本申请是于2013年6月3日提交的申请号为201380029356.1、发明名称为“尤其用于汽车灯的LED灯单元”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种包括布置在灯单元的两个相对侧处以在相对的半空间中发射的至少两个LED光源的LED灯单元，以及一种头灯或信号灯（=汽车灯），其中LED灯单元完全布置在至少部分地被汽车灯的反射器包围的体积内部，使得从LED光源发射的光被所述反射器导向所述灯的光发射方向。
背景技术：
用于汽车头灯应用的卤素、氙气和白炽灯泡具有带有精确几何结构的高亮度灯丝。另一方面，与其他光源技术尤其是LED技术相比，能量效率以及寿命显著地较低。
用于汽车信号灯的白炽灯泡具有较低的亮度并且几何结构的公差不太关键。然而，由于有限的寿命，令人感兴趣的是为信号灯利用LED技术。
当前，可得到具有与汽车卤素和白炽灯泡相比可比较的或甚至显著更高的亮度水平的LED。虽然LED仅在球体的一半中发射，但是卤素和白炽灯泡的线圈在完整的半球中发射。因此，为灯丝灯泡开发的头灯光学器件不适合单个LED的发射模式。多个高亮度LED必须布置在这样的几何结构中使得发射模式以及几何结构与灯丝灯泡的对应的发射模式和几何结构相似并且高效地利用现有的汽车光学组件。
US 2010/0244649 A1公开了一种用于汽车灯的LED灯单元，其中两个LED被安装在共用安装板的两个相对侧处以在相对的半空间中发射。该安装板在一侧处热连接到包括数个冷却片的热沉。风扇布置在热沉的背侧处以产生对于热沉的强制的空气冷却。在所提出的汽车灯中，两个LED布置在由该灯的反射器包围的体积的内部而大的热沉和风扇布置在外部。这样的灯单元要求与使用卤素和白炽灯泡的已知构造相比不同的灯构造。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种灯单元，其可以简单地取代汽车灯中已知的卤素和白炽灯泡而不改变这样的灯的构造。
该目的利用根据权利要求1的LED灯单元来实现。权利要求11涉及一种汽车灯，其可以是包括根据权利要求1的LED灯单元的信号灯或头灯。LED灯单元和头灯或信号灯的有利的实施例是从属权利要求的主题或者在本描述和优选实施例的随后部分中被公开。
所提出的LED灯单元包括至少两个LED光源、用于电连接LED光源的电连接器基座和与LED光源的（多个）支撑构件热接触的热沉。LED光源布置在电连接器基座与在灯单元的两个相对侧处的热沉的至少一部分之间以在相对的半空间中发射。可选地，用于热沉的强制空气冷却的电操作的风扇可以布置在热沉处以便提高冷却能力。
在有利的实施例中，至少两个LED光源布置在共用的板状支撑构件尤其是安装板的两个相对侧上，以在相对的半空间中或方向上发射。电连接器基座和与支撑构件热接触的热沉布置在支撑构件的相对侧边缘上。
当所提出的LED灯安装在头灯或信号灯中时，热沉的至少一部分因此布置在LED与头灯的光发射侧之间，阻挡LED直接朝向该光发射侧发射的光的部分。这具有减少灯的炫目效果的优点。
有了LED灯单元的这种构造，类似于卤素和白炽灯泡的照明的、进入两个相对的半球中的照明被实现。热沉的至少部分在与电连接基座相对的侧上的布置允许类似于用于汽车灯的已知卤素和白炽灯泡的那些的拉长的形状尺寸。LED灯因此可以简单地取代汽车灯中已知的卤素和白炽灯泡而不改变这样的灯的构造。
在优选实施例中，两个分离的热沉布置在板状支撑构件的两个相对的边缘处与该支撑构件热接触。这些热沉中的一个因此布置在电连接器基座与支撑构件之间。热沉可以包括数个冷却片。为了改善冷却能力，电操作的风扇布置在热沉中的一个或两者处使得风扇产生通过热沉的冷却片之间的间隙朝向LED光源的冷却气体尤其是冷却空气的流。
有了在共用的板状支撑构件的两个相对边缘处的两个热沉的这种配置，还可以实现类似于卤素或白炽灯泡的拉长形状的LED灯单元的拉长形状。风扇在热沉的两个相对端处的使用提供对整个LED灯单元的有效冷却。由于这个构造和有效的冷却，这样的LED灯单元即使被高功率地操作也可以设计成具有类似于用于汽车灯的已知卤素和白炽灯泡的那些的小尺寸，并且因此可以取代这些灯而不对灯的光学系统和构造进行任何另外的改动。
