EP1643188B1 - Leuchtdiodenanordnung mit einer Kühlvorrichtung und Kfz-Scheinwerfer - Google Patents

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EP1643188B1
EP1643188B1 EP05016991A EP05016991A EP1643188B1 EP 1643188 B1 EP1643188 B1 EP 1643188B1 EP 05016991 A EP05016991 A EP 05016991A EP 05016991 A EP05016991 A EP 05016991A EP 1643188 B1 EP1643188 B1 EP 1643188B1
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light
emitting diode
heat
optical element
automotive headlamp
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Rainer Huber
Joachim Reill
Kurt-Jürgen Lang
Moritz Engl
Markus Hofmann
Mario Wanninger
Michael Sailer
Stefan GRÖTSCH
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a motor vehicle headlamp with a light-emitting diode array.
  • Automotive headlights with a light-emitting diode arrangement are for example from the publications DE 102 13 042 A1 .
  • Object of the present invention is to provide a motor vehicle headlamp with a light emitting diode array, which is cooled particularly efficient. Furthermore, the cover of the car headlight is heated better.
  • the light-emitting diode arrangement preferably has a multiplicity of light-emitting diode chips.
  • each light-emitting diode chip is assigned at least one optical element.
  • the optical element may be, for example, a light-reflecting, refractive or diffractive optic.
  • the light-emitting diode arrangement further preferably has at least one heat-conducting element which is suitable for dissipating the heat generated by the light-emitting diode chip.
  • the heat transfer away from the light-emitting diode chips preferably takes place in the heat-conducting element essentially by means of heat conduction, wherein substantially by means of heat conduction means that other mechanisms of heat transport such as heat radiation or convection play at most a minor role.
  • the heat conducting element may be e.g. to act a carrier on which the LED chips are applied.
  • the light-emitting diode arrangement preferably has at least one cooling device which is suitable for absorbing and removing heat from the heat-conducting element.
  • the cooling device is preferably suitable to dissipate the heat by means of heat conduction or convection. Furthermore, it is possible that the cooling device is suitable for dissipating the heat generated by the light-emitting diode chips partly by means of heat conduction and partly by means of convection from the heat-conducting element.
  • a motor vehicle headlamp with a light-emitting diode arrangement which has at least one light-emitting diode chip, wherein each light-emitting diode chip is assigned at least one optical element. Furthermore, the light-emitting diode arrangement has at least one heat-conducting element which is suitable for dissipating the heat generated by the light-emitting diode chips and at least one cooling device which is suitable for absorbing the heat dissipated by the heat-conducting element.
  • At least one of the light-emitting diode chips has a radiation decoupling surface, by means of which a large part of the electromagnetic radiation emitted by the light-emitting diode chip is decoupled.
  • the entire radiation emitted by the light-emitting diode chip emerges through the radiation coupling-out surface.
  • the radiation output surface is given for example by a part of the surface of the LED chip.
  • the radiation output surface is given by a main surface of the LED chip, which is arranged, for example, parallel to an epitaxial layer sequence of the LED chip, which is suitable for generating electromagnetic radiation.
  • the epitaxial layer sequence can, for example, have a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or, with particular preference, a multiple quantum well structure (MQW).
  • quantum well structure encompasses any structure in which charge carriers undergo quantization of their energy states by confinement.
  • quantum well structure does not include information about the dimensionality of the quantization. It thus includes u.a. Quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the light-emitting diode chip is preferably a semiconductor light-emitting diode chip in which the growth substrate is at least partially removed and on the surface facing away from the original growth substrate a carrier element is applied.
  • the carrier element can be chosen relatively freely compared to a growth substrate.
  • a carrier element is selected which is particularly well adapted to the radiation-generating epitaxial layer sequence with regard to its temperature expansion coefficient.
  • the carrier element may contain a material which is particularly good heat-conducting. In this way, the heat generated by the light-emitting diode chip during operation is dissipated particularly efficiently to the heat-conducting element.
  • All light-emitting diode chips of the light-emitting diode arrangement are particularly preferably thin-film light-emitting diode chips.
  • the optical element is suitable for reducing the divergence of the electromagnetic radiation emitted by the light-emitting diode chips.
  • the optical element can be, for example, a reflective optic. That is, the optical element is capable of reflecting at least part of the electromagnetic radiation emitted by the light-emitting diode chips.
  • the optical element can have, for example, side walls which connect a radiation input opening with a radiation exit opening. Preferably, the side walls are configured reflective. Electromagnetic radiation entering through the radiation input aperture of the optical element may then be at least partially reflected on the sidewalls and exit the optical element through the radiation exit aperture.
  • the side walls can be coated, for example, with a reflective material.
  • the sidewalls may also include a dielectric material having a suitable index of refraction such that through the Radiation inlet opening radiation is reflected by total reflection at the interface of side wall and surrounding medium.
  • the optical element may also be a solid body made of a dielectric material.
  • the electromagnetic radiation passing through the radiation inlet opening into the optical element is then preferably reflected by means of total reflection at the lateral boundary surfaces of the solid body to the surrounding medium.
  • the optical element preferably reduces the divergence of a beam cone passing through the radiation inlet opening in at least one spatial direction in such a way that the beam cone when emerging through the radiation exit opening has an opening angle between 0 and 30 °, preferably between 0 and 20 °, particularly preferably between 0 and 10 ° a central axis of the optical element which is perpendicular to the radiation coupling-out surface of a light-emitting diode chip associated with the optical element.
  • the reflective optic is a non-imaging optical concentrator.
  • the optical element is preferably arranged downstream of the radiation coupling-out surface of at least one light-emitting diode chip such that the radiation inlet opening of the optical element is the actual radiation exit opening of the concentrator.
  • the concentrator tapers towards the LED chip. In this way, electromagnetic radiation passing through the radiation inlet opening into the optical element leaves the concentrator with reduced divergence through the radiation outlet opening.
  • the optical element may for this purpose be formed at least partially in the manner of one of the following optical elements:
  • CPC-Coumpound Parabolic Concentrator Compound Elliptic Concentrator (CEC-Compound), composite Hyperbolic Concentrator (CHC-Compound Hyperbolic Concentrator). That is, for example, the reflective sidewalls of the optical element are at least partially formed in the shape of at least one of said optical elements.
  • the non-imaging optical concentrator may have side walls which connect the radiation inlet opening with the radiation outlet opening and are configured such that connecting lines extending between the radiation inlet opening and the radiation outlet opening extend essentially straight on the side walls.
  • the side walls form, for example, the shape of a pyramid or truncated cone. That is, the optical concentrator then has the shape of a truncated pyramid or a truncated cone, which tapers towards the LED chip or the LED chips, which it is arranged downstream.
  • the concentrator is preferably a solid body which consists of a radiation-permeable plastic.
  • each light-emitting diode chip is assigned exactly one optical element.
  • the radiation entrance opening of the optical element is preferably the radiation outcoupling surface arranged downstream of the LED chip in a main emission of the LED chip.
  • the light-emitting diode chips can be arranged, for example, along at least one straight line.
  • the radiation entrance opening of the optical element is then arranged downstream of the total area of the radiation outcoupling surface of the individual light-emitting diode chips in a main emission direction of the light-emitting diode chips.
  • the radiation inlet opening of the optical element has an area that is at most twice as large as the total radiation output surface of the light-emitting diode chips assigned to the optical element.
