WO2004088761A1 - Light-emitting panel - Google Patents

Light-emitting panel

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WO2004088761A1
WO2004088761A1 PCT/CH2004/000195 CH2004000195W WO2004088761A1 WO 2004088761 A1 WO2004088761 A1 WO 2004088761A1 CH 2004000195 W CH2004000195 W CH 2004000195W WO 2004088761 A1 WO2004088761 A1 WO 2004088761A1
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heat
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PCT/CH2004/000195
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Gerhard Staufert
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Lucea Ag
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    • H01L33/648Heat extraction or cooling elements the elements comprising fluids, e.g. heat-pipes

Definitions

  • the invention relates to the heat management of light-emitting panels, for example with arrays of unhoused light-emitting diodes (LED chips). It also includes a process for reducing the heat loss emitted by light-emitting panels and an energy supply and control unit for light-emitting panels.
  • LED chips unhoused light-emitting diodes
  • One possibility for generating a high luminous flux - as is necessary, for example, for street lighting or room lighting - is to combine a large number of unhoused LED chips on a suitable carrier plate, which are brought together to light up by means of appropriate electrical contacting. So that such arrangements do not become too large in terms of area, the LED chips must be arranged in a high spatial density, that is to say, for example, 10 LEDs / cm 2 or higher.
  • a key problem with such arrangements is the fact that the summed power loss of the luminous LED chip can lead to such high temperatures with a large number of densely packed chips that the functionality of the luminous panel is questioned, or at least its service life is drastically reduced.
  • the maximum temperature that must not be exceeded for a sufficient service life depends on the type of housing used. Conventional housing solutions that are essentially inexpensive When working with plastics, this temperature is approx. 60 ° C, the limit of permanent functionality is reached at approx. 80 ° C. Even with more advanced housing solutions, so-called high-temperature housings, the permitted maximum temperatures are not above approx. 150 ° C. It is therefore of great importance for LED light panels to ensure that any heat loss is dissipated as well as possible and / or less heat loss is generated.
  • the plate-like structure therefore has cooling fins.
  • the LED carrier structure consists of individual metallic transverse walls and also metallic rails running perpendicularly to them and electrically insulated from them. This arrangement allows the LEDs to be attached directly to a metallic base, which promotes heat dissipation Nevertheless, the LEDs can be controlled “random access”.
  • the arrangement is suitable for use on displays; in general, it is positioned so that the LEDs are in a vertical, ie vertical, plane.
  • Another approach is described in US5278432.
  • LED chips are arranged here on a carrier plate, which has a continuous, electrically conductive, and thus also good heat-conducting layer on the back. The heat generated by the chips is dissipated only via a ceramic insulation layer to the rear layer.
  • the rear electrically conductive layer is designed as a metallic plate provided with cooling fins.
  • the object of the invention is to improve the thermal management of light panels with current-operated light bodies.
  • the disadvantages of the individual approaches described should be remedied or decisive improvements brought about.
  • the improved individual approaches are to be used, for example, as modules of a system for the heat management of LED light panels.
  • the invention leads to a solution to this problem.
  • LEDs are used to refer to electroluminescent elements in a very general way, so the term includes newer approaches to electroluminescence, such as are used, for example, in organic OLEDs.
  • Unhoused LEDs ie LEDs without Individual housing
  • LEDs which can be applied directly to a carrier plate or another carrier element and which permit an essentially direct thermal contact between the LED chip and carrier element.
  • Both wishes can be fulfilled in a simple manner, for example, by the part serving as a heat sink consisting of a suitable metal, for example aluminum, which is etched in a first (electro-) chemical processing step and thus roughened and in a second - if necessary in one (same) bath taking place - (electro-) chemical processing step, for example by anodizing black with a matt-dark surface as possible.
  • a suitable metal for example aluminum
  • the cooling effect is used by convection of a fluid, typically air, surrounding the panel or elements of the panel.
  • a fluid typically air
  • the panel is thus designed in such a way that a convection flow of the surrounding medium is triggered, for example increased compared to the marginal convection that occurs in conventional arrangements, and that this convection flow is directed in order to achieve a cooling effect.
  • the convection flow is channeled and optimized to produce a cooling effect. It takes place at least locally, i.e. it can essentially be assigned a clear, desired direction at any location.
  • the convection flow can be generated by heating the heat-generating components.
  • a disturbance of the surrounding medium is also possible when the panel is quasi-horizontal.
  • a "quasi-horizontal" position is intended to include all panel layers in which free flow of the ambient medium heated by the panel through the panel itself is severely hindered.
  • Typical applications of this type are the use of LED panels for lighting purposes, especially when high light densities are required, as is the case, for example, with street or room lighting.
  • a suitable method for this is, for example, the known plasma polymerization, with which, for example, Teflon-like thin plastic layers can be applied to complex surfaces in such a way that they are covered by the protective layer everywhere.
  • the layer thicknesses can be set from a few 0.1 ⁇ m up to many ⁇ m.
  • the wetting properties of the plastic layers can be generated from almost completely hydrophilic to almost completely hydrophobic.
  • Another approach is as follows: Regardless of the use of the heat exhaust holes described, cooling fins can be used to improve the heat dissipation to the environment. In terms of manufacturing technology, there is now the possibility of using very fine, relatively high cooling fins to enlarge the theoretically effective surface by a factor of the order of 10 and more.
  • cooling fins with a height of approx. 0.5 mm and a width of 1 mm.
  • calculations have shown that cooling fins with such a large height / distance ratio (approx. 5 in the example) - at least in the case of a quasi-horizontal installation position - do not improve the cooling effect compared to a flat plate.
  • This is due to the fact that no flow of the surrounding medium through natural convection can form in the narrow, high channels between the ribs, but, due to the high flow resistance of the closely spaced walls, a thick layer of standing hot surrounding medium is formed.
  • This phenomenon occurs - in a weakened form - even with a much smaller ratio of the fin height / spacing. For example, it can be observed that even with a ratio of approximately 1, the improvement in the cooling effect which is to be expected from the increase in surface area still does not occur.
  • cooling fins are arranged in shape and position in such a way that, in their entirety, they support the formation of flowing surrounding medium.
  • This can be achieved, for example, by using local temperature differences present on the LED panel, which are deliberately generated by appropriate arrangement of the LED chip, to locally increase the ambient medium by natural convection and to cool ambient medium from the sides appropriately arranged flow-optimized cooling fins over to make them flow.
  • the cooling fins are designed and attached in such a way that they are flow-optimized. Heating the support element - often it is a support plate; the support element does not have to be plate-shaped - at certain points, convection creates along the cooling fins.
  • the cooling fins will therefore not be parallel but, for example, run in sections towards one another, for example to form venturi-like channels and generally to channel ambient medium flows.
  • a natural convection generated by the structure and arrangement of the cooling fins can also be generated if there are no or only slight local temperature differences, for example by heating the panel as a whole to produce convection. This can be the case, for example, in the embodiment described below:
  • the cooling effect of the described heat exhaust holes and the described flow-optimized cooling fins can be improved if they are combined with one another.
  • the shape and the course of the cooling fins are advantageously chosen such that a flow is formed in the cooling fin spaces between the ambient medium flowing out of the heat extraction holes.
  • This can be achieved, for example, in such a way that the cooling fins create a pattern of open, for example Venturi tube-like channels, the wide flow cross-sections of which are in the vicinity of the heat exhaust holes and the small opening of which is as hot as possible on the panel, preferably in a chimney-like manner upwards leading opening, ends.
  • an embossing tool is produced that has the positive cooling fin shape with sufficient accuracy. This tool is used to emboss a suitable plastic layer as a lost shape, which in turn was previously applied to a metallic foil In a subsequent chemical etching step, the embossed grooves are opened down to the metal foil so that it is exposed at the bottom of the grooves, after which the grooves are filled with metal in a galvanic step serving plastic ski removed by means of a selective etching step.
  • the described method can be carried out on areas of the size of one meter, which means that numerous cooling fin modules can be produced at the same time in an extremely cost-effective manner.
  • a forced flow of an LED light panel through cool ambient medium can also be generated without devices with moving parts: If the ambient medium above the LED light panel is locally heated, it is heated flow this up. If it is additionally ensured that cool ambient medium flowing in from below has to flow past the LED light panel, the desired cooling effect has been achieved.
  • This principle is advantageously implemented in such a way that the elements which are required for the local heating of the surrounding medium are arranged in such a way that they do not - or as little as possible - heat the LED light panel itself. In addition, there should be guiding elements that force the cool ambient medium to flow past the LED light panel.
  • a correspondingly constructed cooling element will be referred to as a "convection cooler”.
  • a convection cooler can be implemented, for example, by providing a support plate with holes at a suitable distance above the LED light panel, which carries short, tubular heating elements and makes electrical contact, which , concentric to the holes, are fixed on the top of the carrier plate. If these heating elements are heated by their own electrical resistance, for example when electrical current is passed through, they force the surrounding medium to flow upward through their opening, so that cool surrounding medium has to flow in from below.
  • the amount of the flowing ambient medium can obviously be regulated by the amount of active heating elements and a corresponding increase or decrease in the heat given off by the heating elements.
  • the holes or the tubular heating elements are advantageously to be positioned such that they coincide with the solder on the geometric center of a few heat extraction holes in each case. In this way, the cool ambient medium flowing in first has to flow through the heat exhaust holes and then to flow a short distance between the cooler plate and the LED light panel, which may be equipped with appropriate cooling fins.
  • the principle described can be implemented by providing a support plate without holes (but possibly also with holes) at a suitable distance from the back of the LED light panel, which has a closed row of tubular tubes at its upper end Bearing heating elements, which are electrically contacted, for example. If these heating elements are heated by their own electrical resistance, for example when electrical current is passed through, they force the surrounding medium to flow upward through their opening, as a result of which cool surrounding medium has to flow in.
  • the amount of the flowing ambient medium can obviously be regulated by a corresponding increase or decrease in the heat given off by the heating elements.
  • the simplest case is to start with the carrier plate of the LED light panel being constructed in such a way that the individual LED chips are as narrow as possible Contact - that is, if necessary, only separated by a very thin electrically insulating layer - be applied to a metallic layer which is in direct contact with the surrounding medium to the rear.
  • the surface in contact with the surrounding medium can be optimized with regard to heat transfer and radiation by being roughened and blackened. Even the simplest variant ensures optimal heat transfer from the LED chips to the surroundings.
  • this support plate can be provided with the described heat exhaust holes and / or with the described flow-optimized cooling fin modules, optionally or in combination, from the outset or subsequently (modular element two).
  • a convection cooler can also be attached to the LED light panel (modular element three).
  • each modular element can be combined with any other modular element or with several other modular elements, each modular element can also be combined with the characteristic of the matt-dark, roughened surface of the carrier element (for example the carrier plate).
  • the third modular element (convection cooler) is advantageously combined either at least with the first and / or second modular element or at least with a carrier element with conventional cooling fins.
  • the modular element three can be controlled as an active element by a higher-level "intelligent unit".
  • the modular elements of the heat management according to the invention for LED light panels are explained below with the aid of schematic figures of exemplary embodiments.
  • Fig. La, lb and lc show oblique layers from below on three different embodiments of an LED light panel with heat exhaust holes according to the invention.
  • FIG 3 shows an oblique view from above of an LED light panel with the combination of different embodiments of heat exhaust holes according to the invention and flow-optimized cooling fins.
  • 4a, 4b and 4c show oblique layers from above onto three different embodiments of a “convection cooler” according to the invention.
  • FIG. 5 shows an oblique view from above of an LED light panel according to the invention with heat exhaust holes and flow-optimized cooling fins, which is combined with a "convection cooler” according to the invention.
  • a large number of small LED chips 2 are in direct contact on FIG Arranged at regular intervals and electrically contacted by means of electrical conductor tracks, not shown.
  • a "as direct a contact as possible” means that the LED chips are either in direct contact with a surface of a surface of the carrier plate or are separated from it only by flat, for example as thin and as possible heat-conducting intermediate layers that they are So not individually housed and thus separated from the carrier plate by the housing and any housing contacts.
  • the carrier plate can be a conventional printed circuit board which is made of a ceramic or polymer material. But it can also be made of new materials. Alternatively, it can be a substantially metallic plate. In places where this is necessary - for example, to avoid short-circuiting of contact areas of adjacent LED chips - there is an electrical insulation layer, for example a sol gel, which is as thin as possible (not shown for reasons of clarity) between LED chips 2 and have carrier plate 1. As an example, the SiON sol gels are mentioned here, which are practically puncture-proof even at thicknesses of 0.5 micrometers and have a significantly higher thermal conductivity than conventional coating materials.
  • the entire carrier plate 1, including the LED chips 2 is covered by one or more layers 3 of transparent material, which has the task of protecting the LED chips 2 and the electrical contacts mechanically and against environmental influences.
  • the LED light panel constructed in this way is intended for quasi-horizontal installation. For this reason, the entire structure is provided with a plurality of heat exhaust holes 4 arranged at regular intervals.
  • a large number of small LED chips 2 (area, for example, 0.3 * 0.3 mm) are arranged in as direct a contact as possible on a carrier plate 1 which is a good conductor of heat, that is to say, for example, made of thin copper sheet, in such a way that zones of dense assembly alternate with those without assembly ,
  • the LED chips 2 are electrically contacted by means of electrical conductor tracks (not shown) arranged on the carrier plate 1. In places where this is necessary, there is a thin electrical insulation layer (not shown for reasons of clarity) between LED chips 2 and carrier plate 1.
  • the entire carrier plate 1, including the LED chips 2 is covered by one or more layers 3 made of transparent material, which has the task of protecting the LED chips 2 and the electrical contacts mechanically and against environmental influences.
  • the LED light panel constructed in this way is intended for quasi-horizontal installation. For this reason, the entire structure in the zones not equipped with LED chips 2 is provided with slot-like heat exhaust holes 4. Where possible, circular heat exhaust holes 4 are also available in areas with a dense LED chip 2.
  • a large number of large LED chips 2 (surface area, for example, 2 * 2 mm, or larger) are arranged in regular contact on a heat-conducting carrier plate 1, that is to say, for example, made of thin copper sheet, at regular intervals and by means of electrical devices (not shown) Conductors electrically contacted.
  • the distances between the LED chips 2 are so large that there is space for heat exhaust holes 4.
  • the entire carrier plate 1, including the LED chips 2 is covered by one or more layers 3 of transparent material, which does the job has to protect the LED chips 2 and the electrical contacts mechanically and against environmental influences.
  • the LED light panel constructed in this way is intended for quasi-horizontal installation. For this reason, the entire structure in the zones not equipped with LED chips 2 is provided with slot-like heat exhaust holes 4.
  • FIGS. 1a, 1b, 1c To ensure that the structure is completely sealed against water or water vapor, the entire outer surface, including the perforated surfaces, is covered in FIGS. 1a, 1b, 1c by a very thin, not shown, water-repellent layer.
  • a suitable method for producing such layers is, for example, the known plasma polymerization, with which, for example, Teflon-like thin plastic layers can be applied to complex surfaces in such a way that they are covered by the protective layer everywhere.
