneinander um einen bestimmten
Winkel verdreht, können die einzelnen Lamellen 8b aus Fig. 2b anstelle des senkrechten
Verlaufes in die Zeichnungsebene hinein schief oder geneigt, dh. vertikal zur Zeichnungsebene
verdreht, angeordnet sein. Daneben kann (ungezeigt) eine konische oder kugelförmige
Anordnung des Kühlkörpers vorgesehen werden, bei der Außendurchmesser nach oben abnimmt.
Bei Vorgenanntem ist der Bodendurchmesser anhand des Profils aus Fig. 2c geringer
als der Durchmesser des Profils aus Fig. 2b.
[0071] Nach Vorgenanntem entspricht der Kühlkörper im Ergebnis eigentlich einem massiven
stehenden Lüfterrad, dass schwingfähige Enden aufweist. Die am Kühlkörper vorbeiströmende
Luft erzeugt selbst Wirbel und ggf. auch etwas Kälte. Es ist also auch durch die Formgebung
des Kühlkörpers zumindest ansatzweise möglich, laminare Strömungen an den Oberflächen
der Lamellen zu meiden, bzw. die Ausbildung von Turbulenzen zu fördern oder vorherzubestimmen.
Wird nun der Kühlkörper in Schwingungen versetzt, beispielsweise, wenn auf Resonanzen
abgestimmt wird, so dass die Enden merklich bzw. eine sichtbare Schwingungsamplitude
aufweisen, dann kann der Einsatz eines Lüfters als zusätzliches Bauteil entfallen
wie auch das Problem der Luftmischung. Der Kühlkörper erzeugt seine eigene Strömung.
Es können größere Kühlleistungen bereitgestellt werden.
[0072] Fig. 2d zeigt einen weiteren massiven Kühlkörper 20d mit wellenförmig umlaufendem
Profil als Abwandlung von Fig. 2a. Die Kühllamellen sind im Vergleich zu Fig. 2b sehr
kurz ausgeführt und bringen eher minimale Oberflächenvergrößerung, allerdings bei
maximaler Massivheit des Kühlkörpers. Vorstehendes soll im Vergleich zu den vorangegangenen
Figuren die Variationsmöglichkeiten wesentlicher, die Funktion bestimmende, Parameter
des Kühlkörpers zeigen, insbesondere Wärmekapazität, Wärmewiderstand und Strömungsgeschwindigkeit
an den Oberflächen.
[0073] Die äußere Umrandung, gestrichelt gezeichnet, dient als Orientierungshilfe für Umfang
der Grundplatte.
[0074] Weiterführend seien als Geometrieformen für einen Kühlkörper noch weitere Rollkurven
(Zykloiden, Epizykloiden, Hypocyloiden) erwähnt, bei der sich Kreise mit unterschiedlichen
Durchmessern aufeinander oder ineinander abwälzen, besonders eine Rosenkurve, ein
mehrblättriges Kleeblatt oder ein Zahnrad.
[0075] Wiederum kann das LED-Element (ungezeigt) unten (bzw. unterhalb der Zeichnungsebene
gemäß Fig. 1) mit dem Kühlkörper thermisch verbunden werden. Es versteht sich, dass
statt der sternförmigen oder zahnigen Ausgestaltungen auch Polygone zur Anwendungen
kommen können.
[0076] Weiterhin ermöglicht die Formgebung am Beispiel der Fig. 2a eine maximale Geschwindigkeit
der Luftströmungszirkulation, so dass die maximale Wärme von der LED-Einheit abgeführt
werden kann. Zudem wird Vorgenanntes ohne zusätzliche Energie erreicht, so dass der
Kühlwirkungsgrad sehr hoch ist.
[0077] Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine einfache, elegante und wirkungsvolle
Möglichkeit geschaffen, einen wohltemperierten Bereich einer LED-Anordnung, insbesondere
einer Leuchte mit einzelnen LED-Leuchtelementen einer LED-Leuchte zu fördern.
[0078] Die Kühlung durch den vibrierenden Kühlkörpers bei unterstützender Formgebung ist
aktiv und ermöglicht, dass die sämtliche Vorteile und die Überlegenheit, die eine
erfindungsgemäße LED-Anordnung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Lebensdauer, Wartungsfreiheit
und Zuverlässigkeit bietet, ausgenutzt werden können und dem Anwender zugute kommen.
[0079] Darüber hinaus ist die Kühlung durch den Vibrationskühlkörper auch von der Kühleffizienz
unter Ausnutzung von durch den Antrieb selektiv, unterstützend bzw. durch den Kühlkörper
ausbildbaren Turbulenzen so gut, dass LED-Einheiten selbst bei hohen Umgebungstemperaturen
und maximalen Leistungen bei optimalen Temperaturen betrieben werden können.
1. Anordnung zur Lichtabgabe (10) mit Leuchtelementen (12; 14) und einem thermisch mit
den Leuchtelementen gekoppelten Kühlkörper (6),
wobei der Kühlkörper (6) derart ausgestaltet ist, dass dieser vollständig oder mindestens
ein Teil oder ein Abschnitt seiner Oberfläche (8) vibriert wobei der Kühlkörper (6)
mit mindestens einem Antriebselement oder einem Schwingungserzeuger mechanisch gekoppelt
ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper (6) zwei Schwingungserzeuger aufweist, die an verschiedenen Orten
des Kühlkörper (6) angeordnet sind und mit verschiedenen Spannungsverläufen angesteuert
werden, derart, dass sich über mindestens einem Teil des Kühlkörpers (8) Interferenzen
ausbilden, die eine turbulente Strömung, eine Strudel- oder eine Wirbelbildung begünstigen.
2. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper (6) zylinderförmig ist und radial umlaufende Kühlrippen (22) aufweist.
3. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Form und/oder die Ausgestaltung des Kühlkörpers (6) das Entstehen einer turbulenten
Luftströmung begünstigt.
4. Anordnung zur Lichtabgabe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper (6) Kühllammellen (8), Riffelungen, Fräsungen, polierte oder raue
Prismen aufweist.
5. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schwingungserzeuger ein Piezoelement, eine Sprach- oder eine Tauchspule ist.
6. Anordnung zur Lichtabgabe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Schwingungserzeuger eine zeitlich veränderliche Spannung anliegt.
7. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß einen der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leuchtelemente (12, 14) auf dem Kühlkörper (6) montiert sind, wobei der Kühlkörper
(6) und die Leuchtelemente bzw. ein Träger für die Leuchtelemente (12, 14) über ein
leitfähiges oder isolierendes, schwingungselastisches oder schwingungsdämpfendes Medium,
wie einer Schicht aus vulkanisiertem Kautschuk verbunden sind.
8. Anordnung zur Lichtabgabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Leuchtelemente LEDs sind (12, 14) und bei der die Anordnung ein LED-Strahler
ist.