EP2443390B1 - Kühlkörper für halbleiterleuchtelemente - Google Patents

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EP2443390B1
EP2443390B1 EP10724018.6A EP10724018A EP2443390B1 EP 2443390 B1 EP2443390 B1 EP 2443390B1 EP 10724018 A EP10724018 A EP 10724018A EP 2443390 B1 EP2443390 B1 EP 2443390B1
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EP
European Patent Office
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heat sink
control electronics
mounting cavity
lamp
mounting recess
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EP10724018.6A
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Ralph Bertram
Zoran Bosnjak
Nicole Breidenassel
Markus Hofmann
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Osram GmbH
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Osram GmbH
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Publication date
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    • Y10T29/49826—Assembling or joining

Definitions

  • the invention relates to a heat sink for at least one semiconductor light-emitting element, in particular at least one light-emitting diode, an LED lamp with such a heat sink and a method for producing a lamp.
  • LED lamps with high-performance light-emitting diodes in addition to the cooling of the light-emitting diode (s), sufficient cooling of a control electronics for operating the LED lamp or its light-emitting diode (s) is required.
  • a control electronics is cast in conventional lamps so far with tar. LED drivers of low power LEDs can be cooled via air bridges.
  • EP 1 047 903 B1 discloses an LED lamp having a pillar, a lamp cap connected to one end of the pillar, and a substrate connected to the other end of the pillar and provided with a number of LEDs, the substrate comprising a regular polyhedron at least four surfaces, wherein surfaces of the polyhedron are provided with at least one LED, which has a luminous flux of at least 5 lm during operation of the lamp, and wherein the column is provided with heat dissipation means, which connect the substrate and the lamp cap together.
  • EP 1 503 139 A2 discloses a compact LED light source that provides LED positioning along with heat dissipation.
  • the LED light source may be fabricated with a thermally conductive plate carrying a plurality of LEDs mounted on the plate and in thermal contact with the plate.
  • the plate also carries an electrical circuit which provides an electrical connection to the LEDs.
  • a heat conversion shift spindle mechanically supports the plate and likes a heat conduction path from the Deploy LEDs away. LEDs can then be easily mounted in high concentration and kept ready for increased optical system intensity in the vicinity, while providing a heat dissipation path for the associated increase in heat concentration.
  • the EP 1 923 626 A1 that US 2008 / 175003A1 as well as the EP 2 025 992 A2 each show heat sink for a semiconductor element with a mounting recess for at least partially receiving electronic components.
  • the US 2009/129102 A1 shows the use of a thermal interface material between a board carrying a light emitting diode and a heat sink located below the board.
  • the heat sink is provided for cooling at least one semiconductor light-emitting element, in particular LED, and has a mounting recess for at least partially accommodating drive electronics for operating the lamp.
  • the heat sink of the lamp is thus used simultaneously for cooling the LEDs and the control electronics.
  • the drive electronics can thus be cooled without introducing another component in the lamp. This can save space and costs.
  • the space inside of heat sinks which is anyway not used for the convective cooling and is not needed for a heat spread, be used effectively.
  • the control electronics which can get in the cavity of the heat sink on all sides, and in particular on both populated sides in the case of a board equipped with both sides, contact with the heat sink can be better cooled.
  • the service life of the electronic components of the control electronics, in particular of electrolytic capacitors can be significantly increased.
  • the at least one semiconductor light-emitting element may have one light-emitting diode or a plurality of light-emitting diodes.
  • the at least one light-emitting diode may comprise a high-power light-emitting diode, for example with a power of 2 watts.
  • the term "light-emitting diode" is understood to mean any LED unit that can be mounted on the heat sink, eg. B.
  • an LED chip a molded LED, an LED package (with one or more LED chips by means of bonding (wire bonding, flip-chip bonding, etc.) connected housing or substrate) or an LED module ( housing or substrate connected to one or more LED chips or LED packages via conventional bonding methods (soldering, etc.), with or without optical elements.
  • the control electronics in particular for at least one LED, can be designed as a driver or as another control device, for. B. based on a voltage or power control.
  • a fixing means for fixing the control electronics for example a slot for fixing a board of the control electronics.
  • control electronics can be completely accommodated in the mounting recess.
  • the mounting recess can be shaped so that a material consumption and thus a weight are low.
  • the mounting recess may have a light bulb shape as a basic shape.
  • a wall thickness of a Heatsink core heat sink without external cooling fins
  • the wall thickness can be designed so that it does not fall below a minimum thickness. To optimize the relationship between weight and heat conduction, it may be preferable for the wall thickness to decrease with distance from the LED.
  • the shape of the mounting recess and the shape of the control electronics can be coordinated so that sets a predetermined distance between at least one electronic component of the control electronics and a wall of the mounting recess.
  • At least one wall portion of the wall of the mounting recess may be formed plane-parallel to an opposite surface of an electronic component.
  • At least one wall region of the wall which is formed plane-parallel to an opposite surface of the electronic component, can be formed on a projection or recess of the mounting recess.
  • the wall of the mounting recess at least one recess for receiving an electronic component of the control electronics, in particular a transformer having.
  • the heat sink can be made in several parts, in particular in two parts, wherein at least two parts of the heat sink respectively have a part of a wall of the mounting recess.
  • the multi-part design of the heat sink allows the mounting recess to be easily manufactured, can be well adapted to the control electronics, and therefore better cooling is possible. In addition, the control electronics and a thermal transfer material can also be introduced more easily and locally targeted.
  • the multi-part design of the heat sink also makes it possible to create cable feedthroughs between the individual parts in order to reduce production effort ("threading" cables through holes).
  • the heat sink may in particular be separated along planes that lie parallel to an axis of symmetry, in particular the longitudinal axis, of the heat sink. This includes a parting plane which receives the symmetry axis.
  • the heat sink can be configured in two parts with mirror-symmetrical basic shape of the two parts. Specifically, the heat sink can be mirror-symmetrically separated along a vertical.
  • the heat sink may further comprise at least one thermal interface material, TIM ('Thermal Interface Material'), between at least one electronic component of the control electronics and the heat sink.
