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Kompakte Hochleistungs-LEDs gezielt aktiv kühlen

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Eine gezielte Luftzuführung zum Kühlkörper

Da der Wärmeübergang vom Kühlkörper zu Luft der Hauptwiderstand bei der Energieabfuhr ist, kann man hier auch die größten Kühlreserven freisetzen. Wesentliches Merkmal der aktiven Kühlung ist die gezielte Luftzuführung zum Kühlkörper. Am Kühlkörper wird dafür eine erzwungen Konvektion oder genauer gesagt eine turbulente Strömung erzeugt, die den Wärmeübergang von der thermischen Masse des Kühlkörpers selbst zum Luftreservoir welches den Leuchtkörper umgibt, erheblich verbessert.

In der Regel arbeitet ein System wie folgt: Die kleine, hoch belastete LED wird mit Wärmeleitpaste an einen Kühlkörper befestigt. Dieser ist wegen der wesentlich geringeren thermischen Beständigkeit, die eine größere Wärmeübertragung von der LED in den Leuchtkörper ermöglicht, vier bis sechsmal kleiner und trägt den Lüfter, der für kalte Frischluft sorgt. Die Spezialisten für Elektronikkühlung von ebm-papst haben jetzt Kühlkörper und Lüfter zu einem Kompaktmodul für gängige LED-Kühllösung vereint, was die Montage erleichtert (Bild 3). Die kleinere Bauform spart neben Material auch Gewicht und der gezielte Luftstrom sorgt zusätzlich noch dafür, dass Ablagerungen wie Staub, die den Wärmeübergang verschlechtern können, erst gar nicht anhaftet.

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Kleinere Abmessungen zu einer passiven Kühlung

Setzt man die Anforderungen um, die die moderne Beleuchtungstechnik von LED-Leuchten fordert und optimiert das so gefundene Konzept über Simulationsprogramme mit materialspezifischen, aerodynamischen und antriebsspezifischen Details, so lassen sich selbst auf kleinstem Raum effiziente, zuverlässige Kühlmodule aufbauen. Die rund sechsmal kleineren Abmessungen im Vergleich zu einer passiven Kühlung sprechen schon für sich.

Wichtige Voraussetzungen für den Einsatz einer aktiven Kühlung sind niedrige Betriebsgeräusche und eine lange Lebensdauer. Die meisten Menschen können Geräusche erst ab etwa 12 dB(A) wahrnehmen, die eingesetzten Lüfter erreichen Werte zwischen 7 und 19 dB(A), während vergleichbare Lüfter am Markt erst ab 18 dB(A) und aufwärts erhältlich sind. Zum Vergleich: der Geräuschpegel in einem Büro liegt bei ca. 35 dB(A), die Module sind also selbst in Museen oder Theatern nicht hörbar.

Der Stromverbrauch des Lüfters beträgt dabei zwischen 0,18 und 1,1 W bei 12 VDC. Damit können die Module zwischen 38 und 200 W Abwärme sicher abführen. Je nach Leistungsklasse haben die runden und quadratischen axialen Kompaktlüfter einen Durchmesser bzw. eine Seitenlänge von 40, 50, 60, 80 oder 92 bzw. 119 mm bei einer Bauhöhe zwischen 10 und 25 mm (Bild 5). Bei Radiallüftern, mit einer Luftumlenkung um 90°, betragen die Maße 51, 76 oder 97 mm bei einer Höhe von 15 bis 33 mm. Gegenüber in der Kühlleistung vergleichbaren passiven Kühllösungen, sind damit 50 bis 100 Prozent höhere Leuchtstärken bei gleicher Baugröße möglich. Ein sehr positiver Nutzen der gezielten aktiven Kühlung ist die mit der niedrigen Temperatur einhergehende Farbtreue der LED-Reihe.

Ein hoher Farbwiedergabeindex in Museen

Gerade in Museen ist eine hoher Farbwiedergabeindex (CRI) wesentlich, um die erhellten Gegenstände im richtigen Licht zu sehen. Da die Kühlmodule für den weltweiten wartungsfreien Einsatz entwickelt wurden, ist ihre Lebensdauer denen der CoB-Lichtquellen angepasst. Bei 40 °C liegt der Wert bei 88.000 bis 200.000 h, also rund >20 Jahren; bei 20 °C Umgebungstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer und übertrifft damit oft weit die der LED selbst. Die Greentech-Technologie von ebm-papst berücksichtigt zusätzlich ein umweltfreundliches und umfassendes Lebensdauerkonzept für die Entwicklung, Fertigung, Betrieb und Entsorgung.

Moderne Kompaktmodule für die aktive LED-Kühlung erlauben dank kleiner Maße neue Leuchtkonzepte, verkürzen durch die chipspezifische Module/Bauformen Time-to-Market für die Kunden und verbessern die Umweltbilanz der eingesetzten Beleuchtungskonzepte aufgrund des geringen Wartungsaufwandes.

* Martin Sauter ist Team Manager Sales Industrial Air Technology bei ebm-papst in St. Georgen.

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