DE102007028301A1

DE102007028301A1 - Fahrzeugscheinwerfer mit Halbleiterlichtquelle

Info

Publication number: DE102007028301A1
Application number: DE102007028301A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. rer. nat. Moisel; Manfred Dipl.-Ing. Rode
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Moisel Joerg Drrernat De
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2007-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugscheinwerfer mit einem Gehäuse (1) und mindestens einer Halbleiterlichtquelle (3), die in dem Gehäuse angeordnet ist und mittels mindestens einer Heatpipe (7) thermisch mit einem Kühlkörper (6) verbunden ist. Gemäß der Erfindung sind Belüftungsmittel (9) für zwangsweise Belüftung des Kühlkörpers vorgesehen. Der Kühlkörper kann entweder in dem Gehäuse angeordnet sein, in welchem Fall die Belüftungsmittel einen Ventilator (9) umfassen, oder er kann außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, in welchem Fall die Belüftungsmittel Luftleitelemente zur Zwangsbelüftung durch den Fahrtwind umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugscheinwerfer mit einem Gehäuse und mindestens einer Halbleiterlichtquelle, die in dem Gehäuse angeordnet ist und mittels mindestens einer Heatpipe thermisch mit einem Kühlkörper verbunden ist.
Ein derartiger Fahrzeugscheinwerfer ist aus der DE 10 2004 046 764 A1 bekannt. Die Halbleiterlichtquelle, z.B. ein Halbleiterlaser und/oder LEDs, ist temperaturempfindlich und wird mittels Heatpipe gekühlt. So eine Heatpipe ist ein allseitig geschlossenes Wärmeleitrohr, das an einem Ende thermisch mit der zu kühlenden Einrichtung verbunden wird. Die Heatpipe enthält ein Kühlmedium, das bei Erwärmung gasförmig wird und bei Abkühlung an kühleren Stellen der Heatpipe wieder flüssig wird. Das flüssige Kühlmedium wird durch eine Kapillarstruktur zur Wärmequelle zurücktransportiert. Solche Heatpipes haben einen deutlich geringeren Wärmewiderstand als gut wärmeleitende Festkörper. Bei dem bekannten Fahrzeugscheinwerfer wird das von der Halbleiterlichtquelle entfernte Ende der Heatpipe entweder an der Innenwand des Gehäuses oder an der Frontscheibe enden gelassen, um die Wärme von der Halbleiterlichtquelle zum Gehäuse bzw. zur Frontscheibe abzuleiten. In einer anderen Ausführungsform ist das von der Halbleiterlichtquelle entfernte Ende der Heatpipe mit einem Wärmeleitblech versehen, das eine Wärmeabgabe an die Gasfüllung des Scheinwerfers durch Konvektion ermöglicht.
Aus der DE 10 2004 047 324 A1 ist ein ähnlicher Fahrzeugscheinwerfer bekannt, bei dem die Heatpipe in einer Ausführungsform die Wärme an das Gehäuse und/oder einen mit der Innenseite des Gehäuses verbundenen Kühlkörper abgibt und in einer anderen Ausführungsform an die Frontscheibe abgibt.
Eine Wärmeableitung über die Frontscheibe ist nur effektiv, wenn die Kontaktfläche zwischen Heatpipe und Frontscheibe genügend groß ist und die Frontscheibe selbst genügend dick und groß ist, um die Wärme weiterzuleiten und an den Fahrtwind abzugeben. Dies kann aus technischen und/oder ästhetischen Gründen nicht möglich bzw. unerwünscht sein. Entsprechendes gilt bei Wärmeableitung über eine Kontaktfläche mit dem Gehäuse. Und einer Wärmeableitung über einen Kühlkörper im Inneren des Gehäuses wird durch die im Gehäuse erzielbare Konvektion Grenzen gesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei einem Fahrzeugscheinwerfer mit Halbleiterlichtquelle(n) mögliche Wärmeabfuhr mit möglichst wenig Aufwand zu erhöhen, um leistungsfähigere Halbleiterlichtquellen verwenden zu können bzw. sie wirkungsvoll zu kühlen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Fahrzeugscheinwerfer dadurch gelöst, dass Belüftungsmittel für zwangsweise Belüftung des Kühlkörpers vorgesehen werden.
