EP2256404B1 - Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen - Google Patents

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EP2256404B1
EP2256404B1 EP10163796.5A EP10163796A EP2256404B1 EP 2256404 B1 EP2256404 B1 EP 2256404B1 EP 10163796 A EP10163796 A EP 10163796A EP 2256404 B1 EP2256404 B1 EP 2256404B1
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EP
European Patent Office
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arrangement
light
heating
heat
cooling
Prior art date
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EP10163796.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2256404A1 (de
Inventor
Alfons Eberle
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Zumtobel Lighting GmbH Austria
Original Assignee
Zumtobel Lighting GmbH Austria
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Publication date
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Publication of EP2256404A1 publication Critical patent/EP2256404A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/56—Cooling arrangements using liquid coolants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V33/00—Structural combinations of lighting devices with other articles, not otherwise provided for
    • F21V33/006—General building constructions or finishing work for buildings, e.g. roofs, gutters, stairs or floors; Garden equipment; Sunshades or parasols
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/16—Waste heat

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for emitting light with luminous elements, in particular LEDs, and a cooling system coupled to the luminous elements.
  • the generated heat can be conducted away from the heat source mainly only by heat conduction. Most of the heat is from a heat sink that is thermally connected to the LED array coupled and often should be best invisible, more or less radiated into the environment.
  • a small, flat and compact design often obstructs the required spatial oversizing of heat sinks taking into account safety factors. In addition, it may happen that the heat is distributed only indirectly or uncontrolled in the room.
  • an arrangement for emitting light with luminous elements is provided, in particular LEDs, and a thermally with at least one lighting element coupled cooling system.
  • the arrangement for emitting light and the cooling system are designed such that the waste heat of the lighting elements of an arrangement for space heating and / or for the preparation of hot water is available or is provided.
  • the cooling system being suitably thermally coupled to the LED and, for example, an array of channels, cooling channels or cooling coils passing through the LED array for heat dissipation (taking into account the type of luminaire arrangement and the size of LEDs or LED arrays used), a reliable option becomes available the provision of the heat loss for use in a space heating arrangement allows.
  • the heat dissipation can also be done in a conventional manner on the circuit board or board via metallizations and flanged heat sink having liquid channels or pipes or are thermally connected to corresponding lines of the cooling system and pull through the arrangement for light output.
  • the PCB which carries the LEDs and has to accomplish extensive tasks, is relieved of their high thermal responsibility for the arrangement with lighting elements and simplified in their manufacture.
  • the particularly good cooling by circulating cooling media makes it possible to increase the achievable light fluxes per unit area considerably, while maintaining the usual reliability and safety deductions.
  • the above LED arrangement thus has in every respect a high availability and operational capability and can be produced cheaply and easily with a large radiation power.
  • the LED unit is remarkably dissipated by the LED unit, possibly very high power dissipation in the thermal spectral range and kept away from other assemblies such as the light exit element or optics, especially when alternative optics are used with flexible materials who prefer lower temperatures.
  • High light outputs can be safely provided, transmitted and effectively controlled, e.g. dimmed.
  • the operation of the array of luminescent elements by the cooling system can be improved so that a synergistic effect across multiple system levels occurs in optimizing the overall energy balance.
  • the arrangement of the lighting elements in the energy cycle of the building as an active component is integrated harmoniously into an overall system for a pleasant room climate.
  • an air conditioner would have to work against the thermal power dissipated by the lighting elements.
  • the light source in particular each individual LED, is kept well-tempered in the optimum working range.
  • the waste heat can be used particularly advantageously for space heating, for hot water treatment, for process water or sanitary purposes.
  • the present arrangement for emitting light is characterized in that the cooling system has at least one heat exchanger and is configured such that the heat exchanger is coupled to a coolant circuit and a hot water circuit.
  • the heat exchanger in a conventional manner, a unit to understand in which two separate circuits are thermally coupled, for example, an array of co-axial or coaxial pipes. Thermal energy changes from one circle to the other, in an effort to create a thermal equilibrium.
  • the heat exchangers can also be embodied as two ends of cooling bodies which correspond to one another and which are interlaced or cohesively abutting one another, which in turn have coolant channels through which coolant flows. The distance between the engaged ends of the heat sink can be varied, between them there may be a coolant (variant coupling).
  • pressures are transferred from one fluid to another.
  • the pressure prevailing in the cooling circuit pressure in the heat cycle can be transmitted.
  • the arrangement for emitting light according to the second aspect is characterized in that the coolant circuit comprises a coolant and is configured such that the coolant between at least one arrangement for emitting light and the heat exchanger is movable.
  • the heat-carrying agent or the cooling liquid is transported by the temperature differences between the source and sink and by gravity in a circle.
  • Water, oil, special liquid or condensed coolants, mixtures or hydrocarbons are typically used as the cooling liquid.
  • a gaseous coolant such as CO 2 can be used or a plasma such as air.
  • the arrangement for emitting light according to the second to third aspects is characterized in that the cooling circuit comprises a pump for the coolant.
  • the pump thus drives the coolant through the cooling circuit and can determine the degree of cooling at the feed points of the heat loss from the LEDs arrangement on the regulation of the flow rate.
  • the arrangement for emitting light characterized in that the hot water circuit is part of a heating system with a circulating hot or hot water, wherein the heating system at least one arrangement for space heating for heat dissipation, in particular a radiator, having.
  • the heating system at least one arrangement for space heating for heat dissipation, in particular a radiator, having.
  • a heating system it makes sense to integrate the LED array in a heating or cooling system for the room temperature and provide convectors in a conventional manner to direct the heat directed, defined and controlled by the LED elements and later or deliver elsewhere in the desired manner.
