DE60305060T2

DE60305060T2 - Led-lampe mit thermoelektrischer wärmeregelung

Info

Publication number: DE60305060T2
Application number: DE60305060T
Authority: DE
Inventors: Thorgeir Jonsson; Gudlaugur Ottarsson; Sturla Jonsson; Allen David Saranac Lake HUBBELL
Original assignee: Dialight Corp
Current assignee: Dialight Corp
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: WO2004038290A1; CA2539610C; EP1561071B1; DE60305060D1; US7510303B2; EP1561071A1; US20060198149A1; AU2003274684A1; ATE325309T1; CA2539610A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft LED-basierte Leuchten, wobei thermoelektrische Module zum Verbessern der Effizienz der Leuchten benutzt werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die praktische Konstruktion und Anwendung von Vorrichtungen nach Bauart von Leuchtdioden (LEDs) zur Benutzung in der Bereichsbeleuchtung und ähnlichen Vorhaben sind durch Probleme im Bereich der Energietechnik eingeschränkt. Hersteller von LED-Vorrichtungen haben im Allgemeinen versucht, LED-Vorrichtungen mit größerer Leuchtleistung ohne wesentliche Steigerung der Größe der Vorrichtungen zu entwickeln. Dies unterstreicht das Problem des Wärmemanagements; die Energieeffizienz der LEDs ist relativ niedrig, so dass nur ein Teil der verbrauchten Energie in Licht umgewandelt wird, während der Großteil der Energie in Wärme umgewandelt wird. Durch die Herstellung leuchtstärkerer LEDs wird für dasselbe Volumen der Vorrichtung mehr thermale Energie erzeugt.
Es ist bekannt, dass LEDs negative Aspekte im Temperaturkoeffizienten aufweisen, d. h. bei einem festgelegten Leistungseingang nimmt die Lichtausgabe der Vorrichtung ab, während ihre Betriebswärme steigt. Die Beziehung zwischen der abnehmenden Lichtausgabe der Vorrichtung aufgrund der steigenden Arbeitstemperatur kann annähernd als ein negativ lineares Verhältnis zwischen den prozentualen Anteilen von Lichtausgabe und Temperaturanstieg in Grad Celsius ausgedrückt werden. Das heißt, wenn die Arbeitstemperatur der Vorrichtung um 1 °C ansteigt, kann angenommen werden, dass die Vorrichtung etwa ein Prozent ihrer Lichtausgabe einbüßt.
Im Stand der Technik wurde versucht, das Problem des negativen Temperaturkoeffizienten zu lösen. Beispielsweise wurden in Verkehrsampelgehäusen mit Belüftungsaufbau sowohl ein passiver (Konvektionstyp) als auch ein aktiver (gebläsegetriebener Typ) Aufbau vorgesehen, um eine Überhitzung der LEDs zu verhindern. Ampelvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik wenden sich auch der inhärent negativen Natur des Temperaturkoeffizienten mit Hilfe einer elektrischen Stromversorgung zu. Diese Ansätze steigern entweder die an die Vorrichtung abgegebene Leistung, um den Verlust an Lichtausgabe auszugleichen, oder sie befassen sich mit der Form der zur Verfügung gestellten Leistung wie z. B. Sinusspannung gegenüber Rechteckspannung und versuchen so, die Erzeugung von Nebenproduktwärme, d. h. Verlustwärme zu senken.
Seit langem besteht Bedarf an LED-Vorrichtungen mit langer Lebensdauer und hoher Leistung-zu-Licht-Effizienz. Solid State thermoelektrische Module (TEM), die auch als thermoelektrische Kühler (TEC) oder Wärmepumpen bezeichnet werden, wurden seit der Einführung von Thermoelement-Halbleitermaterialien in diversen Anwendungen benutzt. Solche Vorrichtungen wandeln elektrische Energie in einen Temperaturgradienten um, was als „Peltier"-Effekt bekannt ist, oder wandeln Wärmeenergie eines Temperaturgradienten in elektrische Energie um. Durch Anlegen eines Stroms wird ein TEM-Temperaturgradient erzeugt, und Wärme wird von einer Seite, der „kalten" Seite des TEM, auf die andere Seite, die „warme" Seite übertragen.
TEMs wurden vom Stand der Technik als ungeeignet zur Kühlung von LED-Leuchtvorrichtungen betrachtet und wurden aufgrund ungenügender Effizienz ausgeschlossen; das heißt, im Fall einer Konfigurierung und eines Betriebs unter üblichen Einstellungen sie die Betriebskosten eines TEM zum Kühlen einer LED-Vorrichtung höher als der Energiegewinn aus dem Betreiben der LED bei reduzierter Temperatur.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13 sind in EP-A-1 067 332 offenbart.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass TEMs überraschenderweise benutzt werden können, um die Lichtausgabe von LED-Leuchten zu kühlen und zu verstärken und insbesondere, um eine optimale Lichtausgabe von LED-Leuchten aufrechtzuerhalten.