  • TIM 'Thermal Interface Material'
  • a very good price / performance ratio can be achieved by simultaneous, targeted use of different TIM materials.
  • a thermal transition material with a thermal conductivity of at least 5 W / (m ⁇ K) can be introduced between at least one electronic component of the control electronics and the heat sink, in particular in the form of a heat conduction mat.
  • the lamp is equipped with one or more LEDs and at least one such heat sink, wherein the control electronics is at least partially included in the mounting recess.
  • the lamp is designed in particular as a retrofit lamp, d. h., that they can be replaced with standard sockets (E12, E14, E26, E27, GU10 ...) as a substitute for eg. B. incandescent lamps can be used.
  • the external shape and appearance are usually similar to incandescent lamps and satisfy the standards, e.g. for the outer dimensions.
  • the step of introducing the driving electronics into the mounting recess may include the step of introducing the driving electronics into a mounting recess portion of a heat sink member.
  • the step of introducing the drive electronics may include a step of attaching a non-flowable (solid) thermal interface material, in particular a TIM mat, to at least one device of the control electronics precede, in particular at a portion of the device, which is provided for positioning relative to a plane-parallel surface of the mounting recess, so preferably to bridge a narrow gap between the control electronics and the heat sink part thermally.
  • the attachment can be carried out, for example, by applying or gluing the solid TIM material.
  • the individual heat sink parts can be joined to the entire heat sink.
  • the mounting recess of the entire (integral or assembled) heat sink can be filled with at least one or another thermal transition material, in particular a flowable TIM material.
  • a thermal transition material in particular a flowable TIM material.
  • a "flowable material” is understood to mean both a material which is capable of flowing alone and a material which is flowable only under an external influence.
  • the flowable materials include gels, foams and pastes.
  • Fig. 1 shows the basic structure of an LED lamp 1 with a heat sink 2, which has a mounting recess 3 for receiving a control electronics 4.
  • the heat sink 2 is constructed from a full-volume heat sink core 5, in which the mounting recess 3 is introduced at a bottom 6, while its top 7 is provided with a high-power light emitting diode 8 with a power of two watts or more.
  • Laterally (laterally) of the heat sink core 5 integrally connect cooling elements in the form of vertically (in z-orientation) aligned cooling fins 9.
  • the light-emitting diode 8 is connected to the mounting recess 3 via a current through the heat sink core 5 cable gland 10, to provide an installation channel for at least one electrical connection line between the LED 8 and the control electronics 4.
  • the heat sink 1 is composed of two substantially mirror-symmetrical heat sink parts, as described in more detail in FIG Fig. 2 described. In the Fig. 1 shown sectional view can then - without the LED 8 and the control electronics - also correspond to a side view of an open side of the heat sink parts.
  • the control electronics 4 can thus be cooled without having to introduce another component into the LED lamp 1. It consumes no more space than for a conventional heat sink 2 without Montageaussparung. In addition, the life of the control electronics 4 can be significantly higher, since the control electronics 4 lateral all sides can get in contact with the heat sink 2 and thus can be better cooled. Further, the heat sink 2 is a protective sheath to protect the control electronics 4 from mechanical stress and - in the case of suitable electrically insulating material of the heat sink or the thermal transition material - for electrical isolation of the electronics from the environment.
  • both heat generated by the LED 8 and heat generated by the drive electronics 4 are picked up by the heat sink core 5 and distributed to the cooling fins 9.
  • the heat can be dissipated in a known manner by means of (free or forced) thermal convection to the environment.
  • Fig. 2 shows an oblique view of a possible structural design of the heat sink 2 of the LED lamp 1 Fig. 1 on the basis of a heat sink part 11, which essentially comprises one half of the heat sink 2 in a section through the vertical xz plane Fig. 1 represents.
  • Both the heat sink core 5 and the mounting recess 3 are not rectilinear in the z-direction (eg cylindrical or cylindrical tube-shaped), but widen from the bottom 6 to the top 7.
  • Such a shape of the mounting recess 3 is particularly easy and versatile reachable with a heat sink part 11, which has a part of the wall 12 of the mounting recess 3, ie, in which the mounting recess 3 is exposed.
  • the shown heat sink part 11 is to complete the heat sink 2 with another, essentially mirror-symmetrical heat sink part, joined together on the open surface.
  • the mounting recess 3 has an extension 24 for the use of an insulating body, as described below with reference to FIG Fig. 5 is explained.
  • Fig. 3 shows a sectional view in cross-sectional view of the LED lamp 1 off Fig. 1
  • the wall 12 has planar surface regions 15 which fit to a closely adjacent planar surface 16 of an electronic component 17 of the control electronics 4. More specifically, an O-ber Structure Scheme 15 of the wall 12 is plane-parallel to the associated surface 16 of the closely adjacent electronic component 17. This allows a very small, constant distance d between the drive electronics 4 and an electronic component 17 and the heat sink 2 can be achieved. However, not all electronic components need to be positioned close to the heat sink 2, but only the critical, e.g. As the particularly overheating hazardous, components 17 to be arranged. For other (especially non-critical) components 18, such. B. temperature insensitive resistors, however, may be provided greater distances.
  • the mounting recess 3 no longer has purely smooth walls 12, but also has inwardly extending projections 14, which with a respective planar surface 15 in the direction of an associated planar surface 16 of an electronic Protect component 17 and so achieve a small distance d even at different levels of components 17.
  • the distance is less than 1 mm, in particular less than 0.5 mm.
  • the space between them is as complete as possible filled with at least one thermally conductive material 19,20.
  • the critical components 17 may be thermally linked to the heat sink 2 via a thermally conductive material 19.
  • the respective distance d between the critical components 17 and the wall 12 is thermally bridged by inserting a heat conducting mat 19 with a thermal conductivity of at least 5 W / (m ⁇ K), for.
  • a heat conducting mat 19 with a thermal conductivity of at least 5 W / (m ⁇ K), for.
  • an easily fillable, in particular flowable potting compound 20 can be used with a lower coefficient of thermal conductivity, for.