  • the arrangement for emitting light according to the second to fifth aspect characterized in that the heat exchanger has a hot water flow for the removal of hot water and a service water flow is provided.
  • the heat exchanger can be constructed by a plurality of circuits or chambers, so that the waste heat of the LED array for hot water treatment or the heating of process water can be used.
  • the arrangement for emitting light characterized in that the heating system or arrangement for space heating in combination with a floor heating, ceiling heating or air conditioning is formed.
  • the heating system in which the LED array is integrated as a heat source, instead of radiators, which are typically mounted under a sill also, another type of heat dissipation or a mixture of different types may be provided, depending on local conditions.
  • a radiator can be realized in a soil in which cooling fins are attached to pipes that emit the heat areally.
  • the arrangement for emitting light according to the seventh aspect is characterized in that the cooling system consists of a cooling circuit with a coolant and a heat sink having a space heating arrangement, in particular a radiator or heat exchanger having a surface profiling or cooling fins.
  • the thermal coupling of the LEDs is provided with a space heater in the broadest sense.
  • Fig. 1 an arrangement for emitting light 10 with light elements, in particular LEDs 1, according to the embodiment of the present invention is shown from the side, which is coupled to a cooling system 100.
  • Fig. 1 In the context of the source circuit as the cooling circuit 30 are adjacent to the arrangement for light emission 10, in Fig. 1 shown as a surface light or large-scale lighting arrangement, more surface lights 10a and 10b as next neighbors.
  • the illuminating assemblies 10, 10a and 10b may be a portion of a large light-emitting assembly, such as a sequential array of dimmable elements that form a luminous ceiling of LED tiles in a department store.
  • the arrangements 10, 10a and 10b are connected to each other via connections, for example via flexible and detachable means such as pipes 33, 33a and 33b, connected in series in the present case.
  • the area lights and the connections are part of the cooling circuit 30.
  • a liquid or gaseous coolant is located in the pipes 33 ff.
  • the movement of the coolant within the cooling circuit 30 is shown by the arrows on the interconnections of the assemblies 10, 10a and 10b.
  • the arrow end lying above point 34 is upstream with respect to the tip 34.
  • the movement of the coolant takes place along the direction of the arrow through the cooling circuit 30.
  • the coolant temperature is at a point upstream, say at point 34, from a point downstream, say at point 34b, behind the assembly 10b is lower.
  • the coolant downstream has already flowed through more area lights or lighting elements and added more heat loss, the temperature of the coolant downstream is correspondingly higher than upstream.
  • the area lights can also be supplied via a common feed, so be connected in parallel.
  • the arrangements 10, 10a and 10b can therefore also be arranged in a network. The above may become relevant if, in a modification of one of the above assumptions, there are different area lights, different or different levels of heat loss are generated. For example, if the in Fig. 1 left-handed arrangement 10 gives off much heat loss, the other two area lights 10a, 10b but give little heat loss, either a parallel circuit can be displayed, that is, all arrangements for light output are fed from a supply split, or may be provided, first or upstream to arrange the surface lights 10a and 10b with the low heat loss and then let the assembly 10 follow.
  • a heat exchanger 20 is arranged in the cooling circuit 30.
  • the heat exchanger 20 is constructed by a boiler or hot water storage tank shown in simplified form as a cylinder.
  • the heat exchanger is required for the heat exchange liquid, here to be heated water as a medium ready, which belongs to the target circuit or the hot water circuit 40.
  • the cooling circuit 30 extends in or through the heat exchanger 20, a coil 35.
  • the coil 35 may be a kind of stack of folded or as an electrical coil winding or mechanical spring (both way inductive energy storage) thread-like radially rising tubes with a preferably extended surface be additional fins for heat exchange.
  • the coil 35 is surrounded by the medium of the hot water circuit 40, or immersed in the medium.
  • a general pump 32 is installed for a circulation of the cooling medium in the cooling circuit 30, an apparatus for conveying fluid media.
  • the pump 32 can be used in addition to the pressurization of the cooling medium in the cooling circuit 30 in the case of a compressible cooling medium and for compression.
  • the pump may also be involved in a pressure exchange (outside the drawing) where it is converted between thermal, mechanical and hydraulic energy.
  • the arrangement 10 as a surface light there are a plurality of light elements 1.
  • light bulbs in addition to the preferred LEDs, a mixture with elongated or circular Gasendladungsröhren, fluorescent tubes or -ringröhren with a filament, tube lamps, light bulbs, head mirror bulbs, halogen bulbs, multi-walled Bulbs with built-in halogen incandescent bulbs or incandescent bulbs with built-in light emitting diodes in standard versions, which are socketed for a print mounting and thermally coupled suitable.
  • the light-emitting elements 1 are mounted on a support, for example, on a circuit board or printed circuit board 3, for example, soldered.
  • the printed circuit board 3 assumes the dissipation of the thermal power loss or waste heat of the arrangement for emitting light.
  • at least one copper pipe or a combination of lines are attached to the printed circuit board 3.
  • About the coolant, in the thermally coupled to the circuit board 3 tubes is fluidly moved, so extends into the assembly 10 and through, the removal of heat is accomplished quickly and reliably.
  • the arrangement for emitting light 10 is thus extended according to the present invention on components such as housing, light exit element and luminaire grid or reflector grid, mounting for the bulbs addition.
  • a device for a cooling device which communicates with the circuit board in a thermally coupling, mechanically releasable connection added.