In einer Ausführungsform, in der der Kühlkörper in dem Gehäuse angeordnet ist, sind die Belüftungsmittel ein Ventilator. In dieser Ausführungsform ist der Kühlkörper vorzugsweise ein Hohlrippenkühlkörper mit einer Lufteintrittsseite, auf der der Ventilator angeordnet ist, und einer Luftaustrittsseite, die zu der Frontscheibe hinweist.
In einer anderen Ausführungsform, in der der Kühlkörper außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, sind die Belüftungsmittel Luftleitelemente zur Zwangsbelüftung des Kühlkörpers durch den Fahrtwind. In dieser Ausführungsform ist der Kühlkörper vorzugsweise ein Hohlrippenkühlkörper mit einer Lufteintrittsseite, die in Richtung der Vorderseite des Scheinwerfers weist, und ist vorzugsweise über ein flächiges Befestigungselement mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das in die Wand des Gehäuses integriert ist, thermisch mit der mindestens einen Heatpipe gekoppelt.
Vorzugsweise sind zwei parallel und in einem Abstand voneinander verlaufende Heatpipes vorgesehen, welche einen Träger der Halbleiterlichtquelle(n) frei vor einem Reflektor des Fahrzeugscheinwerfers tragen. Damit erhält man eine stabile Halterung der Halbleiterlichtquelle bei möglichst geringer Abschattung derselben.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugscheinwerfers ist wenigstens eine oder jede Heatpipe so angeordnet, dass sie keine Steigung sondern vorteilhafterweise ein ausgeprägtes Gefälle vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich der Heatpipe aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass das in der Heatpipe gebildete Kondensat auch bei ungünstigen Fahrsituationen in Steigungs- oder Gefällstrecken verlässlich und effizient in Richtung des Verdampfungsbereiches fließen kann, ohne dass für die Wärmetransportleistung schädliche Stauungen des Kondensates zu befürchten sind. Dabei hat sich bei horizontal ausgerichtetem Fahrzeugscheinwerfer ein Gefälle der Heatpipe über ihren ganzen Verlauf von über 10% vorzugsweise über 30% relative zur Horizontalen des Fahrzeugscheinwerfers als sehr wirkungsvoll erwiesen. Je kleiner das Gefälle ist, desto langsamer und weniger verlässlich fließt das Kondensat in der Heatpipe vom Kondensationsbereich in Richtung des Verdampfungsbereiches, wodurch ein immer weniger guter bzw. verlässlicher Wärmetransport gegeben ist. Durch ein Gefälle von über 10 bzw. über 30% gegenüber der Horizontalen ist ein besonders guter Wärmetransport sichergestellt, der auch unter schwierigen Fahrsituationen verlässlich gegeben ist.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugscheinwerfers mit einem im Gehäuse angeordneten Kühlkörper und einem Ventilator in einem Längsschnitt; und
2 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugscheinwerfers mit einem außen am Gehäuse angebrachten Kühlkörper und Zwangsbelüftung durch den Fahrtwind in einem Längsschnitt.
Der in 1 gezeigte Fahrzeugscheinwerfer enthält ein Gehäuse 1 mit einer Frontscheibe 2, eine Halbleiterlichtquelle 3 wie z.B. ein LED-Chip, LED-Array oder Halbleiterlaser, die je nach Anwendungszweck im infraroten oder im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren können, und einen annähernd parabolischen Reflektor 4, in dessen Brennpunkt die Halbleiterlichtquelle 3 annähernd angeordnet ist. Die Vorderseite des Reflektors 4, vor dem die Halbleiterlichtquelle 3 angeordnet ist, weist zur Frontscheibe 2 hin, und der Reflektor 4 ist mit seiner Rückseite an einem Schenkel eines L-förmigen Befestigungselements 5 befestigt, das auf eine nicht gezeigte Weise im Gehäuse 1 befestigt ist.
Der andere, horizontal verlaufende Schenkel des Befestigungselements 5 trägt einen Hohlrippenkühlkörper 6, welcher z.B. ein Stück Blech ist, das als ein quaderförmiger Block zusammengefaltet ist, so dass es eine Vielzahl von parallelen Kanälen ausbildet, die in der Figur horizontal und in der Zeichnungsebene verlaufen, d.h. in Richtung auf die Frontscheibe 2.
