LICHTEMITTIERENDES PANEEL
Die Erfindung betrifft das Wärmemanagement von lichtemittierenden Paneelen, bspw. mit Arrays von ungehäusten lichtemittierenden Dioden (LED-Chips). Sie hat auch ein Verfahren zur Reduktion der von lichtemittierenden Paneelen abgegebenen Verlustwärme sowie eine Energieversorgungs- und Regelungseinheit für lichtemittierende Paneele zum Inhalt.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung von hohem Lichtfluss - wie beispielsweise für Strassenbeleuchtungen oder Raumbeleuchtungen notwendig - ist die Vereinigung einer Vielzahl von ungehäusten LED-Chip auf einer geeigneten Trägerplatte, die mittels einer entsprechenden elektrischen Kontaktierung gemeinsam zum Leuchten gebracht werden. Damit solche Anordnungen flächenmässig nicht zu gross werden, müssen die LED-Chips in hoher räumlicher Dichte, d.h. beispielsweise 10 LED/cm2 oder höher, angeordnet werden.
Ein Kernproblem bei derartigen Anordnungen ist die Tatsache, dass die summierte Verlustleistung der leuchtenden LED-Chip bei einer grossen Anzahl dicht gepackter Chips zu so hohen Temperaturen führen kann, dass die Funktionsfähigkeit des Leuchtpaneels in Frage gestellt, zumindest aber dessen Lebensdauer drastisch reduziert wird. Die maximale Temperatur, die für eine genügende Lebensdauer nicht überschritten werden darf ist abhängig von der Art der verwendeten Gehäusung. Konventionelle Gehäusungslösungen, die im Wesentlichen mit kostengünstigen
Kunststoffen arbeiten, liegt diese Temperatur ca. bei 60°C, die Grenze einer dauerhaften Funktionsfähigkeit ist bei ca. 80°C erreicht. Auch bei fortschrittlicheren Gehäusungslösungen, bei sogenannten Hochtemperatur-Gehäusungen, liegen die erlaubten maximalen Temperaturen nicht oberhalb ca. 150°C. Es ist also für LED- Leuchtpaneele von grosser Wichtigkeit dafür zu sorgen, dass entstehende Verlustwärme möglichst gut abgeführt wird und/oder weniger Verlustwärme entsteht.
Zur Lösung dieser Problematik werden in der Patentliteratur zahlreiche Ansätze beschrieben.
Beispielsweise schildern die Patentpublikationen EP1139439, US6428189, WO0212788, US6480389, WO02084750, US2002042156, US5113232, US6274924, US6501103, US6376902, US6481874, JP2002278480, CN1369909, JP2002278481 und US 2002/0167807 Ansätze, bei denen entweder gehäuste oder ungehäuste LED in möglichst gut wärmeleitenden Kontakt mit einer zusätzlichen, auf der Rückseite oder auf der Vorderseite oder beidseitig der LED-Trägβrplatte angeordneten gut wärmeleitenden meist plattenartigen Struktur gebracht werden. Diese plattenartige Struktur hat die Aufgabe die Wärme möglichst effizient von den LED weg zu führen und an die Umgebung abzugeben. In einer der genannten Anordnungen (EP 1139439) besitzt die plattenähnliche Struktur deshalb Kühlrippen. In einer anderen Anordnung (US 2002/0167807 besteht die LED-Trägerstruktur aus einzelnen metallischen Querwänden und zu diesen senkrecht verlaufenden und von diesen elektrisch isolierten, ebenfalls metallischen Schienen. Diese Anordnung erlaubt, die LEDs direkt auf einer metallischen Unterlage anzubringen, was die Wärmeableitung begünstigt. Trotzdem können die LEDs „random access" angesteuert werden. Die Anordnung ist geeignet zur Anwendung für Displays; sie kommt also im Allgemeinen so zu stehen, dass sich die LEDs in einer lotrechten, also vertikalen Ebene befinden.
In US5278432 wird ein anderer Ansatz geschildert. LED-Chips werden hier auf einer Trägerplatte angeordnet, die auf ihrer Rückseite eine durchgehende, elektrisch leitende, und damit auch gut wärmeleitende, Schicht aufweist. Die Ableitung der von den Chips erzeugten Wärme erfolgt lediglich über eine keramische Isolationsschicht zu der rückseitigen Schicht. Weiter ist die rückseitige elektrisch leitende Schicht als metallische, mit Kühlrippen versehene Platte ausgebildet.
Neben den geschilderten Ansätzen zur passiven Ableitung der Wärme über geeignete Wärmesenken ist natürlich der Ansatz zur aktiven Ableitung von Wärme bekannt, indem das LED-Leuchtpaneel von einem Kühlmedium angeströmt wird, das mittels eines geeigneten Hilfsgerätes, wie beispielsweise eines Ventilators oder einer Pumpe, in erzwungene Bewegung gesetzt wird. Ein Beispiel dafür findet man in der US- Patentschrift 4,729,076 (Fig. 5(c)).
Ansätze zur passiven Ableitung der Wärme über geeignete Wärmesenken haben den wesentlichen Vorteil, dass keine zusätzlichen Gerätschaften benötigt werden. Die geschilderten Ansätze weisen aber alle den Nachteil auf, dass die Wärmeabgabe an die Umgebung, d.h. in aller Regel an die Luft, nicht optimiert ist. Dies drückt sich einerseits in nicht optimalem Wärmeübergang zur Umgebung und nicht optimaler Wärmeabstrahlung aus.
Die angesprochenen Ansätze zur Wärmeabfuhr durch erzwungenen Anströmung mit einem geeigneten Kühlmedium, also in der Regel mit Luft, haben den Nachteil, dass die benötigten zusätzlichen Geräte bewegte Elemente aufweisen, was für Anwendungen wie Strassenbeleuchtungen aus Gründen der Wartbarkeit und für Anwendungen wie Raumbeleuchtungen aus Gründen zusätzlicher Geräusche problematisch ist.
In Summe haben die geschilderten Ansätze den Nachteil, dass sie nicht als - allenfalls modular einsetzbare - Elemente eines systematischen Ansatzes zum optimierten Wärmemanagement eines LED-Paneels verwendet werden.
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, stellt sich die Aufgabe, das Wärmemanagement von Leuchtpaneelen mit strombetriebenen Leuchtkörpern zu verbessern. Insbesondere sollen die geschilderten Nachteile der einzelnen Ansätze zu beheben, bzw. entscheidende Verbesserungen herbei zu führen. Die verbesserten Einzelansätze sollen bspw. als Module eines Systems für das Wärmemanagements von LED-Leuchtpaneelen einsetzbar sein.
Den Weg hin zu einer Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung.
