Kühleinrichtung für ein Halbleiterleuchtmittel

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für ein Fahrzeug mit einer Küh- leinrichtung für ein Halbleiterleuchtmittel, wobei die Kühleinrichtung einen Fluidkreis- lauf mit einem Verdampfer aufweist, an oder in dem das Halbleiterleuchtmittel ange- ordnet ist und in dem ein Kühlmedium verdampfbar ist, und wobei die Kühleinrichtung weiterhin einen Kondensator aufweist, an oder in dem das Kühlmedium kondensierbar ist.

STAND DER TECHNIK

Die DE 10 2006 010 977 A1 offenbart einen Scheinwerfer für ein Fahrzeug mit einer Kühleinrichtung, die zur Kühlung eines im Scheinwerfer aufgenommenen Halbleiter leuchtmittels dient. Die Kühleinrichtung weist einen Fluidkreislauf mit einem Verdamp- fer und mit einem Kondensator auf, und eine derartige Kühleinrichtung wird auch als Wärmesiphon bezeichnet. Der Kühlkreislauf ist mit einem Kühlmedium gefüllt, das im Verdampfer verdampfen kann, wobei die Verdampfungswärme durch den Betrieb des Halbleiterleuchtmittels entsteht, das gekühlt werden muss. Durch das Verdampfen des Kühlmediums, also die Überführung von einem flüssigen in einen gasförmigen Zu stand, erfordert eine hohe Verdampfungsenthalpie, sodass durch den Phasenüber- gang eine große Wärmemenge vom Halbleiterleuchtmittel an das Kühlmedium abge- geben werden kann. Insbesondere kann die Kühlung des Halbleiterleuchtmittels iso- therm erfolgen, insbesondere, wenn die Verdampfungstemperatur des Kühlmediums im Verdampfer erreicht ist. Hierfür wird das Kühlmedium in flüssiger Form an den Ver- dampfer herangeführt, und das Kühlmedium verdampft am Halbleiterleuchtmittel oder an einem Körper, über den die Wärme vom Halbleiterleuchtmittel an das Kühlmedium abgegeben wird. Das gasförmige Kühlmedium in verdampfter Form gelangt dabei vom Verdampfer an den Kondensator, der an einem entfernten Ort vom Verdampfer ange- ordnet ist. Der Kondensator dient zur Rückführung des Kühlmediums vom gasförmi- gen Zustand in den flüssigen Zustand, und das Kühlmedium kann vom Kondensator im flüssigen Zustand schließlich wieder an den Verdampfer herangeführt werden. Somit ist ein geschlossener Fluidkreislauf eingerichtet, mit dem größere Wärmemen- gen vom Halbleiterleuchtmittel an den Kondensator geführt werden können.

Wird das Halbleiterleuchtmittel jedoch bei Temperaturen betrieben, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kühlmediums liegen, so kann die Verdampfungsenthal- pie zum Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand des Kühlmedi- ums nicht mehr genutzt werden, sodass eine erforderliche Entwärmung des Halb- leiterleuchtmittels nicht mehr funktioniert. Insbesondere müsste die Kühleinrichtung größer dimensioniert werden, um noch eine hinreichende Entwärmung des Halbleiter- leuchtmittels schaffen zu können.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Scheinwerfers mit einer verbesser- ten Kühleinrichtung basierend auf einem Zwei-Phasen-Kühlprinzip mit einem Ver- dampfer und mit einem Kondensator, wobei zur Kühlung ein Phasenübergang eines Kühlmediums auf verbesserte Weise genutzt werden soll.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Scheinwerfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Kühlmedium ein erstes Kühlmittel umfasst, das eine erste niedrigere Verdampfungstemperatur aufweist und dass das Kühlmedium ein zweites Kühlmittel umfasst, das eine zweite höhere Ver- dampfungstemperatur aufweist.