  • the layer thicknesses can be set from a few 0.1 ⁇ m up to many ⁇ m.
  • the wetting properties of the resulting plastic layers can be produced from almost completely hydrophilic to almost completely hydrophobic by appropriately setting the process parameters.
  • FIG. 2a different cooling fin structures 25 which are flow-optimized for a quasi-horizontal position are shown, all of which are attached to the top of a carrier plate 21 which is a good heat conductor, that is to say, for example, copper sheet.
  • the LED chips 22, shown in broken lines in the figure, are fastened on the underside in as close a contact as possible to the carrier plate 21 and are electrically contacted by electrical lines not shown on the carrier plate 21.
  • the entire structure is protected on the underside by a transparent layer 23.
  • the LED chips 22 are either large in area or densely arranged as small chips in certain zones. There are wide intermediate zones without LED chip assignment between the large LED chips or the zones with a dense arrangement of small LED chips.
  • the shape of the cooling fin structures 25 takes advantage of these temperature differences in that they are all arranged symmetrically to the respective center of a hot zone and have a channel-like structure which is open at the top, so that hot air can flow upwards without any noticeable flow resistance. Radially arranged cooling fins lead to this center, which is open at the top and, as a result of this arrangement, flow channels tapering from the cool zones to the center of the hot zone, through which cool ambient medium flows to the hot center.
  • First examples of cooling fin structures 25a, 25b, 25c and 25d have cooling fins of constant height.
  • a first cooling fin structure 25a differs from all other cooling fin structures in that the ends of the cooling fins form a circular outline, which causes a somewhat poorer inflow of cool ambient medium.
  • a second cooling fin structure 25b differs from this in that the cooling fin ends form a non-round and, for example, roughly rectangular plan.
  • a third and a fourth cooling fin structure 25c, 25d and all further cooling fin structures differ from the first two cooling fin structures 25a and 25b in that here the cooling fins are arranged in three different lengths in such a way that no too narrow flow channels arise towards the center, which improves an improvement Flow of the surrounding medium results.
  • the distance from the end edges of the cooling fins to the center is not constant, and in that at least some cooling fins are not drawn too close to the center, as a result of which the flow channels towards the center are slightly widened in deviation from a continuously tapering course.
  • the fourth and a fifth and a sixth cooling fin structure 25d, 25e, 25f have cooling fins which become higher towards the center, which results in a further improved flow of ambient medium from the cool zones to the center of the hot zones.
  • FIG. 2b shows different cooling fin structures 25 which are flow-optimized for a quasi-vertical position.
  • the other structure of the LED light panel corresponds, for example (here without the heat exhaust holes) to the structure of the LED light plate in FIG. 2a.
  • All of the cooling fin structures shown are arranged and shaped in such a way that the resulting flow channels towards the cool zones are significantly wider than above the center of the hot zones, which leads to an increase in the cooling surface (due to an increased fin density) over the hot zones Outflow of hot ambient medium upwards away from the center, as well as an afterflow of cool ambient medium from below.
  • the cooling fins of the seventh cooling fin structure 25h have a constant height.
  • the cooling fins of the eighth and ninth structures 25i and 25j become continuously higher upwards, which results in an even better flow.
  • the ninth structure 25j is partially covered on its surface by a thin film 25k, which brings about a further improvement in the flow and additionally ensures that the surrounding medium, which flows out from the structure 25i underneath, largely flows outside via the film 25k and cool ambient medium thus flows into the covered structure 25j from below.
  • the film is cut so that the film parts that are not above the cooling fins can be removed,
  • the material of the film must be selected so that it can first be stretched in moderate heat or at room temperature, secondly that it can be "glued” to the cooling fins by being mentioned, and thirdly that it can be
  • Suitable plastic films can be found in large numbers on the market.
  • a PE film is an example.
  • the LED light panel described in FIG. 2a for quasi-horizontal position is provided with cooling fin structures 35 with heat exhaust holes 34.
  • the designations 31-35 correspond to 21-25 in Figure 2a.
  • the heat exhaust holes 34 are arranged and shaped in such a way that slot-like holes are located in the cool intermediate zones between the LED chips 32, which allow the flow from the underside of the panel to the top to be as free as possible.
  • the natural convection which is improved by the cooling fin structures 35, acts as a pump for ambient medium from the underside of the panel and not only prevents heat build-up on the underside but also sucks up relatively cool ambient medium.
  • the sixth cooling fin structure 35f which becomes higher towards the center of the hot zone, is provided in FIG. 3 as in FIG. 2a with a film-like cover 35g, 25g, which can extend over the entire LED panel in a corresponding structure.
  • This film-like cover 35g is opened around the central open zone of the cooling fin structure 35f, so that hot ambient medium can escape unhindered here.
  • a cover film 35g it is achieved that almost everything by natural convection flowing upward ambient medium with cool ambient medium flowing through from below through the heat exhaust holes and through the flow channels formed by the cooling fins has to be replaced.
  • This embodiment of the invention therefore also works when there are no local temperature differences on the top of the panel which would in themselves produce a convection flow, that is to say, for example, with a high lateral thermal conductivity of the carrier plate.
  • Such a cover film can be produced in accordance with the production procedure outlined for FIG. 2b.
  • FIGS. 4a to 4c Different exemplary embodiments of a convection cooler are shown in FIGS. 4a to 4c.
  • the convection cooler consists of a convection cooler support plate 41 which has convection holes 42 at suitable intervals. Arranged concentrically around these convection holes 42, there are heating elements 43 on the upper side of the convection cooler support plate 41, which are electrically contacted by electrical lines 44. In the example, it is a serial electrical connection of the heating elements 43. If this is expedient, the heating elements can of course also be electrically contacted in parallel or in serial groups by means of correspondingly arranged electrical lines 44.
  • the heating elements 43 are applied to the carrier plate using either thick film or thin film technology.
  • the electrical connections 44 usually with thick film technology.
  • Corresponding structures are generally known, for example, from the art of inkjet printers with thermal print heads in which the ink is ejected by means of pulse-like heating.
  • heating elements made of platinum, polycrystalline silicon, metal-silicon-nitride composites or metal-silicon-oxy-nitride composites have proven their worth. Titanium, tantalum, chromium, molybdenum or tungsten are used as metals in the case of the composites mentioned.
  • thick film technology there are numerous resistance pastes available on the market that are suitable for building heating elements.
  • Heating elements 43 and electrical lines 44 - or the entire structure described - are covered by a thin passivation layer, not shown, which protects the elements mentioned against chemical or electrical influences from the environment, so that the entire structure, for example, directly in the water or can be used in the air under the direct influence of rain and snow.
  • Suitable such layers are, for example, thin film layers such as Silicon oxide or silicon (oxide) nitride.
  • a PTFE-like thin layer produced by means of plasma polymerisation.
  • this simple convection cooler By heating the heating elements 43, ambient medium rises above them. As a result, ambient medium has to flow in from below through the convection holes 42 - and in the case of FIG. 4a also from the side - which results in a cooling flow below the cooler.
  • FIG. 4a A thick auxiliary layer 45 is arranged here above the carrier plate 41 with the convection holes 42, the heating elements 43 and the electrical connections 44, said auxiliary layer 45 having auxiliary layer convection holes 46 above the holes 42.
  • These auxiliary layer convection holes 46 have at least on the side with which they touch the convection cooler support plate 41 a diameter which corresponds to the outer diameter of the heating elements 43.
  • the diameter of the auxiliary layer convection holes 46 can at most decrease 46c or enlarge 46b.
  • This auxiliary layer can consist, for example, of a plastic plate which is injection-molded or stamped and stamped with the corresponding heat extraction holes and which is subsequently connected to the convection cooler support plate 41 with the convection holes 42, the heating elements 43 and the electrical connections 44, for example by gluing. But it can also consist of one of the insulation materials mentioned below. Or it can be sprayed from a photo-structurable plastic such as polyimide or SU8 over the entire surface onto the convection cooler carrier plate 41 with the convection holes 42, the heating elements 43 and the electrical connections 44 or was laminated or doctored and then provided with the appropriate convection holes 46 by means of deep photolithography.
  • a photo-structurable plastic such as polyimide or SU8
  • auxiliary layer 45 The improvement achieved by this auxiliary layer 45 is obviously that in such an arrangement no ambient medium can flow in from the side to the heating elements 43 and so the entire surrounding medium flowing away by natural convection is sucked in from below through the convection holes 46, 42 got to.
  • FIG. 4b Another optional improvement is outlined in FIG. 4b.
  • the efficiency of the convection cooler becomes higher the less the heat generated by the heating elements 43 reaches the underside of the cooler. For this reason, a heat insulation plate 47 with corresponding convection holes 48 is located below the convection cooler support plate 41.
  • this heat insulation plate 47 is of course selected so that it has the lowest possible thermal conductivity ⁇ . Glass ( ⁇ approx. 1 [W / m K]) or a plastic such as e.g. PVC ( ⁇ approx. 0.15). However, a special heat insulation material is preferably selected, such as, for example, pressed and, if necessary, sintered, precipitated silica ( ⁇ approx. 0.018) or PU foam ( ⁇ approx. 0.025). In extreme cases, the heat insulation plate 47 can of course also be constructed as a vacuum insulation panel, with which the thermal conductivity coefficient ⁇ can be reduced down to approximately 0.001 [W / m ° K].
  • FIG. 4c shows a further possibility for improvement of the convection cooler:
  • the structure explained in FIG. 4b can, in theory as often as desired, be repeated in the sense of a sandwich structure.
  • an insulation layer 47, a carrier plate 41 with the convection holes, the heating elements and the electrical connections, an insulation layer 47, another convection cooler carrier plate 41 with the convection holes, the heating elements and the electrical connections follow from bottom to top.
  • This can be repeated as often as desired; a sandwich with convection cooler carrier plates 41 containing up to 5 heating elements is sensible.
  • an auxiliary layer 45 follows as the upper end of the sandwich.
  • the heating elements present on the convection cooler carrier plates 41 have to be operated at ever higher temperatures, viewed from the bottom up. This ensures that the hot ambient medium, which is already rising due to natural convection, receives additional lift from layer to layer, which increases the flow.
  • FIG. 5 shows an overall structure of an LED light panel that is optimized with regard to heat dissipation.
  • This structure consists of the actual LED light panel 51, which has corresponding heat exhaust holes 52 and cooling fin structures.
  • a convection cooler 54 with the convection holes 55 is attached in this example, in accordance with FIG.
  • a multi-layer convection cooler could also be selected.
  • the arrangement of the heat extraction holes 52, the arrangement and alignment of the cooling fin structures 52 and the arrangement of the convection holes 55 is selected such that everything surrounding medium flowing in from the bottom through the heat extraction holes 52 or from the sides past the cooling fin structures 53 through the Convection holes 55 is drawn up.
  • the convection cooler also serves as a cover, which ensures that the ambient medium has to flow past the cooling fins.
  • FIG. 5 represents in itself one possibility of how, for example, a street lamp with LED as a light source can look.
  • the actual LED light panel 51 described permits a very dense arrangement of LED chips (for example approximately 20 chips / cm 2 ) and therefore permits the generation of very high light densities.
  • the described optimal heat dissipation ensures that the maximum permissible temperature for a long service life is not exceeded.
  • the fact that both the actual light panel 51 and the convection cooler 54 are constructed in such a way that they can be exposed to the direct influence of wind and weather ultimately allows the entire structure to be placed in suitable locations, for example at the upper end of one, without additional housing Mast or attached to appropriate mounting cables.

Abstract

The invention relates to a light-emitting panel with an essentially sheet- or film-like support plate (31) and a number of illumination bodies, mounted on the support plate (31) and operated by electricity. The support plate has a heat extraction hole embodied as an opening in the support plate (34). Cooling fins (35a, 35b, 35c, 35d, 35e, 35f) can also be provided on a rear face and embodied and arranged such as to be optimised with relation to natural convection whereby a local heating of the support element (31) at any point at which the illumination bodies (32) are attached generates a convection along the cooling fins. The invention further relates to a module for active generation of a convection flow without moving parts, particularly by use of a heating element, a method for reduction of the heat emitted by a light-emitting panel with a pulsed operation and a light-emitting panel which may be operated such as to be switched off by sectors, on overheating of the illumination bodies.

Description

LICHTEMITTIERENDES PANEEL LIGHT-EMITTING PANEL
Die Erfindung betrifft das Wärmemanagement von lichtemittierenden Paneelen, bspw. mit Arrays von ungehäusten lichtemittierenden Dioden (LED-Chips). Sie hat auch ein Verfahren zur Reduktion der von lichtemittierenden Paneelen abgegebenen Verlustwärme sowie eine Energieversorgungs- und Regelungseinheit für lichtemittierende Paneele zum Inhalt.The invention relates to the heat management of light-emitting panels, for example with arrays of unhoused light-emitting diodes (LED chips). It also includes a process for reducing the heat loss emitted by light-emitting panels and an energy supply and control unit for light-emitting panels.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung von hohem Lichtfluss - wie beispielsweise für Strassenbeleuchtungen oder Raumbeleuchtungen notwendig - ist die Vereinigung einer Vielzahl von ungehäusten LED-Chip auf einer geeigneten Trägerplatte, die mittels einer entsprechenden elektrischen Kontaktierung gemeinsam zum Leuchten gebracht werden. Damit solche Anordnungen flächenmässig nicht zu gross werden, müssen die LED-Chips in hoher räumlicher Dichte, d.h. beispielsweise 10 LED/cm2 oder höher, angeordnet werden.One possibility for generating a high luminous flux - as is necessary, for example, for street lighting or room lighting - is to combine a large number of unhoused LED chips on a suitable carrier plate, which are brought together to light up by means of appropriate electrical contacting. So that such arrangements do not become too large in terms of area, the LED chips must be arranged in a high spatial density, that is to say, for example, 10 LEDs / cm 2 or higher.
Ein Kernproblem bei derartigen Anordnungen ist die Tatsache, dass die summierte Verlustleistung der leuchtenden LED-Chip bei einer grossen Anzahl dicht gepackter Chips zu so hohen Temperaturen führen kann, dass die Funktionsfähigkeit des Leuchtpaneels in Frage gestellt, zumindest aber dessen Lebensdauer drastisch reduziert wird. Die maximale Temperatur, die für eine genügende Lebensdauer nicht überschritten werden darf ist abhängig von der Art der verwendeten Gehäusung. Konventionelle Gehäusungslösungen, die im Wesentlichen mit kostengünstigen Kunststoffen arbeiten, liegt diese Temperatur ca. bei 60°C, die Grenze einer dauerhaften Funktionsfähigkeit ist bei ca. 80°C erreicht. Auch bei fortschrittlicheren Gehäusungslösungen, bei sogenannten Hochtemperatur-Gehäusungen, liegen die erlaubten maximalen Temperaturen nicht oberhalb ca. 150°C. Es ist also für LED- Leuchtpaneele von grosser Wichtigkeit dafür zu sorgen, dass entstehende Verlustwärme möglichst gut abgeführt wird und/oder weniger Verlustwärme entsteht.A key problem with such arrangements is the fact that the summed power loss of the luminous LED chip can lead to such high temperatures with a large number of densely packed chips that the functionality of the luminous panel is questioned, or at least its service life is drastically reduced. The maximum temperature that must not be exceeded for a sufficient service life depends on the type of housing used. Conventional housing solutions that are essentially inexpensive When working with plastics, this temperature is approx. 60 ° C, the limit of permanent functionality is reached at approx. 80 ° C. Even with more advanced housing solutions, so-called high-temperature housings, the permitted maximum temperatures are not above approx. 150 ° C. It is therefore of great importance for LED light panels to ensure that any heat loss is dissipated as well as possible and / or less heat loss is generated.
