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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer mit einem Kühlmodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Moderne Scheinwerfer haben im Inneren viele Komponenten, die während des Betriebs Wärme abgeben. Das sind neben den heute typischerweise eingesetzten LEDs als Leuchtmittel Schrittmotoren und Steuergeräte. Durch die zum Teil sehr hohen Ströme entsteht auch durch den elektrischen Widerstand der Verkabelung Wärme im Bereich der Leitungen und Kontakte. Um nun ein Überhitzen des typischerweise in sich abgeschlossenen Innenvolumens des Scheinwerfers zu vermeiden, da dies zu einer Leistungsreduzierung zwingen würde oder sogar Bauteilschäden verursachen könnte, muss diese Abwärme aus dem Innenvolumen des Scheinwerfers abgeführt werden. Typischerweise dient dazu der Wärmetransport über die Abdeckscheibe, welche auch als Frontscheibe oder Deckglas bezeichnet wird. Vor allem beim Fahrzeugeinsatz ist es so, dass hierdurch eine entsprechende Umströmung mit dem Fahrtwind während der Fahrt des Fahrzeugs eine relativ große Wärmemenge abgeführt werden kann. Das Kunststoffgehäuse des Scheinwerfers trägt zwar selbst auch zum Wärmetransport bei, allerdings begrenzen hier die verwendeten Materialien und der typischerweise vorliegende Einbauort mit relativ geringen Abständen zu umgebenden Bauteilen den effizienten Wärmeübergang. Daher kann nur ein kleiner Teil der Abwärme über das Gehäuse beispielsweise in den Motorraum des Fahrzeugs abgegeben werden.
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Ein Ansatz, um die Abfuhr der Abwärme zu verbessern, besteht typischerweise darin, innerhalb des Scheinwerfers Kühlelemente und einen Lüfter einzusetzen, um die Abwärme gezielt von den die Abwärme produzierenden Bauteilen hin zu der Abdeckscheibe zu transportieren, in deren Bereich sie abgegeben werden kann. In diesem Zusammenhang kann auf einen Fahrzeugscheinwerfer mit einer Kühlluftführung gemäß der
DE 10 2013 113 529 A1 hingewiesen werden.
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Alles in allem ist es jedoch so, dass der Wärmetransport über die Abdeckscheibe nicht unendlich gesteigert werden kann, insbesondere bei geringen Fahrtgeschwindigkeiten oder einem stehenden Fahrzeug und höheren Temperaturen. Ein Worst-Case-Szenario wäre beispielsweise ein eingeschaltetes Fernlicht bei einem stehenden Fahrzeug und zusätzlicher Sonneneinstrahlung auf die Abdeckscheiben der Scheinwerfer. Aber nicht nur in einem solchen Szenario, sondern auch in vielen alltäglich auftretenden Szenarien, insbesondere solchen mit geringerer Fahrtgeschwindigkeit, ist es so, dass innerhalb des Scheinwerfers höhere Temperaturen vorliegen als eigentlich sinnvoll oder erwünscht sind. Dies führt in der Praxis dazu, dass bei den erhöhten Temperaturen die Effizienz der Bauteile sinkt, sodass deren Leistung reduziert werden muss, um einerseits das Bauteil zu schützen, und um andererseits nicht noch mehr Abwärme zu produzieren.
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Aus dem Stand der Technik ist daher neben dem Betrieb eines Lüfters im Inneren des abgeschlossenen Volumens des Scheinwerfers auch der Einsatz eines Kühlelements bekannt, welches zwei Seiten aufweist, wobei eine der Seiten im Innern des Scheinwerfers angeordnet ist und die andere der Seiten außerhalb. In diesem Zusammenhang kann auf die
DE 10 2007 057 056 A1 hingewiesen werden. Darin wird ein solches Kühlelement grundlegend beschrieben, wobei die wärmeleitende Verbindung zwischen den in der Umgebung befindlichen Abschnitten und den im Inneren des Scheinwerfers befindlichen Abschnitten über ein Mittelteil erfolgt, welcher hier als thermoelektrischer Kühler, also zur aktiven Beeinflussung des Wärmeflusses von innen nach außen, ausgebildet ist. Dieser Aufbau zusammen mit dem im Innenvolumen des Scheinwerfers angeordneten Lüfter kann zwar die Temperatur in dem Aufbau senken, ist insgesamt jedoch sehr aufwändig und benötigt sowohl die Ansteuerung dieses thermoelektrischen Kühlers einerseits als auch des in dem Innenvolumen verbauten Lüfters andererseits.
