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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Leuchte mit mindestens einem auf
einem mit Kühlmitteln versehenen Trägerkörper
getragenen und an eine elektrische Leiteranordnung angeschlossenen
Leuchtmittel, das auf einer gut wärmeleitenden Montageeinheit
elektrisch isoliert gehalten ist.
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Eine
derartige Leuchte, die als Kraftfahrzeugscheinwerfer ausgebildet
ist, ist in der
DE
10 2007 002 838 A1 angegeben. Dabei sind auf einem Trägerkörper
Leuchtdioden als Leuchtmittel montiert und mittels einer z. B. flexiblen
Leiterplatte elektrisch kontaktiert. An dem metallischen Trägerkörper
sind zur Kühlung der Leuchtdioden Kühlrippen angebracht,
um von den Leuchtdioden erzeugte Verlustwärme konvektiv
abzuführen. Zur elektrischen Isolation zwischen den Leuchtdioden
und dem z. B. aus Aluminium bestehenden metallischen Trägerkörper sind
dünne Isolierschichten aufgebracht. In der
DE 10 2007 002 838 A1 sind
verschiedene Formen von mit den Leuchtdioden in wärmeableitende
Verbindung gebrachten Kühlkörpern gezeigt. Zum Abführen der
Verlustwärme besitzen insbesondere Leuchtdioden für
hohe Lichtströme neben den beiden elektrischen Anschlusskontakten
einen weiteren Kontakt, der in wärmeleitende Verbindung
mit dem Kühlkörper gebracht ist.
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Um
möglichst gute Beleuchtungsverhältnisse, insbesondere
auch im Straßenverkehr, zu schaffen, ist ein stabiler,
dauerhafter Betrieb der in der Leuchte verwendeten Leuchtmittel
von wesentlicher Bedeutung. Aufgrund ihrer Langlebigkeit und mechanischen
Robustheit sind Leuchtdioden als Leuchtmittel besonders gut geeignet
und werden zunehmend hinsichtlich eines möglichst hohen
Lichtstroms optimiert. Damit verbunden ist auch eine erhöhte
Verlustleistung und Wärmeerzeugung, die aufgrund der geringen
Abmessungen der Leuchtdioden auf engem Raum anfällt und
abgeführt. werden muss, damit eine kritische Betriebstemperatur
der Leuchtdioden nicht überschritten wird, die zur Verschlechterung
der Funktion, insbesondere Lichtausbeute (Lichtstrom in Lumen Im
im Verhältnis zur aufgenommenen elektrischen Leistung in
Watt W) und Lebensdauer, oder gar zum vollständigen Ausfall
führt. Die konstruktiven Maßnahmen zum Abführen
der Wärme mit geometrisch geformten Kühlflächen
können beispielsweise noch mit Lüftern verbessert
werden. Andererseits können solche Maßnahmen einer
freien Gestaltung des Leuchtendesigns zuwiderlaufen und auch wegen des
erhöhten Gewichts nachteilig sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leuchte der eingangs
genannten Art bereitzustellen, die eine hohe Funktionssicherheit
gewährleistet und dabei erweiterte Gestaltungsspielräume bietet.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Hierbei ist vorgesehen, dass die jeweilige Montageeinheit ein mit
dem Trägerkörper verbundenes Keramikteil aufweist,
das unmittelbar oder über eine Wärmeleitstruktur
mit geringem Wärmeübergangswiderstand mit den
Kühlmitteln in Wärmeübertragungsverbindung
gebracht ist.
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Das
Keramikteil bietet eine stabile, gut an gegebene Verhältnisse
anpassbare Basis für die Montage der zugeordneten Leuchtdiode
bei guter Wärmeleitfähigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit und
dient gleichzeitig auch zur elektrischen Isolation. Über
das Keramikteil wird die Verlustwärme wirkungsvoll von
dem Leuchtmittel zu den Kühlmitteln transportiert, wobei
z. B. auch ein Wärmeableitkontakt des Leuchtmittels oder
dessen Sockelbereich unmittelbar mit dem Keramikteil gut wärmeleitend
in Verbindung gebracht werden kann.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsvarianten der Leuchte bestehen darin, dass die Leuchtmittel Leuchtdioden
sind, und darin, dass die Leuchte eine Kraftfahrzeugleuchte, insbesondere
ein Kraftfahrzeugscheinwerfer ist. Durch Formen des Trägerkörpers
und Anordnung der Leuchtdioden kann die Kraftfahrzeugleuchte in
Funktion und Design hinsichtlich gegebener Anforderungen optimiert
werden.
