Leuchte mit Reflektor

Die Erfindung betrifft eine Leuchte, umfassend ein erstes Modul und zumindest ein zweites Modul mit jeweils einer Mehrzahl von über eine Modulfläche verteilten LEDs, wobei die Module zur Abführung von Verlustwärme auf zumindest einem Kühlkörper angeordnet sind, und einen Reflektor, wobei von einem der Module abgestrahltes Licht durch den Reflektor in eine Austritts- Öffnung der Leuchte umgelenkt wird.

EP 2 375 133 A2 beschreibt eine Leuchte mit einem luftgekühlten Kühlkörper, in dem zwei LED-Module gegenüberliegend angeordnet sind. Das Licht der beiden LED-Module wird über einzeln auf den LEDS aufgesetzte Kollimatoren kollimiert und über zwei Umlenkspiegel um je- weils 90° in eine gemeinsame Austrittsrichtung umgelenkt. Das die Leuchte verlassende Licht ist vollständig divergent.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Leuchte anzugeben, mit der eine hohe Bestrahlungsdichte bei optimierter Bauform erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchte, umfassend

ein erstes Modul und zumindest ein zweites Modul mit jeweils einer Mehrzahl von über eine Modulfläche verteilten LEDs,

wobei die Module zur Abführung von Verlustwärme auf zumindest einem Kühlkörper angeord- net sind, und

einen Reflektor, wobei von einem der Module abgestrahltes Licht durch den Reflektor in eine Austrittsöffnung der Leuchte umgelenkt wird,

wobei zwischen zumindest einigen der LEDs und der Austrittsöffnung eine Optik vorgesehen ist, durch die das Licht der LEDs in eine definierte Struktur in einer Zielfläche gebündelt wird. Durch die Bündelung mittels der Optik kann ein großer Öffnungswinkel der einzelnen LEDs in die Struktur der Zielfläche gebündelt werden. Zudem wird durch die Umlenkung des Lichtes mittels des Reflektors eine hohe Flexibilität bezüglich Form und Größe der Leuchte erreicht. Insbesondere kann dabei eine Einbaulage und Größe des oder der Kühlkörper so gewählt werden, dass eine Bauhöhe der Leuchte in der Austrittsrichtung des Lichtes reduziert wird. Unter der Austrittsrichtung ist vorliegend die geometrische Hauptrichtung des Lichtes nach der Umlenkung und bei Verlassen der Austrittsöffnung zu verstehen. Allgemein vorteilhaft kann mittels des Reflektors oder mehrerer Reflektoren das Licht von mehreren verschieden angeordneten und/oder in verschiedene Hauptrichtungen abstrahlenden Modulen in dieselbe Austrittsrichtung aus der Leuchte umgelenkt werden. Insbesondere kann es sich dabei um die Umlenkung des Lichtes von einander gegenüberliegenden Modulen mit gegenläufigen Abstrahlrichtungen handeln, wobei der oder die Reflektoren zwischen den Modulen angeordnet sind und das Licht um zum Beispiel jeweils 90° in die gemeinsame Austrittsrichtung umlenken.