Mit „LEDs" werden in der folgenden Diskussion ganz allgemein elektrolumineszente Elemente bezeichnet, der Begriff schliesst also neuere Ansätze der Elektrolumineszenz, wie sie bspw. in den organischen OLEDs verwendet werden, mit ein. Besonders bevorzugt sind in allen Ausführungsbeispielen ungehäuste LEDs (d.h. LEDs ohne Einzelgehäuse) welche direkt auf eine Trägerplatte oder ein anderes Trägerelement aufbringbar sind und einen im Wesentlichen in direkten thermischen Kontakt zwischen LED-Chip und Trägerelement erlauben.
Die Erfindung bedient sich - einzeln oder in Kombination - folgender Ansätze:
Die Verbesserung der passiven Abfuhr von Wärme ist erstens möglich mit einer Verbesserung des Wärmeüberganges an das umgebende Medium. Zweitens ist eine
Verbesserung der Wärmeabstrahlung anzustreben. Beide Zielsetzungen sind auf einfache Art, nämlich mit einer einfachen Anpassung der Oberflächenstruktur der
verwendeten Wärmesenke zu erreichen. Ein besserer Wärmeübergang stellt sich mit grösserer Rauheit der Oberfläche ein. Bessere Wärmeabstrahlung erreicht man durch eine Annäherung der Oberflächenfarbe an diejenige eines schwarzen Strahlers, d.h. durch ein möglichst mattes Schwarz.
Beide Wünsche sind auf einfache Art beispielsweise dadurch zu erfüllen, dass der als Wärmesenke dienende Teil aus einem geeigneten Metall, also beispielsweise aus Aluminium, besteht, welches in einem ersten (elektro-)chemischen Bearbeitungsschritt angeätzt und damit aufgerauht und in eine zweiten - allenfalls in ein und demselben Bad stattfindenden - (elektro-) chemischen Bearbeitungsschritt beispielsweise durch schwarz anodisieren mit einer möglichst matt-dunklen Oberfläche versehen wird.
Ein weiterer, der Erfindung zu Grunde liegender Gedanke ist derjenige, dass die Kühlwirkung durch Konvektion eines das Paneel oder Elemente des Paneels umgebenden Fluids, typischerweise Luft, genutzt wird. Gemäss diesem Aspekt der Erfindung wird auf die möglichst gute Entwicklung einer Strömung des umgebenden Mediums durch natürliche Konvektion geachtet. Das Paneel ist also so ausgebildet, dass eine - beispielsweise im Vergleich zur marginalen, in üblichen Anordnungen entstehenden Konvektion erhöhte - Konvektionsströmung des Umgebungsmediums ausgelöst wird und dass diese Konvektionsströmung gelenkt wird, um eine Kühlungswirkung zu erzielen. Die Konvektionsströmung wird also gewissermassen zum Erzeugen einer Kühlwirkung kanalisiert und optimiert. Sie erfolgt mindestens lokal gerichtet, d.h. es kann ihr im Wesentlichen an jedem Ort eine eindeutige, gewünschte Richtung zugeordnet werden.
Die Konvektionsströmung kann durch eine Erwärmung der Verlustwärme erzeugenden Komponenten erzeugt werden.
Gemäss einem ersten Ansatz wird die möglichst gute Entwicklung einer Strömung des umgebenden Mediums durch natürliche Konvektion dadurch erreicht, dass ein Abstörmen von Umgebungsmedium auch dann möglich ist, wenn das Paneel ,quasi- horizontal' liegt. Eine , quasi horizontale' Lage soll hier alle Paneellagen beinhalten, in denen ein freies Abströmen des vom Paneel erwärmten Umgebungsmediums durch das Paneel selbst stark behindert wird. Typische derartige Anwendungen sind die Verwendung von LED Paneelen zu Beleuchtungszwecken, vor allem dann wenn hohe Lichtdichten gefordert sind, wie dies beispielsweise bei Strassen- oder Raumbeleuchtungen der Fall ist. In allen Anwendungen eines LED-Leuchtpaneels, in denen das Paneel quasi in horizontaler Lage eingebaut werden muss wird die Kühlung dadurch empfindlich gestört, dass das Abströmen des sich auf der Unterseite des Paneels erhitzenden Umgebungsmediums durch die laterale Ausdehnung des Paneels erschwert ist.
Für diese Problematik existiert eine verblüffend einfache, bisher noch nicht beschriebene Lösung. In aller Regel ist es kein Problem, die LED und die Leiterbahnen eines LED-Leuchtpaneels so anzuordnen, dass auf dem Paneel Platz bleibt für Wärmeabzugslöcher, welche das Paneel in Richtung seiner kleinsten Abmessung durchdringen. Die Bezeichnung „Loch" soll im Weiteren alle denkbaren Formen von Öffnungen beinhalten, also beispielsweise unter anderem kreisrunde, gerade schlitzartige oder beliebig geschwungene schlitzartige Öffnung. Wird ein solches „gelochtes" Paneel in quasi horizontaler Lage eingebaut, kann das sich bildende heisse Umgebungsmedium durch die Löcher senkrecht nach oben abströmen. Versuche haben gezeigt, dass sich bereits bei schmalen, d.h. z.B. ca. 2 cm breiten und ca. 20 cm langen, Paneelen bei einer LED Temperatur von ca. 60°C Temperaturunterschiede von bis zu 15 °C zwischen Paneelen mit bzw. ohne Wärmeabzugslöcher einstellen. Dieser Temperaturunterschied wird um so deutlicher je grosser die lateralen Ausdehnungen des Paneels sind, je grosser die Anzahl der Wärmeabzugslöcher ist und je höher die mittlere LED Temperatur ist. Zusätzlich spielt das Verhältnis von Lochdurchmesser und Lochlänge, das seinerseits im
Wesentlichen durch die Paneeldicke bestimmt ist, eine entscheidende Rolle. Je dünner das gesamte Paneel gestaltet werden kann, desto grosser kann dieses Verhältnis werden. Damit wird auch der Strömungs widerstand der Wärmeabzugslöcher kleiner und die Kühlwirkung steigt. Bei den angesprochenen Versuchen betrug das Verhältnis von Lochdurchmesser zu Lochlänge ca. 0.3, was als eher ungünstig beurteilt werden kann. Bei Paneelen auf denen ungehäuste LED- Chips verwendet werden, kann problemlos ein Verhältnis von 1 und grosser erreicht werden.
