{"id":6809,"date":"2017-07-10T19:18:10","date_gmt":"2017-07-10T17:18:10","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ledclusive.de\/blog\/?p=6809"},"modified":"2021-02-05T17:06:25","modified_gmt":"2021-02-05T15:06:25","slug":"funktionsweise-von-kuehlkoerpern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.LEDclusive.de\/blog\/funktionsweise-von-kuehlkoerpern\/","title":{"rendered":"Die Sache mit K\u00fchlk\u00f6rpern – Was ist entscheidend?"},"content":{"rendered":"

Eigentlich ganz einfach – Die Wirkungsweise eines K\u00fchlk\u00f6rpers<\/h2>\n

Angeregt durch die k\u00fcrzliche Teilnahme eines Vortrags zum Thema K\u00fchlk\u00f6rper, m\u00f6chte ich hier eine Zusammenfassung geben und dabei in ganz bew\u00e4hrter praxisnaher Form die Zusammenh\u00e4nge darstellen.
\nWas kennzeichnet einen guten K\u00fchlk\u00f6rper? Ist eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che wichtig, oder muss er schwarz sein? Welche Rolle spielt die Form oder gar das Gewicht?\u00a0 Welche L\u00f6sungen sind sinnig, bzw. welche unsinnig?
\nDer Vortrag war derart anschaulich, dass ich die folgende Aussage wage: 50% der Billig-LED-Lampen gl\u00e4nzen mit futuristischen K\u00fchlk\u00f6rper-Konstruktionen ohne brauchbare Wirkung!<\/p>\n

Grunds\u00e4tzlich gilt: Der K\u00fchlk\u00f6rper hat die Aufgabe die Verlustw\u00e4rme der z.B. LED m\u00f6glichst gut an die Umgebung abzugeben, um so die Betriebstemperatur des Bauteils niedrig zu halten. F\u00fcr die Dimensionierung und Berechnung geben Hersteller von K\u00fchlk\u00f6rpern den jeweiligen W\u00e4rmewiderstand in Kelvin\/Watt (K\/W) an.
\nDarf die LED am Geh\u00e4use bspw. nicht w\u00e4rmer als 80\u00b0C werden und die max. Umgebungstemperatur liegt bei 50\u00b0C, so ben\u00f6tigt es bei einer angenommenen LED-Verlustleistung von 2W einen K\u00fchlk\u00f6rper mit diesen Daten: (80-50)K\/2W= 15K\/W.<\/p>\n

Dieser W\u00e4rmewiderstand wird bestimmt durch drei Arten der W\u00e4rme\u00fcbertragung: Konduktion, Konvektion und Radiation.<\/p>\n

Jeder dieser drei Arten gilt es eigens zu beachten.<\/p>\n

Konduktion:<\/h3>\n

Damit ist die eigentliche W\u00e4rme\u00fcbertragung in festen Materialen gemeint. Alu und Kupfer sind hervorragend W\u00e4rmeleiter. Bei ausreichender Materialdicke sind Temperaturunterschiede auch auf langen Wegen kaum feststellbar. Man spricht hier von W\u00e4rmespreizung. Durch entsprechenden Materialeinsatz wird die W\u00e4rme von der LED oder COB auf einen gr\u00f6\u00dferen Bereich verteilt. Dies ist meist mit einem sehr geringen und h\u00e4ufig fast vernachl\u00e4ssigbaren W\u00e4rmewiderstand m\u00f6glich. Insbesondere Leiterplatten mit Alu-Kern zeigen die Eigenschaft, die W\u00e4rme auch seitlich zu verteilen (zu spreizen). Wohin gehend Leiterplatten mit z.B. FR4 Material die W\u00e4rme erst \u00fcber die Anh\u00e4ufung von vielen Durchkontaktierungen „vertikal“ von der LED auf den darunterliegenden K\u00fchlk\u00f6rper leiten m\u00fcssen.<\/p>\n

Ist die W\u00e4rmeenergie nun gut verteilt, sind die Voraussetzungen f\u00fcr den ersten wichtigen Entw\u00e4rmungsvorgang durch Konvektion gegeben.<\/p>\n

Konvektion:<\/h3>\n

Allgemein bekannt ist die Tatsache, dass vorbeistr\u00f6mende Luft k\u00fchlt. Wir Menschen genie\u00dfen bei hei\u00dfem Wetter eine leichte Brise welche auch einen K\u00fchlk\u00f6rper abk\u00fchlt.<\/p>\n