Kerngedanke der Erfindung ist die Bereitstellung wenigstens eines Kühlmediums mit einem ersten Kühlmittel, das eine Verdampfungstemperatur aufweist, die unterhalb einer nominellen Betriebstemperatur des Halbleiterleuchtmittels liegt, und es soll ein zweites Kühlmittel Verwendung finden, das unterhalb einer Schädigungstemperatur des Halbleiterleuchtmittels liegt. Damit kann für den Normalbetrieb des Halbleiter- leuchtmittels das erste Kühlmittel zum Einsatz kommen und unterhalb der Betriebs- temperatur des Leuchtmittels verdampfen, was als Standard- oder Dauerbetrieb des Scheinwerfers stattfinden kann. Erhitzt sich das Halbleiterleuchtmittel über die nomi- nelle Betriebstemperatur, beispielsweise aufgrund einer sehr hohen Umgebungstem- peratur, einer starken Sonneneinstrahlung in den Scheinwerfer oder ähnlichem, so kann das zweite Kühlmittel zum Einsatz kommen, während das erste Kühlmittel be- reits verdampft ist, sodass erst dann das zweite Kühlmittel die Verdampfungstempera- tur erreicht.

Mit besonderem Vorteil bilden das erste Kühlmittel und das zweite Kühlmittel ein Ge- misch. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die Kühleinrichtung auch zwei von- einander getrennte Fluidkreisläufe aufweisen, wobei im ersten Fluidkreislauf das erste Kühlmittel und im zweiten Fluidkreislauf das zweite Kühlmittel zwischen dem Ver- dampfer und dem Kondensator geführt sein können.

Mit besonderem Vorteil weist das erste Kühlmittel eine Verdampfungstemperatur auf, die unter einer nominellen Betriebstemperatur des Halbleiterleuchtmittels liegt, bei spielsweise 1 °C bis 5°C. Das zweite Kühlmittel kann eine Verdampfungstemperatur aufweisen, die unter einer Schädigungstemperatur des Halbleiterleuchtmittels liegt, beispielsweise 1 °C bis 5°C oder beispielsweise 1 °C bis 10°C. Durch die erfindungs- gemäße Weiterbildung der Kühleinrichtung für einen Scheinwerfer ist eine tempera- turbedingte Schädigung des Halbleiterleuchtmittels verbessert vermeidbar.

Mit weiterem Vorteil weist wenigstens eines der Kühlmittel eine perfluorierte chemi- sche Verbindung auf, die sich von einem Ethylisopropylketon ableitet. Derartige Kühl- mittel sind beispielsweise unter dem Handelsnamen NOVEC der Firma 3M bekannt.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn sich zwischen dem Verdampfer und dem Kon- densator eine Dampfleitung erstreckt, durch die die Kühlmittel von dem Verdampfer an den Kondensator leitbar sind und wobei sich vom Kondensator an den Verdampfer eine Flüssigkeitsleitung erstreckt, durch die die Kühlmittel vom Kondensator an den Verdampfer leitbar sind. Die Dampfleitung und die Flüssigkeitsleitung können dabei auch einen Leitungsstrang bilden, beispielsweise durch eine parallele Leitungsfüh- rung, wobei die Dampfleitung und die Flüssigkeitsleitung beispielsweise auch als Koa- xialleitung oder dergleichen ausgeführt sein können. Mit besonderem Vorteil sind je- doch die Dampfleitung und die Flüssigkeitsleitung voneinander räumlich getrennt.

Auch ist es von Vorteil, wenn in Bezug auf eine Einbaulage des Scheinwerfers in ei- nem Fahrzeug der Verdampfer eine niedrigere geodätische Höhenposition und der Kondensator eine höhere geodätische Höhenposition aufweist. Dadurch kann ermög- licht werden, dass das Kühlmedium im Fluidkreislauf der Kühleinrichtung selbsttätig umläuft, sodass das verdampfte Kühlmedium vom Verdampfer in den Kondensator durch die Dampfleitung und das kondensierte Kühlmedium vom Kondensator in den Verdampfer über die Flüssigkeitsleitung strömen kann, ohne dass hierfür eine Pumpe oder dergleichen notwendig wäre. Insbesondere dieses selbsttätige Strömungsprinzip wird mit der Kühleinrichtung nach Bauart eines Thermosiphons erreicht.

