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1. WO2017075721 - VERFAHREN ZUM KÜHLEN EINES AN EINEM KÜHLKÖRPER ANGEORDNETEN LED-LEUCHTMITTELS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Verfahren zum Kühlen eines an einem Kühlkörper angeordneten LED-Leuchtmittels

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Küh- len eines an einem Kühlkörper angeordneten LED-Leuchtmit- tels sowie eine LED-Beleuchtungsanordnung zur Durchführ- ung des Verfahrens gemäss den Oberbegriffen der unabhän- gigen Patentansprüche.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Kühlung der LED-Halbleiter in Hochleistungs-LED-Be- leuchtungssystemen, wie sie heute unter anderem in allge-meinen LED-Beleuchtungen im Innen- und Aussenbereich, für Strassenlampen, Arbeitsplatz-Beleuchtungen, Medizinal- leuchten, technische Beleuchtungen, etc. eingesetzt wer-den.

STAND DER TECHNIK

Jedes Hochleistungs-LED-Beleuchtungssystem -d.h. mit typischen elektrischen Eingangsleistungen im ein- bis dreistelligen Wattbereich - benötigt zur ein-wandfreien und langlebigen Funktion ein Kühlsystem auf niedrigem Temperaturniveau. Diese Kühlung wird heute nach dem Stand der Technik typischerweise mittels direkter Passisvkühlung so realisiert, dass die LED-Arrays (Geo-metrische Anordnung von mehreren bis hunderten von LED-Halbleiterchips) planar auf einem wärmeleitenden Kühlsub-strat (meist Aluminiumkern-Platine oder Keramik-Substrat) sitzen. Dieses Kühlsubstrat wird dann von innen in ein wärmeleitendes Lampengehäuse eingebaut, welches aussen mit Kühlrippen versehen ist. Die Wärmeabgabe an die Umge-bung erfolgt durch Wärmestrahlung und Erwärmung der Luft, welche durch Konvektion die anfallende Abwärme abtrans-portiert. Die optische Austrittsöffnung des Lampengehäu-ses ist mit einem transparenten planen oder refraktiven Material (z.B. Glas, PMMA oder Polycarbonat, etc.) ver-schlossen. Die aussenliegenden Kühlrippen neigen zur Ver- schmutzung - womit ein nicht unerheblicher Wartungsauf- wand (besonders im Bereich von Aussenbeleuchtungen oder staubiger Umgebung) entsteht. Nichtplanare Leuchtflächen- Geometrien (z.B. Punkt- und Linienstrahler zur Erzeugung richtbaren Lichts und zur Verminderung von Blendung) sind mit dieser Konstruktion kaum zu realisieren.

Andere, passiv gekühlte Konstruktionen plat- zieren den Kühlkörper mit den LED in einem hermetisch abgeschlossenen Lampengehäuse. Durch die Erwärmung des Kühlkörpers kommt in einem Temperaturdifferenzbereich von ca. 40...60°C eine freie Konvektionsströmung zustande, wel-che an den kühleren Wänden des Lampengehäuses entlang-streicht, die Wärme daran abgibt und diese wiederum an der Aussenseite an die Umgebung durch Konvektion abgibt. Nichtplanare Leuchtfeldgeometrien sind zwar möglich, je-doch ist die Leistung solcher Systeme auf den tiefen zweistelligen Wattbereich (typisch 15...30W) begrenzt.

Die typischen Sperrschichttemperaturen der LED liegen bei diesen Konstruktionen bei 100...130°C. Unglücklicherweise verkürzen aber derart hohe Betriebstemperaturen nicht nur deren Lebensdauer massiv, sondern reduzieren auch massiv die Lichtleistung der LED.

Wieder andere Konstruktionen nutzen eine ak-tive Fluidkühlung, wobei Flüssigkeitskühlsysteme wegen Kostengründen nicht gebräuchlich sind. Durch Lüfter di-rekt mit Aussenluft zwangsgekühlte LED-Beleuchtungssys-teme haben sich zwar als sehr effizient und kompakt er-wiesen und erlauben auch die Realisierung von nichtplana-ren Leuchtfeldgeometrien mit hohen Leuchtdichten; aller-dings zum Preis, dass die dem System zugeführte Umge-bungsluft das aktive Kühlsystem (Lüfterflügel, Kühlrip-pen, Gehäuseteile, Filter, etc.) rasch verschmutzt, wo-durch die Wartungskosten sogar noch höher sind als bei den klassischen passiv gekühlten Systemen. Im Aussenbe-reich sind bislang alle Versuche zur Realisierung von wirtschaftlich arbeitenden offenen AktivkühlSystemen we-gen Nässe, Schnee, Staub, Pollen, Russ, Insekten, etc. gescheitert. Typische Reinigungsintervalle liegen im Bereich einiger Monate bis zu einem halben Jahr, was für gewerbliche Anwendungen unakzeptable ist. Im Vergleich: Konventionelle Strassenlampen werden - abhängig vom Auf- stellungsort - in Abständen von 1 bis 5 Jahren gereinigt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine tech- nische Lösung zur Verfügung zu stellen, welche die zuvor erwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht auf- weist oder zumindest teilweise vermeidet. Insbesondere stellt sich die Aufgabe ein Kühlverfahren und eine LED- Beleuchtungsanordnung zu schaffen, welche in der Lage sind, bei mehrfacher LED-Leistung (gegenwärtig 50...400W) ohne externe Lampenkühlkörper die Sperrschichttemperatu-ren der LED auf höchstens 50...80°C zu halten.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Demgemäss betrifft ein erster Aspekt der Er-findung ein Verfahren zum Kühlen eines an einem Kühlkör-per angeordneten LED-Leuchtmittels, z.B. eines einzelnen LED-Chips oder eines LED-Arrays (Geometrische Anordnung von mehreren bis hunderten von LED-Halbleiterchips).

