CH710310A2

CH710310A2 - LED-Lampe.

Info

Publication number: CH710310A2
Application number: CH01563/15A
Authority: CH
Inventors: Vladimirovich Kiselev Anton
Original assignee: Ltd Responsibility Soc Nat Chemical Company
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2016-04-29
Also published as: GB201518814D0; BE1022838B1; CN205402286U; SE1551368A1; AR105051A4; PL68933Y1; NL2015653B1; JP3203518U; NO20151432A1; NL2015653A; DE202015007511U1; FR3027656B3; KR20160001472U; GB2532137B; US9863627B2; GB2532137A; FR3027656A3; BE1022838A1; AT15754U1; CA2909331A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Lampe zur Allgemeinbeleuchtung, deren wesentliches Alleinstellungsmerkmal in der Verteilung ihres Lichtstroms in der Umgebung besteht. Bei Einhaltung der für Glühlampen allgemein üblichen Formen und Abmessungen bietet die LED-Lampe ein gleichmässig verteiltes Streulicht, im Gegensatz zum Grossteil der herkömmlichen LED-Lampen, deren Leuchtwinkel nicht dem der Lampen entspricht, die sie ersetzen. Die LED-Lampe umfasst einen Sockel (1), einen Isolator (2), einen Radiator (8) und Diffusor. Der Diffusor ist in Form längs ausgerichteter Segmentkapseln (9) ausgeführt. Der Radiator (8) ist innerhalb des Diffusors angeordnet und besitzt einen Mittelteil und Seitenflächen (6), an denen LED-Module (4) angeordnet sind. Die Segmentkapseln (9) umfassen die LED-Module einer Facette (6) und isolieren sie derart von den LED-Modulen einer angrenzenden Facette. Der Isolator (2) besitzt Durchgangslöcher (10) zur Wärmeableitung.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Beleuchtungstechnik, insbesondere der Beleuchtungskörper, und ist für den Einsatz in Haushalts- und Industrieleuchten zum Allgemeingebrauch vorgesehen.

[0002] Das wesentliche Alleinstellungsmerkmal der LED-Lampe besteht in der Verteilung ihres Lichtstroms in der Umgebung. Bei Einhaltung der für Glühlampen allgemein üblichen Formen und Abmessungen bietet die LED-Lampe ein gleichmässig verteiltes Streulicht, im Gegensatz zum Grossteil der herkömmlichen LED-Lampen, deren Leuchtwinkel nicht dem der Lampen entspricht, die sie ersetzen.

[0003] So ist beispielsweise eine LED-Lampe zur Allgemeinbeleuchtung bekannt, umfassend einen Sockel, ein mit diesem verbundenes Übergangselement (Isolator), das aus einem dielektrischen Kunststoff mit einem zusätzlichen Hohlraum in der Mitte gefertigt ist, in dem ein Netzteil für den Betrieb der Lampe über das Stromnetz angeordnet ist, das mit einem LED-Modul verbunden ist, das auf einer Leiterplatte mit einem wärmeleitenden Metallsubstrat ausgeführt und an einem Radiator befestigt ist, wobei der Radiator mit einem stabförmigen Profil mit komplexem Querschnitt ausgeführt ist, das Seitenflächen aufweist, die in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind und an denen die LED-Module angeordnet sind, wobei der Radiator innerhalb eines aus einem Kunststoff mit glasähnlichen optischen Eigenschaften ausgeführten Diffusors angeordnet ist, wobei die LED-Module an jeder Facette des Radiators gegenüber Abschnitten des Diffusors angeordnet sind, die zwischen radialen Auskragungen an diesem Diffusor angeordnet sind (US 2012 0313 518, H01K1/62, H05K13/00, H01J61/52, veröffentlicht am 13.12.2012).