\"Konvektion
Konvektion eines K\u00fchlk\u00f6rpers<\/figcaption><\/figure>\n

Voraussetzung jedoch ist Luftstr\u00f6mung, welche z.B. bei Einbau in ein geschlossenes Geh\u00e4use kaum gegeben ist – da hilft auch der beste L\u00fcfter nicht. Doch Luftstr\u00f6mung funktioniert auch ohne L\u00fcfter, allerdings abh\u00e4ngig von Bauform und Einbaulage. Diese sollte m\u00f6glichst so gestaltet sein, dass eine Kaminwirkung entsteht. D.h. es wird ein Temperaturunterschied, z.B. entlang von K\u00fchlrippen von innen nach au\u00dfen, ben\u00f6tigt. Jeder der schon mal ein Kaminfeuer entfacht hat, kennt das. Zu Beginn bei schwacher Flamme „zieht“ der Kamin noch nicht wirklich. Es qualmt vor sich hin. Erst wenn das Feuer gut brennt entsteht ein „Sog“, eine Luftstr\u00f6mung.
\nAchtung: Ein stark \u00fcberdimensionierter K\u00fchlk\u00f6rper erm\u00f6glicht ggf. keine eigenentstehende Konvektion, da der daf\u00fcr notwendige Temperaturunterschied um eine Luftstr\u00f6mung in Bewegung zu setzten einfach zu hoch ist.<\/p>\n

Gro\u00dfe Oberfl\u00e4chen an denen die Luft vorbeistreichen kann, sind von Vorteil.<\/p>\n

Unn\u00fctz sind meist innenliegende Oberfl\u00e4chen, welche durch die \u00e4u\u00dferen K\u00fchlrippen bereits vor Luftbewegung gesch\u00fctzt sind. Stellen Sie sich hierzu eine dichtstehende Menschenmenge mit 10-20 Person vor, die im Wind steht. Nur die \u00e4u\u00dferen Personen sp\u00fcren den Wind. \u00c4hnliche Konstruktionen gibt es viel bei K\u00fchlk\u00f6rpern. Hierbei k\u00f6nnten die inneren Elemente meist ohne Nachteil entfernt werden.<\/p>\n

\"alternative
Gro\u00dfer Durchmesser mit kurzen Elementen sind ung\u00fcnstig f\u00fcr gute Konvektion (inks).
Bessere Wirkung mit lang und schmal erzielt (bei vertikaler Einbauweise)<\/figcaption><\/figure>\n

Und Achtung: Die Datenblattangabe der Hersteller beschreibt meist den Wert der wirkungsvollsten Einbaulage. Nur um wenige Grad gedrehte Montage verschlechtert bereits die „Kaminwirkung“ und somit den Anteil der Konvektion erheblich.<\/p>\n

Gut, dass es noch eine weitere Wirkungsweise eines K\u00fchlk\u00f6rpers gibt, n\u00e4mlich die der Radiation.<\/p>\n

Radiation:<\/h3>\n

Eine hei\u00dfe Herdplatte strahlt W\u00e4rme ab. Den physikalisch umgekehrten Weg kennt man bei einem sonnenbestrahlten Auto. Hier ist in erster Linie die Oberfl\u00e4che des Autos relevant. Allgemein ist bekannt, dass sich wei\u00dfe Autos weniger aufw\u00e4rmen als schwarze. Diesen umgekehrten Weg der Absorption von Energie nennt man Radiation. Es sind die gleichen physikalischen Eigenschaften einer Oberfl\u00e4che, die bestimmen, wie gut W\u00e4rme abgestrahlt oder aufgenommen wird.<\/p>\n

Relevant ist jedoch nicht die Farbe des Materials bzw. Oberfl\u00e4che, denn diese wird nur durch unser Auge beschrieben. W\u00e4rmestrahlung findet im Infrarotbereich statt. Also bei Wellenl\u00e4ngen im Bereich von ca. 800nm. D.h. ein wei\u00dfer K\u00fchlk\u00f6rper kann bei richtiger Wahl der Oberfl\u00e4che gleich gute Eigenschaften aufweisen, wie ein, in unseren Augen, schwarzer K\u00fchlk\u00f6rper.<\/p>\n

Wichtig f\u00fcr eine gute Radiation ist, dass die Abstrahlung frei und ungehindert stattfinden kann. Eng aneinander sitzende K\u00fchlrippen behindern sich gegenseitig.<\/p>\n

Auf was ist also zu achten?<\/p>\n