Dabei wird der Kühlkörper mit dem daran ange-ordneten LED-Leuchtmittel in einem fluiddichten, bevor-zugterweise hermetisch dicht geschlossenen und mit einem Fluid (gasförmig oder flüssig), bevorzugterweise Luft, gefüllten Gehäuse angeordnet, welches einen Lichtaus-trittsbereich (anspruchsgemässer erster Teilbereich) auf-weist, in welchem die Gehäusewände im Wesentlichen, d.h. vollständig oder zumindest zum grössten Teil, aus einem transparenten Material, bevorzugterweise Glas, gebildet sind und als Austrittsfläche für das von dem LED-Leucht-mittel erzeugte Licht dienen. Innerhalb dieses Gehäuses wird eine oder werden mehrere zwangskonvektive Umlauf-Strömungen des im Gehäuse befindlichen Fluids erzeugt, wozu eine bevorzugterweise elektrisch betriebene Förder- einrichtung verwendet wird. Mit „Umlaufströmung" werden hier Fluiströmungen bezeichnet, bei denen die Strömung einen Kreislauf ausbildet.

Je nachdem, ob ein gasförmiges oder flüssiges Fluid zum Einsatz kommt, kann diese Fördereinrichtung beispielsweise ein Lüfter, ein Gebläse, ein Propeller oder eine Pumpe sein. Bei mehreren Umlaufströmungen kann eine gemeinsame Fördereinrichtung für mehrere oder für alle Umlaufströmungen zum Einsatz kommen oder auch mehre-re Fördereinrichtungen.

Dabei werden die Umlaufströmungen, gegebenen-falls unter Zuhilfenahme von Strömungsleiteinrichtungen wie z.B. Luftleitbleche, Luftkanäle, Luftrohre, Hilfslüf-ter und Trennwände, derartig erzeugt, dass sie entlang von Kühlflächen des Kühlkörpers und anschliessend entlang von Gehäusewandflächen strömen und dabei fortwährend Wär-me von dem Kühlkörper aufnehmen und an die Gehäusewände abgeben.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird es möglich, LED-Beleuchtungsanordnungen mit geschlossenen Gehäusen zur Verfügung zu stellen, welche trotz eines Verzichts auf externe Lampenkühlkörper auch bei grossen LED-Leistungen relativ geringe Sperrschichttemperaturen der LED ermöglichen.

Damit sind auch nichtplanare Leuchtfeldgeo-metrien (z.B. samt Ankopplung an blendarme Reflektoropti-ken) möglich, und das bei deutlich höheren Leistungen und gleichzeitig niedrigeren LED-Sperrschichttemperaturen als bei bisherigen LED-Beleuchtungssystemen. Durch das von der Umgebung abgeschlossene Fluidvolumen entsteht auch keinerlei Verschmutzung. Die Lebensdauer heutiger Spezi-allüfter mit Keramik-, Magnet- oder Fluiddynamik-Lagern liegt im Bereich der zu erwartenden LED-Lebensdauer. Man-gels Aussenkühlkörper sind auch die Reinigungsintervalle nicht höher als bei den bisherigen glattwandigen Leuch-tengehäusen.

Auch ist es durch das erfindungsgemässe Ver- fahren nun möglich, die optisch transparanten, aber bis- lang nicht oder kaum genutzten Lichtaustritts-Abdeckungen (z.B. Deckgläser bei Flutlicht- oder Scheinwerfer-Gehäu- sen, Rundum-Verglasung bei Laternen oder Glaskugeln bei Kugelleuchten) für die Wärmeabfuhr zu nutzen und in die Systemauslegung einzubeziehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Ver- fahrens wird ein Gehäuse verwendet, welches einen Nicht- lichtaustrittsbereich (anspruchsgemässer zweiter Teilbe- reich) aufweist, in dem die Gehäusewände im bestimmungs- gemässen Betrieb nicht als Austrittsfläche für das von dem LED-Leuchtmittel erzeugte Licht dienen und bevorzug- terweise ganz oder zum grössten Teil aus einem nicht- transparenten Material gebildet sind, mit Vorteil aus einem metallischen Material, z.B. aus Aluminium, Kupfer, Messing oder Edelstahl. Dabei wird die Umlaufströmung oder werden die Umlaufströmungen derartig erzeugt, dass sie entlang von Gehäusewandflächen des Lichtaustrittsbe-reichs des Gehäuses und/oder entlang von Gehäusewandflä-chen des Nichtlichtaustrittsbereichs des Gehäuses geführt wird oder werden. Je nach Lampenbauart und Kühlkonzept kann die eine oder die andere dieser Alternativen oder auch die Kombination derselben besonders bevorzugt sein.

Dabei ist es weiter bevorzugt, dass mehrere Umlaufströmungen erzeugt werden, insbesondere genau zwei Umlaufströmungen, und zwar derart, dass eine erste Um-laufströmung entlang von Kühlflächen des Kühlkörpers und sodann entlang von Gehäusewandflächen des Lichtaustritts-bereich des Gehäuses geführt wird und eine zweite Umlauf-strömung entlang von Kühlflächen des Kühlkörpers und so-dann entlang von Gehäusewandflächen des Nichtlichtaus-trittsbereichs des Gehäuses geführt wird. Auf diese Weise lassen sich sowohl die Gehäusewandflächen des Lichtaus-trittsbereichs als auch die Gehäusewandflächen des Nicht-lichtaustrittsbereichs des Gehäuses besonders intensiv zur Wärmeabführung nutzen.

