[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 sowie ein Fahrzeug mit der Beleuchtungseinrichtung.
[0002] Bereits seit einiger Zeit werden Halbleiterlichtquellen (etwa Licht emittierende
Dioden "LEDs", Laserdioden, etc.) in Beleuchtungseinrichtungen von (Kraft)Fahrzeugen
verwendet, wobei es sich bei den Beleuchtungseinrichtungen bspw. sowohl um Signalleuchten
als auch um Scheinwerfer handeln kann.
[0003] Anders als bei herkömmlichen Leuchtmitteln, wie etwa Glühbirnen, Halogenlampen oder
Gasentladungslampen, ist der Anteil an erzeugter Infrarotstrahlung bei Halbleiterlichtquellen
vergleichsweise bzw. vernachlässigbar gering, was zur Folge hat, dass sich das Gehäuse
von Beleuchtungseinrichtungen (einschließlich dessen Abdeckscheibe) mit einer Halbleiterlichtquelle
bei deren Betrieb weit weniger erwärmt, als dies bei herkömmlichen Leuchtmitteln der
Fall ist.
[0004] Auf der anderen Seite werden auch bei Halbleiterlichtquellen nach dem derzeitigen
Stand der Technik nur etwa 20% der zugeführten elektrischen Energie in Licht umgewandelt,
die restlichen etwa 80% bewirken in Form von Verlustwärme eine Erwärmung der Halbleiterlichtquelle(n).
[0005] Der geringe Anteil an Infrarotstrahlung von Halbleiterlichtquellen führt somit zu
"Hotspots" thermischer Leistung im Bereich der Halbleiterlichtquellen. Bei Scheinwerfern
mit Halbleiterlichtquelle(n) ist/sind diese oftmals in dessen hinteren Bereich angeordnet,
so dass auch in diesem hinteren Bereich der/die "Hotspot(s)" ausgebildet werden.
[0006] Die der Umgebungsluft ausgesetzte Frontscheibe des Scheinwerfers bildet dagegen eine
vergleichsweise kalte Zone. Beim Betrieb eines Scheinwerfers mit Halbleiterlichtquelle(n)
steigt daher oftmals warm-feuchte Luft im hinteren Bereich des Scheinwerfers auf und
sinkt an der vergleichsweise kühlen Frontscheibe ab, was eine Betauung der Frontscheibe
bewirken kann.
[0007] Da die Lebensdauer von Halbleiterlichtquellen stark temperaturabhängig ist und bei
einem Überschreiten einer vorgegebenen Schwellentemperatur die Halbleiterlichtquelle
zerstört wird, ist es vor allem bei Scheinwerfern, d.h. allgemeiner ausgedrückt bei
Halbleiterlichtquellen mit einer vergleichsweise hohen Leistung erforderlich, für
eine ausreichende Kühlung der Halbleiterlichtquelle(n) zu sorgen.
[0008] Daher ist es bekannt, die thermische Leistung von Halbleiterlichtquellen mittels
Kühlkörper abzuführen, die direkt mit dem zu kühlenden elektrischen Bauteil verbunden
sind.
[0009] Eine einfache Verwendung von Kühlkörpern in direktem Kontakt mit einer Halbleiterlichtquelle
führt jedoch - wie bei jedem Luft-Kühlkörper-Übergang - zur Ausbildung von Grenzschichten
am Übergang Luft-Kühlkörper und somit zu einem vergleichsweise geringen Wärmeübergang
und erfordert daher einen groß dimensionierten Kühlkörper, was nachteilig im Hinblick
auf dessen Gewicht und Volumen ist.
[0010] Vor diesem Hintergrund wurden Lösungen entwickelt, bei denen Kühlkörper mit einem
Lüfter oder mittels Fahrtwind angeströmt werden. Je nach Geschwindigkeit der anströmenden
Luft können hierbei die Grenzschichten laminar oder turbulent sein.
[0011] So beschreibt die
DE 10 2007 028 301 A1 einen Scheinwerfer, bei dem mindestens eine in einem Gehäuse angeordnete Halbleiterlichtquelle
mittels einer Heatpipe thermisch mit einem Kühlkörper verbunden ist. Es sind Belüftungsmittel
zur zwangsweisen Belüftung des Kühlkörpers vorgesehen. Der Kühlkörper kann entweder
in dem Gehäuse angeordnet sein, in welchem Fall die Belüftungsmittel einen Ventilator
umfassen, oder er kann außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, in welchem Fall die
Belüftungsmittel Luftleitelemente zur Zwangsbelüftung durch den Fahrtwind umfassen.
[0012] Aus der
DE 10 2009 033 909 A1 ist ein Frontscheinwerfer für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit wenigstens einer zu
kühlenden Wärmequelle und einer Kühleinrichtung, die einen thermisch mit der Wärmequelle
gekoppelten Kühlkörper sowie ein Gebläse mit einem Gebläsegehäuse aufweist, das einen
den Kühlkörper kühlenden Luftstrom erzeugt. Der Frontscheinwerfer zeichnet sich dadurch
aus, dass der Kühlkörper mit dem Gebläsegehäuse eine einstückige bauliche Kühlkörper-Gebläsegehäuse-Einheit
bildet.