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Die
JP 2015-103335 A beschreibt zur Kühlung von LEDs die Verwendung von Kühlkörpern, welche durch zwei parallele Lüfter mit Kühlluft angeströmt werden. Über ein Leitblech kann dafür gesorgt werden, dass die Luftströmungen der parallelen Lüfter sich vor dem Erreichen der Kühlkörper nicht unnötig stark mischen.
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Ein sehr komplexer gekühlter Scheinwerfer ist aus der
WO 2020/053068 A1 bekannt. Der Scheinwerfer wird dabei über einen Klimakreislauf gekühlt, welcher über Flüssigkeitswärmetauscher oder einen Flüssigkeitswärmetauscher und Kühlrippen mit dem Innenbereich des Scheinwerfers in Verbindung steht. Der Aufbau ist komplex in der Herstellung, benötigt viele Bauteile und entsprechend viel Bauraum, um die Komponenten des Klimakreislaufs benachbart zu dem Scheinwerfer zu positionieren.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verbesserten Scheinwerfer mit einem integriertens Kühlmodul anzugeben, welcher gegenüber dem im Stand der Technik genannten Aufbau verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Scheinwerfer mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Scheinwerfer umfasst ein integriertes Kühlmodul mit einem Kühlelement einerseits und einer Fördereinrichtung für Luft andererseits. Das Kühlelement umfasst ein geschlossenes Mittelteil, welches die auf seinen beiden Seiten liegenden Bereiche gegeneinander abdichtet, und Wärmeleitelemente auf den zwei Seiten dieses Mittelteils. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Fördereinrichtung als integrierter Zwillingslüfter ausgebildet ist, welcher einerseits Umgebungsluft von der einen Seite des Mittelteils und andererseits Umgebungsluft von der anderen Seite des Mittelteils zu der Kühleinrichtung fördert. Die Kühleinrichtung ist also beispielsweise eine Platte mit Wärmeleitelementen auf der einen und auf der anderen Seite. Diese Wärmeleitelemente können gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des integrierten Kühlmoduls gemäß der Erfindung als Wärmeleitrippen bzw. -finnen oder auch als Wärmeleitfinger, -pins oder -noppen ausgebildet sein. Auch eine Kombination dieser Elemente oder die Kombination mit anderen die Oberfläche des Kühlelements auf der jeweiligen Seite vergrößernde Maßnahmen, wie beispielsweise ein Aufrauen der Oberfläche oder ähnliches, sind denkbar.
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Der erfindungsgemäße Scheinwerfer sieht es dabei vor, dass das Mittelteil des Kühlelements des Kühlmoduls einen Teil der Begrenzung des Innenvolumens ausbildet, sodass die Wärmeleitelemente der einen Seite in das Innenvolumen und die Wärmeleitelemente der anderen Seite in die Umgebung ragen. In einem vollständig abgedichteten Innenvolumen des Scheinwerfers kann dann anfallende Wärme über die eine Seite des Zwillingslüfters zu dem Kühlelement bzw. seinen Wärmeleitelementen geführt werden. Die Wärme gelangt dann aus dem vollständig abdichtbaren Innenvolumen des Scheinwerfers heraus durch das Kühlelement bzw. dessen Mittelteil auf die andere Seite zu den dortigen Wärmeleitelementen. Sie wird dort in die Umgebung abgegeben, was durch Umgebungsluft unterstützt wird, welche von dem anderen Teil des Zwillingslüfters über die entsprechenden Wärmeleitelemente geführt wird, um so eine Kühlung mit Zwangskonfektion zu erreichen.
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Ein solcher Scheinwerfer mit einem in sich abgeschlossenen Innenvolumen, mit einer transparenten Deckscheibe und Beleuchtungsmitteln, welche zumindest lichtemittierende Dioden, deren Steuerungselektronik und dergleichen umfassen, können nun über das Kühlmodul ideal gekühlt werden.
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Über dieses Kühlelement alleine kann nun Wärme von der einen Seite mit den Wärmeleitelementen zu anderen Seite mit den Wärmeleitelementen transportiert werden. Durch den Zwillingslüfter lassen sich beide Seiten parallel anströmen, sodass beispielsweise auf der einen Seite warme Luft zur Abkühlung an die Wärmeleitelemente der ersten Seite gefördert wird und gleichzeitig auf der anderen Seite kühlere Luft zur Abfuhr der von der ersten Seite auf die zweite Seite übertragenen Abwärme gefördert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Zwillingslüfter zwei gegeneinander abgedichtete Lüfterräder und einen gemeinsamen elektrischen Antriebsmotor für die beiden Lüfterräder aufweist. Dieser Aufbau ist außerordentlich einfach und effizient und erlaubt eine gute Funktionalität mit wenig Hardware-, Platz- und Energieaufwand. Vorzugsweise kann der eine elektrische Antriebsmotor für die beiden Lüfterräder dabei mittig zwischen den beiden Lüfterrädern angeordnet sein.