Dies geschieht mit Vorteil mit einer gemein- samen Fördereinrichtung für die Umlaufströmungen. Hier- durch kann der anlagentechnische Aufwand gering gehalten werden.

In einer ersten bevorzugten Variante des Ver- fahrens, bei welchem mehrere Umlaufströmungen erzeugt werden, wird die erste Umlaufströmung derartig erzeugt, dass sie im Wesentlichen in einer vertikalen Ebene um- läuft. Die zweite Umlaufströmung wird derartig erzeugt, dass sie im Wesentlichen in einer vertikalen oder hori- zontalen Ebene umläuft. Diese VerfahrensVariante eignet sich besonders für Lampengeometrien, welche einen topf- förmigen Lichtaustrittsbereich aufweisen, an dessen Ober- seite ein topf- oder deckeiförmiger Nichtlichtaustritts-bereich anschliesst, wie z.B. klassische Hängelampen oder Gartenlaternen.

In einer anderen bevorzugten Variante des Verfahrens, bei welchem mehrere Umlaufströmungen erzeugt werden, werden die Umlaufströmungen derartig erzeugt, dass sie im Wesentlichen in einer vertikalen Ebene umlau-fen. Diese Verfahrensvariante eignet sich besonders für flache grossflächige Lampengeometrien, wie z.B. flächige Decken- oder Tunnelleuchten.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführ-ungsvariante des Verfahrens, bei welchem mehrere Umlauf-Strömungen erzeugt werden, wird die erste Umlaufströmung derartig erzeugt, dass sie zuerst entlang von Gehäuse-wandflächen des Lichtaustrittsbereichs des Gehäuses strömt und sodann in die zweite Umlaufströmung einströmt, mit welcher sie dann gemeinsam entlang von Gehäusewand-flächen des Nichtlichtaustrittsbereichs des Gehäuses strömt, bevor der aus der ersten und der zweiten Umlauf-Strömung gebildete Gesamtstrom wieder zum Kühlkörper strömt.

Wird dabei, was bevorzugt ist, an derjenigen Stelle, an der die erste Umlaufströmung in die zweite Umlaufströmung eintritt, durch die strömende zweite Um- laufströmung ein Druckgefälle erzeugt, z.B. mittels einer ejektorartigen Ausbildung von strömungsführenden Bautei- len (Strömungspumpe), über welches die erste Umlaufströ- mung in die zweite Umlaufströmung hineingesaugt wird, so ergibt sich eine besonders intensive erste Umlaufströmung mit entsprechend gutem Wärmetausch an den Gehäusewandflä- chen. Auch wird es hierdurch möglich, selbst in relativ grossen und tiefem topfförmigen Gehäusegeometrien eine stabile Umlaufströmung entlang der Gehäusewandflächen zu erzielen.

In noch einer anderen bevorzugten Ausführ- ungsvariante des Verfahrens, bei welchem mehrere Umlauf- strömungen erzeugt werden, werden die erste und die zwei- te Umlaufströmung, nachdem sie getrennt voneinander ent- lang von Gehäusewandflächen des Lichtaustrittsbereichs des Gehäuses bzw. des Nichtlichtaustrittsbereichs des Gehäuses geführt worden sind, zusammengeführt und dann als Gesamtstrom wieder zum Kühlkörper geführt. Durch das separate Entlangführen der Umlaufströmungen entlang den jeweiligen Gehäusewandflächen ergibt sich der Vorteil, dass eine optimale Wärmeübertragung an die Gehäusewand-flächen möglich ist, da die Wärmere der beiden Umlauf-strömungen nicht durch die Kältere gekühlt wird, was mit einer Verschlechterung ihres Wärmetausch-Wirkungsgrads einhergehen würde.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens, bei welchem mehrere Umlaufströmungen erzeugt werden, die als Gesamtstrom zum Kühlkörper geführt wer-den, erfolgt die Aufteilung des von der Fördereinrichtung zum Kühlkörper geführten GesamtStromes innerhalb des Kühlkörpers, und zwar derart, dass die Fluidströme, wel-che die erste und die zweite Umlaufströmung bilden, den Kühlkörper an unterschiedlichen Orten, insbesondere in entgegengesetzten Richtungen, verlassen. Hierdurch kann auf zusätzliche Aufteilungseinrichtungen verzichtet wer-den.