[0013] Und die
DE 10 2012 103 631 A1 hat ein Lichtmodul für den Scheinwerfer eines Fahrzeugs zum Gegenstand, das wenigstens
einen Kühlkörper und eine mit dem wenigstens einen Kühlkörper in wärmeübertragendem
Kontakt stehende Wärmetransportvorrichtung aufweist, wobei die Wärmetransportvorrichtung
beweglich gelagert und wenigstens eine Lichtquelle an der Wärmetransportvorrichtung
befestigt ist, so dass mit der Bewegung der Wärmetransportvorrichtung die Ausleuchtung
vor dem Fahrzeug durch die befestigte Lichtquelle verändert werden kann. Die Wärmetransportvorrichtung
kann innen hohl sein, wobei vorzugsweise ein Radiallüfter eine quasi laminare Strömung
im Inneren erzeugt und im Gegenstromprinzip die Wärmetransportvorrichtung von innen
kühlt. Der Luftstrom kann auch zur Enttauung und/oder Enteisung der Abschlussscheibe
der Scheinwerfer-/Leuchteneinheit dienen.
[0014] Wird zur Erhöhung des Wärmeübergangs ein Kühlkörper im Inneren eines Scheinwerfergehäuses
mittels eines Ventilators angeströmt, entstehen jedoch oftmals Strömungsprofile im
Scheinwerfer, die durch ihren Charakter die Betauungsneigung der Scheinwerferfrontscheiben
erhöhen können. Und ist ein Kühlkörper gemäß der
DE 10 2007 028 301 A1 außerhalb des Gehäuses angeordnet, so ist ein Fahrtwind erforderlich, um eine ausreichende
Kühlung zu bewirken. Ein Fahrtwind ist bei einem Stillstand eines Fahrzeugs jedoch
nicht gegeben.
[0015] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung mit einer
Halbleiterlichtquelle zur Verfügung zu stellen, mit dem die vorstehend beschriebenen
Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwunden werden. Eine weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung
zur Verfügung zu stellen.
[0016] Diese Aufgaben werden gelöst durch die Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie
das Fahrzeug gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Beleuchtungseinrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0017] Erfindungsgemäß wird eine Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Scheinwerfer
für ein (Kraft)Fahrzeug vorgeschlagen, mit einem Gehäuse und darin befindlicher Gehäuseluft,
wenigstens einer in dem Gehäuse angeordneten Halbleiterlichtquelle, die an wenigstens
einer Wärmetransporteinrichtung befestigt ist, wobei die wenigstens eine Wärmetransporteinrichtung
sich in wärmeübertragendem Kontakt mit einer Kühlkörpereinrichtung befindet und wobei
ein Belüftungsmittel zur zwangsweisen Belüftung der Kühlkörpereinrichtung mit Gehäuseluft
vorgesehen ist.
[0018] Die Beleuchtungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gehäuse über wenigstens eine erste Öffnung verfügt, über die Umgebungsluft in
das Gehäuse eintreten kann,
- das Gehäuse über wenigstens eine zweite Öffnung verfügt, über die Gehäuseluft aus
dem Gehäuse austreten kann,
- das Belüftungsmittel dazu eingerichtet ist, Gehäuseluft zu der Kühlkörpereinrichtung
zu bewegen, und
- die Kühlkörpereinrichtung dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Anteil der zu ihr
bewegten Gehäuseluft aus der Beleuchtungseinrichtung (und damit auch aus dem Gehäuse)
austreten zu lassen.
[0019] Durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ergeben sich eine Reihe von bisher
nicht erzielbaren Vorteilen. So unterbricht oder limitiert die Verwendung einer Kühlkörpereinrichtung,
deren Abluft aus dem Gehäuse entfernt wird, die Luftumwälzung im Inneren der Beleuchtungseinrichtung,
die durch freie Konvektion getrieben die Betauung der Abdeckscheibe verstärkt.
[0020] Der induzierte Volumenstrom durch die Kühlkörpereinrichtung sorgt für eine konstante
Durchlüftung des Gehäuses unabhängig von einer Bewegung der Beleuchtungseinrichtung
(bspw. eines Fahrzeugs, in dem die Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist) und fördert
somit die Enttauung der Frontscheibe bereits im Stand.
[0021] Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Beleuchtungseinrichtung sind bei
dieser
- das Belüftungsmittel und die Kühlkörpereinrichtung im Inneren des Gehäuses angeordnet,
- das Belüftungsmittel außerhalb des Gehäuses und die Kühlkörpereinrichtung im Inneren
des Gehäuses,
- das Belüftungsmittel im Inneren des Gehäuses und die Kühlkörpereinrichtung außerhalb
des Gehäuses, oder
- das Belüftungsmittel und die Kühlkörpereinrichtung außerhalb des Gehäuses angeordnet.
[0022] Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Beleuchtungseinrichtung umfasst
die wenigstens eine in dem Gehäuse angeordnete Halbleiterlichtquelle eine Licht emittierende
Diode (LED) und/oder eine Laserdiode.
[0023] Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Beleuchtungseinrichtung umfasst
die wenigstens eine Wärmetransporteinrichtung eine Heatpipe, einen wärmeleitenden
Metallkörper oder einen wärmeleitenden Graphitkörper.
[0024] Die Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch dahin in vorteilhafter
Weise weitergebildet sein, dass die Kühlkörpereinrichtung einen metallenen Kühlkörper
mit rippenartiger Struktur umfasst, wobei der Kühlkörper wahlweise unmittelbar von
einem Kühlkörpergehäuse umgeben oder in einem Kühlkörpergehäuse angeordnet ist.
[0025] Bei der Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Belüftungsmittel
in vorteilhafter Weise eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet, einen
Radiallüfter oder einen Tangentiallüfter umfassen.
[0026] Ebenso kann die Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Partikelfilter
zur Filterung der in das Gehäuse zu leitenden Umgebungsluft aufweisen.