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Eine
für eine hohe Kühlleistung und in der Form gut
anpassbare Gestaltung wird dadurch erreicht, dass die Kühlmittel
einen Kühlmittelkanal und ein darin geführtes
flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium
aufweisen, wobei das jeweilige Keramikteil mit dem Kühlmedium
unmittelbar oder über eine verdünnte Wandung einer
Keramikaufnahme in Wärme übertragende Verbindung
gebracht ist. Im Falle einer Kraftfahrzeugleuchte kann der Kühlmittelkanal
beispielsweise an das Kühlsystem des Fahrzeugs angeschlossen
werden. Als Kühlmedium kommen verschiedene gängige
Kühlmedien einschließlich Wasser in Betracht.
Das Keramikteil kann für einen hohen Wärmetransport
geeignet großflächig ausgelegt und entsprechend
großflächig mit dem Kühlmedium unmittelbar
oder mittelbar in Kontakt gebracht werden und bei spielsweise mit
einem Ansatz in das Kühlmedium hineinragen oder entlang
dem Kühlmittelkanal ausgedehnt sein. Ist die Keramikaufnahme
mit einer zum Kühlmittelkanal verdünnten Wandung
versehen, bildet die Wandung des Trägerkörpers
selbst einen dichten Abschluss auch im Bereich der Keramikaufnahme.
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Eine
für die Formgebung und geringes Gewicht vorteilhafte Ausgestaltung
besteht darin, dass der Trägerkörper ein Kunststoffformteil
ist. In dem Kunststoff-Trägerkörper kann der Kühlmittelkanal vorteilhaft
ganz oder teilweise ausgebildet oder eingebettet werden, wobei die
Kanalführung und dessen Querschnitt für eine möglichst
wirkungsvolle Kühlung geeignet gewählt werden
können.
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Ist
vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal ganz oder teilweise
in dem Trägerkörper ausgebildet und mit Kanalanschlüssen
zum Zuführen und Abführen von Kühlmedien
versehen ist, so kann z. B. ein Umfangsbereich entlang dem gesamten
Kanal in den Trägerkörper eingeformt und der verbleibende
Umfangsbereich des Kühlmittelkanals in einem ergänzenden
separaten Kanalabschnitt eingeformt werden, der entlang dem Kanalabschnitt
des Trägerkörpers z. B. durch Kleben, Klemmen
oder Schweißen angebracht wird.
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Verschiedene
Fertigungsvarianten werden dadurch erhalten, dass das jeweilige
Keramikteil als Einlegeteil ausgebildet und bereits bei der Herstellung
mit dem Material des Trägerkörpers umspritzt ist oder
später in oder auf der Keramikaufnahme befestigt, insbesondere
aufgeklebt oder festgeklemmt ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung mit guter Wärmeleitfähigkeit
besteht darin, dass das Keramikteil aus einer Aluminiumnitridkeramik,
einer Aluminiumoxidkeramik bzw. einem Aluminiumoxidmatrixwerkstoff
hergestellt ist.