Mit Vorteil werden dabei die Fluidteilströme, welche die erste und die zweite Umlaufströmung bilden, im Kühlkörper umgelenkt, bevorzugterweise jeweils um 90°. Hierdurch ergibt sich ein verbesserter Wärmeübergang vom Kühlkörper auf die Fluidströme.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsvari- ante des Verfahrens, bei welchem mehrere Umlaufströmungen erzeugt werden, die als Gesamtstrom zum Kühlkörper ge- führtwerden, erfolgt die Aufteilung des von der Förder-einrichtung zum Kühlkörper geführten Gesamtstromes strom-abwärts von dem Kühlkörper. Es wird also der vom Kühlkör-per erwärmte Gesamtstrom erst nach dem Kühlkörper in die Fluidteilströme, welche die erste und die zweite Umlauf-strömung bilden, aufgeteilt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Kühlkörper beabstandet von den Gehäusewänden angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich eine grosse Gestal-tungsfreiheit bezüglich der Platzierung des Kühlkörpers im Gehäuse ergibt.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Kühlkörper in Kontakt mit einer Gehäusewand angeordnet, derart, dass eine Übertragung von Wärme vom Kühlkörper auf die Gehäu-sewandung mittels Wärmeleitung erfolgen kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Teil der Wärme des Kühlkörpers bereits durch Wärmeleitung an die Gehäusewand abgegeben werden kann und nur die verbleibende Restwärme zwangskonvektiv mittels einer oder mehrerer Umlaufströ-mungen abgeführtwerden muss. So ist es z.B. für klassi-sche Hängelampen oder Strassen- bzw. Gartenlaternen, wel-che einen topfförmigen Lichtaustrittsbereich aufweisen an dessen Oberseite ein topf- oder deckeiförmiger Nicht-lichtaustrittsbereich anschliesst, vorgesehen, den Kühl-körper in wärmeleitenden Kontakt mit Gehäusewandflächen des Nichtlichtaustrittsbereichs anzuordnen und innerhalb des Lichtaustrittsbereichs eine anspruchsgemässe Umlauf- strömung zu erzeugen, welche entlang von Gehäusewandflä- chen dieses Bereichs strömt und dabei vom Kühlkörper auf- genommen Wärme an diese Gehäusewände abgibt.

Weiter ist es bevorzugt, die Förderleistung der Fördereinrichtung oder gegebenenfalls der Förderein- richtungen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zu regeln und dadurch die Förderleistung an die momentan er- forderliche Wärmetransportleistung anzupassen, wodurch sich Stromeinsparungen ergeben und gleichzeitig die Ab- nutzung der Antriebe reduziert wird.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ei- ne LED-Beleuchtungsanordnung (LED-Beleuchtungssystem) zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung. Diese umfasst ein an einem Kühlkörper angeord- netes LED-Leuchtmittel, z.B. einen einzelnen LED-Chip oder ein LED-Array (Geometrische Anordnung von mehreren bis hunderten von LED-Halbleiterchips), sowie mindestens eine bevorzugterweise elektrisch betriebene Förderein-richtung zur Erzeugung eines Fluidstroms zum Kühlen des Kühlkörpers. Der Kühlkörper mit dem daran angeordneten LED-Leuchtmittel und die Fördereinrichtung sind innerhalb eines fluiddichten, bevorzugterweise hermetisch dicht geschlossenen Gehäuses angeordnet, welches mit einem Fluid (gasförmig oder flüssig), bevorzugterweise Luft, gefüllt ist.

Je nachdem, ob ein gasförmiges oder flüssiges Fluid zum Einsatz kommt, kann die Fördereinrichtung bei-spielsweise ein Lüfter, ein Gebläse, ein Propeller oder eine Pumpe sein.

Das Gehäuse weist einen Lichtaustrittsbereich (anspruchsgemässer ersten Teilbereich) auf, in welchem die Gehäusewände im Wesentlichen aus einem transparenten Material, bevorzugterweise Glas, gebildet sind und im bestimmungsgemässen Betrieb als Austrittsfläche für das von dem LED-Leuchtmittel erzeugte Licht dienen.

Der Kühlkörper und die Fördereinrichtung sind, gegebenenfalls unter Verwendung von zusätzlichen Strömungsleiteinrichtungen wie z.B. Luftleitbleche, Luft- kanäle, Luftrohre, Hilfslüfter und Trennwände, derartig ausgestaltet und im Gehäuse angeordnet, dass sich im be- stimmungsgemässen Betrieb der LED-Beleuchtungsanordnung bei aktivierter Fördereinrichtung mindestens eine durch die Fördereinrichtung erzeugte zwangskonvektive Umlauf-strömung (Fluidströmungen, bei der die Strömung einen Fluidkreislauf ausbildet) aus dem im Gehäuse befindlichen Fluid ergibt, welche entlang von Kühlflächen des Kühlkör-per und sodann entlang von Gehäusewandflächen strömt und dabei fortwährend Wärme von dem Kühlkörper aufnimmt und an die Gehäusewände abgibt. Hierdurch ergeben sich die bereits unter dem ersten Aspekt der Erfindung dargelegten Vorteile und Möglichkeiten.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse zudem einen Nichtlichtaustrittsbereich auf (anspruchsgemässer zweiter Teilbereich), in welchem die Gehäusewände im bestimmungsgemässen Betrieb nicht als Austrittsfläche für das von dem LED-Leuchtmittel erzeugte Licht dienen und bevorzugterweise ganz oder zum grössten Teil aus einem nicht-transparenten Material gebildet sind, mit Vorteil aus einem metallischen Material, z . B . aus Aluminium, Kupfer, Messing oder Edelstahl. Dabei ist die LED-Beleuchtungsanordnung derartig ausgebildet, oder mit anderen Worten gesagt, sind das Gehäuse, der Kühlkör-per, die Fördereinrichtung und die gegebenenfalls vorhan-denen zusätzlichen Strömungsleiteinrichtungen derartig ausgebildet, dass im bestimmungsgemässen Betrieb bei aktivierter Fördereinrichtung die mindestens eine Umlauf-strömung entlang von Gehäusewandflächen des Lichtaus-trittsbereichs des Gehäuses und/oder entlang von Gehäuse-wandflächen des Nicht1ichtaustrittsbereichs des Gehäuses strömt. Je nach Bauart und Kühlkonzept der LED-Beleuch- tungsanordnung kann die eine oder die andere dieser Al- ternativen oder auch die Kombination derselben besonders bevorzugt sein.