  • a light emitting device 10 which, in addition to the power supply electrical connections, also has connections for incorporation into the refrigeration circuit 30, an inlet 12 and an outlet 14 for tubes 33, 33a and 33b for transporting the refrigerant through the device for light emission.
  • the terminals 12 and 14 may be provided with a screw thread and a liquid-tight seal or a coupling with a tap.
  • a simple insertion or removal of the arrangement for emitting light 10 from the cooling circuit 30 should be made possible.
  • In the maintenance of an arrangement for light output should also be provided a way to be able to flush the pipes in the array, especially in coils.
  • the suitable design of the connections with suitable pipe cross-sections ensures reliable serviceability and a long service life of the pipelines, prevents a loss of function of the LED units and avoids considerable costs for new pipe connections or pipes.
  • even thin-walled copper tubes, as they are common in heating or air conditioning can be used and connected by releasable connections in the cooling circuit 30 inserting each other.
  • an arrangement for space heating 42 is provided in the target circuit or the hot water circuit 40.
  • a space heater arrangement is used after Fig. 1 one Radiator with fins 44 as an example.
  • the heat exchanger 20 is connected to the radiator via lines in the usual way.
  • a pump 46 is further provided, by means of which the water is circulated and circulated in the hot water circuit 40.
  • the pump can in turn, in addition to venting of the lines, be provided a way to clean the lines to avoid that the pipe diameter over time by deposits on the inner walls such as lime or sludge is less.
  • the heat exchanger 20, the lines for the hot water circuit 40 and the radiator form a heating system 50 or are part of a heating system.
  • a run (such as a heat exchanger as a countercurrent cooler or a normally off flow heater) may be provided for the production and provision of hot water for sanitary purposes.
  • the cooling circuit 30 transmits the waste heat from the light elements to the hot water circuit 40 through the respective carrier media circulating in both circuits 30 and 40, wherein the heat exchange via the heat exchanger between the circuits can alternatively be mediated with a variable degree of coupling.
  • the waste heat from the lighting is transferred via a heat exchanger to the utility or heating water system to use this energy for hot water and / or heating purposes.
  • the components can be sunk into the ceiling, installed in the walls or hidden in the floor.
  • a floor heating which usually has a low flow temperature.
  • Another advantage is the timely fit of heat energy, namely just when the heating power is needed most in the dark season.
  • the present invention thus provides a simple, elegant and effective way to promote a well-tempered area of an LED array, in particular a luminaire with individual LED lighting elements of an LED luminaire, to produce a visually aesthetic overall appearance for the viewer, the costs for cooling or heating the building and, in addition, to contribute to the protection of the climate and resources.
  • the possibilities in the light output of the LED array by the planar lighting arrangements are so good even under high light fluxes that LED units operated due to the low cost well dimensioned cooling reserves even at high ambient temperatures and maximum light output at optimum temperatures and in their properties in associations as an array of LED arrays can be optimally organized.
  • the LED arrangement can be cooled down as far as the application or the user demands.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen, insbesondere LEDs, und einem mit den Leuchtelementen gekoppelten Kühlsystem.
  • Über die reine Erzeugung von sichtbarem Licht, veränderbarer Lichtfarbe oder über die Einflußnahme auf Helligkeitsverteilung und Abstrahlungseigenschaften hinaus, nimmt die Anordnung mit Leuchtelementen, gerade mit LEDs, einen stetig wachsenden Stellenwert bei der raumästhetischen Gestaltung von Gebäuden ein. Vorstehend kommen großflächige Anordnungen zur Beleuchtung zum Einsatz, wozu sogenannte Flächenleuchten, Lichtkacheln, Lichtdecken, Lichtwände und Lichtbänder gehören. Bei vorgenannter Gattung der Flächenleuchten rücken für den Betrachter die einzelnen LED-Lichtquellen eng zusammen. Ein homogener zusammenhängender und flächenhafter Lichteindruck im Sinne einer Licht- bzw. Leuchtfläche liegt vor.
  • In Bürogebäuden, Räumen, Verkaufshallen und Produktionshallen ist oftmals erforderlich, je nach umbautem Volumen eine hohe Lichtleistung bereitzustellen, um die gewünschte Helligkeit zu gewährleisten. Gerade bei Warenauslagen müssen zur Ausleuchtung teils ganz erhebliche Lichtleistungen dimensioniert werden.
  • Die Arbeitsweise einer LED-Leuchte, bei der in vorstehender Weise hohe Lichtströme erzielt werden sollen, bedingt nun, dass erhebliche Mengen an Wärme effektiv, schnell und zuverlässig abzuführen sind, um den Betrieb der Leuchten bzw. Leuchtmittel sicher zu stellen.
  • Im Fall von LED-Anordnungen zur Lichtabgabe, kann die erzeugte Wärme hauptsächlich nur durch Wärmeleitung von der Wärmequelle weggeführt werden. Meist wird die Wärme von einem Kühlkörper, der thermisch mit der LED-Anordnung gekoppelt ist und der oft am besten unsichtbar sein sollte, in die Umgebung mehr oder weniger abgestrahlt.
  • Einer kleinen, flachen und kompakten Bauform steht die erforderliche räumliche Überdimensionierung von Kühlkörpern unter der Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren oftmals im Wege. Zudem kann es vorkommen, dass die Wärme nur mittelbar bzw. unkontrolliert im Raum verteilt wird.
  • Bei LEDs besteht eine starke Temperaturabhängigkeit der Lichtausbeute, zumal der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der elektrischen Versorgungsenergie in Lichtabstrahlung in Ansehung der kleinräumigen Abmessungen noch verbessert werden kann.