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Der Zwillingslüfter kann gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung als Radiallüfter ausgebildet sein, sodass er die angesaugte Luft beispielsweise seitlich bezogen auf die jeweilige Seite bzw. deren Fläche des Kühlelements ansaugt und dann über die Oberfläche der jeweiligen Seite des Mittelteils und vorzugsweise zwischen den Wärmeleitelementen hindurch wieder abgibt. So kann auf der einen Seite warme Luft effizient zu den Wärmeleitelementen gefördert werden, sodass die Wärme von der einen Seite zur anderen Seite transportiert wird, und gleichzeitig kann auf der anderen Seite Kühlluft in derselben Art gefördert werden, um die von der ersten Seite zur zweiten Seite transferierte Wärme effizient abzuführen.
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In dieser besonders günstigen Ausgestaltung ist es dann also so, dass der Zwillingslüfter so ausgebildet ist, dass er die Umgebungsluft von der jeweiligen Seite des Kühlelements bzw. dessen Mittelteils druckseitig zu den Wärmeleitelementen fördert und entsprechend die Umgebungsluft, bei der oben genannten Ausgestaltung als Radiallüfter vorzugsweise senkrecht zu dieser Richtung, entsprechend ansaugt.
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Dabei ist es so, dass gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Scheinwerfers dessen Kühlmodul in ein Gehäuse integriert ausgeführt sein kann, welches auf zwei gegenüberliegenden Seiten Zuluftöffnungen für die angesaugte Luft des Zwillingslüfters und beabstandet hierzu Abluftöffnungen für die Abluft nach dem Durchströmen der Wärmeleitelemente des Kühlelements aufweist. Kühlelement und Zwillingslüfter können also in einem solchen Gehäuse effizient angeordnet werden. Das Gehäuse kann dann in einen passenden Ausschnitt einer Wand eingesetzt werden. Dazu kann beispielsweise ein Verschrauben oder auch ein Verclipsen vorgesehen werden. Die Wärme kann dann von der einen Seite der Wand auf die andere Seite der Wand transportiert werden. Dies kann außerordentlich einfach und effizient erfolgen, indem lediglich ein elektrischer Anschluss für den einen Antriebsmotor mit einer Leistungsquelle verbunden wird. Weitere Maßnahmen, Anschlüsse oder dergleichen sind nicht notwendig. Die Zuführung der Leistung kann sowohl von der einen Seite als auch von der anderen Seite der Wand aus erfolgen, je nachdem, was bezüglich der Montage günstiger ist.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Scheinwerfers ist es vorgesehen, dass der Zwillingslüfter dazu eingerichtet ist, einerseits Luft in dem Innenvolumen umzuwälzen und zu dem Kühlelement des Kühlmoduls zu fördern und andererseits Umgebungsluft zu der anderen Seite des Kühlelements zu fördern. Beide Luftströmungen sind dabei stofflich getrennt, die Luft mischt sich also nicht. Die Wärme wird so effizient aus dem Scheinwerfer abgeführt, sodass zusätzlich zu einer Wärmeabgabe über die Deckscheibe auch eine Wärmeabgabe in einen zusätzlichen Bereich, zum Beispiel einem Motorraum oder dergleichen, erfolgen kann.
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Auch wenn prinzipiell der Einsatz eines solchen Scheinwerfers für alle möglichen Anwendungen geeignet ist, kann es insbesondere vorgesehen sein, dass dieser als Frontscheinwerfer in einem Fahrzeug eingesetzt wird, insbesondere in einem Kraftfahrzeug und hier vorzugsweise in einem nicht-schienengebundenen Landfahrzeug wie beispielsweise einem Pkw oder Lkw.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlmoduls und des Scheinwerfers gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform eines Kühlmoduls in einem Scheinwerfer gemäß der Erfindung im Teilschnitt;
- 2 eine Draufsicht auf das Kühlmodul gemäß 1 in einer Schnittdarstellung; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugscheinwerfers in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes integriertes Kühlmodul in einer Seitenansicht zu erkennen. Ein Gehäuse 2 des integrierten Kühlmoduls 1 ist dabei teilweise in einer Schnittdarstellung gezeigt, um den Blick auf ein Kühlelement 3 mit einigen angedeuteten Kühlpins 4 auf der dem Betrachter zugewandten Seite 5 freizugeben. Zusätzlich zu diesem Kühlelement 3 ist in das Gehäuse 2 ein Zwillingslüfter 6 integriert, welcher als Radiallüfter ausgebildet ist, wobei in dem Gehäuse eines der radialen Lüfterräder 7 gestrichelt, da von dem eigentlichen Gehäuse 2 verdeckt, angedeutet ist.