  • the heat sink 2 can thus be adapted in a simple manner to the position and geometry of the electronic components 17 to be cooled particularly. As a result, an optimal cooling of the control electronics 4 can be achieved with a compact design and ease of manufacture at the same time.
  • the arrangement of the critical electronic components 17 can be matched to the feasible mounting recess 3 in the board design of the control electronics 4. In the design of mounting recess 3 and control electronics 4 need not be taken in the shared heat sink 2 used in this embodiment, whether the control electronics 4 can be inserted into the mounting recess 3.
  • the control electronics 4 For producing an LED lamp 1, if a plurality of (here: two) heat sink parts 11 with corresponding portions of the mounting recess 3, the control electronics 4 first critical components 17 are occupied by the bathleitmatte 19 and the control electronics 4 then in a Montageaussparungsteil 3 one of the heat sink parts 11 introduced. This is particularly easy with exposed mounting recess part 3, since it is easily accessible.
  • the control electronics 4 fixing means not shown here can be used, such as grooves, lands, locking elements, etc.
  • the mounting recess part 3 is filled with at least one flowable thermal transition material; Again, the completion is particularly easy to carry out.
  • the heat sink parts 11 are brought together to form the complete heat sink 2.
  • the light emitting diode 8 is fixed to the heat sink 2, namely at an LED mounting portion 13. In the unassembled state, the LED mounting portion 13 is divided into the heat sink parts 11.
  • Fig. 4 shows the heat sink 2 in a view obliquely from behind on its back or bottom 6.
  • the heat sink 2 is substantially angularly symmetrical along its longitudinal axis L.
  • Fig. 5 shows in an oblique view as an exploded view of a structural design of an LED lamp 1 with a heat sink 2 after Fig. 2 to Fig. 4 without control electronics 4.
  • This LED lamp 1 further comprises the LED 8 on an associated board and a light-transmitting protective cover 21 for the LED 8.
  • the protective cover 21 is attached to the top 7 of the heat sink 2.
  • On the underside 6 of the heat sink 2 a wider portion 25 of an insulating part 22 made of plastic in the extension 24 of the mounting recess is inserted.
  • a lamp base 23 for power supply is pulled over a narrower section 26 of the insulating part 22.
  • the lamp base 23 is designed as a standard base (eg E12, E14, E26, E27, GU10 etc.), so that the LED lamp can be used directly as a replacement for eg incandescent lamps (also called “retrofit”).
  • the external shape eg a rotational symmetry about the longitudinal axis
  • the appearance are usually based on incandescent lamps and meet the requirements.
  • the invention is also applicable to lamps with one or more low-power LEDs, or to lamps with other types of light sources, such as laser diodes or compact fluorescent tubes.
  • the lamp may include one or more light emitting diodes. These can be present as a single diode (s) and / or as an LED module (s), with an LED module (s) having a plurality of LED chips mounted on a common submount.
  • the LEDs can be monochrome or different colors.
  • the light-emitting diodes can each shine white or shine in different colors and produce a white mixed light.
  • Differently colored light-emitting diodes can be present in particular as an RGB, RGBA, RGBW, RGBAW, etc. combination, wherein a luminous intensity of a color can also be adjusted by providing a specific number of light-emitting diodes of this color.
  • the individual light-emitting diodes and / or the modules can be equipped with suitable optics for beam guidance, z. B. Fresnel lenses, collimators, and so on.
  • suitable optics for beam guidance z. B. Fresnel lenses, collimators, and so on.
  • z. B. based on InGaN or AlInGaP organic LEDs (OLEDs) are generally used.
  • z. B. diode lasers are used.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für mindestens ein Halbleiterleuchtelement, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode, eine LED-Lampe mit einem solchen Kühlkörper und ein Verfahren zum Herstellen einer Lampe.
  • Bei LED-Lampen mit Hochleistungs-Leuchtdioden wird neben der Kühlung der Leuchtdiode(n) eine ausreichende Kühlung einer Ansteuerungselektronik zum Betrieb der LED-Lampe bzw. deren Leuchtdiode(n) benötigt. Eine Ansteuerungselektronik wird in konventionellen Lampen bisher mit Teer umgossen. LED-Treiber von Niedrigleistungs-LEDs können über Luftbrücken gekühlt werden.
  • EP 1 047 903 B1 offenbart eine LED-Lampe mit einer Säule, einem Lampensockel, der mit einem Ende der Säule verbunden ist, und einem Substrat, das mit dem anderen Ende der Säule verbunden ist und das mit einer Anzahl LEDs versehen ist, wobei das Substrat einen regelmäßigen Polyeder mit zumindest vier Flächen umfasst, wobei Flächen des Polyeders mit zumindest einer LED versehen sind, die beim Betrieb der Lampe einen Lichtstrom von zumindest 5 lm besitzt, und wobei die Säule mit wärmeabführenden Mitteln versehen ist, die das Substrat und den Lampensockel miteinander verbinden.
  • EP 1 503 139 A2 offenbart eine kompakte LED-Lichtquelle, die eine LED-Positionierung zusammen mit einer Wärmeableitung bereitstellt. Die LED-Lichtquelle kann mit einer wärmeleitenden Platte hergestellt werden, welche eine Vielzahl von auf der Platte angebrachten und mit der Platte in thermischem Kontakt stehenden LEDs trägt. Die Platte trägt ferner eine elektrische Schaltung, die eine elektrische Verbindung zu den LEDs bereitstellt. Eine Wärmeumwandlungsschaltspindel trägt die Platte mechanisch und mag einen Wärmeleitungspfad von den LEDs weg bereitstellen. LEDs können dann in hoher Konzentration leicht angebracht und für eine erhöhte optische Systemintensität in der Nähe bereit gehalten werden, während ein Wärmeableitungspfad für den damit verbundenen Anstieg in der Wärmekonzentration bereitgestellt wird.