Zur Lösung dieser Problematik werden in der Patentliteratur zahlreiche Ansätze beschrieben.Numerous approaches are described in the patent literature to solve this problem.
Beispielsweise schildern die Patentpublikationen EP1139439, US6428189, WO0212788, US6480389, WO02084750, US2002042156, US5113232, US6274924, US6501103, US6376902, US6481874, JP2002278480, CN1369909, JP2002278481 und US 2002/0167807 Ansätze, bei denen entweder gehäuste oder ungehäuste LED in möglichst gut wärmeleitenden Kontakt mit einer zusätzlichen, auf der Rückseite oder auf der Vorderseite oder beidseitig der LED-Trägβrplatte angeordneten gut wärmeleitenden meist plattenartigen Struktur gebracht werden. Diese plattenartige Struktur hat die Aufgabe die Wärme möglichst effizient von den LED weg zu führen und an die Umgebung abzugeben. In einer der genannten Anordnungen (EP 1139439) besitzt die plattenähnliche Struktur deshalb Kühlrippen. In einer anderen Anordnung (US 2002/0167807 besteht die LED-Trägerstruktur aus einzelnen metallischen Querwänden und zu diesen senkrecht verlaufenden und von diesen elektrisch isolierten, ebenfalls metallischen Schienen. Diese Anordnung erlaubt, die LEDs direkt auf einer metallischen Unterlage anzubringen, was die Wärmeableitung begünstigt. Trotzdem können die LEDs „random access" angesteuert werden. Die Anordnung ist geeignet zur Anwendung für Displays; sie kommt also im Allgemeinen so zu stehen, dass sich die LEDs in einer lotrechten, also vertikalen Ebene befinden. In US5278432 wird ein anderer Ansatz geschildert. LED-Chips werden hier auf einer Trägerplatte angeordnet, die auf ihrer Rückseite eine durchgehende, elektrisch leitende, und damit auch gut wärmeleitende, Schicht aufweist. Die Ableitung der von den Chips erzeugten Wärme erfolgt lediglich über eine keramische Isolationsschicht zu der rückseitigen Schicht. Weiter ist die rückseitige elektrisch leitende Schicht als metallische, mit Kühlrippen versehene Platte ausgebildet.For example, Patent Publications EP1139439, US6428189, WO0212788, US6480389, WO02084750, US2002042156, US5113232, US6274924, US6501103, US6376902, US6481874, JP2002278480, at US200 when used by or under the heading of EP200394, US2002-07487807 or US2002-07488, which were published in 2002-2007, at the same time with an additional, highly heat-conducting, usually plate-like structure arranged on the back or on the front or on both sides of the LED carrier plate. This plate-like structure has the task of guiding the heat away from the LED as efficiently as possible and releasing it to the surroundings. In one of the arrangements mentioned (EP 1139439), the plate-like structure therefore has cooling fins. In another arrangement (US 2002/0167807), the LED carrier structure consists of individual metallic transverse walls and also metallic rails running perpendicularly to them and electrically insulated from them. This arrangement allows the LEDs to be attached directly to a metallic base, which promotes heat dissipation Nevertheless, the LEDs can be controlled “random access”. The arrangement is suitable for use on displays; in general, it is positioned so that the LEDs are in a vertical, ie vertical, plane. Another approach is described in US5278432. LED chips are arranged here on a carrier plate, which has a continuous, electrically conductive, and thus also good heat-conducting layer on the back. The heat generated by the chips is dissipated only via a ceramic insulation layer to the rear layer. Furthermore, the rear electrically conductive layer is designed as a metallic plate provided with cooling fins.
Neben den geschilderten Ansätzen zur passiven Ableitung der Wärme über geeignete Wärmesenken ist natürlich der Ansatz zur aktiven Ableitung von Wärme bekannt, indem das LED-Leuchtpaneel von einem Kühlmedium angeströmt wird, das mittels eines geeigneten Hilfsgerätes, wie beispielsweise eines Ventilators oder einer Pumpe, in erzwungene Bewegung gesetzt wird. Ein Beispiel dafür findet man in der US- Patentschrift 4,729,076 (Fig. 5(c)).In addition to the approaches described for passive dissipation of heat via suitable heat sinks, the approach for actively dissipating heat is of course known, in that the LED light panel is flown by a cooling medium which is forced into it by means of a suitable auxiliary device, such as a fan or a pump Movement is set. An example of this is found in U.S. Patent 4,729,076 (Fig. 5 (c)).
Ansätze zur passiven Ableitung der Wärme über geeignete Wärmesenken haben den wesentlichen Vorteil, dass keine zusätzlichen Gerätschaften benötigt werden. Die geschilderten Ansätze weisen aber alle den Nachteil auf, dass die Wärmeabgabe an die Umgebung, d.h. in aller Regel an die Luft, nicht optimiert ist. Dies drückt sich einerseits in nicht optimalem Wärmeübergang zur Umgebung und nicht optimaler Wärmeabstrahlung aus.Approaches to passively dissipating heat via suitable heat sinks have the significant advantage that no additional equipment is required. However, the approaches described all have the disadvantage that the heat release to the environment, i.e. usually in the air, is not optimized. On the one hand, this is expressed in sub-optimal heat transfer to the environment and sub-optimal heat radiation.
Die angesprochenen Ansätze zur Wärmeabfuhr durch erzwungenen Anströmung mit einem geeigneten Kühlmedium, also in der Regel mit Luft, haben den Nachteil, dass die benötigten zusätzlichen Geräte bewegte Elemente aufweisen, was für Anwendungen wie Strassenbeleuchtungen aus Gründen der Wartbarkeit und für Anwendungen wie Raumbeleuchtungen aus Gründen zusätzlicher Geräusche problematisch ist. In Summe haben die geschilderten Ansätze den Nachteil, dass sie nicht als - allenfalls modular einsetzbare - Elemente eines systematischen Ansatzes zum optimierten Wärmemanagement eines LED-Paneels verwendet werden.The approaches mentioned for heat dissipation by forced inflow with a suitable cooling medium, that is to say usually with air, have the disadvantage that the additional devices required have moving elements, which is useful for applications such as street lighting for reasons of maintainability and for applications such as room lighting for reasons of additional Noise is problematic. All in all, the approaches described have the disadvantage that they are not used as elements of a systematic approach for optimized heat management of an LED panel, which can be used in a modular manner.
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, stellt sich die Aufgabe, das Wärmemanagement von Leuchtpaneelen mit strombetriebenen Leuchtkörpern zu verbessern. Insbesondere sollen die geschilderten Nachteile der einzelnen Ansätze zu beheben, bzw. entscheidende Verbesserungen herbei zu führen. Die verbesserten Einzelansätze sollen bspw. als Module eines Systems für das Wärmemanagements von LED-Leuchtpaneelen einsetzbar sein.The object of the invention, as defined in the patent claims, is to improve the thermal management of light panels with current-operated light bodies. In particular, the disadvantages of the individual approaches described should be remedied or decisive improvements brought about. The improved individual approaches are to be used, for example, as modules of a system for the heat management of LED light panels.
Den Weg hin zu einer Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung.The invention leads to a solution to this problem.
Mit „LEDs" werden in der folgenden Diskussion ganz allgemein elektrolumineszente Elemente bezeichnet, der Begriff schliesst also neuere Ansätze der Elektrolumineszenz, wie sie bspw. in den organischen OLEDs verwendet werden, mit ein. Besonders bevorzugt sind in allen Ausführungsbeispielen ungehäuste LEDs (d.h. LEDs ohne Einzelgehäuse) welche direkt auf eine Trägerplatte oder ein anderes Trägerelement aufbringbar sind und einen im Wesentlichen in direkten thermischen Kontakt zwischen LED-Chip und Trägerelement erlauben.In the following discussion, “LEDs” are used to refer to electroluminescent elements in a very general way, so the term includes newer approaches to electroluminescence, such as are used, for example, in organic OLEDs. Unhoused LEDs (ie LEDs without Individual housing) which can be applied directly to a carrier plate or another carrier element and which permit an essentially direct thermal contact between the LED chip and carrier element.
Die Erfindung bedient sich - einzeln oder in Kombination - folgender Ansätze:The invention makes use of the following approaches, individually or in combination:
Die Verbesserung der passiven Abfuhr von Wärme ist erstens möglich mit einer Verbesserung des Wärmeüberganges an das umgebende Medium. Zweitens ist eineThe improvement of the passive dissipation of heat is first possible with an improvement in the heat transfer to the surrounding medium. Second is one
Verbesserung der Wärmeabstrahlung anzustreben. Beide Zielsetzungen sind auf einfache Art, nämlich mit einer einfachen Anpassung der Oberflächenstruktur der verwendeten Wärmesenke zu erreichen. Ein besserer Wärmeübergang stellt sich mit grösserer Rauheit der Oberfläche ein. Bessere Wärmeabstrahlung erreicht man durch eine Annäherung der Oberflächenfarbe an diejenige eines schwarzen Strahlers, d.h. durch ein möglichst mattes Schwarz.To strive to improve heat radiation. Both objectives are simple, namely with a simple adjustment of the surface structure of the to achieve the heat sink used. A better heat transfer occurs with greater roughness of the surface. Better heat radiation can be achieved by approximating the surface color to that of a black radiator, ie by using a matt black.
Beide Wünsche sind auf einfache Art beispielsweise dadurch zu erfüllen, dass der als Wärmesenke dienende Teil aus einem geeigneten Metall, also beispielsweise aus Aluminium, besteht, welches in einem ersten (elektro-)chemischen Bearbeitungsschritt angeätzt und damit aufgerauht und in eine zweiten - allenfalls in ein und demselben Bad stattfindenden - (elektro-) chemischen Bearbeitungsschritt beispielsweise durch schwarz anodisieren mit einer möglichst matt-dunklen Oberfläche versehen wird.Both wishes can be fulfilled in a simple manner, for example, by the part serving as a heat sink consisting of a suitable metal, for example aluminum, which is etched in a first (electro-) chemical processing step and thus roughened and in a second - if necessary in one (same) bath taking place - (electro-) chemical processing step, for example by anodizing black with a matt-dark surface as possible.
Ein weiterer, der Erfindung zu Grunde liegender Gedanke ist derjenige, dass die Kühlwirkung durch Konvektion eines das Paneel oder Elemente des Paneels umgebenden Fluids, typischerweise Luft, genutzt wird. Gemäss diesem Aspekt der Erfindung wird auf die möglichst gute Entwicklung einer Strömung des umgebenden Mediums durch natürliche Konvektion geachtet. Das Paneel ist also so ausgebildet, dass eine - beispielsweise im Vergleich zur marginalen, in üblichen Anordnungen entstehenden Konvektion erhöhte - Konvektionsströmung des Umgebungsmediums ausgelöst wird und dass diese Konvektionsströmung gelenkt wird, um eine Kühlungswirkung zu erzielen. Die Konvektionsströmung wird also gewissermassen zum Erzeugen einer Kühlwirkung kanalisiert und optimiert. Sie erfolgt mindestens lokal gerichtet, d.h. es kann ihr im Wesentlichen an jedem Ort eine eindeutige, gewünschte Richtung zugeordnet werden.Another idea on which the invention is based is that the cooling effect is used by convection of a fluid, typically air, surrounding the panel or elements of the panel. According to this aspect of the invention, the best possible development of a flow of the surrounding medium through natural convection is ensured. The panel is thus designed in such a way that a convection flow of the surrounding medium is triggered, for example increased compared to the marginal convection that occurs in conventional arrangements, and that this convection flow is directed in order to achieve a cooling effect. To a certain extent, the convection flow is channeled and optimized to produce a cooling effect. It takes place at least locally, i.e. it can essentially be assigned a clear, desired direction at any location.
Die Konvektionsströmung kann durch eine Erwärmung der Verlustwärme erzeugenden Komponenten erzeugt werden. Gemäss einem ersten Ansatz wird die möglichst gute Entwicklung einer Strömung des umgebenden Mediums durch natürliche Konvektion dadurch erreicht, dass ein Abstörmen von Umgebungsmedium auch dann möglich ist, wenn das Paneel ,quasi- horizontal' liegt. Eine , quasi horizontale' Lage soll hier alle Paneellagen beinhalten, in denen ein freies Abströmen des vom Paneel erwärmten Umgebungsmediums durch das Paneel selbst stark behindert wird. Typische derartige Anwendungen sind die Verwendung von LED Paneelen zu Beleuchtungszwecken, vor allem dann wenn hohe Lichtdichten gefordert sind, wie dies beispielsweise bei Strassen- oder Raumbeleuchtungen der Fall ist. In allen Anwendungen eines LED-Leuchtpaneels, in denen das Paneel quasi in horizontaler Lage eingebaut werden muss wird die Kühlung dadurch empfindlich gestört, dass das Abströmen des sich auf der Unterseite des Paneels erhitzenden Umgebungsmediums durch die laterale Ausdehnung des Paneels erschwert ist.The convection flow can be generated by heating the heat-generating components. According to a first approach, the best possible development of a flow of the surrounding medium by natural convection is achieved in that a disturbance of the surrounding medium is also possible when the panel is quasi-horizontal. A "quasi-horizontal" position is intended to include all panel layers in which free flow of the ambient medium heated by the panel through the panel itself is severely hindered. Typical applications of this type are the use of LED panels for lighting purposes, especially when high light densities are required, as is the case, for example, with street or room lighting. In all applications of an LED light panel, in which the panel has to be installed in a quasi-horizontal position, the cooling is severely disturbed by the fact that the outflow of the ambient medium heating up on the underside of the panel is made more difficult by the lateral expansion of the panel.