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Die Funktionalität lässt sich dabei am besten an der Draufsicht, welche in der Schnittdarstellung der 2 zu erkennen ist, darstellen. Das Gehäuse 2 des Kühlmoduls 1 ist dabei in einer Öffnung 8 einer mit 9 bezeichneten Wand aufgenommen. Hierfür ist eine umlaufende Dichtung 10 zwischen der Wand 9 und einem Flansch 11 an dem Gehäuse vorgesehen. Die Verbindung kann beispielsweise durch Kleben, Schrauben, Nieten oder dergleichen realisiert werden. Insbesondere kann sie durch Verclipsen realisiert werden, wozu in der Darstellung der 2 angedeutete Clips 12 als Teil des Gehäuses zu erkennen sind. Wird das Gehäuse in der Darstellung der 2 von oben in die Öffnung 8 eingeschoben, dann lässt es sich einfach und effizient mit der Wand 9 verclipsen, vorzugsweise unter Verformung der eingelegten Dichtung 10, sodass der Aufbau komplett abgedichtet ist.
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Unterhalb der Wand 9 soll nun ein mit 13 bezeichnetes Innenvolumen liegen, oberhalb ein mit 14 bezeichnetes Außenvolumen in der Umgebung des Kühlmoduls 1. Über das Kühlmodul 1 soll nun Wärme von dem einen in das andere der beiden Volumen 13, 14 übertragen werden, beispielsweise von dem Innenvolumen 13 in das die Umgebung des Aufbaus bildenden Außenvolumen 14. Das Kühlelement 3 weist dabei ein geschlossenes Mittelteil 15 auf, welches so in dem Gehäuse 2 aufgenommen ist, dass der dem Innenvolumen 13 zugewandte Bereich von dem dem Außenvolumen 14 zugewandten Bereich abgedichtet ist. Die erste hier nach unten gewandte Seite 5 des Kühlelements 3 bzw. seines Mittelteils 15 trägt dabei einige der Kühlpins 4, die gegenüberliegende zweite Seite 16 ebenfalls. Die Abdichtung des zu den beiden Seiten 5, 16 benachbarten Bereichs zieht sich durch das Gehäuse weiter fort und wird durch eine Zwischenwand 17 verlängert, welche fluchtend zu dem Mittelteil 15 des Kühlelements 3 angeordnet ist. Diese Zwischenwand 17 weist eine Öffnung für einen elektrischen Antriebsmotor 18 auf, welcher Teil des Zwillingslüfters 6 ist und zwei Laufräder mit ihren jeweiligen Leitschaufeln 7 parallel antreibt. Der Bereich der beiden Laufräder ist dabei durch die Zwischenwand 7 und den Antriebsmotor 18 ebenfalls gegeneinander abgedichtet, sodass bei einem abgedichteten Einbau des Gehäuses 2 in die Öffnung 8 der Wand 9 eine vollständige Abdichtung des Innenvolumens 13 gegenüber dem Außenvolumen 14 möglich ist.
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Auf der dem Innenvolumen 13 zugewandten unteren Seite des gezeigten Kühlmoduls 1 wird nun Luft aus dem Innenvolumen 13 über Zuluftöffnungen 19 angesaugt und von den rotierenden Leitschaufeln 7 zwischen den Kühlpins 4 der ersten Seite 5 des Kühlelements 3 hindurchgefördert. Die Luft tritt dann entsprechend abgekühlt, da sie Wärme an die Kühlpins 4 des Kühlelements 3 abgegeben hat, aus Austrittsöffnungen 20 der dem Innenvolumen zugewandten Seite des Gehäuses 2 wieder aus. Hierdurch wird eine Umwälzung der Luft in dem Innenvolumen 13, wie beispielsweise dem Innenvolumen 13 eines Scheinwerfers 21, wie er in 3 noch dargestellt ist, ermöglicht. Gleichzeitig mit der Umwälzung wird eine Abkühlung der umgewälzten Luft im Bereich der Kühlpins 4 des Kühlelements 3 bewirkt.