[0027] Die Beleuchtungseinrichtung kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung
auch eine Steuereinrichtung aufweisen, mittels der der von dem Belüftungsmittel zu
der Kühlkörpereinrichtung geleitete Volumenstrom an Gehäuseluft gesteuert oder geregelt
werden kann.
[0028] Hierbei kann die Steuereinrichtung insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Regelung
des zu der Kühlkörpereinrichtung geleiteten Volumenstroms an Gehäuseluft in Abhängigkeit
von einer Temperatur einer Halbleiterlichtquelle, einem Druckunterschied zwischen
der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung und/oder einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs
zu regeln, in dem die Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist.
[0029] Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug
mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung oder einer ihrer vorteilhaften
Weiterbildungen.
[0030] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
[0031] Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine erstes Ausführungsbeispiel der Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 2
- eine zweites Ausführungsbeispiel der Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 3
- ein drittes Ausführungsbeispiel der Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
[0032] Die Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht.
Innerhalb der Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
[0033] Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht
auf diese Ausführungsformen beschränkt.
[0034] Die in der obigen Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie
die in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen, Ausführungsbeispielen
und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale
und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0035] Wie in allen drei Figuren gezeigt, weist die Beleuchtungseinrichtung 1, ein Gehäuse
2 auf, in der sich Gehäuseluft befindet. In aller Regel weist die Beleuchtungseinrichtung
1 auch eine Abdeckscheibe 13 auf, die je nach Verwendungszweck der Beleuchtungseinrichtung
1 aus Glas oder Kunststoff bestehen kann, farblos oder farbig, plan oder gekrümmt,
eine glatte oder strukturierte Oberfläche aufweisen kann.
[0036] Die Beleuchtungseinrichtung 1 weist wenigstens eine in dem Gehäuse 2 angeordneten
Halbleiterlichtquelle 3, 3', 3" auf, die an wenigstens einer Wärmetransporteinrichtung
4, 4' befestigt ist.
[0037] Die Zahl der Halbleiterlichtquellen 3, 3', 3" der Beleuchtungseinrichtung 1 ist nicht
besonders beschränkt und kann bspw. ein, zwei, drei, vier oder mehr Halbleiterlichtquellen
3, 3', 3" umfassen, wobei jede der Halbleiterlichtquellen 3, 3', 3" ein einzelnes
lichterzeugendes Element oder mehrere lichterzeugende Elemente (bspw. in Form eines
LED-Array) umfassen kann. Bevorzugte Beispiele für eine Halbleiterlichtquelle 3, 3',
3" ist eine Licht emittierende Diode (LED), ein Array an Licht emittierenden Dioden,
eine Laserdiode, ein Array an Laserdioden und eine beliebige Kombination der genannten
Halbleiterlichtquellen 3, 3', 3". Die vorliegende Erfindung ist nicht auf derzeit
bekannte Halbleiterlichtquellen 3, 3', 3" beschränkt.
[0038] Die Halbleiterlichtquelle(n) 3, 3', 3" können kraft-, form- oder stoffschlüssig an
der Wärmetransporteinrichtung 4, 4' befestigt sein. In vorteilhafter Weise ist ein
wärmeübertragender (wärmetransportierender) Kontakt zwischen Halbleiterlichtquelle(n)
3, 3', 3" und Wärmetransporteinrichtung 4, 4' vorgesehen.
[0039] Die wenigstens eine Wärmetransporteinrichtung 4, 4' ist dazu vorgesehen, Verlustwärme,
die beim Betrieb der wenigstens einen Halbleiterlichtquelle 3, 3', 3" entsteht, zu
der Kühlkörpereinrichtung 5 zu transportieren.
[0040] Daher ist es von Vorteil, wenn die Wärmetransporteinrichtung 4, 4' aus einem Material
mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit, d.h. mit einem möglichst geringen Wärmeleitwiderstand
besteht oder dieses umfasst. Als vorteilhafte Beispiele für die Wärmetransporteinrichtung
4, 4' seien eine Heatpipe, ein wärmeleitender Metallkörper oder ein wärmeleitender
Graphitkörper erwähnt, wobei die Wärmetransporteinrichtung(en) 4, 4' in der Regel
längsförmig ausgebildet ist/sind. Die Wärmetransporteinrichtungen 4, 4' können jede
geeignete Geometrie und Größe aufweisen; bei mehreren Wärmetransporteinrichtungen
4, 4' können diese jeweils eine unterschiedliche Geometrie und/oder Größe aufweisen.
[0041] Bekanntermaßen umfasst eine Heatpipe ein allseitig geschlossenes Wärmeleitrohr, das
im Bereich eines seiner Enden thermisch mit der zu kühlenden Einrichtung verbunden
wird. Die Heatpipe enthält ein Kühlmedium, das bei Erwärmung gasförmig wird und bei
Abkühlung an kühleren Stellen der Heatpipe wieder flüssig wird (Phasenübergang). Das
flüssige Kühlmedium wird durch eine (Kapillar)Struktur, ein Dochtsystem oder durch
die Schwerkraft zur Wärmequelle zurücktransportiert.
[0042] Die Heatpipe kann in einer Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
in vorteilhafter Weise so angeordnet sein, dass sie beim bestimmungsgemäßen Gebrauch
der Beleuchtungseinrichtung 1 (bspw. als Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs) ein Gefälle
vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich der Heatpipe hin aufweist. Hierdurch
kann erreicht werden, dass das in der Heatpipe gebildete Kondensat zuverlässig in
Richtung des Verdampfungsbereichs zurück fließt. Bei einem Frontscheinwerfer eines
Fahrzeugs kann bspw. das Gefälle in einem Bereich von 5% bis etwa 40% betragen, ohne
hierauf jedoch beschränkt zu sein.
