DE19528459C2 - Kühlung für ein mit LED's bestücktes Leuchtaggregat - Google Patents
Kühlung für ein mit LED's bestücktes LeuchtaggregatInfo
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Description
Es sind Leucht- und optische Anzeigeeinrichtungen bekannt, bei denen
in eine Leiterplatte LEDs eingesetzt sind, wobei die LEDs in einem
vorgegebenen Muster in die Leiterplatte eingesetzt sind. Die
Leiterplatte ist eine Trägerplatte aus elektrisch isolierendem
Material, auf der ein elektrischer Stromkreis bzw. eine elektrische
Schaltung derart angeordnet ist, dass der für den Betrieb der LEDs
notwendige Strom zentral aufgenommen und auf die LEDs verteilt wird.
Die Schaltung ist auf der Trägerplatte mittels verschiedener
bekannter Verfahren angeordnet, insbesondere durch Drucken oder
Ätzen. Gegenüber den z. B. im Haushalt allgemein üblichen
Lichtquellen, den "Glühbirnen", haben die LEDs den Hauptvorteil
geringerer Wärmeentwicklung. Trotzdem kann die Wärmeentwicklung den
Einsatz von LEDs begrenzen, wenn beispielsweise eine mit vielen LEDs
bestückte Leiterplatte in einem geschlossenen, allenfalls mit
Entlüftungsöffnungen versehenen Gehäuse angeordnet ist, wie es
beispielsweise bei Verkehrsampeln der Fall ist.
Aus der DE 90 03 623 U1 ist eine Vorrichtung zum Abführen der
Verlustwärme von einer Leiterplatte bekannt geworden, bei der auf
der den Bauteilen abgewandten Leiterbahnseite einer Leuchtdioden
tragenden Leiterplatte ein metallischer Kühlkörper angebracht ist,
welcher mit der Leiterplatte vermittels einer weichelastischen,
wärmeleitenden Vergussmasse in Verbindung steht.
Aus der DE 88 15 418 U1 ist ein Infrarot-Scheinweinwerfer bekannt
geworden, welcher aus einer Vielzahl von auf einer gemeinsamen
Trägerplatte befindlichen LEDs zusammengesetzt ist, wobei vermittels
Silikonkleber auf der den Bauteilen abgewandten Leiterbahnseite der
Trägerplatte ein metallischer Kühlkörper mit Kühlrippen angebracht
ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Leuchtaggregates mit
einer mit LEDs bestückten Leiterplatte, dessen Einsatz durch erhöhte
Temperaturentwicklung nicht oder doch zumindest wesentlich weniger
als bisher eingeschränkt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den
Ansprüchen, und diese Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung
beschrieben. In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Aggregat mit
einer mit LEDs bestückten Leiterplatte schematisch im Querschnitt
dargestellt.
In die eigentliche Leiter- bzw. Trägerplatte 1 sind von der einen
Seite her eine Vielzahl von LEDs 2, ein bestimmtes Muster bildend,
eingesetzt.
Die Vorderseite der Leiter- bzw. Trägerplatte 1 ist durch die LEDs
gekennzeichnet, auf der Rückseite, gegebenenfalls auf den beiden
Oberseiten der Platte 1 befindet sich die Schaltung 3, mit der den
LEDs die zu ihrem Betrieb notwendige Energie zugeführt wird und mit
der die LEDs mit Stiften 2a verbunden sind. Beim Betrieb dieser
Baugruppe aus Platte 1 und LEDs 2 bildet sich insbesondere im
Bereich der LEDs 2 eine erhöhte Temperatur aus, indem die LEDs 2
selbst, ihre Stifte 2a, die Schaltung 3 und schließlich die Platte 1
selbst insbesondere in der Umgebung der LEDs warm werden.