[0004] Der Vorgang der Ausbildung von verteiltem Streulicht in dieser Lampe besteht darin, dass die Lichtstrahlung der LED-Module durch eine dünne transparente Kunststoffwand in die Umgebung gelangt, wobei ein Teil dieser Lichtstrahlung auf die Wände der radialen Auskragungen trifft und von deren Oberfläche reflektiert wird. Auf diese Weise wird eine kombinierte Beleuchtung der Umgebung in einem Bereich von 360° um den Diffusor erzielt.

[0005] Der Diffusor weist die komplexe räumlichen Form einer Kapsel mit radialen Rippen auf, wobei in der Mitte der Kapsel auf der dem Sockel gegenüberliegenden Seite ein Durchgangsloch zur Ableitung der Wärme aus dem Radiator ausgeführt ist. Dieser Ansatz zur Ableitung der Wärme ist allerdings nicht effektiv, da er die Wärmeableitung nicht von der gesamten Oberfläche des stabförmigen Bauteils, das der Radiator darstellt, ermöglicht. Hier grenzt der Radiator im unteren Teil komponentiell an das im Sockel angeordnete Netzteil der LED-Module an. Dabei kommt es unteren Teil des Radiators zu einer ständigen Überhitzung, während die Ableitung im oberen Teil des Radiators über die Öffnung mit konstantem Querschnitt durch Konvektion im Diffusor nur wenig effektiv ist. Die überhöhten Temperaturen im unteren Teil des Radiators führen dazu, dass die Hitze den Kunststoff des Diffusors angreift. Selbst bei Verwendung solcher Kunststoffe wie beispielsweise Polycarbonat (Lichtdurchlässigkeit/Transparenz bis 86 %), die gegenüber hohen Temperaturbereichen beständig sind (bis 120 °C), führt die ständige Überhitzung zu einer Trübung der Materialstruktur, was sich auf die Streuungsqualität des Lichtstroms der LEDs auswirkt. Bei Polycarbonat werden spezielle Beschichtungen verwendet, die den Einfluss der Wärmestrahlung auf die Materialstruktur verringern, allerdings sind diese Beschichtungen in der Beleuchtungstechnik nicht immer einsetzbar.

[0006] Bekanntermassen ist der Wirkungsgrad leistungsstarker LEDs deutlich höher als der von Glühlampen. Dennoch fliesst zugleich ein Grossteil der von den LEDs benötigten Energie (ca. 75 %) in Verlustwärme. Mit zunehmendem Lichtstrom der LED-Quellen nimmt auch die Wärmeentwicklung zu. Nach Einschätzung inländischer und internationaler Fachleute ist die Gewährleistung einer effektiven Wärmeableitung in der LED-Beleuchtungstechnik eine der wichtigsten Aufgaben, die sich derzeit den Entwicklern und Herstellern entsprechender Erzeugnisse stellen.

[0007] Im Unterschied zu herkömmlichen Glühlampen und Leuchtröhren sind die gegenwärtigen LEDs empfindlich gegenüber hohen Temperaturen: Erstens sinkt bei einer Überhitzung der LEDs deren Effektivität, der Lichtstrom nimmt ab, die Farbtemperatur verändert sich und die Lebensdauer kann sich um ein Vielfaches verkürzen. Zweitens sinkt die Lichtintensität bei einer Temperatur von 80 °C gegenüber der Intensität bei Raumtemperatur um etwa 15 %. Im Ergebnis kann eine Leuchte mit zwanzig LEDs bei einer Temperatur von 80 °C denselben Lichtstrom wie siebzehn LEDs bei Raumtemperatur aufweisen. Bei Temperaturen um 150 °C kann die Lichtintensität von LEDs auf 40 % sinken. Drittens besitzen LEDs einen negativen Temperaturkoeffizienten der Durchlassspannung, d. h. bei einer Erhöhung der Temperatur kommt es zu einer Verringerung der Durchlassspannung von LEDs. Üblicherweise beträgt dieser Koeffizient –3 bis –6 mV/K, weshalb die Durchlassspannung herkömmlicher LEDs bei einer Temperatur von +25 °C etwa 3,3 V und bei einer Temperatur von +75 °C maximal 3 V betragen kann. Erlaubt das Netzteil keine Verringerung des an den LEDs anliegenden Stroms, so kann dies zu einer noch stärkeren Überhitzung und zu einer Beschädigung der LEDs führen. Darüber hinaus sind viele Netzteile von LED-Leuchten für Betriebstemperaturen bis +70 °C ausgelegt.