[0043] Die Wärmetransporteinrichtung(en) 4, 4' ist/sind nicht auf Heatpipes (oder allgemeiner
ausgedrückt auf (eine) Wärmetransporteinrichtung(en) unter Anwendung des Prinzips
eines Phasenübergangs) beschränkt und kann bspw. auch in Form eines wärmeleitenden,
bevorzugt längsförmigen Metallkörpers (bspw. aus Kupfer, Aluminium, einer Kupferlegierung
oder einer Aluminiumlegierung) oder eines wärmeleitenden, bevorzugt längsförmigen
Graphitkörpers ausgebildet sein.
[0044] Der Graphitkörper kann, muss jedoch nicht ausschließlich aus Graphit bestehen, sondern
es ist ausreichend, wenn dieser einen Anteil an Graphit enthält, um eine ausreichende
Wärmeleiteigenschaft aufzuweisen. Da Graphitkörper oftmals vergleichsweise spröde
sind und daher leicht brechen können, ist es von Vorteil, wenn der Graphitkörper an
zumindest einer Seite entlang seiner Längserstreckung mit einem anderen Material verbunden
oder von einem anderen Material gestützt (unterstützt) wird, wie bspw. einem Material
aus einem Kunststoff, einer Keramik oder Metall, um den mechanischen Belastungen standzuhalten,
für die die Beleuchtungseinrichtung 1 spezifiziert ist.
[0045] Die Wärmetransporteinrichtung(en) 4, 4' befindet/befinden sich in einem wärmeübertragendem
Kontakt mit der Kühlkörpereinrichtung 5. Hierbei kann die Wärmeübertragung im einfachsten
Fall mittels eines berührenden Kontakts zwischen einer Wärmetransporteinrichtung 4,
4' und der Kühlkörpereinrichtung 5 erfolgen. Eine Wärmetransporteinrichtung 4, 4'
und die Kühlkörpereinrichtung 5 können jedoch auch mittels Kraft-, Form- oder Stoffschluss
miteinander in wärmeübertragender Verbindung zueinander stehen.
[0046] Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmetransporteinrichtung(en) 4, 4' gegenüber der
Kühlkörpereinrichtung 5 beweglich ausgebildet ist/sind, wobei bei unterschiedlichen
Stellungen einer Wärmetransporteinrichtung 4, 4' gegenüber der Kühlkörpereinrichtung
5 ein wärmeübertragender Kontakt sichergestellt sein muss. Auch kann vorgesehen sein,
dass die Kombination aus Wärmetransporteinrichtung(en) 4, 4' und Kühlkörpereinrichtung
5 gegenüber dem Gehäuse 2 beweglich ausgebildet ist. Durch eine Bewegung der Wärmetransporteinrichtung(en)
4, 4' mit der/den daran befestigten Halbleiterlichtquelle(n) 3, 3', 3" gegenüber dem
Gehäuse 2 kann die Charakteristik der Lichtabstrahlung der Beleuchtungseinrichtung
1 geändert werden und können somit bspw. mit ein und derselben Beleuchtungseinrichtung
1 eine größer Anzahl an Lichtfunktionen realisiert werden, als dies bei (einer) gegenüber
dem Gehäuse 2 unbeweglich angeordneten Halbleiterlichtquelle(n) 3, 3', 3" der Fall
wäre.
[0047] Wie aus den Figuren ebenfalls ersichtlich ist, ist von der Erfindung selbstverständlich
auch umfasst, dass mehrere Halbleiterlichtquellen 3, 3', 3" auf einer Wärmetransporteinrichtung
4, 4' befestigt sind und/oder mehrere Wärmetransporteinrichtungen 4, 4' sich in wärmeübertragendem
Kontakt mit nur einer Kühlkörpereinrichtung 5 befinden.
[0048] Bei der Kühlkörpereinrichtung 5 kann es sich im einfachsten Fall um einen Kühlkörper
9 handeln. Aus dem Stand der Technik sind eine große Anzahl an Kühlkörper 9 bekannt,
so dass hierauf in der vorliegenden Anmeldung nicht näher darauf eingegangen zu werden
braucht.
[0049] In vorteilhafterweise umfasst die Kühlkörpereinrichtung 5 einen metallenen Kühlkörper
9 mit rippenartiger Struktur oder Fingerkühlkörper 9 (mit meiner Mehrzahl an Pins
bzw. Stiften; im Vergleich zu einem Kühlkörper 9 mit einer rippenartigen Struktur
kann dieser eine größere Oberfläche aufweisen). Dieser Kühlkörper 9 kann wahlweise
unmittelbar von einem Kühlkörpergehäuse 10 umgeben oder in einem Kühlkörpergehäuse
10 angeordnet sein. In den Figuren 1 bis 3 sind jeweils Ausführungsbeispiele mit einem
in einem Kühlkörpergehäuse 10 angeordneten Kühlkörper 9 dargestellt. Es soll jedoch
ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine
solche Ausgestaltung der Kühlkörpereinrichtung 5 beschränkt ist.