Die Erfinder haben das Verhalten üblicher Hi-Flux-LEDs analysiert, wie sie in Verkehrsampeln und in Bereichsbeleuchtungsvorrichtungen und TEMs benutzt werden und mathematische Modelle entwickelt, die benutzt werden, um die Leistung der TEM-gekühlten LED-Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung zu optimieren.
Thermale Eigenschaften von Hi-Flux-LEDs
Wie in 2 dargestellt, kann eine annähernde Berechnung der Lichtemission üblicher Hi-Flux-1-W-LEDS als Temperaturfunktion mit Hilfe von Exponentialfunktionen erfolgen.
Durch Messen der Lichtausgabe von zwei LEDs, einer gelben und einer roten, wurden empirische Funktionen hergeleitet, die das temperaturabhängige Verhalten der Dioden definieren. Die Funktionen definieren eine relative Ausgabe (η), die um 25 °C normiert ist und für Temperaturen von etwa –20 °C bis zu etwa 110 °C gültig ist. Diese Funktionen für die gelbe Diode (η_A) und die rote Diode (η_R) sind in Gleichung Ia bzw. Ib dargestellt.
Eine LED-Referenztemperatur kann als „T₀ = 298,75K" für Gelb, aber „T₀ = 297,75K" für Rot definiert werden. Eine LED-charakteristische Temperatur (T_L) für eine spezifische LED kann definiert werden als und ist „T_L = 61,6K" für eine gelbe, aber „T_L = 94,5K" für eine rote LED.
Ein Niedrigtemperaturbetrieb der LED ist günstig aufgrund der reduzierten Verlustwärmeerzeugung. Es ist allerdings nicht möglich, durch das Kühlen „Energie zu sparen", denn die „gesparte" Energie wird in Licht umgewandelt. Indem also die LED gekühlt wird, kann weniger Energie (d. h. weniger Dioden) zur Erzeugung derselben Menge Lichts benutzt werden.
KOL oder der Leistungskoeffizient ist die Wärmemenge, die in einem System umherbewegt wird, geteilt durch die Arbeit dafür. Wenn eine LED mit einem thermoelektrischen Kühler (TEC) gekühlt wird, ist die gepumpte Wärme P_LED(1 – η_LED), und die entsprechende Arbeit des TEC ist P_TEC.
Hier ist „η₀ = P_PHO/P_{LED wenn T gleich}" die LED-Photoneneffizienz. Eine effizientere LED erzeugt weniger Wärme und kann deshalb ein Kühlsystem mit einem niedrigeren KOL benutzen. Die gesamte von der LED und dem TEC-System (P_SYS) verbrauchte Leistung ist dann:
Die gesamte Systemleistung (P_SYS) konvergiert hin zur LED-Leistung (P_LED), während sich der KOL des Kühlsystems unendlich nähert.
Die von der LED abgestrahlte luminale oder photonische Leistung (P_PHO) kann zur gesamten Systemleistung in Beziehung gesetzt werden. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden:
Um eine bestimmte Leistung zu erreichen, soll SYS = P_PHO/P_SYS die gesamte Leuchteneffizienz mit Kühlsystem sein. Dann kann der nötige KOL zum Erreichen der gewünschten Leistung errechnet werden:
Wenn beispielsweise die LED-Effizienz 20% ist und eine gesamte Effizienz einer gekühlten LED-Vorrichtung (Leuchteneffizienz) von 15% akzeptabel ist, wird ein KOL = 2,4 benötigt. Wenn des Weiteren eine Leuchteneffizienz von 18% benötigt wird, wird ein KOL = 7,2 benötigt, was ein ziemlich hoher Wert ist, doch wenn eine Leuchteneffizienz von 10% akzeptabel ist, kann das Kühlsystem bei KOL = 0,8 betrieben werden, was ein ziemlich bescheidener Wert ist.
