CH701752A1 - LED-Leuchtmittel mit grosser Helligkeit. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein LED-Leuchtmittel mit grosser Helligkeit, vorzugsweise als Ersatz für Glühbirnen, dessen Lichtstrom durch mehrere LED entsteht, deren Arbeitspunkt nach dem Prinzip der minimalen Kosten bei geringerem Strom und höherer Effizienz bestimmt wird. Das Leuchtmittel verfügt über ein Kühlsystem mit einem fluiden Wärmeträger im Inneren eines transparenten Hohlkörpers, das mittels einer mechanischen oder thermischen Umwälzpumpe in Umlauf gehalten wird, wobei ein erster Teil der Abwärme mittels Wärmestrahlung über das gesamte Gehäuse des Leuchtmittels an die Umgebung abgegeben wird, und ein zweiter Teil der Abwärme nach dem Gegenstromprinzip durch die Lichtaustrittsfläche des Leuchtmittelgehäuses geleitet wird. Zentrales Architekturelement einer beispielhaften Ausführung ist ein beripptes Doppelrohr, dessen Rippenkanäle vom Wärmeträger aufwärts durchströmt werden, wobei er an der Innenseite des Hohlkörpers von oben nach unten strömt. Die Steuerelektronik kann optionale Zusatzfunktionen enthalten, darunter auch eine Funktion zur automatischen Identifikation eines einzelnen Leuchtmittels.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft LED-Leuchtmittel mit grosser Helligkeit, vorzugsweise als Ersatz für Haushaltsglühbirnen. Die Erfindung umfasst zum einen ein Verfahren zur elektrischen Auslegung der neuen. LED-Leuchtmittel, weiterhin ein besonderes Kühlsystem, und schliesslich eine Vorrichtung zur Umsetzung des Leuchtmittels.

[0002] LED-Leuchtmittel erzeugen weisses oder farbiges Licht mit Hilfe von Leuchtdioden, die über Elektrolumineszenz Licht emittieren. Moderne Hochleistungs-LED setzen etwa 15% der eingesetzten elektrischen Energie in Licht um und erreichen eine Leistung von bis zu 100 Lumen pro Watt. Damit sind LED effizienter als herkömmliche Glühbirnen. Dennoch fallen etwa 85% der elektrischen Energie als Wärme an, die abgeführt werden muss. Die maximal zulässige Betriebstemperatur der LED liegt je nach verwendetem Material bei maximal 150 °C. Höhere Temperaturen zerstören die Halbleiter. LED-Leuchtmittel erfordern daher ein Kühlsystem, das überschüssige Wärme abführt und die Betriebstemperatur beschränkt.

[0003] LED-Leuchtmittel als Ersatz für Haushaltsglühbirnen haben infolge der maximal zulässigen Gehäusegrösse nur eine begrenzte Möglichkeit zur Kühlung. Bekannte LED-Leuchtmittel verwenden dazu meist berippte metallische Kühlkörper, die den Hauptteil der Abwärme durch Wärmeleitung aufnehmen und im Wesentlichen mittels Konvektion an die Luft abgeben. Weil die Abwärme unterhalb einer Maximaltemperatur abgeführt werden muss, wachsen Fläche und Dimension der erforderlichen Kühlkörper mit steigender Leistung rasch an und ein Grossteil des Leuchtmittelgehäuses steht nicht mehr für die Ausstrahlung von Licht zur Verfügung, sondern wird für die Kühlung benötigt. In EP1 881 259 A1 wird diese Grenze erweitert indem das Leuchtmittelgehäuse mit einer Flüssigkeit gefüllt wird, welche das Licht erzeugende LED-Modul mitsamt Kühlblechen umgibt. Dabei erstreckt sich das Kühlblech in axialer Richtung durch das flüssigkeitsgefüllte Gehäuse. Der Wärmetransport erfolgt hierbei mehrstufig zunächst über Wärmeleitung von der LED an ein Kühlblech, von dort an die Flüssigkeit und weiter an das Gehäuse. Nachteilig ist hier die ungleichmässige Temperaturverteilung in der Flüssigkeit, weil die punktuell entstehende Wärme in der Nähe der LED nur zu lokal wirkender Konvektion führt. In weiten Bereichen der Flüssigkeit reicht der Temperaturgradient des Kühlbleches nicht aus, um einen Wärmetransport durch Konvektion in Gang zu setzen. So soll ein beispielhaftes flüssigkeitsgefülltes LED-Leuchtmittel bei 4 Watt Leistungsaufnahme nach Herstellerangeben eine Helligkeit von 150 Lumen erreichen. Tatsächlich wurden bei Betriebstemperatur nur etwa 80 Lumen gemessen, weil der Wärmetransport des LED-Moduls über ein Kühlblech an die Flüssigkeit zu lokalen Temperaturspitzen führte, welche die Leuchteffizienz mindern.