[0050] Ist der Kühlkörper 9 von einem Kühlkörpergehäuse 10 umgeben oder in einem solchen
angeordnet, so ist dieses selbstverständlich nicht vollständig geschlossen, sondern
weist an geeigneten Stellen wenigstens eine Lufteintrittsöffnung 11 und wenigstens
eine Luftaustrittsöffnung 12 auf. Diese Öffnungen 11, 12 sind dabei so gewählt, dass
die zu dem Kühlkörper 9 geführte Luft an dem Kühlkörper 9 entlang, insbesondere an
Kühlrippen des Kühlkörpers 9 entlang oder durch sie hindurch strömt oder strömen kann.
[0051] Umfasst die Kühlkörpereinrichtung 5 ausschließlich einen Kühlkörper 9, können bspw.
die Kühlrippen so ausgeformt sein (bspw. an ihren freien Enden umgebogen sein), dass
diese einen größeren Anteil der an ihnen vorbeiströmenden Gehäuseluft in Richtung
der zweiten Gehäuseöffnung 8 lenken, als dies bei "einfachen" Kühlrippen der Fall
ist.
[0052] Auch können in dem Gehäuse 2 (in den Figuren nicht dargestellte) Luftleitelemente
(Luftführungen) vorgesehen sein, die eine Lenkung der zu der Kühlkörpereinrichtung
5 strömenden Gehäuseluft in Richtung der zweiten Gehäuseöffnung 8 unterstützen.
[0053] Ist ein Kühlkörpergehäuse 10 im Inneren des Gehäuses 2 vorgesehen oder in unmittelbarer
Nachbarschaft des Gehäuses 2, so kann das Gehäuse 2 und das Kühlkörpergehäuse 10 zumindest
eine gemeinsame Wandung aufweisen. Auch kann, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt
ist, bspw. eine Öffnung sowohl die zweite Gehäuseöffnung 8 als auch die zweite Öffnung
12 des Kühlkörpergehäuses 10 ausbilden.
[0054] Als Belüftungsmittel 6 6', das zur zwangsweisen Belüftung der Kühlkörpereinrichtung
5 mit Gehäuseluft vorgesehen ist, eignen sich grundsätzlich alle Strömungseinrichtungen,
die in der Lage sind, eine Gasströmung, insbesondere eine turbulente Gasströmung,
bevorzugt eine hoch turbulente Gasströmung, oder eine Gasströmung mit einer besonders
hohen Geschwindigkeit zu erzeugen.
[0055] Als bevorzugte Beispiele für Belüftungsmittel 6, 6' seien hier ein Radiallüfter,
Tangentiallüfter oder eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet erwähnt.
[0056] Eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet umfasst einen Hohlraum (Kavität),
bei dem ein Ende mit einer flexiblen, in periodische Schwingung versetzbare Membran
verschlossen ist und die an einem anderen Ende eine Austrittsöffnung aufweist. Bei
einer durch die Bewegung der Membran erzeugten Vergrößerung des Volumens des Hohlraums
entsteht in diesem ein Unterdruck und es strömt durch die Düse Gas aus der Umgebung
(Gehäuseluft; allgemeiner ausgedrückt ein Fluid) in den Hohlraum hinein.
[0057] Während der anschließenden Verringerung des Volumens wird das eingeströmte Gasvolumen
(Fluidvolumen) wieder aus dem Hohlraum ausgestoßen. Die Strömung löst sich an den
Kanten der Düse ab und es bildet sich eine freie Scherschicht zwischen ausgestoßenem
Gas und ruhender Umgebung aus.
[0058] Dabei wird ein Wirbel erzeugt, welcher sich nach Überschreiten einer Energieschwelle
in axialer Richtung bewegt. Hierbei wird Gas aus der Umgebung (Umgebungsfluid) mitgerissen
und es kommt zur Ausbildung eines Freistrahls (Jet).
[0059] Ein Beispiel einer Beleuchtungseinrichtung 1 mit einer Einrichtung zur Erzeugung
eines synthetischen Jet 6 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Hierbei weist die
Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet 6, insbesondere die als konisches
Element dargestellte Düse einen gewissen Abstand zur ersten Öffnung 11 eines gegebenenfalls
vorhandenen Kühlkörpergehäuses 10 auf, damit eine ausreichende Gasumgebung zur Erzeugung
des Freistrahls gegeben ist. Die Richtung des Freistrahls ist selbstverständlich in
Richtung der ersten Öffnung 11 eines gegebenenfalls vorhandenen Kühlkörpergehäuses
10 gewählt. Besteht die Kühlkörpereinrichtung 5 ausschließlich aus einem Kühlkörper
9, so gilt für die Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet 6 entsprechendes,
d.h. die Richtung des Freistrahls ist bspw. in Richtung des Kühlkörpers 9 oder in
Richtung der Kühlrippen des Kühlkörpers 9 gerichtet.
[0060] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel definieren die erste Öffnung 11 der Kühlkörpereinrichtung
5, die zweite Öffnung 12 der Kühlkörpereinrichtung 5 und die zweite Gehäuseöffnung
8 (die bevorzugt mit der zweite Öffnung 12 der Kühlkörpereinrichtung 5 fluchtet oder
mir dieser identisch ist) die Ansaugposition in der Beleuchtungseinrichtung 1 und
die Auslassposition in die Umgebung der Beleuchtungseinrichtung 1.
[0061] Je nach Art des vorgesehenen Belüftungsmittels 6, 6' können die Grenzschichten am
Luft-Kühlkörperübergang mehr oder weniger stark gestört oder gar zerstört werden.
Wird ein herkömmlicher Radial- oder Axiallüfter 6, 6' für die vorliegende Erfindung
verwendet, so werden die Grenzschichten vergleichsweise wenig gestört, so dass eine
herkömmliche Größe des Kühlkörpers 9 zu wählen sein wird.
