DE102009007121A1

DE102009007121A1 - Gekühlte LED-Leuchte

Info

Publication number: DE102009007121A1
Application number: DE102009007121A
Authority: DE
Inventors: Jürgen HACKERT
Original assignee: LADON GmbH
Current assignee: LADON GmbH
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gekühlte LED-Leuchte, bestehend aus einem LED-Feld und einem von Kühlmittel, insbesondere von Wasser, durchflossenen Gehäuse. Zur Beleuchtung von Pflanzen mittels leistungsfähiger Leuchtdioden wird vorgeschlagen, daß das Gehäuse (4) aus einem ersten mit LEDs (5) besetzten Gehäuseteil (6) und einem zweiten (7) vom ersten Gehäuseteil beabstandeten Gehäuseteil besteht, die zusammen einen von Kühlmittel durchflossenen Raum (10) bilden, wobei der Abstand (8) der Gehäuseteile kleiner ist als Abmessungen (9) des Raumes (10) senkrecht zum Abstand der Gehäuseteile (6, 7).

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte LED-Leuchte bestehend aus einem LED-Feld und einem von Kühlmittel, insbesondere von Wasser, durchflossenen Gehäuse.
Eine solche LED-Leuchte ist beispielsweise aus dem WO/208/010121 zur Beleuchtung von Pflanzen bekannt. Bei dieser Lösung sind LEDs auf einer von Umgebungsluft durchflossenen Leitung angeordnet. Die Umgebungsluft dient der Kühlung der LEDs. Bei der in Gewächshäusern zur Stimulierung des Wachstums gewünschten hohen Umgebungstemperaturen bereitet es Probleme die maximalen zulässigen Betriebstemperaturen der LEDs zu gewährleisten.
Zur Erhöhung der Lebensdauer der LEDs und deren Wirkungsgrad wird in der WO 2007/093607 vorgeschlagen, ein Kühlmedium zu verwenden, das eine Temperatur im Bereich zwischen –50 und 0 Grad Celsius aufweist. Als Kühlmittel kommt beispielsweise gekühlter Stickstoff in Frage. Die Versorgung mit flüssigem Stickstoff und die dazu notwendige Isolation der Leitungen zur Vermeidung von Rauhreifbildung lassen diese Lösung als sehr aufwendig erscheinen.
Es besteht somit ein dringendes Bedürfnis nach LED-Leuchten mit sicherer Kühlung und leistungfähigen Leuchtdioden, insbesondere für den Einsatz bei der Bereitstellung von Licht zur Stimulierung des Pflanzenwachstums. Für den wirtschaftlichen Betrieb von Gewächshäusern muß die Lösung auch ohne großen Aufwand zu fertigen sein. Unter LED werden hier alle Leuchtmittel verstanden, die auf Licht emittierenden Halbleitern beruhen.
Bei einer gekühlten LED-Leuchte bestehend aus einem LED-Feld und einem von Kühlmittel, insbesondere von Wasser, durchflossenen Gehäuse, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gehäuse aus einem ersten mit LEDs besetzten Gehäuseteil und einem zweiten vom ersten Gehäuseteil beabstandeten Gehäuseteil besteht, die zusammen einen von Kühlmittel durchflossenen Raum bilden, wobei der Abstand der Gehäuseteile kleiner ist als Abmessungen des Raumes senkrecht zum Abstand der Gehäuseteile.