在优选实施例中，两个热沉被形成使得冷却片之间的间隙朝向支撑构件/LED光源且朝向风扇开放。这些间隙因此形成在风扇与LED光源之间延伸的连续的冷却通道。有了这样的布置，冷却气体或冷却空气被强制从两个相对侧通过热沉而朝向LED光源并且还直接冷却这些LED光源。来自两侧的冷却气体或冷却空气的逆流导致进一步改善灯单元的冷却。由于这种高效的冷却，热沉可以以甚至更紧凑的形式而形成尺寸和/或灯可以利用更高的电功率来驱动。
优选地，整个LED灯单元即使包括两个风扇，两个热沉和带有LED光源的中间支撑构件在纵向方向（即两个风扇的轴线之间的方向）上也具有小于80mm，更优选地≤50mm的尺寸，以及小于20mm，更优选地≤15mm的垂直于该纵向方向的直径。在该上下文中直径是指垂直于前面的纵向方向的、灯单元的最长延伸方向。
支撑构件优选地与（多个）热沉一体地形成，但是也可以以任何其他方式机械地连接到（多个）热沉。支撑构件由高导热性材料，优选地由金属板制成。
所提出的LED灯单元可以取代例如在汽车头灯中普遍使用的H7灯泡或者在将来甚至取代氙气高强度放电灯泡。然而，LED灯单元还可以用于其他灯中，尤其是转向灯或雾灯反射器中。
所提出的头灯或信号灯包括至少一个反射器和所提出的LED灯单元。在这样的头灯或信号灯中，LED灯单元完全布置在由反射器包围的体积的内部，使得LED光源发射的光被所述反射器导向灯的光发射方向。
附图说明
从下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将被阐明。
图1示出了根据本发明的LED灯单元的示例的截面视图；
图2示出了没有风扇的灯单元的一部分的透视视图；
图3示意性地示出了所提出的LED灯单元在头灯灯中的布置；
图4示出了将由LED灯取代的卤素灯的视图；
图5示出了取代图4的卤素灯的根据本发明的LED灯的示例；
图6示意性地示出了所提出的LED灯单元在头灯灯中的另外的实施例的布置；以及
图7示意性地示出了根据本发明的LED灯单元的另外的示例的截面视图。
具体实施方式
图1示出了在截面视图中所提出的LED灯单元的示例。在该示例中，LED灯单元10包括两个高亮度LED 2，其背靠背地安装在非常薄的金属板1上并且朝相对的方向或在半空间中发射。热沉3、4垂直于金属板1或LED表面而被安装在金属板1的边缘处相对的侧上。热沉3、4包括在LED 2与安装在热沉3、4的背侧处的风扇5、6之间延伸的数个冷却片7。形成在热沉3、4的冷却片7之间的间隙8朝向风扇5、6并且朝向LED光源2开放。有了这样的布置，通过在相对的方向上朝向LED 2吹动空气可以实现最大的冷却效果。
在图1的实施例中，热沉在其面向LED 2的末端处逐渐变细以便实现以大的立体角发射LED光。到LED和风扇的电连接以及电连接器基座在图中未示出。这些电连接可以由附接到金属板1和热沉3、4或者附接到这些热沉的冷却片7的隔离线做出。
整个灯单元10被设计成具有适合每个当前发展水平的汽车近光、远光、转向灯或雾灯反射器的尺寸。考虑例如H7改型，热沉3、4加上风扇5、6的最大直径D为15mm。沿着连接风扇5、6的轴线9的纵向方向测量的LED灯单元（包括热沉和风扇）的最大长度L为50mm。当将这样的LED灯单元引入H7头灯时，可以实现锐利的截止线（cut offline）并且功耗是对应的卤素或白炽光源的功耗的一小部分的合法近光模式是可能的。
图2示出了在其中未描绘风扇5、6的这样的灯单元的示例的透视视图。在该图中，可以识别出热沉3、4、形成支撑构件的金属板1以及LED 2中的一个。该图还示意性地示出了冷却片7和这些冷却片之间的间隙8。
图3和图6示出了在其中安装了这样的灯单元10而不是卤素灯泡的头灯的示例。图3涉及带有两个热沉的灯单元，图6涉及仅带有一个热沉的灯单元。头灯包括用于将灯单元10的LED发射的光朝向汽车灯的发射方向12反射的反射器11。在灯的发射侧仅提供一个热沉具有这样的优点：可以实现灯的发射的光分布，该光分布与当使用卤素或白炽灯泡时的光分布相同。如果是如图3中那样两个热沉，则LED光的一部分可能被第二个（内部的）热沉阻挡，该第二个热沉对于利用反射器实现这样相同的光分布来说是必要的。
