In den meisten Fällen punkten deshalb Lampen und Leuchten mit lang­le­bigen LED-Modulen in unter­schied­li­chen Leis­tungs­klassen. Deren hohe Leucht­dichte erlaubt eine gezielte Licht­füh­rung bei insge­samt nied­rigem Strom­ver­brauch. Wie bei jedem Halb­leiter muss jedoch die Abwärme effi­zient abge­führt werden, denn diese führt trotz hohem Wirkungs­grad auf der kleinen LED-Chip­fläche schnell zu schäd­lich hohen Tempe­ra­turen. Moderne Kühl­lö­sungen mit aktiver Belüf­tung durch spezi­elle LED-Kühl­mo­dule als Ersatz für passive Kühl­körper erlauben nun eine gezielte Wärme­ab­fuhr bei gerin­geren Abmes­sungen und weniger Mate­ri­al­ein­satz als bisher.

ebm-papst hat speziell für die markt­üb­li­chen Bauformen der neuen, leis­tungs­starken LEDs eine Serie aktiver Kompakt­küh­lung entwi­ckelt.

So können einer­seits völlig neue Design­va­ri­anten reali­siert und ande­rer­seits die Wartung auch komplexer Beleuch­tungs­an­lagen, z. B. in Museen, Thea­tern, Kult­stätten, Lager­hallen, Stra­ßen­lampen oder Stadien, auf ein Minimum redu­ziert werden (Header-Bild). Die Aktiv­küh­lung öffnet damit neue Hori­zonte für die effi­zi­ente LED-Licht­technik.

Die Wahl der rich­tigen Leucht­mittel

Das rich­tige Licht bestimmt maßgeb­lich, wie wir die Welt wahr­nehmen. Nicht umsonst gibt es den Beruf des Beleuch­ters, der Dinge „ins rich­tige Licht setzt“. Doch bei der Wahl der rich­tigen Leucht­mittel wird es auch für Fach­leute oft schwierig. Idea­ler­weise ist ein Leucht­mittel univer­sell einsetzbar, benö­tigt dabei wenig Platz und Strom. CoB-Leuchten (Chip on Board) erfüllen eine ganze Palette der einschlä­gigen Forde­rungen. Ihr Halb­lei­ter­chip muss aber gezielt gekühlt werden, um Lebens­dauer und Farb­treue zu erhalten. ebm-papst hat daher speziell für die markt­üb­li­chen Bauformen der neuen, leis­tungs­starken LEDs eine Serie aktiver Kompakt­küh­lung entwi­ckelt, die den Anfor­de­rungen der CoBs entspricht. Sie spart Platz und erlaubt völlig neue Beleuch­tungs­mög­lich­keiten.

LED-Leucht­mittel – kompakt und effi­zient?

Bild 2: Die Lebens­dauer der LED ist wesent­lich von der Tempe­ratur abhängig, weshalb die gezielte Abfuhr der Wärme beson­ders wichtig ist.

Geht man bei CoB-Leucht­mit­teln ins Detail, so ergeben sich schnell Probleme (Bild 2). Als Halb­leiter darf ein LED-Chip nur bis zu einer vorge­ge­benen Sperr­schicht-Tempe­ratur betrieben werden. Steigt die Tempe­ratur darüber, macht LED in kürzester Zeit Probleme. Dazu gehört zum Beispiel die Verschlech­te­rung des CRI (color rende­ring index = Farb­wie­der­ga­be­index), der Effi­zienz und vor allem einer Verkür­zung der Lebens­dauer.

Doch auch schon bei nied­ri­geren Tempe­ra­turen altert das Mate­rial schnell, die Leucht­dichte und Effi­zienz sinken, das Farb­spek­trum verschiebt sich – kurz, die nutz­bare Lebens­dauer sinkt. Trotz hohem Wirkungs­grad sind die Abwärme der LED-Flächen und die hohe Leis­tungs­dichte der LED Licht­quelle beacht­lich. Diese Wärme­menge muss gezielt abge­führt werden, entweder durch konven­tio­nelle (oft über­di­men­sio­nale) passive Kühlung oder über gezielte aktive Wärme­ab­fuhr (vgl. Kasten).

Bild 3: Aktive Kühl­lö­sungen über­zeugen auch durch ihre kompakte Bauweise.

Grund­sätz­lich ist dabei Folgendes zu berück­sich­tigen: Energie (Wärme) fließt immer von heiß nach kalt. Bei Kühl­lö­sungen zählt der Gesamt­wär­me­wi­der­stand, also die Summe der einzelnen Wärme­über­gänge. Hier zeigt sich dann schon ein wesent­li­cher Unter­schied zwischen passivem und aktivem Kühl­kon­zept: Der „Kühlungsweg“ LED-Chip – Träger – Kühl­körper – Luft ist zwar immer gleich, der Mate­ri­al­ein­satz für die gleiche Entwär­me­leis­tung vari­iert jedoch stark. Denn je mehr Mate­rial benö­tigt wird, desto größer ist der benö­tigte Kühl­körper.