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Für
die Herstellung und Funktion ist auch die Maßnahme von
Vorteil, dass die Leuchtdioden direkt auf dem jeweiligen Keramikteil
aufgebracht sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich ferner dadurch, dass das
Keramikteil plättchenförmig mit einer Dicke von
höchstens 1 mm und einer Fläche von mindestens
25 mm2 ausgebildet ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Leuchte ergibt sich dadurch,
dass die Leuchte eine Verstellvorrichtung für eine Lichtverteilungs- und/oder
Lichtrichtungsänderung, insbesondere zur automatischen
Leuchtweitenregulierung aufweist, wobei bewegte Gelenkteile eine
mit Kunststoff umspritzte Keramikführung aufweisen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1A einen
Leuchteneinsatz mit einem langgestreckten Trägerkörper
mit aufgebrachter flexibler Leiterbahn und mehreren Leuchtdioden
in perspektivischer Ansicht von schräg vorn,
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1B den
Leuchteneinsatz nach 1A in seitlicher perspektivischer
Ansicht,
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1C und 1D zwei
vergrößerte Ausschnitte des Leuchteneinsatzes
nach 1A in perspektivischer Ansicht,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Leuchteneinsatzes ausschnittsweise
in perspektivischer Ansicht,
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3A eine
weitere Darstellung des Leuchteneinsatzes nach 1 in
einer Ansicht von vorn,
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3B eine
weitere Darstellung des Leuchteneinsatzes nach 1 von
hinten,
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4A einen
Abschnitt eines Kühlmittelkanals des Leuchteneinsatzes
nach 1 von vorn,
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4B den
Abschnitt des Kühlmittelkanals nach 4A von
hinten,
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5 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines Leuchteneinsatzes ausschnittsweise
in perspektivischer Ansicht und
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6 einen
Ausschnitt des zu dem Leuchteinsatz nach 5 gehörenden
Trägerkörpers mit dünnerem Keramikteil.
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1 zeigt einen strukturierten, langgestreckten
Leuchteneinsatz 1 mit einem Trägerkörper 10 aus
Kunststoff, einer darauf aufgenommenen flexiblen Leiterplatte mit
elektrischen Leitungen sowie mit auf flachen, stufenförmigen
Abschnitten aufgebrachten und elektrisch mit den Leitern der Leiterplatte 3 kontaktierten
Leuchtmitteln 2, die als Leuchtdioden (LEDs) ausgebildet
sind. Der Leuchteneinsatz 1 ist Teil einer Kraftfahrzeugleuchte,
nämlich eines Kraftfahrzeugscheinwerfers, im vorliegenden
Fall eines Tagfahrlichts.
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Wie
deutlich in Zusammenschau mit 1B ersichtlich,
besitzt der Trägerkörper 10 mehrere an ihm
angeformte Befestigungsabschnitte 101 zur Anbringung in
einem Leuchtengehäuse bzw. an einem Tragegerüst
der Leuchte sowie einen auf der von den Leuchtmitteln 2 abgekehrten
Rückseite des Trägerkörpers 10 verlaufenden
Kühlmittelkanal 11, der an seinen beiden Enden
mit Kanalanschlüssen 111 versehen ist, um ein
flüssiges oder gasförmiges bzw. fluides Kühlmedium
ein- bzw. auszuleiten. Der Kühlmittelkanal 11 verläuft
rückseitig entlang den Stellen der Leuchtdioden, so dass
das Kühlmedium nahe an dem Sockelbereich der Leuchtdioden
vorbeigeführt wird. Über die Kanalanschlüsse 111 kann
der Kühlmittelkanal 11 bei einer Kraftfahrzeugleuchte,
wie im vorliegenden Falle, z. B. an ein Kühlsystem des
Kraftfahrzeugs angeschlossen werden, um das flüssige oder
gegebenenfalls gasförmige Kühlmedium durch den
Kühlmittelkanal 11 zirkulieren zu lassen und z.
B. mittels einer Regeleinrichtung auf definierter Kühltemperatur
zu halten.
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Wie
die beiden ausschnittsweisen perspektivischen Darstellungen in den 1C und 1D zeigen,
sind zwischen den Leuchtmitteln 2, nämlich den
Leuchtdioden und dem Kühlmittelkanal 11 jeweils
unter der die Leiteranordnung 3 aufweisenden Leiterplatte
Keramikteile 20 angeordnet, von denen in den 1C und 1D jeweils
nur eines ersichtlich ist, indem die Leiterplatte an der betreffenden Stelle
angehoben ist. Das Keramikteil 20 dient als Teil einer
Montageeinheit des jeweils zugeordneten Leuchtmittels 2,
hier also der Leuchtdiode.
