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LED-Kühlkörper und Fertigungsverfahren

Wenn die Leuchte sich selbst kühlt

14. Oktober 2019, 14:00 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Alternative kaltfließgepresste LED-Kühlkörper

Kann bei Hochleistungs-LEDs nicht das Gehäuse als Kühlkörper genutzt werden, weil der Bauraum sehr klein ist – dies ist beispielsweise bei Einbaulösungen für Automobile der Fall –, bietet sich eine andere Kühllösung an. Hier können im Kaltfließpress-Verfahren hergestellte Kühlkörper aus Reinaluminium oder Reinkupfer ihre Vorteile ausspielen. Dieses Verfahren lässt eine hochpräzise Formgebung zu, der kaum gestalterische Grenzen gesetzt sind. Von zylindrischen Stiften über dünne Lamellen bis hin zu quadratischen Stab- oder hexagonalen Säulenformen ist alles möglich. Der kleinstmögliche Durchmesser der Kühlstifte, der in Abhängigkeit von der Länge erreicht werden kann, beträgt einen Millimeter. Die Minimaldistanz zwischen den einzelnen Stiften liegt dabei bei weniger als zwei Millimetern. Die dünnen und dicht gesetzten Rippen vergrößern die kühlende Oberfläche wesentlich und unterstützen damit die Konvektion. Da sich die Luft in kaltfließgepressten Kühlkörpern zudem in drei Richtungen statt nur in zwei Dimensionen wie in extrudierten Kühlköpern mit langen Kühlrippen bewegt, ist ihre Kühlleistung höher. Dabei werden Basis und Stifte des Kühlkörpers passend zum kühlenden elektronischen Bauteil geformt und auf diese Weise der Kontakt zwischen Bauteil und Kühlkörper optimiert. Kaltfließgepresste Kühlkörper aus Reinaluminium verfügen über eine exzellente Wärmeleitfähigkeit und -verteilung sowie über eine präzise verarbeitete Oberfläche. Damit kühlen sie deutlich effektiver als baugleiche Druckguss- oder Stranggusskühlkörper.

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Thermische Simulation

Welches Verfahren sich für die jeweilige LED-Leuchtenserie am besten eignet, lässt sich mithilfe einer thermischen Simulation ermitteln. Mit diesem analytischen Prozess lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils vorausberechnen und ein entsprechendes Kühlkörperdesign entwickeln. Die Simulation zeigt mögliche thermische Probleme frühzeitig auf. So lassen sich das Design und die Kühlleistung optimieren und zudem Kühlkörpermaterial und -gewicht einsparen. Voraussetzung für eine verlässliche thermische Simulation ist die Eingabe der definierten thermodynamischen Randbedingungen. Dazu zählen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots. Hinzu kommen geometrische Einschränkungen sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur. Schließlich fließt die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein.

Bei der Wahl des Druckgussverfahrens zur Fertigung der Leuchtenkörper wird typischerweise zunächst ein Prototyp gefertigt. Allerdings nicht mittels Druckguss, sondern durch CNC-Bearbeitung. Halten die Tests mit dem Prototyp, was die thermische Simulation versprach, folgen die Herstellung des eigentlichen Druckgusswerkzeugs und die Produktion.

Fazit

Für jede LED gibt es den idealen Kühlkörper. Bei der Herstellung geben neben der abzuführenden Verlustleistung auch Einsatzgebiet, Losgröße und der zur Verfügung stehende Bauraum das zu präferierende Verfahren vor. Bei der Wahl der optimalen Kühllösung und des wirtschaftlichsten Fertigungsverfahrens hilft CTX Thermal Solutions.