[0062] Ein im Vergleich zum Stand der Technik kleinerer Kühlkörper 9 kann gewählt werden,
wenn eine Belüftungsmittel 6, 6' vorgesehen ist, das einen turbulenten, hoch turbulenten
und/oder einen Luftstrom mit einer besonders hohen Geschwindigkeit erzeugt bzw. erzeugen
kann, durch den die Grenzschichten am Luft-Kühlkörperübergang wirksam gestört oder
gar zerstört werden können.
[0063] Daher ist es erfindungsgemäß bevorzugt, eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen
Jet als Belüftungsmittel 6, 6' vorzusehen, mit der ein hoch turbulenter Luftstrom
erzeugt werden kann. Ebenfalls bevorzugt ist es, einen Lüfter als Belüftungsmittel
6, 6' vorzusehen, der eine besonders hohe Geschwindigkeit der Luft erzeugen kann.
[0064] Insbesondere bei Anströmung des Kühlkörpers 9 durch einen synthetischen Jet 6, 6'
wird/werden durch dessen primäre Strömung die Grenzschicht(en) zerstört und somit
der Wärmeübergang an die Luft erhöht. Die induzierte sekundäre Strömung, die durch
den Primärstrahl entsteht wird genutzt, um Gehäuseluft aus dem Inneren des Gehäuses
2 der Beleuchtungseinrichtung 1 anzusaugen und mittels einer Öffnung 8, 12 am Ende
der Kühlkörpereinrichtung 5 aus dem Gehäuse 2 zu befördern.
[0065] Als weitere Beispiele für Strömungseinrichtungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können, seien Radial- und Tangentiallüfter 6, 6' erwähnt.
[0066] Eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet 6, 6' hat gegenüber einem
Radial- und Tangentiallüfter 6, 6' den Vorteil, dass ein synthetischer Jet gegenüber
Lüftern eine um ein Vielfaches höhere Lebensdauer aufweist und somit geringere Ausfallraten
und ein geringerer Wartungsaufwand zu erwarten sind. Auch kann mit einer Einrichtung
zur Erzeugung eines synthetischen Jet 6, 6' auf besonders einfache und zuverlässige
Weise eine hoch turbulente Strömung erzeugt werden.
[0067] Wie in den Figuren 2 und 3 schematisch dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung
aber nicht auf eine Anordnung von Belüftungsmittel 6, 6' und Kühlkörpereinrichtung
5 im Inneren des Gehäuses 2 beschränkt, und es können das Belüftungsmittel 6, 6' und/oder
die Kühlkörpereinrichtung 5 in jeder beliebigen, denkbaren Kombination sowohl innerhalb
als auch außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein.
[0068] Dies bedeutet, dass in vorteilhafter Weise auch
- das Belüftungsmittel 6, 6' außerhalb des Gehäuses 2 und die Kühlkörpereinrichtung
5 im Inneren des Gehäuses 2, oder
- das Belüftungsmittel 6, 6' im Inneren des Gehäuses 2 und die Kühlkörpereinrichtung
5 außerhalb des Gehäuses 2, oder
- das Belüftungsmittel 6, 6' und die Kühlkörpereinrichtung 5 außerhalb des Gehäuses
2 angeordnet sein können.
[0069] Ausführungsformen der Beleuchtungseinrichtungen 1 gemäß der beiden letzten genannten
Möglichkeiten sind Gegenstand der Figuren 2 und 3. Soll bei den Ausführungsformen
gemäß der Figuren 2 und 3 eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet verwendet
werden, so wird ein Fachmann selbstverständlich entsprechende Vorkehrungen treffen,
damit diese die erfindungsgemäße Aufgabe lösen (bspw. Anordnen der Einrichtung zur
Erzeugung eines synthetischen Jet in einem Abstand zu den Öffnungen 8, 11 bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2; Vorsehen eines "Tunnels" mit einem ausreichend groß
dimensionierten Durchmesser zwischen Gehäuse 2 und Kühlkörpergehäuse 10, in dem die
Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet angeordnet ist, so dass durch die
Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet Gehäuseluft aus dem Gehäuse 2 abgesaugt
und in Richtung der ersten Öffnung 11 des Kühlkörpergehäuses 10 geleitet werden kann,
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3).
[0070] Ist das Belüftungsmittel 6, 6' außerhalb und die Kühlkörpereinrichtung 5 innerhalb
des Gehäuses 2 angeordnet, so ist selbstverständlich eine Verbindung (starr, flexibel,
schlauchförmig, etc.) zwischen der Gasaustrittsstelle (Gehäuseluft) des Belüftungsmittels
6, 6' und der Kühlkörpereinrichtung 5 vorgesehen, so dass Gehäuseluft von dem Belüftungsmittel
6, 6' zu der Kühlkörpereinrichtung 5 geleitet werden kann.
[0071] Durch die Freiheit in der Anordnung von Belüftungsmittel 6, 6' und Kühlkörpereinrichtung
5 innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses 2 können sich Vorteile in Bezug auf das
Design der Beleuchtungseinrichtung 1 und den Arbeitsaufwand ergeben, der bei der Montage
und möglichen Service- und Reparaturarbeiten erforderlich ist.