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Bei
den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Keramikteil 20 plättchenförmig,
vorliegend rund mit zwei parallelen flachen Seiten, ausgestaltet
und in den Trägerkörper 10 integriert,
indem es bereits bei der Herstellung des Trägerkörpers 10 als
Einlegeteil umspritzt wird. Alternativ kann das Keramikteil 20 auch
später z. B. über eine geeignete Klebetechnik oder
Klemmverbindung montiert werden. Die von der Leuchtdi ode abgewandte
Rückseite des Keramikteils 20 liegt mit seiner
flachen Seite großflächig unmittelbar an dem oder
lediglich über einen verdünnten Wandabschnitt
von dem Kühlmittelkanal 11 getrennt, so dass durch
das beim Betrieb vorbeiströmende Kühlmedium eine
großflächige und damit sehr wirkungsvolle Kühlung
erreicht wird. Die jeweilige Leuchtdiode ist mit ihrem Sockel unmittelbar
oder über mindestens einen wärmeleitenden Anschluss mit
dem Keramikteil 20 in Wärmeleitungsverbindung gebracht.
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Wie
die perspektivische Darstellung eines in 2 dargestellten
Ausschnitts des Trägerkörpers 10 zeigt,
ist das Keramikteil 20 in eine vertiefte Keramikaufnahme 102 des
Trägerkörpers 10 eingesetzt, wobei die
Keramikaufnahme 102 lediglich durch einen dünnen
Wandabschnitt des Aufnahmeabschnittes 103 von dem Kühlmittelkanal 11 getrennt
ist, so dass ein guter Wärmeübergang von dem Keramikteil 20 zu
dem Kühlmedium in dem Kühlmittelkanal 11 sichergestellt
ist. Die flache Oberseite des vorliegend plättchenförmigen
Keramikteils 20 liegt in der Ebene der ebenfalls in diesem
Bereich flachen Vorderseite des Trägerkörpers 10.
Bei einer alternativen (nicht gezeigten) Ausführungsform
kann das Keramikteil 20 auf seiner Rückseite z.
B. mit einem Ansatz versehen sein, der unmittelbar in den Kühlmittelkanal 11 ragt und
beim Betrieb von dem flüssigen oder gasförmigen
Kühlmedium umströmt wird. Durch die flache Ausbildung
des Keramikteils 20 ist der Übergangsabstand von
der Leuchtdiode zu dem Kühlmedium im Vergleich zum Querschnitt
des Keramikteils 20 um ein Vielfaches kürzer,
wodurch eine hohe Wärmeübertragungsrate gewährleistet
ist. Beispielsweise ist der Abstand von der dem Leuchtmittel 2 zugekehrten Oberseite
des Keramikteils 20 zu dem Kühlmedium höchstens
5, besser höchstens 4 oder 3 mm, während die Querschnittsfläche
des Keramikteils 20 mindestens 20 mm2,
besser mindestens 50 mm2 beträgt. Ist
in dem Aufnahmeabschnitt 103, wie vorliegend, ein Wandabschnitt
des Trägerkörpers 10 vorhanden, so ist
dieser höchstens 2 mm, besser höchstens 1 mm dick,
um einen guten Wärmetransport für die Verlustwärme
des Leuchtmittels 2 sicherzustellen, wobei der Wandabschnitt
einen durchgängigen Abschluss des Kühlmittelkanals 11 auch
in dem Bereich des Trägerkörpers 10 bildet.
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Die
Form des Keramikteils 20 kann beliebig angepasst werden
und z. B. rund, oval, quadratisch oder rechteckig sein. Die Zusammensetzung
der Keramik ist vorteilhaft eine spezielle, auf Aluminiumnitridkeramik,
Aluminiumoxidmaterial bzw. einem Aluminiumoxidmatrixwerkstoff basierende
Keramik. Da der Wärmetransport durch die innige, vorteilhaft
direkte Verbindung des Keramikteils 20 mit der Leuchtdiode
und über den kurzen Weg mit großem Querschnitt
zu dem Kühlmedium erfolgt, wird das umgebende Kunststoffmaterial
des Trägerkörpers 10 wenig hitzebelastet
und bleibt dauerhaft beständig.
