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Aktivkühlung für kompakte Hochleistungs-LEDs

Moderne Beleuchtungseinrichtungen für die gewerbliche Nutzung müssen hohe Anforderungen an Langlebigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen. Dazu zählen u. a. Lebensdauer, Effizienz, Farbspektrum und Farbtreue als auch kompakte Bauform und Wartungsfreiheit.


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.

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