Im Folgenden ist T_w die ungekühlte LED-Temperatur und T_c die gekühlte LED-Temperatur, dabei ist T_w> T_c. Um von der Kühlung zu profitieren, muss die folgende Ungleichheit erfüllt in:
Die Ungleichheit in Gleichung VI kann für den KOL als einer Funktion der zwei Temperaturen TW und TC und der einzelnen Leistungsquote η_SYS gelöst werden:
Hoher KOL-Betrieb thermoelektrischer Kühler des Industriestandards
Die thermoelektrischen Materialeigenschaften, Geometrie und elektrischen Ströme können von zwei Temperaturen „T_i= Ri/α" zur Darstellung des normierten, durch das Modul getriebenen Stroms und „T_G = KR/α²" zur Darstellung der Qualität des thermoelektrischen Materials. Hier steht α für den so genannten Seebeck-Koeffizienten, gemessen in Volt/Kelvin, K steht für die integrierte thermale Konduktanz des TEM, gemessen in Watt/Kelvin, (i) steht für den durch das TEM getriebenen elektrischen Strom, gemessen in Ampere, und (R) steht für den Gleichstromwiderstand, gemessen in Ohm. Die Kühlleistung des TEM ist ausgedrückt als:
Hier steht TH für die Temperatur der warmen Seite und TC für die der kalten Seite, wobei T_H > T_C und ΔT = T_H – T_C. Die beim Treiben des Stroms durch das Modul geleistete Arbeitsrate ist ausgedrückt als:
Die an der Wärmeseite des thermoelektrischen Moduls abgegebene Wärmerate wird wie folgt berechnet:
Der so genannte „Koeffizient der Leistung" KOL ist definiert als Kühlleistung geteilt durch die Arbeit der thermoelektrischen Stromversorgung:
Der elektrische Strom, der den KOL maximiert, kann analytisch mit Hilfe von Gleichung XI durch Differenzierung und Gleichsetzen des Ergebnisses mit Null hergeleitet werden:
T(Balken) ist der Temperaturmittelwert gleich (T_H + T_C)/2, normalerweise im Zentrum des thermoelektrischen Materials entlang dem Temperaturgradienten.
Kühlkörperparameter für ein LED-TEC-System
Die Kühlkörperanforderungen können mit ausreichender Genauigkeit mit Hilfe eines einzigen Wärmeübertragungskoeffizienten (h) bestimmt werden, der in [W/m²K] gemessen wird und dessen wirksamer Bereich (A) in [m²] gemessen wird. Der Betrieb des Kühlkörpers in einer Umgebungstemperatur (T_amb) und die warme Seite des TEC mit einer Temperatur von (TH) wird wie folgt ausgeglichen:
Durch Definition eines charakteristischen Bereichs für die TEC-Kühlkörperkombination als „A₀ = K/h", gemessen in [m²], kann einfach geschrieben werden:
Es ist nun möglich, die Temperatur (T_H) der warmen Seite zu eliminieren, um die Freiheitsgrade des LED-TEC-Aufbaus zu senken:
Beispielsweise ist für den spezifizierten TEC mit „K = 0,6W/K" unter Benutzung des empirischen Werts „h = 14 W/m²K" der charakteristische Bereich für ein solches System „A₀ = K/h = 400 cm²ⁿ" und entspricht 20 cm mal 20 cm flacher Oberfläche.
Nichtlineare Gleichungen des kombinierten LED-TEC-KÜHLKÖRPER-Systems
Gleichung V und Gleichung XI drücken beide den KOL jeweils für die LED und den TEC aus. Bei Gleichsetzung ergeben sie nichtlineare und transzendente Gleichungen in den Temperatur- und Effizienzvariablen des Systems.
Es ist zu beachten, dass die Analyse durch einen bloßen Blick auf die gekühlte LED vereinfacht werden kann, ohne die Einschränkung im Zusammenhang mit der nicht-gekühlten Diode und der Gleichsetzung von T_W gleich T₀; dann würde das Exponential auf der rechten Seite der Gleichung wegfallen. Dies würde auch die folgende Analyse vereinfachen.
Durch Einführen einer verkürzten Schreibung „β_C = exp((T_C – T₀)/T_L)" und „β_W = exp((T_W – T₀)/T_L) " kann Gleichung XVI als eine algebraische Gleichung zweiter Ordnung mit der Variable (T_i) umgeschrieben werden. Dies ergibt TEC-Parameter, die ein bestimmtes Konstruktionsziel einer spezifischen LED erfüllen.
Gleichung XVII schließt die LED-TEC-Kühlkörper-Analyse ab. Die vorliegende Erfindung stellt in einem ersten Aspekt eine Leuchtvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst:

– wenigstens eine Leuchtdiode (LED)
– wenigstens ein thermoelektrisches Modul (TEM) mit einer ersten Fläche, die thermal mit der LED verbunden ist,
– einen Kühlkörper, der thermal mit einer zweiten Fläche von dem wenigstens einen TEM verbunden ist,
– ein thermal isolierendes Gehäuse, das eine Kammer ausbildet, die die LED von der Umgebungsluft im Wesentlichen isoliert.

Die LED kann üblicher Art sein, wobei allerdings die Erfindung besonders nützlich ist für Vorrichtungen, die Hi-Flux-LEDs benutzen, einschließlich Verkehrsampeln, beleuchteter Straßenschilder und/oder Notfallschilder, Flughafenstartbahnen und -landebahnen und Fahrzeuglichtern einschließlich Bremslichtern. In nützlichen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Vorrichtung mehrere LEDs.