Durch diese Dimensionierung erhält die Leuchte eine besonders flache Form. Als Abmessung mit der der Abstand zu vergleichen ist, kommen Durchmesser, Länge oder Breite in Betracht. Diese Form ermöglicht eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und somit eine ausgesprochen gute Wärmeübertragung zwischen der mit LEDs besetzten Gehäusewand und dem bevorzugt als Kühlmedium verwendeten Wasser, das in Gewächshäusern immer zur Verfügung steht. Aufwendige Kühlmittelversorgungsanlagen sind deshalb nicht erforderlich. Aufgrund der guten Kühlung können besonders leistungsfähige LEDs zum Einsatz kommen. Dadurch werden die durch die Leuchten selbst erzeugten Schatten aufgrund der möglichen geringen Abmessungen bei natürlichem Licht vorteilhaft klein. Die durch die Schatten bedingten Lichtverluste sind folglich gering.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen beiden Gehäuseteilen eine Dichtung vorgesehen ist. Auf Gehäusewände kann bei dieser Konstruktion vorteilhaft verzichtet werden. Die Montage eines nur aus zwei Teilen bestehenden Gehäuses gestaltet sich vorteilhaft einfach. Eine einzige Dichtung reicht erfindungsgemäß aus. Gegebenenfalls lässt sich als Dichtung die Teilungsfuge zwischen den Gehäuseteilen beispielsweise auch verkleben oder verschweißen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden in dem von Kühlmittel durchströmten Raum ein die Strömung des Kühlmittels leitender Strömungskörper angeordnet, der vorzugsweise aus Kunststoff besteht. Der Strömungskörper dient einer gleichmäßigen Verteilung der Kühlwirkung über die Gehäusefläche. Dadurch können die LEDs vorteilhaft die gesamte gekühlte Fläche ausfüllen. Zusätzlich erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers, so daß die Kühlwirkung weiter verbessert wird. Ein aus Kunststoff bestehender Strömungskörper weist dabei eine höhere Lebensdauer auf, da er weniger zu Schmutzansatz neigt, und außerdem ist er mit vorteilhaft geringem Aufwand zu fertigen.
In anderer Ausgestaltung ist vorgesehen, der Strömungskörper als angeformte, vorzugsweise parallele Stege mindestens eines Gehäuseteils ausgebildet ist, insbesondere als parallele Stege auf beiden zueinander gewandten Gehäuseseiten und/oder sich kreuzend angeformt sind. Bei dieser Gestaltung kann man auf ein gesondertes Teil, dem z. B. aus Kunststoff bestehenden Strömungskörper verzichten. Die Teilevielfalt wird somit vorteilhaft reduziert. Wenn sich die Stege kreuzen wird die Strömung des Kühlmittels vorteilhaft turbulent. Durch die Kreuzungspunkte entsteht eine maschenartige Struktur, die das Kühlmittel beim Überströmen der Stege zur Ausbildung von Wirbeln zwingt, die die Kühlung unterstützen.
Wird jedoch ein definierter Durchflussweg bevorzugt, empfiehlt sich die Maßnahme, daß der Strömungskörper für das Kühlmittel einen Zwangsdurchflussweg ausbildend geformt ist, dient zusätzlich einer gleichmäßigen Kühlwirkung über die gesamte Fläche. Dazu kann beispielsweise ein einziger Steg meanderförmig angeordnet sein und den Abstand zwischen den Gehäuseteilen überbrücken. Er kann dann gleichzeitig auch die Funktion des Abstandhalters mit erfüllen.
Dadurch, daß der Strömungskörper ein Netz ist, vorzugsweise aus einer Anzahl zueinander paralleler in zwei parallelen Ebenen sich kreuzend angeordneter Stäbe, die an den Kreuzungspunkten miteinander fest verbunden sind, lässt sich ein solcher Strömungskörper aus besonders günstig zu fertigender Meterware vorteilhaft leicht zuschneiden.
Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt es, daß die Dichtung ein Dichtring ist, und somit keinerlei spezielle Dichtungen benötigt.
Es reicht dann aus, daß das erste und zweite Gehäuseteil eine Platte ist.
Zur Vermeidung unterschiedlicher Klemmkräfte auf die Dichtung wird zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil ein Abstandshalter vorgesehen.
Zur kompletten Monatage der Gehäuseteile reicht es dann mit Vorteil aus, wenn die Gehäuseteile durch Schweißen, Schrauben oder Nieten miteinander verbunden sind, insbesondere das Gehäuse als Verbrauchsteil gestaltet ist. Die auf dem erfindungsgemäßen Gehäuse angeordneten LEDs erreichen eine vorteilhaft lange Standzeit, so daß eine Reparatur der Lampe sich aus wirtschaftlichen Überlegungen verbietet. Mit Vorteil kann dann die Lampe als Einwegteil oder Verbrauchsteil gestaltet sein. Beim Erreichen der erwarteten Lebensdauer oder bei Ausfall von LEDs wird die gesamte Lampe ausgetauscht und ersetzt.