  • Die EP 1 923 626 A1 , die US 2008/175003A1 sowie die EP 2 025 992 A2 zeigen jeweils Kühlkörper für ein Halbleiterleuchtelement mit einer Montageaussparung zur zumindest teilweisen Aufnahme von elektronischen Bauelementen. Die US 2009/129102 A1 zeigt die Verwendung eines thermischen Übergangsmaterials zwischen einer Platine, die eine Leuchtdiode trägt und einem unterhalb der Platine liegenden Kühlkörper.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders effektive, kompakte und einfach herzustellende Möglichkeit zur Kühlung einer Ansteuerungselektronik für eine mit Halbleiterleuchtelementen arbeitende Lampe bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mittels eines Kühlkörpers, einer Lampe und eines Verfahrens nach dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
  • Der Kühlkörper ist zur Kühlung mindestens eines Halbleiterleuchtelements, insbesondere LED, vorgesehen und weist eine Montageaussparung zur zumindest teilweisen Aufnahme einer Ansteuerungselektronik zum Betrieb der Lampe auf. Der Kühlkörper der Lampe wird somit gleichzeitig zur Kühlung der Leuchtdioden und der Ansteuerungselektronik eingesetzt.
  • Die Ansteuerungselektronik kann somit gekühlt werden, ohne ein weiteres Bauteil in die Lampe einzuführen. Hierdurch können Platz und Kosten eingespart werden. Insbesondere kann zur Erlangung eines kleineren Aufbauvolumens der Platz im Innern von Kühlkörpern, der für die konvektive Kühlung ohnehin nicht genutzt wird und für eine Wärmespreizung nicht benötigt wird, effektiv genutzt werden. Darüber hinaus kann die Ansteuerungselektronik, die im Hohlraum des Kühlkörpers allseitig, und insbesondere auf beiden bestückten Seiten im Fall einer beidseitig bestückten Platine, Kontakt zum Kühlkörper bekommen kann, besser gekühlt werden. Dadurch kann die Lebensdauer der elektronischen Bauteile der Ansteuerungselektronik, insbesondere von Elektrolytkondensatoren, deutlich erhöht werden.
  • Das mindestens eine Halbleiterleuchtelement kann eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden aufweisen. Dadurch können vergleichsweise preiswerte und zuverlässige Lichtquellen zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann die mindestens eine Leuchtdiode eine Hochleistungsleuchtdiode umfassen, beispielsweise mit einer Leistung von 2 Watt. Unter "Leuchtdiode" wird jede auf dem Kühlkörper montierbare LED-Einheit verstanden, z. B. ein LED-Chip, eine eine vergossene Leuchtdiode, ein LED-Package (mit einem oder mehreren LED-Chips mittels Bondens (Draht-Bondens, Flip-Chips-Bondens usw.) verbundenes Gehäuse oder Substrat) oder ein LED-Modul (mit einem oder mehreren LED-Chips oder LED-Packages über herkömmliche Verbindungsmethoden (Löten usw.) verbundenes Gehäuse oder Substrat), und zwar mit oder ohne optische Elemente.
  • Die Ansteuerungselektronik, insbesondere für mindestens eine LED, kann als Treiber oder als eine andere Steuervorrichtung ausgestaltet sein, z. B. auf der Grundlage einer Spannungs-oder Leistungsregelung.
  • Zur besonders einfachen Montage der Ansteuerungselektronik kann die Aussparung bzw. zumindest einer der Kühlkörperteile, insbesondere jeder der Kühlkörperteile, ein Fixiermittel zur Fixierung der Ansteuerungselektronik aufweisen, beispielsweise einen Schlitz zur Fixierung einer Platine der Ansteuerungselektronik.
  • Zur besonders effektiven Kühlung, einer Erreichung einer kleinen Bauform und einem Schutz vor äußeren Beanspruchungen kann die Ansteuerungselektronik vollständig in der Montageaussparung aufgenommen sein.
  • Die Montageaussparung kann so geformt sein, dass ein Materialverbrauch und damit auch ein Gewicht gering sind. Insbesondere kann auch die Montageaussparung eine Glühlampenform als Grundform aufweisen. Insbesondere kann eine Wandstärke einer Kühlkörperkerns (Kühlkörper ohne außenliegende Kühlrippen) im Wesentlichen oder genau konstant ausgeführt sein. Alternativ kann die Wandstärke so ausgestaltet sein, dass sie eine Minimalstärke nicht unterschreitet. Zur Optimierung der Beziehung zwischen Gewicht und Wärmeleitung kann es bevorzugt sein, dass die Wandstärke mit größerer Entfernung von der LED abnimmt. -
  • Insbesondere können die Form der Montageaussparung und die Form der Ansteuerungselektronik so aufeinander abgestimmt sein, dass sich zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil der Ansteuerungselektronik und einer Wand der Montageaussparung ein vorbestimmter Abstand einstellt. Durch eine an die Ansteuerungselektronik angepasste Form der Montageaussparung und kleine Abstände können insbesondere kritische elektronische Bauelemente aufgrund einer verbesserten Wärmeübertragung auf den Kühlkörper stärker gekühlt werden.
  • Zur Erreichung großflächiger konstanter Abstände zwischen den elektronischen Bauelementen und der Wand der Montageaussparung zur effektiven Kühlung der elektronischen Bauelemente kann zumindest ein Wandbereich der Wand der Montageaussparung planparallel zu einer gegenüberliegenden Oberfläche eines elektronischen Bauteils ausgeformt sein.
  • Zumindest ein Wandbereich der Wand, welcher planparallel zu einer gegenüberliegenden Oberfläche des elektronischen Bauteils ausgeformt ist, kann dabei an einem Vorsprung oder Rücksprung der Montageaussparung ausgeformt sein. Dadurch können auch unterschiedlich hohe kritische Bauelemente effektiv gekühlt werden. So kann die Wand der Montageaussparung zumindest einen Rücksprung zur Aufnahme eines elektronischen Bauelements der Ansteuerungselektronik, insbesondere eines Transformators, aufweisen.