Erfindungsgemäß soll nun dieser erhöhten Temperaturentwicklung
entgegengewirkt werden dadurch, daß Wärme in zweckmäßiger Weise
abgeführt wird. Hierzu ist auf jeder Seite der Trägerplatte 1 ein
Wärme gut aufnehmendes und abgebendes Mittel 4, 5 angeordnet, das
Wärme von der Trägerplatte 1 abführt und an die Umgebung abgibt. Es
handelt sich um jeweils eine Kühlbeschichtung oder eine Kühlplatte,
vorzugsweise aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Wichtig ist ein Kontakt mit
gutem Wärmeübergang; der Einfachheit halber
wird von Platten 4, 5 gesprochen, obwohl es sich auch um
aufgetragene Schichten handeln kann. Finden Platten Verwendung, so
kann insbesondere die rückseitige Platte 4 aus mehreren Teilplatten,
die in einer Ebene liegen, zusammengesetzt sein.
Zwischen jeder der Wärme abgebenden Platten 4, 5 und der Ober- bzw.
Unterseite der Trägerplatte 1 ist nun erfindungsgemäß eine Schicht 6
bzw. 7 angeordnet. Die Schichten 6, 7 sollen einen guten
Wärmeübergang zwischen der Trägerplatte 1 bzw. den LEDs 2, 2a und
den Wärme abgebenden Platten 4, 5 nicht behindern, gegebenenfalls
sogar begünstigten und gleichzeitig das gesamte Aggregat in sich
stabilisieren und den Durchgang von Feuchtigkeit zwischen beiden
Seiten der Trägerplatte unterbinden und schließlich eine
zuverlässige Haftung zwischen den Wärme abgebenden Platten 4, 5 und
der Trägerplatte 1 gewährleisten. Andererseits sollen die Schichten
6, 7 elektrisch isolieren. Es handelt sich beispielsweise um
Schichten 6, 7 aus elektrisch isolierendem Material, in das Wärme
brücken eingebaut sind, die zwar dem Wärmetransport dienen, die
elektrisch isolierende Wirkung aber nicht beeinträchtigen. Der
Schichtwerkstoff kann beispielsweise ein Epoxidharz sein, in dem die
Wärmebrücken von Partikeln gebildet sind, die wärme- nicht aber
elektrisch leitend sind. Infrage kommen beispielsweise Korund oder
entsprechend ausgelegte Kunststoffe. Die Schichten können aus
entsprechendem Material gefertigt und angelegt sein. Sie können aber
auch an Ort und Stelle hergestellt werden, indem beispielsweise die
für die Schichten bestimmten Freiräume als geschlossene Hohlräume
ausgebildet werden, in die die einzelnen Materialkomponenten
eingeführt werden und durch entsprechende Behandlung zu den
Schichten
zusammengefügt werden. Es kann sich beispielsweise um Material in
Granulatform handeln, dessen einzelne Partikel durch die Zuführung
von Wärme zusammenbacken oder die duch die Zufuhr von Wärme so weit
erweicht werden, daß sie zu homogenen Schichten ineinander fließen.
Auch können die Komponenten in fluidisierter Form eingebracht
werden, aufschäumen und anschließend zu einem starren homogenen
Körper erstarren. Die Dicke der Schichten 6, 7 soll so bestimmt
werden, daß die genannten Kriterien optimal erfüllt sind. Die Dicke
der Schicht 7 soll außerdem noch so bemessen sein, daß die
Unterbringung von Aggregaten zur Ansteuerung der LEDs möglich ist.
