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Kühlkörper für Hochleistungs-LEDs

Keramik vereinfacht das thermische Management

14. Juli 2010, 15:27 Uhr | Dr. Armin Veitl

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Validierung und Proof of Concept

Validierung und Proof of Concept

Zur Überprüfung der Aussagen wurden in mehreren Simulationsmodellen Gegenproben durchgeführt. Um das thermische Verhalten unterschiedlicher Designs vorherzusagen, kam ferner eine Computational Fluid Dynamics (CFD) nutzende Simulationsmethode zum Einsatz. Es wurde ein Kühlkörper für die 4-W-Entwärmung optimiert und diente als Vergleichsbasis. Die optimierte Geometrie erlaubt bei CeramCool den Betrieb einer 4-W-LED mit einer Maximaltemperatur unter 60 °C. Die Simulationsergebnisse wurden mit Messungen validiert. Das Design ist quadratisch (38 x 38 x 24mm) und besteht aus längeren, dünneren Finnen mit einem größeren Abstand. Die identische Geometrie aus Aluminium mit einer 4-W-LED auf einem PCB zeigt signifikant höhere Werte. Abhängig von der thermischen PCB-Leitfähigkeit (λ = 4 W/mK bis λ = 1,5 W/mK) nimmt die Temperatur um 6 bis 28 K zu.

Schon 6 K weniger bedeuten eine deutliche Entlastung der kritischen Komponente. Der thermische Gesamtwiderstand des keramischen Rubalit-Aufbaus ist mindestens 13 % besser als bei Aluminium. Bei Alunit wird sogar eine Verbesserung von mehr als 31 % erzielt. Bezieht man sich auf einen Temperaturabfall von 28 K, werden die Ergebnisse nochmals übertroffen.

Flexibilität des Konzepts

Konzept und Optimierungsziele sind flexibel. Die LED kann mit ihrer Optimaltemperatur arbeiten – was ihre Lebensdauer schützt – oder sie wird “schärfer” betrieben. Dann produziert sie mehr Lumen/Watt, höhere Temperaturen und fällt früher aus. Eine Bandbreite von 50 °C bis 110 °C ist üblich. Für höhere Lichtleistung kann der 4-W-Kühlkörper auch mit 5-W- oder 6-W-LEDs betrieben werden. Die Aufteilung in mehrere 1-W-LEDs verbessert die Wärmeverteilung -- mit dem Ergebnis, dass die Temperatur auf lediglich 65 °C mit der 5-W- und auf 70 °C mit der 6-W-Lösung ansteigt.