[0004] Haushaltsglühbirnen liefern einen Lichtstrom mit 410 Lumen bei 40 Watt, 730 Lumen bei 60 Watt, und 1380 Lumen bei 100 Watt Stromaufnahme. Mit steigendem Strom wächst die Lichtausbeute der Glühbirne von 410 Im / 40 W = 10.25 lm/W über 730 Im / 60 W = 12.16 lm/W bis 1380 Im / 100 W = 13.8 lm/W. Dagegen liefern bekannte LED-Leuchtmittel einen weitaus geringeren absoluten Lichtstrom. Ein Grund hierfür ist die hohe Empfindlichkeit der Halbleiter gegenüber der Temperatur. Im Gegensatz zu Glühbirnen sinkt bei LED die spezifische Lichtausbeute zum einen mit steigendem Strom (aus der Fachliteratur als «Droop» bekannt), zum anderen mit steigender Temperatur des Halbleiters. Kommerzielle LED-Leuchtmittel in der Grösse einer Haushaltsglühbirne mit berippten Metallkühlkörpern erreichen nach Datenblatt etwa 350 Lumen bei 8 Watt Stromaufnahme. Damit sind LED-Leuchtmittel in den absoluten Helligkeitswerten den Haushaltsglühbirnen noch unterlegen, obwohl einzelne LED bei optimaler Kühlung bereits 100 Lumen pro Watt und mehr erzielen können. Tatsächlich scheint es derzeit eine technologische Hürde bei einer Leistungsaufnahme von 6 bis 8 Watt zu geben.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es ein LED-Leuchtmittel als Ersatz für Haushaltsglühbirnen zu finden, das deren Helligkeit auch nach Erreichen der Betriebstemperatur erzielen kann. Die Aufgabe wird gelöst durch ein LED-Leuchtmittel mit mehreren LED und Arbeitspunkt nach Anspruch 1, durch ein Kühlsystem nach Anspruch 2, und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 3. Weitere Unteransprüche kennzeichnen besondere Ausführungen der Erfindung. Die Erfindung wird in mehreren Abschnitten unter Bezug auf 7 Figuren beschrieben.

Abschnitt 1: LED-Kennlinie

[0006] Wesentlich für das Verständnis der Erfindung ist das Verhalten von LED bei steigendem Strom und steigender Temperatur. Fig. 1 zeigt das typische Kennlinienfeld einer beispielhaften weissen LED. Dargestellt sind vier Isothermen für die Helligkeit in Lumen und die Effizienz in Lumen pro Watt, jeweils gemeinsam aufgetragen über dem steigendem Strom in Ampere. Bei einer konstanten Temperatur T1 steigt die Helligkeit monoton mit dem Strom. Mit zunehmender Temperatur T2, T3 und T4 sinken Effizienz und absolute Helligkeit und es entstehen lokale Maxima, beispielsweise bei X3 und X4. Jenseits dieser Maxima nimmt die absolute Helligkeit der LED bei steigendem Strom sogar ab. Als Beispiel ist eine Folge von Betriebszuständen auf der Kurvenschar der Helligkeit durch a-b-c-d gekennzeichnet und durch 1-2-3-4 auf der Kurvenschar der Effizienz. Dabei ist zu erkennen, dass mit steigendem Strom die Temperatur anwächst und der Betriebszustand von der Isotherme T7 über T2 nach T3 und T4 wechselt. Von Betriebspunkt a nach b nach c nimmt die absolute Helligkeit zu, obwohl die Effizienz mit steigender Betriebstemperatur sinkt. Bei Übergang nach Betriebspunkt d bricht die Helligkeit ein. Trotz höherem Strom und höherer Leistung liefert die LED weniger Licht. Mehr Licht kann die LED nur dann abgeben, wenn die Temperatur durch bessere Kühlung gesenkt und der Betriebszustand von d nach d’ verschoben wird.