  • the total radiation outcoupling surface is given by the sum of the areas of the radiation outcoupling surfaces of the individual light-emitting diode chips assigned to the optical element.
  • the surface of the radiation entrance opening is at most 1.5, more preferably at most 1.25 times as large as the total radiation output surface of the light emitting diode chips associated with the optical element.
  • Such a small radiation entrance opening makes it possible to reduce the solid angle in which the electromagnetic radiation is emitted as close as possible to the radiation coupling-out area of the light-emitting diode chip.
  • the cross-sectional area of the beam cone emitted by the light-emitting diode chip is particularly small. This allows the construction of components with optimized etendue. That is, the highest possible radiation intensity is on one projected the smallest possible area.
  • the etendue is a conserved quantity of geometric optics. It is essentially formed by the product of the surface area of a light source and the solid angle in which the light source radiates.
  • a gap for example an air gap, is arranged between the radiation output surface of the light-emitting diode chip and the radiation inlet opening of the optical element. It is thereby achieved that particularly divergent radiation does not enter the optical element, but can escape laterally through the gap before it enters the optical element, for example. This further reduces the divergence of the radiation emitted by the optical element.
  • the radiation exit opening of the optical element is arranged downstream of an additional optical element in the main emission direction.
  • the additional optical element is preferably a refractive or diffractive optic with a further reduction in the divergence of can be achieved by the additional optical element passing radiation.
  • the light-emitting diode arrangement has a luminescence conversion material arranged downstream of the radiation output surface of at least one of the light-emitting diode chips.
  • a luminescence conversion material is preferably arranged downstream of the radiation outcoupling surface of each light-emitting diode chip of the light-emitting diode arrangement.
  • the luminescence conversion material is preferably suitable for converting wavelengths of at least part of the electromagnetic radiation emitted by the light-emitting diode chip.
  • the radiation emitted by the light-emitting diode chip preferably mixes with its wavelength-converted component, for example, into white light.
  • the radiation emitted by the LED chip is substantially completely wavelength-converted by the luminescence conversion material.
  • radiation emitted by the light-emitting diode chip in the non-visible spectral range can thus be converted to radiation in the visible spectral range.
  • two different phosphors in the luminescence conversion material it is then possible by light mixing, e.g. be generated white light.
  • Suitable phosphors for wavelength conversion are, for example, in the document WO98 / 12757 described, the disclosure content, the phosphors regarding hereby incorporated by reference.
  • the luminescence conversion material may in at least one embodiment of the light-emitting diode arrangement be admixed, for example, with a radiation-permeable potting compound which at least partially surrounds the light-emitting diode chip.
  • the potting compound may contain, for example, epoxy or silicone materials.
  • the luminescence conversion material can also be applied, for example, as a thin layer directly onto the radiation coupling-out surface of the individual light-emitting diode chips.
  • the luminescence conversion material is contained at least in places in the optical element.
  • the luminescence conversion material may be applied as a thin layer to the side walls which are arranged downstream of the radiation coupling-out surface of the light-emitting diode chip.
  • the luminescence conversion material may be homogeneously distributed on the sidewalls.
  • the luminescence conversion material is applied to defined locations of the side walls. In this way, a particularly defined conversion of passing through the optical element electromagnetic radiation is possible.
  • a heat sink is applied to the heat-conducting element of the light-emitting diode arrangement.
  • the heat sink is preferably made of a particularly good heat conducting material.
  • at least one surface of the heat sink is enlarged by means of cooling fins.
  • the cooling fins are located for example, on the heat-conducting element facing away from the surface of the heat sink.
  • the light-emitting diode arrangement has a cooling device which is suitable for dissipating the heat generated by the light-emitting diode chip from the heat-conducting element and / or the heat sink.
  • the cooling device is preferably capable of removing heat by at least one of the following heat transport mechanisms: free convection, forced convection, heat conduction.
  • the cooling device preferably contains at least one of the following elements: heat sink, heat-conducting material, heat pipe, thermosiphon, liquid circuit, fan.
  • the cooling device is suitable, for example, for delivering the heat generated by the light-emitting diode chips to a heat sink that acts like a heat sink.
  • the heat sink can be given for example by the body of a motor vehicle or the windows of a motor vehicle headlight. But it can also be given by a housing of the light emitting diode array.
  • the cooling device is suitable for transporting the heat generated by the light-emitting diode chips to a location where it is used for targeted heating. Particularly preferably, the heat is transported to this location by means of free convection, forced convection and / or heat conduction.
  • the heat emitted by the light-emitting diode chips can be used, for example, for deicing or defrosting.
  • the panes of the headlight can be heated by means of the heat emitted by the light-emitting diode chips. It is thus possible, for example, headlamps as quickly as possible to free from ice or snow.
  • the LED chip 1 is applied here on a support 2.
  • the carrier 2 may, for example, a second carrier 12 or a first heat conducting element 13 (see, for example FIG. 4 ) be mounted.
  • the light-emitting diode chip 1 is, for example, a thin-film light-emitting diode chip, as explained in the general part of the description.
  • the light-emitting diode chip 1 is followed by an optical element 4, which may be, for example, a three-dimensional CPC-like non-imaging optical concentrator.
  • the optical element 4 has a light input opening b, through which electromagnetic radiation 3 emitted by the light-emitting diode chip can pass.
  • the electromagnetic radiation 3 is at least partially reflected on the side walls of the optical element 4, which are preferably provided with a reflective coating.
  • the radiation 3 then leaves the optical element through the radiation exit opening 5.
  • FIG. 1 it is also possible for a plurality of light-emitting diode chips to be arranged, for example, along a straight line on the carrier 2, and for these light-emitting diode chips to be assigned a common optical element 4.
  • FIG. 2 shows that the beam cone 6 of the radiation passing through the optical element 4 radiation leaves the radiation exit opening 5 with a maximum angle ⁇ to the central axis 7 of the optical element 4.
  • the length 1 of the optical element 4 determines at a given width of the radiation inlet opening b the angle ⁇ .
  • l b 2 ⁇ 1 + sin ⁇ ⁇ cos ⁇ sin 2 ⁇ ⁇ ,
  • FIG. 3 shows that, as an alternative to a CPC-type optical concentrator, the optical element may, for example, have side walls 8 which run in straight lines from the radiation inlet opening b to the radiation outlet opening 5 run.
  • the optical element may be a solid body of a dielectric material which has a truncated cone or truncated pyramidal basic shape.
  • the radiation exit opening 5 can be arched outwards in the manner of a spherical or aspherical lens which forms a second optical element 9 which is suitable for further reducing the divergence of the radiation 3 passing through the optical element 4.
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the light-emitting diode arrangement described here.
  • At least one illumination device 10, as used for example in FIG. 1 is explained here is applied to a support 12 and forms the light source 11.
  • a plurality of lighting devices 10 are applied to a common carrier 12.
  • the illumination devices 10 are arranged, for example, on the carrier 12 such that the electromagnetic radiation emitted by the light source 11 satisfies, for example, the German standard ECE for motor vehicle headlights.
  • the light source 11 may be a further optical element 18 downstream.
  • the second optical element 18 is, for example, a lens or reflector-like optic.
  • the further optical element 18 is a projection lens, which in particular can also be arranged downstream of a plurality of illumination devices 10.
  • the carrier 12 is applied with its surface facing away from the light source 11 on a first heat conducting element 13, which may be integrated, for example, in a housing 16 of the light emitting diode array.
  • the light source 11 may be applied directly to the thermal element 13, the carrier 12 may then be omitted.