  • Der Kühlkörper kann mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt sein, wobei mindestens zwei Teile des Kühlkörpers jeweils einen Teil einer Wand der Montageaussparung aufweisen. Die Mehrteiligkeit des Kühlkörpers ermöglicht, dass die Montageaussparung einfach herstellbar ist, räumlich gut an die Ansteuerungselektronik angepasst werden kann und damit eine bessere Kühlung ermöglicht wird. Darüber hinaus können die Ansteuerungselektronik und ein thermisches Übergangsmaterial auch leichter und örtlich gezielter eingebracht werden. Die Mehrteiligkeit des Kühlkörpers ermöglicht es auch, Kabeldurchführungen zwischen den einzelnen Teilen zu schaffen, um Aufwand in der Fertigung ("Einfädeln" von Kabeln durch Löcher) zu reduzieren.
  • Der Kühlkörper kann insbesondere entlang von Ebenen getrennt sein, die parallel zu einer Symmetrieachse, insbesondere Längsachse, des Kühlkörpers liegen. Dies schließt eine Trennebene ein, welche die Symmetrieachse aufnimmt. Zur einfachen Herstellung und Lagerhaltung kann der Kühlkörper zweiteilig mit spiegelsymmetrischer Grundform der beiden Teile ausgestaltet sein. Speziell kann der Kühlkörper spiegelsymmetrisch entlang einer Vertikalen getrennt sein.
  • Zur Verbesserung einer Wärmeleitung von der Elektronik zum Kühlkörper und somit zur Kühlung der Elektronik kann der Kühlkörper ferner mindestens ein thermisches Übergangsmaterial, TIM ('Thermal Interface Material'), zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil der Ansteuerungselektronik und dem Kühlkörper aufweisen.
  • Ein sehr gutes Preis/Leistungs-Verhältnis kann durch einen gleichzeitigen, gezielten Einsatz verschiedener TIM-Materialien erreicht werden.
  • Zur besonders guten Wärmeleitung kann zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil der Ansteuerungselektronik und dem Kühlkörper ein thermisches Übergangsmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/(m·K) eingebracht sein, insbesondere in Form einer Wärmeleitmatte.
  • Die Lampe ist mit einer oder mehreren Leuchtdioden und mit mindestens einem solchen Kühlkörper ausgerüstet, wobei die Ansteuerungselektronik zumindest teilweise in der Montageaussparung aufgenommen ist.
  • Die Lampe ist insbesondere als Retrofit-Lampe ausgestaltet, d. h., dass sie mit Hilfe von Standard-Fassungen (E12, E14, E26, E27, GU10...) als Ersatz für z. B. Glühlampen eingesetzt werden kann. Die äußere Form und das Erscheinungsbild sind meist an Glühlampen angelehnt und genügen den Normen, z.B. für die äußeren Abmessungen.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer solchen Lampe weist mindestens die folgenden Schritte auf:
    • zumindest teilweises Einbringen der Ansteuerungselektronik in die Montageaussparung;
    • zumindest teilweises Ausfüllen der Montageaussparung mit mindestens einem fließfähigen thermischen Übergangsmaterial;
    • Fixieren mindestens eines Halbleiterleuchtelements, insbesondere mindestens einer Leuchtdiode, am Kühlkörper.
  • Der Schritt des Einbringens der Ansteuerungselektronik in die Montageaussparung kann den Schritt eines Einbringens der Ansteuerungselektronik in einen Montageaussparungsteil eines Kühlkörperteils umfassen. Durch das Einbringen in diesen 'offenliegenden' Montageaussparungsteil wird eine besonders einfache Herstellung und geometrisch flexible Ausgestaltung ermöglicht. So braucht beispielsweise die Ansteuerungselektronik nicht in die Montageaussparung eingeschoben zu werden, sondern kann seitlich durch die offene Seite eingesetzt werden.
  • Dem Schritt des Einbringen der Ansteuerungselektronik kann ein Schritt eines Anbringens eines nicht-fließfähigen (festen) thermischen Übergangsmaterials, insbesondere einer TIM-Matte, an mindestens einem Bauelement der Ansteuerungselektronik vorangehen, insbesondere an einem Bereich des Bauelements, das zur Positionierung gegenüber einer dazu planparallelen Fläche der Montageaussparung vorgesehen ist, also vorzugsweise einen schmalen Spalt zwischen der Ansteuerungselektronik und dem Kühlkörperteil thermisch überbrücken soll. Das Anbringen kann beispielsweise mittels Auflegens oder Klebens des festen TIM-Materials durchgeführt werden.
  • In einem folgenden Schritt können die einzelnen Kühlkörperteile zum gesamten Kühlkörper zusammengefügt werden.
  • Die Montageaussparung des gesamten (einstückigen oder zusammengefügten) Kühlkörpers kann mit mindestens einem oder einem weiteren thermischen Übergangsmaterial ausgefüllt werden, insbesondere einem fließfähigen TIM-Material. Unter einem "fließfähigen Material" wird sowohl ein alleine fließfähiges Material verstanden, als auch ein nur unter einem äußeren Einfluss fließfähiges Material. Zu den fließfähigen Materialien zählen unter anderem Gele, Schäume und Pasten.
  • Mittels Durchführungen im Kühlkörperkern zwischen der Montageaussparung und der Außenseite, z. B. der Kabeldurchführung 10, lässt sich bei nicht-teilbarem Kühlkörper eine verbesserte Luftverdrängung während eines Einbringens des fließfähigen TIM-Materials bzw. der TIM-Materialien durch die untere Öffnung realisieren, da in der Montageaussparung gefangene Luft durch die Durchführungen entweichen kann.
  • In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
    • Fig. 1
    zeigt als Schnittdarstellung in Querschnittsansicht eine Prinzipskizze einer LED-Lampe mit einem Kühlkörper, welcher eine Montageaussparung zur Aufnahme einer Ansteuerungselektronik aufweist;
    Fig. 2
    zeigt in Schrägansicht ein Kühlkörperteil eines Kühlkörpers einer LED-Lampe aus Fig. 1;
    Fig. 3
    zeigt als Schnittdarstellung in Querschnittsansicht die LED-Lampe aus Fig. 1 in höherer Detaillierung mit in der Aufnahme aufgenommener Ansteuerungselektronik;
    Fig. 4
    zeigt den Kühlkörper in Ansicht von schräg hinten;
    Fig. 5
    zeigt in Schrägansicht als Explosionszeichnung eine konstruktive Ausführung einer LED-Lampe mit einem Kühlkörper nach Fig. 2 bis Fig. 4.