Unter einer Optik im Sinne der Erfindung ist jedes im Strahlengang befindliche Objekt zu verstehen, mittels dessen eine definierte Änderung der Ausbreitungsrichtung der geometrischen Lichtstrahlen erzielt wird. Insbesondere sind dies für den Strahlengang durchlässige Linsen, auch Zylinderlinsen und Fresnel-Linsen. Es kann sich aber auch um definiert gekrümmte Reflektoren handeln. Auch eine definierte Krümmung des umlenkenden Reflektors, mittels der zu einer Bündelung in die definierte Struktur erzielt wird, ist eine Optik im Sinne der Erfindung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Optik eine Primäroptik zur Bündelung des abgestrahlten Lichts umfasst, die unmittelbar auf den LEDs angeordnet ist. Durch eine solche Primäroptik lässt sich ein besonders großer Raumwinkel des von den LEDs meist großwinkelig abgestrahlten Lichtes transportieren. Zum Beispiel kann es sich dabei um mehrere, jeweils über einer LED angeordnete Sammellinsen handeln.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Primäroptik als auf die Module aufgebrachte, transparente Polymerschicht ausgebildet ist, die zumindest mehrere LEDs einstückig übergreift. Eine solche Polymerschicht kann zum Beispiel nach Art der in WO 2012/031703 A1 beschriebenen Optiken ausgebildet sein. Dabei wird ein LED-Modul mittels einer offenen Gießform mit einem UV-beständigen Silikon überzogen. Bei einem alternativen oder ergänzenden Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Optik eine Sekundäroptik, die räumlich getrennt von einem Modul in einem Strahlengang des Lichts angeordnet ist. In Abgrenzung zum Begriff einer Primäroptik wird unter einer Sekundäroptik vorliegend allgemein eine Optik verstanden, die nicht unmittelbar auf den LEDs aufsitzt. Es sind daher Ausführungsformen möglich, die eine Sekundäroptik, aber keine Primäroptik umfassen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind sowohl eine Primäroptik als auch eine Sekundäroptik in dem Strahlengang der Leuchte angeordnet, wodurch eine besonders kleine Bauform bei hoher Beleuchtungsstärke resultiert.

In bevorzugter Detailgestaltung ist die Sekundäroptik als transparente Polymerschicht auf einem transparenten Substrat ausgebildet. Die Sekundäroptik kann dabei nach Art der in WO 2012/031703 A1 beschriebenen Optiken hergestellt sein, wobei an Stelle eines LED-Moduls ein transparentes Substrat, zum Beispiel Glass, mittels einer offenen Gießform mit einem UV- beständigen Silikon überzogen wird.

Allgemein vorteilhaft umfasst die Optik zumindest eine Zylinderlinse, mittels der das Licht einer Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten LEDs gebündelt wird. Eine solche Zylinderlinse kann insbesondere in einer beabstandet zu den LEDs angeordneten Sekundäroptik ausgebildet sein.

In bevorzugter Detailgestaltung der Erfindung ist die definierte Struktur als gerade Linie ausgebildet ist. Bevorzugt, aber nicht notwendig ist die Leuchte dabei parallel zu der Linie in einer Längsrichtung erstreckt und hat in dieser Richtung eine Länge, die zumindest das Zweifache, bevorzugt zumindest das Dreifache, einer Bauhöhe der Leuchte in einer zu der Längsrichtung senkrechten Hochrichtung beträgt.

Weiterhin vorteilhaft ist dabei der Reflektor gegenüber dem LED-Modul in einem Winkel zwischen 30° und 60° angeordnet. Insbesondere kann der Winkel bei etwa 45° liegen, so dass insgesamt eine Umlenkung der Lichtstrahlen um rund 90° erfolgt, was eine niedrige Bauhöhe der Leuchte begünstigt. Die gewinkelte Anordnung des Reflektors bezieht sich im Sinne der Erfindung auf eine Ablenkung eines Hauptstrahls des Lichtbündels um den doppelten Winkel. In diesem Sinne sind nicht nur ebene, sondern auch gebogene Reflektoren unter einem bestimmten Winkel angeordnet. Die Leuchte ist bevorzugt so ausgelegt, dass eine Bestrahlungsstärke auf der Struktur wenigstens 2 W/cm ² beträgt. Dies erlaubt in besonderem Maße die Verwendung für Trocknungsanwendungen wie zum Beispiel die Lacktrocknung mit UV-Licht als Bestandteil eines Druckverfahrens.

Vorteilhaft liegen wenigstens 50% des von den LEDs emittierten Lichtes in einem Wellenlängenbereich von weniger als 470nm vor. Dies ermöglicht eine zumindest überwiegende Auslegung der Leuchte als UV-Strahler. Durch die weitere Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale kann der UV-Strahler flexibel in einer technischen Vorrichtung, zum Beispiel einer Druckmaschine, eingebaut werden.

Alternativ hierzu liegen wenigstens 50% des von den LEDs emittierten Lichtes in einem Wellenlängenbereich von mehr als 780nm vor. Dies ermöglicht eine zumindest überwiegende Auslegung der Leuchte als IR-Strahler. Durch die weitere Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale kann der IR-Strahler flexibel in einer technischen Vorrichtung, zum Beispiel einer Druckmaschine, eingebaut werden.