Eine Aufgabe, die beim Aufbau von mit Wärmeabzugslöcher versehenen LED- Leuchtpaneelen in Anwendungsfällen wie Strassenbeleuchtungen nicht ausser Acht gelassen werden darf, ist die gegen Wasserdampf dichte und gegen Salzwasser resistente λ-'ersiegelung der LED-Chip und deren elektrische Kontaktierungen. Auch für diese Fälle existieren, aber einfache Lösungen. So ist es beispielsweise ohne weiteres möglich ein entsprechend in Schichten aufgebautes LED-Leuchtpaneel nachträglich beispielsweise durch Bohren oder Fräsen mit den gewünschten Wärmeabzugslöcher zu versehen. Damit die durch das Beibringen der Löcher freigelegten Verbindungsstellen zwischen den Schichten die geforderte Dichtigkeit aufweisen, kann das gesamte Paneel nachträglich rundum, d.h. auch auf den Flächen der Wärmeabzugslöcher, mit einer dünnen transparenten, Wasser abstossenden Schicht versehen werden. Ein geeignetes Verfahren hierzu ist bspw. die bekannte Plasmapolimerisation, mit der beispielsweise teflonartige dünne Kunststoffschichten auf komplexe Oberflächen so aufgebracht werden können, dass diese überall von der schützenden Schicht bedeckt sind. Die Schichtdicken können dabei von einigen 0.1 μm bis zu vielen μm eingestellt werden. Durch entsprechende Einstellung der Prozessparameter kann die Benetzungseigenschaft der entstehenden Kunststoffschichten von fast vollständig hydrophil bis zu fast vollständig hydrophob erzeugt werden.
Ein weiterer Ansatz ist der Folgende: Unabhängig vom Einsatz der geschilderten Wärmeabzugslöcher können Kühlrippen zur Verbesserung der Wärmeabgabe an die Umgebung eingesetzt werden. Fertigungstechnisch besteht heute die Möglichkeit mittels sehr feiner, relativ hoher Kühlrippen eine Vergrösserung der theoretisch wirksamen Oberfläche um einen Faktor in der Grössenordnung von 10 und mehr zu erreichen. So ist es beispielsweise mit dem bekannten, kostengünstigen UV-LIGA Verfahren möglich, 10 Kühlrippen einer Höhe von ca. 0.5 mm auf einer Breite von 1 mm zu erzeugen. Berechnungen haben aber gezeigt, dass Kühlrippen mit einem derartig grossen Verhältnis Höhe / Abstand (im Beispiel ca. 5) - zumindest im Falle einer quasi-horizontalen Einbaulage - keine Verbesserung der Kühlwirkung im Vergleich zu einer ebenen Platte bringen. Dies ist darauf zurück zu führen, dass sich in den engen, hohen Kanälen zwischen den Rippen keine Strömung des Umgebungsmediums durch natürliche Konvektion ausbilden kann, sondern, des hohen Strömungswiderstandes der nahe beieinander stehenden Wände wegen, eine dicke Schicht stehenden heissen Umgebungsmediums ausbildet. Diese Phänomen tritt - in abgeschwächter Form - auch noch bei wesentlich kleinerem Verhältnis Kühlrippenhöhe / -abstand auf. So kann beispielsweise beobachtet werden, dass auch bei einem Verhältnis von ca. 1 immer noch nicht die durch die Oberflächenvergrösserung zu erwartende Verbesserung der Kühlwirkung eintritt.
Eine Verbesserung dieser Situation kann erreicht werden, wenn die Kühlrippen in Form und Lage so angeordnet werden, dass sie in ihrer Gesamtheit die Ausbildung von strömendem Umgebungsmedium unterstützen. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem auf dem LED-Paneel vorhandene, allenfalls durch entsprechende Anordnung der LED-Chip bewusst erzeugte, lokale Temperaturunterschiede dazu ausgenützt werden, das Umgebungsmedium durch natürliche Konvektion lokal zum Aufsteigen zu bringen und kühles Umgebungsmedium von den Seiten her, an entsprechend angeordneten strömungs- optimierten Kühlrippen vorbei, zum Nachströmen zu bringen. Mit anderen Worten, die Kühlrippen sind so ausgebildet und angebracht, dass sie strömungsoptimiert sind.
Ein Erhitzen des Trägerelementes - oft ist es eine Trägerplatte; das Trägerelement muss aber nicht plattenförmig sein - an bestimmten Stellen erzeugt eine Konvektion entlang der Kühlrippen. Im Allgemeinen werden die Kühlrippen also abweichend vom Stand der Technik nicht-parallel sein sondern bspw. abschnittweise aufeinander zulaufen, um bspw. Venturirohr-artige Kanäle zu bilden und generell Umgebungsmedium-Strömungen zu kanalisieren.
Eine durch die Struktur und Anordnung der Kühlrippen erzeugte natürliche Konvektion kann auch dann erzeugt werden, wenn keine oder nur geringfügige lokale Temperaturunterschiede vorhanden sind, bspw. indem eine Erwärmung des Paneels als Ganzes eine Konvektion erzeugt. Dies kann bspw. bei der im Folgenden geschilderten Ausführungsform der Fall sein:
Die Kühlwirkung der geschilderten Wärmeabzugslöcher und der geschilderten strömungs-optimierten Kühlrippen kann verbessert werden, wenn diese miteinander kombiniert werden. Die Form und der Verlauf der Kühlrippen wird hierzu vorteilhafterweise so gewählt, dass sich durch das aus den Wärmeabzugslöcher abströmend Umgebungsmedium in den Kühlrippen-Zwischenräumen eine Strömung ausbildet. Dies kann beispielsweise so erreicht werden, dass durch die Kühlrippen ein Muster offener, beispielsweise Venturirohr-artiger Kanäle entsteht, deren weite Strömungsquerschnitte sich in der Nähe der Wärmeabzugslöcher befinden und deren kleine Öffnung an möglichst heissen Stellen auf dem Paneel, vorzugsweise in einer kaminartig nach oben führenden Öffnung, endet. Berechnungen haben ergeben, dass Muster von Rippen von mit einer Höhe von 0.1 bis 1 mm, bei einer Wandstärke von 0.01 bis 0.5 mm und bei einem mittleren Abstand von mindestens 0.1 bis 2 mm einerseits die gewünschte Oberflächenvergrösserung ergeben und anderseits einen genügend kleinen Strömungswiderstand aufweisen.
