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Wärmemanagement bei LEDs Die thermische Simulation von LED-Straßenbeleuchtungen

Autor / Redakteur: Djordje Zivanovic und Richard Ozaki * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Eine Belgrader Firma entwickelte mit Panasonic Serbien LED-Außen-beleuchtungen mit selbstreinigenden Kühlkörpern. Zum Einsatz kam die thermische Simulationssoftware FloEFD von Mentor Graphics.

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Thermische Simulation: Die preisgekrönte LED-Industrieleuchte mit selbstreinigendem Kühlkörper ist auf Grundlage der Simulationssoftware FloEFD entstanden.
Thermische Simulation: Die preisgekrönte LED-Industrieleuchte mit selbstreinigendem Kühlkörper ist auf Grundlage der Simulationssoftware FloEFD entstanden.
(Mentor Graphics)

Unternehmen wollen nicht nur innovative Produkte entwickeln, sondern auch die Kosten der Produktentwicklung senken und die Time-to-Market verkürzen. Zugleich wirkt sich das drastisch erhöhte Tempo der Produktinnovationen erheblich auf ihren Gesamtumsatz und Marktanteil aus. Die Herausforderungen in diesem Umfeld sind die steigende Komplexität der Produkte und die Zeit und Kosten zur Herstellung physikalischer Prototypen.

Neue Produkte müssen aber auch ergonomischer und umweltfreundlicher sein. Simulationswerkzeuge bieten hier eine Lösung, da Designer und Ingenieure damit früher im Entwicklungsprozess immer anspruchsvollere Analysen durchführen können. Eine aktuelle Entwicklung von Buck d.o.o. veranschaulicht die Vorteile der Simulation. Buck ist ein Belgrader Unternehmen, das Leuchten für Gebäude und medizinische Anwendungen produziert. Das Unternehmen hat sein Angebotsspektrum auf Außenbeleuchtungen erweitert und in einem gemeinsamen Projekt mit Panasonic Serbien eine LED-Straßenbeleuchtung mit selbstreinigendem Kühlkörper entwickelt.

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Mit Software zum neuen Kühlkörpermodell

Die Designer von Buck verwendeten die thermische Simulationssoftware FloEFD, die in CATIA integriert wurde, für die Entwicklung eines neuen Kühlkörpermodells mit vertikalen Lamellen und einem höheren Luftdurchsatz. Eine Besonderheit ist der Selbstreinigungseffekt, der Schmutzablagerungen verhindert.

Mit Hilfe der Simulationssoftware konnten sie die Entwicklungszeit erheblich verkürzen und erhielten wichtige Details für die Analyse ihrer Prototypen. Sie sammelten auch Erfahrungen, die bei zukünftigen Problemen zu schnelleren und besseren Lösungen führen. Das neue Kühlkörperdesign ermöglichte es dem Unternehmen, die Fertigungs- und Instandhaltungskosten zu reduzieren und die Produktlebensdauer zu verlängern.

Eine effiziente Kühlung der LED-Module

Das Wärmemanagement von Straßenbeleuchtungen ist eine große Herausforderung, weil sich die Umgebungstemperatur je nach Jahreszeit und Standort ändert. Hohe Temperaturen können nicht nur die Lichtausbeute von LEDs verringern und Farbverschiebungen hervorrufen, sondern ebenso die Lebensdauer der Komponenten verkürzen. Eine effektive Wärmeabfuhr ist deshalb ein wesentlicher Faktor für die Leistungsfähigkeit von Power-LEDs. Eine geeignete Lösung für thermische Probleme zu finden, kann bei einem neuen Produkt bis zu 80 Prozent der Entwicklungszeit in Anspruch nehmen.

Die Entwicklung der neuen Straßenleuchte begann das F&E-Team mit der Frage, wie es die Kühlung der LED-Module auf die effizienteste Art und Weise erreichen könne. Aufgrund jahrelanger Erfahrung bei der Konstruktion von Wärmeüberträgern war die Antwort einfach: Abführen der Wärme vom LED-Modul, genug Oberfläche für die Wärmeabfuhr zur Verfügung stellen und für eine gute Luftzirkulation sorgen.

Einige Fragen waren jedoch nicht so leicht zu beantworten:

  • Welcher Luftstrom wird benötigt, um bei einer Umgebungstemperatur von 55 °C die Hitze von den 140-W-Power-LED-Modulen abzuführen?
  • Auf welche Weise kann die optimale Oberfläche für die Wärmeableitung zur Verfügung gestellt werden?
  • Wo werden sich die heißesten Lufteinschlüsse bilden?

Die empirische Optimierung des Kühlkörperdesigns würde eine Menge Zeit und Geld erfordern. Um die Entwicklungszeit zu beschleunigen, entschied sich das F&E-Team für den Einsatz von softwarebasierter Simulation und Analyse. Die gewählte Strömungssimulationssoftware (Computational Fluid Dynamics – CFD), FloEFD von Mentor Graphics, unterstützt Ingenieure bei der Durchführung von Fluidströmungs-, Kühlungs- und anderen Analysen als Teil ihres Entwicklungsprozesses und innerhalb ihrer Produktentwicklungswerkzeuge.

Mehrere Designvarianten erstellen

Die Software gestattet Ingenieuren die automatische Durchführung der Strömungssimulation. Durch diese Automatisierung können Produktentwickler bei einem Design sowohl eine Reihe von Ideen ausprobieren, ohne die Projekt-Deadline zu riskieren, als auch die Simulationszeit im Vergleich zu traditionellen CFD-Werkzeugen verkürzen. Zudem hilft die Software bei sogenannten „Was-wäre-wenn“-Analysen.

Mit FloEFD lassen sich mehrere Designvarianten erstellen. Dazu werden die parametrischen CAD-Konfigurationen modifiziert, die dann ohne wiederholtes Festlegen von Lasten, Randbedingungen, Materialeigenschaften und dergleichen analysiert werden können. Um das bestmögliche Design zu erhalten, vergleicht der Ingenieur einfach die Ergebnisse unter den vielen Designoptionen.

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Mit Hilfe der Simulationssoftware können Produktentwickler und Spezialisten schneller wichtige Entscheidungen treffen, wenn sie auf ihren Workstations mit Designszenarien experimentieren, um das beste, effizienteste, zuverlässigste und kostengünstigste Design zu ermitteln. Der Virtuelle-Prototyping-Prozess erlaubt es Designern, ein Produkt während des Entwicklungsprozesses zu optimieren, so dass der erste physikalische Prototyp bereits gefertigt werden kann. Dieser Prozess liefert die beste Lösung zu geringeren Kosten (wegen der geringen Anzahl physikalischer Prototypen) und bringt sie schneller auf den Markt, als je zuvor.

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