  • Fig. 1 zeigt den Grundaufbau einer LED-Lampe 1 mit einem Kühlkörper 2, welcher eine Montageaussparung 3 zur Aufnahme einer Ansteuerungselektronik 4 aufweist. Der Kühlkörper 2 ist aus einem vollvolumigen Kühlkörperkern 5 aufgebaut, in den an einer Unterseite 6 die Montageaussparung 3 eingebracht ist, während seine Oberseite 7 mit einer Hochleistungsleuchtdiode 8 mit einer Leistung von zwei Watt oder mehr versehen ist. Seitlich (lateral) des Kühlkörperkerns 5 schließen sich integral Kühlelemente in Form von vertikal (in z-Ausrichtung) ausgerichteten Kühlrippen 9 an. Die Leuchtdiode 8 ist mit der Montageaussparung 3 über eine durch den Kühlkörperkern 5 laufende Kabeldurchführung 10, verbunden, um einen Installationskanal für mindestens eine elektrische Verbindungsleitung zwischen der LED 8 und der Ansteuerungselektronik 4 zu schaffen. Der Kühlkörper 1 ist aus zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrischen Kühlkörperteilen zusammengesetzt, wie genauer in Fig. 2 beschrieben. Die in Fig. 1 gezeigte Schnittdarstellung kann dann - ohne die LED 8 und die Ansteuerungselektronik - auch einer Seitenansicht auf eine offene Seite eines der Kühlkörperteile entsprechen.
  • Die Ansteuerungselektronik 4 kann somit gekühlt werden, ohne ein weiteres Bauteil in die LED-Lampe 1 einführen zu müssen. Es wird nicht mehr Platz verbraucht als für einen herkömmlichen Kühlkörper 2 ohne Montageaussparung. Außerdem kann die Lebensdauer der Ansteuerungselektronik 4 deutlich höher ausfallen, da die Ansteuerungselektronik 4 lateral allseitig Kontakt zum Kühlkörper 2 bekommen kann und somit besser gekühlt werden kann. Ferner stellt der Kühlkörper 2 eine Schutzumhüllung zum Schutz der Ansteuerungselektronik 4 vor einer mechanischen Belastung und - bei geeignetem elektrisch isolierendem Material des Kühlkörpers oder des thermischen Übergangsmaterials - zur elektrischen Isolation der Elektronik von der Umgebung dar.
  • Beim Betrieb der LED-Lampe 2 wird sowohl Wärme, die von der LED 8 erzeugt wird, als auch Wärme, die von der Ansteuerungselektronik 4 erzeugt wird, vom Kühlkörperkern 5 aufgenommen und zu den Kühlrippen 9 verteilt. An den Kühlrippen 9 kann die Wärme auf bekannte Art mittels (freier oder forcierter) Wärmekonvektion an die Umgebung abgeführt werden.
  • Fig. 2 zeigt in Schrägansicht eine mögliche konstruktive Ausführung des Kühlkörpers 2 der LED-Lampe 1 aus Fig. 1 anhand eines Kühlkörperteils 11, der im Wesentlichen eine Hälfte des Kühlkörpers 2 bei einem Schnitt durch die vertikale x-z-Ebene aus Fig. 1 darstellt. Sowohl der Kühlkörperkern 5 als auch die Montageaussparung 3 sind nicht in z-Richtung geradlinig ausgeführt (z. B. zylinder- oder zylinderrohrförmig), sondern weiten sich von der Unterseite 6 zur Oberseite 7 hin auf. Eine solche Form der Montageaussparung 3 ist mit einem Kühlkörperteil 11, das einen Teil der Wand 12 der Montageaussparung 3 aufweist, d. h., bei dem die Montageaussparung 3 offenliegt, besonders einfach und vielgestaltig erreichbar. Insbesondere ergeben sich im Vergleich zu einer nur von unten zugänglich Montageaussparung keine Beschränkungen beim Zugang und der Bearbeitung. Der gezeigte Kühlkörperteil 11 wird zur Vervollständigung des Kühlkörpers 2 mit einem anderen, im Wesentlichen spiegelsymmetrischen Kühlkörperteil, an der offenen Fläche zusammengefügt. An ihrer unteren Öffnung bzw. Rand weist die Montageaussparung 3 eine Erweiterung 24 zum Einsatz eines Isolationskörpers auf, wie weiter unten mit Bezug auf Fig. 5 erläutert wird.
  • Fig. 3 zeigt als Schnittdarstellung in Querschnittsansicht die LED-Lampe 1 aus Fig. 1 in höherer Detaillierung mit einer in der Aufnahme 3 aufgenommenen beidseitig bestückten Ansteuerungselektronik 4. Die Wand 12 weist plane Oberflächenbereiche 15 auf, die zu einer eng benachbarten planen Oberfläche 16 eines elektronischen Bauelements 17 der Ansteuerungselektronik 4 passen. Genauer gesagt liegt ein O-berflächebereich 15 der Wand 12 planparallel zu der zugeordneten Oberfläche 16 des eng benachbarten elektronischen Bauelements 17. Dadurch kann ein sehr geringer, konstanter Abstand d zwischen der Ansteuerungselektronik 4 bzw. einem elektronischen Bauelement 17 und dem Kühlkörper 2 erreicht werden. Jedoch brauchen nicht alle elektronischen Bauelemente nahe am Kühlkörper 2 positioniert zu sein, sondern es mögen nur die kritischen, z. B. die besonders überhitzungsgefährdeten, Bauteile 17 so angeordnet zu sein. Für andere (insbesondere nicht-kritische) Bauelemente 18, wie z. B. temperaturunempfindliche Widerstände, mögen dagegen größere Abstände vorgesehen sein. Zur Realisierung des kleinen Abstands d für alle kritischen Bauelemente 17 weist die Montageaussparung 3 nun nicht mehr rein glatte Wänden 12 auf, sondern weist auch nach innen reichende Vorsprünge 14 auf, welche mit einer jeweiligen planen Oberfläche 15 in Richtung einer zugeordneten planen Oberfläche 16 eines elektronischen Bauelements 17 ragen und so einen geringen Abstand d auch bei unterschiedlich hohen Bauelementen 17 erreichen. Vorzugsweise beträgt der Abstand weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,5 mm.