Für diese Problematik existiert eine verblüffend einfache, bisher noch nicht beschriebene Lösung. In aller Regel ist es kein Problem, die LED und die Leiterbahnen eines LED-Leuchtpaneels so anzuordnen, dass auf dem Paneel Platz bleibt für Wärmeabzugslöcher, welche das Paneel in Richtung seiner kleinsten Abmessung durchdringen. Die Bezeichnung „Loch" soll im Weiteren alle denkbaren Formen von Öffnungen beinhalten, also beispielsweise unter anderem kreisrunde, gerade schlitzartige oder beliebig geschwungene schlitzartige Öffnung. Wird ein solches „gelochtes" Paneel in quasi horizontaler Lage eingebaut, kann das sich bildende heisse Umgebungsmedium durch die Löcher senkrecht nach oben abströmen. Versuche haben gezeigt, dass sich bereits bei schmalen, d.h. z.B. ca. 2 cm breiten und ca. 20 cm langen, Paneelen bei einer LED Temperatur von ca. 60°C Temperaturunterschiede von bis zu 15 °C zwischen Paneelen mit bzw. ohne Wärmeabzugslöcher einstellen. Dieser Temperaturunterschied wird um so deutlicher je grosser die lateralen Ausdehnungen des Paneels sind, je grosser die Anzahl der Wärmeabzugslöcher ist und je höher die mittlere LED Temperatur ist. Zusätzlich spielt das Verhältnis von Lochdurchmesser und Lochlänge, das seinerseits im Wesentlichen durch die Paneeldicke bestimmt ist, eine entscheidende Rolle. Je dünner das gesamte Paneel gestaltet werden kann, desto grosser kann dieses Verhältnis werden. Damit wird auch der Strömungs widerstand der Wärmeabzugslöcher kleiner und die Kühlwirkung steigt. Bei den angesprochenen Versuchen betrug das Verhältnis von Lochdurchmesser zu Lochlänge ca. 0.3, was als eher ungünstig beurteilt werden kann. Bei Paneelen auf denen ungehäuste LED- Chips verwendet werden, kann problemlos ein Verhältnis von 1 und grosser erreicht werden.There is an amazingly simple solution to this problem that has not yet been described. As a rule, it is no problem to arrange the LED and the conductor tracks of an LED light panel so that there is space on the panel for heat exhaust holes that penetrate the panel in the direction of its smallest dimension. The term "hole" is also intended to include all conceivable forms of openings, for example, circular, straight slit-like or arbitrarily curved slit-like openings. If such a "perforated" panel is installed in a quasi-horizontal position, the hot surrounding medium that forms can be removed by the Drain holes vertically upwards. Experiments have shown that even with narrow, ie approx. 2 cm wide and approx. 20 cm long, panels with an LED temperature of approx. 60 ° C, temperature differences of up to 15 ° C between panels with or without heat exhaust holes occur. This temperature difference becomes clearer the greater the lateral expansion of the panel, the greater the number of heat exhaust holes and the higher the mean LED temperature. In addition, the relationship between hole diameter and hole length, which in turn in the Is essentially determined by the panel thickness, a crucial role. The thinner the entire panel can be designed, the greater this ratio can be. This also reduces the flow resistance of the heat exhaust holes and increases the cooling effect. In the experiments mentioned, the ratio of hole diameter to hole length was approximately 0.3, which can be assessed as rather unfavorable. A ratio of 1 and larger can easily be achieved for panels on which unenclosed LED chips are used.
Eine Aufgabe, die beim Aufbau von mit Wärmeabzugslöcher versehenen LED- Leuchtpaneelen in Anwendungsfällen wie Strassenbeleuchtungen nicht ausser Acht gelassen werden darf, ist die gegen Wasserdampf dichte und gegen Salzwasser resistente λ-'ersiegelung der LED-Chip und deren elektrische Kontaktierungen. Auch für diese Fälle existieren, aber einfache Lösungen. So ist es beispielsweise ohne weiteres möglich ein entsprechend in Schichten aufgebautes LED-Leuchtpaneel nachträglich beispielsweise durch Bohren oder Fräsen mit den gewünschten Wärmeabzugslöcher zu versehen. Damit die durch das Beibringen der Löcher freigelegten Verbindungsstellen zwischen den Schichten die geforderte Dichtigkeit aufweisen, kann das gesamte Paneel nachträglich rundum, d.h. auch auf den Flächen der Wärmeabzugslöcher, mit einer dünnen transparenten, Wasser abstossenden Schicht versehen werden. Ein geeignetes Verfahren hierzu ist bspw. die bekannte Plasmapolimerisation, mit der beispielsweise teflonartige dünne Kunststoffschichten auf komplexe Oberflächen so aufgebracht werden können, dass diese überall von der schützenden Schicht bedeckt sind. Die Schichtdicken können dabei von einigen 0.1 μm bis zu vielen μm eingestellt werden. Durch entsprechende Einstellung der Prozessparameter kann die Benetzungseigenschaft der entstehenden Kunststoffschichten von fast vollständig hydrophil bis zu fast vollständig hydrophob erzeugt werden. Ein weiterer Ansatz ist der Folgende: Unabhängig vom Einsatz der geschilderten Wärmeabzugslöcher können Kühlrippen zur Verbesserung der Wärmeabgabe an die Umgebung eingesetzt werden. Fertigungstechnisch besteht heute die Möglichkeit mittels sehr feiner, relativ hoher Kühlrippen eine Vergrösserung der theoretisch wirksamen Oberfläche um einen Faktor in der Grössenordnung von 10 und mehr zu erreichen. So ist es beispielsweise mit dem bekannten, kostengünstigen UV-LIGA Verfahren möglich, 10 Kühlrippen einer Höhe von ca. 0.5 mm auf einer Breite von 1 mm zu erzeugen. Berechnungen haben aber gezeigt, dass Kühlrippen mit einem derartig grossen Verhältnis Höhe / Abstand (im Beispiel ca. 5) - zumindest im Falle einer quasi-horizontalen Einbaulage - keine Verbesserung der Kühlwirkung im Vergleich zu einer ebenen Platte bringen. Dies ist darauf zurück zu führen, dass sich in den engen, hohen Kanälen zwischen den Rippen keine Strömung des Umgebungsmediums durch natürliche Konvektion ausbilden kann, sondern, des hohen Strömungswiderstandes der nahe beieinander stehenden Wände wegen, eine dicke Schicht stehenden heissen Umgebungsmediums ausbildet. Diese Phänomen tritt - in abgeschwächter Form - auch noch bei wesentlich kleinerem Verhältnis Kühlrippenhöhe / -abstand auf. So kann beispielsweise beobachtet werden, dass auch bei einem Verhältnis von ca. 1 immer noch nicht die durch die Oberflächenvergrösserung zu erwartende Verbesserung der Kühlwirkung eintritt.One task that should not be neglected when building LED lighting panels with heat extraction holes in applications such as street lighting is the λ-der sealing of the LED chip, which is impervious to water vapor and resistant to salt water, and its electrical contacts. There are also simple solutions for these cases. For example, it is easily possible to subsequently provide an appropriate LED light panel with the desired heat extraction holes, for example by drilling or milling. So that the connection points between the layers exposed by the holes are provided with the required tightness, the entire panel can subsequently be provided with a thin transparent, water-repellent layer all around, ie also on the surfaces of the heat exhaust holes. A suitable method for this is, for example, the known plasma polymerization, with which, for example, Teflon-like thin plastic layers can be applied to complex surfaces in such a way that they are covered by the protective layer everywhere. The layer thicknesses can be set from a few 0.1 μm up to many μm. By adjusting the process parameters accordingly, the wetting properties of the plastic layers can be generated from almost completely hydrophilic to almost completely hydrophobic. Another approach is as follows: Regardless of the use of the heat exhaust holes described, cooling fins can be used to improve the heat dissipation to the environment. In terms of manufacturing technology, there is now the possibility of using very fine, relatively high cooling fins to enlarge the theoretically effective surface by a factor of the order of 10 and more. For example, with the well-known, inexpensive UV-LIGA process it is possible to produce 10 cooling fins with a height of approx. 0.5 mm and a width of 1 mm. However, calculations have shown that cooling fins with such a large height / distance ratio (approx. 5 in the example) - at least in the case of a quasi-horizontal installation position - do not improve the cooling effect compared to a flat plate. This is due to the fact that no flow of the surrounding medium through natural convection can form in the narrow, high channels between the ribs, but, due to the high flow resistance of the closely spaced walls, a thick layer of standing hot surrounding medium is formed. This phenomenon occurs - in a weakened form - even with a much smaller ratio of the fin height / spacing. For example, it can be observed that even with a ratio of approximately 1, the improvement in the cooling effect which is to be expected from the increase in surface area still does not occur.
Eine Verbesserung dieser Situation kann erreicht werden, wenn die Kühlrippen in Form und Lage so angeordnet werden, dass sie in ihrer Gesamtheit die Ausbildung von strömendem Umgebungsmedium unterstützen. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem auf dem LED-Paneel vorhandene, allenfalls durch entsprechende Anordnung der LED-Chip bewusst erzeugte, lokale Temperaturunterschiede dazu ausgenützt werden, das Umgebungsmedium durch natürliche Konvektion lokal zum Aufsteigen zu bringen und kühles Umgebungsmedium von den Seiten her, an entsprechend angeordneten strömungs- optimierten Kühlrippen vorbei, zum Nachströmen zu bringen. Mit anderen Worten, die Kühlrippen sind so ausgebildet und angebracht, dass sie strömungsoptimiert sind. Ein Erhitzen des Trägerelementes - oft ist es eine Trägerplatte; das Trägerelement muss aber nicht plattenförmig sein - an bestimmten Stellen erzeugt eine Konvektion entlang der Kühlrippen. Im Allgemeinen werden die Kühlrippen also abweichend vom Stand der Technik nicht-parallel sein sondern bspw. abschnittweise aufeinander zulaufen, um bspw. Venturirohr-artige Kanäle zu bilden und generell Umgebungsmedium-Strömungen zu kanalisieren.This situation can be improved if the cooling fins are arranged in shape and position in such a way that, in their entirety, they support the formation of flowing surrounding medium. This can be achieved, for example, by using local temperature differences present on the LED panel, which are deliberately generated by appropriate arrangement of the LED chip, to locally increase the ambient medium by natural convection and to cool ambient medium from the sides appropriately arranged flow-optimized cooling fins over to make them flow. In other words, the cooling fins are designed and attached in such a way that they are flow-optimized. Heating the support element - often it is a support plate; the support element does not have to be plate-shaped - at certain points, convection creates along the cooling fins. In general, in contrast to the prior art, the cooling fins will therefore not be parallel but, for example, run in sections towards one another, for example to form venturi-like channels and generally to channel ambient medium flows.
Eine durch die Struktur und Anordnung der Kühlrippen erzeugte natürliche Konvektion kann auch dann erzeugt werden, wenn keine oder nur geringfügige lokale Temperaturunterschiede vorhanden sind, bspw. indem eine Erwärmung des Paneels als Ganzes eine Konvektion erzeugt. Dies kann bspw. bei der im Folgenden geschilderten Ausführungsform der Fall sein:A natural convection generated by the structure and arrangement of the cooling fins can also be generated if there are no or only slight local temperature differences, for example by heating the panel as a whole to produce convection. This can be the case, for example, in the embodiment described below:
Die Kühlwirkung der geschilderten Wärmeabzugslöcher und der geschilderten strömungs-optimierten Kühlrippen kann verbessert werden, wenn diese miteinander kombiniert werden. Die Form und der Verlauf der Kühlrippen wird hierzu vorteilhafterweise so gewählt, dass sich durch das aus den Wärmeabzugslöcher abströmend Umgebungsmedium in den Kühlrippen-Zwischenräumen eine Strömung ausbildet. Dies kann beispielsweise so erreicht werden, dass durch die Kühlrippen ein Muster offener, beispielsweise Venturirohr-artiger Kanäle entsteht, deren weite Strömungsquerschnitte sich in der Nähe der Wärmeabzugslöcher befinden und deren kleine Öffnung an möglichst heissen Stellen auf dem Paneel, vorzugsweise in einer kaminartig nach oben führenden Öffnung, endet. Berechnungen haben ergeben, dass Muster von Rippen von mit einer Höhe von 0.1 bis 1 mm, bei einer Wandstärke von 0.01 bis 0.5 mm und bei einem mittleren Abstand von mindestens 0.1 bis 2 mm einerseits die gewünschte Oberflächenvergrösserung ergeben und anderseits einen genügend kleinen Strömungswiderstand aufweisen. Auf den ersten Blick erscheint die kostengünstige Herstellung solcher Kühlrippen schwierig. Dies ist aber nicht der Fall, weil die Kühlrippen einerseits als unabhängiges, nachträglich, beispielsweise durch grossflächiges Löten, auf das Paneel aufbringbares Modul hergestellt werden können und weil sie anderseits, wie oben erwähnt, des Strömungswiderstandes wegen relativ grosse Strukturen aufweisen dürfen. Damit kann als Beispiel eine Herstellungsfolge beschrieben werden, welche die Produktion sehr kostengünstiger Kühlrippenmodule erlaubt, deren Kühlrippenform und Muster - oft im Sinne von 2J/2-D Strukturen, aber auch im Sinne von „echten" 3-D Strukturen - fast beliebig kompliziert sein darf: Zunächst wird beispielsweise durch konventionelles Fräsen ein Prägewerkzeug hergestellt, dass mit genügender Genauigkeit die positive Kühlrippenform aufweist. Dieses Werkzeug wird dazu verwendet eine geeignete Kunststoffschicht als verlorene Form zu prägen, die ihrerseits zuvor auf einer metallischen Folie aufgebracht wurde. Der Kunststoff kann beispielsweise ein Silikon-Gel sein. In einem anschliessenden chemischen Ätzschritt werden die geprägten Rillen bis hinunter zu der Metallfolie geöffnet, so dass diese am Grund der Rillen frei liegt. Danach werden die Rillen in einem galvanischen Schritt mit Metall gefüllt. Schlussendlich wird die als verlorene Form dienende Kunststoff Schicht mittels eines selektiven Ätzschrittes entfernt. Das geschilderte Verfahren kann auf Flächen von der Grosse eines m durchgeführt werden, womit in einem Fertigungsschritt zahlreiche Kühlrippen-Module gleichzeitig äusserst kostengünstig hergestellt werden können.The cooling effect of the described heat exhaust holes and the described flow-optimized cooling fins can be improved if they are combined with one another. For this purpose, the shape and the course of the cooling fins are advantageously chosen such that a flow is formed in the cooling fin spaces between the ambient medium flowing out of the heat extraction holes. This can be achieved, for example, in such a way that the cooling fins create a pattern of open, for example Venturi tube-like channels, the wide flow cross-sections of which are in the vicinity of the heat exhaust holes and the small opening of which is as hot as possible on the panel, preferably in a chimney-like manner upwards leading opening, ends. Calculations have shown that patterns of ribs with a height of 0.1 to 1 mm, a wall thickness of 0.01 to 0.5 mm and an average distance of at least 0.1 to 2 mm on the one hand result in the desired surface enlargement and on the other hand have a sufficiently small flow resistance. At first glance, the cost-effective production of such cooling fins appears difficult. However, this is not the case because, on the one hand, the cooling fins can be produced as an independent module that can subsequently be applied to the panel, for example by large-area soldering, and because, as mentioned above, they can have relatively large structures due to the flow resistance. This can be used as an example to describe a production sequence that allows the production of very cost-effective cooling fin modules whose cooling fin shape and pattern - often in the sense of 2 J / 2- D structures, but also in the sense of "real" 3-D structures - are almost arbitrarily complicated The following may be: First of all, by conventional milling, an embossing tool is produced that has the positive cooling fin shape with sufficient accuracy.This tool is used to emboss a suitable plastic layer as a lost shape, which in turn was previously applied to a metallic foil In a subsequent chemical etching step, the embossed grooves are opened down to the metal foil so that it is exposed at the bottom of the grooves, after which the grooves are filled with metal in a galvanic step serving plastic ski removed by means of a selective etching step. The described method can be carried out on areas of the size of one meter, which means that numerous cooling fin modules can be produced at the same time in an extremely cost-effective manner.