  • Aus der EP 0 423 920 A2 ist eine Anordnung zur Kühlung einer Lampe bekannt, bei der die Wärme der Lampe mittels einer Flüssigkeit abtransportiert wird. Die aufgewärmte Flüssigkeit durchläuft im Weiteren einen Wärmetauscher, der zur Raumnutzung verwendet werden kann.
  • Im Ergebnis ist problematisch, wie bzw. wohin mit herkömmlichen Ansätzen zielführend die Ableitung von Verlustwärme bei großflächigen Leuchtbändern funktionieren soll. Allerdings wird Vorstehendes noch schwieriger, wenn die Anforderungen an die Lichtintensität bzw. eine Leuchtdichte über eine Fläche weiter erhöht werden sollen, die eingebetteten LEDs entsprechend leistungsfähiger dimensioniert werden und ein ganzer Raum gleichmäßig hell auszuleuchten ist.
  • Demgemäß wäre wünschenswert, eine Anordnung derart zu schaffen, dass eine Lichtabgabe durch niedrige Arbeitstemperaturen erhöht und die Wärmeabgabe unter Vermeidung der obengenannten Nachteile wirkungsvoll verbessert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Demgemäß ist nach einem ersten Aspekt eine Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen vorgesehen, insbesondere LEDs, und einem thermisch mit mindestens einem Leuchtelement gekoppelten Kühlsystem. Die Anordnung zur Lichtabgabe und das Kühlsystem sind derart ausgestaltet, dass die Abwärme der Leuchtelemente einer Anordnung zur Raumheizung und/oder zur Warmwasseraufbereitung zur Verfügung steht bzw. gestellt wird.
  • Indem das Kühlsystem geeignet mit der LED thermisch gekoppelt ist und beispielsweise eine Anordnung von Kanälen, Kühlkanälen oder Kühlschlangen die LED-Anordnung zur Wärmeabführung durchzieht (unter Berücksichtigung der Bauart der Leuchtenanordnung und der Größe der eingesetzten LED oder LED-Verbände), wird eine zuverlässige Möglichkeit der Bereitstellung der Verlustwärme für die Verwendung in einer Anordnung zur Raumheizung ermöglicht.
  • Weiter gelingt zuverlässig, die zunächst eher punktförmig, gerichtet und konzentriert entstehende Abwärme der LED sicher und schnellst möglich abzuleiten. Bei Verwendung von wärmetragfähigen Kühlflüssigkeiten, einschließlich kompressiblen Medien oder Flüssigkeiten, erhöht sich die Leistungsfähigkeit jedes einzelnen Elements der Beleuchtungsanordnung erheblich. Die Risiken einer starken Temperaturtrift entfallen. Die Dimensionierung der Kühlung gelingt zuverlässig und haltbar.
  • Weiters kann die Wärmeableitung auch in an sich gewohnter Weise über die Leiterplatte bzw. Platine über Metallisierungen als auch angeflanschte Kühlkörper erfolgen, die Flüssigkeitskanäle oder -Rohre aufweisen oder mit entsprechenden Leitungen des Kühlsystems thermisch verbunden sind und die Anordnung zur Lichtabgabe durchziehen.
  • Die Leiterplatte, die die LEDs trägt und umfangreiche Aufgaben zu bewerkstelligen hat, wird von ihrer hohen thermischen Verantwortung für die Anordnung mit Leuchtelementen entlastet und in ihrer Herstellung vereinfacht. Die besonders gute Kühlung durch zirkulierende Kühlmedien erlaubt es, die erreichbaren Lichtströme pro Flächeneinheit erheblich zu erhöhen, unter Beibehaltung der gewohnten Zuverlässigkeit und Sicherheitsabschläge. Vorstehende LED-Anordnung besitzt damit in jeder Hinsicht eine hohe Verfügbarkeit und Einsatzfähigkeit und kann mit einer großen Strahlungsleistung günstig und einfach hergestellt werden.
  • Hinsichtlich der Einbautiefe der Anordnung zur Lichtabgabe können flache bauliche Abmessungen erreicht werden, bei denen die Leistungsfähigkeit der Anordnung dezent in Erscheinung treten kann. Weiterhin ist die Kompatibilität zu üblichen Fertigungsprozessen der Leiterplatten- und Elektronikfertigung gewährleistet.
  • Nach vorstehendem ersten Aspekt der Erfindung wird in bemerkenswerter Weise die von der LED-Einheit erzeugte, unter Umständen sehr hohe Verlustleistung im thermischen Spektralbereich abgeführt und von anderen Baugruppen wie zum Beispiel dem Lichtaustrittelement oder einer Optik ferngehalten, gerade wenn alternative Optiken mit flexiblen Werkstoffen eingesetzt werden, die niedrigere Temperaturen bevorzugen. Hohe Lichtleistungen können sicher bereitgestellt, übertragen und wirkungsvoll gesteuert, z.B. gedimmt, werden.
  • Im Ergebnis kann demgemäß der Betrieb der Anordnung mit Leuchtelementen durch das Kühlsystem so verbessert werden, dass ein synergetischer Effekt über mehrere Systemebenen hindurch in der Optimierung der Gesamtenergiebilanz eintritt.
