Leuchte mit thermischem Koppelelement aus wärmeleitendem Kunststoff

Abstract

 Bei geschlossenen Leuchten mit LED in einem Kunststoffgehäuse müssen zur Entwärmung die LED thermisch über ein Koppelelement mit einer Kühlvorrichtung außerhalb des Gehäuses verbunden werden. Bekannte Koppelelemente aus Metall oder Wärmerohren sind in der Herstellung aufwändig und können in ihrer Wirkung lageabhängig sein. Es wird eine Leuchte vorgeschlagen, die ein Koppelelement (10) aus einem Wärme leitende Kunststoff aufweist, der mit dem Kunststoff des Gehäuses (3, 5) kompatibel ist. Bevorzugt werden thermoplastische Kunststoffe, sodass das Koppelelement mit dem Gehäuse (3, 5) verschweißt oder umspritzt werden kann.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine geschlossene LED-Leuchte für die Verwendung im Außenbereich, beispielsweise als Straßenlaterne, oder in Räumen mit aggressiver oder explosionsgefährdeter Atmosphäre. Insbesondere betrifft sie eine solche Leuchte mit einem thermischen Koppelelement aus einem Wärme leitenden Kunststoff, der mit dem Kunststoff des Gehäuses kompatibel ist.

[0002] In den letzten Jahren hat sich infolge des technischen Fortschritts auf dem Gebiet der Licht emittierenden Dioden (LED), der zu sinkenden Preisen und höherer Lichtausbeute geführt hat, deren Anwendungsbereich stark vergrößert. LED finden nun auch Anwendung für feuchtigkeit- und explosionsgeschützte Leuchten. Die Gehäuse solcher Leuchten müssen naturgemäß dicht geschlossen sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit und zündfähigen Gasen zu verhindern. Auch bei LED wird nur ein Anteil von etwa 20 bis 30% der aufgenommenen elektrischen Energie in Licht umgewandelt und der Rest fällt als Verlustwärme an. Gegenüber Leuchten mit herkömmlichen Lampen ist die Ableitung dieser Verlustwärme sehr viel schwieriger. Einerseits muss die Temperatur der LED möglichst niedrig gehalten werden, weil sonst der Wirkungsgrad und die Lebensdauer beeinträchtigt werden. Andererseits ermöglichen LED auch eine besonders kleine Bauweise und strahlen so gut wie keine Wärme ab, so dass die Wärmeabfuhr hauptsächlich zunächst durch Wärmeleitung erfolgen muss, insbesondere wenn wegen des geschlossenen Gehäuses eine Kühlfluidströmung nicht möglich ist. Zudem wird als Gehäusematerial für viele Anwendungen Kunststoff bevorzugt, unter anderem weil er leicht ist und eine Schutzisolierung ermöglicht. Kunststoff hat aber nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit.

[0003] DE 10 2007 055 165 A1 beschreibt einen LED-Scheinwerfer, insbesondere zur Verwendung in Fahrzeugen, mit einem Wärmeleitelement, dass sich von einer in einem Scheinwerfergehäuse befindlichen Wärmequelle zu einem Kühlelement erstreckt, welches zumindest teilweise außenseitig am Scheinwerfergehäuse angeordnet ist. Das Wärmeleitelement ist bevorzugt ein Wärmerohr.

[0004] DE 10 2006 057 569 A1 offenbart eine Scheinwerferbaugruppe mit integriertem Reflektor und durch das Gehäuse sich erstreckendem Kühlkörper, welche die Wärme der LED durch die Gehäusewand leitet. Hierbei ist für jede LED ein Kühlkörper vorgesehen, so dass der Aufbau kompliziert ist.

[0005] Das deutsche Gebrauchsmuster DE 20 2006 015 981 U1 beschreibt eine LED-Straßenleuchte mit einer Wärmeableitanordnung. Diese umfasst ein dicht geschlossenes Gehäuse, indem sich die LED befinden, einen mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper und eine Mehrzahl von Wärmeableitröhrchen, an deren wärmeaufnahmeende die LED angebracht sind, während das Wärmeabgabeende durch ein abgedichtetes Durchgangsloch und im Kühlkörper verläuft. Eine solche Anordnung ist im Aufbau aufwändig. Außerdem hängt die Funktion der Wärmeableitröhrchen von deren Lage ab, was nur beim Einbau in einer nach unten strahlenden Straßenleuchte keine Bedeutung hat.

[0006] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine LED-Leuchte mit einem geschlossenen Gehäuse zu schaffen, bei der die Wärmeableitung zu einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper auf einfache Weise und unabhängig von der Lage der Leuchte bewirkt wird. Die Leuchte soll außerdem einfach herzustellen und zum leichten Austausch von herkömmlichen oder LED-Leuchten geeignet sein.