[0008] Somit ist es für den effektiven Betrieb zahlreicher LED-Vorrichtungen wichtig, sowohl im Bereich des p-n-Übergangs der LEDs als auch im Bereich des Netzteils eine Temperatur von maximal 80 °C zu gewährleisten. Die Nichteinhaltung der empfohlenen Betriebstemperatur kann zu Beeinträchtigungen der Lichtmenge und -qualität, zu einer Erhöhung der Kosten für das durch die LED-Vorrichtung erzeugte Licht sowie zu einer Verkürzung der Lebensdauer der beleuchtungstechnischen Anlage führen.

[0009] Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Betriebszuverlässigkeit einer LED-Lampe durch Gewährleistung einer effektiven Wärmeableitung von der gesamten Oberfläche des Radiators über dessen gesamte Höhe zu erhöhen.

[0010] Die technische Aufgabe wird bei einer LED-Lampe zur Allgemeinbeleuchtung, umfassend einen Sockel, ein mit diesem verbundenes isolierendes Übergangselement aus dielektrischem Kunststoff mit einem darin befindlichen Hohlraum, in dem ein Netzteil für den Betrieb der Lampe über das Stromnetz angeordnet ist, das mit LED-Modulen verbunden ist, die auf einer Leiterplatte mit einem wärmeleitenden Metallsubstrat ausgeführt und an einem Radiator befestigt sind, wobei der Radiator einen Mittelteil mit einem stabförmigen Schnittprofil und Rippen aufweist, wobei der Mittelteil des Radiators mit Seitenfacetten, die in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind und auf denen die LED-Module angeordnet sind, ausgeführt und innerhalb eines aus einem Kunststoff mit glasähnlichen optischen Eigenschaften ausgeführten Diffusors angeordnet ist, dadurch gelöst, dass der Diffusor mit äusseren Oberflächenabschnitten, die sich in einer vom Sockel ausgehenden Richtung erstrecken, und inneren, zwischen die Oberflächen eingelassen angeordneten Abschnitten, gegenüber welchen innerhalb des Diffusors an den Seiten des Radiators die LED-Module angeordnet sind, ausgeführt ist, wobei der Radiator mit längs ausgerichteten Rippen ausgeführt ist, die zumindest über einen Teil der Höhe des Radiators angeordnet sind und von der Oberfläche des Mittelteils des Radiators zwischen dessen Seitenfacetten abgehen, um Oberflächen zur Wärmeableitung auszubilden, wobei der Diffusor eine Haube darstellt, die in Form längs ausgerichteter Segmentkapseln ausgeführt ist, oder wobei der Diffusor in Form einzelner längs ausgerichteter Segmentkapseln ausgeführt ist, wovon jede gegenüber den LED-Modulen einer Seitenfacette des Mittelteils des Radiators angeordnet ist, diese einfasst und dabei die jeweiligen LED-Module von den LED-Modulen an der angrenzend angeordneten Seitenfacette isoliert, wobei die längs ausgerichteten Rippen des Radiators zwischen den Segmentkapseln angeordnet sind.

[0011] Die genannten Merkmale sind wesentliche Merkmale, die untereinander verknüpft eine stabile Einheit wesentlicher Merkmale ausbilden, welche zur Lösung der technischen Aufgabe benötigt werden.