  • the heat-conducting element 13 is preferably made of a good heat-conducting material such as copper, aluminum or magnesium.
  • the housing 16 of the light-emitting diode arrangement may be formed for example by a part of the vehicle body.
  • the heat sink 14 preferably contains a particularly good heat conducting material such as aluminum or copper.
  • the connection between the heat-conducting element 13 and the heat sink 14 preferably has a particularly low thermal resistance and is given for example by a solder connection.
  • the cooling body 14 preferably has cooling ribs at least on its surface facing away from the heat-conducting element 13. Im in FIG. 4 In the embodiment shown, the heat is released from the heat sink 14 by means of free convection to a second heat sink 17, which is connected, for example, to the housing 16 of the light-emitting diode arrangement and acts as a heat sink. The heat is transmitted by means of an air flow 15, which forms due to the Temperaturgradients between the first heat sink 14 and the second heat sink 17.
  • the air circulation in the housing 16 of the light emitting diode array is additionally supported by at least one fan 19.
  • FIG. 6 an embodiment of the light-emitting diode arrangement is shown, in which the heat generated by the light source 11 is dissipated by a second heat-conducting element 20 from the first heat-conducting element 13 to the housing 16.
  • the second heat-conducting element 20 may be, for example, a ribbon cable containing a heat-conducting material.
  • the first heat-conducting element 13 is formed by a metallic carrier, which may contain, for example, aluminum, copper or magnesium.
  • the carrier is thermally conductively connected, for example, to a second heat-conducting element 20, or first heat-conducting element 13 and second heat-conducting element 20 are made in one piece.
  • the carrier and thus the heat-conducting element 13 acts as a holder for the light source 11 downstream additional optics 18.
  • FIG. 8 In the embodiment of FIG. 8 is on the light source 11 remote from the surface of the heat-conducting element 13, a liquid cooler 22 applied.
  • a cooling circuit 21 dissipates the heat from the liquid cooler 22, for example to the housing 16 of the light emitting diode array.
  • FIG. 9 shows the cooling of the light emitting diode array by means of a thermally contacted with the heating element 13 thermosiphon 23.
  • the thermosiphon 23 gives off the heat at a heat sink located above the 13 heat sink 13, which is given for example by the housing 16 of the light emitting diode array.
  • FIG. 10 shows an embodiment of the light-emitting diode arrangement, in which the heat is discharged from the heat-conducting element 13 by means of a heat pipe 24.
  • the heat pipe 24 outputs the heat absorbed, for example, to the housing 16 and / or a heat sink 17.
  • the heat pipe 24 has the advantage that the heat can be dissipated in any direction.
  • the transport of cooling liquid in the heat pipe 24 does not occur due to gravitational forces, but the cooling liquid is conducted, for example, by capillary action on the inner walls of the heat pipe 24 to the point to be cooled.
  • FIG. 11 shows an embodiment of the light emitting diode array, in which the heat generated by the light source 11 is transported to a place where it is used for targeted heating use.
  • heat is conducted from the heat-conducting element 13 to the outer and inner cover plates 25a, 25b by means of the cooling device formed by a heat sink 14 and a fan 19.
  • the cover plates 25a, 25b are, for example, cover plates of a motor vehicle headlight.
  • An air flow 15 is carried out, for example, by means of the fan 19 between the cover plates 25a, 25b.
  • the air flow 15 escapes the cover disks 25a, 25b by releasing heat from the air flow 15 to the cover disks 25a, 25b.
  • the thus cooled air flow 15 is then in turn past the heat sink 14, where it can absorb heat generated by the LED chips.
  • waste heat of another heat source for example from the Engine compartment of a motor vehicle, by means of a fan or fan 19 between the two cover plates 25a, 25b is performed.
  • cooling of the light-emitting diode arrangement can be effected, for example, by one of the cooling devices described above. It is also possible that the waste heat of a further heat source and the waste heat of the light source 11 for heating the cover plates 25a, 25b is used.
  • FIG. 13 shows the heating of a single cover plate 25a analogous to in FIG FIG. 11 explained embodiment by means of forced convection.
  • At least one fan 19 is suitably arranged in the housing 16 of the light-emitting diode arrangement, so that an air flow 15 can be guided past both the cover plate 25a and the heat sink 14. In this case, the additional optical element 18 can be heated.
  • FIG. 14 shows an embodiment of the light-emitting diode arrangement, in which the heat-conducting element 13 is formed by a metallic carrier.
  • the carrier may contain at least one of the following materials: aluminum, copper, magnesium.
  • the heat-conducting element 13 is, for example, thermally conductively connected to a second heat-conducting element 20, or the two heat-conducting elements 13, 20 are made in one piece.
  • the heat-conducting element 13 can additionally serve as a holder for an optical element 18, which is arranged downstream of the light source 11.
  • the heat-conducting element 13, 20 is adapted to dissipate heat from the light source 11 to the cover plate 25 a.
  • the cover plate 25a can be heated by means of heat conduction 26 and / or free convection 15.
  • the embodiment shown allows a targeted Heating of the optical element 18. In this way, the optical element 18 can be defrosted by the heat emitted from the light source 11, for example, heat.
  • FIG. 15 shows the heating of the cover 25a by means of a disk heater, which consists for example of at least one thin metallic wire 27.
  • the wire 27 can be heated, for example, by means of an electric current.
  • the wire 27 is thermally conductively connected to the heat-conducting element 13. As in FIG. 16 is shown; the heat generated by the light source 11 is then guided by means of the wire 27, for example, to the cover plate 25a.
  • FIG. 17 shows an embodiment of the light emitting diode array, in which the cover plate 25a is heated by means of a heat pipe 24.
  • the heat pipe emits heat, for example, to the optical element 18.
  • an absorber 28 capable of converting, for example, infrared or UV radiation into heat is applied to the cover plate 25a.
  • the cover 25a can be heated by means of infrared or UV radiation, which is emitted, for example, from the light source 11.
  • FIG. 19 shows an embodiment of the light-emitting diode array, in which in addition to the light source 11 at least one heat source or infrared source 29 is applied to the carrier 12, the heat to the cover plate 25a radiates out.
  • the heat source can be, for example, at least one of the following components: infrared LED 30, high power laser, incandescent lamp, halogen lamp, gas discharge lamp. If the heat source is an infrared LED 30, then part of the electromagnetic radiation can also be used for illumination. For example, using an indulgence device, ill-lit objects and people can then be made visible.
  • the light source 11 is mounted in such a way that the main emission direction of the light emitted by the light source is remote from the cover plate 25a, 25b.
  • the light source 11 then radiates, for example, into a further optical element, for example a reflector, which redirects the light from the light source 11 to the cover plate 25a, 25b.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kfz-Scheinwerfer mit einer Leuchtdiodenanordnung.
  • Kfz-Scheinwerfer mit einer Leuchtdiodenanordnung sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 102 13 042 A1 , DE 102 05 695 A1 und WO 2004/007241 A2 bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kfz-Scheinwerfer mit einer Leuchtdiodenanordnung anzugeben, die besonders effizient gekühlt ist. Ferner wird die Abdeckscheibe des KFZ-Scheinwerfers besser aufgeheizt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kfz-Scheinwerfer nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
  • Es wird ein Kfz-Scheinwerfer mit einer Leuchtdiodenanordnung angegeben, die wenigstens einen Leuchtdiodenchip aufweist. Bevorzugt weist die Leuchtdiodenanordnung eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips auf.