[0072] Bei der Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiter vorgesehen
sein, dass diese einen Partikelfilter aufweist, durch den hindurch Umgebungsluft (Außenluft)
hindurchtreten muss, bevor sie in das Innere des Gehäuses 2 gelangen kann. Hierdurch
kann in vorteilhafter Weise eine Verunreinigung des Inneren des Gehäuses 2 vermieden
oder doch verringert werden. Der (in den Figuren nicht dargestellte) Partikelfilter
kann entweder direkt in der ersten Öffnung 7 des Gehäuses 2 oder in einem Abstand
dazu angeordnet sein. In letzterem Fall kann vorgesehen sein, dass eine rohr- bzw.
schlauchförmigen Verbindung zwischen dem Partikelfilter und der ersten Öffnung 7 des
Gehäuses 2 vorgesehen ist. Partikelfilter sind aus dem Stand der Technik bekannt.
[0073] Die Beleuchtungseinrichtung 1 kann in vorteilhafter Weise auch eine Steuereinrichtung
aufweisen, mittels der die Größe des von dem Belüftungsmittel 6, 6' zu der Kühlkörpereinrichtung
5 geleiteten Volumenstroms an Gehäuseluft gesteuert oder geregelt werden kann. Eine
Regelung der Größe des Volumenstroms an Gehäuseluft durch die Steuereinrichtung kann
bspw. in Abhängigkeit von einer Temperatur einer Halbleiterlichtquelle 3, 3', 3",
einem Druckunterschied zwischen der ersten Öffnung 7 und der zweiten Öffnung 8 des
Gehäuses 2 und/oder einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs erfolgen, in dem die Beleuchtungseinrichtung
1 angeordnet ist.
[0074] Die letzteren beiden Optionen machen sich den Umstand zu eigen, dass bei einem Druckunterschied
zwischen der ersten Öffnung 7 und der zweiten Öffnung 8 und/oder einer sich in Bewegung
befindlichen Beleuchtungseinrichtung 1 (bei der sich bei einer geeigneten Anordnung
der ersten Gehäuseöffnung 7 bzw. des Partikelfilters und der zweiten Öffnung 8 ein
Druckunterschied zwischen den Öffnungen 7, 8 einstellt) durch den Druckunterschied
bereits ein gewisser Volumenstrom durch das Gehäuse 2 hindurch einstellt, der zur
Ableitung der durch die Halbleiterlichtquelle(n) 3, 3', 3" erzeugten Wärme beiträgt.
In einem solchen Fall kann die Leistung des Belüftungsmittels 6, 6' in vorteilhafter
Weise reduziert (heruntergeregelt) werden, wodurch sich Vorteile in Bezug auf die
Lebensdauer des Belüftungsmittels 6, 6' und des Energieverbrauchs der Beleuchtungseinrichtung
1 ergeben können.
[0075] Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
1 oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildung. Bei dem Fahrzeug kann es sich um jede
Art von schienengebundenem oder nicht schienengebundenem Landfahrzeug, Wasserfahrzeug
oder Luftfahrzeug handeln; ein bevorzugtes Beispiel für ein Fahrzeug ist ein Kraftfahrzeug.
[0076] Bei der Beleuchtungseinrichtung 1 kann es sich um jede Art von Beleuchtungseinrichtung
1 mit einer Halbleiterlichtquelle 3, 3', 3" handeln, insbesondere um Signalleuchten
und Scheinwerfer. Scheinwerfer können bezüglich ihrer Lichtabstrahlung in die Umgebung
auf jedem beliebigen Prinzip beruhen, bspw. als Reflexions- oder Projektionsscheinwerfer
ausgebildet sein. Auch kann bei der Beleuchtungseinrichtung 1 eine Mischung aus Halbleiterlichtquelle(n)
3, 3', 3" und herkömmlichen Leuchtmitteln (Glühbirnen, Halogenbirnen, Gasentladungslampen,
etc.) vorgesehen sein. Auch ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, dass sämtliche
Halbleiterlichtquellen 3, 3', 3" einer Beleuchtungseinrichtung 1 mit einer Wärmetransporteinrichtung
4, 4' verbunden sind.
[0077] Sofern in der vorliegenden Anmeldung der Ausdruck verwendet wird, "wenigstens einen
Anteil der zu ihr bewegten Gehäuseluft zu einem zweiten Teil der Kühlkörpereinrichtung
5 zu leiten", so kann dieser "Anteil" die gesamte zu ihr bewegten Gehäuseluft umfassen
(d.h. 100%) oder einen geeigneten Anteil davon, etwa 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%,
65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30% oder weniger. Der Fachmann wird die Beleuchtungseinrichtung
1 unter Berücksichtigung der Menge an über die Wärmetransporteinrichtung(en) 4, 4'
abzuführenden Wärme natürlich auch im Hinblick auf den Anteil an abzuführender Gehäuseluft
so auslegen, dass die Beleuchtungseinrichtung 1 die erfindungsgemäße Aufgabe löst,
insbesondere also eine Überhitzung der Halbleiterlichtquelle(n) 3, 3', 3" sicher verhindert
wird.