[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Leuchte nach dem Hauptanspruch gelöst.

[0008] Die Verwendung von Wärme leitenden Kunststoffen für Kühlkörper in Verbindung mit metallische Bauteilen zur Entwärmung von elektronischen Baugruppen ist an sich bekannt (DE 10 2007 057 533 A1). Solche Kunststoffe umfassen Füllstoffe mit guter Wärmeleitfähigkeit in Form feiner Teilchen in einer Matrix aus Kunststoff. Obwohl die Füllstoffe elektrisch leitfähig sein können, ist der Wärme leitende Kunststoff jedenfalls dann nicht elektrisch leitend, wenn der Anteil des Füllstoffs unter der Perkolationsschwelle liegt.

[0009] Erfindungsgemäß ist der Kunststoff des Leuchtengehäuses kompatibel mit dem Wärme leitenden Kunststoff. Damit ist gemeint, dass diese Kunststoffe mindestens in gewissen Grenzen auch im erstarrten Zustand miteinander mischbar und in ihrem thermischen Verhalten so ähnlich sind, dass bei Temperaturänderung an einer Verbindung der beiden Kunststoffe keine Spannungen auftreten, welche diese Verbindung zerstören können. Im Zweifelsfall kann der Fachmann durch geeignete einfache Versuche feststellen, ob Kompatibilität zweier Kunststoffe gegeben ist.

[0010] Das Gehäuse und auch die Matrix des Wärme leitenden Kunststoffs werden bevorzugt durch thermoplastische Kunststoffe gebildet. Dadurch wird die Herstellung der erfindungsgemäßen Leuchte erleichtert.

[0011] Insbesondere kann das thermische Koppelelement in einer Öffnung der Gehäusewand eingefügt und mit dieser verschweißt werden, wobei die Kunststoffe der beiden Bauteile teilweise miteinander verschmelzen oder mit einem kompatiblen Zusatz verbunden werden. Ein solches Verschweißen kann in bekannter Weise z.B. mit Heißluft oder Ultraschall erfolgen. Ebenso ist es möglich, das Koppelelement als Einsatz in eine Spritzgussform für die Gehäusewand einzusetzen und mit dem Kunststoff der letzteren zu umspritzen. Auch hierbei kann eine gewisse Verschmelzung beider Teile an der Grenzfläche auftreten. Dadurch erhält man eine sehr gute und dichte Verbindung des thermischen Koppelelement mit der Gehäusewand.

[0012] Alternativ kann die das Koppelelement umfassende Gehäuseschale auch in einem Zweikomponentenverfahren spritzgegossen werden, indem beispielsweise die Form zunächst nur das Koppelelement aus dem Wärme leitenden Kunststoff bildet und danach für die Formung der übrigen Gehäuseschale weiter geöffnet wird. Es ist auch möglich, bei geeigneter Abstimmung der Fülldrücke die Materialien für beide Bauteile gleichzeitig in die Form zu spritzen.

[0013] Der thermoplastische Kunststoff der Gehäusewand und der Matrix des Wärme leitenden Kunststoffs ist bevorzugt ein Polyolefin wie Polyethylen, Polypropylen, ein Polyamid, ein Polycarbonat, ein Vinylpolymer, Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat. Bei der Auswahl des Gehäusewerkstoffs können optische und ästhetische Anforderungen berücksichtigt werden.

[0014] Der Füllstoff im Wärme leitenden Kunststoff ist bevorzugt Aluminiumoxid, Aluminium, Kupfer, Bornitrid oder Kohlenstoff in Form von Graphit oder Nanoröhrchen. Geeignete Wärme leitende Kunststoffe haben eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2, bevorzugt etwa 10, besonders bevorzugt mehr als 25 W/mK.

[0015] Das Gehäuse der Leuchte ist bevorzugt aus mindestens zwei Schalen zusammengesetzt, wobei das Koppelelement in die Wand von einer der Schalen eingefügt ist. Bei der bevorzugten Verwendung von zwei Schalen haben diese zweckmäßig kongruente Ränder. Für die Herstellung der Leuchte werden diese Ränder miteinander verbunden, so dass ein dicht geschlossenes Gehäuse entsteht. Selbstverständlich sind vor dem Zusammenbau der Schalen die LED beziehungsweise die mit den LED bestückte Platine auf der Innenseite des Koppelelements anzubringen und gegebenenfalls erforderliche Betriebsgeräte und Stromzuführungen einzubauen.