  • In wenigstens einer ersten Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist jedem Leuchtdiodenchip wenigstens ein optisches Element zugeordnet. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um eine lichtreflektierende, lichtbrechende oder lichtbeugende Optik handeln. Es ist z.B. möglich, dass jedem Leuchtdiodenchip genau ein optisches Element zugeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass mehreren Leuchtdiodenchips jeweils ein gemeinsames optisches Flement zugeordnet ist.
  • Die Leuchtdiodenanordnung weist weiter bevorzugt wenigstens ein Wärmeleitelement auf, das geeignet ist, die von dem Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme abzuführen. Der Wärmetransport von den Leuchtdiodenchips weg erfolgt dabei im Wärmeleitelement bevorzugt im Wesentlichen mittels Wärmeleitung, wobei im Wesentlichen mittels Wärmeleitung bedeutet, dass andere Mechanismen des Wärmetransports wie Wärmestrahlung oder Konvektion höchstens eine untergeordnete Rolle spielen.
  • Bei dem Wärmeleitelement kann es sich z.B. um einen Träger handeln, auf dem die Leuchtdiodenchips aufgebracht sind.
  • Weiter weist die Leuchtdiodenanordnung bevorzugt wenigstens eine Kühlvorrichtung auf, die geeignet ist, Wärme vom Wärmeleitelement aufzunehmen und abzuführen. Die Kühlvorrichtung ist dabei bevorzugt geeignet, die Wärme mittels Wärmeleitung oder Konvektion abzuführen. Weiter ist es möglich, dass die Kühlvorrichtung geeignet ist, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme teils mittels Wärmeleitung und teils mittels Konvektion vom Wärmeleitelement abzuführen.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform wird also ein Kfz-Scheinwerfer mit einer Leuchtdiodenanordnung angegeben, die wenigstens einen Leuchtdiodenchip aufweist, wobei jedem Leuchtdiodenchip wenigstens ein optisches Element zugeordnet ist. Weiter weist die Leuchtdiodenanordnung wenigstens ein Wärmeleitelement auf, das geeignet ist, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme abzuführen und wenigstens eine Kühlvorrichtung, die geeignet ist, die vom Wärmeleitelement abgeführte Wärme aufzunehmen.
  • In wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers weist wenigstens einer der Leuchtdiodenchips eine Strahlungsauskoppelfläche auf, durch die ein Großteil der vom Leuchtdiodenchip emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgekoppelt wird. Besonders bevorzugt tritt die gesamte vom Leuchtdiodenchip emittierte Strahlung durch die Strahlungsauskoppelfläche aus. Die Strahlungsauskoppelfläche ist beispielsweise durch einen Teil der Oberfläche des Leuchtdiodenchips gegeben. Bevorzugt ist die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Hauptfläche des Leuchtdiodenchips gegeben, die beispielsweise parallel zu einer Epitaxieschichtfolge des Leuchtdiodenchips angeordnet ist, welche geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
  • Dazu kann die Epitaxieschichtfolge beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem Leuchtdiodenchip um einen Halbleiterleuchtdiodenchip bei dem das Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt ist und auf dessen dem ursprünglichen Aufwachssubstrat abgewandte Oberfläche ein Trägerelement aufgebracht ist.
  • Das Trägerelement kann, verglichen mit einem Aufwachssubstrat, relativ frei gewählt werden. Bevorzugt wird ein Trägerelement gewählt, das hinsichtlich seines Temperaturausdehnungskoeffizienten besonders gut an die strahlungserzeugende Epitaxieschichtfolge angepasst ist. Weiter kann das Trägerelement ein Material enthalten, das besonders gut Wärme leitend ist. Auf diese Weise wird die im Betrieb vom Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme besonders effizient an das Wärmeleitelement abgeführt.
  • Solche, durch das Entfernen des Aufwachssubstrats hergestellten Leuchtdiodenchips, werden oftmals als Dünnfilmleuchtdiodenchips bezeichnet und zeichnen sich bevorzugt durch die folgenden Merkmale aus:
    • An einer zum Trägerelement hingewandten ersten Hauptfläche der strahlungserzeugenden Epitaxieschichtfolge ist eine reflektierende Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert.
    • Die Epitaxieschichtfolge weist bevorzugt eine Dicke von maximal 20 µm, besonders bevorzugt von maximal 10 µm auf.
    • Weiter enthält die Epitaxieschichtfolge bevorzugt mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist. Im Idealfall führt diese Durchmischungsstruktur zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Epitaxieschichtfolge, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch, stochastisches Streuverhalten auf.
  • Ein Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer at al., Appl. Phys. Lett. 63(16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt das Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips betreffend hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Besonders bevorzugt sind alle Leuchtdiodenchips der Leuchtdiodenanordnung Dünnfilmleuchtdiodenchips.
  • In wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist das optische Element geeignet, die Divergenz der von den Leuchtdiodenchips emittierten elektromagnetischen Strahlung zu verringern.
  • Das optische Element kann dazu beispielsweise eine reflektive Optik sein. Das heißt, das optische Element ist geeignet, zumindest einen Teil der von den Leuchtdiodenchips emittierten elektromagnetischen Strahlung zu reflektieren. Dazu kann das optische Element beispielsweise Seitenwände aufweisen, die eine Strahlungseingangsöffnung mit einer Strahlungsausgangsöffnung verbinden. Bevorzugt sind die Seitenwände reflektierend ausgestaltet. Elektromagnetische Strahlung, die durch die Strahlungseingangsöffnung des optischen Elements eintritt, kann dann zumindest teilweise an den Seitenwänden reflektiert werden und das optische Element durch die Strahlungsausgangsöffnung wieder verlassen.
  • Die Seitenwände können dazu beispielsweise mit einem reflektierenden Material beschichtet sein. Die Seitenwände können jedoch auch ein dielektrisches Material enthalten, das einen geeigneten Brechungsindex aufweist, sodass durch die Strahlungseintrittsöffnung eintretende Strahlung durch Totalreflektion an der Grenzfläche von Seitenwand und umgebendem Medium reflektiert wird.
  • Das optische Element kann zudem ein aus einem dielektrischen Material bestehender Vollkörper sein. Die durch die Strahlungseintrittsöffnung in das optische Element tretende elektromagnetische Strahlung wird dann bevorzugt mittels Totalreflexion an den seitlichen Grenzflächen des Vollkörpers zum umgebenden Medium reflektiert.
  • Bevorzugt verringert das optische Element die Divergenz eines durch die Strahlungseintrittsöffnung tretenden Strahlkegels zumindest in einer Raumrichtung derart, dass der Strahlkegel beim Austritt durch die Strahlungsaustrittsöffnung einen Öffnungswinkel zwischen 0 und 30°, bevorzugt zwischen 0 und 20°, besonders bevorzugt zwischen 0 und 10° zu einer Mittelachse des optischen Elements aufweist, die senkrecht auf der Strahlungsauskoppelfläche eines dem optischen Element zugeordneten Leuchtdiodenchips steht.