[0012] Die vorliegende Erfindung wird durch ein konkretes Ausführungsbeispiel erläutert, das jedoch nicht das einzig mögliche darstellt, sondern die Lösung der technischen Aufgabe anschaulich demonstriert.

Es zeigen:

[0013] <tb>Fig. 1<SEP>eine Gesamtansicht einer LED-Lampe zum Einsetzen in standardisierte Elektrofassungen E27 (E14); <tb>Fig. 2<SEP>eine Ansicht der Lampe von der Seite des transparenten Abschnitts des Diffusors auf die LED-Module; <tb>Fig. 3<SEP>die Wärmeverteilung über die Höhe des Radiators; <tb>Fig. 4<SEP>die Wärmeverteilung über den Querschnitt des Radiators.

[0014] Nach der vorliegenden Erfindung wird ein LED-Lampenaufbau zur Allgemeinbeleuchtung bereitgestellt, der so ausgeführt ist, dass er in standardisierte Elektrofassungen E27 (E26, E14, E12, E17, B22d, E15d) einsetzbar ist. Diese Lampe ist in standardisierten (allgemein üblichen/geläufigen) Einheitsgrössen ausgeführt, um die vorhandenen Leuchtmittel zu ersetzen. Unter einem Diffusor, der aus einem Kunststoff für Beleuchtungszwecke gefertigt ist, sind Beleuchtungsmodule angeordnet, bei denen es sich um einseitige Leiterplatten mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit handelt, auf denen in einer kombinatorischen Schaltung geschaltete LEDs gleichmässig verteilt sind. Die LEDs in den Modulen sind so angeordnet, dass eine gleichmässige Verteilung des von der Lampe ausgehenden Lichtstroms in alle Richtungen der Umgebung (360°) erreicht wird. Im Gehäuse und Sockel der Lampe ist ein Netzteil für den Betrieb über das Stromnetz mit einem Wechselstrom von 220 V/50 Hz angeordnet. Die durch das vorliegende Erfindung zu lösende Hauptaufgabe besteht darin, eine LED-Lampe bereitzustellen, die eine hohe Betriebszuverlässigkeit und eine erhöhte Leistungsfähigkeit der Beleuchtung (aufgrund der gleichmässigen Verteilung des Lichtstroms in alle Richtungen) bietet.

[0015] Die LED-Lampe zur Allgemeinbeleuchtung (Fig. 1 und 2 ) umfasst einen Sockel 1 und ein mit diesem verbundenes isolierendes Übergangselement 2 (Isolator) aus einem dielektrischen Kunststoff mit einem darin befindlichen Hohlraum, in dem ein Netzteil 3 für den Betrieb der Lampe über das Stromnetz angeordnet ist. Dieses Netzteil ist mit LED-Modulen 4 verbunden, die auf einer Leiterplatte mit einem wärmeleitenden Metallsubstrat ausgeführt und an einem Radiator 5 befestigt sind.

[0016] Der Radiator 5 besitzt einen Mittelteil mit einem stabförmigen Schnittprofil und Seitenfacetten 6, die in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind und an denen die LED-Module 4 angeordnet sind.

[0017] Der Radiator 5 ist innerhalb eines aus einem Kunststoff mit glasähnlichen optischen Eigenschaften ausgeführten Diffusors 7 angeordnet. Der Radiator ist mit längs ausgerichteten Rippen 8 ausgeführt, die zumindest über einen Teil der Höhe des Radiators angeordnet sind und von der Oberfläche des Radiators zwischen den Facetten abgehen, um Oberflächen zur Wärmeableitung auszubilden. Der Radiator ist mit einem komplexen Schnittprofil ausgeführt und weist an der Aussenseite angeordnete längs ausgerichtete Rippen auf, die in Ebenen liegen, welche durch die Lampenachse verlaufen. Der Radiator ist vorzugsweise aus Aluminium oder leichten Aluminiumlegierungen, Kupfer oder Keramik ausgeführt.