Ein weiterer Ansatz beruht auf der aktiven Kühlung, ebenfalls durch Konvektion: Ein erzwungenes Anströmen eines LED -Leuchtpaneels durch kühles Umgebungs- Medium kann auch ohne Geräte mit bewegten Teilen erzeugt werden: Wenn das Umgebungs-Medium oberhalb des LED-Leuchtpaneels lokal erhitzt wird, wird dieses nach oben abströmen. Wenn zusätzlich dafür gesorgt wird, dass von unten her nachströmendes, kühles Umgebungs-Medium am LED-Leuchtpaneel vorbeiströmen muss, hat man den gewünschten Kühleffekt erreicht. Dieses Prinzip wird vorteilhafterweise so umgesetzt, dass die Elemente, welche zur lokalen Erhitzung des Umgebungs-Mediums benötigt werden, so angeordnet sind, dass sie keine - oder eine möglichst geringe - Erwärmung des LED-Leuchtpaneels selbst bewirken. Zusätzlich sollten Leitelemente vorhanden sein, welche das nachströmende kühle Umgebungs-Medium zwingen am LED-Leuchtpaneel vorbei zu strömen.Another approach is based on active cooling, also by convection: A forced flow of an LED light panel through cool ambient medium can also be generated without devices with moving parts: If the ambient medium above the LED light panel is locally heated, it is heated flow this up. If it is additionally ensured that cool ambient medium flowing in from below has to flow past the LED light panel, the desired cooling effect has been achieved. This principle is advantageously implemented in such a way that the elements which are required for the local heating of the surrounding medium are arranged in such a way that they do not - or as little as possible - heat the LED light panel itself. In addition, there should be guiding elements that force the cool ambient medium to flow past the LED light panel.
Im Folgenden soll ein entsprechend aufgebautes Kühlelement als „Konvektions- Kühler" bezeichnet werden.In the following, a correspondingly constructed cooling element will be referred to as a "convection cooler".
Ein Konvektions-Kühler lässt sich im Falle der quasi-horizontalen Einbaulage eines LED-Leuchtpaneels beispielsweise so realisieren, dass in geeignetem Abstand oberhalb des LED-Leuchtpaneels eine Trägerplatte mit Löchern vorhanden ist, die kurze, röhrenförmige Heiz-Elemente trägt und elektrisch kontaktiert, welche, konzentrisch zu den Löchern, oben auf der Trägerplatte befestigt sind. Werden diese Heiz-Elemente beispielsweise beim Durchleiten von elektrischem Strom durch ihren eigenen elektrischen Widerstand erhitzt, so zwingen sie das Umgebungs-Medium durch ihre Öffnung nach oben abzuströmen, wodurch von unten her kühles Umgebungsmedium nachströmen muss. Die Menge des strömenden Umgebungs- Mediums lässt sich offensichtlich durch die Menge der aktiven Heizelemente und eine entsprechende Erhöhung bzw. Erniedrigung der von den Heizelementen abgegebenen Wärme regeln.In the case of the quasi-horizontal installation position of an LED light panel, a convection cooler can be implemented, for example, by providing a support plate with holes at a suitable distance above the LED light panel, which carries short, tubular heating elements and makes electrical contact, which , concentric to the holes, are fixed on the top of the carrier plate. If these heating elements are heated by their own electrical resistance, for example when electrical current is passed through, they force the surrounding medium to flow upward through their opening, so that cool surrounding medium has to flow in from below. The amount of the flowing ambient medium can obviously be regulated by the amount of active heating elements and a corresponding increase or decrease in the heat given off by the heating elements.
Im Falle eines quasi-horizontal eingebauten LED-Leuchtpaneels ohne Wärmeabzugslöcher muss dieses Nachströmen von den Seiten her zwischen der Kühlerplatte und dem - allenfalls mit entsprechenden Kühlrippen ausgestatteten - LED-Leuchtpaneel erfolgen. Im Falle eines quasi-horizontal eingebauten LED-Leuchtpaneels mit Wärmeabzugslöchern sind die Löcher bzw. die röhrenförmigen Heizelemente vorteilhafterweise so zu positionieren, dass sie mit dem Lot auf die geometrische Mitte von jeweils einigen Wärmeabzugslöchern zusammenfallen. Auf diese Weise muss das nachströmende kühle Umgebungs-Medium zunächst die Wärmeabzugslöcher durchströmen um dann ein Stück weit zwischen der Kühlerplatte und dem - allenfalls mit entsprechenden Kühlrippen ausgestatteten - LED-Leuchtpaneel hindurch zu strömen.In the case of a quasi-horizontally installed LED light panel without heat exhaust holes, this afterflow must take place from the sides between the cooler plate and the LED light panel, which may be equipped with appropriate cooling fins. In the case of a quasi-horizontally installed LED light panel with heat extraction holes, the holes or the tubular heating elements are advantageously to be positioned such that they coincide with the solder on the geometric center of a few heat extraction holes in each case. In this way, the cool ambient medium flowing in first has to flow through the heat exhaust holes and then to flow a short distance between the cooler plate and the LED light panel, which may be equipped with appropriate cooling fins.
Im Falle einer annähernd senkrechten Einbaulage eines LED-Leuchtpaneels lässt sich das geschilderte Prinzip umsetzen, indem in geeignetem Abstand von der Rückseite des LED-Leuchtpaneels eine Trägerplatte ohne (allenfalls aber auch mit) Löchern vorhanden ist, die an ihrem oberen Ende eine geschlossene Reihe röhrenförmiger Heiz-Elemente trägt, welche bspw. elektrisch kontaktiert sind. Werden diese Heiz-Elemente beispielsweise beim Durchleiten von elektrischem Strom durch ihren eigenen elektrischen Widerstand erhitzt, so zwingen sie das Umgebungs-Medium durch ihre Öffnung nach oben abzuströmen, wodurch kühles Umgebungsmedium nachströmen muss. Die Menge des strömenden Umgebungs- Mediums lässt sich offensichtlich durch eine entsprechende Erhöhung bzw. Erniedrigung der von den Heiz-Elementen abgegebenen Wärme regeln.In the case of an almost vertical installation position of an LED light panel, the principle described can be implemented by providing a support plate without holes (but possibly also with holes) at a suitable distance from the back of the LED light panel, which has a closed row of tubular tubes at its upper end Bearing heating elements, which are electrically contacted, for example. If these heating elements are heated by their own electrical resistance, for example when electrical current is passed through, they force the surrounding medium to flow upward through their opening, as a result of which cool surrounding medium has to flow in. The amount of the flowing ambient medium can obviously be regulated by a corresponding increase or decrease in the heat given off by the heating elements.
Eine systematische, an jeweilige Bedürfnisse anpassbare Lösung des Wärmemanagements eines LED-Leuchtpaneels muss so aufgebaut sein, dass sie wahlweise alle vorhandenen Elemente modulartig vereinigen kann. Dies ist mit den oben geschilderten Einzellösungen problemlos machbar:A systematic, adaptable solution to the heat management of an LED lighting panel must be designed so that it can optionally combine all the existing elements in a modular manner. This can easily be done with the individual solutions described above:
Erstens wird, als einfachster Fall, damit begonnen, dass die Trägerplatte des LED- Leuchtpaneels so aufgebaut ist, dass die einzelnen LED-Chip in möglichst engem Kontakt - d.h. wenn dies notwendig ist, nur durch eine sehr dünne elektrisch isolierende Schicht getrennt - auf eine metallische Schicht aufgebracht werden, welche nach hinten in direktem Kontakt zum Umgebungs-Medium steht. Zusätzlich kann die mit dem Umgebungs-Medium in Kontakt befindliche Oberfläche in Hinsicht Wärmeübergang und -Strahlung optimiert sein, indem sie aufgerauht und geschwärzt ist. Damit ist bereits in der einfachsten Variante für einen optimalen Wärmetransport von den LED-Chips zur Umgebung gesorgt.First, the simplest case is to start with the carrier plate of the LED light panel being constructed in such a way that the individual LED chips are as narrow as possible Contact - that is, if necessary, only separated by a very thin electrically insulating layer - be applied to a metallic layer which is in direct contact with the surrounding medium to the rear. In addition, the surface in contact with the surrounding medium can be optimized with regard to heat transfer and radiation by being roughened and blackened. Even the simplest variant ensures optimal heat transfer from the LED chips to the surroundings.
Zweitens kann diese Trägerplatte, wahlweise oder in Kombination, von vorneherein oder nachträglich, mit den geschilderten Wärmeabzugslöchern und/oder mit den geschilderten strömungs-optimierten Kühlrippen-Modulen versehen werden, (modulares Element zwei).Secondly, this support plate can be provided with the described heat exhaust holes and / or with the described flow-optimized cooling fin modules, optionally or in combination, from the outset or subsequently (modular element two).
Drittens kann zusätzlich ein Konvektions-Kühler an das LED-Leuchtpaneel angebaut werden, (modulares Element drei).Thirdly, a convection cooler can also be attached to the LED light panel (modular element three).
Jedes dieser modularen Elemente kann mit jedem anderen modularen Element oder mit mehreren anderen modularen Elementen kombiniert werden, jedes modulare Element kann ausserdem mit dem Merkmal der matt-dunklen, aufgerauhten Oberfläche des Trägerelementes (bspw. der Trägerplatte) kombiniert werden.Each of these modular elements can be combined with any other modular element or with several other modular elements, each modular element can also be combined with the characteristic of the matt-dark, roughened surface of the carrier element (for example the carrier plate).
Das dritte modulare Element (Konvektionskühler) wird mit Vorteil entweder mindestens mit dem ersten und/oder zweiten modularen Element kombiniert oder mindestens mit einem Trägerelement mit konventionellen Kühlrippen.The third modular element (convection cooler) is advantageously combined either at least with the first and / or second modular element or at least with a carrier element with conventional cooling fins.
Das modulare Element drei kann als aktives Element von einer übergeordneten „intelligenten Einheit" angesteuert werden. Im Folgenden werden die modularen Elemente des erfindungsgemässen Wärme- Managementes für LED-Leuchtpaneele anhand von schematischen Figuren beispielhafter Ausführungsformen erläutert.The modular element three can be controlled as an active element by a higher-level "intelligent unit". The modular elements of the heat management according to the invention for LED light panels are explained below with the aid of schematic figures of exemplary embodiments.
Fig. la, lb und lc zeigen Schrägschichten von unten auf drei unterschiedliche Ausführungsformen eines LED -Leuchtpaneels mit erfindungsgemässen Wärmeabzugslöchern.Fig. La, lb and lc show oblique layers from below on three different embodiments of an LED light panel with heat exhaust holes according to the invention.
Fig. 2a und 2b zeigen je eine Schrägschicht von oben auf ein LED-Leuchtpaneel mit unterschiedlichen Ausführungen erfindungsgemässer strömungsoptimierter Kühlrippen2a and 2b each show an inclined layer from above onto an LED light panel with different designs of flow-optimized cooling fins according to the invention
Fig. 3 zeigt eine Schrägsicht von oben auf ein LED-Leuchtpaneel mit der Kombination unterschiedlicher Ausführungsformen erfindungsgemässer Wärmeabzugslöcher und strömungsoptimierter Kühlrippen.3 shows an oblique view from above of an LED light panel with the combination of different embodiments of heat exhaust holes according to the invention and flow-optimized cooling fins.
Fig. 4a, 4b und 4c zeigen Schrägschichten von oben auf drei unterschiedliche Ausführungsformen eines erfindungsgemässen „Konvektions-Kühlers".4a, 4b and 4c show oblique layers from above onto three different embodiments of a “convection cooler” according to the invention.
Fig. 5 zeigt eine Schrägsicht von oben auf ein erfindungsgemässes LED- Leuchtpaneel mit Wärmeabzugslöchern und strömungs-optimierten Kühlrippen, das mit einem erfindungsgemässen „Konvektions-Kühler" kombiniert ist.5 shows an oblique view from above of an LED light panel according to the invention with heat exhaust holes and flow-optimized cooling fins, which is combined with a "convection cooler" according to the invention.
In Figur la ist eine Vielzahl kleiner LED-Chips 2 (Fläche beispielsweise 0.3 * 0.3 mm) in möglichst direktem Kontakt auf einer gut Wärme leitenden, d.h. beispielsweise aus dünnem Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 1 in regelmässigen Abständen angeordnet und mittels nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Ein „möglichst direkter Kontakt" heisst hier, dass die LED-Chips entweder mit einer Fläche in unmittelbarem Kontakt mit einer Oberfläche der Trägerplatte sind oder nur durch flache, bspw. möglichst dünne und bspw. möglichst gut wärmeleitende Zwischenschichten von ihr getrennt sind, dass sie also nicht individuell gehaust und damit durch das Gehäuse und eventuelle Gehäusekontakte von der Trägerplatte getrennt sind.A large number of small LED chips 2 (area, for example 0.3 * 0.3 mm) are in direct contact on FIG Arranged at regular intervals and electrically contacted by means of electrical conductor tracks, not shown. A "as direct a contact as possible" means that the LED chips are either in direct contact with a surface of a surface of the carrier plate or are separated from it only by flat, for example as thin and as possible heat-conducting intermediate layers that they are So not individually housed and thus separated from the carrier plate by the housing and any housing contacts.
Die Trägerplatte kann eine an sich konventionelle Leiterplatte sein, die aus einem keramischen oder Polymerwerkstoff gefertigt ist. Sie kann aber auch aus neuen Werkstoffen gefertigt sein. Alternativ dazu kann sie eine im Wesentlichen metallische Platte sein. An Stellen wo dies nötig ist - bspw. um ein Kurzschliessen von Kontaktflächen benachbarter LED-Chips zu vermeiden -, befindet sich eine, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte, möglichst dünne elektrische Isolationsschicht - bspw. ein Sol-Gel - zwischen LED-Chips 2 und Trägerplatte 1 aufweisen. Als Beispiel seinen hier die SiON-Sol-Gels erwähnt, welche bereits bei Dicken von 0.5 Mikrometer praktisch durchschlagssicher sind und eine im Vergleich mit konventionellen Beschichtungsstoffen deutlich höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die gesamte Trägerplatte 1, inklusive der LED-Chips 2, ist bedeckt von einer oder mehreren Schichten 3 aus transparentem Material, das die Aufgabe hat, die LED-Chips 2 und die elektrischen Kontaktierungen mechanisch und vor Umwelteinflüssen zu schützen.The carrier plate can be a conventional printed circuit board which is made of a ceramic or polymer material. But it can also be made of new materials. Alternatively, it can be a substantially metallic plate. In places where this is necessary - for example, to avoid short-circuiting of contact areas of adjacent LED chips - there is an electrical insulation layer, for example a sol gel, which is as thin as possible (not shown for reasons of clarity) between LED chips 2 and have carrier plate 1. As an example, the SiON sol gels are mentioned here, which are practically puncture-proof even at thicknesses of 0.5 micrometers and have a significantly higher thermal conductivity than conventional coating materials. The entire carrier plate 1, including the LED chips 2, is covered by one or more layers 3 of transparent material, which has the task of protecting the LED chips 2 and the electrical contacts mechanically and against environmental influences.
