Kühlung von Leuchten
Einleitung
Moderne Leuchten wie hocheffiziente LED-Lampen verwandeln bis zu 80% der elektrischen Leistung in Wärme. Um diese Wärme abzuführen, benötigt man entweder Kühlkörper oder einen Kühlluftstrom durch einen elektrisch betriebenen Lüfter. Hier gibt es aber oft Konflikte zwischen dem modernen Design und dem vorhandenen Bauraum.
Insbesondere im medizinischen Bereich z.B. in OP-Sälen ist die Nutzung von High-Power LED-Lampen mit großen technischen Herausforderungen verbunden. Diese Lampen generieren beträchtliche Wärmemengen und eine effektive Kühlung ist entscheidend, um ihre Lebensdauer zu verlängern und eine optimale Leistung zu gewährleisten. Das zu entwickelnde Kühlungssystem muss die Wärme effizient abführen, ohne die sterilen Bedingungen im OP-Saal zu beeinträchtigen. Offen liegende Kühlrippen sind dabei zu vermeiden, da sie nur schwer zu reinigen sind.
Computational Fluid Dynamics (CFD), oder Strömungssimulation, spielt hier eine zentrale Rolle. CFD-Simulationen ermöglichen es Ingenieuren, verschiedene Design- und Betriebsbedingungen virtuell zu testen und zu analysieren. Durch die Modellierung der Luftströmungen und Temperaturverteilungen können wir die beste Konfiguration für das Kühlungssystem identifizieren und so sicherstellen, dass die LEDs effektiv gekühlt werden, während gleichzeitig die Luftqualität und die sterilen Bedingungen im OP-Saal erhalten bleiben.
Darüber hinaus hängt die Lebensdauer und Leistung der LED-Lampen stark von ihrer Betriebstemperatur ab. Eine effiziente thermische Gestaltung, einschließlich einer effektiven Kühlung, ist daher von entscheidender Bedeutung. CFD-Simulationen unterstützen dabei, indem sie helfen, sicherzustellen, dass die Lampen innerhalb ihrer optimalen Temperaturbereiche betrieben werden.
Aufgabenstellung und Berechnung
Im vorliegenden Projekt für einen Hersteller von OP-Leuchten konnten wir für das Ausgangsmodell anhand von verschiedenen Schrägstellungen der OP-Lampe die kritischen Lastsituationen ermitteln und Schwachstellen bei der Temperaturverteilung im Platinenträger und den Platinen aufzeigen.
Einige Bereiche der LED-Platinen zeigten zu hohe Temperaturen und es bildeten sich lokale Wärmenester.
Optimierung
Der Luftstrom innerhalb des Gehäuses durch das Gebläse musste konstruktiv erhöht und die Luftführung anhand von mehreren Variantenstudien soweit optimiert werden, dass Hot-Spots und Temperaturspitzen vermieden werden konnten.
Ergebnisse
Durch die Optimierungsmaßnahmen mit Hilfe der Strömungssimulation konnte eine ausreichende und gleichmäßige Kühlung der gesamten OP-Lampe erreicht werden und die Lebensdauer der LED´s damit stark erhöht werden.
Zusammenfassung
Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) ist ein entscheidendes Werkzeug für ein gelungenes Thermomanagement bei der Entwicklung von OP-Leuchten, insbesondere bei modernen LED-basierten Systemen. Alle relevanten Wärmeübertragungseffekte wie freie Konvektion unter Erdbeschleunigung, erzwungene Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung lassen sich in der Simulation berücksichtigen.
Die Simulation hilft, auch bei unterschiedlicher Position der Lampe die Temperatur zu kontrollieren und eine lokale Überhitzung der Platine und des Platinenträgers zu vermeiden und damit die Lebensdauer der Leuchten zu erhöhen.