  • Vorstehend ist die Anordnung der Leuchtelemente im Energiekreislauf des Gebäudes als aktiver Bestandteil harmonisch in ein Gesamtsystem für ein angenehmes Raumklima eingebunden. Vorstehend kann also auch derjenige Fall vermieden werden kann, dass eine Klimaanlage gegen die von den Leuchtelementen abgegebene thermische Verlustleistung arbeiten müsste. Stattdessen liegen gleichgerichtete Interessen vor. Damit sinken alle Kosten für den Energieverbrauch und auch für die Kühlung merklich. Das Leuchtmittel, insbesondere jede einzelne LED, wird wohltemperiert im optimalen Arbeitsbereich gehalten. Die Abwärme kann besonders vorteilhaft zur Raumheizung, zur Warmwasseraufbereitung, für Prozesswasser oder sanitäre Zwecke verwendet werden.
  • Erfindungsgemäß ist die vorliegende Anordnung zur Lichtabgabe dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem mindestens einen Wärmetauscher aufweist und derart ausgestaltet ist, dass der Wärmetauscher mit einem Kühlmittelkreislauf und einem Warmwasserkreislauf gekoppelt ist.
  • Zunächst ist unter dem Wärmetauscher, in an sich bekannter Weise, eine Einheit zu verstehen, bei der zwei getrennte Kreise thermisch gekoppelt werden, beispielsweise eine Anordnung aus nebeneinander oder koaxial verlaufenden Rohren. Thermische Energie wechselt von einem Kreis in den anderen Kreis, in dem Bestreben, ein thermisches Gleichgewicht auszubilden. Die Wärmetauscher können auch als zwei mit einander korrespondierende, ineinander verkämmte oder stoffschlüssig aneinander stoßende Enden von Kühlkörpern ausgeführt sein, die wiederum kühlmitteldurchströmte Kühlkanäle aufweisen. Der Abstand der in Eingriff befindlichen Enden der Kühlkörper kann variiert werden, dazwischen kann ein Kühlmittel vorliegen (variante Kopplung).
  • Bei einem Drucktauscher werden Drücke von einem Fluid auf ein anderes übertragen. Vorliegend kann der im Kühlkreislauf herrschende Druck in den Wärmekreislauf übertragen werden.
  • Nach einem dritten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem zweiten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittel aufweist und derart ausgestaltet ist, dass das Kühlmittel zwischen mindestens einer Anordnung zur Lichtabgabe und dem Wärmetauscher beweglich ist.
  • Das wärmetragende Mittel oder die Kühlflüssigkeit wird durch die Temperaturdifferenzen zwischen Quelle und Senke und durch die Erdanziehung im Kreis transportiert. Als Kühlflüssigkeit kommen typischerweise Wasser, Öl, spezielle flüssige bzw. kondensierte Kühlmittel, Gemische oder Kohlenwasserstoffe zur Anwendung. Allerdings kann auch ein gasförmiges Kühlmittel wie CO2 verwendet werden oder ein Plasma wie Luft.
  • Nach einem vierten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem zweiten bis dritten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf eine Pumpe für das Kühlmittel aufweist. Die Pumpe treibt also das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf und kann über die Reglung der Fördermenge den Grad der Abkühlung an den Einspeisepunkten der Verlustwärme von der LEDs-Anordnung mitbestimmten.
  • Nach einem fünften Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem zweiten bis vierten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der Warmwasserkreislauf ein Teil einer Heizungsanlage mit einem zirkulierenden Warm- bzw. Heißwasser ist, wobei die Heizungsanlage mindestens eine Anordnung zur Raumheizung zur Wärmeabgabe, insbesondere einen Radiator, aufweist. Im Rahmen einer Heizungsanlage bietet es sich an, die LED-Anordnung in eine Heizungs- oder Kühlungsanlage für die Raumtemperierung einzubinden und in an sich bekannter Weise Konvektoren vorzusehen, um die Wärme gerichtet, definiert und kontrolliert von den LED-Elementen abzuführen und später bzw. an anderer Stelle in gewünschter Weise abzugeben.
  • Nach einem sechsten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem zweiten bis fünften Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher einen Warmwasserdurchlauf zur Entnahme von Warmwasser aufweist und ein Brauchwasserdurchlauf vorgesehen ist. Der Wärmetauscher kann dabei durch mehrere Kreisläufe oder Kammern aufgebaut sein, so dass die Abwärme der LED-Anordnung zur Warmwasseraufbereitung oder der Anwärmung von Prozesswasser verwendet werden kann.
  • Nach einem siebten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem sechsten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsanlage bzw. Anordnung zur Raumheizung in Kombination mit einer Fußbodenheizung, einer Deckenheizung oder einer Klimaanlage ausgebildet ist. Im Rahmen der Heizungsanlagen, in denen die LED-Anordnung als Wärmequelle eingebunden ist, kann anstatt von Radiatoren, die typischerweise unter einer Fensterbank angebracht werden auch, eine andere Art der Wärmeabgabe oder eine Mischung verschiedener Arten vorgesehen sein, je nach örtlichen Gegebenheiten. Beispielsweise kann auch ein Radiator in einem Boden realisiert werden, bei dem an Rohren Kühllamellen angebracht sind, die die Wärme flächig abgeben.
  • Nach einem achten Aspekt ist die Anordnung zur Lichtabgabe gemäß dem siebten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem aus einem Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel und einem Kühlkörper besteht, der eine Anordnung zur Raumheizung, insbesondere einen Radiator oder Wärmetauscher aufweist, der eine Oberflächenprofilierung oder Kühllamellen aufweist.
  • Bei der LED-Anordnung der vorliegenden Erfindung ist nach einer bevorzugten Ausführungsform die thermische Kopplung der LEDs mit einer Raumheizung im weitesten Sinne vorgesehen. Wie obenstehend schon im ersten Aspekt angesprochen erlaubt die Eingliederung der Beleuchtung in die Heizung und umgekehrt, auf den ersten Blick völlig wesensverschiedene Teile der Infrastruktur eines Gebäude, Vorteile bei der Energieverteilung.