[0078] Durch die vorliegende Erfindung ergeben sich zusammenfassend insbesondere folgenden
Vorteile:
- Die Verwendung eines Kühlkörpers 9 bzw. einer Kühlkörpereinrichtung 5, dessen/deren
Abluft aus dem Gehäuse 2 der Beleuchtungseinrichtung 1 entfernt wird, unterbricht
oder limitiert die Luftumwälzung im Inneren des Gehäuses 2, die durch freie Konvektion
getrieben die Betauung der Abdeckscheibe 13 (Frontscheibe) verstärkt;
- ist als Belüftungseinrichtung 6, 6' eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen
Jet vorgesehen, so können geringe Ausfallraten und ein geringer Serviceaufwand (Reparaturaufwand)
erwartet werden, da eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet eine um
ein Vielfaches höhere Lebensdauer als ein Lüfter aufweist;
- der induzierte Volumenstrom durch die Kühlkörpereinrichtung 5 bzw. den Kühlkörper
9 sorgt für eine konstante Durchlüftung des Gehäuses 2 unabhängig von der Bewegung
der Beleuchtungseinrichtung 1 bzw. des Fahrzeugs, in dem die Beleuchtungseinrichtung
1 angeordnet ist, und fördert somit die Enttauung der Abdeckscheibe (Frontscheibe)
13 bereits im Stand;
- der erhöhte Wärmeübergang, der insbesondere bei Verwendung einer Einrichtung zur Erzeugung
eines synthetischen Jet oder eines Lüfters mit einer sehr hohen Geschwindigkeit der
Luft erreicht wird, erlaubt die Verringerung der Dimension der Kühlkörpereinrichtung
5 bzw. des Kühlkörpers 9 und erlaubt infolgedessen eine Minimierung des Gewichtes
und des Volumens;
- das Design der Luftführung erlaubt eine Beeinflussung des Luftstroms im Inneren des
Gehäuses 2 der Beleuchtungseinrichtung 1 durch den Konstrukteur; und
- es ergeben sich Synergieeffekte der Kühlkörpereinrichtung 5 bzw. des Kühlkörpers 9
für Wärmequellen, die zeitlich begrenzt aktiviert werden und/oder nicht gleichzeitig
betrieben werden.
[0079] Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine besonders vorteilhafte, kombinierte
Lösung zur Kühlung und Durchlüftung einer Beleuchtungseinrichtung 1, insbesondere
eines Scheinwerfers zur Verfügung gestellt.
1. Beleuchtungseinrichtung (1), insbesondere Scheinwerfer für ein (Kraft)Fahrzeug, mit
einem Gehäuse (2) und darin befindlicher Gehäuseluft, wenigstens einer in dem Gehäuse
(2) angeordneten Halbleiterlichtquelle (3, 3', 3"), die an wenigstens einer Wärmetransporteinrichtung
(4, 4') befestigt ist, wobei die wenigstens eine Wärmetransporteinrichtung (4, 4')
sich in wärmeübertragendem Kontakt mit einer Kühlkörpereinrichtung (5) befindet und
wobei ein Belüftungsmittel (6, 6') zur zwangsweisen Belüftung der Kühlkörpereinrichtung
(5) mit Gehäuseluft vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gehäuse (2) über wenigstens eine erste Öffnung (7) verfügt, über die Umgebungsluft
in das Gehäuse (2) eintreten kann,
- das Gehäuse (2) über wenigstens eine zweite Öffnung (8) verfügt, über die Gehäuseluft
aus dem Gehäuse (2) austreten kann,
- das Belüftungsmittel (6, 6') dazu eingerichtet ist, Gehäuseluft zu der Kühlkörpereinrichtung
(5) zu bewegen, und
- die Kühlkörpereinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Anteil der
zu ihr bewegten Gehäuseluft aus der Beleuchtungseinrichtung (1) austreten zu lassen.
2. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Belüftungsmittel (6, 6') und die Kühlkörpereinrichtung (5) im Inneren des Gehäuses
(2),
- das Belüftungsmittel (6, 6') außerhalb des Gehäuses (2) und die Kühlkörpereinrichtung
(5) im Inneren des Gehäuses (2),
- das Belüftungsmittel (6, 6') im Inneren des Gehäuses (2) und die Kühlkörpereinrichtung
(5) außerhalb des Gehäuses (2), oder
- das Belüftungsmittel (6, 6') und die Kühlkörpereinrichtung (5) außerhalb des Gehäuses
(2) angeordnet sind.
3. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Halbleiterlichtquelle (3, 3', 3")
eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Laserdiode umfasst.
4. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Wärmetransporteinrichtung (4, 4') eine Heatpipe, einen wärmeleitenden
Metallkörper oder einen wärmeleitenden Graphitkörper umfasst.
5. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkörpereinrichtung (5) einen metallenen Kühlkörper (9) mit rippenartiger Struktur
oder Fingerkühlkörper (9) umfasst, wobei der Kühlkörper (9) wahlweise unmittelbar
von einem Kühlkörpergehäuse (10) umgeben oder in einem Kühlkörpergehäuse (10) angeordnet
ist.
6. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Belüftungsmittel (6, 6') eine Einrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Jet,
einen Radiallüfter oder Tangentiallüfter umfasst.
7. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie einen Partikelfilter zur Filterung der in das Gehäuse (2) zu leitenden Umgebungsluft
aufweist.
8. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie weiter eine Steuereinrichtung aufweist, mittels der die Größe des von dem Belüftungsmittel
(6, 6') zu der Kühlkörpereinrichtung (5) geleiteten Volumenstroms an Gehäuseluft gesteuert
oder geregelt werden kann.
9. Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Größe des Volumenstroms in Abhängigkeit
von einer Temperatur einer Halbleiterlichtquelle (3, 3', 3"), einem Druckunterschied
zwischen der ersten Öffnung (7) und der zweiten Öffnung (8) und/oder einer Geschwindigkeit
eines Fahrzeugs zu regeln, in dem die Beleuchtungseinrichtung (1) angeordnet ist.
10. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug mit einer Beleuchtungseinrichtung (1) gemäß einem
der vorhergehenden Patentansprüche.