Das auf diese Weise aufgebaute LED-Leuchtpaneel ist für einen quasi-horizontalen Einbau vorgesehen. Aus diesem Grunde ist der gesamte Aufbau mit einer in regelmässigen Abständen angeordneten Vielzahl von Wärmeabzugslöchern 4 versehen. In Figur lb ist eine Vielzahl kleiner LED-Chips 2 (Fläche beispielsweise 0.3 * 0.3 mm) in möglichst direktem Kontakt auf einer gut Wärme leitenden, d.h. beispielsweise aus dünnem Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 1 so angeordnet, dass Zonen dichter Bestückung mit solchen ohne Bestückung abwechseln. Die LED- Chips 2 werden mittels auf der Trägerplatte 1 angeordneten, nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. An Stellen wo dies nötig ist, befindet sich eine, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte, möglichst dünne elektrische Isolationsschicht zwischen LED-Chips 2 und Trägerplatte 1. Die gesamte Trägerplatte 1, inklusive der LED-Chips 2, ist bedeckt von einer oder mehreren Schichten 3 aus transparentem Material, das die Aufgabe hat, die LED- Chips 2 und die elektrischen Kontaktierungen mechanisch und vor Umwelteinflüssen zu schützen.The LED light panel constructed in this way is intended for quasi-horizontal installation. For this reason, the entire structure is provided with a plurality of heat exhaust holes 4 arranged at regular intervals. In FIG. 1b, a large number of small LED chips 2 (area, for example, 0.3 * 0.3 mm) are arranged in as direct a contact as possible on a carrier plate 1 which is a good conductor of heat, that is to say, for example, made of thin copper sheet, in such a way that zones of dense assembly alternate with those without assembly , The LED chips 2 are electrically contacted by means of electrical conductor tracks (not shown) arranged on the carrier plate 1. In places where this is necessary, there is a thin electrical insulation layer (not shown for reasons of clarity) between LED chips 2 and carrier plate 1. The entire carrier plate 1, including the LED chips 2, is covered by one or more layers 3 made of transparent material, which has the task of protecting the LED chips 2 and the electrical contacts mechanically and against environmental influences.
Das auf diese Weise aufgebaute LED-Leuchtpaneel ist für einen quasi-horizontalen Einbau vorgesehen. Aus diesem Grunde ist der gesamte Aufbau in den nicht mit LED-Chips 2 bestückten Zonen mit schlitzartigen Wärmeabzugslöchern 4 versehen. Wo möglich sind zusätzlich in den Bereichen mit dichter LED-Chip 2 Belegung kreisrunde Wärmeabzugslöcher 4 vorhanden.The LED light panel constructed in this way is intended for quasi-horizontal installation. For this reason, the entire structure in the zones not equipped with LED chips 2 is provided with slot-like heat exhaust holes 4. Where possible, circular heat exhaust holes 4 are also available in areas with a dense LED chip 2.
In Figur lc ist eine Vielzahl grosser LED-Chips 2 (Fläche beispielsweise 2 * 2 mm, oder grosser) in möglichst direktem Kontakt auf einer gut Wärme leitenden, d.h. beispielsweise aus dünnem Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 1 in regelmässigen Abständen angeordnet und mittels nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Die Abstände zwischen den LED-Chips 2 sind so gross, dass dort Platz bleibt für Wärmeabzugslöcher 4. An Stellen wo dies nötig ist, befindet sich eine, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte, möglichst dünne elektrische Isolationsschicht zwischen LED-Chips 2 und Trägerplatte 1. Die gesamte Trägerplatte 1, inklusive der LED-Chips 2, ist bedeckt von einer oder mehreren Schichten 3 aus transparentem Material, das die Aufgabe hat, die LED-Chips 2 und die elektrischen Kontaktierungen mechanisch und vor Umwelteinflüssen zu schützen.In FIG. 1c, a large number of large LED chips 2 (surface area, for example, 2 * 2 mm, or larger) are arranged in regular contact on a heat-conducting carrier plate 1, that is to say, for example, made of thin copper sheet, at regular intervals and by means of electrical devices (not shown) Conductors electrically contacted. The distances between the LED chips 2 are so large that there is space for heat exhaust holes 4. In places where this is necessary, there is a thin electrical insulation layer (not shown for reasons of clarity) between the LED chips 2 and the carrier plate 1 The entire carrier plate 1, including the LED chips 2, is covered by one or more layers 3 of transparent material, which does the job has to protect the LED chips 2 and the electrical contacts mechanically and against environmental influences.
Das auf diese Weise aufgebaute LED-Leuchtpaneel ist für einen quasi-horizontalen Einbau vorgesehen. Aus diesem Grunde ist der gesamte Aufbau in den nicht mit LED-Chips 2 bestückten Zonen mit schlitzartigen Wärmeabzugslöchern 4 versehen.The LED light panel constructed in this way is intended for quasi-horizontal installation. For this reason, the entire structure in the zones not equipped with LED chips 2 is provided with slot-like heat exhaust holes 4.
Damit der Aufbau völlig dicht ist gegen Wasser bzw. Wasserdampf, ist in den Figuren la, lb, lc die gesamte äussere Oberfläche, inklusive der Lochoberflächen, von einer sehr dünnen, nicht dargestellten, wasserabstossenden Schicht bedeckt. Ein geeignetes Verfahren zur Erzeugung solcher Schichten ist beispielsweise die bekannte Plasmapolimerisation, mit der beispielsweise teflonartige dünne Kunststoffschichten auf komplexe Oberflächen so aufgebracht werden können, dass diese überall von der schützenden Schicht bedeckt sind. Die Schichtdicken können dabei von einigen 0.1 μm bis zu vielen μm eingestellt werden. Durch entsprechende Einstellung der Prozessparameter kann die Benetzungseigenschaft der entstehenden Kunststoff schichten von fast vollständig hydrophil bis zu fast vollständig hydrophob erzeugt werden.To ensure that the structure is completely sealed against water or water vapor, the entire outer surface, including the perforated surfaces, is covered in FIGS. 1a, 1b, 1c by a very thin, not shown, water-repellent layer. A suitable method for producing such layers is, for example, the known plasma polymerization, with which, for example, Teflon-like thin plastic layers can be applied to complex surfaces in such a way that they are covered by the protective layer everywhere. The layer thicknesses can be set from a few 0.1 μm up to many μm. The wetting properties of the resulting plastic layers can be produced from almost completely hydrophilic to almost completely hydrophobic by appropriately setting the process parameters.
In Figur 2a sind unterschiedliche für quasi-horizontale Lage strömungsoptimierte Kühlrippenstrukturen 25 dargestellt, die alle auf der Oberseite einer gut wärmeleitenden, also beispielsweise auf Kupferblech bestehenden, Trägerplatte 21 angebracht sind. Die LED-Chips 22, in der Figur gestrichelt dargestellt, sind auf der Unterseite in möglichst engen Kontakt zu der Trägerplatte 21 befestigt und werden von nicht dargestellten auf der Trägerplatte 21 vorhandenen elektrischen Leitungen elektrisch kontaktiert. Der gesamte Aufbau wird auf der Unterseite von einer transparenten Schicht 23 geschützt. Die LED-Chips 22 sind entweder flächenmässig gross oder als kleine Chips in gewissen Zonen dicht angeordnet. Zwischen den grossen LED-Chips bzw. den Zonen mit dichter Anordnung kleiner LED-Chips existieren breite Zwischenzonen ohne LED-Chip Belegung. Dadurch entstehen örtliche Temperaturunterschiede auf der Rückseite der Trägerplatte und zwar so dass oberhalb der LED-Chips 22 höhere Temperaturen herrschen als in den Zwischenbereichen. Diese Temperaturunterschiede betragen, abhängig von der Breite der nicht belegten Zwischenzonen, einige °C bis deutlich über 10°C.In FIG. 2a, different cooling fin structures 25 which are flow-optimized for a quasi-horizontal position are shown, all of which are attached to the top of a carrier plate 21 which is a good heat conductor, that is to say, for example, copper sheet. The LED chips 22, shown in broken lines in the figure, are fastened on the underside in as close a contact as possible to the carrier plate 21 and are electrically contacted by electrical lines not shown on the carrier plate 21. The entire structure is protected on the underside by a transparent layer 23. The LED chips 22 are either large in area or densely arranged as small chips in certain zones. There are wide intermediate zones without LED chip assignment between the large LED chips or the zones with a dense arrangement of small LED chips. As a result, there are local temperature differences on the back of the carrier plate, so that the temperatures above the LED chips 22 are higher than in the intermediate areas. Depending on the width of the unoccupied intermediate zones, these temperature differences range from a few ° C to well above 10 ° C.
Die Form der Kühlrippenstrukturen 25 macht sich diese Temperaturunterschiede zunutze, indem sie alle symmetrisch zum jeweiligen Zentrum einer heissen Zone angeordnet sind und über diesem Zentrum eine nach oben offene kanalartige Struktur aufweisen, so dass hier heisse Luft ohne merklichen Strömungswiderstand nach oben abströmen kann. Zu diesem nach oben offenen Zentrum hin führen strahlenförmig angeordnete Kühlrippen, die infolge dieser Anordnung, sich von den kühlen Zonen hin zum Zentrum der heissen Zone sich verjüngende Strömungskanäle bilden, durch welche kühles Umgebungsmedium zum heissen Zentrum hin nach fliesst.The shape of the cooling fin structures 25 takes advantage of these temperature differences in that they are all arranged symmetrically to the respective center of a hot zone and have a channel-like structure which is open at the top, so that hot air can flow upwards without any noticeable flow resistance. Radially arranged cooling fins lead to this center, which is open at the top and, as a result of this arrangement, flow channels tapering from the cool zones to the center of the hot zone, through which cool ambient medium flows to the hot center.
Erste Beispiele von Kühlrippenstrukturen 25a, 25b, 25c und 25d weisen Kühlrippen konstanter Höhe auf. Eine erste Kühlrippenstruktur25a unterscheidet sich von allen weiteren Kühlrippenstrukturen dadurch, dass hier die Kühlrippen-Enden in Summe einen kreisrunden Grundriss bilden, was einen etwas schlechteren Zufluss von kühlem Umgebungsmedium bewirkt.First examples of cooling fin structures 25a, 25b, 25c and 25d have cooling fins of constant height. A first cooling fin structure 25a differs from all other cooling fin structures in that the ends of the cooling fins form a circular outline, which causes a somewhat poorer inflow of cool ambient medium.
Eine zweite Kührippenstruktur 25b unterscheidet sich hiervon dadurch, dass die Kühlrippen-Enden einen nicht runden und bspw. in etwa rechteckigen Grundriss bilden. Eine dritte und eine vierte Kühlrippenstruktur 25c, 25d und alle weiteren Kühlrippenstrukturen unterscheiden sich von den ersten zwei Kühlrippenstrukturen 25a und 25b dadurch, dass hier die Kühlrippen in drei unterschiedlichen Längen so angeordnet sind, dass zum Zentrum hin keine zu engen Strömungskanäle entstehen, was eine verbesserte Strömung des Umgebungsmediums zur Folge hat. In anderen Worten, der Abstand von Endkanten der Kühlrippen zum Zentrum ist nicht konstant, und indem mindestens einige Kühlrippen nicht zu nah ans Zentrum gezogen sind, wodurch die Strömungskanäle zum Zentrum hin in Abweichung von einem sich stetig verjüngenden Verlauf leicht aufgeweitet sind.A second cooling fin structure 25b differs from this in that the cooling fin ends form a non-round and, for example, roughly rectangular plan. A third and a fourth cooling fin structure 25c, 25d and all further cooling fin structures differ from the first two cooling fin structures 25a and 25b in that here the cooling fins are arranged in three different lengths in such a way that no too narrow flow channels arise towards the center, which improves an improvement Flow of the surrounding medium results. In other words, the distance from the end edges of the cooling fins to the center is not constant, and in that at least some cooling fins are not drawn too close to the center, as a result of which the flow channels towards the center are slightly widened in deviation from a continuously tapering course.
Die vierte und eine fünfte und eine sechste Kühlrippenstruktur 25d, 25e, 25f weisen Kühlrippen auf, die zum Zentrum in höher werden, was eine nochmals verbesserte Strömung von Umgebungsmedium von den kühlen Zonen hin zum Zentrum der heissen Zonen mit sich bringt.The fourth and a fifth and a sixth cooling fin structure 25d, 25e, 25f have cooling fins which become higher towards the center, which results in a further improved flow of ambient medium from the cool zones to the center of the hot zones.
In Figur 2b sind unterschiedliche für quasi-vertikale Lage strömungsoptimierte Kühlrippenstrukturen 25 dargestellt. Der sonstige Aufbau des LED-Leuchtpaneels entspricht beispielsweise (hier ohne die Wärmeabzugslöcher) dem Aufbau der LED- Leuchtplatte in Fig. 2a.FIG. 2b shows different cooling fin structures 25 which are flow-optimized for a quasi-vertical position. The other structure of the LED light panel corresponds, for example (here without the heat exhaust holes) to the structure of the LED light plate in FIG. 2a.
Alle gezeichneten Kühlrippenstrukturen sind so angeordnet und geformt, dass die entstehenden Strömungskanäle gegen die kühlen Zonen hin deutlich breiter sind als über dem Zentrum der heissen Zonen, was über den heissen Zonen zu einer Vergrösserung der Kühl-Oberfläche (wegen einer erhöhten Rippendichte) führt und ein Abströmen heissen Umgebungsmediums nach oben vom Zentrum weg, sowie ein Nachströmen kühlen Umgebungsmediums von unten her zur Folge hat. Die Kühlrippen der siebten Kühlrippenstruktur 25h weisen konstante Höhe auf.All of the cooling fin structures shown are arranged and shaped in such a way that the resulting flow channels towards the cool zones are significantly wider than above the center of the hot zones, which leads to an increase in the cooling surface (due to an increased fin density) over the hot zones Outflow of hot ambient medium upwards away from the center, as well as an afterflow of cool ambient medium from below. The cooling fins of the seventh cooling fin structure 25h have a constant height.
Die Kühlrippen der achten und neunten Struktur 25i und 25j werden nach oben hin kontinuierlich höher, was eine noch weiter verbesserte Strömung mit sich bringt.The cooling fins of the eighth and ninth structures 25i and 25j become continuously higher upwards, which results in an even better flow.
Die neunte Struktur 25j ist auf ihrer Oberfläche teilweise von einer dünnen Folie 25k bedeckt, was eine nochmalige Verbesserung der Strömung bringt und zusätzlich dafür sorgt, dass Umgebungsmedium, welches aus der darunter liegenden Struktur 25i ausströmt, zum grössten Teil aussen über die Folie 25k strömt und so vermehrt kühles Umgebungsmedium von unten her in die überdeckte Struktur 25j einströmt.The ninth structure 25j is partially covered on its surface by a thin film 25k, which brings about a further improvement in the flow and additionally ensures that the surrounding medium, which flows out from the structure 25i underneath, largely flows outside via the film 25k and cool ambient medium thus flows into the covered structure 25j from below.