Dabei ist es weiter bevorzugt, dass die LED- Beleuchtungsanordnung derartig ausgebildet ist, dass sich im bestimmungsgemässen Betrieb bei aktivierter Förderein- richtung mehrere Umlaufströmungen ergeben, insbesondere genau zwei Umlaufströmungen, von denen eine erste Umlauf- Strömung zuerst entlang von Kühlflächen des Kühlkörpers und sodann entlang von Gehäusewandflächen des Lichtaus- trittsbereich des Gehäuses strömt und eine zweite Umlauf- strömung zuerst entlang von Kühlflächen des Kühlkörpers und sodann entlang von Gehäusewandflächen des Nichtlicht- austrittsbereich des Gehäuses strömt. Auf diese Weise lassen sich sowohl die Gehäusewandflächen des Lichtaus- trittsbereichs als auch die Gehäusewandflächen des Nicht- lichtaustrittsbereichs des Gehäuses besonders intensiv zur Wärmeabführung nutzen.

Mit Vorteil weist die LED-Beleuchtungsanord-nung eine gemeinsame Fördereinrichtung für sämtliche Um-laufströmungen auf. Hierdurch kann der anlagentechnische Aufwand gering gehalten werden.

In einer ersten bevorzugten Variante der LED-Beleuchtungsanordnung, bei welcher sich im bestimmungsge-mässen Betrieb bei aktivierter Fördereinrichtung mehrere Umlaufströmungen ergeben, ist die Beleuchtungsanordnung derartig ausgebildet, dass die erste Umlaufströmung im Wesentlichen in einer vertikalen Ebene umläuft und zweite Umlaufströmung im Wesentlichen in einer vertikalen Ebene oder einer horizontalen Ebene umläuft. Diese Variante eignet sich besonders für erfindungsgemässe LED-Beleuch-tungsanordnungen, welche einen topfförmigen Lichtaus-trittsbereich aufweisen, an dessen Oberseite ein topf-oder deckeiförmiger NichtIichtaustrittsbereich an-schliesst, wie dies z.B. bei klassischen Hängelampen oder Gartenlaternen der Fall ist.

In einer zweiten bevorzugten Variante der LED-Beleuchtungsanordnung, bei welcher sich im bestim- mungsgemässen Betrieb bei aktivierter Fördereinrichtung mehrere Umlaufströmungen ergeben, ist die Beleuchtungsan- ordnung derartig ausgebildet, dass sämtliche Umlaufströ- mungen jeweils im Wesentlichen in einer horizontalen Ebe- ne umlaufen. Diese Variante eignet sich besonders für er- findungsgemässe LED-Beleuchtungsanordnungen, welche fla- che grossflächige Gehäusegeometrien aufweisen, wie z.B. flächige Decken- oder Tunnelleuchten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsva- riant der LED-Beleuchtungsanordnung, bei welcher sich im bestimmungsgemässen Betrieb bei aktivierter Förderein- richtung mehrere Umlaufströmungen ergeben, ist die Be- leuchtungsanordnung derartig ausgebildet, dass die erste Umlaufströmung, nachdem sie entlang von Gehäusewandflä- chen des Lichtaustrittsbereichs des Gehäuses geströmt ist, in die zweite Umlaufströmung einströmt und mit die- ser dann gemeinsam entlang von Gehäusewandflächen des Nichtlicht austrittsbereichs des Gehäuses strömt, bevor der aus der ersten und der zweiten Umlaufströmung gebil-dete Gesamtstrom wieder zum Kühlkörper strömt.

Ist dabei, was bevorzugt ist, die Beleuch-tungsanordnung derartig ausgebildet, dass an derjenigen Stelle, an der die erste Umlaufströmung in die zweite Umlaufströmung einströmt, durch die strömende zweite Umlaufströmung ein Druckgefälle erzeugt wird, z.B. mit-tels einer ejektorartigen Ausbildung von strömungsführen-den Bauteilen (Strömungspumpe), über welches die erste Umlaufströmung in die zweite Umlaufströmung hineingesaugt wird, so ergibt sich eine besonders intensive erste Um-laufströmung mit entsprechend gutem Wärmetausch an den Gehäusewandflächen. Auch wird es hierdurch möglich, selbst in relativ grossen und tiefen topfförmigen Gehäu-segeometrien eine stabile Umlaufströmung entlang der Ge-häusewandflächen zu erzielen.

In noch einer anderen bevorzugten Ausführ- ungsvariante der LED-Beleuchtungsanordnung, bei welcher sich im bestimmungsgemässen Betrieb bei aktivierter För- dereinrichtung mehrere Umlaufströmungen ergeben, ist die Beleuchtungsanordnung derartig ausgebildet, dass die ers- te und die zweite Umlaufströmung, nachdem sie getrennt voneinander entlang von Gehäusewandflächen des Lichtaus- trittsbereichs des Gehäuses bzw. des Nichtlichtaustritts- bereichs des Gehäuses geströmt sind, zusammenströmen und dann als Gesamtstrom wieder zum Kühlkörper strömen. Durch das separate Entlangströmen der Umlaufströmungen entlang der jeweiligen Gehäusewandflächen ergibt sich der Vor-teil, dass eine optimale Wärmeübertragung an die Gehäuse-wandflächen möglich ist, da die Wärmere der beiden Um-laufströmungen nicht durch die Kältere gekühlt wird, was mit einer Verschlechterung ihres Wärmetausch-Wirkungs-grads einhergehen würde.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der LED-Beleuchtungsanordnung, bei welcher sich im bestim-mungsgemässen Betrieb bei aktivierter Fördereinrichtung mehrere Umlaufströmungen ergeben und bei welcher die Um-laufströmungen als Gesamtström wieder zum Kühlkörper strömen, ist die Beleuchtungsanordnung derartig ausgebil-det, dass die Aufteilung des zum Kühlkörper geführten Ge-samtstromes innerhalb des Kühlkörpers erfolgt, und zwar derart, dass die Fluidteilströme, weiche die erste und die zweite Umlaufströmung bilden, den Kühlkörper an un-terschiedlichen Orten, insbesondere in entgegengesetzten Richtungen, verlassen. Hierdurch kann auf zusätzliche Aufteilungseinriebtungen verzichtet werden.