Auf den ersten Blick erscheint die kostengünstige Herstellung solcher Kühlrippen schwierig. Dies ist aber nicht der Fall, weil die Kühlrippen einerseits als unabhängiges, nachträglich, beispielsweise durch grossflächiges Löten, auf das Paneel aufbringbares Modul hergestellt werden können und weil sie anderseits, wie oben erwähnt, des Strömungswiderstandes wegen relativ grosse Strukturen aufweisen dürfen. Damit kann als Beispiel eine Herstellungsfolge beschrieben werden, welche die Produktion sehr kostengünstiger Kühlrippenmodule erlaubt, deren Kühlrippenform und Muster - oft im Sinne von 2J/2-D Strukturen, aber auch im Sinne von „echten" 3-D Strukturen - fast beliebig kompliziert sein darf: Zunächst wird beispielsweise durch konventionelles Fräsen ein Prägewerkzeug hergestellt, dass mit genügender Genauigkeit die positive Kühlrippenform aufweist. Dieses Werkzeug wird dazu verwendet eine geeignete Kunststoffschicht als verlorene Form zu prägen, die ihrerseits zuvor auf einer metallischen Folie aufgebracht wurde. Der Kunststoff kann beispielsweise ein Silikon-Gel sein. In einem anschliessenden chemischen Ätzschritt werden die geprägten Rillen bis hinunter zu der Metallfolie geöffnet, so dass diese am Grund der Rillen frei liegt. Danach werden die Rillen in einem galvanischen Schritt mit Metall gefüllt. Schlussendlich wird die als verlorene Form dienende Kunststoff Schicht mittels eines selektiven Ätzschrittes entfernt. Das geschilderte Verfahren kann auf Flächen von der Grosse eines m durchgeführt werden, womit in einem Fertigungsschritt zahlreiche Kühlrippen-Module gleichzeitig äusserst kostengünstig hergestellt werden können.
Ein weiterer Ansatz beruht auf der aktiven Kühlung, ebenfalls durch Konvektion: Ein erzwungenes Anströmen eines LED -Leuchtpaneels durch kühles Umgebungs- Medium kann auch ohne Geräte mit bewegten Teilen erzeugt werden: Wenn das Umgebungs-Medium oberhalb des LED-Leuchtpaneels lokal erhitzt wird, wird dieses nach oben abströmen. Wenn zusätzlich dafür gesorgt wird, dass von unten her nachströmendes, kühles Umgebungs-Medium am LED-Leuchtpaneel vorbeiströmen muss, hat man den gewünschten Kühleffekt erreicht.
Dieses Prinzip wird vorteilhafterweise so umgesetzt, dass die Elemente, welche zur lokalen Erhitzung des Umgebungs-Mediums benötigt werden, so angeordnet sind, dass sie keine - oder eine möglichst geringe - Erwärmung des LED-Leuchtpaneels selbst bewirken. Zusätzlich sollten Leitelemente vorhanden sein, welche das nachströmende kühle Umgebungs-Medium zwingen am LED-Leuchtpaneel vorbei zu strömen.
Im Folgenden soll ein entsprechend aufgebautes Kühlelement als „Konvektions- Kühler" bezeichnet werden.
Ein Konvektions-Kühler lässt sich im Falle der quasi-horizontalen Einbaulage eines LED-Leuchtpaneels beispielsweise so realisieren, dass in geeignetem Abstand oberhalb des LED-Leuchtpaneels eine Trägerplatte mit Löchern vorhanden ist, die kurze, röhrenförmige Heiz-Elemente trägt und elektrisch kontaktiert, welche, konzentrisch zu den Löchern, oben auf der Trägerplatte befestigt sind. Werden diese Heiz-Elemente beispielsweise beim Durchleiten von elektrischem Strom durch ihren eigenen elektrischen Widerstand erhitzt, so zwingen sie das Umgebungs-Medium durch ihre Öffnung nach oben abzuströmen, wodurch von unten her kühles Umgebungsmedium nachströmen muss. Die Menge des strömenden Umgebungs- Mediums lässt sich offensichtlich durch die Menge der aktiven Heizelemente und eine entsprechende Erhöhung bzw. Erniedrigung der von den Heizelementen abgegebenen Wärme regeln.
Im Falle eines quasi-horizontal eingebauten LED-Leuchtpaneels ohne Wärmeabzugslöcher muss dieses Nachströmen von den Seiten her zwischen der Kühlerplatte und dem - allenfalls mit entsprechenden Kühlrippen ausgestatteten - LED-Leuchtpaneel erfolgen.
Im Falle eines quasi-horizontal eingebauten LED-Leuchtpaneels mit Wärmeabzugslöchern sind die Löcher bzw. die röhrenförmigen Heizelemente vorteilhafterweise so zu positionieren, dass sie mit dem Lot auf die geometrische Mitte von jeweils einigen Wärmeabzugslöchern zusammenfallen. Auf diese Weise muss das nachströmende kühle Umgebungs-Medium zunächst die Wärmeabzugslöcher durchströmen um dann ein Stück weit zwischen der Kühlerplatte und dem - allenfalls mit entsprechenden Kühlrippen ausgestatteten - LED-Leuchtpaneel hindurch zu strömen.
Im Falle einer annähernd senkrechten Einbaulage eines LED-Leuchtpaneels lässt sich das geschilderte Prinzip umsetzen, indem in geeignetem Abstand von der Rückseite des LED-Leuchtpaneels eine Trägerplatte ohne (allenfalls aber auch mit) Löchern vorhanden ist, die an ihrem oberen Ende eine geschlossene Reihe röhrenförmiger Heiz-Elemente trägt, welche bspw. elektrisch kontaktiert sind. Werden diese Heiz-Elemente beispielsweise beim Durchleiten von elektrischem Strom durch ihren eigenen elektrischen Widerstand erhitzt, so zwingen sie das Umgebungs-Medium durch ihre Öffnung nach oben abzuströmen, wodurch kühles Umgebungsmedium nachströmen muss. Die Menge des strömenden Umgebungs- Mediums lässt sich offensichtlich durch eine entsprechende Erhöhung bzw. Erniedrigung der von den Heiz-Elementen abgegebenen Wärme regeln.
Eine systematische, an jeweilige Bedürfnisse anpassbare Lösung des Wärmemanagements eines LED-Leuchtpaneels muss so aufgebaut sein, dass sie wahlweise alle vorhandenen Elemente modulartig vereinigen kann. Dies ist mit den oben geschilderten Einzellösungen problemlos machbar:
Erstens wird, als einfachster Fall, damit begonnen, dass die Trägerplatte des LED- Leuchtpaneels so aufgebaut ist, dass die einzelnen LED-Chip in möglichst engem
Kontakt - d.h. wenn dies notwendig ist, nur durch eine sehr dünne elektrisch isolierende Schicht getrennt - auf eine metallische Schicht aufgebracht werden, welche nach hinten in direktem Kontakt zum Umgebungs-Medium steht. Zusätzlich kann die mit dem Umgebungs-Medium in Kontakt befindliche Oberfläche in Hinsicht Wärmeübergang und -Strahlung optimiert sein, indem sie aufgerauht und geschwärzt ist. Damit ist bereits in der einfachsten Variante für einen optimalen Wärmetransport von den LED-Chips zur Umgebung gesorgt.
Zweitens kann diese Trägerplatte, wahlweise oder in Kombination, von vorneherein oder nachträglich, mit den geschilderten Wärmeabzugslöchern und/oder mit den geschilderten strömungs-optimierten Kühlrippen-Modulen versehen werden, (modulares Element zwei).