  • Zur besseren Wärmeübertragung von der Ansteuerungselektronik 4 zum Kühlkörper 2 ist der Raum dazwischen möglichst vollständig mit mindestens einem wärmeleitfähigen Material 19,20 ausgefüllt. Alternativ mögen beispielsweise nur die kritischen Bauteile 17 thermisch über ein wärmeleitfähiges Material 19 an den Kühlkörper 2 angelenkt sein. Hier wird der jeweilige Abstand d zwischen den kritischen Bauelementen 17 und der Wand 12 mittels Einfügens einer Wärmeleitmatte 19 mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 5 W/(m·K) thermisch überbrückt, z. B. mittels Fujipoly-Wärmeleitmatten Sarcon Typ GR-m oder XR-e mit 6 bzw. 11 W/(m·K) oder Berquist Gap Pad 5000S35 mit 5 W/(m·K). Hingegen kann für den restlichen Raum eine einfach einfüllbare, insbesondere fließfähige Vergussmasse 20 mit einem geringeren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten verwendet werden, z. B. eine Vergussmasse Berquist Gap Filler 3500S3 von pastig/geliger Konsistenz mit 3,6 W/(m·K).
  • Bei Kenntnis des Bestückungslayouts der Ansteuerungselektronik 4 kann somit der Kühlkörper 2 auf einfache Weise an die Lage und Geometrie der besonders zu kühlenden elektronischen Bauelemente 17 angepasst werden. Dadurch kann eine optimale Kühlung der Ansteuerungselektronik 4 bei gleichzeitig kompakter Bauweise und einfacher Herstellbarkeit erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann beim Platinendesign der Ansteuerungselektronik 4 soweit möglich die Anordnung der kritischen elektronischen Bauteile 17 auf die realisierbare Montageaussparung 3 abgestimmt werden. Beim Design von Montageaussparung 3 und Ansteuerungselektronik 4 braucht bei dem in dieser Ausführungsform verwendeten geteilten Kühlkörper 2 nicht darauf geachtet zu werden, ob sich die Ansteuerungselektronik 4 in die Montageaussparung 3 einschieben lässt.
  • Zum Herstellen einer LED-Lampe 1 werden bei Vorliegen mehrerer (hier: zweier) Kühlkörperteile 11 mit entsprechenden Anteilen der Montageaussparung 3 die Ansteuerungselektronik 4 zunächst kritische Bauelemente 17 mit der Wärmeleitmatte 19 belegt und die Ansteuerungselektronik 4 dann in einen Montageaussparungsteil 3 eines der Kühlkörperteile 11 eingebracht. Dies ist bei offenliegendem Montageaussparungsteil 3 besonders einfach, da es leicht zugänglich ist. Zur Positionierung und Fixierung der Ansteuerungselektronik 4 können hier nicht dargestellte Fixiermittel verwendet werden, wie Nuten, Stege, Rastelemente usw. Danach wird das Montageaussparungsteil 3 mit mindestens einem fließfähigen thermischen Übergangsmaterial ausgefüllt; auch hier ist die Ausfüllung besonders einfach durchführbar. Im Folgenden werden die Kühlkörperteile 11 zusammengeführt, um den vollständigen Kühlkörper 2 zu bilden. Danach wird die Leuchtdiode 8 am Kühlkörper 2 fixiert, und zwar an einem LED-Befestigungsbereich 13. Im nicht-zusammengebauten Zustand ist auch der LED-Befestigungsbereich 13 auf die Kühlkörperteile 11 aufgeteilt.
  • Fig. 4 zeigt den Kühlkörper 2 in Ansicht von schräg hinten auf seine Rückseite bzw. Unterseite 6. Der Kühlkörper 2 ist entlang seiner Längsachse L im Wesentlichen winkelsymmetrisch.
  • Fig. 5 zeigt in Schrägansicht als Explosionszeichnung eine konstruktive Ausführung einer LED-Lampe 1 mit einem Kühlkörper 2 nach Fig. 2 bis Fig. 4 ohne Ansteuerungselektronik 4. Diese LED-Lampe 1 weist ferner die LED 8 auf einer zugehörigen Platine auf sowie eine lichtdurchlässige Schutzabdeckung 21 für die LED 8. Die Schutzabdeckung 21 wird an der Oberseite 7 des Kühlkörpers 2 befestigt. An der Unterseite 6 des Kühlkörpers 2 wird ein breiterer Abschnitt 25 eines Isolationsteils 22 aus Kunststoff in die Erweiterung 24 der Montageaussparung eingeschoben. Ein Lampensockel 23 zur Stromversorgung wird einem schmaleren Abschnitt 26 des Isolationsteils 22 übergezogen. Der Lampensockel 23 ist als Standardsockel (z. B. E12, E14, E26, E27, GU10 usw.) ausgeführt, so dass die LED-Lampe als Ersatz für z.B. Glühlampen direkt eingesetzt werden kann (auch "Retrofit" genannt). Die äußere Form (z. B. eine Rotationssymmetrie um die Längsachse) und das Erscheinungsbild sind meist an Glühlampen angelehnt und genügen den Anforderungen.
  • Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • So ist die Erfindung auch auf Lampen mit einer oder mehreren Niedrigleistungs-LEDs anwendbar, oder auch auf Lampen mit anderen Arten von Lichtquellen, wie Laserdioden oder Kompaktleuchtstoffröhren.