Die Trockung der Lacke bzw. Farben von Druckmaschinen erfolgt je nach Auslegung durch UV- Licht, wobei meist eine Vernetzung des zu trocknenden Stoffes stattfindet, oder auch durch Wärme, wobei bevorzugt IR-Strahler verwendet werden.

Allgemein bevorzugt wird eine an den Kühlkörper abgegebene Wärmemenge über ein flüssiges Kühlmittel aufgenommen, so dass insgesamt eine besonders große Abwärme auch bei ungünstigen Einbauverhältnissen der Leuchte abgeführt werden kann. Flüssige Kühlmittel haben eine höhere Wärmekapazität als gasförmige und erlauben hohe Kühlleistungen. Die Abfuhr kann durch Verlagerung des Kühlmittels in flüssiger Phase erfolgen, zum Beispiel mittels eines umgewälzten Kühlkreislaufes. Es kann sich alternativ oder ergänzend auch um die Verwendung von Heatpipes handeln, in denen eine Wärmeaufnahme zunächst zu einem Phasenwechsel des flüssigen Kühlmittels führt.

Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch eine Vorrichtung zum Trocknen einer Beschich- tung gelöst, umfassend eine erfindungsgemäße Leuchte. Die erfindungsgemäße Leuchte ist hierzu besonders gut geeignet, da sie hohe Bestrahlungsstärken mit flexibler und insbesondere kompakter Bauform kombiniert. In bevorzugter Weiterbildung sind dabei ein flächiges Substrat mit der zu trocknenden Be- schichtung und die Leuchte in einer Förderrichtung zueinander bewegbar, wobei die Leuchte in einer Querrichtung zumindest teilweise über eine Breite des Substrats erstreckt und in definiertem Abstand über dem Substrat angeordnet ist. Hierunter ist auch auch ein rasterndes Abfah- ren der Substratfläche in mehreren Bahnen zu verstehen. Zum Beispiel kann es sich bei dem Substrat um ein Druckerzeugnis handeln, das in einer Druckmaschine mit aufgedrucktem Lack oder einer anderen Substanz beschichtet wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Leuch- te zum Trocknen einer Beschichtung gelöst, bevorzugt in einem Druckverfahren.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen. Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Eine erfindungsgemäße Leuchte gemäß Fig. 1 umfasst zwei LED-Module 1 , wobei jedes der Module 1 auf einem Kühlkörper 2 in flächiger, thermisch leitender Verbindung aufgebracht ist. Die Module 1 umfassen jeweils mehrere LEDs 3, die in einem Raster über eine senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Modulfläche verteilt sind. Die LEDs 3 sind zusammen mit weiteren elektronischen Komponenten (nicht dargestellt) auf einem ebenen Träger 4 aufgebracht, wodurch insgesamt jeweils ein Chip-On-Board-Modul (COB) ausgebildet ist. Die Module 1 erstrecken sich in einer senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden Längsrichtung und in einer Hochrichtung, die in der Zeichnung Fig. 1 von oben nach unten verläuft und einer Austrittsrichtung aus der Leuchte entspricht. Eine Hauptabstrahlrichtung der LEDs entspricht somit einer Querrichtung, die in der Zeichnung Fig. 1 von links nach rechts verläuft.