  • Im Ergebnis wird die LED-Anordnung zur Lichtabgabe mit Leuchtelementen in die Lage versetzt, hohe Lichtleistungen umzusetzen, ohne eine einhergehende unkontrollierbare Erwärmung des Gebäudes zu bewirkten. Die LED-Anordnung wird sogar zuverlässiger, über lange Zeit noch wartungsfreier und vor vorzeitiger Alterung und plötzlichem Betriebsausfall wegen Überhitzung bewahrt. Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Fig. 1
    die Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtabgabe mit verbundenem Kühlsystem.
  • In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Lichtabgabe 10 mit Leuchtelementen, insbesondere LEDs 1, entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von der Seite dargestellt, die mit einem Kühlsystem 100 gekoppelt ist.
  • Im Rahmen des Quellkreises als dem Kühlkreislauf 30 liegen neben der Anordnung zur Lichtabgabe 10, in Fig. 1 als Flächenleuchte bzw. großflächige Beleuchtungsanordnung dargestellt, weitere Flächenleuchten 10a und 10b als nächste Nachbarn vor.
  • Die Anordnungen 10, 10a und 10b zur Beleuchtung können übrigens ein Ausschnitt aus einer großen Anordnung zur Lichtabgabe sein, beispielsweise einer sequentiellen Anreihung von dimmbaren Elementen, die eine leuchtende Decke aus LED-Kacheln in einem Kaufhaus bilden.
  • Die Anordnungen 10, 10a und 10b sind miteinander über Verbindungen, beispielsweise über flexible und lösbare Mittel wie Rohrleitungen 33, 33a, und 33b verbunden, vorliegend in Reihe geschaltet. Die Flächenleuchten und die Verbindungen sind Teil des Kühlkreislaufes 30.
  • In den Rohrleitungen 33 ff. ist ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel befindlich. Anschaulich ist die Bewegung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs 30 durch die Pfeile auf den Zwischenverbindungen der Anordnungen 10, 10a und 10b dargestellt. Zur Orientierung im Kühlkreislauf 30 zeigt am Beispiel der Rohrleitung 33 die Spitze des Pfeils am Punkt 34 in Flußrichtung also stromabwärts. Das oberhalb von Punkt 34 liegende Pfeilende befindet sich in Bezug auf die Spitze bzw. Punkt 34 stromaufwärts. Die Bewegung des Kühlmittels erfolgt entlang der Pfeilrichtung durch den Kühlkreislauf 30.
  • Für die Temperatur des Kühlmittels wird vereinfacht angenommen, (ebenso werden zunächst gleiche Verlustleistungen der Anordnungen 10, 10a und 10b angenommen), dass die Kühlmitteltemperatur an einem Punkt stromaufwärts, etwa am Punkt 34, gegenüber einem Punkt stromabwärts, etwa am Punkt 34b hinter der Anordnung 10b niedriger ist. Umgekehrt hat das Kühlmittel stromabwärts schon mehr Flächenleuchten bzw. Leuchtelemente durchflossen und mehr Verlustwärme aufgenommen, die Temperatur des Kühlmittels ist stromabwärts entsprechend höher als stromaufwärts.
  • Die Flächenleuchten können ferner auch über eine gemeinsame Zuführung versorgt, also parallel geschaltet sein. Daneben kann auch eine Mischung oder Kombination aus Parallel- und Reihenschaltung vorliegen. Die Anordnungen 10, 10a und 10b können also auch vernetzt angeordnet sein. Vorstehendes kann relevant werden, wenn in Abwandlung einer der obigen Annahmen unterschiedliche Flächenleuchten vorliegen, unterschiedliche oder unterschiedlich hohe Verlustwärmen erzeugt werden. Falls beispielsweise die in Fig. 1 links eingezeichnete Anordnung 10 viel Verlustwärme abgibt, die anderen beiden Flächenleuchten 10a, 10b aber wenig Verlustwärme abgeben, kann entweder eine Parallelschaltung angezeigt sein, dass heißt, alle Anordnungen zur Lichtabgabe werden aus einer Zuführung aufgeteilt gespeist, oder kann vorgesehen sein, zuerst bzw. stromaufwärts die Flächenleuchten 10a und 10b mit der geringen Verlustwärme anzuordnen und dann die Anordnung 10 folgen zu lassen.
  • Weiterhin ist im Kühlkreislauf 30 ein Wärmetauscher 20 angeordnet. Der Wärmetauscher 20 ist vorliegend durch einen als Zylinder vereinfacht dargestellten Kessel bzw. Warmwasserspeicher aufgebaut. Im Wärmetauscher steht die für den Wärmeaustausch erforderliche Flüssigkeit, hier zu erwärmendes Wasser als Medium, bereit, das zum Zielkreislauf bzw. dem Warmwasserkreislauf 40 gehört. Weiter im Kühlkreislauf 30 verläuft im bzw. durch den Wärmetauscher 20 eine Rohrschlange 35. Die Rohrschlange 35 kann eine Art Stapel an gefalteten oder wie bei einer elektrischen Spulenwicklung bzw. mechanische Feder (beides übrigens induktive Energiespeicher) gewindeartig radial aufsteigenden Rohren mit bevorzugt erweiterter Oberfläche durch zusätzliche Lamellen für den Wärmeaustausch sein. Die Rohrschlange 35 ist von dem Medium des Warmwasserkreislaufes 40 umgeben, oder in das Medium eingetaucht.