Auf der dem Befestigungselement 5 entgegengesetzten Oberseite des Hohlrippenkühlkörpers 6 sind zwei Heatpipes 7 am Hohlrippenkühlkörper 6 befestigt (in der Figur ist nur eine Heatpipe 7 sichtbar; die andere liegt in einem Abstand dahinter und parallel dazu und wird von der ersten verdeckt).
Die Heatpipes 7 erstrecken sich in Richtung auf die Frontscheibe 2 und am Reflektor 4 vorbei und krümmen sich anschließend zu einer Stelle nahe an der Halbleiterlichtquelle 3, wo sie in einer Trägerplatte 8 bevorzugt aus Kupfer oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Metall enden, z.B. indem sie eng anliegend in zwei Sacklöcher in der Trägerplatte 8 eingefügt sind, wie eingezeichnet. Auf der Trägerplatte 8 ist die Halbleiterlichtquelle 3 befestigt. Somit tragen die Heatpipes 7 die Halbleiterlichtquelle 3 frei vor dem Reflektor 4 des Fahrzeugscheinwerfers und führen gleichzeitig die Verlustwärme der Halbleiterlichtquelle 3 zum Hohlrippenkühlkörper 6 ab.
Am von der Frontscheibe 2 abgewandten Ende des Hohlrippenkühlkörpers 6 ist ein Ventilator 9 im Gehäuse 1 angebracht. Der Ventilator 9 bläst Luft durch die Kanäle des Hohlrippenkühlkörpers 6 und kühlt ihn somit aktiv. Die aus dem Hohlrippenkühlkörper 6 austretende Abluft strömt in Richtung auf die Frontscheibe 2, deren Beschlagen so verhindert bzw. rückgängig gemacht wird, und zirkuliert anschließend im Gehäuse 1 zurück zum Ventilator 9. Dabei passiert die zirkulierende Luft aktiv die gesamte Innenfläche des Gehäuses 1 und der Frontscheibe 2, so dass die Verlustwärme der Halbleiterlichtquelle 3 über die große Fläche des Gehäuses 1 und der Frontscheibe 2 wirkungsvoll in die Umgebung abgeleitet werden kann. Wegen der großen Fläche des Gehäuses 1 und der Frontscheibe 2, und weil das Gehäuse 2 relativ dünnwandig ist, ist deren Wärmewiderstand nicht hoch, selbst wenn die Materialien, aus denen diese Teile bestehen, eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit haben.
Die Halbleiterlichtquelle 3, der Reflektor 4, das Befestigungselement 5, der Hohlrippenkühlkörper 6, die Heatpipes 7, die Trägerplatte 8 und der Ventilator 9 sind miteinander verschraubt, verklebt oder auf andere Weise verbunden und bilden eine zusammenhängende Baugruppe, die exakt innerhalb des Gehäuses 1 platziert wird.
Der in 2 gezeigte Fahrzeugscheinwerfer enthält ebenso wie jener von 1 ein Gehäuse 1 mit einer Frontscheibe 2, eine Halbleiterlichtquelle 3, einen Reflektor 4, in dessen Brennpunkt die Halbleiterlichtquelle 3 annähernd angeordnet ist, welche auf einer Trägerplatte 8 befestigt ist, und einen Hohlrippenkühlkörper 6, der ebenso wie in 1 orientiert ist, d.h. mit in Richtung auf die Frontscheibe 2 verlaufenden Kanälen.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von 1 ist der Hohlrippenkühlkörper 6 in 2 nicht innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet, sondern außerhalb. Und zwar ist der Hohlrippenkühlkörper 6 an einer Befestigungsplatte 10 befestigt, welche einen Teil der Wand des Gehäuses 1 bildet bzw. im Gehäuse 1 integriert ist. Die Befestigungsplatte 10 besteht bevorzugt aus Kupfer oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Metall. Im Inneren des Gehäuses 1 erstrecken sich zwei parallel verlaufende Heatpipes 11 von der Trägerplatte 8 für die Halbleiterlichtquelle 3 zur Befestigungsplatte 10 und enden darin. An der Befestigungsplatte 10 befinden sich nicht gezeigte Stellelemente, die zur Einstellung der Position und des Austrittswinkels des Strahlenbündels von der Halbleiterlichtquelle 3 dienen.