Die mit LEDs bestückten Seiten der Module 1 liegen sich gegenüber, wobei zwischen den Mo- dulen ein Reflektor 5 angeordnet ist. Der Reflektor 5 umfasst zwei Reflektorflächen 5a, 5b, wo- bei jeder der Reflektorflächen vorliegend eben ist und in einem Winkel von 45° zu der Ebene des jeweils gegenüberliegenden Moduls geneigt ist. Somit wird ein von einer LED unter 90° zur jeweiligen Modulebene ausgehender Lichtstrahl (Hauptabstrahlrichtung) von der jeweiligen Reflektorfläche 5a, 5b unter einem Winkel von 90° abgelenkt und verlässt die Leuchte durch eine Austrittsöffnung 6 in einer Austrittsrichtung parallel zur Hochrichtung. Die Ausgestaltung des Reflektors kann beliebig erfolgen, zum Beispiel als Prisma, als Glasspiegel oder als Spiegelblech. Zur Minimierung von Verlusten kann dabei jeweils eine entsprechende Oberflächenvergütung vorliegen. Auf den Modulen 1 ist eine Primäroptik 8 angeordnet, die vorliegend als vollflächige Beschich- tung der Module 1 ausgebildet ist. Die Primäroptik weist unmittelbar auf den einzelnen LEDs 3 jeweils Linsen 9 auf, mittels derer ein großer Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichts gebündelt und über die Umlenkung durch den Reflektor 5 auf eine Zielfläche 10 (siehe Darstellung und analog verlaufende Strahlengänge in Fig. 2) gerichtet wird. Dabei erfolgt eine überwiegen- de Bündelung der Strahlen in eine Struktur in Form einer geraden, in der Längsrichtung verlaufenden Linie in der Zielfläche 10. Auf dieser Struktur beträgt die Bestrahlungsstärke durch die Leuchte deutlich mehr als 2 W/cm ² .

Die Austrittsöffnung 6 ist durch eine transparente Schutzscheibe 7 überdeckt, die vorliegend keine ablenkende Wirkung auf den Strahlengang hat. Grundsätzlich kann aber auch die Schutzscheibe als Bestandteil der Optik ausgebildet sein.

Die Kühlkörper 2 haben jeweils Anschlüsse 2a für Eintritt und Austritt eines flüssigen Kühlmittels, das die Kühlkörper zum Abtransport der Wärme durchströmt. Das Kühlmittel kann in einem geschlossenen Kreislauf vorliegen und die Wärme an anderer Stelle über einen Wärmetauscher wieder abgeben. Bei der vorliegenden Leuchte treten abzuführende Wärmeleistungen im Bereich von wesentlich mehr als 1 kW auf.

Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem ersten Beispiel dadurch, dass zusätzlich zu der Primäroptik 8 zudem jeweils eine Sekundäroptik 11 vor den Modulen vorgesehen ist, wodurch die Bündelung eines möglichst großen Austrittswinkels aus den LEDs in die Struktur auf der Zielfläche weiter verbessert wird. Dabei versteht sich, dass die Primäroptik 8 entsprechend der kombinierten Wirkung mit der Sekundäroptik eine andere Auslegung z.B. bezüglich Größe und Brennweiten der Linsen 9 haben kann als im ersten Beispiel, aber sonst nach demselben Prinzip aufgebaut ist. Die Sekundäroptiken 11 sind jeweils beabstandet vor einem der Module 1 , aber zwischen dem Modul 1 und jeweiliger Reflektorebene 5a, 5b angeordnet, um möglichst früh bündelnd auf den Strahlengang einzuwirken.

Die Sekundäroptiken umfassen jeweils mehrere parallele Zylinderlinsen 12, die in der Längsrichtung erstreckt sind. Somit wird das Licht zumindest jeweils einer Reihe von LEDs von einer der Zylinderlinsen 12 erfasst und in die Linie bzw. Struktur der Zielfläche 10 (Druckerzeugnis) gebündelt. Exemplarisch sind in Fig. 2 Drei verschiedene Lichtstrahlen von drei LEDs unter je- weils unterschiedlichem Abstrahlwinkel eingezeichnet, die sämtlich in die Struktur in der Zielfläche gebündelt werden.

Vorliegend werden die Primäroptiken nach einem in der WO 2012/031703 A1 im Prinzip beschriebenen Verfahren hergestellt, indem die COB-Module durch Silikon in einer offenen Gieß- form beschichtet werden. Die vorliegenden Sekundäroptiken werden nach einem analogen Verfahren hergestellt, bei dem an Stelle der COB-Module ein transparentes, flaches Substrat 13 mit UV-beständigem Silikon beschichtet wird, um die optisch wirksamen Strukturen 12 (Zylinderlinsen) zu erzeugen. Eine Leuchte gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird zu Zwecken der UV-Trocknung von Lack bzw. Farbe in einer Druckmaschine, vorliegend Offset- Bogendruckmaschine, eingesetzt. Eine Erstreckung der Leuchte in der Längsrichtung beträgt typisch mehr als 1 Meter, im vorliegenden Beispiel 1 ,6 Meter, was der Bogenbreite des Druckerzeugnisses entspricht. Zur Realisierung solcher Längen werden typisch jeweils mehrere Mo- dule 1 und Optiken 8 in der Längsrichtung hintereinander angeordnet.