Man wird verstehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage ist, mehr Licht pro verbrauchter Energieeinheit zu erzeugen als entsprechende LED-basierte Leuchten ohne Kühlung, da die zum Betrieb des TEC benötigte zusätzliche Energie geringer ist als die gewonnene Energie und/oder Lichtausgabe. In den meisten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist deshalb die Vorrichtung so konfiguriert, dass die Vorrichtung mehr Licht pro verbrauchter Stromeinheit erzeugt, wenn der TAS auf das TEM angewandt wird, als wenn kein TAS auf das TEM angewandt wird.
Die thermale Verbindung zwischen der LED und dem TEM kann mit Hilfe einer Schnittstelle wärmeleitfähigen Materials erreicht werden, z. B. eines Metalls wie Kupfer oder Aluminium. Die Flächen des TEM werden üblicherweise als „warme Seite" und „kalte Seite" bezeichnet, wobei die kalte Seite die erste Seite ist, die in Kontakt mit der LED steht, und die warme Seite die zweite Seite ist, die in Kontakt mit dem Kühlkörper oder einem benachbarten TEM steht, das optional mit Hilfe einer Wärme leitenden Platte angeschlossen sein kann. Allerdings sollte beachtet werden, dass der Temperaturgradient des TEM umgekehrt werden kann, indem der auf das TEM angewandte Strom umgekehrt wird.
Um die gewünschte Effizienz zu erreichen, die die TEM-Kühlung lohnend macht, wird wenigstens ein TEM gewählt und so konfiguriert, dass die Vorrichtung durch einen TEM-Arbeitsstrom betrieben werden kann (im Folgenden als TAS bezeichnet), der durch das TEM getrieben wird und der wesentlich niedriger ist als der maximale Arbeitsstrom des TEM (i_max, üblicherweise der vom TEM-Hersteller angegebene maximale Arbeitsstrom), wobei der TAS bevorzugt niedriger als etwa 25% von i_max, und weiter bevorzugt niedriger als 20% von i_max, und noch weiter bevorzugt niedriger als 15% von i_max ist, beispielsweise weniger als 12% von i_max. Ein solcher Aufbau kann überraschenderweise immer noch eine Senkung der Lichtausgabe aufgrund erhöhter Temperatur der LED(s) verhindern.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt der optimale TAS im Bereich von 200 bis 600 mA, wie z. B. im Bereich von 200 bis 600 mA oder im Bereich von etwa 250 bis 350 mA. Diese Werte wären typisch, wenn ein TEM mit einem i_max von etwa 3,0 A benutzt wird.
Es ist nicht unbedingt wünschenswert, eine Kühlung der LED zu erreichen, die wesentlich unter der Umgebungstemperatur liegt; im Gegenteil haben die Erfindung festgestellt, dass die gewünschte Effizienz und Energieeinsparung/Lichtausbeute der vorliegenden Erfindung erreicht wird, indem die Arbeitstemperatur der LED nahe bei oder knapp unterhalb der Umgebungstemperatur gehalten wird. In einigen Ausführungsformen kann die Arbeitstemperatur der LED sogar etwas höher sein als die Umgebungstemperatur, doch ist es wichtig, dass verhindert wird, dass die LED-Arbeitstemperatur die Umgebungstemperatur stark überschreitet, wie es bei einer LED-Leuchte ohne Kühlung der Fall wäre. Wenn die Umgebungstemperatur z. B. 20 bis 25 °C ist, ist zu erwarten, dass eine nicht gekühlte LED sich während des Betriebs erwärmt und innerhalb relativ kurzer Zeit eine Arbeitstemperatur von etwa 50 bis 60 °C erreicht, wobei zu diesem Zeitpunkt die Leuchtkraft der LED aufgrund des negativen Licht/Temperatur-Koeffizienten um etwa 30 bis 40% oder mehr abgenommen haben dürfte.
Der Kühlkörper ist im Allgemeinen konventioneller Art, d. h. mit einer flachen Fläche, die in Kontakt zur warmen Seite des TEM steht, während die andere Seite des Kühlkörpers eine breite Fläche aufweist, um die Wärme an die Luft abzugeben, welche in Kontakt zum Kühlkörper steht.
Der gewünschte KOL des TEM der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt von der gewünschten Gesamtenergieeffizienz der Vorrichtung ab, wobei die Vorrichtung im Allgemeinen so aufgebaut ist, dass der KOL des TEM in einem Bereich von 2 bis 6 liegt.