Drittens kann zusätzlich ein Konvektions-Kühler an das LED-Leuchtpaneel angebaut werden, (modulares Element drei).
Jedes dieser modularen Elemente kann mit jedem anderen modularen Element oder mit mehreren anderen modularen Elementen kombiniert werden, jedes modulare Element kann ausserdem mit dem Merkmal der matt-dunklen, aufgerauhten Oberfläche des Trägerelementes (bspw. der Trägerplatte) kombiniert werden.
Das dritte modulare Element (Konvektionskühler) wird mit Vorteil entweder mindestens mit dem ersten und/oder zweiten modularen Element kombiniert oder mindestens mit einem Trägerelement mit konventionellen Kühlrippen.
Das modulare Element drei kann als aktives Element von einer übergeordneten „intelligenten Einheit" angesteuert werden.
Im Folgenden werden die modularen Elemente des erfindungsgemässen Wärme- Managementes für LED-Leuchtpaneele anhand von schematischen Figuren beispielhafter Ausführungsformen erläutert.
Fig. la, lb und lc zeigen Schrägschichten von unten auf drei unterschiedliche Ausführungsformen eines LED -Leuchtpaneels mit erfindungsgemässen Wärmeabzugslöchern.
Fig. 2a und 2b zeigen je eine Schrägschicht von oben auf ein LED-Leuchtpaneel mit unterschiedlichen Ausführungen erfindungsgemässer strömungsoptimierter Kühlrippen
Fig. 3 zeigt eine Schrägsicht von oben auf ein LED-Leuchtpaneel mit der Kombination unterschiedlicher Ausführungsformen erfindungsgemässer Wärmeabzugslöcher und strömungsoptimierter Kühlrippen.
Fig. 4a, 4b und 4c zeigen Schrägschichten von oben auf drei unterschiedliche Ausführungsformen eines erfindungsgemässen „Konvektions-Kühlers".
Fig. 5 zeigt eine Schrägsicht von oben auf ein erfindungsgemässes LED- Leuchtpaneel mit Wärmeabzugslöchern und strömungs-optimierten Kühlrippen, das mit einem erfindungsgemässen „Konvektions-Kühler" kombiniert ist.
In Figur la ist eine Vielzahl kleiner LED-Chips 2 (Fläche beispielsweise 0.3 * 0.3 mm) in möglichst direktem Kontakt auf einer gut Wärme leitenden, d.h. beispielsweise aus dünnem Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 1 in
regelmässigen Abständen angeordnet und mittels nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Ein „möglichst direkter Kontakt" heisst hier, dass die LED-Chips entweder mit einer Fläche in unmittelbarem Kontakt mit einer Oberfläche der Trägerplatte sind oder nur durch flache, bspw. möglichst dünne und bspw. möglichst gut wärmeleitende Zwischenschichten von ihr getrennt sind, dass sie also nicht individuell gehaust und damit durch das Gehäuse und eventuelle Gehäusekontakte von der Trägerplatte getrennt sind.
Die Trägerplatte kann eine an sich konventionelle Leiterplatte sein, die aus einem keramischen oder Polymerwerkstoff gefertigt ist. Sie kann aber auch aus neuen Werkstoffen gefertigt sein. Alternativ dazu kann sie eine im Wesentlichen metallische Platte sein. An Stellen wo dies nötig ist - bspw. um ein Kurzschliessen von Kontaktflächen benachbarter LED-Chips zu vermeiden -, befindet sich eine, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte, möglichst dünne elektrische Isolationsschicht - bspw. ein Sol-Gel - zwischen LED-Chips 2 und Trägerplatte 1 aufweisen. Als Beispiel seinen hier die SiON-Sol-Gels erwähnt, welche bereits bei Dicken von 0.5 Mikrometer praktisch durchschlagssicher sind und eine im Vergleich mit konventionellen Beschichtungsstoffen deutlich höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die gesamte Trägerplatte 1, inklusive der LED-Chips 2, ist bedeckt von einer oder mehreren Schichten 3 aus transparentem Material, das die Aufgabe hat, die LED-Chips 2 und die elektrischen Kontaktierungen mechanisch und vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Das auf diese Weise aufgebaute LED-Leuchtpaneel ist für einen quasi-horizontalen Einbau vorgesehen. Aus diesem Grunde ist der gesamte Aufbau mit einer in regelmässigen Abständen angeordneten Vielzahl von Wärmeabzugslöchern 4 versehen.
In Figur lb ist eine Vielzahl kleiner LED-Chips 2 (Fläche beispielsweise 0.3 * 0.3 mm) in möglichst direktem Kontakt auf einer gut Wärme leitenden, d.h. beispielsweise aus dünnem Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 1 so angeordnet, dass Zonen dichter Bestückung mit solchen ohne Bestückung abwechseln. Die LED- Chips 2 werden mittels auf der Trägerplatte 1 angeordneten, nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. An Stellen wo dies nötig ist, befindet sich eine, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte, möglichst dünne elektrische Isolationsschicht zwischen LED-Chips 2 und Trägerplatte 1. Die gesamte Trägerplatte 1, inklusive der LED-Chips 2, ist bedeckt von einer oder mehreren Schichten 3 aus transparentem Material, das die Aufgabe hat, die LED- Chips 2 und die elektrischen Kontaktierungen mechanisch und vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Das auf diese Weise aufgebaute LED-Leuchtpaneel ist für einen quasi-horizontalen Einbau vorgesehen. Aus diesem Grunde ist der gesamte Aufbau in den nicht mit LED-Chips 2 bestückten Zonen mit schlitzartigen Wärmeabzugslöchern 4 versehen. Wo möglich sind zusätzlich in den Bereichen mit dichter LED-Chip 2 Belegung kreisrunde Wärmeabzugslöcher 4 vorhanden.
In Figur lc ist eine Vielzahl grosser LED-Chips 2 (Fläche beispielsweise 2 * 2 mm, oder grosser) in möglichst direktem Kontakt auf einer gut Wärme leitenden, d.h. beispielsweise aus dünnem Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 1 in regelmässigen Abständen angeordnet und mittels nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Die Abstände zwischen den LED-Chips 2 sind so gross, dass dort Platz bleibt für Wärmeabzugslöcher 4. An Stellen wo dies nötig ist, befindet sich eine, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte, möglichst dünne elektrische Isolationsschicht zwischen LED-Chips 2 und Trägerplatte 1. Die gesamte Trägerplatte 1, inklusive der LED-Chips 2, ist bedeckt von einer oder mehreren Schichten 3 aus transparentem Material, das die Aufgabe
hat, die LED-Chips 2 und die elektrischen Kontaktierungen mechanisch und vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Das auf diese Weise aufgebaute LED-Leuchtpaneel ist für einen quasi-horizontalen Einbau vorgesehen. Aus diesem Grunde ist der gesamte Aufbau in den nicht mit LED-Chips 2 bestückten Zonen mit schlitzartigen Wärmeabzugslöchern 4 versehen.