Klei­nere LEDs bei glei­cher Leis­tung und passiver Kühlung ergeben noch keine klei­neren Leuchten, denn sie benö­tigen große Kühl­körper, da der Wärme­über­gang zur Luft der begren­zende Faktor für den Wärme­transfer ist. Passiv gekühlte LEDs benö­tigen daher einen hohen Mate­ri­al­ein­satz und sind also meist weder kompakt noch umwelt­scho­nend. Hier können Aktiv-Kühl­kon­zepte gleich mit mehreren Vorteilen aufwarten (Bild 3).

Zukunfts­si­chere Aktiv­küh­lung

Bild 4: Kühl­körper und Lüfter können zu einem Kompakt­modul für gängige LED-Kühl­lö­sung vereint werden, was die Montage erleich­tert.

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 erzwun­gene 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 aus St. Georgen haben jetzt Kühl­körper und Lüfter zu einem Kompakt­modul für gängige LED-Kühl­lö­sung vereint, was die Montage erleich­tert (Bild 4). 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 anhaften.

Zuver­lässig, unhörbar, lang­lebig

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.

Wich­tige Voraus­set­zungen für den Einsatz einer aktiven Kühlung sind nied­rige Betriebs­ge­räu­sche und eine lange Lebens­dauer.

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. 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  % 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. Gerade in Museen ist ein 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 87.500 bis 97.500 h, also rund 10 Jahre; bei 20 °C Umge­bungs­tem­pe­ratur verdop­pelt sich die Lebens­dauer und kann damit die LED selbst über­treffen. 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 völlig neue Leucht­kon­zepte, verkürzen durch die chip­spe­zi­fi­schen Module/Bauformen die Time-to-Market für die Kunden dras­tisch und verbes­sern die Umwelt­bi­lanz der einge­setzten Beleuch­tungs­kon­zepte aufgrund des geringen Wartungs­auf­wandes. 

Grund­lagen der Aktiv-Kühlung

Der für die Wärme­ab­fuhr wich­tige Wärmeübergangsko­effizient beschreibt die Fähig­keit der Luft, Energie von der Ober­fläche eines Kühl­kör­pers abzu­führen. Er hängt unter anderem ab von der Luft­dichte und den Wärme­leit­ko­ef­fi­zi­enten des wärme­ab­füh­renden Mate­rials sowie der Luft. Die Berech­nung des Koef­fi­zi­enten für Wärme­lei­tung geschieht meist über den Tempe­ra­tur­un­ter­schied der betei­ligten Medien. Der Wärme­über­gangs­ko­ef­fi­zient ist im Gegen­satz zur Wärme­leit­fä­hig­keit keine Mate­ri­al­kon­stante, sondern stark abhängig von der Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit bzw. der Art der Strö­mung (laminar oder turbu­lent) sowie den geome­tri­schen Verhält­nissen und der Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit. Das nutzt die aktive Kühlung zu effi­zi­en­teren Wärme­ab­fuhr.

Bei lami­narer Strö­mung bewegt sich die Luft nähe­rungs­weise in paral­lelen Schichten. Die Wärme wird zwischen den Schichten nur durch die sehr lang­same Wärme­lei­tung trans­por­tiert. Bei der turbu­lenten Strö­mung hingegen ergibt sich eine inten­sive Verwir­be­lung und Umschich­tung. Es entsteht eine fast perfekte Vermi­schung des Luft­stroms. Der Wärme­trans­port in so einer turbu­lenten Strö­mung ist damit erheb­lich effi­zi­enter als bei der lami­naren Strö­mung, wie sie bei der passiven Kühlung vorherrscht (Bild 5). Als Alltags­bei­spiel kann z.B. ein kleiner Föhn durch eine turbu­lente Geblä­se­strö­mung rund 1,0-1,5 kW abgeben. Eine elek­tri­sche Konvek­ti­ons­hei­zung dagegen mit 1,5 kW benö­tigt aufgrund der weit­ge­hend lami­naren Anströ­mung bei glei­cher Leis­tung eine erheb­lich größere Bauform.

Bild 5: Das Bild zeigt, wie die LED den Kühl­körper erwärmt (rot, 55°C) und der Lüfter die kühle Um­gebungsluft (blau, 25°C) durch den Kühl­körper bläst und dabei die max. Tempe­ratur an der LED auf ca. 60°C begrenzt.