Aus den oben genannten Ausführungen und Analysen geht hervor, dass besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sich auf Vorrichtungen beziehen, die so aufgebaut sind, dass die Vorrichtung mehr Licht pro verbrauchter Leistungseinheit erzeugt, wenn der TAS auf das TEM angewandt ist, als Licht pro verbrauchter Leistungseinheit erzeugt wird, wenn kein TAS auf das TEM angewandt ist. Wenn beispielsweise der TAS 30% der von den LEDs einer Mehr-LED-Leuchte verbrauchten Energie verbraucht, beträgt die gesamte verbrauchte Energie 130%, wenn die Vorrichtung gekühlt wird, und 100%, wenn die Vorrichtung ohne Kühlung betrieben wird; wenn dies verhindert, dass die Dioden sich erwärmen und 50% der Lichtausgabe einbüßen, kann die Anzahl der Dioden pro Leuchte halbiert werden, um dieselbe Lichtintensität zu erzielen, was die LED-Energie um 50% senkt, so dass die insgesamt verbrauchte Energie 80% ist, d. h. es kann in diesem Beispiel der Kühlung der LEDs in erfindungsgemäßer Weise ein Energiegewinn von 20% erreicht werden.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere TEMs. Diese können Seite an Seite angeordnet sein, z. B. kann jedes so angeordnet sein, dass es einen Satz LEDs kühlt. Auch können TEM in geschichteter Weise angeordnet sein, so dass zwei, drei oder mehr TEM ein „Sandwich" bilden, wobei die warme Seite des TEM, das der LED am nächsten liegt, thermal mit der kalten Seite einer zweiten TEM verbunden ist (entweder direkt benachbart oder mit Hilfe eines Wärme leitenden Materials verbunden), dessen warme Seite ebenfalls mit der kalten Seite eines dritten TEM verbunden sein kann usw. Die Schichten der geschichteten TEMs können sich überlapen oder zwei oder mehr TEMs der nächsten Schicht überbrücken, so dass mehrere Wege der Wärmeübertragung vorgesehen sind.
Wenn solche geschichteten TEMs benutzt werden, kann der Kühlkörper die Kombination der zusätzlichen TEMs, intermediäre Wärme leitende Platten und den Kühlkörper selbst umfassen, welcher im Komponentensandwich am weitesten von der LED entfernt angeordnet ist.
Das Wärme isolierende Gehäuse, das eine Kammer bildet, reduziert den Wärmefluss von der Umgebungsluft zur LED, und ist wichtig in der Situation, in der eine LED bei einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur betrieben wird. Das Gehäuse kann transparent sein, um das Licht der LED(s) nicht zu blockieren und kann z. B. die Form einer Lampenlinse aufweisen. In einigen Ausführungsformen allerdings muss die umschließende Kammer nicht notwendigerweise die LED(s) voll umgeben und übt trotzdem noch eine reduzierende Funktion auf den Wärmetransfer von der Umgebung der LED aus. Die Kammer kann beispielsweise eine Öffnung für die Linse der LED aufweisen.
In bestimmten Ausführungsformen liegt während des normalen Betriebs innerhalb der Kammer ein Druck vor, der höher als der Luftdruck ist. Dies kann nützlich sein, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit aus der Luft in die Kammer dringt. In anderen Ausführungsformen kann die Kammer im Vergleich zum Luftdruck einen reduzierten Druck aufweisen, und die Kammer kann sogar ein teilweises oder wesentliches Vakuum aufweisen.
Die Vorrichtung umfasst in einer Ausführungsform eine Steuerungseinheit zum Steuern und sogar Umkehren des TAS, sowie ein oder zwei Sensoren, die mit der Steuerungseinheit verbunden sind, um einen oder mehr Umgebungsparameter zu messen, wobei die Steuerungseinheit so aufgebaut ist, dass sie den TAS anhand der von einem oder mehreren Sensoren gemessenen Parameter anpasst.
Ein solcher Sensor oder solche Sensoren können einen Temperaturfühler umfassen, der die Vor-Ort-Temperatur in der Umgebung der LED(s) misst oder die Temperatur der LED selbst, wobei in diesem Fall die Steuerungseinheit im Wesentlichen als Thermostat arbeitet. Zusätzlich oder alternativ können ein solcher Sensor oder solche Sensoren einen Sensor zum Messen des von der LED/von den LEDs abgegebenen Lichts umfassen, so dass beispielsweise der TAS angehoben wird, wenn die Lichtausgabe sinkt. Das Gegenteil kann ebenso erreicht werden, d. h. Senken des TAS, um die Lichtausgabe zu senken. Auf diese Weise würde die Vorrichtung sicherstellen, dass eine stabile Lichtausgabe aufrechterhalten wird.
Es kann in einigen Fällen von Nutzen sein, die Vorrichtung durch Anlegen eines gepulsten Stroms an die LED(s) zu betreiben, z. B. so, dass Stromimpulse zwischen den verschiedenen LEDs der Vorrichtung wechseln.
In bestimmten Ausbildungsformen kann die Vorrichtung durch Anlegen eines gepulsten Stroms an die TEMs betrieben werden, z. B. so, dass Stromimpulse zwischen den verschiedenen TEMs der Vorrichtung wechseln. In weiteren Ausbildungsformen kann es von Nutzen sein, die Vorrichtung durch Anlegen eines gepulsten Stroms an die LEDs und/oder TEMs zu betreiben, z. B. so, dass Stromimpulse zwischen den verschiedenen LEDs und/oder TEMs der Vorrichtung wechseln.