Auch ist es von Vorteil, wenn der Kondensator außerhalb eines Gehäuses des Scheinwerfers angeordnet ist. Beispielsweise kann der Kondensator als Konvektions- kühler dienen, indem dieser etwa eine Rippenstruktur mit Kühllamellen oder derglei chen aufweist. Dabei muss der Kondensator kein gesondertes Fluidvolumen aufwei- sen, und der Kondensator kann die Dampfleitung und die Flüssigkeitsleitung durchge- hend verbinden, wobei der Kondensator Mittel zur verbesserten Wärmeabgabe aus der Fluidleitung aufweisen kann.

Ein noch weiterer Vorteil wird erreicht, wenn das Halbleiterleuchtmittel in einen direk ten Kontakt mit dem Gemisch aus dem ersten Kühlmittel und dem zweiten Kühlmittel gebracht ist. Insbesondere bei einer Auswahl eines oder beider Kühlmittel aus der Gruppe der perfluorierten chemischen Verbindungen, die sich von Ethylisopropylketo- nen ableitet, ist ein direkter Fluidkontakt mit dem Halbleiterleuchtmittel unschädlich, da derartige Fluide nicht elektrisch leitend sind und keine Oxidationsprozesse auf der Oberfläche beispielsweise eines Halbleiterleuchtmittels bewirken. Durch den unmittel- baren Fluidkontakt des Kühlmittels mit dem Halbleiterleuchtmittel wird eine besonders gute Wärmeübertragung vom Halbleiterleuchtmittel an das Kühlmedium erreicht. BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Es zeigt: die Figur eine schematische Darstellung eines Scheinwerfers mit einer erfin- dungsgemäß weitergebildeten Kühleinrichtung.

Figur 1 zeigt schematisch einen Scheinwerfer 1 mit einem Gehäuse 17, und in dem Gehäuse 17 ist ein Halbleiterleuchtmittel 11 aufgenommen, das beispielsweise zur Erzeugung eines Fernlichtes oder eines Abblendlichtes des Scheinwerfers 1 dient. Das Halbleiterleuchtmittel 11 ist in Verbindung mit einem Kühlkörper 18 gezeigt, auf dem das Halbleiterleuchtmittel 11 montiert ist und der Kühlkörper 18 kann beispiels weise als Trägerkörper des Halbleiterleuchtmittels 11 dienen.

Das Halbleiterleuchtmittel 11 ist innerhalb eines Verdampfers 12 angeordnet, wobei die schematische Ansicht auch die Anordnung des Kühlkörpers 18 innerhalb des Ver- dampfers 12 zeigt, und der Verdampfer 12 ist Bestandteil einer Kühleinrichtung 10.

Außerhalb des Gehäuses 17 des Scheinwerfers 1 ist ein Kondensator 14 angeordnet, und der Kondensator 14 ist mit dem Verdampfer 12 über eine Dampfleitung 15 und über eine räumlich von der Dampfleitung 15 getrennt angeordnete Flüssigkeitsleitung 16 verbunden und damit ebenfalls Bestandteil der Kühleinrichtung 10. Die Dampflei- tung 15 und die Flüssigkeitsleitung 16 bilden mit dem Verdampfer 12 und dem Kon- densator 14 einen geschlossenen Fluidkreislauf der Kühleinrichtung 10, und der Flu- idkreislauf ist mit einem Kühlmedium 13 gefüllt, das vom Kondensator über die Flüs- sigkeitsleitung 16 zum Verdampfer 12 hin einen flüssigen Zustand aufweist, und ge- mäß der Flüssigkeitsströmungsrichtung 20 strömt, und das Kühlmedium 13 strömt vom Verdampfer 12 zum Kondensator 14 über die Dampfleitung 15 in einem gasför- migen Zustand oder in einem Nassdampfzustand, was angedeutet ist durch die Dampfströmungsrichtung 19. Beim Betrieb des Halbleiterleuchtmittels 11 innerhalb des Verdampfers 12 verdampft das Kühlmedium 13, das zunächst in flüssiger Form über die Flüssigkeitsleitung 16 an den Verdampfer 12 herangeführt wurde, und das verdampfte Kühlmedium 13 gelangt über die Dampfleitung 15 vom Verdampfer 12 in den Kondensator 14, in dem das Kühlmedium 13 wieder vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand überführt wird.