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Das Kühlelement 3 mit seinen Kühlpins 4 und dem Mittelteil 15 kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Die Wärme wird dann sehr gut von den Kühlpins 4 auf der ersten Seite 5 des Mittelteils 15 durch das Mittelteil 15 hindurch zu den Kühlpins 4 auf der zweiten Seite 16 des Kühlelements 3 bzw. dessen Mittelteils 15 geleitet. Der Zwillingslüfter 6 bewegt nun zusätzlich zu dem Laufrad in der Darstellung der 2 unten das Laufrad mit den Leitschaufeln 7 in der Darstellung der 2 oben. Beide Laufräder können dazu auf ein und derselben Welle des gemeinsamen elektrischen Antriebsmotors 18 angeordnet sein und laufen damit gleich schnell um. Auch ein Getriebe zum Verändern der Rotationsgeschwindigkeit eines der Laufräder wäre prinzipiell denkbar. Die Laufräder sind vorzugsweise analog zueinander aufgebaut. In dem in 2 oben dargestellten durch den Zwillingslüfter 6 belüfteten Bereich wird nun die Umgebungsluft des Außenvolumens 14 über die dort befindlichen Zuluftöffnungen 19 angesaugt und strömt vergleichbar wie im anderen Teil des integrierten Kühlmoduls 1 zwischen den Kühlpins 4 auf der zweiten Seite 16 hindurch zu den Abluftöffnungen 20. Die Umgebungsluft aus dem Außenvolumen 14 kann dabei Wärme von den Kühlpins 4 der zweiten Seite 16 des Kühlelements 3 bzw. seines Mittelteils 15 aufnehmen und in die Umgebung abführen. Hierdurch ist eine effiziente Kühlung des Innenvolumens 13 möglich, ohne das die Volumina fluidisch miteinander verbunden sind. Sie können vielmehr vollständig abgedichtet sein.
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Dies spielt nun insbesondere bei dem bereits angesprochenen in 3 gezeigten Scheinwerfer 21 eine entscheidende Rolle. Dessen Aufbau besteht aus einem Gehäuse 22 und einer transparenten Deckscheibe 23. Unter dieser Deckscheibe 23 sind rein beispielhaft zwei Felder 24 mit lichtemittierenden Dioden angeordnet. Daneben ist innerhalb des Gehäuses 22 und damit in dem Innenvolumen 13 des Scheinwerfers 21 ein Steuergerät 25 sowie ein Schrittmotor 26 exemplarisch angedeutet. Diese Elemente im Innenvolumen 13 des Scheinwerfers 21 produzieren dabei Abwärme, welche in der Praxis meistens nur über die Deckscheibe 23 abgeführt werden kann. Um hier die Kühlung zu verbessern, sodass eine hohe Leistungsfähigkeit der Komponenten innerhalb des Innenvolumens 13 des Scheinwerfers 21 zu erreichen, ohne diese Komponenten zu überhitzen, ist nun das Kühlmodul 1, wie es in der 3 dargestellt ist, in den Scheinwerfer 21 integriert. Teile seines Gehäuses 22 bilden dabei die in 2 gezeigte Wand 9 aus. Über das Kühlmodul 1 wird also Wärme von dem Innenvolumen 13 des Scheinwerfers 21 in das den Scheinwerfer 21 umgebende Volumen, welches dementsprechend dem Außenvolumen 14 im Aufbau gemäß 2 entspricht, übertragen. Das Innenvolumen 13 des Scheinwerfers 21 selbst kann dabei weiterhin hermetisch abgedichtet sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, welches die elektrischen und insbesondere optischen Komponenten innerhalb des Scheinwerfers 21 schädigen könnte.
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Der Aufbau des integrierten Kühlmoduls 1 ist dabei außerordentlich effizient und kompakt. Zusätzlich zu einer Abkühlung über die Deckscheibe 23 wird so eine Abkühlung auch in andere den Scheinwerfer 21 umgebende Bereiche ermöglicht, beispielsweise in den Bereich eines Motorraums, eines Karosseriehohlraums oder dergleichen. Der Aufbau ist außerordentlich einfach und effizient. Er kann sowohl vom Innenvolumen 13 des Scheinwerfers 21 her, als auch vom Außenvolumen 14 aus elektrisch angeschlossen werden. Es ist lediglich ein elektrischer Anschluss für den gemeinsamen Antriebsmotor 18 notwendig, sodass dieser gemeinsame Antriebsmotor 18 beispielsweise beim Einschalten des Lichts seine Arbeit aufnimmt, ohne dass hier eine aufwändige Steuerung, Regelung oder dergleichen notwendig wäre.