Die Gewährleistung eines guten Wärmetransports läßt es nicht zu, daß
die Dicken der Schichten 6, 7 einen Höchstwert überschreiten. Der
Wunsch, in der Schicht 7 Aggregate unterzubringen, läßt es nicht zu,
daß die Dicke der Schicht 7 einen Mindestwert unterschreitet. Die
sich aus den genannten Kriterien ergebende optimale Dicke der
Schicht 7 läßt es zu, den Wärmeübergang zwischen den LEDs und der
Schicht 7 zu verbessern. Deshalb sind die Stifte 2a der LEDs nicht
nur an die Schaltung 3 herangeführt, um mit dieser verbunden zu
sein, sondern sind diese Stifte 2a mit Verlängerungen 2a' über die
Schaltung 3 hinaus verlängert und in der Schicht 7 so verankert, daß
der Wärmeübergang zwischen den Stiftverlängerungen 2a' und der
Schicht 7 optimiert ist.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn unter Einhaltung
vorgegebener Abstände die Wärme abgebenden Platten 4, 5 gegenüber
der Trägerplatte 1 provisorisch fixiert, beispielsweise verschraubt
werden und dann die Spalte zwischen der Trägerplatte 1 und den Wärme
abgebenden Platten 4, 5 mit je einer Schicht, z. B. Epoxydharzschicht
6, 7 ausgegossen werden, wobei dieses Epoxydharz mit
wärmeleitenden Partikeln so durchsetzt ist, daß eine große Anzahl
von Wärmebrücken zwischen beiden Seiten der Epoxydharzschichten
besteht, ohne daß die notwendige Fixier-, Isolier- und verbindende
Wirkung des Epoxydharzes unzulässig beeinträchtig ist. Unter
Isolierung wird in diesem Zusammenhang sowohl Isolierung gegen
Feuchtigkeits- als auch Stromdurchtritt verstanden. Auf der
Vorderseite soll der Abstand zwischen Trägerplatte 1 und Wärme
abgebender Fläche 5a unter Berücksichtigung der vorgenannten
Kriterien so bemessen sein, daß die LEDs 2 gerade noch ausreichend
aus der Fläche herausragen, ohne die optischen Eigenschaften der
LEDs zu behindern. Sämtliche Durchgänge zwischen den beiden
Innenflächen der Wärme abgebenden Platten 4, 5 sollen mit Epoxydharz
verschlossen sein. Zur Verbesserung der Wärmeabführung soll die
Wärme abgebende Platte 4 auf der Rückseite des gesamten Aggregates
vorzugsweise mit Kühlrippen 8 versehen sein, die im Fall der
Verwendung von Teilplatten, die in ihrer Gesamtheit die Kühlplatte 4
bilden, den Teilplatten in entsprechender Anzahl zugeordnet sind.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn eine Gruppe von
LEDs in die aus Aluminium bestehende, das ganze Aggregat nach vorn
abdeckende Platte 5, die demnach die Frontplatte des Aggregates ist,
integriert und auf der Leiter- bzw. Trägerplatte 1 aufgesetzt und
mit ihr verlötet wird, wobei die Leiter- bzw. Trägerplatte 1
zwischen der Frontplatte 5 und dem hinteren Kühlkörper aus Platte 4
und Kühlrippen 8, die auch Stifte sein können, mit einem
wärmeleitfähigen homogenen Verguß 6, 7,
von diesem allseits umgeben, gehalten ist. Die Frontplatte 5 dient
als Grundträger des Aggregates bzw. Leuchtenkörpers und zu dessen
Befestigung in einem Gehäuse. Durch parallele Bohrungen 5b in der
Frontplatte werden die mechanischen und optischen Achsen A der LEDs
parallel ausgerichtet. Dadurch entfällt die bisher übliche Ein
zelausrichtung von Hand und die Ausrichtung ist für die gesamte
Lebensdauer des Aggregates gewährleistet. Die Verlustwärme beim
Betrieb der LED-Leuchte wird über den Verguß 6, 7 von den LEDs, den
Stiftender LEDs und der Leiterplatte sowohl an die Frontplatte als
auch den hinteren Kühlkörper geleitet und dort an die Umgebungsluft
abgegeben. Die Wärme ist hierdurch gleichmäßig über den gesamten
Leuchtenkörper verteilt. Der Verguß nimmt die Verlustwärme rasch auf
und leitet sie an die Wärme abgebenden Platten 4, 5 weiter. Bei
senkrecht stehenden Kühlrippen an den Kühlkörpern ist eine gute
Wärmeabgabe an die Umgebung gewährleistet. Eine vollständige
Isolierung gegen Elektrizität und Feuchtigkeit wird ebenfalls durch
den Verguß gewährleistet, da sämtliche elektrischen Bauteile und
Leitungen, außer der Versorgungsleitung, vom Verguß eingeschlossen
sind. Durch die bindende Wirkung des Vergusses, ist eine mechanisch
feste Verbindung zwischen allen Bauteilen gegeben.