[0018] Der Diffusor 7 stellt eine Haube dar, die in Form längs ausgerichteter Segmentkapseln 9 ausgeführt ist, oder der Diffusor ist in Form einzelner längs ausgerichteter Segmentkapseln 9 von unterschiedlicher Form (in Abhängigkeit vom Lampentyp) ausgeführt, wovon jede gegenüber den LED-Modulen 4 einer Facette 6 angeordnet ist, diese einfasst und dabei die jeweiligen LED-Module von den LED-Modulen an der angrenzend angeordneten Facette isoliert. Der Diffusor, der im vertikalen Schnitt eine komplexe Form aufweist, bildet die Form einer herkömmlichen Lampe (A60, C37, G45, P45 usw.) und ist aus einem Kunststoff mit glasähnlichen optischen Eigenschaften, wie beispielsweise Polycarbonat, ausgeführt.

[0019] Die längs ausgerichteten Rippen 8 des Radiators sind so zwischen den Segmentkapseln 9 angeordnet, dass der Radiatorteil mit den LEDs innerhalb einer Diffusorgruppe angeordnet ist. Der Radiator, der mit einem komplexen Schnittprofil ausgeführt ist und an der Aussenseite angeordnete, längs ausgerichtete Rippen aufweist, die in Ebenen liegen, welche durch die Lampenachse verlaufen, ist in Einkerbungen des aus dielektrischem Kunststoff ausgeführten Gehäuses angebracht und mit diesem mechanisch verbunden, wobei das Gehäuse mit dem Isolator des Sockels ebenfalls mechanisch verbunden ist. Im Isolator sind Durchgangslöcher 10 zur zusätzlichen Wärmeableitung aus dem Bereich, in dem das Netzteil angeordnet ist, ausgeführt.

[0020] Die LEDs in der LED-Lampe sind in mehrere Gruppen (Module) untergliedert, die in Reihen-Parallel-, Reihen-Parallel- oder Parallel-Reihen-Schaltung miteinander verbunden sind. Die LED-Module sind mit wärmeleitenden Metallsubstraten ausgeführt und am Gehäuse des Radiators angebracht, wobei die Module so angeordnet sind, dass eine gleichmässige Verteilung des Lichtstroms im Innenraum der Diffusorsegmente und folglich auch des gesamten Lichtstroms der Lampe gewährleistet ist. Die LEDs sind auf der Leiterplatte so angeordnet, dass eine gleichmässige stirnseitige Bestrahlung des Diffusormaterials gewährleistet ist.