Die Maßnahme, dass die Kristalle der LEDs direkt auf einem Gehäuseteil angeordnet sind und vorzugsweise auch die zur Versorgung notwendigen Leiter auf dem Gehäuseteil aufgebracht sind, dient der weiteren Verbesserung der Kühlung bei verringertem Fertigungsaufwand. Die im Kristall der LEDs entstehende Verlustwärme kann dadurch direkt, allenfalls noch durch eine dünne Isolationsschicht hindurch, auf das gekühlte Gehäuseteil übertragen werden. Eine vorherige Fertigung eines getrennten Gehäuses für die LEDs kann vorteilhaft entfallen. Nach Art einer gedruckten Schaltung können die zur Versorgung der LEDs notwendigen Leiter auch direkt auf dem Gehäuseteil angeordnet werden. Dies ist beispielsweise durch Heißprägen möglich. Dazu lässt sich kostengünstig ein Dielektrikum als Lack aufbringen, um die elektronischen Bauteile von dem als Trägerplatte genutztem Gehäuseteil elektrisch zu isolieren. In einem solchen Lack als Dielektrikum können die Leiterbahnen durch Prägen, vorzugsweise durch Heißprägen, auf dem Lack aufgetragen werden. Ein solches Verfahren ist aus der EP 1855511 A1 bekannt.
Dadurch, daß ein Gehäuseteil eine Kühlmittelzulaufleitung und eine Kühlmittelablaufleitung aufweist, sind alle Kühlmittelleitungen auf dem zweiten Gehäuseteil angeordnet. Das erste Gehäuseteil steht dann vollständig zur Anordnung von LEDs zur Verfügung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchte,
2 einen Vertikalschnitt und durch die Leuchte gemäß Schnittlinie II-II,
3 eine Draufsicht von unten auf die Leuchte,
4 einen Ausschnitt aus einer als Strömungskörper verwendeten Meterware,
5 einen Vertikalschnitt durch die als Strömungskörper verwendete Meterware gemäß Schnittlinie V-V in 4 und
6 einen Vertikalschnitt durch das Detail eines Gehäuseteils.
In den 1 bis 3 bezeichnet die Bezugsziffer 1 die erfindungsgemäße Leuchte. Sie besteht im wesentlichen aus Leuchtdioden 5, die auf einer Platte 20 zu einem Feld 2 angeordnet sind.
Wie aus 1 ersichtlich trägt das erste Gehäuseteil 6 nicht nur die Leuchtdioden 5 sondern auch die Leiterbahnen 24 zur Versorgung der Leuchtdioden 5. Im dargestellten Fall sind alle Leuchtdioden 5 in Serie geschaltet. Die Leiter sind zu einer in der Achse am Rande angeordneten Anschlussfahne 28 geführt. Über diese Anschlussfahnen 28 können mehrere der Leuchten zu einem System zusammen gekoppelt werden. Die einzelnen Kristalle 23 der Leuchtdioden 5 sind direkt auf den ersten Gehäuseteil 6 befestigt und durch eine optisch wirksame transparente Abdeckung 29 geschützt. Die Anschlussfahnen 28 können in der gleichen Achse wie die Kühlmittelleitungen 25 und 26 angeordnet sein, so dass wahlweise eine parallele oder serielle Schaltung mehrerer Leuchten zu einem System möglich ist. In besonderen Fällen kann es auch sinnvoll sein, dass die Achsen der Kühlmittelleitungen und der elektrischen Anschlüssen um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Gehäuseteil 6 und das zweite Gehäuseteil 7 in etwa quadratisch ausgebildet. Demgegenüber hat der Raum 10 (2) für das Kühlmittel eine kreisförmige Gestalt. In den überstehenden Ecken der Gehäuseteile 6, 7 sind Bohrungen mit Nieten 22 vorgesehen, die die beiden Gehäuseteilen 6, 7 miteinander fest verbinden.
Grundsätzlich sind jedoch durch die plattenförmige Gestalt der Gehäuseteilen auch andere Umrisse der Platten 20 ausführbar. Beispielsweise lassen sich sechseckige Platten auch zu anderen Mustern flächig zusammenstellen.