  • In wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist die reflektive Optik ein nichtabbildender optischer Konzentrator. Dabei ist das optische Element bevorzugt derart der Strahlungsauskoppelfläche wenigstens eines Leuchtdiodenchips nachgeordnet, dass die Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements die eigentliche Strahlungsaustrittsöffnung des Konzentrators ist. Der Konzentrator verjüngt sich dabei zum Leuchtdiodenchip hin. Auf diese Weise verlässt durch die Strahlungseintrittsöffnung in das optische Element tretende elektromagnetische Strahlung den Konzentrator mit verringerter Divergenz durch die Strahlungsaustrittsöffnung. Das optische Element kann dazu zumindest teilweise nach Art eines der folgenden optischen Elemente gebildet sein:
  • Zusammengesetzter parabolischer Konzentrator (CPC-Coumpound Parabolic Concentrator), zusammengesetzter elliptischer Konzentrator (CEC- Compound Elliptic Concentrator), zusammengesetzter hyperbolischer Konzentrator (CHC-Compound Hyperbolic Concentrator). Das heißt, beispielsweise die reflektierenden Seitenwände des optischen Elements sind zumindest teilweise in der Form wenigstens eines der genannten optischen Elemente ausgebildet.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers kann der nichtabbildende optische Konzentrator Seitenwände aufweisen, die die Strahlungseintrittsöffnung mit der Strahlungsaustrittsöffnung verbinden und dabei derart ausgebildet sind, dass auf den Seitenwänden verlaufende Verbindungslinien zwischen der Strahlungseintrittsöffnung und der Strahlungsaustrittsöffnung im Wesentlichen gerade verlaufen. Die Seitenwände bilden dabei beispielsweise die Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes. Das heißt, der optische Konzentrator hat dann die Form eines Pyramidenstumpfes oder eines Kegelstumpfes, der sich zum Leuchtdiodenchip oder den Leuchtdiodenchips, denen er nachgeordnet ist, hin verjüngt. Bevorzugt ist der Konzentrator in dieser Ausführungsform ein Vollkörper, der aus einem strahlungsdurchlässigen Kunststoff besteht.
  • In wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist jedem Leuchtdiodenchip genau ein optisches Element zugeordnet. Die Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements ist dabei bevorzugt der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips in einer Hauptabstrahlrichtung des Leuchtdiodenchips nachgeordnet.
  • Es ist aber auch möglich, dass mehrere Leuchtdiodenchips einem gemeinsamen optischen Element zugeordnet sind. Die Leuchtdiodenchips können dazu beispielsweise entlang wenigstens einer Geraden angeordnet sein. Die Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements ist dann der Gesamtfläche der Strahlungsauskoppelfläche der einzelnen Leuchtdiodenchips in einer Hauptabstrahlrichtung der Leuchtdiodenchips nachgeordnet.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements eine Fläche auf, die maximal zweimal so groß ist, wie die Gesamtstrahlungauskoppelfläche der dem optischen Element zugeordneten Leuchtdiodenchips. Die Gesamtstrahlungsauskoppelfläche ist dabei durch die Summe der Flächen der Strahlungsauskoppelflächen der einzelnen, dem optischen Element zugeordneten Leuchtdiodenchips gegeben. Bevorzugt ist die Fläche der Strahlungseintrittsöffnung maximal 1,5, besonders bevorzugt maximal 1,25-mal so groß wie die Gesamtstrahlungsauskoppelfläche der dem optischen Element zugeordneten Leuchtdiodenchips.
  • Eine derart kleine Strahlungseintrittsöffnung erlaubt es, den Raumwinkel in dem die elektromagnetische Strahlung emittiert wird, möglichst nahe an der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips zu verkleinern. Dort ist die Querschnittsfläche des vom Leuchtdiodenchip emittierten Strahlenkegels besonders klein. Dies ermöglicht die Konstruktion von Bauelementen mit optimierter Etendue. Das heißt, eine möglichst hohe Strahlungsstärke wird auf eine möglichst kleine Fläche projiziert. Das Etendue ist dabei eine Erhaltungsgröße der geometrischen Optik. Es ist im Wesentlichen durch das Produkt aus Flächeninhalt einer Lichtquelle und dem Raumwinkel in dem die Lichtquelle abstrahlt gebildet.
  • In wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist zwischen der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips und der Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements ein Spalt, beispielsweise ein Luftspalt, angeordnet. Dadurch ist erreicht, dass besonders divergente Strahlung nicht in das optische Element gelangt, sondern durch den Spalt vor dem Eintritt in das optische Element beispielsweise seitlich austreten kann. Damit lässt sich die Divergenz der vom optischen Element emittierten Strahlung weiter verringern.
  • Anstelle eines Spalts ist es zudem möglich, dass beispielsweise Seitenwände die der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips nachgeordnet sind nahe an der Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements absorbierend oder für elektromagnetische Strahlung transparent ausgebildet sind. Auch auf diese Weise kann erreicht sein, dass der hochdivergente Anteil der vom Leuchtdiodenchip emittierten Strahlung nicht in das optische Element tritt.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist der Strahlungsaustrittsöffnung des optischen Elements ein zusätzliches optisches Element in Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Bei dem zusätzlichen optischen Element handelt es sich bevorzugt um eine lichtbrechende oder lichtbeugende Optik mit der eine weitere Verringerung der Divergenz der durch das zusätzliche optische Element tretenden Strahlung erreicht werden kann.
  • In wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers weist die Leuchtdiodenanordnung ein Lumineszenzkonversionsmaterial auf, das der Strahlungsauskoppelfläche wenigstens einer der Leuchtdiodenchips nachgeordnet ist. Bevorzugt ist ein Lumineszenzkonversionsmaterial der Strahlungsauskoppelfläche eines jeden Leuchtdiodenchips der Leuchtdiodenanordnung nachgeordnet.
  • Das Lumineszenzkonversionsmaterial ist bevorzugt geeignet wenigstens einen Teil der vom Leuchtdiodenchip ausgesandten elektromagnetischen Strahlung Wellenlängen zu konvertieren. Bevorzugt mischt sich die vom Leuchtdiodenchip emittierte Strahlung mit ihrem wellenlängenkonvertierten Anteil beispielsweise zu weißem Licht.
  • Es ist aber auch möglich, dass die vom Leuchtdiodenchip emittierte Strahlung im Wesentlichen vollständig durch das Lumineszenzkonversionsmaterial wellenlängenkonvertiert wird. Beispielsweise kann auf diese Weise vom Leuchtdiodenchip emittierte Strahlung im nichtsichtbaren Spektralbereich zu Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, umgewandelt werden. Durch Verwendung von beispielsweise zwei verschiedenen Leuchtstoffen im Lumineszenskonversionsmaterial kann dann durch Lichtmischung z.B. weißes Licht erzeugt werden.
  • Geeignete Leuchtstoffe zur Wellenlängenkonvertierung sind beispielsweise in der Druckschrift WO98/12757 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt, die Leuchtstoffe betreffend hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Das Lumineszenzkonversionsmaterial kann in wenigstens einer Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise einer strahlungsdurchlässigen Vergussmasse beigemischt sein, die den Leuchtdiodenchip zumindest teilweise umgibt. Die Vergussmasse kann dabei beispielsweise Epoxy- oder Silikonmaterialien enthalten.
  • Das Lumineszenzkonversionsmaterial kann jedoch beispielsweise auch als dünne Schicht direkt auf die Strahlungsauskoppelfläche der einzelnen Leuchtdiodenchips aufgebracht sein.
  • Zudem ist es möglich, dass das Lumineszenzkonversionsmaterial zumindest stellenweise im optischen Element enthalten ist. So kann das Lumineszenzkonversionsmaterial beispielsweise als dünne Schicht auf die Seitenwände, die der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips nachgeordnet sind, aufgebracht sein. Das Lumineszenzkonversionsmaterial kann homogen auf den Seitenwänden verteilt sein.