  • Schließlich ist für eine Zirkulation des Kühlmediums im Kühlkreislauf 30 ein Apparat zur Förderung fluider Medien, eine allgemeine Pumpe 32 eingebaut. Die Pumpe 32 kann neben der Druckbeaufschlagung des Kühlmediums im Kühlkreis 30 im Fall eines kompressiblen Kühlmediums auch zur Verdichtung herangezogen werden. Die Pumpe kann (außerhalb der Zeichnung) auch an einem Drucktausch beteiligt sein, bei zwischen thermischer, mechanischer und hydraulischer Energie gewandelt wird.
  • In der Anordnung 10 als Flächenleuchte befinden sich eine Mehrzahl von Leuchtelementen 1. Als Leuchtmittel können neben den bevorzugten LEDs auch eine Mischung mit länglichen oder kreisförmigen Gasendladungsröhren, Leuchtröhren oder -ringröhren mit einem Glühfaden, Röhrenlampen, Glühbirnen mit einem Leuchtfaden, Kopfspiegellampen, Halogenglühlampen, mehrwändige Glühbirnen mit eingebauten Halogenglühlampen oder Glühbirnen mit eingebauten Leuchtdioden in Standardfassungen vorliegen, die für eine Printmontage und thermisch koppelfähig geeignet gesockelt sind. Die Leuchtelemente 1 sind auf einem Träger, beispielsweise auf einer Platine oder Leiterplatte 3 montiert, beispielsweise verlötet.
  • Die Leiterplatte 3 übernimmt neben der Energieversorgung die Ableitung der thermischen Verlustleistung bzw. Abwärme der Anordnung zur Lichtabgabe. Um die Abwärme dem Kühlkreislauf 30 zuzuführen, sind an der Leiterplatte 3 mindestens ein Kupferrohr oder ein Verbund von Leitungen angebracht. Über das Kühlmittel, das in den mit der Leiterplatte 3 thermisch gekoppelten Rohren fließend fortbewegt wird, sich also in die Anordnung 10 hinein und hindurch erstreckt, wird der Abtransport der Wärme zügig und zuverlässig bewerkstelligt.
  • Die Anordnung zur Lichtabgabe 10 wird also gemäß vorliegender Erfindung über Bestandteile wie Gehäuse, Lichtaustrittselement und Leuchtenraster bzw. Reflektorgitter, Halterung für die Leuchtmittel hinaus erweitert. Zur Leiterplatte 3 mit den Leuchtelementen 1 kommt eine Einrichtung für eine Kühlvorrichtung, die mit der Leiterplatte in thermisch koppelender, mechanisch lösbarer Verbindung steht, hinzu.
  • Im Ergebnis liegt eine Anordnung zur Lichtabgabe 10 vor, die neben den elektrischen Anschlüssen für die Energieversorgung auch Anschlüsse für die Einbindung in den Kühlkreislauf 30 aufweist, einen Einlass 12 und einen Auslass 14 für Rohre 33, 33a und 33b zum Transport des Kühlmittels durch die Anordnung zur Lichtabgabe.
  • Die Anschlüsse 12 und 14 können mit einem Schraubgewinde und einer flüssigkeitsdichten Dichtung oder einer Kupplung mit einem Hahn ausgestattet sein. Vorstehend soll ein einfaches Einfügen oder Herausnehmen der Anordnung zur Lichtabgabe 10 aus dem Kühlkreislauf 30 ermöglicht sein. Bei der Wartung einer Anordnung zur Lichtabgabe sollte auch eine Möglichkeit vorgesehen sein, die Rohre in der Anordnung, gerade bei Rohrschlangen spülen zu können. Durch die geeignete Auslegung der Anschlüsse bei geeigneten Rohrquerschnitten ist zuverlässige Wartungsfähigkeit und hohe Lebensdauer der Rohrleitungen gegeben, ein Funktionsverlust der LED-Einheiten ausgeschlossen und erhebliche Kosten auch für neue Rohrverbindungen bzw. Leitungen entfallen. In vielfältiger Weise können auch dünnwandige Kupferrohre, wie sie im Heizungsbau oder Klimaanlagenbau üblich sind, verwendet werden und durch lösbare Verbindungen in den Kühlkreislauf 30 einfügend miteinander verbunden werden.
  • Im Zielkreislauf bzw. dem Warmwasserkreislauf 40 ist eine Anordnung zur Raumheizung 42 vorgesehen. Als Raumheizungsanordnung dient nach Fig. 1 ein Radiator mit Lamellen 44 als Beispiel. Der Wärmetauscher 20 ist mit dem Radiator über Leitungen in üblicher Weise verbunden.
  • Im Warmwasserkreislauf 40 ist weiterhin eine Pumpe 46 vorgesehen, mit deren Hilfe das Wasser umgewälzt wird und im Warmwasserkreislauf 40 zirkuliert. Neben der Pumpe kann wiederum, neben einer Entlüftung der Leitungen, eine Möglichkeit vorgesehen sein, die Leitungen zu reinigen, um zu vermeiden, dass der Rohrdurchmesser im Laufe der Zeit durch Ablagerungen an den Innenwänden wie Kalk oder Schlamm geringer wird.
  • Der Wärmetauscher 20, die Leitungen für den Warmwasserkreislauf 40 und der Radiator bilden einer Heizungsanlage 50 oder sind Bestandteil einer Heizungsanlage.
  • Alternativ kann neben dem Kreislauf für die Raumheizung bzw. Heizungszwecke auch ein Durchlauf (etwa ein Wärmetauscher als Gegenstromkühler oder ein meist ausgeschalteter Durchlauferhitzer) zur Erzeugung und Bereitstellung von Warmwasser für sanitäre Zwecke vorgesehen sein.