Die vorstehend beschriebenen Komponenten der Leuchte sind in einem bezüglich des Bauraums optimierten Gehäuse 14 aufgenommen. Eine Bestrahlungsstärke auf der Zielebene bezogen auf die Längsrichtung beträgt vorliegend rund 10 Watt pro cm. Dabei liegt der überwiegende Teil des Lichtes im Bereich einer Wellenlänge von weniger als 470 nm.

Um LED-Leuchten mit sehr hohen optischen Ausgangsleistungen herzustellen, werden 0,1-200 mm ² , typisch 1-2 mm ² große LEDs im Chip-on-Board-Verfahren (COB) aufgebaut. Dabei wer- den mehrere LEDs, typisch 4-200 Chips, auf einem gemeinsamen Substrat mit einer Fläche in der Größenordnung von 5 bis 50 cm ² zu einem Modul assembliert. Durch Aneinanderreihung von mit LEDs bestückten Modulen wird die gewünschte Lampengröße generiert. Die beim Betrieb entstehende Verlustwärme, bedingt durch den nicht 100 %-igen Wirkungsgrad der LEDs (optische Ausgangsleistung im Verhältnis zu eingespeister elektrischer Leistung; <100%, typ.5-60 % für UV-A und blaue LED Chips), muss durch die Kühlkörper als Kühlsystem abgeführt werden. Bei den Kühlkörpern 8, die mit Flüssigkeit gekühlt werden, handelt es sich um dreidimensionale Körper, die eine flache Seite besitzen, auf die die Substrate aufgebracht werden. Im Inneren kann der Kühlkörper 8 komplett hohl sein, oder ein Kanal-, bzw. Mikrokanalsystem besitzen. Je feiner die Struktur innerhalb des Kühlkörpers 8 ist, desto größer ist die Oberfläche zwischen Kühlkörper und Kühlflüssigkeit, über die Wärme aus dem System an die Kühlflüssigkeit abge- geben werden kann.

Durch diesen Aufbau, der die COB-Module 1 bis hin zu dem Kühlsystem umfasst, und der notwendig ist, um die Leuchte bei Betrieb vor Überhitzung zu schützen, ergibt sich eine technisch bedingte Bauhöhe der Lampe zwischen der Emissionsebene der Module bis zur Abschlussebe- ne der Kühlkörper 8. Dies führt bei gegebenen Anforderungen an die Lichtleistung der Leuchte zu Mindestbauhöhen in Abstrahlrichtung der Module 1 von typisch bis zu 20 cm. Bei vielen Anwendungen, wie z.B. im Bogendruck mittels UV-härtender Farben und Tinten, sind Leuchten mit dieser Bauhöhe nicht einsetzbar, da der zur Verfügung stehende Bauraum in der Maschine nicht ausreicht, z.B. weil Greifersysteme, die die Bögen fördern, den Bauraum begrenzen.

Durch die vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Anordnung von Modulen 1 und Reflektor 5 kann die Bauhöhe für eine Lampe der geforderten Leistungsdichte erheblich herabgesetzt werden. Die erfindungsgemäße Leuchte erfüllt die Vorgaben zur Realisierung eines LED- Trockners (LED-Leuchte) mit hoher spezifischen optischer Leistung (abgestrahlte Gesamtleis- tung von > 10 W pro cm Länge), der den Bedarf einer effizienten Kühlung und einer effizienten Optik zur Erreichung hoher Peak-Bestrahlungsstärken (>2 W/cm ² , bei >40 mm Abstand, mit Zielwerten von 4-10 W/cm ² in Abständen von 40-100 mm zwischen Leuchte und Zielebene) vereint, und dabei eine möglichst geringe Bauhöhe in der Austrittsrichtung von <80 mm aufweist.