Ein verwandter Aspekt der Erfindung sieht eine Leuchtvorrichtung vor, die wenigstens eine Leuchtdiode (LED) und wenigstens ein thermoelektrisches Modul (TEM), das thermal mit der LED verbunden ist, sowie einen Kühlkörper aufweist, wobei wenigstens ein TEM so ausgewählt und konfiguriert ist, dass, indem ein TEM-Arbeitsstrom (TAS) durch das TEM getrieben wird, die von wenigstens einer LED erzeugte Wärmeleistung durch wenigstens ein TEM an den Kühlkörper geleitet wird und so die Umgebungstemperatur der LED stabil gehalten oder gesenkt wird und die Lichtausgabe der LED gesteigert wird, wodurch die Vorrichtung insgesamt weniger Strom pro emittierter Lichtmenge verbraucht, wenn das TEM in Betrieb ist, verglichen mit dem gesamten Stromverbrauch für dieselbe Lichtmenge, wenn die Vorrichtung ohne das Treiben eines Arbeitsstroms durch das TEM betrieben wird.
In einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Steigern der Effizienz einer Leuchtvorrichtung vor, die eine oder mehrere LEDs als Lichtquelle aufweist, und das Folgendes umfasst: Ausstatten der Vorrichtung mit einem oder mehreren thermoelektrischen Modulen (TEM) mit einer kalten Fläche und einer warmen Fläche, so dass die kalte Fläche thermal mit der LED verbunden ist und die warme Fläche thermal mit einem Kühlkörper verbunden ist, Anlegen eines TEM-Arbeitsstroms (TAS) an ein oder mehrere TEMs, um durch das TEM einen Temperaturgradienten zu erzeugen, Anpassen des TAS derart, dass im Wesentlichen die gesamte Energie, die von der LED/den LEDs beim Betrieb erzeugt wird, an den Kühlkörper geleitet wird, wodurch die Arbeitstemperatur der LED(s) im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur oder darunter gehalten wird, wobei das TEM so aufgebaut ist und der TAS so angepasst wird, dass die Vorrichtung insgesamt weniger Strom pro emittierter Lichtmenge verbraucht, wenn das TEM in Betrieb ist, verglichen mit dem gesamten Stromverbrauch für dieselbe Lichtmenge, wenn die Vorrichtung ohne das Anlegen eines TAS an das TEM betrieben wird.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung so aufgebaut und betrieben, wie es oben dargestellt wurde, z. B. durch Anlegen eines TAS, der bevorzugt für das oder die TEMs niedriger liegt als 20% des maximalen Arbeitsstroms i_max, und weiter bevorzugt 15% von i_max. Wenn beispielsweise ein TEM mit einem i_max von 3,0 A benutzt wird, kann ein geeigneter TAS im Bereich von 200 bis 600 mA, beispiels weise im Bereich von 250 bis 500 mA oder im Bereich von 250 bis 400 mA wie z. B. um 300 oder 350 mA liegen.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung umfasse eine LED 10, eine Kammer 1, ein erstes TEM 3, das mit der LED über einen Wärmevermittler 11 aus einem Wärme leitenden Material verbunden ist, zwei zusätzliche TEMs 5, 6 und Wärme leitende Platten 4, die das erste und zweite TEM 3, 5 und das zweite und dritte TEM 5, 6 miteinander verbinden.
2 ist ein Graph, der angepasste Kurven zeigt, die auf den Gleichungen Ia und Ib für zwei 1-Watt-Leuchtdioden beruhen; gelb (Dreiecke) und rot (Vierecke), normiert um 25 °C.
3 zeigt die Kühlleistung (Karos) und Joule-Wärme (Vierecke) als Funktionen des Arbeitsstroms in Ampere bei einem TEC der folgenden Parameter: R = 2 Ohm, K = 0,6 W/K, α = 0, 05 V/K, T_G = 480K, (T_i/i) = 40 K/A.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Niedrigstrombereichs des Diagramms von 3.
5 zeigt den Koeffizient der Leistung (KOL) als eine Funktion des Arbeitsstroms im Niedrigstrombereich eines TEM mit denselben Spezifikationen wie für 3 angegeben.