在下面的段落中，借助于在仿真环境ANSYS中施行的案例研究来示出所提出的解决方案的可行性。假设图4的H7灯必须用指定的可用空间取代。所示的白色区域是可以用于安置LED、热沉和两个风扇的可用空间。所有这些组件应当不与平行实线所示的阴影区域重叠，否则它将成为光屏障。图中所指示的尺寸以毫米计。
图5中示出了针对这样的系统的热沉设计。两个风扇5、6由矩形示意性地示出在热沉3、4的两端处。这些风扇5、6被放置离热沉3、4 1 mm远。如所示的，LED 2被安置在热沉的基板1的两个相对侧上。这些LED 2的总的热耗散假设为6 W。图4中的参考平面13是卤素灯的前侧与背侧之间的分离区域并且这由图5中所示的分离平面13建模。包括基板1的热沉3、4由具有400 W/mK的热导率的铜制成。如图5中所示，这些组件分别安置在具有110 mm×75 mm×40 mm的长、宽和深度的内部空气域14中。
风扇5的特性与作为在零静态压力下具有16.27 l/min的最大空气流量的建准（sunon）风扇的UF3H3-700相同。风扇6被选择为来自相同风扇供应商在零静态压力下具有8.75 l/min的最大空气流量的UF3F3-700。在仿真中考虑这些风扇的压力对流速曲线。
显然，图4的左侧是车灯的背侧，它在这里暴露于车辆引擎所引起的温度和流动模式。图4的右侧暴露于室外环境。为了仿真这些外部条件，应用图5中描绘的边界条件。使用剪应力输运湍流模型在ANSYS CFX仿真环境中执行仿真。表面到表面辐射模型被包括以计及辐射输运机制。
作为仿真结果，可以在LED位置处达到140 ℃的最大温度，其可以由LUXEON F LED容易地处置。从热沉到空气的热移除发生在两个步骤中：
1、从热沉的冷却通道到空气的热移除
2、从LED位置处的热沉的中部的热移除
第一个热转移机制通过风扇朝向彼此操作而被增强，导致“边界层变薄”，该“边界层变薄”改善了冷却通道的表面上的热转移系数。第二个热转移机制通过风扇在该唯一配置中操作而再次被增强。两个主空气流量流在安置LED的热沉的中部以高速彼此相遇，导致在系统的最热的点处的“边界层移除”，该“边界层移除”极大地提高了热转移率。这个现象类似于热点的喷射冷却，在这些热点处边界层通过在垂直表面上撞击空气流量而被移除。在本发明中，该垂直表面由在相对方向上操作的风扇创建或模拟。
图7示出了在截面视图中的所提出的LED灯单元的另外的示例。在该示例中，两个高亮度LED 2安装在分离的支撑构件15上，该分离的支撑构件15在该示例中彼此成120°的角度附接在侧面或热沉3上。这个角度不限于120°并且优选地在20°与160°之间的范围中被选择。热沉连接到电连接器基座16。由于这个配置，LED还在相对的半空间中发射（在该图中向上侧和向下侧）。这样的实施例对于信号灯中的使用是有利的，因为LED 2发射的光的大部分被导向反射器（在该图中未示出）的中心部分并且因此在该反射器处通过反射而被朝向灯的发射方向发射。
虽然在附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对于所公开的实施例的其他变型。热沉还可以不同于图中地形成。形成在冷却片之间的间隙可以彼此平行且平行于灯单元的纵向方向地延伸。然而，这些间隙也可以向彼此或者向该纵向方向倾斜。尽管图仅示出两个相对的LED光源，但是也可以布置有多于2个的LED。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤并且不定冠词“一个”或“一”不排除多个。某些措施记载于相互不同的从属权利要求中的仅有事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。特别地，权利要求7到11的特征可以与所有前面的权利要求的特征自由地组合。权利要求中的任何附图标记不应当解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表
1 金属板
2 LED
3 热沉
4 热沉
5 风扇
6 风扇
7 冷却片
8 间隙
9 风扇轴线
10 LED灯单元
11 反射器
12 发射方向
13 参考/分离平面
14 内部空气域
15 支撑构件
16 电连接器基座