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Wie
die 3A, 3B und 4A und 4B zeigen,
ist der Kühlmittelkanal 11 beispielsweise aus
einem sich in Längsrichtung des Kühlmittelkanals 11 erstreckenden
Wandabschnitt in dem Trägerkörper 10 eingeformt
und zum anderen Teil in einem komplementären Wandabschnitt,
der entlang dem Kühlmittelkanalabschnitt des Trägerkörpers 10 dicht
z. B. durch Kleben, Einklemmen, Einklipsen oder Verschweißen
angebracht ist. Alternativ kann der Kühlmittelkanal 11 vollständig
in dem Trägerkörper 10 eingeformt oder
als separater, in den Trägerkörper 10 eingesetzter
Kanal ausgebildet sein. Der Kühlmittelkanal 11 ist
mit einem für einen genügenden Kühlmediumsstrom
ausgelegt und kann im Bereich der Keramikteile 20 erweitert
sein, um diese möglichst großflächig
mit dem Kühlmedium zu unterströmen.
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Der
Leuchteneinsatz 1 mit dem Trägerkörper 10 im
Verbund mit den Keramikteilen 20 ergibt außer einer
vorteilhaften Kühlfunktion und einem stabilen Aufbau auch
den Vorteil einer hohen Gestaltungsfreiheit bei leichtem, dünnwandigem
Aufbau, wozu wiederum das gute Wärmeleitungsverhalten der
Keramikteile 20 und deren Stabilität für
die Montageeinheiten der Leuchtmittel 2 beitragen, ohne
dass die Gefahr besteht, dass das Kunststoffmaterial durch hohe
lokale Wärmeentwicklung, (Hot Spots) beschädigt
wird. Mit diesem Aufbau kann neben vielfältigen Formgestaltungsmöglichkeiten
und der einfachen Anpassung an umgebende Strukturen auch eine erhebliche
Gewichtsreduzierung erreicht werden.
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Die 5 und 6 zeigen
ausschnittsweise weitere Ausführungsbeispiele eines Leuchteneinsatzes
mit einem Trägerkörper 10' und darauf
mittels Keramikteilen 20' bzw. 20'' montierten
Leuchtdioden als Leuchtmittel 2. Hierbei ist der Trägerkörper 10' aus
Metall, beispielsweise Aluminiumdruckguss hergestellt, wobei flache,
plättchenförmige Keramikteile 20', 20'' z.
B. auf einem flachen Metallplättchen beispielsweise ebenfalls
aus Aluminium aufgebracht sind und zur elektrischen Isolation und
gleichzeitig guten Wärmeübertragung dienen. Auch
hierbei bilden die Keramikteile 20', 20'' stabile
Bestandteile der Montageeinheit, wobei die 5 und 6 zwei
unterschiedlich starke Keramikteile 20', 20'' zeigen.
Die Leuchtdioden sind ebenfalls über eine Leiteranordnung 3 einer
flexiblen Leiterplatte elektrisch angeschlossen. Die Kühlung
kann z. B. mittels an dem Trägerkörper 10' angeformter
Kühlrippen oder aber mittels entlang der Montageeinheiten
geführter Kühlmittelkanäle 11 und
durch diese hindurch strömendem flüssigem oder
gasförmigem Kühlmedium erfolgen. Allerdings ist
der Aufwand für einen solchen Trägerkörper 10' höher
als für einen Trägerkörper aus Kunststoff
des vorstehend beschriebenen Aufbaus und es ergeben sich auch Einschränkungen
in der Gestaltungsvielfalt und ein höheres Gewicht.
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Ist
die Leuchte zum Variieren der Lichtstärkeverteilung oder
z. B. bei einem Kraftfahrzeug zur automatischen Leuchtweitenregulierung
mit betreffenden Stellgliedern und mechanischen Gelenkteilen ausgestattet,
kann im Bereich der Gelenke, z. B. einem Kugelkopf, ebenfalls vorteilhaft
eine Keramikführung ausgebildet werden, die eine dauerhaft
hohe Stabilität und Verschleißfestigkeit gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007002838
A1 [0002, 0002]