Die Herstellung von Überdeckungen der Kühlrippenstrukturen mit folienartigen Schichten 25k erscheint auf den ersten Blick aufwändig, was aber nicht der Fall ist.At first glance, the production of overlaps of the cooling fin structures with film-like layers 25k appears complex, but this is not the case.
Es genügt hierzu, eine dehnbare Folie, also beispielsweise eine Kunststofffolie mit einem entsprechenden Umformwerkzeug auf die Kühlrippen aufzuformen und mit diesen durch Erhitzung zu verbinden. Mit demselben Werkzeug kann dann, durchIt is sufficient for this to form a stretchable film, for example a plastic film, with a corresponding forming tool on the cooling fins and to connect them to them by heating. With the same tool can then, by
Einfahren entsprechender Schneiden, die Folie so zerschnitten werden, dass die Folienteile welche sich nicht über den Kühlrippen befinden entfernt werden können,Appropriate cutting edges, the film is cut so that the film parts that are not above the cooling fins can be removed,
Das Material der Folie muss so gewählt werden, dass es ersten bei massiger Wärme oder bei Raumtemperatur gedehnt werden kann, dass es zweitens durch Erwährung mit den Kühlrippen „verklebt" werden kann und dass es drittens denThe material of the film must be selected so that it can first be stretched in moderate heat or at room temperature, secondly that it can be "glued" to the cooling fins by being mentioned, and thirdly that it can be
Betriebstemperaturen des LED-Leuchtpaneels standhält. Geeignete Kunststofffolien finden sich am Markt in grosser Zahl. Als Beispiel sei eine PE-Folie genannt.Withstands the operating temperatures of the LED light panel. Suitable plastic films can be found in large numbers on the market. A PE film is an example.
In Figur 3 ist das in Figur 2a für quasi-horizontale Lage beschriebene LED- Leuchtpaneel mit Kühlrippenstrukturen 35 mit Wärmeabzugslöchern 34 versehen. Die Bezeichnungen 31-35 entsprechen 21-25 in Figur 2a. Die Wärmeabzugslöcher 34 sind so angeordnet und geformt, dass sich in den kühlen Zwischenzonen zwischen den LED-Chips 32 schlitzartige Löcher befinden, welche eine möglichst freie Strömung von der Unterseite des Paneels nach oben ermöglichen. Auf diese Weise wirkt die durch die Kühlrippenstrukturen 35 verbesserte natürliche Konvektion als Pumpe für Umgebungsmedium von der Unterseite des Paneels her und verhindert so nicht nur einen Hitzestau auf der Unterseite sondern saugt relativ kühles Umgebungsmedium nach oben.In FIG. 3, the LED light panel described in FIG. 2a for quasi-horizontal position is provided with cooling fin structures 35 with heat exhaust holes 34. The designations 31-35 correspond to 21-25 in Figure 2a. The heat exhaust holes 34 are arranged and shaped in such a way that slot-like holes are located in the cool intermediate zones between the LED chips 32, which allow the flow from the underside of the panel to the top to be as free as possible. In this way, the natural convection, which is improved by the cooling fin structures 35, acts as a pump for ambient medium from the underside of the panel and not only prevents heat build-up on the underside but also sucks up relatively cool ambient medium.
Die zum Zentrum der heissen Zone hin höher werdende sechste Kühlrippenstruktur 35f ist in Fig.3 ebenso wie in der Figur 2a mit einer folienartigen Abdeckung 35g, 25g versehen, die sich in einem entsprechenden Aufbau über das gesamte LED- Paneel erstrecken kann. Diese folienartige Abdeckung 35g ist rund um die zentrale offene Zone der Kühlrippenstruktur 35f geöffnet, so dass hier heisses Umgebungsmedium ungehindert austreten kann. Mit einer solchen Abdeckfolie 35g wird erreicht, dass annähernd alles durch natürliche Konvektion nach oben wegströmendes Umgebungsmedium mit von unten her durch die Wärmeabzugslöcher und durch die von den Kühlrippen gebildeten Strömungskanäle hindurch strömendes kühles Umgebungsmedium ersetzt werden muss. Diese Ausführungsform der Erfindung funktioniert also auch dann, wenn keine lokalen Temperaturunterschiede auf der Oberseite des Paneel herrschen, welche von sich aus eine Konvektionsströmung erzeugen würden, also bspw. bei einer grossen lateralen Wärmeleitfähigkeit der Trägerplatte.The sixth cooling fin structure 35f, which becomes higher towards the center of the hot zone, is provided in FIG. 3 as in FIG. 2a with a film-like cover 35g, 25g, which can extend over the entire LED panel in a corresponding structure. This film-like cover 35g is opened around the central open zone of the cooling fin structure 35f, so that hot ambient medium can escape unhindered here. With such a cover film 35g it is achieved that almost everything by natural convection flowing upward ambient medium with cool ambient medium flowing through from below through the heat exhaust holes and through the flow channels formed by the cooling fins has to be replaced. This embodiment of the invention therefore also works when there are no local temperature differences on the top of the panel which would in themselves produce a convection flow, that is to say, for example, with a high lateral thermal conductivity of the carrier plate.
Die Herstellung einer solchen Abdeckfolie kann entsprechend dem zu Figur 2b skizzierten Herstellungs- Vorgehen geschehen.Such a cover film can be produced in accordance with the production procedure outlined for FIG. 2b.
In den Figuren 4a bis 4c sind unterschiedliche beispielhafte Ausführungen eines Konvektions-Kühlers dargestellt. Im einfachsten, in Figur 4a gezeigten, Fall, besteht der Konvektions-Kühler aus einer Konvektionskühler-Trägerplatte 41, welche in geeigneten Abständen Konvektionslöcher 42 aufweist. Konzentrisch um diese Konvektionslöcher 42 angeordnet, befinden sich auf der Oberseite der Konvektionskühler-Trägerplatte 41 Heizelemente 43, die von elektrischen Leitungen 44 elektrisch kontaktiert werden. Im Beispiel handelt es sich um eine serielle elektrische Verbindung der Heizelemente 43. Wenn dies zweckmässig ist, können die Heizelemente mittels entsprechend angeordneter elektrischer Leitungen 44 natürlich auch parallel oder in seriellen Gruppen parallel elektrisch kontaktiert werden.Different exemplary embodiments of a convection cooler are shown in FIGS. 4a to 4c. In the simplest case, shown in FIG. 4a, the convection cooler consists of a convection cooler support plate 41 which has convection holes 42 at suitable intervals. Arranged concentrically around these convection holes 42, there are heating elements 43 on the upper side of the convection cooler support plate 41, which are electrically contacted by electrical lines 44. In the example, it is a serial electrical connection of the heating elements 43. If this is expedient, the heating elements can of course also be electrically contacted in parallel or in serial groups by means of correspondingly arranged electrical lines 44.
Die Heizelemente 43 sind entweder mit Dickfilm- oder mit Dünnfilmtechnik auf die Trägerplatte aufgebracht. Die elektrischen Verbindungen 44 in der Regel mit Dickfilmtechnik. Entsprechende Aufbauten sind beispielsweise aus der Technik von Tintenstrahldruckern mit Thermodruckköpfen, bei denen die Tinte durch pulsartige Erhitzung ausgestossen wird, allgemein bekannt. Im Bereich der Dünnfilmtechnik haben sich dort Heizelemente aus Platin, aus polykristallinem Silizium, aus Metall- Silizium-Nitrid Kompositen oder aus Metall-Silizium-Oxy-Nitrid Kompositen bewährt. Als Metalle im Falle der genannten Komposite werden Titan, Tantal, Chrom, Molybdän oder Wolfram verwendet. Im Bereich der Dickfilmtechnik existieren zahlreiche, frei am Markt erhältliche Widerstandspasten, die zum Aufbau von Heizelementen geeignet sind.The heating elements 43 are applied to the carrier plate using either thick film or thin film technology. The electrical connections 44 usually with thick film technology. Corresponding structures are generally known, for example, from the art of inkjet printers with thermal print heads in which the ink is ejected by means of pulse-like heating. In the area of thin-film technology, heating elements made of platinum, polycrystalline silicon, metal-silicon-nitride composites or metal-silicon-oxy-nitride composites have proven their worth. Titanium, tantalum, chromium, molybdenum or tungsten are used as metals in the case of the composites mentioned. In the field of thick film technology, there are numerous resistance pastes available on the market that are suitable for building heating elements.
Heizelemente 43 und elektrische Leitungen 44 - bzw. der gesamte geschilderte Aufbau - sind von einer, nicht dargestellten, dünnen Passivierungsschicht überdeckt, welche die genannten Elemente gegen chemische bzw. elektrische Einflüsse aus der Umgebung schützt, so dass der gesamte Aufbau beispielsweise direkt im Wasser oder an der Luft unter direktem Einfluss von Regen und Schnee eingesetzt werden kann. Geeignete solche Schichten sind beispielsweise Dünnfilmschichten wie Siliziumoxyd oder Silizium (oxyd)nitrid. Möglich ist aber auch der Einsatz einer mittels Plasmapolimerisation hergestellten PTFE-ähnlichen Dünnschicht.Heating elements 43 and electrical lines 44 - or the entire structure described - are covered by a thin passivation layer, not shown, which protects the elements mentioned against chemical or electrical influences from the environment, so that the entire structure, for example, directly in the water or can be used in the air under the direct influence of rain and snow. Suitable such layers are, for example, thin film layers such as Silicon oxide or silicon (oxide) nitride. However, it is also possible to use a PTFE-like thin layer produced by means of plasma polymerisation.
Die Funktionsweise dieses einfachen Konvektions-Kühlers ist offensichtlich. Durch ein Erhitzen der Heizelemente 43 steigt Umgebungsmedium über denselben auf. Dadurch muss Umgebungsmedium von unten her durch die Konvektionslöcher 42 - und im Falle der Figur 4a auch von der Seite her - nachströmen, womit unterhalb des Kühlers ein Kühlstrom entsteht.The operation of this simple convection cooler is obvious. By heating the heating elements 43, ambient medium rises above them. As a result, ambient medium has to flow in from below through the convection holes 42 - and in the case of FIG. 4a also from the side - which results in a cooling flow below the cooler.
Der Wirkungsgrad des in Figur 4a skizzierten Konvektionskühlers kann durch zusätzliche Massnahmen noch gesteigert werden, dies wird in den unten stehenden Ausführungen klar. Eine entsprechende Verbesserung ist in Figur 4b dargestellt. Über der Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöcher 42, den Heizelementen 43 und den elektrischen Verbindungen 44 ist hier eine dicke Hilfsschicht 45 angeordnet, welche oberhalb der Löcher 42 Hilfsschicht-Konvektionslöcher 46 aufweist. Diese Hilfsschicht-Konvektionslöcher 46 besitzen mindestens auf der Seite mit der sie die Konvektionskühler-Trägerplatte 41 berühren einen Durchmesser der dem äussern Durchmesser der Heizelemente 43 entspricht. Nach oben hin können sich der Durchmesser der Hilfsschicht-Konvektionslöcher 46 allenfalls verkleinern 46c oder vergrössern 46b. Diese Hilfsschicht kann beispielsweise aus einer mit den entsprechenden Wärmeabzugslöchern gespritzten oder gestanzten und geprägten Kunststoffplatte bestehen, die nachträglich mit der Konvektionskühler-Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöcher 42, den Heizelementen 43 und den elektrischen Verbindungen 44 beispielsweise durch Verkleben verbunden wird. Sie kann aber auch aus einem der unten genannten Isolationsmaterialien bestehen. Oder sie kann aus einem fotostrukturierbaren Kunststoff wie beispielsweise Polyimid oder SU8 ganzflächig auf die Konvektionskühler-Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöcher 42, den Heizelementen 43 und den elektrischen Verbindungen 44 aufgesprüht oder auflaminiert oder aufgerakelt wurde und dann mittels Tiefen-Fotolithographie mit den entsprechenden Konvektionslöchern 46 versehen wird.The efficiency of the convection cooler sketched in FIG. 4a can be increased even further by additional measures, this becomes clear in the explanations below. A corresponding improvement is shown in Figure 4b. A thick auxiliary layer 45 is arranged here above the carrier plate 41 with the convection holes 42, the heating elements 43 and the electrical connections 44, said auxiliary layer 45 having auxiliary layer convection holes 46 above the holes 42. These auxiliary layer convection holes 46 have at least on the side with which they touch the convection cooler support plate 41 a diameter which corresponds to the outer diameter of the heating elements 43. The diameter of the auxiliary layer convection holes 46 can at most decrease 46c or enlarge 46b. This auxiliary layer can consist, for example, of a plastic plate which is injection-molded or stamped and stamped with the corresponding heat extraction holes and which is subsequently connected to the convection cooler support plate 41 with the convection holes 42, the heating elements 43 and the electrical connections 44, for example by gluing. But it can also consist of one of the insulation materials mentioned below. Or it can be sprayed from a photo-structurable plastic such as polyimide or SU8 over the entire surface onto the convection cooler carrier plate 41 with the convection holes 42, the heating elements 43 and the electrical connections 44 or was laminated or doctored and then provided with the appropriate convection holes 46 by means of deep photolithography.
Die durch diese Hilfsschicht 45 erzielte Verbesserung ist offensichtlich die, dass in einer solchen Anordnung kein Umgebungsmedium von der Seite her zu den Heizelementen 43 nachströmen kann und so das gesamte durch natürliche Konvektion nach oben wegströmende Umgebungsmedium von unten her durch die Konvektionslöcher 46, 42 nachgesaugt werden muss.The improvement achieved by this auxiliary layer 45 is obviously that in such an arrangement no ambient medium can flow in from the side to the heating elements 43 and so the entire surrounding medium flowing away by natural convection is sucked in from below through the convection holes 46, 42 got to.
In Figur 4b ist eine weitere optionale Verbesserungsmöglichkeit skizziert. Der Wirkungsgrad des Konvektions-Kühlers wird umso höher je weniger der von den Heizelementen 43 erzeugten Wärme auf die Unterseite des Kühlers gelangt. Aus diesem Grunde befindet sich unterhalb der Konvektionskühler-Trägerplatte 41 eine Wärmeisolationsplatte 47 mit entsprechenden Konvektionslöcher 48.Another optional improvement is outlined in FIG. 4b. The efficiency of the convection cooler becomes higher the less the heat generated by the heating elements 43 reaches the underside of the cooler. For this reason, a heat insulation plate 47 with corresponding convection holes 48 is located below the convection cooler support plate 41.