GENAUE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die hier beschriebene bevorzugte Ausführungsform ist schematisch in 1 dargestellt und umfasst eine auf einer LED 10 basierende Leuchte mit einer Wärmetransfervorrichtung, die an den LEDs angeordnet ist, und die einzeln oder in Gruppen in wichtigen Freiluftanwendungen zum Zweck der Lichtsignalisierung und/oder in Anwendungen zum Be leuchten großer Bereiche angeordnet ist. Die Vorrichtung besteht aus einer eingeschlossenen Kammer 1, die mit einem Material des Typs eines Aerogels 2 isoliert ist, um zu verhindern, dass Umgebungswärme die gesamte Wärmeabfuhr belastet. Im Inneren der Kammer ist ein thermoelektrisches Modul 3 angeordnet, dessen warme Seite einer Wärme leitende Platte 4 gegenüberliegt. Diese Platte ist die äußerste Abgrenzung zwischen der Kammer und der benachbarten Mikroumgebung. Zwischen dem TEM 3 und der LED 10 ist ein konischer Wärmevermittler 11, der den Wärmepunkt auf der LED abdeckt und auf der anderen Seite in Kontakt zu der kalten Seitenfläche des TEM steht. Die Gesamtkontaktfläche der LED 10 ist geringer als die Gesamtfläche des TEM 3. Außerhalb der Kammer 1 ist die kalte Seite eines zweiten TEM 5 an der Wärme leitenden Platte 4 angeordnet, während eine ähnliche Platte 4 zwischen TEM 5 und TEM 6 angeordnet ist. TEM 6 ist die letzte Einheit neben dem Kühlkörper 7. Die Anzahl von TEM-Sätzen und Wärme leitenden Platten 4, die in einer Reihe angeordnet sind, kann variieren. Der Kühlkörper 7 ist gemäß den angegebenen Formeln aufgebaut. Er ist mit einer externen Struktur 8 zur abschließenden Abfuhr der Gesamtwärme verbunden.
Wenn die LEDs innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, kann das thermoelektrische Modul auch am Gehäuse angeordnet sein und/oder eine Strukturkomponente des Gehäuses sein.
Die LEDs können in jeder geometrischen Ordnung gruppiert und an jeder gekrümmten und/oder ebenen Fläche angeordnet sein. Die Winkligkeit und Ausrichtung der LEDs 10 für Beleuchtungs- und Signalisierungszwecke ist kein Thema der vorliegenden Erfindung. Das thermoelektrische Peltier-Modul 3 weist bei Aktivierung durch Bestromung eine kalte und eine warme Seite auf. Die kalte Seite liegt der Verbindungsplatte 11 gegenüber, die an der LED 10 angeordnet ist, oder sie kann direkt an der LED montiert sein. Eine Wärme leitende Metallplatte 4 ist an der warmen Seite des TEM 3 angeordnet. Isoliermaterial 2 (vorzugsweise Aerogel) ist um die Komponenten herum aufgebracht, um zu verhindern, dass Wärme von der Umgebung in den Kühlbereich fließt, wenn die Umgebungstemperatur höher ist als die Arbeitstemperatur der kalten Seite des TEM 3, 5, 6, und um zu einen Rückfluss von Wärme in das System zu verhindern. Aerogels 2 weisen eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, und auch in sehr dünnen Schichten können sie den Wärmefluss isolieren oder unterbrechen. Der Übergang zwischen der warmen Seite des TEM 3 und dem Kühlkörper 4 muss ein feuchtigkeitsfreies Material sein und 1 bar Druck widerstehen können. Die beschriebene Ausführungsform kann mit zwei Kammern ausgestattet aufgebaut sein. Kammer 1(A) ist für die LEDs und das TEM. Sie ist mit Aerogels 2 isoliert, außer dort, wo die Wärme leitende Platte 4 angeordnet ist. Die Kammer 1 kann mit trockener Luft oder anderen Gasen (Schutzgasen) bei einem höheren Luftdruck als dem mittleren Umgebungsluftdruck gefüllt sein, um den Fluss von Gase (insbesondere Feuchtigkeit enthaltende Umgebungsluft) in die Kammer zu verhindern. Die Kammer 1 kann mit anderen Gasen als Luft gefüllt sein, z. B. Stickstoff, Argon oder Helium, um weiter zu verhindern, dass Feuchtigkeit in die Kammer gelangt. Eine zweite Kammer kann so angeordnet sein, dass sie den Raum 8 umgibt, um eine effiziente Bewegung von Wärme von der Wärme leitenden Platte 4 zum abschließenden Kühlkörper 7 und dann zu der Hilfsstruktur 8 sicherzustellen. Die Benutzung eines weiteren TEM 5 oder 5, 6 oder Kaskadenmoduls 5, 6 ermöglicht die Stabilisierung des Wärmeflusses und stellt eine stabilere Temperatur um die arbeitende LED herum bereit.