Damit der Aufbau völlig dicht ist gegen Wasser bzw. Wasserdampf, ist in den Figuren la, lb, lc die gesamte äussere Oberfläche, inklusive der Lochoberflächen, von einer sehr dünnen, nicht dargestellten, wasserabstossenden Schicht bedeckt. Ein geeignetes Verfahren zur Erzeugung solcher Schichten ist beispielsweise die bekannte Plasmapolimerisation, mit der beispielsweise teflonartige dünne Kunststoffschichten auf komplexe Oberflächen so aufgebracht werden können, dass diese überall von der schützenden Schicht bedeckt sind. Die Schichtdicken können dabei von einigen 0.1 μm bis zu vielen μm eingestellt werden. Durch entsprechende Einstellung der Prozessparameter kann die Benetzungseigenschaft der entstehenden Kunststoff schichten von fast vollständig hydrophil bis zu fast vollständig hydrophob erzeugt werden.
In Figur 2a sind unterschiedliche für quasi-horizontale Lage strömungsoptimierte Kühlrippenstrukturen 25 dargestellt, die alle auf der Oberseite einer gut wärmeleitenden, also beispielsweise auf Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 21 angebracht sind. Die LED-Chips 22, in der Figur gestrichelt dargestellt, sind auf der Unterseite in möglichst engen Kontakt zu der Trägerplatte 21 befestigt und werden von nicht dargestellten auf der Trägerplatte 21 vorhandenen elektrischen Leitungen elektrisch kontaktiert. Der gesamte Aufbau wird auf der Unterseite von einer transparenten Schicht 23 geschützt.
Die LED-Chips 22 sind entweder flächenmässig gross oder als kleine Chips in gewissen Zonen dicht angeordnet. Zwischen den grossen LED-Chips bzw. den Zonen mit dichter Anordnung kleiner LED-Chips existieren breite Zwischenzonen ohne LED-Chip Belegung. Dadurch entstehen örtliche Temperaturunterschiede auf der Rückseite der Trägerplatte und zwar so dass oberhalb der LED-Chips 22 höhere Temperaturen herrschen als in den Zwischenbereichen. Diese Temperaturunterschiede betragen, abhängig von der Breite der nicht belegten Zwischenzonen, einige °C bis deutlich über 10°C.
Die Form der Kühlrippenstrukturen 25 macht sich diese Temperaturunterschiede zunutze, indem sie alle symmetrisch zum jeweiligen Zentrum einer heissen Zone angeordnet sind und über diesem Zentrum eine nach oben offene kanalartige Struktur aufweisen, so dass hier heisse Luft ohne merklichen Strömungswiderstand nach oben abströmen kann. Zu diesem nach oben offenen Zentrum hin führen strahlenförmig angeordnete Kühlrippen, die infolge dieser Anordnung, sich von den kühlen Zonen hin zum Zentrum der heissen Zone sich verjüngende Strömungskanäle bilden, durch welche kühles Umgebungsmedium zum heissen Zentrum hin nach fliesst.
Erste Beispiele von Kühlrippenstrukturen 25a, 25b, 25c und 25d weisen Kühlrippen konstanter Höhe auf. Eine erste Kühlrippenstruktur25a unterscheidet sich von allen weiteren Kühlrippenstrukturen dadurch, dass hier die Kühlrippen-Enden in Summe einen kreisrunden Grundriss bilden, was einen etwas schlechteren Zufluss von kühlem Umgebungsmedium bewirkt.
Eine zweite Kührippenstruktur 25b unterscheidet sich hiervon dadurch, dass die Kühlrippen-Enden einen nicht runden und bspw. in etwa rechteckigen Grundriss bilden.
Eine dritte und eine vierte Kühlrippenstruktur 25c, 25d und alle weiteren Kühlrippenstrukturen unterscheiden sich von den ersten zwei Kühlrippenstrukturen 25a und 25b dadurch, dass hier die Kühlrippen in drei unterschiedlichen Längen so angeordnet sind, dass zum Zentrum hin keine zu engen Strömungskanäle entstehen, was eine verbesserte Strömung des Umgebungsmediums zur Folge hat. In anderen Worten, der Abstand von Endkanten der Kühlrippen zum Zentrum ist nicht konstant, und indem mindestens einige Kühlrippen nicht zu nah ans Zentrum gezogen sind, wodurch die Strömungskanäle zum Zentrum hin in Abweichung von einem sich stetig verjüngenden Verlauf leicht aufgeweitet sind.
Die vierte und eine fünfte und eine sechste Kühlrippenstruktur 25d, 25e, 25f weisen Kühlrippen auf, die zum Zentrum in höher werden, was eine nochmals verbesserte Strömung von Umgebungsmedium von den kühlen Zonen hin zum Zentrum der heissen Zonen mit sich bringt.
In Figur 2b sind unterschiedliche für quasi-vertikale Lage strömungsoptimierte Kühlrippenstrukturen 25 dargestellt. Der sonstige Aufbau des LED-Leuchtpaneels entspricht beispielsweise (hier ohne die Wärmeabzugslöcher) dem Aufbau der LED- Leuchtplatte in Fig. 2a.
Alle gezeichneten Kühlrippenstrukturen sind so angeordnet und geformt, dass die entstehenden Strömungskanäle gegen die kühlen Zonen hin deutlich breiter sind als über dem Zentrum der heissen Zonen, was über den heissen Zonen zu einer Vergrösserung der Kühl-Oberfläche (wegen einer erhöhten Rippendichte) führt und ein Abströmen heissen Umgebungsmediums nach oben vom Zentrum weg, sowie ein Nachströmen kühlen Umgebungsmediums von unten her zur Folge hat.
Die Kühlrippen der siebten Kühlrippenstruktur 25h weisen konstante Höhe auf.
Die Kühlrippen der achten und neunten Struktur 25i und 25j werden nach oben hin kontinuierlich höher, was eine noch weiter verbesserte Strömung mit sich bringt.
Die neunte Struktur 25j ist auf ihrer Oberfläche teilweise von einer dünnen Folie 25k bedeckt, was eine nochmalige Verbesserung der Strömung bringt und zusätzlich dafür sorgt, dass Umgebungsmedium, welches aus der darunter liegenden Struktur 25i ausströmt, zum grössten Teil aussen über die Folie 25k strömt und so vermehrt kühles Umgebungsmedium von unten her in die überdeckte Struktur 25j einströmt.
Die Herstellung von Überdeckungen der Kühlrippenstrukturen mit folienartigen Schichten 25k erscheint auf den ersten Blick aufwändig, was aber nicht der Fall ist.