  • Es ist vorteilhaft aber auch möglich, dass das Lumineszenzkonversionsmaterial auf definierte Stellen der Seitenwände aufgebracht ist. Auf diese Weise ist eine besonders definierte Konversion der durch das optische Element tretenden elektromagnetischen Strahlung möglich.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist auf das Wärmeleitelement der Leuchtdiodenanordnung ein Kühlkörper aufgebracht. Der Kühlkörper besteht bevorzugt aus einem besonders gut wärmeleitenden Material. Besonders bevorzugt ist zumindest eine Oberfläche des Kühlkörpers mittels Kühlrippen vergrößert. Die Kühlrippen befinden sich beispielsweise auf der dem Wärmeleitelement abgewandten Oberfläche des Kühlkörpers.
  • In wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers weist die Leuchtdiodenanordnung eine Kühlvorrichtung auf, die geeignet ist, die vom Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme vom Wärmeleitelement und/oder dem Kühlkörper abzuführen. Die Kühlvorrichtung ist bevorzugt geeignet Wärme durch wenigstens einen der folgenden Mechanismen des Wärmetransports abzuführen: freie Konvektion, erzwungene Konvektion, Wärmeleitung.
  • Bevorzugt enthält die Kühlvorrichtung wenigstens eines der folgenden Elemente: Kühlkörper, wärmeleitendes Material, Heatpipe, Thermosyphon, Flüssigkeitskreislauf, Lüfter.
  • Die Kühlvorrichtung ist beispielsweise geeignet, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme an einen Kühlkörper abzugeben, der wie eine Wärmesenke wirkt. Die Wärmesenke kann beispielsweise durch die Karosserie eines Kraftfahrzeuges oder die Scheiben eines Kraftfahrzeugscheinwerfers gegeben sein. Sie kann aber auch durch ein Gehäuse der Leuchtdiodenanordnung gegeben sein.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Kfz-Scheinwerfers ist die Kühlvorrichtung geeignet, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme an einen Ort zu transportieren, an dem sie zu einem gezielten Heizen Verwendung findet. Besonders bevorzugt wird die Wärme mittels freier Konvektion, erzwungener Konvektion und/oder Wärmeleitung an diesen Ort transportiert. Die von den Leuchtdiodenchips abgegebene Wärme kann dabei beispielsweise zum Enteisen oder Entfrosten Verwendung finden. Bei einer Verwendung der Leuchtdiodenanordnung in einem Kfz-Scheinwerfer können die Scheiben des Scheinwerfers mittels der von den Leuchtdiodenchips abgegebenen Wärme aufgeheizt werden. Es ist damit beispielsweise möglich Frontscheinwerfer möglichst schnell von Eis oder Schnee zu befreien. Auch bei der Verwendung der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise als Strahler im Außenbereich kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass die Abdeckscheiben des Strahlers frei von Eis oder Schnee bleiben. Auch kann durch das gezielte Beheizen von Abdeckscheiben mittels der von den Leuchtdiodenchips abgegebenen Wärme die Bildung von Kondenswasser auf den Abdeckscheiben zumindest weitgehend verhindert werden.
  • Im Folgenden wird der hier beschriebene Kfz-Scheinwerfer anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
    • Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements mit Leuchtdiodenchip gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 2 zeigt eine schematische Skizze zur Erläuterung der Funktionsweise eines nichtabbildenden optischen Konzentrators.
    • Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung
    • Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines achten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines neunten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 13 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines elften Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 15 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zwölften Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 16 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dreizehnten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 17 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vierzehnten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 18 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 19 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines sechzehnten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
    • Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements 4 mit einem Leuchtdiodenchip 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Leuchtdiodenanordnung.
  • Der Leuchtdiodenchip 1 ist hier auf einem Träger 2 aufgebracht. Der Träger 2 kann beispielsweise auf einen zweiten Träger 12 oder ein erstes Wärmeleitelement 13 (siehe beispielsweise Figur 4) montiert sein.
  • Der Leuchtdiodenchip 1 ist beispielsweise ein Dünnfilmleuchtdiodenchip, wie er im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert ist.
  • Dem Leuchtdiodenchip 1 ist ein optisches Element 4 nachgeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen dreidimensionalen CPC-artigen nicht abbildenden optischen Konzentrator handeln kann. Das optische Element 4 weist dabei eine Lichteingangsöffnung b auf, durch die vom Leuchtdiodenchip emittierte elektromagnetische Strahlung 3 treten kann. Die elektromagnetische Strahlung 3 wird zumindest teilweise an den Seitenwänden des optischen Elements 4 reflektiert, die dazu bevorzugt mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind. Die Strahlung 3 verlässt das optische Element dann durch die Strahlungsaustrittsöffnung 5.
  • Je näher die Strahlungseintrittsöffnung b des optischen Elements 4 an die Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips 1 gebracht wird, desto kleiner kann die Strahlungseintrittsöffnung b gestaltet sein und desto höher ist die Strahldichte (Etendue) der durch die Strahlungsaustrittsöffnung 5 austretenden elektromagnetischen Strahlung 3. Optisches Element 4 und Leuchtdiodenchip 1 bilden zusammen die Beleuchtungseinrichtung 10.
  • Alternativ zum in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass mehrere Leuchtdiodenchips beispielsweise entlang einer Geraden auf dem Träger 2 angeordnet sind und diesen Leuchtdiodenchips ein gemeinsames optisches Element 4 zugeordnet ist.
  • Figur 2 zeigt, dass der Strahlkegel 6 der durch das optische Element 4 tretenden Strahlung die Strahlungsaustrittsöffnung 5 mit einem maximalen Winkel θ zur Mittelachse 7 des optischen Elements 4 verlässt. Die Länge 1 des optischen Elements 4 bestimmt dabei bei gegebener Breite der Strahlungseintrittsöffnung b den Winkel θ. Für einen idealen kompakten parabolischen Konzentrator ergibt sich beispielsweise folgender Zusammenhang: l = b 2 ⁢ 1 + sinθ ⁢ cos θ sin 2 ⁢ θ .
    Figure imgb0001
  • Um einen maximalen Öffnungswinkel von beispielsweise θ = 9° zu erreichen, muss die Länge 1 des optischen Elements etwa 23-mal so groß wie die Breite der Strahlungseintrittsöffnung b sein.
  • Figur 3 zeigt, dass Alternativ zu einem CPC-artigen optischen Konzentrator das optische Element beispielsweise Seitenwände 8 aufweisen kann, die in geraden Linien von der Strahlungseintrittsöffnung b zur Strahlungsaustrittsöffnung 5 verlaufen. Dabei kann das optische Element ein Vollkörper aus einem dielektrischen Material sein, der eine kegelstumpf-oder pyramidenstumpfartige Grundform aufweist. Zusätzlich kann die Strahlungsaustrittsöffnung 5 nach Art einer sphärischen oder asphärischen Linse nach aussen gewölbt sein, die ein zweites optisches Element 9 bildet, das geeignet ist, die Divergenz der durch das optische Element 4 tretenden Strahlung 3 weiter zu verringern.