Claims

Leuchtvorrichtung, die Folgendes umfasst: a. wenigstens eine Leuchtdiode (LED) (10), b. wenigstens ein thermoelektrisches Modul (TEM) (3) mit einer ersten Fläche, die thermal mit der LED verbunden ist, c. einen Kühlkörper (7), der thermal mit einer zweiten Fläche von dem wenigstens einen TEM verbunden ist, d. ein thermal isolierendes Gehäuse, das eine eingeschlossene Kammer bildet, die die LED im Wesentlichen von der Umgebungsluft isoliert, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das TEM so konfiguriert und der TAS so eingestellt ist, dass sie mehr Licht pro verbrauchter Leistungseinheit erzeugt, wenn ein TEM-Arbeitsstrom an das TEM angelegt ist, als sie Licht pro verbrauchter Leistungseinheit erzeugt, wenn kein TEM-Arbeitsstrom an das TEM angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine TEM so konfiguriert ist, dass die Vorrichtung betrieben wird, indem ein TEM-Arbeitsstrom (TAS) durch das TEM getrieben wird, der niedriger ist als 20% des maximalen Arbeitsstroms des TEM, so dass verhindert wird, dass Lichtausgabe aufgrund eines Ansteigens der Temperatur der LED(s) abnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine TEM betrieben wird, indem ein TAS durch das TEM ge trieben wird, wobei der Strom niedriger ist als 15% des maximalen Arbeitsstroms des TEM.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das TEM so konfiguriert ist, dass die Arbeitstemperatur der LED(s) niedriger ist als die Umgebungstemperatur um die Vorrichtung herum oder dieser in etwa entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der TAS für jedes TEM im Bereich von 200 bis 600 mA liegt, wenn ein TEM mit einem maximalen TAS von etwa 3,0 A benutzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der TAS für jedes TEM im Bereich von 250 bis 500 mA liegt, wenn ein TEM mit einem maximalen TAS von etwa 3,0 A benutzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das TEM während des normalen Betriebs einen Koeffizienten der Leistung (KOL) zwischen 2 und 6 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die mehrere LEDs umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die mehrere TEMs umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die mehrere TEMs umfasst, die in geschichteter Art thermal miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eingeschlossene Kammer während des normalen Betriebs einen höheren Druck aufweist als den Umgebungsluftdruck.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eingeschlossene Kammer während des normalen Betriebs einen niedrigeren Druck aufweist als den Umgebungsluftdruck.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem eine Steuerungseinheit zum Steuern des TAS umfasst, sowie einen oder mehrere Sensoren, die mit der Steuerungseinheit verbunden sind, zum Messen von einem oder mehreren Parametern, wobei die Steuerungseinheit so konfiguriert ist, dass der TAS aufgrund der Parameter angepasst wird, die von dem einen oder mehreren Sensoren gemessen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Sensor oder die Sensoren einen Temperaturfühler zum Messen der In-Situ-Temperatur der Umgebung der LED(s) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Sensor oder die Sensoren einen Sensor zum Messen des Lichts umfassen, das die LED(s) abgibt/abgeben.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die durch eine pulsförmige Bestromung der LED(s) betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die für eine der Anwendungen Verkehrsampel, beleuchtetes Straßen- und/oder Notfallschild, Start- und Landebahnbeleuchtung am Flughafen oder Fahrzeuglicht konfiguriert ist.
Verfahren zum Verbessern der Effizienz einer Leuchtvorrichtung mit einer oder mehreren LEDs als Lichtquelle, das Folgendes umfasst: a. Ausstatten der Vorrichtung mit einem oder mehreren thermoelektrischen Modulen (TEM) mit einer warmen und einer kalten Fläche, so dass die kalte Fläche thermal mit der LED verbunden ist und die warme Fläche thermal mit einem Kühlkörper verbunden ist, b. Anlegen eines TEM-Arbeitsstroms (TAS) an das oder die TEM(s), um durch das TEM einen Temperaturgradienten zu erzeugen, c. Anpassen des TAS so, dass im Wesentlichen die gesamte Wärmeenergie, die von der LED/den LEDs beim Betrieb erzeugt wird, auf den Kühlkörper übertragen wird, so dass die Arbeitstemperatur der LED(s) im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur oder einer niedrigeren Temperatur gehalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das TEM so konfiguriert und der TAS so angepasst ist, das die Vorrichtung insgesamt weniger Strom pro Menge abgegebenen Lichts verbraucht, wenn das TEM in Betrieb ist, als sie Strom pro derselben Menge abgegebenen Lichts verbraucht, wenn die Vorrichtung betrieben wird, ohne dass ein TAS an das TEM angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der TAS niedriger als 20% des maximalen Arbeitsstroms des oder der TEMs liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der TAS niedriger als 15% des maximalen Arbeitsstroms des oder der TEMs liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das TAS für jedes TEM im Bereich von 200 bis 600 mA liegt, wenn ein TEM mit einem maximalen TAS von etwa 3,0 A benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das TAS für jedes TEM im Bereich von 250 bis 500 mA liegt, wenn ein TEM mit einem maximalen TAS von etwa 3,0 A benutzt wird.