[0007] Dieses Verschieben des Arbeitspunktes von d nach d’ ist für LED-Leuchtmittel mit begrenzter Gehäusegrösse nach Erreichen einer Grenzleistung aber nicht mehr möglich. Deshalb ist die absolute Helligkeit von LED-Leuchtmitteln in der Grösse einer Glühbirne bisher begrenzt. Das erfindungsgemässe LED-Leuchtmittel erzielt die gewünschte Helligkeit daher nach einem anderen Verfahren.

Abschnitt 2: Steigerung der absoluten Helligkeit

[0008] Das erfindungsgemässe LED-Leuchtmittel verschiebt den Arbeitspunkt vom Ort der maximalen Helligkeit zu einem Ort mit höherer Effizienz. In Fig. 2ist die Verlagerung des Arbeitspunktes gekennzeichnet. Während bekannte LED-Leuchtmittel im Bereich des Helligkeitsmaximums bei c betrieben werden, liegt der Arbeitspunkt des neuen Leuchtmittels mit niedrigem Strom gemäss Fig. 2 bei Helligkeit e bzw. Effizienz 5. Dadurch sinkt die absolute Helligkeit aber die Effizienz nimmt zu. Mit zunehmender Effizienz sinken die Anforderungen an die Kühlung, und bei gleicher Kühlung erreicht man sogar die Arbeitspunkte e ́ bzw. 5 ́. Weil die LED nun nicht mehr im Punkt maximaler Helligkeit betrieben wird muss der gewünschte Lichtstrom auf mehrere einzelne LED aufgeteilt werden. Deshalb enthält das erfindungsgemässe LED-Leuchtmittel immer mehrere Hochleistungs-LED. die räumlich verteilt auf einem metallischen Grundkörper so angeordnet sind, dass sie den gewünschten Raumwinkel beleuchten. Der Arbeitspunkt aller LED wird nun nicht mehr nach dem Prinzip der maximalen Helligkeit gewählt sondern nach dem Prinzip der minimalen Kosten.

Abschnitt 3: Wahl des Betriebspunktes

[0009] Fig. 3 verdeutlicht dieses Verfahren. Der Betriebspunkt eines bekannten LED-Leuchtmittels liege im Bereich der maximalen Helligkeit mit Lichtstrom L1 und Effizienz E1. Der Betriebspunkt des neuen LED-Leuchtmittels wird nun in Richtung höherer Effizienz E2 bei geringerer Helligkeit L2 verschoben. Deshalb benötigt man für den gewünschten Lichtstrom jetzt eine grössere Anzahl LED als zuvor, und dadurch steigen die Produktkosten. Im Gegenzug sinkt aber der Strombedarf infolge höherer Effizienz der Lichterzeugung, wodurch die Stromkosten sinken. Die Gesamtkosten bestehend aus Produktkosten und Stromkosten haben dann ein Optimum mit minimalen Kosten bei K2. Dieses Kostenminimum ist abhängig von der Auslegungslebensdauer des Leuchtmittels, den Herstellkosten und den Stromkosten. Es liegt stets bei geringerem Strom als der Ort der maximalen Helligkeit. Aus der Effizienz des Arbeitspunktes in Lumen pro Watt und der gewünschten Helligkeit lassen sich Anzahl der erforderlichen LED sowie der Kühlungsbedarf ermitteln. Weil das erfindungs-gemässe LED-Leuchtmittel mit geringerem Strom als zuvor betrieben wird, besitzt es eine höhere Energieeffizienz, produziert weniger Abwärme und hat eine höhere Lebensdauer als bekannte LED-Leuchtmittel gleicher Helligkeit.