[0021] So besteht eine Besonderheit der LED-Lampe nach der vorliegenden Erfindung darin, dass die LEDs an jeder Facette des Radiators, die in separaten transparenten Kapseln angeordnet sind, die Stirnfläche und die Seitenfläche der Kapsel bestrahlen. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass das gebräuchlichste Verfahren zur Ableitung überschüssiger Wärme von leistungsstarken LEDs und Mikroschaltungen darin besteht, diese auf eine Leiterplatte (darunter auch Leiterplatten mit Metallsubstrat – MC PCB, AL PCB, IM PCB), einen Träger oder andere Bauelemente der elektronischen Vorrichtung zu übertragen. Ausserdem kann der Radiator auch auf einer wärmeaufnehmenden Komponente (oder eine wärmeaufnehmende Komponente auf dem Radiator) angeordnet werden, wodurch die Fläche des Strahlungs- und Konvektionsaustauschs vergrössert wird. Anschliessend wird die Wärme vorzugsweise mittels Konvektion an die Umgebung abgegeben. In der Realität weist die Oberfläche der Wärmequelle und des Wärmeempfängers allerdings Rauheiten und Unebenheiten auf. Bei der Verbindung der Oberflächen treten in den meisten Fällen Zwischenräume (Mikrohohlräume) auf, in denen sich Luft befindet. Im Ergebnis erfolgt die Verbindung der Oberflächen nur punktuell, wodurch sich der Wärmeleitwiderstand deutlich erhöht. Dabei sei daran erinnert, dass Luft eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,02 W/m ⋅ K besitzt, was sehr gering ist und etwa 40 mal weniger als die Wärmeleitfähigkeit herkömmlicher Wärmeleitpasten ist. Somit kommt es durch die Gegenwart von Luft zwischen den aneinanderliegenden Oberflächen zu einem hohen Wärmedurchgangswiderstand, wodurch die Effektivität der Wärmeableitung erheblich sinkt. Um diesen, durch die Gegenwart von Luft hervorgerufenen negativen Effekt zu vermeiden, wird ein wärmeleitendes Material zum Füllen der Zwischenräume verwendet. In diesem Fall wird die Wärme vom Modul kontaktuell auf den Radiator übertragen. Dabei erfolgt die Wärmeableitung über die Rippen, die nach aussen geführt und ausserhalb der Segmente angeordnet sind. Auf diese Weise kommt es innerhalb der Segmentkapseln zu keiner Temperaturerhöhung, welche die geltenden Grenzwerte überschreitet. Untersuchungen haben gezeigt (s. Fig. 3 und 4 ), dass die Temperatur des Radiators und seiner nach aussen geführten Rippen im Langzeitbetrieb der LED-Lampe 61 °C nicht überschreitet und dass die Temperatur innerhalb der Segmentkapseln im Bereich von etwa 40 °C liegt. Diese Werte verdeutlichen, dass es zu keiner Überhitzung der LEDs am Radiator kommt. Auf diese Weise wird die Effektivität der LEDs und des Lichtstroms auf hohem Niveau aufrechterhalten, ohne dass es zu einer Veränderung der Farbtemperatur kommt.

Claims

1. LED-Lampe zur Allgemeinbeleuchtung, umfassend einen Sockel, ein mit diesem verbundenes isolierendes Übergangselement aus dielektrischem Kunststoff mit einem darin befindlichen Hohlraum, in dem ein Netzteil für den Betrieb der Lampe über das Stromnetz angeordnet ist, das mit LED-Modulen verbunden ist, die auf Leiterplatte mit einem wärmeleitenden Metallsubstrat ausgeführt und an einem Radiator befestigt sind, wobei der Radiator einen Mittelteil mit einem stabförmigen Schnittprofil und Rippen aufweist, wobei der Mittelteil des Radiators mit Seitenfacetten, die in unterschiedliche Richtungen gerichtet und an denen die LED-Module angeordnet sind, ausgeführt und innerhalb eines aus einem Kunststoff mit glasähnlichen optischen Eigenschaften ausgeführten Diffusors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor mit äusseren Oberflächenabschnitten, die sich in einer vom Sockel ausgehenden Richtung erstrecken, und inneren, zwischen die Oberflächen eingelassen angeordneten Abschnitten, gegenüber welchen innerhalb des Diffusors an den Facetten des Radiators die LED-Module angeordnet sind, ausgeführt ist, wobei der Radiator mit längs ausgerichteten Rippen ausgeführt ist, die zumindest über einen Teil der Höhe des Radiators angeordnet sind und von der Oberfläche des Mittelteils des Radiators zwischen dessen Facetten abgehen, um Oberflächen zur Wärmeableitung auszubilden, wobei der Diffusor eine Haube darstellt, die in Form längs ausgerichteter Segmentkapseln ausgeführt ist, oder wobei der Diffusor in Form einzelner längs ausgerichteter Segmentkapseln ausgeführt ist, wovon jede gegenüber den LED-Modulen einer Facette des Mittelteils des Radiators angeordnet ist, diese einfasst und dabei die jeweiligen LED-Module von den LED-Modulen an der angrenzend angeordneten Facette isoliert, wobei die längs ausgerichteten Rippen des Radiators zwischen den Segmentkapseln angeordnet sind.