  • Im Betrieb der Anlage überträgt der Kühlkreislauf 30 die von den Leuchtelementen stammende Abwärme an den Warmwasserkreislauf 40 durch die jeweiligen, in beiden Kreisen 30 und 40 zirkulierenden Trägermedien, wobei der Wärmeaustausch über den Wärmetauscher zwischen den Kreisen alternativ mit einem varianten Kopplungsgrad vermittelt werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also die Abwärme aus der Beleuchtung (Flächenleuchten, Lichtkacheln, Lichtdecken, Lichtbänder, etc.) über einen Wärmetauscher an das Brauch- oder Heizwassersystem übergeben, um diese Energie zur Warmwasserbereitung und/oder für Heizzwecke zu nutzen. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil der besseren Lichtausbeute, durch besser gekühlte LED Lichtquellen. Außerdem können die Bauteile in die Decke versenkt, in den Wänden verbaut oder auch im Fußboden versteckt werden. Von den auftretenden Temperaturen her bietet sich sogar die Anwendung in Kombination mit einer Fußbodenheizung an, die üblicherweise eine niedrige Vorlauftemperatur besitzt. Ein weiterer Vorteil ist der zeitlich passende Anfall der Wärmeenergie, nämlich gerade dann, wenn in der dunklen Jahreszeit am meisten Heizleistung gebraucht wird. Außerdem existieren meist in solchen Gebäuden schon die notwendigen Installationen, oder werden ohnedies erstellt, und können also solche Anordnungen zur Lichtabgabe und Leuchten, die nach vorstehender Erfindung für einen Kühlmitteldurchfluß konzipiert sind, in das bestehende System besonders günstig eingefügt werden.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine einfache, elegante und wirkungsvolle Möglichkeit geschaffen, einen wohltemperierten Bereich einer LED-Anordnung, insbesondere einer Leuchte mit einzelnen LED-Leuchtelementen einer LED-Leuchte zu fördern, eine optisch ästhetische Gesamterscheinung für den Betrachter zu erzeugen, die Kosten für die Gebäudekühlung oder -erwärmung zu reduzieren und darüberhinaus sogar einen Beitrag für den Schutz von Klima und Ressourcen zu leisten.
  • Darüber hinaus sind die Möglichkeiten bei der Lichtabgabe der LED-Anordnung durch die flächenartigen Beleuchtungsanordnungen auch unter hohen Lichtströmen so gut, dass LED-Einheiten aufgrund der mit geringem Aufwand gut dimensionierbaren Kühlreserven selbst bei hohen Umgebungstemperaturen und maximalen Lichtleistungen bei optimalen Temperaturen betrieben und in ihren Eigenschaften in Verbänden als Array aus LED-Arrays optimal organisiert werden können. Eindrucksvoll kann gerade mittels des Kühlmittelkreislaufes die LED-Anordnung auch soweit heruntergekühlt werden, wie die Anwendung oder der Anwender verlangt.
  • Schließlich liegt durch die Abgabe der Wärme mittels Radiator für die Raumheizung eine kontrollierte Wärmeabgabe vor, die die LED-Anordnung bei erhöhter Lichtausgabe geeignet entlastet und nach allem ein optimiertes Gebäude zum Besten des Ganzen erschafft.

Claims (7)

  1. Anordnung zur Lichtabgabe (10) mit Leuchtelementen, insbesondere LEDs, und einem thermisch mit den Leuchtelementen (1) gekoppelten Kühlsystem (100), wobei das Kühlsystem (100) eine Anordnung zur Raumheizung und/oder zur Warmwasserbereitung (42) aufweist, der die Abwärme der Leuchtelemente (1) zugeführt wird,
    wobei das Kühlsystem mindestens einen Wärmetauscher (20) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kühlsystem derart ausgestaltet ist, dass der Wärmetauscher (20) einen Kohlmittelkreislauf (30) und einen Warmwasserkreislauf (40) koppelt.
  2. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kühlmittelkreislauf (30) ein Kühlmittel aufweist und derart ausgestaltet ist, dass das Kühlmittel zwischen mindestens einer Anordnung zur Lichtabgabe (10) und dem Wärmetauscher (20) beweglich ist.
  3. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäβ Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kühlmittelkreislauf (30) eine Pumpe (32) für das Kühlmittel aufweist.
  4. Anordnung zur Lichtabgabe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Warmwasserkreislauf (40) ein Teil einer Heizungsanlage (50) mit einem zirkulierenden Heißwasser ist, wobei die Heizungsanlage (50) mindestens eine
    Anordnung zur Raumheizung (42) zur Wärmeabgabe, insbesondere einen Radiator, aufweist.
  5. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wärmetauscher (20) einen Warmwasserdurchlauf zur Entnahme von Warmwasser aufweist und ein Brauchwasserdurchlauf vorgesehen ist.
  6. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Heizungsanlage (50) bzw. Anordnung zur Raumheizung (42) in Kombination mit einer Fußbodenheizung, einer Deckenheizung oder einer Klimaanlage ausgebildet ist.
  7. Anordnung zur Lichtabgabe (10) gemäß Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kühlsystem (100) aus dem Kühlmittelkreislauf (30) mit einem Kühlmittel und einem Kühlkörper besteht, der eine Anordnung zur Raumheizung (42), insbesondere einen Radiator (42) oder Wärmetausher (20) aufweist, der eine
    Oberflächenprofilierung oder Kühllamellen (44) aufweist.
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