[0016] Bevorzugt werden die beiden Schalen des Gehäuses an den Rändern miteinander verklebt oder verschweißt, beispielsweise mittels Ultraschall. Es ist aber auch möglich, die beiden Gehäuseschalen mittels Dichtungen und Befestigungselementen wie federnde Clips oder Schrauben dicht miteinander zu verbinden.

[0017] Für den Betrieb der LED erforderliche Betriebs- oder Vorschaltgeräte können sowohl innerhalb als auch außerhalb der Leuchte angebracht werden. Sind sie innerhalb des Gehäuses angeordnet, dann kann zu ihrer Entwärmung derselbe, entsprechend vergrößerte Kühlkörper wie für die LED verwendet werden. Es kann auch ein separater Kühlkörper für die Betriebsgeräte im Gehäuse vorhanden sein, der auf gleiche Weise wie jener für die LED in die Gehäusewand eingegliedert sein kann.

[0018] Die LED-Platine wird zweckmäßig mit dem Koppelelement so verbunden, dass ein möglichst guter Wärmeübergang gesichert ist, beispielsweise durch Andruckelemente wie Schrauben mit Federelementen und/oder Verwendung einer Wärmeleitpaste.

[0019] Da der Wärme leitende Kunststoff des Koppelelement elektrisch isolierend ist, kann man auf die Verwendung einer separaten Platine für die Montage der LED verzichten. Stattdessen können sowohl die LED selbst als auch die für die Stromversorgung der LED erforderliche Verdrahtung auf dem Koppelelement selbst angebracht werden. Auch die für die Stromversorgung notwendigen Außenanschlüsse können durch das Koppelelement geführt werden. Beispielsweise kann das Koppelelement mit den durchgeführten Außenanschlüsse und den Leiterbahnen auf der Innenfläche durch Einsatzspritzgießen geformt und die LED danach angelötet werden. Dieser letztere Schritt kann auch nach dem Umspritzen des Koppelelement mit der Gehäuseschale erfolgen.

[0020] Der zur erfindungsgemäßen Leuchte gehörende und die Wärme aus dem Koppelelement aufnehmende und mit der Außenluft in Verbindung stehende Kühlkörper kann aus einem Metall wie Aluminium, Kupfer, Eisen oder seinerseits ebenfalls aus Wärme leitendem Kunststoff bestehen. In diesem letzteren Fall kann der Anteil des Wärme leitenden Füllstoffs sogar über der Perkolationsschwelle liegen, da eine gewisse elektrische Leitfähigkeit des Kühlkörpers im Allgemeinen nicht stört. Die Kühlkörper kann Strukturen zur Vergrößerung der freien Oberfläche, wie Zapfen oder Rippen aufweisen und/oder auch von Luft oder einem anderen Kühlfluid durchströmt sein.

[0021] Damit das in die Gehäusewand eingebaute Koppelelement die Wärme aus dem Gehäuse zum mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper ableiten kann, muss ein geeigneter thermischer Kontakt zwischen beiden Bauteilen bestehen. Dieser lässt sich zum Beispiel herstellen, indem im Koppelelement Gewindebolzen eingebaut sind, welche den Kühlkörper durchdringen und diesen mittels aufgeschraubter Muttern halten. Der Spalt zwischen beiden Bauteilen wird zweckmäßig mit einer Wärmeleitpaste ausgefüllt. Es ist auch möglich, das Leuchtengehäuse mit Zapfen reibschlüssig im Kühlkörper zu befestigen. Wenn man diese Zapfen elektrisch isoliert, können sie auch zur Stromversorgung dienen. Alternativ kann das Koppelelement mit dem Kühlkörper einstückig ausgeführt sein, beispielsweise als einheitlicher Körper aus demselben Wärme leitenden Kunststoff.

[0022] Es ist vorteilhaft, den Kühlkörper lösbar mit dem Koppelelement im Leuchtengehäuse zu verbinden, weil bei einem Austausch der Leuchte in der Regel der Kühlkörper weiter verwendet werden kann. Dadurch wird unnötiger Materialverbrauch vermieden. Die ausgetauschte Leuchte kann leicht aufgearbeitet werden, beispielsweise indem man das Gehäuse öffnet und die LED ersetzt. Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse luftdicht geschlossen.