Mit Vorteil werden dabei die Fluidströme, welche die erste und die zweite Umlaufströmung bilden, im Kühlkörper umgelenkt, bevorzugterweise jeweils um 90°. Hierdurch ergibt sich ein verbesserter Wärmeübergang vom Kühlkörper auf die Fluidströme.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsvari-ante der LED-Beleuchtungsanordnung, bei welcher sich im bestimmungsgemässen Betrieb bei aktivierter Fördereinr- ichtung mehrere Umlaufströmungen ergeben und bei welcher die Umlaufströmungen als Gesamtstrom wieder zum Kühlkör- per strömen, ist die Beleuchtungsanordnung derartig aus- gebildet, dass die Aufteilung des Gesamtstromes stromab-wärts von dem Kühlkörper erfolgt. Es wird also der vom Kühlkörper erwärmte Gesamtstrom erst nach dem Kühlkörper in die Fluidteilströme, welche die erste und die zweite Umlaufströmung bilden, aufgeteilt.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführ-ungsform der erfindungsgemässen LED-Beleuchtungsanordnung ist der Kühlkörper beabstandet von den Gehäusewänden angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich eine grosse Gestaltungsfreiheit bezüglich der Platzierung des Kühlkörpers im Gehäuse ergibt.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen LED-Beleuchtungsanordnung ist der Kühlkörper in Kontakt mit einer Gehäusewand angeordnet, derart, dass eine Übertragung von Wärme vom Kühlkörper auf die Gehäusewandung mittels Wärmeleitung erfolgen kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Teil der Wärme des Kühlkörpers bereits durch Wärmeleitung an die Gehäusewarid abgegeben werden kann und nur die ver-bleibende Restwärme zwangskonvektiv mittels einer oder mehrerer Umlaufströmungen abgeführt werden muss. So ist es z.B. für klassische Hängelampen oder Gartenlaternen, welche einen topfförmigen Liehtaustrittsbereich aufweisen an dessen Oberseite ein topf- oder deckeiförmiger Nicht-lichtaustrittsbereich anschliesst, vorgesehen, den Kühl-körper in wärmeleitenden Kontakt mit Gehäusewandflächen des Nichtlichtaustrittsbereichs anzuordnen und innerhalb des Lichtaustrittsbereichs eine anspruchsgemässe Umlauf-strömung zu erzeugen, welche entlang von Gehäusewandflä-chen dieses Bereichs strömt und dabei vom Kühlkörper auf-genommen Wärme an diese Gehäusewände abgibt.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführ- ungsform umfasst die LED-Beleuchtungsanordnung einen Re- flektor zur Reflektion und/oder Bündelung des von dem LED-Leuchtmittel erzeugten Lichts. Dabei dient der Re- flektor im bestimmungsgemässen Betrieb als Strömungsleit- einrichtung für die mindestens eine Umlaufströmung und/- oder als Kühlkörper für das mindestens eine LED-Leucht-mittel .

In noch einer anderen bevorzugten Ausführ- ungsform der LED-Beleuchtungsanordnung ist deren Gehäuse mit einem anderen Fluid als Luft gefüllt ist, bevorzug- terweise mit Wasserstoff, Helium, Fluorkohlenwasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid oder Schwefelhexafluorid. So kann z.B. bei Füllung des Gehäuses mit Helium statt Luft bei gleichem Volumenstrom rund fünfmal mehr Wärme trans-portiert werden bzw. die Lüfterleistung reduziert sich bei gleicher Wärmetransportleistung sogar. auf den Faktor 1/53 (=0.008).

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführ-ungsform der LED-Beleuchtungsanordnung ist das Fluid im Gehäuse ein gasförmiges Fluid, welches unter einem Über-druck steht. Hierdurch lässt sich die Wärmetransport-fähigkeit des Fluids erhöhen.

Möglich ist z.B. auch eine Kombination aus Druckerhöhung und einem anderen Fluid als Luft, z.B. He-lium. Ebenfalls sind chemisch inerte Flüssigkeiten (z.B. Fluorchlor-Kohlenwasserstoffe) mit hoher Wärmekapazität als Fluid vorgesehen.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführ-ungsform umfasst die LED-Beleuchtungsanordnung, angeord-net im Gehäuse in einem Bereich, der im bestimmungsgemäs-sen Betrieb bei aktivierter Fördereinrichtung von dem Fluid durchströmt oder umströmt wird, Mittel zum Zurück-halten von Schmutzpartikeln und/oder zur Verhinderung von Kondensation, wie z.B. Feinfilter, Elektrofilter, Zeolit-he und/oder adsorbierende Stoffe, insbesondere Silikagel.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführ- ungsform umfasst die LED-Beleuchtungsanordnung thermo- statische und/oder auf Sonneneinstrahlung reagierende Sicherheits- bzw. Stromsparvorrichtungen, welche eine Überhitzung des LED-Leuchtmittels mittels einer Reduktion der Versorgungsenergie bzw. mittels Abschaltung verhin- dern, wenn zu hohe LED-Temperaturen und/oder direkte Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse festgestelltwerden.