Erfindungsgemäß weist das Kühlmedium 13 ein erstes Kühlmittel 13a und ein zweites Kühlmittel 13b auf, und beide Kühlmittel bilden ein Gemisch, das innerhalb des Fluid- kreislaufes umlaufen kann. Das erste Kühlmittel 13a weist dabei eine niedrigere Ver- dampfungstemperatur auf als das zweite Kühlmittel 13b, wobei beide Kühlmittel 13a, 13b auch mit dem Halbleiterleuchtmittel 11 derart in Kontakt gebracht sind, dass Wärme vom Halbleiterleuchtmittel 11 an die Kühlmittel 13a, 13b abgegeben werden kann.

In einem Normalbetrieb des Halbleiterleuchtmittels 11 bei einer Betriebstemperatur, beispielsweise 70°C, kann die Verdampfungstemperatur des ersten Kühlmittels 13a einen Wert von 65°C aufweisen, sodass beim Betrieb des Halbleiterleuchtmittels 11 sichergestellt ist, dass das erste Kühlmittel 13a innerhalb des Verdampfers 12 ver- dampft. Das zweite Kühlmittel 13b bleibt dabei unverdampft. Wird die Betriebstempe- ratur des Halbleiterleuchtmittels 11 weiter erhöht, beispielsweise durch besondere Umwelteinflüsse, insbesondere sehr hohe Umgebungstemperaturen oder durch eine Sonneneinstrahlung in den Scheinwerfer 1 , so kann die Temperatur des Halbleiter- leuchtmittels 11 stark ansteigen, beispielsweise auf bis zu 120°C. Somit kann vorge- sehen sein, dass die Verdampfungstemperatur des zweiten Kühlmittels 13b etwa 115°C beträgt, sodass bei bereits verdampften ersten Kühlmittel 13a auch noch die notwendige Verdampfungsenthalpie des zweiten Kühlmittels 13b dazu ausgenutzt werden kann, eine besonders große Wärmemenge beim Betrieb des Halbleiter- leuchtmittels 11 bei erhöhter Temperatur an das zweite Kühlmittel 13b abzugeben. Erfindungsgemäß weist folglich das Kühlmedium 13 zwei Verdampfungstemperaturen auf.

Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung der Kühleinrichtung 10 mit einem Kühl medium 13 umfassend ein erstes Kühlmittel 13a mit einer ersten niedrigeren Ver- dampfungstemperatur und ein zweites Kühlmittel 13b mit einer höheren Verdamp- fungstemperatur wird eine höhere Betriebssicherheit eines Halbleiterleuchtmittels 11 , insbesondere LED oder Laser-Halbleiterleuchtmittel, innerhalb eines Scheinwerfers 1 für ein Fahrzeug erreicht.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angege- bene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denk- bar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

I Scheinwerfer

10 Kühleinrichtung

I I Halbleiterleuchtmittel

12 Verdampfer

13 Kühlmedium

13a erstes Kühlmittel

13b zweites Kühlmittel

14 Kondensator

15 Dampfleitung

16 Flüssigkeitsleitung

17 Gehäuse

18 Kühlkörper

19 Dampfströmungsrichtung

20 Flüssigkeitsströmungsrichtung