Wie aus 2 ersichtlich, bildet die Platte 20 des ersten Gehäuseteils 6 gleichzeitig mit dem zweiten Gehäuseteil 7, das ebenfalls als Platte 20 ausgebildet ist, das Gehäuse 4 der Leuchte 1. Die beiden Platten 20 des ersten Gehäuseteils 6 und des zweiten Gehäuseteils 7 sind zueinander in einem Abstand 8 fixiert. Der Abstand 8 ist von dem Abstandhalter 23 vorgegeben. Durch die in einer Ringnut 27 angeordnete Dichtung 11, die ein üblicher Dichtring 19 ist, wird zwischen den Platten 20 ein Raum 10 für Kühlmedium umschlossen. Der Abstand der beiden Gehäuseteilen 6, 7 ist so gewählt, dass er klein ist im Verhältnis zu den Abmessungen des Raumes 10 senkrecht zum Abstand. Diese maßgebliche Dimension ist im dargestellten Beispiel der Durchmesser 9. Bei anderen Ausführungen würde man Länge und Breite heranziehen. Die erwähnten Dimensionen unterscheiden sich im Ausführungsbeispiel um mehr als eine Zehnerpotenz.
Dieser Raum 10 wird von Kühlmittel durchströmt. Damit das Kühlmittel in den Raum 10 einströmen kann, weist das zweite Gehäuseteil 7 eine Kühlmittelzulaufleitung 25 und eine Kühlmittelablaufleitung 26 auf. Zusätzlich ist innerhalb des Raumes 10 ein Strömungskörper 12 eingebracht, der das Kühlmittel von der Kühlmittelzulaufleitung 25 in einem oder mehreren Zwangsdurchflußwegen 13 (4) zur Kühlmittelablaufleitung 26 leitet.
In 4 ist der Strömungskörper 12, wie er zur Führung des Kühlwassers verwendet wird, als Ausschnitt aus einer Meterware in Aufsicht gezeigt. Diese Meterware besteht aus einer Schicht 15 von zueinander auf Abstand angeordneten Stäben 17 und einer gleichartigen Schicht 16, deren Stäbe 17 jedoch sich mit den Stäben der Schicht 15 kreuzend übereinander gelegt sind. An den Kreuzungspunkt 18 sind jeweils die Stäbe miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein rautenförmiges Muster. Ein solches zwischen den Gehäuseteilen 6, 7 angeordnetes Netz 14 bildet zwischen den Stäben 17 der Schicht 15 und der Schicht 16 sich kreuzende Strömungswege 13 aus. In 4 ist der eine Strömungsweg strich-einfachpunktiert dargestellt, während der andere Strömungsweg 13 strich-doppeltpunktiert dargestellt ist. Zusätzlich bilden sich Wirbel in den Maschen des Netzes, in denen sich die Strömungwege 13 kreuzen, die den Wärmeaustausch zu den Gehäuseteilen 6, 7 verbessern.
Wie in 6 gezeigt, kann statt des runden Querschnitts der sich kreuzenden Stäbe auch ein annähernd rechteckiger Querschnitt gewählt werden. Die Stäbe können dann an die Gehäuseteile 6 und/oder 7 als vorstehende Stege 30 angeformt ausgebildet sein. An den Kreuzungspunkten berühren sie sich. Auf ein Verschweißen der Gehäuseteile an diesen Kreuzungspunkten kann man dann verzichten.
Die Gehäuseteile 6 und/oder 7 mit integrierten Stegen 30 lassen sich beispielsweise durch einen Umformvorgang mit vorteilhaft geringem Aufwand fertigen, so daß auch die Gestaltung als Verbrauchsteil möglich ist. Dabei werden durch geeignete Fügeverfahren, beide Gehäuseteile unlöslich miteinander verbunden. Die Teile können durch Umformverfahren oder auch durch Schweißen, z. B. Elektronenstrahlscheißen, unter Verzicht auf eine gesonderte Dichtung dauerhaft zusammengefügt werden.