Die von den Heatpipes 11 zur Befestigungsplatte 10 transportierte Verlustwärme der Halbleiterlichtquelle 3 gelangt durch die Befestigungsplatte 10 hindurch zum Hohlrippenkühlkörper 6. Der Hohlrippenkühlkörper 6 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch den Fahrtwind gekühlt, indem das Fahrzeugchassis im Bereich des Scheinwerfers mit Luftleitelementen wie z.B. Blechen und Kanälen versehen wird, die einen Teil des anströmenden Fahrtwindes entlang der in 2 eingezeichnete Pfeile 12 durch den Hohlrippenkühlkörper 6 leiten.
Aufgrund der Temperaturdifferenz von Frontscheibe 2 und Trägerplatte 8 bildet sich auch in dem Ausführungsbeispiel von 2 eine zirkulierende Luftströmung aus, die zur Trocknung und ggf. Enteisung der Frontscheibe beiträgt.
Alle Verbindungen zwischen Bauteilen in 1 und 2 entlang des thermischen Pfades zwischen der Halbleiterlichtquelle 3 und dem Hohlrippenkühlkörper 6 sind gut wärmeleitend auszuführen, z.B. durch Verschrauben mit Flächenkontakt mit möglichst kleinen Luftspalten und/oder Füllung mit gut wärmeleitenden Materialien, Verkleben mit wärmeleitendem Klebstoff usw.
In den obigen Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung anhand eines Fahrzeugscheinwerfers mit Reflektor erläutert. Ein Reflektorsystem hat den Vorteil, dass es bei LED-Chips oder LED-Arrays, die als quasi Lambertstrahler ungerichtet in einen kompletten Halbraum ausstrahlen, eine kürzere Baulänge und eine bessere Ausnutzung der emittierten Ausgangsstrahlung erlaubt als Linsensysteme. Die Erfindung ist grundsätzlich aber auch bei Linsensystemen oder Scheinwerfersystemen ohne Sammeloptik wie z.B. Halbleiterlaser-Scheinwerfern anwendbar.

Claims

Fahrzeugscheinwerfer mit einem Gehäuse (1) und mindestens einer Halbleiterlichtquelle (3), die in dem Gehäuse angeordnet ist und mittels mindestens einer Heatpipe (7; 11) thermisch mit einem Kühlkörper (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Belüftungsmittel (9; 12) für zwangsweise Belüftung des Kühlkörpers vorgesehen sind.
Fahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (6) in dem Gehäuse (1) angeordnet ist und dass die Belüftungsmittel einen Ventilator (9) umfassen.
Fahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (6) ein Hohlrippenkühlkörper ist, mit einer Lufteintrittsseite, auf der der Ventilator (9) angeordnet ist, und einer Luftaustrittsseite, die zu einer Frontscheibe (2) des Gehäuses (1) hinweist.
Fahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (6) außerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist und dass die Belüftungsmittel Luftleitelemente zur Zwangsbelüftung des Kühlkörpers durch den Fahrtwind (12) umfassen.
Fahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (6) ein Hohlrippenkühlkörper ist, mit einer Lufteintrittsseite, die in Richtung der Vorderseite des Fahrzeugscheinwerfers weist.
Fahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (6) über ein flächiges Befestigungselement (10) mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das in die Wand des Gehäuses (1) integriert ist, thermisch mit der mindestens einen Heatpipe (11) gekoppelt ist.
Fahrzeugscheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Reflektor (4) für strahlformende Reflexion des von der Halbleiterlichtquelle (3) emittierten Strahlenbündels enthält.
Fahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel und in einem Abstand voneinander verlaufende Heatpipes (7; 11) vorgesehen sind, welche einen Träger (8) der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (3) frei vor dem Reflektor (4) tragen.
Fahrzeugscheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heatpipe (7; 11) so angeordnet ist, dass sie bei horizontal ausgerichtetem Fahrzeugscheinwerfer über ihren gesamten Verlauf vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich der Heatpipe (7; 11) keine Steigung, insbesondere ein Gefälle von vorzugsweise über 30% relative zur Horizontalen des Fahrzeugscheinwerfers aufweist.