Weiter ist es bevorzugt, dass die LED-Be- leuchtungsanordnung Einrichtungen aufweist, welche die Förderleistung der Fördereinrichtungen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur regeln und dadurch die För-derleistung an die momentan erforderliche Wärmetransport- leistung anpassen, wodurch sich Stromeinsparungen ergeben und gleichzeitig die Abnutzung der Antriebe reduziert wi rd.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zei-gen:

Fig. 1 das Funktionsprinzip einer ersten er-findungsgeinässen LED-Beleuchtungsanordnung mit der Gehäu-seform einer klassischen Laterne;

Fig. 2 das Funktionsprinzip einer zweiten er-findungsgemässen LED-Beleuchtungsanordnung in Form einer quaderförmigen Hochleistungs-LED-Leuchte; und

Fig. 3 das Blockschema eines Überhitzungs-Schutzes für eine erfindungsgemässe LED-Beleuchtungsan-ordnung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Figuren 1 und 2 verdeutlichen das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens zum Kühlen eines an ei-nem Kühlkörper 1 angeordneten LED-Leuchtmittels 2 anhand einer ersten erfindungsgemässen LED-Beleuchtungsanordnung mit zwei Umlaufströmungen 8, 9 in Form einer klassischen Laterne (Fig. 1) und anhand einer zweiten erfindungsge- mässen LED-Beleuchtungsanordnung mit drei Umlaufströmun- gen 8, 9, 10 in Form einer guaderförmigen Hochleistungs- LED-Leuchte mit 150W Anschlussleistung (Fig. 2).

Die in Fig. 1 gezeigte Laterne weist einen topfförmigen, rundum verglasten unteren Gehäuseteil 5a auf (anspruchsgemässer ersten Teilbereich des Gehäuses), welcher im bestimmungsgemässen Betrieb als Austritts- fläche für das von dem LED-Leuchtmittel 2 erzeugte Licht dient. An das obere Ende dieses Gehäuseteils 5a schliesst ein haubenförmiger Metalldeckel 5b mit Zieraufbauten an (anspruchsgemässer zweiter Teilbereich des Gehäuses). Der verglaste untere Gehäuseteil 5a und der Metalldeckel 5b bilden zusammen ein hermetisch dichtes Lampengehäuse 5, welches mit Luft 6 gefüllt ist.

Das LED-Leuchtmittel 2 ist an einem Finger- oder Finnenkühlkörper 1 angeordnet, welcher zentral im Übergangsbereich zwischen dem verglasten unteren Gehäuse-teil 5a und dem Metalldeckel 5b angeordnet ist und im be-stimmungsgemässen Betrieb mittels eines darüber angeord-neten elektrischen Ventilators 3 gekühlt wird.

Wie aus den die Luftströme andeutenden Pfei-len erkennbar ist, wird der von dem Ventilator 3 in den Kühlkörper 1 eingeblasene Gesamtluftström 4 im Kühlkörper 1 in zwei separate Fluidströme aufgeteilt, welche jeweils um ca. 90° in entgegengesetzte Richtungen umgelenkt wer-den, so dass sie den Kühlkörper 1 an entgegengesetzten Seiten verlassen.

Der in der Darstellung rechts aus dem Kühl-körper 1 austretende Fluidstrom wird von einem zugeord-neten Luftleitblech 7 nach unten abgelenkt und bildet eine erste Umlaufströmung 8, welche im Uhrzeigersinn entlang den Innenwandflächen des topfförmigen, rundum verglasten unteren Gehäuseteils 5a strömt.

Der in der Darstellung links aus dem Kühlkör- per 1 austretende Fluidstrom wird von zugeordneten Luft- leitblechen 7 nach oben abgelenkt und bildet eine zweite Umlaufströmung 9, welche im Uhrzeigersinn entlang der In- nenwandflachen des haubenförmigen Metalldeckel 5b strömt.

Bei bestimmungsgemässer Verwendung der Later- ne laufen die beiden Umlaufströmungen 8, 9 jeweils im We- sentlichen in einer vertikalen Ebene um.

Die erste Umlaufströmung 8 tritt, nachdem sie entlang der Wandflächen des unteren Gehäuseteils 5a ge- strömt ist, im Bereich des oberen Endes dieses Gehäuse- teils 5a in die zweite Umlaufströmung 9 im Metalldeckel 5b ein, wo sie sodann gemeinsam mit der zweiten Umlauf- strömung 9 entlang der Wandflächen des Metalldeckels 5b strömt, bevor dieser aus der ersten 8 und der zweiten 9 Umlaufströmung gebildete Gesamtstrom 4 wieder den Venti- lator 3 erreicht und von diesem erneut zum Kühlkörper 1 gefördert wird.

Wie zu erkennen ist, strömt die erste Umlauf- Strömung 8 über einen schmalen Schlitz 12, an welchem durch die strömende zweite Umlaufströmung 9 ein Druckge- fälle erzeugt wird (Luftstrompumpe), in die zweite Um- laufströmung 9 ein. Sie wird dabei durch das erzeugte Druckgefälle in die zweite Umlaufströmung 9 hineinge-saugt .

Mit anderen Worten gesagt verläset also der rechts aus dem Kühlkörper 1 austretende Luftstrom den Kühlkörper 1 in den verglasten Teil 5a des Gehäuses 5 und bildet dort eine Luftwalze 8, welche den Glasflächen ent-langstreicht, dabei abkühlt und dann in den oberen Me-tallteil 5b des Gehäuses 5 gelangt. Die Flussrichtung und Orientierung dieser Umlaufströmung 8 wird dabei durch die Saugwirkung des Schlitzes 12 massgeblich beeinflusst.