Es genügt hierzu, eine dehnbare Folie, also beispielsweise eine Kunststofffolie mit einem entsprechenden Umformwerkzeug auf die Kühlrippen aufzuformen und mit diesen durch Erhitzung zu verbinden. Mit demselben Werkzeug kann dann, durch
Einfahren entsprechender Schneiden, die Folie so zerschnitten werden, dass die Folienteile welche sich nicht über den Kühlrippen befinden entfernt werden können,
Das Material der Folie muss so gewählt werden, dass es ersten bei massiger Wärme oder bei Raumtemperatur gedehnt werden kann, dass es zweitens durch Erwährung mit den Kühlrippen „verklebt" werden kann und dass es drittens den
Betriebstemperaturen des LED-Leuchtpaneels standhält. Geeignete Kunststofffolien finden sich am Markt in grosser Zahl. Als Beispiel sei eine PE-Folie genannt.
In Figur 3 ist das in Figur 2a für quasi-horizontale Lage beschriebene LED- Leuchtpaneel mit Kühlrippenstrukturen 35 mit Wärmeabzugslöchern 34 versehen. Die Bezeichnungen 31-35 entsprechen 21-25 in Figur 2a.
Die Wärmeabzugslöcher 34 sind so angeordnet und geformt, dass sich in den kühlen Zwischenzonen zwischen den LED-Chips 32 schlitzartige Löcher befinden, welche eine möglichst freie Strömung von der Unterseite des Paneels nach oben ermöglichen. Auf diese Weise wirkt die durch die Kühlrippenstrukturen 35 verbesserte natürliche Konvektion als Pumpe für Umgebungsmedium von der Unterseite des Paneels her und verhindert so nicht nur einen Hitzestau auf der Unterseite sondern saugt relativ kühles Umgebungsmedium nach oben.
Die zum Zentrum der heissen Zone hin höher werdende sechste Kühlrippenstruktur 35f ist in Fig.3 ebenso wie in der Figur 2a mit einer folienartigen Abdeckung 35g, 25g versehen, die sich in einem entsprechenden Aufbau über das gesamte LED- Paneel erstrecken kann. Diese folienartige Abdeckung 35g ist rund um die zentrale offene Zone der Kühlrippenstruktur 35f geöffnet, so dass hier heisses Umgebungsmedium ungehindert austreten kann. Mit einer solchen Abdeckfolie 35g wird erreicht, dass annähernd alles durch natürliche Konvektion nach oben wegströmendes Umgebungsmedium mit von unten her durch die Wärmeabzugslöcher und durch die von den Kühlrippen gebildeten Strömungskanäle hindurch strömendes kühles Umgebungsmedium ersetzt werden muss. Diese Ausführungsform der Erfindung funktioniert also auch dann, wenn keine lokalen Temperaturunterschiede auf der Oberseite des Paneel herrschen, welche von sich aus eine Konvektionsströmung erzeugen würden, also bspw. bei einer grossen lateralen Wärmeleitfähigkeit der Trägerplatte.
Die Herstellung einer solchen Abdeckfolie kann entsprechend dem zu Figur 2b skizzierten Herstellungs- Vorgehen geschehen.
In den Figuren 4a bis 4c sind unterschiedliche beispielhafte Ausführungen eines Konvektions-Kühlers dargestellt.
Im einfachsten, in Figur 4a gezeigten, Fall, besteht der Konvektions-Kühler aus einer Konvektionskühler-Trägerplatte 41, welche in geeigneten Abständen Konvektionslöcher 42 aufweist. Konzentrisch um diese Konvektionslöcher 42 angeordnet, befinden sich auf der Oberseite der Konvektionskühler-Trägerplatte 41 Heizelemente 43, die von elektrischen Leitungen 44 elektrisch kontaktiert werden. Im Beispiel handelt es sich um eine serielle elektrische Verbindung der Heizelemente 43. Wenn dies zweckmässig ist, können die Heizelemente mittels entsprechend angeordneter elektrischer Leitungen 44 natürlich auch parallel oder in seriellen Gruppen parallel elektrisch kontaktiert werden.
Die Heizelemente 43 sind entweder mit Dickfilm- oder mit Dünnfilmtechnik auf die Trägerplatte aufgebracht. Die elektrischen Verbindungen 44 in der Regel mit Dickfilmtechnik. Entsprechende Aufbauten sind beispielsweise aus der Technik von Tintenstrahldruckern mit Thermodruckköpfen, bei denen die Tinte durch pulsartige Erhitzung ausgestossen wird, allgemein bekannt. Im Bereich der Dünnfilmtechnik haben sich dort Heizelemente aus Platin, aus polykristallinem Silizium, aus Metall- Silizium-Nitrid Kompositen oder aus Metall-Silizium-Oxy-Nitrid Kompositen bewährt. Als Metalle im Falle der genannten Komposite werden Titan, Tantal, Chrom, Molybdän oder Wolfram verwendet. Im Bereich der Dickfilmtechnik existieren zahlreiche, frei am Markt erhältliche Widerstandspasten, die zum Aufbau von Heizelementen geeignet sind.
Heizelemente 43 und elektrische Leitungen 44 - bzw. der gesamte geschilderte Aufbau - sind von einer, nicht dargestellten, dünnen Passivierungsschicht überdeckt, welche die genannten Elemente gegen chemische bzw. elektrische Einflüsse aus der Umgebung schützt, so dass der gesamte Aufbau beispielsweise direkt im Wasser oder an der Luft unter direktem Einfluss von Regen und Schnee eingesetzt werden kann. Geeignete solche Schichten sind beispielsweise Dünnfilmschichten wie
Siliziumoxyd oder Silizium (oxyd)nitrid. Möglich ist aber auch der Einsatz einer mittels Plasmapolimerisation hergestellten PTFE-ähnlichen Dünnschicht.
Die Funktionsweise dieses einfachen Konvektions-Kühlers ist offensichtlich. Durch ein Erhitzen der Heizelemente 43 steigt Umgebungsmedium über denselben auf. Dadurch muss Umgebungsmedium von unten her durch die Konvektionslöcher 42 - und im Falle der Figur 4a auch von der Seite her - nachströmen, womit unterhalb des Kühlers ein Kühlstrom entsteht.