Claims (11)
1. Leuchtaggregat aus einer Trägerplatte (1), die auf der einen
Seite mit eingekapselten LEDs (2) bestückt ist, denen der
notwendige Betriebstrom über eine auf der Trägerplatte
angeordnete Schaltung (3) zugeführt wird, mit einer Wärme
abgebenden Fläche (5a), die zumindest der einen Seite der
Trägerplatte zugeordnet und mit dieser so verbunden ist, daß
ein guter Wärmeübergang von der Trägerplatte zur Wärme
abgebenden Fläche gewährleistet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Wärme abgebende Fläche (5a) eine Außenseite
einer zusätzlichen Kühlschicht oder Kühlplatte (5) ist, welche
auf der Seite der Trägerplatte (1) angeordnet ist, die mit den
LEDs (2) bestückt ist.
2. Leuchtaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Seite der Trägerplatte (1) eine Wärme abgebende
Fläche (4a, 5a) zugeordnet ist, wobei die die Wärme abgebenden
Flächen (4a, 5a) durch die Außenseiten von Kühlschichten oder
Kühlplatten (4, 5) gebildet werden, und jeweils eine
Kühlschicht oder Kühlplatte jeweils auf einer der beiden Seiten
der Trägerplatte angeordnet ist, derart, daß jeweils ein guter
Wärmeübergang zwischen der Trägerplatte (1) und der Wärme
abgebenden Fläche gewährleistet ist.
3. Leuchtaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen jeder Kühlschicht bzw. Kühlplatte (4, 5) und der
Trägerplatte (1) eine Zwischenschicht (6, 7) angeordnet ist,
die eine gute Haftung der Kühlschichten bzw. Kühlplatten an der
Trägerplatte gewährleistet, elektrisch isolierend ist, den
Feuchtigkeitsdurchgang zwischen den Wärme abgebenden Flächen
unterbindet und den Wärmeübergang zwischen Trägerplatte und
Wärme abgebenden Flächen allenfalls geringfügig behindert.
4. Leuchtaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschichten Vergußkörper sind, z. B. aus einem
Epoxydharz bestehen, das mit Wärme leitenden Partikeln so
versetzt ist, daß Wärmebrücken zwischen beiden Seiten jeder der
Zwischenschichten bestehen.
5. Leuchtaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Partikel wärmeleitend, nicht aber elektrisch leitend,
beispielsweise Quarzmehl, Korund oder entsprechende Kunststoffe
sind.
6. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet,
daß eine der oder die Wärme abgebende(n) Kühlplatte(n) (4, 5) Wärme
abstrahlende Rippen (8) aufweist.
7. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet,
daß die auf der mit den LEDs (2) bestückten Seite der
Trägerplatte (1) angeordnete Kühlplatte (5) mit Öffnungen (5b) für
die durch die Öffnungen geführten und ausgerichteten LEDs (2)
versehen ist.
8. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet
durch
die Bestimmung der Dicke beider Zwischenschichten (6, 7)
derart, daß gute Haftung zwischen Kühlschicht bzw. Kühlplatte
(4, 5) und Trägerplatte (1) sowie optimaler Wärmeübergang
gewährleistet sind.
9. Leuchtaggregat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der den LEDs abgekehrten Zwischenschicht (7) so
bemessen ist, daß Steueraggregate für die LEDs in sie eingebaut
sein können.
10. Leuchtaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die LEDs mit Verlängerungen (2a') der Füße bzw. Stifte (2a)
über die Schaltung (3) hinaus in die Zwischenschicht (7)
hineinragen und zwischen den Verlängerungen und der
Zwischenschicht ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtaggregats nach einem der
Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärme abgebenden Kühlschichten bzw. Kühlplatten
zunächst durch Hilfsmittel in einem vorgegebenen Abstand von
der Trägerplatte fixiert werden und daß die Spalte zwischen
Trägerplatte und Kühlplatten bzw. Kühlschichten mit einem
klebenden Vergußkörper, z. B. Epoxydharz, ausgegossen werden.
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