Die erfindungsgemäße Leuchte stellt somit eine mit vortelhaft geringem Aufwand herzustellende Beleuchtung für Gewächshäuser zur Verfügung, die eine lange Lebensdauer der Leuchtdioden bei geringerem Leistungsabfall aufweist und zudem aufgrund des geringen Eigengewichts ohne Rücksicht auf die Statik der Gewächshäuser eingesetzt werden kann. Durch die besonders kleinen Abmessungen ist auch die Abschattung der Pflanzen bei natürlichem Licht vernachlässigbar gering.

1: LED Leuchte
2: LED Feld
3: Wasser
4: Gehäuse
5: LED
6: erstes Gehäuseteil
7: zweites Gehäuseteil
8: Abstand
9: Abmessung, Länge, Breite, Durchmesser
10: Raum
11: Dichtung
12: Strömungskörper
13: Zwangsdurchflussweg
14: Netz
15: Ebene
16: Ebene
17: Stab
18: Kreuzungspunkt
19: Dichtring
20: Platte
21: Abstandhalter
22: Nieten
23: Kristall
24: Leiter
25: Kühlmittelzulaufleitung
26: Kühlmittelablaufleitung
27: Ringnut
28: Anschlussfahne
29: Schutz, Abdeckung
30: Steg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 208/010121 [0002]
- WO 2007/093607 [0003]
- EP 1855511 A1 [0016]

Claims

Gekühlte LED-Leuchte (1) bestehend aus einem LED-Feld (2) und einem von Kühlmittel, insbesondere von Wasser (3), durchflossenen Gehäuse (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus einem ersten mit LEDs (5) besetzten Gehäuseteil (6) und einem zweiten (7) vom ersten Gehäuseteil beabstandeten Gehäuseteil besteht, die zusammen einen von Kühlmittel durchflossenen Raum (10) bilden, wobei der Abstand (8) der Gehäuseteile kleiner ist als Abmessungen (9) des Raumes (10) senkrecht zum Abstand der Gehäuseteile (6, 7).
Gekühlte LED-Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Gehäuseteilen (6, 7) eine Dichtung (11) vorgesehen ist.
Gekühlte LED-Leuchte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem von Kühlmittel (3) durchströmten Raum (10) ein die Strömung des Kühlmittels leitender Strömungskörper (12) angeordnet ist und vorzugsweise aus Kunststoff besteht.
Gekühlte LED-Leuchte nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (12) als angeformte, vorzugsweise parallele Stege (30) mindestens eines Gehäuseteils (6, 7) ausgebildet ist, insbesondere als parallele Stege (30) auf beiden zueinander gewandten Gehäuseseiten (6, 7) und/oder sich kreuzend angeformt sind.
Gekühlte LED-Leuchte nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (12) für das Kühlmittel (3) einen Zwangsdurchflussweg ausbildend geformt ist.
Gekühlte LED-Leuchte nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (12) ein Netz (14) ist, vorzugsweise aus einer Anzahl zueinander paralleler in zwei parallelen Ebenen (15, 16) sich kreuzend angeordneter Stäbe (17), die an den Kreuzungspunkten (18) miteinander fest verbunden sind.
Gekühlte LED-Leuchte nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11) ein Dichtring (19) ist.
Gekühlte LED-Leuchte nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (6) und zweite (7) Gehäuseteil eine Platte (20) ist.
Gekühlte LED-Leuchte nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem (6) und zweitem (7) Gehäuseteil ein Abstandshalter (21) vorgesehen ist.
Gekühlte LED-Leuchte nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (6, 7) durch Schweißen, Schrauben oder Nieten (22) miteinander verbunden sind, insbesondere das Gehäuse als Verbrauchsteil gestaltet ist.
Gekühlte LED-Leuchte nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle (23) der LEDs (5) direkt auf einem Gehäuseteil (6, 7) angeordnet sind und vorzugsweise auch die zur Versorgung notwendigen Leiter (24) auf dem Gehäuseteil (6, 7) aufgebracht sind.
Gekühlte LED-Leuchte nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseteil (6, 7) eine Kühlmittelzulaufleitung (25) und eine Kühlmittelablaufleitung (26) aufweist.