  • Die Lampe kann eine oder mehrere Leuchtdioden aufweisen. Diese können als Einzeldiode(n) und / oder als LED-Modul(e) vorliegen, wobei ein LED-Modul(e) mit mehreren LED-Chips auf einem gemeinsamen Submount bestückt ist. Die Leuchtdioden können einfarbig oder verschiedenfarbig leuchten. Die Leuchtdioden können insbesondere jeweils weiß leuchten oder verschiedenfarbig leuchten und ein weißes Mischlicht ergeben. Verschiedenfarbig leuchtende Leuchtdioden können insbesondere als RGB-, RGBA-, RGBW-, RGBAW- usw. Kombination vorliegen, wobei eine Leuchtstärke einer Farbe auch durch ein Vorsehen einer bestimmten Zahl an Leuchtdioden dieser Farbe eingestellt werden kann. Die Einzel-Leuchtdioden und / oder die Module können mit geeigneten Optiken zur Strahlführung ausgerüstet sein, z. B. Fresnel-Linsen, Kollimatoren, und so weiter. Statt oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs) einsetzbar. Auch können z. B. Diodenlaser verwendet werden.
  • Statt Vorsprüngen auch Montageaussparungen in der Wand für Steuerkomponenten können auch Rücksprünge in der Wand der Montageaussparung vorgesehen sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    LED-Lampe
    2
    Kühlkörper
    3
    Montageaussparung
    4
    Ansteuerungselektronik
    5
    Kühlkörperkern
    6
    Unterseite
    7
    Oberseite
    8
    Hochleistungsleuchtdiode
    9
    Kühlrippen
    10
    Kabeldurchführung
    11
    Kühlkörperteil
    12
    Wand der Montageaussparung
    13
    LED-Befestigungsbereich
    14
    Vorsprung der Wand der Montageaussparung
    15
    Ebener Wandbereich
    16
    Oberfläche eines elektronischen Bauelements
    17
    kritisches elektronisches Bauelement
    18
    nicht-kritisches elektronisches Bauelement
    19
    wärmeleitfähiges Material
    20
    wärmeleitfähiges Material
    21
    lichtdurchlässige Schutzabdeckung
    22
    Isolationsteil
    23
    Lampensockel
    24
    Erweiterung der Montageaussparung
    25
    breiterer Abschnitt des Isolationsteils
    26
    schmalerer Abschnitt des Isolationsteils
    d
    Abstand

Claims (12)

  1. Kühlkörper (2) für mindestens ein Halbleiterleuchtelement (8), insbesondere Leuchtdiode, aufweisend eine Montageaussparung (3) zur zumindest teilweisen Aufnahme einer Ansteuerungselektronik (4) zum Betrieb des mindestens einen Halbleiterleuchtelements (8), dadurch gekennzeichnet, dass dass die Form der Montageaussparung (3) und die Form der Ansteuerungselektronik (4) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil (17) der Ansteuerungselektronik und einer Wand (12) der Montageaussparung ein vorbestimmter Abstand einstellt ist, wobei zumindest ein Wandbereich (15) der Wand (12) der Montageaussparung (3) planparallel zu einer gegenüberliegenden Oberfläche eines elektronischen Bauteils ausgeformt ist.
  2. Kühlkörper (2) nach Anspruch 1, bei dem die Ansteuerungselektronik (4) vollständig in der Montageaussparung (3) aufgenommen ist.
  3. Kühlkörper (2) nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Wandbereich (15) der Wand (12), welcher planparallel zu einer gegenüberliegenden Oberfläche (16) des elektronischen Bauteils (17) ausgeformt ist, an einem Vorsprung (14) oder Rücksprung der Montageaussparung (3) ausgeformt ist.
  4. Kühlkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (2) mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt ist, wobei mindestens zwei Teile (11) des Kühlkörpers (11) jeweils einen Teil einer Wand (12) der Montageaussparung (3) aufweisen.
  5. Kühlkörper (2) nach Anspruch 4, welcher zweiteilig mit spiegelsymmetrischer Grundform der beiden Teile (11) ausgestaltet ist.
  6. Kühlkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens ein thermisches Übergangsmaterial, TIM, (19,20) zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil (17,18) der Ansteuerungselektronik (4) und dem Kühlkörper (2).
  7. Kühlkörper (2) nach Anspruch 6, bei dem zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil (17) der Ansteuerungselektronik (4) und dem Kühlkörper (2) ein thermisches Übergangsmaterial (19) mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/(m·K) eingebracht ist, insbesondere in Form einer Wärmeleitmatte.
  8. Lampe (1) mit einem Kühlkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerungselektronik (4) zumindest teilweise in der Montageaussparung (3) aufgenommen ist.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Lampe (1) mit einem Kühlkörper (2) für mindestens ein Halbleiterleuchtelement (8), insbesondere Leuchtdiode, aufweisend eine Montageaussparung (3) zur zumindest teilweisen Aufnahme einer Ansteuerungselektronik (4) zum Betrieb des mindestens einen Halbleiterleuchtelements (8), wobei die Ansteuerungselektronik (4) zumindest teilweise in der Montageaussparung (3) aufgenommen ist, aufweisend mindestens die folgenden Schritte:
    - zumindest teilweises Einbringen der Ansteuerungselektronik (4) in die Montageaussparung (3);
    - zumindest teilweises Ausfüllen der Montageaussparung (3) mit mindestens einem fließfähigen thermischen Übergangsmaterial (20);
    - Fixieren mindestens eines Halbleiterleuchtelements (8) am Kühlkörper (2).
  10. Verfahren zum Herstellen einer Lampe (1) nach Anspruch 9, wobei bei dem die Ansteuerungselektronik (4) vollständig in der Montageaussparung (3) aufgenommen ist.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Lampe (1) nach Anspruch 8, aufweisend mindestens die folgenden Schritte:
    - zumindest teilweises Einbringen der Ansteuerungselektronik (4) in die Montageaussparung (3);
    - zumindest teilweises Ausfüllen der Montageaussparung (3) mit mindestens einem fließfähigen thermischen Übergangsmaterial (20);
    - Fixieren mindestens eines Halbleiterleuchtelements (8) am Kühlkörper (2).
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem vor dem Schritt des zumindest teilweisen Einbringens der Ansteuerungselektronik (4) in die Montageaussparung (3) ein Schritt:
    - Anbringen eines nicht-fließfähigen thermischen Übergangsmaterials, insbesondere TIM-Matte, an mindestens einem Bauelement (17) der Ansteuerungselektronik (4) durchgeführt wird.
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