  • Figur 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung. Wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung 10, wie sie beispielsweise in Figur 1 erläutert ist, ist hier auf einem Träger 12 aufgebracht und bildet die Lichtquelle 11. Bevorzugt sind mehrere Beleuchtungseinrichtungen 10 auf einem gemeinsamen Träger 12 aufgebracht. Die Beleuchtungseinrichtungen 10 sind dabei beispielsweise derart auf dem Träger 12 angeordnet, dass die von der Lichtquelle 11 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung beispielsweise dem deutschen Standard ECE für Kfz-Scheinwerfer genügt. Zusätzlich kann der Lichtquelle 11 ein weiteres optisches Element 18 nachgeordnet sein. Bei dem zweiten optischen Element 18 handelt es sich beispielsweise um eine linsen- oder reflektorartige Optik. Zum Beispiel handelt es sich bei dem weiteren optischen Element 18 um eine Projektionslinse, die insbesondere auch einer Mehrzahl von Beleuchtungseinrichtungen 10 nachgeordnet sein kann.
  • Der Träger 12 ist mit seiner der Lichtquelle 11 abgewandeten Oberfläche auf ein erstes Wärmeleitelement 13 aufgebracht, das beispielsweise in ein Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung integriert sein kann. Alternativ kann die Lichtquelle 11 direkt auf das Wärmeelement 13 aufgebracht sein, der Träger 12 kann dann entfallen.
  • Das Wärmeleitelement 13 besteht bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material wie Kupfer, Aluminium oder Magnesium.
  • Für den Fall, dass die Leuchtdiodenanordnung in einem Kraftfahrzeug Verwendung findet, kann das Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise durch einen Teil der Kfz-Karosserie gebildet sein.
  • Auf die der Lichtquelle 11 abgewandeten Oberfläche des Wärmeleitelements 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Kühlkörper 14 aufgebracht. Der Kühlkörper 14 enthält bevorzugt ein besonders gut wärmeleitendes Material wie etwa Aluminium oder Kupfer. Die Verbindung zwischen Wärmeleitelement 13 und Kühlkörper 14 weist bevorzugt einen besonders geringen Wärmewiderstand auf und ist beispielsweise durch eine Lötverbindung gegeben. Bevorzugt weist der Kühlkörper 14 zumindest auf seiner dem Wärmeleitelement 13 abgewandeten Oberfläche Kühlrippen auf. Im in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Wärme vom Kühlkörper 14 mittels freier Konvektion an einen zweiten Kühlkörper 17 abgegeben, der beispielsweise mit dem Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung verbunden ist und als Wärmesenke fungiert. Die Wärme wird dabei mittels eines Luftstroms 15 übertragen, der sich aufgrund des Temperaturgradients zwischen erstem Kühlkörper 14 und zweitem Kühlkörper 17 ausbildet.
  • Wie in Figur 5 gezeigt, ist es zudem möglich, dass die Luftzirkulation im Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung zusätzlich von wenigstens einem Lüfter 19 unterstützt wird.
  • In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung gezeigt, bei dem die durch die Lichtquelle 11 erzeugte Wärme durch ein zweites Wärmeleitelement 20 vom ersten Wärmeleitelement 13 zum Gehäuse 16 abgeführt wird. Das zweite Wärmeleitelement 20 kann dabei beispielsweise ein Flachbandkabel sein, das ein wärmeleitendes Material enthält.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist das erste Wärmeleitelement 13 durch einen metallischen Träger gebildet, der beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Magnesium enthalten kann. Der Träger ist beispielsweise mit einem zweiten Wärmeleitelement 20 thermisch leitend verbunden oder erstes Wärmeleitelement 13 und zweites Wärmeleitelement 20 sind einteilig ausgeführt. Zusätzlich ist es möglich, dass der Träger und damit das Wärmeleitelement 13 als Halterung für die der Lichtquelle 11 nachgeordneten zusätzlichen Optik 18 fungiert.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figur 8 ist auf die der Lichtquelle 11 abgewandten Oberfläche des Wärmeleitelements 13 ein Flüssigkeitskühler 22 aufgebracht. Ein Kühlkreislauf 21 führt die Wärme vom Flüssigkeitskühler 22 beispielsweise an das Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung ab.
  • Figur 9 zeigt die Kühlung der Leuchtdiodenanordnung mittels eines mit dem Wärmelement 13 thermisch kontaktierten Thermosyphons 23. Das Thermosyphon 23 gibt die Wärme an einem oberhalb des Wärmeleitelements 13 gelegenen Kühlkörper ab, der beispielsweise durch das Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung gegeben ist.
  • Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung, in dem die Wärme vom Wärmeleitelement 13 mittels einer Heatpipe 24 abgegeben wird. Die Heatpipe 24 gibt die aufgenommene Wärme beispielsweise an das Gehäuse 16 und/oder einen Kühlkörper 17 ab. Gegenüber einem Thermosyphon hat die Heatpipe 24 dabei den Vorteil, dass die Wärme in eine beliebige Richtung abgeführt werden kann. Anders als beim Thermosyphon geschieht der Transport von Kühlflüssigkeit in der Heatpipe 24 nicht aufgrund von Gravitationskräften, sondern die Kühlflüssigkeit wird beispielsweise mittels Kapillarwirkung an den Innenwänden der Heatpipe 24 zu der zu kühlenden Stelle geleitet.
  • Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung, bei dem die von der Lichtquelle 11 erzeugte Wärme an einen Ort transportiert wird, an dem sie zum gezielten Heizen Verwendung findet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird mittels der durch einen Kühlkörper 14 und einem Lüfter 19 gebildeten Kühlvorrichtung Wärme vom Wärmeleitelement 13 zu äußeren und inneren Abdeckscheiben 25a, 25b geführt. Die Abdeckscheiben 25a, 25b sind dabei beispielsweise Abdeckscheiben eines Kfz-Scheinwerfers. Ein Luftstrom 15 wird dabei beispielsweise mittels des Lüfters 19 zwischen den Abdeckscheiben 25a, 25b durchgeführt. Beispielsweise enteist der Luftstrom 15 dabei die Abdeckscheiben 25a, 25b indem Wärme vom Luftstrom 15 an die Abdeckscheiben 25a, 25b abgegeben wird. Der derart abgekühlte Luftstrom 15 wird dann wiederum am Kühlkörper 14 vorbeigeführt, wo er von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme aufnehmen kann.
  • Alternativ ist es wie in Figur 12 gezeigt möglich, dass Abwärme einer weiteren Wärmequelle, beispielsweise aus dem Motorraum eines Kraftfahrzeuges, mittels eines Lüfters oder Ventilators 19 zwischen die beiden Abdeckscheiben 25a, 25b geführt wird. Zusätzlich kann eine Kühlung der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise durch eine der oben beschriebenen Kühlvorrichtungen erfolgen. Es ist dabei auch möglich, dass die Abwärme einer weiteren Wärmequelle sowie die Abwärme der Lichtquelle 11 zum Heizen der Abdeckscheiben 25a, 25b Verwendung findet.
  • Figur 13 zeigt das Erwärmen einer einzelnen Abdeckscheibe 25a analog zum in Figur 11 erläuterten Ausführungsbeispiel mittels erzwungener Konvektion. Wenigstens ein Lüfter 19 ist dabei geeignet im Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung angeordnet, sodass ein Luftstrom 15 sowohl an der Abdeckscheibe 25a, als auch am Kühlkörper 14 vorbeigeführt werden kann. Dabei kann auch das zusätzlich optische Element 18 beheizt werden.