Abschnitt 4: Kühlsystem

[0010] Die Abwärme aller LED-Leuchtmittel muss abgeführt werden. Bekannte LED-Leuchtmittel verwenden dazu entweder nur einen Teil des Gehäuses (metallischer Rippenkühlkörper) oder leiten die Wärme über ein Kühlblech an eine Flüssigkeit (EP1 881 259 A1) wobei lokale Temperaturspitzen auftreten, welche die Helligkeit mindern.

[0011] Das erfindungsgemässe LED-Leuchtmittel besitzt dagegen ein Kühlsystem, das die gesamte Gehäuseoberfläche des Leuchtmittels in die Kühlaufgabe mit einbezieht, das lokale Temperaturspitzen durch ein Umwälzverfahren vermeidet, und das einen Teil der Wärme im Gegenstromverfahren abtransportiert, welches die höchstmögliche Transportleistung pro Flächeneinheit aufweist. Das System ist in Fig. 4dargestellt.

[0012] Eine Anzahl von n LED produziert einen Abwärmestrom Q1, der mittels Wärmeleitung von einem metallischen Wärmetauscher WT1 aufgenommen wird. Dieser Wärmetauscher WT1 wird von einem Fluid F1 angeströmt, das im Inneren des Gehäuses als Wärmeträger grossräumig zirkuliert. Die Zirkulation des Wärmeträgers wird durch eine Umwälzpumpe P1 aufrechterhalten. Das Fluid F1 übernimmt nun die Wärme Q1 von Wärmetauscher WT1 zwischen den Punkten 1 und 2 wodurch sich dessen Temperatur erhöht. Durch Umwälzzirkulation gelangt das erwärmte Fluid dann an die Gehäuseinnenfläche, die als Gegenstromwärmetauscher arbeitet. Auf deren Aussenseite nimmt ein zweites Fluid F2 einen Teil Q2K der Wärme auf, welches durch eine zweite Pumpe P2 bewegt wird. Das Fluid F1 wird von Punkt 3 nach 4 kälter, und das Fluid F2 wird von Punkt 5 nach 6 wärmer. Ein zweiter Anteil der Wärme Q2S wird durch Strahlung des Gehäuses abgegeben.

[0013] Das erste Fluid F1 kann für kleine Leistungen Luft sein, für grössere Leistungen ist ein flüssiger Wärmeträger erforderlich, beispielsweise Wasser oder ein Thermoöl. Das zweite Fluid F2 ist in der Regel die Umgebungsluft. Die Pumpen P1 und P2 können mechanisch sein oder thermisch als Konvektionspumpe ausgelegt werden. Wesentlich ist in jedem Fall die entgegen gesetzter Strömungsrichtung beider Fluide auf der Innen- und Aussenseite des Leuchtmittelgehäuses, denn nur durch Gegenstrom lässt sich die maximal mögliche Wärmemenge pro Flächeneinheit transportieren.

Abschnitt 5: Vorrichtung

[0014] Fig. 5 zeigt die Grundelemente einer Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemässen LED-Leuchtmittels. Fig. 6zeigt beispielhaft eine konstruktive Ausführung mit dem Formelement einer Glühbirne. In beiden Figuren sind die Pumpen PI und P2 als thermische Konvektionspumpen ausgelegt.