Der Wirkungsgrad des in Figur 4a skizzierten Konvektionskühlers kann durch zusätzliche Massnahmen noch gesteigert werden, dies wird in den unten stehenden Ausführungen klar. Eine entsprechende Verbesserung ist in Figur 4b dargestellt. Über der Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöcher 42, den Heizelementen 43 und den elektrischen Verbindungen 44 ist hier eine dicke Hilfsschicht 45 angeordnet, welche oberhalb der Löcher 42 Hilfsschicht-Konvektionslöcher 46 aufweist. Diese Hilfsschicht-Konvektionslöcher 46 besitzen mindestens auf der Seite mit der sie die Konvektionskühler-Trägerplatte 41 berühren einen Durchmesser der dem äussern Durchmesser der Heizelemente 43 entspricht. Nach oben hin können sich der Durchmesser der Hilfsschicht-Konvektionslöcher 46 allenfalls verkleinern 46c oder vergrössern 46b. Diese Hilfsschicht kann beispielsweise aus einer mit den entsprechenden Wärmeabzugslöchern gespritzten oder gestanzten und geprägten Kunststoffplatte bestehen, die nachträglich mit der Konvektionskühler-Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöcher 42, den Heizelementen 43 und den elektrischen Verbindungen 44 beispielsweise durch Verkleben verbunden wird. Sie kann aber auch aus einem der unten genannten Isolationsmaterialien bestehen. Oder sie kann aus einem fotostrukturierbaren Kunststoff wie beispielsweise Polyimid oder SU8 ganzflächig auf die Konvektionskühler-Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöcher 42, den Heizelementen 43 und den elektrischen Verbindungen 44 aufgesprüht oder
auflaminiert oder aufgerakelt wurde und dann mittels Tiefen-Fotolithographie mit den entsprechenden Konvektionslöchern 46 versehen wird.
Die durch diese Hilfsschicht 45 erzielte Verbesserung ist offensichtlich die, dass in einer solchen Anordnung kein Umgebungsmedium von der Seite her zu den Heizelementen 43 nachströmen kann und so das gesamte durch natürliche Konvektion nach oben wegströmende Umgebungsmedium von unten her durch die Konvektionslöcher 46, 42 nachgesaugt werden muss.
In Figur 4b ist eine weitere optionale Verbesserungsmöglichkeit skizziert. Der Wirkungsgrad des Konvektions-Kühlers wird umso höher je weniger der von den Heizelementen 43 erzeugten Wärme auf die Unterseite des Kühlers gelangt. Aus diesem Grunde befindet sich unterhalb der Konvektionskühler-Trägerplatte 41 eine Wärmeisolationsplatte 47 mit entsprechenden Konvektionslöcher 48.
Das Material dieser Wärmeisolationsplatte 47 ist natürlich so gewählt, dass diese einen möglichst niedrigen Wärmeleitwert λ aufweist. Denkbar ist Glas (λ ca. 1 [W/m K]) oder ein Kunststoff wie z.B. PVC (λ ca. 0.15). Vorzugsweise wird jedoch ein spezielles Wärmisolationsmaterial gewählt, wie beispielsweise gepresste und allenfalls gesinterte, gefällte Kieselsäure (λ ca. 0.018) oder PU-Schaum (λ ca. 0.025). Im Extremfall kann die Wärmeisolationsplatte 47 selbstverständlich auch als Vakuum-Isolations-Paneel aufgebaut werden, womit der Wärmeleitkoeffizient λ bis hinunter zu ca. 0.001 [W/m°K] gesenkt werden kann.
Natürlich ist es auch möglich, die Konvektionskühler-Trägerplatte 41 direkt aus beispielsweise einem der genannten Isolationsmaterialien aufzubauen.
Figur 4c zeigt eine weitere Verbesserungsmöglichkeit des Konvektions-Kühlers: Der in Figur 4b erläuterte Aufbau kann, theoretisch beliebig oft, im Sinne einer Sandwich-Struktur repetiert werden. In diesem Sinne folgen sich von unten nach oben eine Isolationsschicht 47, eine Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöchern, den Heizelementen und den elektrischen Verbindungen, erneut eine Isolationsschicht 47, erneut eine Konvektionskühler-Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöchern, den Heizelementen und den elektrischen Verbindungen. Dies kann beliebig oft wiederholt werden, sinnvoll ist ein Sandwich mit bis zu 5 Heizelemente beinhaltenden Konvektionskühler-Trägerplatten 41. Als oberer Abschluss des Sandwichs folgt schliesslich eine Hilfsschicht 45.
Damit ein solcher sandwichartiger Aufbau den bestmöglichen Wirkungsgrad erreicht, müssen die auf den Konvektionskühler-Trägerplatten 41 vorhandenen Heizelement von unten nach oben gesehen bei immer höheren Temperaturen betrieben werden. Damit wird erreicht, dass das durch natürliche Konvektion bereits aufsteigende heisse Umgebungsmedium von Schicht zu Schicht zusätzlichen Auftrieb erhält, womit der Durchfluss erhöht wird.
In der Figur 5 ist ein bezüglich Wärmeabtransport optimierter Gesamtaufbau eines LED-Lichtpaneels dargestellt. Dieser Aufbau besteht aus dem eigentlichen LED- Leuchtpaneel 51, das entsprechende Wärmabzugslöcher 52 und Kühlrippenstrukturen besitzt. In direkter Verbindung mit den Kühlrippen 53 ist ein - in diesem Beispiel, entsprechend Bild 4b einlagiger - Konvektionskühler 54 mit den Konvektionslöchern 55 angebracht. Selbstverständlich könnte auch ein mehrlagiger Konvektionskühler gewählt werden. Die Anordnung der Wärmeabzugslöcher 52, die Anordnung und Ausrichtung der Kühlrippenstrukturen 52 und die Anordnung der Konvektionslöcher 55 ist so gewählt, dass alles von unten durch die Wärmeabzugslöcher 52 oder von den Seiten her nachströmendes Umgebungsmedium an den Kühlrippenstrukturen 53 vorbei durch die
Konvektionslöcher 55 nach oben gesogen wird. In dieser Anordnung dient der Konvektionskühler also gleichzeitig als Abdeckung die dafür sorgt, dass das Umgebungsmedium an den Kühlrippen vorbei strömen muss.
Der Aufbau von Figur 5 stellt in sich eine Möglichkeit dar, wie beispielsweise eine Strassenleuchte mit LED als Lichtquelle aussehen kann. Das geschildert eigentliche LED -Leuchtpaneel 51 erlaubt eine sehr dicht Anordnung von LED-Chips (z.B. ca. 20 Chips/cm2) und lässt deshalb die Erzeugung sehr hoher Lichtdichten zu. Der geschilderte optimale Wärmeabtransport sorgt dafür, dass die maximal für eine hohe Lebensdauer zulässige Temperatur nicht überschritten wird. Die Tatsache, dass sowohl das eigentliche Leuchtpaneel 51 als auch der Konvektionskühler 54 so aufgebaut sind, dass sie direktem Einfluss von Wind und Wetter ausgesetzt werden dürfen, erlaubt schlussendlich, dass der gesamte Aufbau ohne zusätzliche Gehäusung an geeigneten Orten, also beispielsweise am oberen Ende eines Mastes oder an entsprechenden Halterungskabeln angebracht werden kann.