  • Figur 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung, bei dem das Wärmeleitelement 13 durch einen metallischen Träger gebildet ist. Der Träger.kann wenigstens eines der folgenden Materialien enthalten: Aluminium, Kupfer, Magnesium. Das Wärmeleitelement 13 ist beispielsweise thermisch leitend mit einem zweiten Wärmeleitelement 20 verbunden, oder die beiden Wärmeleitelemente 13, 20 sind einteilig ausgeführt. Das Wärmeleitelement 13 kann zusätzlich als Halterung für ein optisches Element 18 dienen, das der Lichtquelle 11 nachgeordnet ist. Das Wärmeleitelement 13, 20 ist geeignet, Wärme von der Lichtquelle 11 zur Abdeckscheibe 25a abzuführen. Die Abdeckscheibe 25a kann mittels Wärmeleitung 26 und/oder freier Konvektion 15 beheizt werden. Zudem erlaubt das gezeigte Ausführungsbeispiel ein gezieltes Erhitzen des optischen Elements 18. Auf diese Weise kann auch das optische Element 18 durch die von der Lichtquelle 11 abgegebene Wärme beispielsweise entfrostet werden.
  • Figur 15 zeigt das Erwärmen der Abdeckscheibe 25a mittels einer Scheibenheizung, die beispielsweise aus wenigstens einem dünnen metallischen Draht 27 besteht. Der Draht 27 kann beispielsweise mittels eines elektrischen Stroms erwärmt werden.
  • Zudem ist es möglich, dass der Draht 27 wärmeleitend mit dem Wärmeleitelement 13 verbunden ist. Wie in Figur 16 gezeigt ist; wird die von der Lichtquelle 11 erzeugte Wärme mittels des Drahtes 27 dann beispielsweise zur Abdeckscheibe 25a geführt.
  • Figur 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung, bei dem die Abdeckscheibe 25a mittels einer Heatpipe 24 beheizt wird. Zudem ist es auch möglich, dass die Heatpipe Wärme beispielsweise auch an das optische Element 18 abgibt.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figur 18 ist ein Absorber 28, der geeignet ist, beispielsweise Infrarot oder UV Strahlung in Wärme umzuwandeln, auf die Abdeckscheibe 25a aufgebracht. Auf diese Weise kann die Abdeckscheibe 25a mittels Infrarot oder UV Strahlung aufgeheizt werden, die beispielsweise von der Lichtquelle 11 emittiert wird.
  • Figur 19 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung, bei dem zusätzlich zur Lichtquelle 11 wenigstens eine Wärmequelle oder Infrarotquelle 29 auf den Träger 12 aufgebracht ist, die Wärme zur Abdeckscheibe 25a hin abstrahlt. Bei der Wärmequelle kann es sich zum Beispiel um wenigstens eines der folgenden Bauelemente handeln: Infrarot LED 30, High Power Laser, Glühlampe, Halogenlampe, Gasentladungslampe. Handelt es sich bei der Wärmequelle um eine Infrarot LED 30, dann kann ein Teil der elektromagnetischen Strahlung auch zur Ausleuchtung genutzt werden. Beispielsweise unter Verwendung eines Nachsichtgeräts können schlecht beleuchtete Objekte und Personen dann sichtbar gemacht werden.
  • In allen genannten Ausführungsbeispielen ist es zusätzlich möglich, dass die Lichtquelle 11 derart montiert ist, dass die Hauptabstrahlrichtung des von der Lichtquelle emittierten Lichts von der Abdeckscheibe 25a, 25b abgewandt ist. Die Lichtquelle 11 strahlt dann beispielsweise in ein weiteres optisches Element, beispielsweise einen Reflektor, der das Licht der Lichtquelle 11 zur Abdeckscheibe 25a, 25b hin umleitet.
  • Die obige Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist nicht als Beschränkung der Erfindung auf die Ausführungsbeispiele zu verstehen. So beschränkt sich die Erfindung keineswegs auf Kfz-Scheinwerfer, sondern umfasst alle denkbaren Scheinwerferarten. Merkmale die anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele erläutert wurden sind unabhängig vom Ausführungsbeispiel beliebig miteinander kombinierbar. Die Erfindung umfasst jedes neue Merkmal, sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patenansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst nicht explizit in den Patenansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (10)

  1. Kfz-Scheinwerfer mit einer Leuchtdiodenanordnung die als Lichtquelle (11) des Kfz-Scheinwerfers vorgesehen ist, die Leuchtdiodenanordnung weist auf:
    - wenigstens einen Leuchtdiodenchip (1), wobei jedem Leuchtdiodenchip (1) wenigstens ein optisches Element (4) zugeordnet ist,
    - wenigstens ein Wärmeleitelement (13), das geeignet ist, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme abzuführen, und
    - wenigstens eine Kühlvorrichtung, die geeignet ist, die vom Wärmeleitelement abgeführte Wärme aufzunehmen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Absorber (28) auf eine Abdeckscheibe (25a, 25b) des Kfz-Scheinwerfers aufgebracht ist, der geeignet ist, Infrarot-oder UV-Strahlung in Wärme umzuwandeln.
  2. Kfz-Scheinwerfer nach Anspruch 1,
    bei der wenigstens einer der Leuchtdiodenchips (1) ein Dünnfilmleuchtdiodenchip ist.
  3. Kfz-Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der das optische Element (4) zumindest teilweise nach Art wenigstens eines der folgenden optischen Elemente gebildet ist: CPC, CEC, CHC.
  4. Kfz-Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei der das optische Element (4) eine Strahlungseingangsöffnung (b) aufweist, die eine Fläche aufweist, die maximal zweimal so groß ist wie eine Gesamtstrahlungsauskoppelfläche der dem optischen Element (4) zugeordneten Leuchtdiodenchips (1).
  5. Kfz-Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei der auf dem Wärmeleitelement ein Kühlkörper (14) aufgebracht ist.
  6. Kfz-Scheinwerfer nach Anspruch 1,
    bei dem die Kühlvorrichtung die von den Leuchtdiodenchips (1) erzeugte Wärme zu der Abdeckscheibe (25a, 25b) des Kfz-Scheinwerfers abführt, wobei die Wärme dort zum Enteisen der Abdeckscheibe (25a, 25b) Verwendung findet.
  7. Kfz-Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    bei der die Kühlvorrichtung die von den Leuchtdiodenchips (1) erzeugte Wärme zu der Abdeckscheibe (25a, 25b) des Kfz-Scheinwerfers oder einem zweiten optischen Element (18) des Kfz-Scheinwerfers abführt, wobei die Wärme dort zum Heizen der Abdeckscheibe (25a, 25b) oder des zweiten optischen Elements (18) Verwendung findet.
  8. Kfz-Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    bei dem die Kühlvorrichtung die von den Leuchtdiodenchips (1) erzeugte Wärme zu dem zweiten optischen Element (18) des Kfz-Scheinwerfers abführt, wobei die Wärme dort zum Enteisen des zweiten optischen Elements (18) Verwendung findet.
  9. Kfz-Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    der zusätzlichen zum Leuchtdiodenchip (1) eine Infrarot-LED (30) enthält, die die Abdeckscheibe (25a, 25b) des Kfz-Scheinwerfers bestrahlt.
  10. Kfz-Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    bei dem die Kühlvorrichtung zumindest eines der folgenden Elemente umfasst: Kühlkörper (14), Lüfter (19), wärmeleitendes Material (20), Heatpipe (24), Thermosyphon (23), Flüssigkeitskreislauf (21), Draht (27).
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