[0015] Das wesentliche Architekturelement des neuen Leuchtmittels ist ein metallisches beripptes Doppelrohr 55, 67 in einem mit Wärmeträger F1 gefüllten, lichtdurchlässigen Hohlkörper mit der lichten Höhe hl das den Hohlkörper axial über eine Höhe von h2 durchzieht, wobei h2 > 0.5 hl. Der zentrale Hohlraum im Inneren des Doppelrohres beinhaltet die Elektronik 56, 62 zur Ansteuerung der LED 51, 68 und ggf. weiteren Zusatzfunktionen. Die durch die Rippen gebildeten Kanäle übertragen die Wärme Q1 von den LED an das Fluid F1, welches eine grossräumige Konvektionsströmung K ausbildet. Die Wärme Q1 wird von den LED 51, 68 mittels Wärmeleitung an einen metallischen Grundkörper 52, 62 gegeben, auf dem die gewünschte Anzahl Hochleistungs-LED so montiert sind, dass sie den gewünschten Raumwinkel beleuchten. Im konstruktiv ausgeführten Beispiel nach Figur 6 enthält das LED-Leuchtmittel insgesamt 22 LED, montiert zu je 11 Stück auf zwei Grundkörpern 52, 61. Jeder Grundkörper 52, 61 gibt die Wärme Q1 nach hinten/innen an die äussere Wand des berippten Doppelrohres, das vom Fluid F1 durchströmt wird. Nach aussen sind die LED durch ein Sichtglas 53, 65 bedeckt, das den Wärmestrom von den LED nach aussen hemmt und die LED vom strömenden Wärmeträger F1 trennt. Der Wärmestrom Q1 wird im Wesentlichen an das Rippenrohr abgegeben. Die beheizten Rippenkanäle wirken wie eine Pumpe und es entsteht ein Schloteffekt mit aufwärts gerichteter Konvektionsströmung im Inneren der Kanäle. Die Strömung tritt an der unteren Öffnung der Rippenkanäle bei Punkt (1) mit der niedrigsten Temperatur ein, wird durch die Wand des Rippenrohres mit Abwärme Q1 beheizt, und verlässt das Rippenrohr am oberen Ende bei Punkt (2) mit der höchsten Temperatur. Das Sichtglas 53, 65 bildet mit dem Lichtaustritt 50, 63 des Gehäuses einen Ringspalt durch den der Wärmeträger von oben (3) nach unten (4) strömt und dabei einen Wärmestrom Q2 an das äussere Fluid F2 abgibt. Dieses bildet infolge des Temperaturgradienten an der Aussenseite des Gehäuses dann eine aufwärtsgerichtete Konvektionsströmung aus. Weil die Spaltströmung auf der Innenseite des Gehäuses abwärtsgerichtet und die Konvektionsströmung auf der Aussenseite des Gehäuses aufwärtsgerichtet ist, werden grosse Teile der Lichtaustrittsfläche des Leuchtmittels zum Gegenstromwärmetauscher. Dadurch lässt sich die maximal mögliche Wärme transportieren.

[0016] Der Schloteffekt der beheizten Rippenkanäle wirkt als Umwälzpumpe, welche die Kanäle am unteren Ende stets mit abgekühltem Fluid F1 und der niedrigsten im System vorhandenen Temperatur versorgt. Die Rückseite der LED 51,68 wird also stets von dem Fluid mit der niedrigsten Systemtemperatur gekühlt. Wärmenester oder Temperaturspitzen können nur am höchsten Punkt des Gehäuses entstehen, weit entfernt von den LED, und haben wenig Rückwirkung auf die Leuchteffizienz. Das Leuchtmittel ist beispielhaft mit einem Schraubsockel 57, 66 versehen.

[0017] Weil der Wärmeträger eine grossräumige Konvektionsströmung ausbildet, wird die gesamte Fluidmenge umgewälzt und die Lichtaustrittfläche des Leuchtmittels gleichmässig gewärmt. Im Gegensatz zu bekannten Leuchtmitteln mit metallischen Rippenkühlern wird ein Grossteil der Abwärme über Wärmestrahlung der Lichtaustrittsfläche abgegeben. Der gesamte Leuchtkörper wird so zum Bestandteil des Kühlsystems. Bei bekannten flüssigkeitsgefüllten LED-Leichtmitteln bildet sich eine Konvektion nur lokal aus, was dort zu Effizienz mindernden Temperaturspitzen führt.