Dieses Push-Pull-Prinzip verleiht der Luftwalze 8 eine sehr hohe Stabilität. Im Metalldeckel 5b überstreicht der aus der ersten 8 und der zweiten Umlaufströmung 9 verein-te Gesamtluftström die Metallwände des Deckels 5b, gibt seine Wärme daran ab und wird wieder vom zentralen Venti- lator 3 angesogen. Die abgekühlte Luft durchströmt danach wieder den LED-Kühlkörper 1 und der Kreislauf beginnt von vorne.

Die in Fig. 2 gezeigte Hochleistungs-LED- Leuchte weist ein grossflächiges flaches, quaderförmiges Lampengehäuse 5 auf. Solche Leuchten werden z.B. als Flutlichter, Fussgängerübergangsleuchten und Tunnelleuch- ten eingesetzt. Ihr Gehäuse 5 ist gebildet aus einem wan- nenartigen Gehäusekörper 5b aus Stahlblech (anspruchsge- mässer zweiter Teilbereich des Gehäuses), dessen offene Seite mit einem Abdeckglas 5a (anspruchsgemässer ersten Teilbereich des Gehäuses) abgedeckt ist, welches im be- stimmungsgemässen Betrieb als Austrittsfläche für das von dem LED-Leuchtmittel 2 erzeugte Licht dient. Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die von dem Abdeckglas 5a gebildete Seite der Leuchte.

Der wannenartige Gehäusekörper 5b und das Abdeckglas 5a bilden dabei zusammen ein hermetisch dich-tes Lampengehäuse 5, welches mit Luft 6 gefüllt ist.

Das LED-Leuchtmittel 2 ist ein LED-Array, der an einem Profil-Kühlkörper 1 angeordnet ist, welcher im Bereich einer der Seitenwände des wannenartigen Gehäuse-körpers 5b angeordnet ist und im bestimmungsgemässen Be-trieb mittels eines an seinem rechten Ende angeordneten elektrischen Gebläses 3 gekühlt wird.

Wie aus den die Luftströme andeutenden Pfei-len erkennbar ist, durchströmt der von dem Gebläse 3 in den Kühlkörper 1 eingeblasene Gesamtluftström 4 den Kühl-körper 1 als ein einziger Luftström und wird direkt nach seinem Austritt aus dem Kühlkörper 1 mittels einer Strö-mungsleit- und -aufteilungseinrichtung 7 in drei separate Teilströme 8, 9, 10 aufgeteilt, von denen ein erster eine Umlaufströmung 8 entlang der Innenwandflächen des Abdeck-glases 5a bildet, ein zweiter eine Umlaufströmung 9 ent-lang der Innenwandflächen der Rückwand des wannenartigen Gehäusekörpers 5b bildet und ein dritter eine Umlaufströ- mung 10 entlang der Innenwandflächen von drei Seitenwän- den des wannenartigen Gehäusekörpers 5b bildet.

Die erste Umlaufströmung 8 und die zweite Um- laufströmung 9 sind dabei über weite Bereiche durch einen grossflächigen Reflektor 11 voneinander getrennt, welches das von dem LED-Leuchtmittel 2 erzeugte Licht reflek- tiert.

Wie zu erkennen ist, vereinen sich die drei Umlaufströmungen 8, 9, 10, nachdem sie getrennt voneinan- der entlang von Gehäusewandflächen des Abdeckglases 5a (Umlaufströmung 8), der Rückwand des wannenartigen Gehäu- sekörpers 5b (Umlaufströmung 9) und der Seitenwände des wannenartigen Gehäusekörpers 5b (Umlaufströmung 10) ge- strömt sind, vor dem Gebläse 3 wieder zu einem Gesamt- strora 4, welcher dann erneut durch den Kühlkörper 1 ge- führt wird.

Bei bestimmungsgemässer Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Hochleistungs-LED-Leuchte laufen alle drei Umlaufströmungen 8, 9, 10 jeweils im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene um.

Fig. 3 zeigt das Blockschema einer thermosta-tischen und auf Sonneneinstrahlung reagierenden Sicher-heits- bzw. Stromsparvorrichtung für eine erfindungsge-mässe LED-Beleuchtungsanordnung, welche eine Überhitzung des LED-Leuchtmittels 2 mittels einer Reduktion der Ver-sorgungsenergie bzw. mittels Abschaltung verhindert, wenn zu hohe LED-Temperaturen bzw. Gehäuseinnenraumtemperatu-ren und/oder direkte Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse 5 festgestellt werden.

Diese Vorrichtung umfasst einen Sonnenlicht-sensor und zwei Temperatursensoren, drei Komparatoren zur auslegungsgemässen Festsetzung der Schaltwerte sowie eine ODER-Schaltung. Mit dieser Vorrichtung wird die Licht-Leistung mittels des Verstärkers kl auf rund 30% be-grenzt, falls die Temperatur im Gehäuse 5 über 50°C liegt oder Sonneneinstrahlung festgestellt wird. Mit dem zwei-ten Verstärker k2 wird das LED-Leuchtmittel ganz abge-schaltet, wenn die Temperatur im Gehäuse 5 über 70°C steigt. Das über Dioden kombinierte Signal wird mittels einer Operationsverstärker-Rechenstufe (y=-u+10) auf den weltweit standardisierten Dimmer-Normeingang (1...10V) des LED-Treibers angepasst.

Während in der vorliegenden Anmeldung bevor-zugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und auch in anderer Weise innerhalb des Umfangs der nun folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.