[0023] Die Erfindung wird nun anhand des in Figur 1 im Längs- und Querschnitt (a bzw. b) dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0024] In der Figur erkennt man eine Leuchte 1, deren Gehäuse aus den beiden Schalen 5 (obere Schale) und 3 (untere Schale) zusammengesetzt ist. Beide Schalen weisen umlaufende kongruente Flansche auf, die miteinander verschweißt sind. Das thermische Koppelelement 10 ist so in die obere Gehäuseschale 5 eingefügt, dass es einen Teil von deren Wand ersetzt. An der Kontaktfläche 24 ist der Wärme leitende Kunststoff des Koppelelement 10 mit dem Kunststoff der Gehäuseschale 5 vermischt und dicht verschweißt. Das Koppelelement 10 wird von Kontaktstiften 20 durchsetzt, die auf der Innenseite der Schale 5 mit der Verdrahtung 18 auf dem Koppelelement 10 verbunden sind. Die Verdrahtung 18 ist mit den Leuchtdioden 16 verbunden und versorgt diese mit Strom. Auf der Außenseite der Schale 5 steht das Koppelelement 10 in thermischem Kontakt mit dem Kühlkörper 12, der auf der von der Leuchte abgewandten Seite zu Rippen 14 geformt ist. Die Kontaktstifte 24 sind reibschlüssig in den Kontakthülsen 22 festgelegt, die hier nur zur Verdeutlichung zu weit gezeichnet sind. Die Kontakthülsen sind im Kühlkörper elektrisch isoliert und mit dem Polen einer Stromquelle verbunden. In diesem Fall kann das Leuchtengehäuse durch Herausziehen der Kontaktstifte 20 aus den Hülsen 22 leicht vom Kühlkörper gelöst werden. Der Kühlkörper kann dann bei der Beleuchtungsanordnung verbleiben. Nicht beschränkende Beispiele für typische Längen solcher Leuchten liegen zwischen etwa 80 und 150 cm bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 20 bis über 150 W.

[0025] Bei der Herstellung der gezeigten Leuchte werden zunächst die Kontaktstifte 20 mit dem wärmeleitenden Kunststoff zur Bildung des Koppelelements 10 umspritzt. Danach wird dieses Koppelelement in die Form für die obere Gehäuseschale 5 eingesetzt und mit dem für diese Schale vorgesehenen Kunststoff umspritzt. Danach wird die Verdrahtung 18 mit den Kontaktstiften 20 verbunden und die Leuchtdioden an der Verdrahtung 18 bzw. am Koppelelement 10 befestigt, beispielsweise angelötet. Nun werden beide Gehäuseschalen 3 und 5 an den Flanschen 7 miteinander verschweißt und es entsteht ein luftdichtes Leuchtengehäuse. Dieses wird mit den Kontaktstiften 20 in die Kontakthülsen 22 eingesetzt, wobei ein thermischer Kontakt zwischen Koppelelement 10 und Kühlkörper 12 entsteht und die Leuchte 1 gebildet wird.

Bezugszeichenliste

[0026] 

1

Leuchte

3

untere Gehäuseschale

5

obere Gehäuseschale

7

Flansche mit Schweißnaht

10

Koppelelement

12

Kühlkörper

14

Rippen

16

Leuchtdioden (LED)

18

Verdrahtung

20

Kontaktstifte

22

Kontakthülsen

24

Kontaktfläche

Ansprüche

1. Leuchte, insbesondere für den Außenbereich, mit einer Mehrzahl auf einer Platine angeordneter lichtemittierender Dioden (LED) in einem geschlossenen Gehäuse aus Kunststoff, einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kühlkörper und mindestens einem thermischen Koppelelement aus einem wärmeleitenden Material, welches in den zum Kühlkörper benachbarten Bereich der Gehäusewand eingebaut ist, zum Ableiten der von den LED erzeugten Wärme zum Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Koppelelement aus einem wärmeleitenden Kunststoff besteht, der mit dem Kunststoff des Gehäuses kompatibel ist.

2. Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeleitende Kunststoff ein thermoplastischer Kunststoff ist, der einen wärmeleitenden Füllstoff umfasst, und dass das Gehäuse aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht.

3. Leuchte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement mit der Gehäusewand verschweißt oder umspritzt ist.

4. Leuchte nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff ein Polyolefin, Polyamid, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat ist.

5. Leuchte nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeleitende Füllstoff Aluminiumoxid, Aluminium, Kupfer, Bornitrid oder Kohlenstoff in Form von Graphit oder Nanoröhrchen ist.

6. Leuchte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus mindestens zwei Schalen zusammengesetzt ist, wobei das Koppelelement in die Wand von einer der Schalen eingefügt ist.

7. Leuchte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalen zur Bildung des geschlossenen Gehäuses miteinander verklebt oder verschweißt sind.

8. Leuchte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement gleichzeitig die Platine bildet, auf der die LED mit ihrer Verdrahtung angebracht sind.

9. Leuchte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement mit dem Kühlkörper einstückig ausgeführt ist.

10. Leuchte nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Austausch das Gehäuse mit dem Koppelelement vom Kühlkörper gelöst werden kann.

Zeichnung