Abschnitt 6: Zusatzfunktionen

[0018] Gemäss Fig. 7 muss die Elektronik des Leuchtmittels mindestens eine Spannungswandlung mit Gleichtrichter AC/DC und eine Konstantstromquelle KSQ zur Ansteuerung der n LED beinhalten. Zusätzlich können Lichteffekte wie «dimmen» oder «blinken» oder «Farbwechsel» eingebaut sein. Als weitere Zusatzfunktion ist eine Identifikation vorgesehen, beispielsweise über RFID oder andere Verfahren, die eine automatische Erkennung des LED-Leuchtmittels von aussen möglich machen. Eine solche Identifikation ist für Abrechnung, Wartung und Logistik oder als Diebstahlschutz sinnvoll.

Zusammenfassung

[0019] Das erfindungsgemässe LED-Leuchtmittel überwindet die Nachteile der bekannten Technik, weil der gewünschte Lichtstrom auf mehrere LED verteilt wird, die einen gewünschten Raumwinkel beleuchten der Arbeitspunkt vom Helligkeitsmaximum zu einem Punkt mit höherer Effizienz verlagert wird der Arbeitspunkt nach dem Prinzip der minimalen Kosten gewählt wird das Kühlsystem das gesamte Leuchtmittelgehäuse einbezieht die gesamte Lichtaustrittsfläche auch als Wärmestrahler arbeitet die Wärme auch über ein Umwälzsystem mit Gegenstromwärmetauscher nach aussen abgegeben wird die LED durch einen Wärmeträger mit der niedrigsten im System verfügbaren Temperatur gekühlt werden

Claims (4)

1. LED-Leuchtmittel mit grosser Helligkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der gewünschte Lichtstrom auf mehrere LED verteilt wird, deren Arbeitspunkt nach dem Prinzip der minimalen Kosten ermittelt wird, wobei die Stromstärke niedriger ist als im Betriebspunkt mit der maximalen absoluten Helligkeit, und wobei die Leuchteffizienz höher ist als im Betriebspunkt mit der maximalen absoluten Helligkeit, und wobei die LED gemeinsam einen vorzugsweise grossen Raumwinkel beleuchten.

2. Kühlsystem für LED-Leuchtmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der LED zuerst an einen fluiden Wärmeträger übertragen wird, der im Lampenkörper durch Umwälzen mittels einer mechanisch oder thermisch angetriebenen Pumpe grossräumig zirkuliert, wobei sich die Aussenwand des Leuchtmittelgehäuses erwärmt und einen ersten Teil der Abwärme als Wärmestrahlung abgibt, und wobei ein zweiter Anteil der Abwärme im Gegenstromverfahren an ein zweites Fluid ausserhalb Leuchtmittelgehäuses übertragen wird und ein Grossteil der Lichtaustrittsfläche als Gegenstromwärmetauscher fungiert.

3. LED-Leuchtmittel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere LED 51, 68 in einem lichtdurchlässigen und mit einem fluiden transparenten Wärmeträger gefüllten Hohlkörper 50, 63 mit der lichten Höhe hl nach aussen leuchten und ihre Abwärme nach innen an die Aussenwand eines zentralen berippten metallischen Doppelrohres 55, 67 abgeben, dessen Rippenkanäle eine Länge von mindestens der halben lichten Höhe des Hohlkörpers aufweisen und von dem fluiden Wärmeträger aufwärts durchströmt werden, wobei der Wärmeträger eine grossräumige Konvektionsströmung mit geschlossenen Stromlinien ausbildet, die auf der Innenseite der Hohlkörperwand abwärts strömt.

4. LED-Leuchtmittel nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik des Leuchtmittels mindestens eine Spannungsanpassung mit Gleichrichter und eine Konstantstromquelle umfasst, und optional Zusatzfunktionen für Lichteffekte wie «dimmen», «blinken» und «Farbwechsel» enthalten sind, und optional eine Funktion zur automatischen Identifikation eines einzelnen Leuchtmittels enthalten ist.