Das Material dieser Wärmeisolationsplatte 47 ist natürlich so gewählt, dass diese einen möglichst niedrigen Wärmeleitwert λ aufweist. Denkbar ist Glas (λ ca. 1 [W/m K]) oder ein Kunststoff wie z.B. PVC (λ ca. 0.15). Vorzugsweise wird jedoch ein spezielles Wärmisolationsmaterial gewählt, wie beispielsweise gepresste und allenfalls gesinterte, gefällte Kieselsäure (λ ca. 0.018) oder PU-Schaum (λ ca. 0.025). Im Extremfall kann die Wärmeisolationsplatte 47 selbstverständlich auch als Vakuum-Isolations-Paneel aufgebaut werden, womit der Wärmeleitkoeffizient λ bis hinunter zu ca. 0.001 [W/m°K] gesenkt werden kann.The material of this heat insulation plate 47 is of course selected so that it has the lowest possible thermal conductivity λ. Glass (λ approx. 1 [W / m K]) or a plastic such as e.g. PVC (λ approx. 0.15). However, a special heat insulation material is preferably selected, such as, for example, pressed and, if necessary, sintered, precipitated silica (λ approx. 0.018) or PU foam (λ approx. 0.025). In extreme cases, the heat insulation plate 47 can of course also be constructed as a vacuum insulation panel, with which the thermal conductivity coefficient λ can be reduced down to approximately 0.001 [W / m ° K].
Natürlich ist es auch möglich, die Konvektionskühler-Trägerplatte 41 direkt aus beispielsweise einem der genannten Isolationsmaterialien aufzubauen. Figur 4c zeigt eine weitere Verbesserungsmöglichkeit des Konvektions-Kühlers: Der in Figur 4b erläuterte Aufbau kann, theoretisch beliebig oft, im Sinne einer Sandwich-Struktur repetiert werden. In diesem Sinne folgen sich von unten nach oben eine Isolationsschicht 47, eine Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöchern, den Heizelementen und den elektrischen Verbindungen, erneut eine Isolationsschicht 47, erneut eine Konvektionskühler-Trägerplatte 41 mit den Konvektionslöchern, den Heizelementen und den elektrischen Verbindungen. Dies kann beliebig oft wiederholt werden, sinnvoll ist ein Sandwich mit bis zu 5 Heizelemente beinhaltenden Konvektionskühler-Trägerplatten 41. Als oberer Abschluss des Sandwichs folgt schliesslich eine Hilfsschicht 45.Of course, it is also possible to construct the convection cooler support plate 41 directly from, for example, one of the insulation materials mentioned. FIG. 4c shows a further possibility for improvement of the convection cooler: The structure explained in FIG. 4b can, in theory as often as desired, be repeated in the sense of a sandwich structure. In this sense, an insulation layer 47, a carrier plate 41 with the convection holes, the heating elements and the electrical connections, an insulation layer 47, another convection cooler carrier plate 41 with the convection holes, the heating elements and the electrical connections follow from bottom to top. This can be repeated as often as desired; a sandwich with convection cooler carrier plates 41 containing up to 5 heating elements is sensible. Finally, an auxiliary layer 45 follows as the upper end of the sandwich.
Damit ein solcher sandwichartiger Aufbau den bestmöglichen Wirkungsgrad erreicht, müssen die auf den Konvektionskühler-Trägerplatten 41 vorhandenen Heizelement von unten nach oben gesehen bei immer höheren Temperaturen betrieben werden. Damit wird erreicht, dass das durch natürliche Konvektion bereits aufsteigende heisse Umgebungsmedium von Schicht zu Schicht zusätzlichen Auftrieb erhält, womit der Durchfluss erhöht wird.In order for such a sandwich-like structure to achieve the best possible efficiency, the heating elements present on the convection cooler carrier plates 41 have to be operated at ever higher temperatures, viewed from the bottom up. This ensures that the hot ambient medium, which is already rising due to natural convection, receives additional lift from layer to layer, which increases the flow.
In der Figur 5 ist ein bezüglich Wärmeabtransport optimierter Gesamtaufbau eines LED-Lichtpaneels dargestellt. Dieser Aufbau besteht aus dem eigentlichen LED- Leuchtpaneel 51, das entsprechende Wärmabzugslöcher 52 und Kühlrippenstrukturen besitzt. In direkter Verbindung mit den Kühlrippen 53 ist ein - in diesem Beispiel, entsprechend Bild 4b einlagiger - Konvektionskühler 54 mit den Konvektionslöchern 55 angebracht. Selbstverständlich könnte auch ein mehrlagiger Konvektionskühler gewählt werden. Die Anordnung der Wärmeabzugslöcher 52, die Anordnung und Ausrichtung der Kühlrippenstrukturen 52 und die Anordnung der Konvektionslöcher 55 ist so gewählt, dass alles von unten durch die Wärmeabzugslöcher 52 oder von den Seiten her nachströmendes Umgebungsmedium an den Kühlrippenstrukturen 53 vorbei durch die Konvektionslöcher 55 nach oben gesogen wird. In dieser Anordnung dient der Konvektionskühler also gleichzeitig als Abdeckung die dafür sorgt, dass das Umgebungsmedium an den Kühlrippen vorbei strömen muss.FIG. 5 shows an overall structure of an LED light panel that is optimized with regard to heat dissipation. This structure consists of the actual LED light panel 51, which has corresponding heat exhaust holes 52 and cooling fin structures. In direct connection with the cooling fins 53, a convection cooler 54 with the convection holes 55 is attached in this example, in accordance with FIG. Of course, a multi-layer convection cooler could also be selected. The arrangement of the heat extraction holes 52, the arrangement and alignment of the cooling fin structures 52 and the arrangement of the convection holes 55 is selected such that everything surrounding medium flowing in from the bottom through the heat extraction holes 52 or from the sides past the cooling fin structures 53 through the Convection holes 55 is drawn up. In this arrangement, the convection cooler also serves as a cover, which ensures that the ambient medium has to flow past the cooling fins.
Der Aufbau von Figur 5 stellt in sich eine Möglichkeit dar, wie beispielsweise eine Strassenleuchte mit LED als Lichtquelle aussehen kann. Das geschildert eigentliche LED -Leuchtpaneel 51 erlaubt eine sehr dicht Anordnung von LED-Chips (z.B. ca. 20 Chips/cm2) und lässt deshalb die Erzeugung sehr hoher Lichtdichten zu. Der geschilderte optimale Wärmeabtransport sorgt dafür, dass die maximal für eine hohe Lebensdauer zulässige Temperatur nicht überschritten wird. Die Tatsache, dass sowohl das eigentliche Leuchtpaneel 51 als auch der Konvektionskühler 54 so aufgebaut sind, dass sie direktem Einfluss von Wind und Wetter ausgesetzt werden dürfen, erlaubt schlussendlich, dass der gesamte Aufbau ohne zusätzliche Gehäusung an geeigneten Orten, also beispielsweise am oberen Ende eines Mastes oder an entsprechenden Halterungskabeln angebracht werden kann. The structure of FIG. 5 represents in itself one possibility of how, for example, a street lamp with LED as a light source can look. The actual LED light panel 51 described permits a very dense arrangement of LED chips (for example approximately 20 chips / cm 2 ) and therefore permits the generation of very high light densities. The described optimal heat dissipation ensures that the maximum permissible temperature for a long service life is not exceeded. The fact that both the actual light panel 51 and the convection cooler 54 are constructed in such a way that they can be exposed to the direct influence of wind and weather ultimately allows the entire structure to be placed in suitable locations, for example at the upper end of one, without additional housing Mast or attached to appropriate mounting cables.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lichtemittierendes Paneel mit einem Trägerelement (1, 31, 51) und einer Mehrzahl von durch Elektrizität betreibbaren auf der Trägerplatte (1) aufgebrachten Leuchtkörpern (2, 32), dadurch gekennzeichnet, dass es so ausgebildet ist, dass eine Konvektionsströmung erzeugbar ist, die durch den geometrischen Aufbau des Paneels unterstützt wird, und dass Mittel vorhanden sind, diese so zu lenken, dass eine Kühlungswirkung entsteht.1. Light-emitting panel with a carrier element (1, 31, 51) and a plurality of luminous elements (2, 32) that can be operated by electricity and are applied to the carrier plate (1), characterized in that it is designed in such a way that a convection flow can be generated, which is supported by the geometrical structure of the panel and that means are available to steer it in such a way that a cooling effect occurs.
2. Lichtemittierendes Paneel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtkörper (2, 32) ungehäuste LEDs sind, welche auf der Trägerplatte (1) angebracht sind.2. Light-emitting panel according to claim 1, characterized in that the luminous bodies (2, 32) are unhoused LEDs which are attached to the carrier plate (1).
3. Lichtemittierendes Paneel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktion von Verlustwärme durch die Komponente eine Konvektionströmung des Umgebungsmediums auslöst.3. Light-emitting panel according to claim 1 or 2, characterized in that the production of heat loss by the component triggers a convection flow of the surrounding medium.
4. Lichtemittierendes Paneel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement folien- oder plattenartig ausgebildet ist und mindestens ein als Öffnung in des Trägerelementes ausgebildetes Warmeabzugsloch (4, 34, 52) aufweist.4. Light-emitting panel according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier element is designed in the form of a film or plate and has at least one heat extraction hole (4, 34, 52) formed as an opening in the carrier element.
5. Lichtemittierendes Paneel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine Oberfläche des Trägerelementes oder ein mit einer Oberfläche des Trägerelementes durch einen Wärmekontakt verbundenes Element eine aufgerauhte und/oder matt-dunkle Oberfläche aufweist.5. Light-emitting panel according to one of the preceding claims, characterized in that at least one surface of the carrier element or with a surface of the carrier element by thermal contact connected element has a roughened and / or matt-dark surface.
Lichtemittierendes Paneel, nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leuchtkörper auf einer Vorderseite des Trägerelementes angebracht sind, gekennzeichnet durch auf einer Hinterseite angebrachte, hinsichtlich natürlicher Konvention strömungsoptimierte Kühlrippen (25a-25k, 35a-35f, 53), derart, dass ein Erhitzen des Trägerelementes (21, 31, 51) an denjenigen Stellen, an denen die Leuchtkörper (22, 32) aufgebracht sind, eine Konvektion entlang der Kühlrippen erzeugt.Light-emitting panel according to one of the preceding claims, wherein the luminous elements are attached to a front side of the carrier element, characterized by cooling fins (25a-25k, 35a-35f, 53), which are attached to a rear side and are flow-optimized according to natural convention, in such a way that heating of the Carrier element (21, 31, 51) generates convection along the cooling fins at those points at which the luminous elements (22, 32) are applied.
7. Lichtemittierendes Paneel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (25a-25k, 35a-35f, 53) so angeordnet sind, dass sich der Abstand benachbarter Kühlrippen mindestens teilweise zu Stellen hin verkleinert, an denen die Leuchtkörper angebracht sind.7. Light-emitting panel according to claim 6, characterized in that the cooling fins (25a-25k, 35a-35f, 53) are arranged so that the distance between adjacent cooling fins is at least partially reduced to where the luminous elements are attached.
8. Lichtemittierendes Paneel nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine teilweise oder vollständige Überdeckung (25g, 35g, 54) der Kühlrippen zur8. Light-emitting panel according to claim 6 or 7, characterized by a partial or complete coverage (25g, 35g, 54) of the cooling fins
Führung der Strömung des Umgebungsmediums.Guiding the flow of the surrounding medium.
9. Lichtemittierendes Paneel nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und Ausrichtung der Wärmeabzugslöcher (34, 52) und der Kühlrippen (35a-35f, 53) aufeinander abgestimmt sind, derart, dass durch das Warmeabzugsloch nachströmendes9. Light-emitting panel according to claim 4 and one of claims 6 to 8, characterized in that the position and orientation of the heat exhaust holes (34, 52) and the cooling fins (35a-35f, 53) are matched to one another, such that through the heat exhaust hole nachströmendes
Umgebungsmedium mindestens teilweise durch Konvektion entlang der Kühlrippen strömen muss. Ambient medium must flow at least partially by convection along the cooling fins.
10. Lichtemittierendes Paneel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein vom Trägerelement (1) thermisch isoliertes Heizelement (43) welches so angebracht ist, dass bei Erwärmung des Heizelementes (43) eine10. Light-emitting panel according to one of claims 1 to 9, characterized by a from the carrier element (1) thermally insulated heating element (43) which is attached so that when the heating element (43) is heated
Konvektionsströmung so erzeugt wird, dass sie eine kühlende Wirkung auf das Trägerelement (1) und/oder die Leuchtkörper hat.Convection flow is generated so that it has a cooling effect on the carrier element (1) and / or the luminous element.
11. Lichtemittierendes Paneel nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Wärmeisolationsschicht (47) mit mindestens einem Wärmeisolationsschicht- Durchgangsloch (48), wobei das Heizelement auf einer dem Trägerelement (1) abgewandten Seite der Wärmeisolationsschicht (47) und am Wärmeisolationsschicht-Durchgangsloch (48) oder angrenzend an dieses angebracht ist.11. Light-emitting panel according to claim 10, characterized by a heat insulation layer (47) with at least one heat insulation layer through hole (48), the heating element on a side facing away from the carrier element (1) of the heat insulation layer (47) and on the heat insulation layer through hole (48) or is attached adjacent to this.
12. Lichtemittierendes Paneel nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine12. Light-emitting panel according to claim 10 or 11, characterized by a
Hilfsschicht (45) mit einem Hilfsschicht-Durchgangsloch (46a, 46b, 46c), wobei das Heizelement (43) auf einer dem Trägerelement (1) zugewandten Seite der Hilfsschicht (45) und am Hilfsschicht-Durchgangsloch oder angrenzend an dieses angebracht ist.Auxiliary layer (45) with an auxiliary layer through hole (46a, 46b, 46c), the heating element (43) being attached to a side of the auxiliary layer (45) facing the carrier element (1) and to the auxiliary layer through hole or adjacent thereto.
13. Lichtemittierendes Paneel nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und einem der Ansprüche 6 bis 9 und einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und Ausrichtung des Wärmeabzugslochs/der Wärmeabzugslöcher (52), der Kühlrippen (53) und des Heizelementes/der Heizelemente so aufeinander abgestimmt sind, dass alles durch die Wärmeabzugslöcher nachströmende Umgebungsmedium an den Kühlrippen vorbei strömen muss. 13. Light-emitting panel according to one of claims 3 to 5 and one of claims 6 to 9 and one of claims 10 to 12, characterized in that the position and orientation of the heat exhaust hole (s) (52), the cooling fins (53) and the Heating element / the heating elements are matched to each other so that all surrounding medium flowing through the heat exhaust holes must flow past the cooling fins.
4. Lichtemittierendes Paneel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Energieversorgungseinheit ein „Powerline"-Kommunikationsmodul zur Kommunikation mit einem übergeordneten Leitsystem aufweist, welches Kommunikationsmodul so ausgebildet ist, dass Kommunikationssignale über eine Stromversorgungsleitung des lichtemittierenden Paneels übertragbar sind. 4. Light-emitting panel according to one of claims 1 to 13, characterized in that the control and energy supply unit has a "Powerline" communication module for communication with a superordinate control system, which communication module is designed such that communication signals can be transmitted via a power supply line of the light-emitting panel are.
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