LED-Kühlung:
Methoden der LED-Entwärmung
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Zwei-Phasen-Systeme
Hohe Zuverlässigkeit, lange Betriebsdauer und geringe Betriebskosten sowie Betriebsrisiken sind enorm wichtig. Passive Kühlung bleibt daher immer die erste Wahl. Wenn die erforderlichen Kühlleistungen mit herkömmlichen, passiven Kühlkörpern aufgrund der physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien nicht mehr geleistet werden können, benötigt das LED-Wärmemanagement einen neuen Systemansatz.
Dieser neue Ansatz greift auf Zwei-Phasen-Systeme zurück, die Wärme durch Verdampfen und Kondensieren eines Arbeitsmediums in einem Vakuum übertragen (Bild 4). Die Kernkomponente ist eine sogenannte Heatpipe (Wärmerohr oder Doppelrohr-Wärmetauscher).
Ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, das heißt auf kleiner Querschnittsfläche können große Wärmemengen transportiert werden. Der Wärmewiderstand ist deutlich kleiner als der von Metallen. Dadurch können neue passive Entwärmungssysteme aufgebaut werden, die es zulassen, auch Hochleistungs-LEDs zuverlässig zu betreiben. Ein Hersteller, der solche Systeme konstruiert und vertreibt, ist FrigoDynamics. Das Unternehmen entwickelt die patentierten Zwei-Phasen-Hybrid-Wärmetauscher des Typs HPK-Fin zur Entwärmung von Solid-State-LED-Standard-Modulen sowie von applikations- und kundenspezifischen Anwendungen. Die Lösungen, die Abwärme zur Kühlung verwenden, arbeiten absolut passiv (0 dB), sind wartungsfrei, kompakt und leicht. Sie benötigen keine zusätzliche Energie, sind umweltfreundlich (keine CO₂-Emission), recyclebar und verursachen weder Betriebskosten noch Betriebsrisiken. Die Wärmeleitfähigkeit ist mehrere hundertmal höher als die Wärmeleitfähigkeit anderer Materialien.
| Kriterien | Passive Kühlkörper | Mit Lüfterunterstützung | Mit Membranunterstützung | Zwei-Phasen-Wärmetauscher |
|---|---|---|---|---|
| Geringes Gewicht | - | ja | ja | ja |
| Kompakte Abmessungen | - | ja | ja | ja |
| Keine Lärm- oder Geräuschentwicklung | ja | - | - | ja |
| Hohe Leistungsabfuhr | - | ja | - | ja |
| Keine Reduzierung der Kühlleistung | ja | - | - | ja |
| Keine Betriebskosten | ja | - | - | ja |
| Keine Betriebsrisiken | ja | - | - | ja |
| Nicht einbaulageabhängig | - | ja | ja | ja |
| Hohe Zuverlässigkeit | ja | - | - | ja |
| Ökologisch freundlich | ja | - | - | ja |
| Ressourcensparend | - | ja | ja | ja |
Tabelle 2. Vergleich der verschiedenen Methoden zur Entwärmung von LED-Systemen
In Tabelle 2 sind die verschiedenen Methoden der Entwärmung von LED-Systemen zusammengefasst. Alle in diesem Beitrag behandelten Lösungen wurden im EBV-Lichtlabor thermisch simuliert und auf ihre Eignung überprüft. Dazu wurde eine CoB-LED des Typs VERO29 von Bridgelux mit einem Thermoelement versehen, das die Gehäusetemperatur des Bausteins misst. Diese Temperatur sollte unter 85 °C bleiben, um den Baustein langfristig sicher zu betreiben. Als Beispiel sei hier die Messung mit dem Hochleistungskühler HB270 der Firma FrigoDynamics herausgegriffen. Selbst bei einer Leistung von 125 W steigt die Temperatur des LED-Gehäuses nicht über 65 °C, und sogar Systeme bis 160 W können mit diesem Kühler zuverlässig entwärmt werden.
Der Autor:
| Wolfgang Reis |
|---|
| studierte allgemeine Elektrotechnik an der Ruhr-Universität Bochum. Nach mehreren Jahren Hard- und Software-Entwicklung war er als Applikationsmanager bei einem amerikanischen Halbleiterhersteller tätig. Seit mehr als zehn Jahren arbeitet er nun im Avnet-Konzern. Aktuell ist er Vertical Segment Manager Lighting bei EBV Elektronik. |
Wolfgang.Reis@ebv.com
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