Die thermische Simulation von LED-Straßenbeleuchtungen

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Das F&E-Team würde ohne Simulation mindestens sechs bis zehn physikalische Prototypen benötigen und könnte immer noch nicht garantieren, dass es die beste Lösung hat. Empirische Tests hätten mindestens drei weitere Monate gedauert und wenigstens 500 Euro für Prototypen gekostet. Mit Hilfe von FloEFD reduzierten sie die Zeiten für die thermische Simulation und Management auf einen Monat. Das Team führte mit FloEFD eine Reihe von Simulationen durch, die auf einem parametrisierten CAD-Modell von CATIA V5, einem Solid-Modeller, basieren.

Weil mit FloEFD V5 ein Concurrent-CFD-Produkt verwendet wird, ist das Modell sofort für Analysen in der CATIA-Umgebung verfügbar. Ingenieure können dann mit einem Wizard das Volumenmodell vorbereiten, indem sie Lasten und Randbedingungen festlegen und schließlich das Modell vor der Analyse vernetzen. Durch das Design des Kühlkörpers als CAD-Modell in CATIA und die Simulation der thermischen Aspekte mit FloEFD, lassen sich die thermischen Eigenschaften für alle Formen des Kühlkörpers verwenden und die LED als Wärmequelle angegeben.

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Nach der Designoptimierung des Kühlkörpers erhält das Team Daten über die Anzahl, Höhe und Dicke der Lamellen, die für die LED-Module die bestmögliche Wärmeableitung liefern (Bild 1).

Thermische Simulationssoftware verkürzt Entwicklungszeit

Als Teil des Optimierungsprozesses testet das Team, wie sich Staubablagerungen auf der Oberseite des Kühlköpers auf die Kühlung auswirken. Staub-/Schmutzablagerungen verringern die für die Wärmeableitung verfügbare Oberfläche, erzeugen einen zusätzlichen Wärmewiderstand für die Wärmeabfuhr an die Umgebung und verringern die Menge des Luftstroms, der sich zwischen den Kühlkörperlamellen bewegt (und die Wärme abführt). Während der Simulation fügte das Team über der Oberseite des Kühlkörpers eine Komponente hinzu, die „Schmutz/Staub“ darstellt (Bild 2).

Um die Schmutzablagerungen zu verringern, muss der gewünschte Selbstreinigungseffekt relativ hohe Geschwindigkeiten aufweisen, die durch natürliche Konvektionsstandards entstehen. Simulieren lässt sich das mit Hilfe der Partikel-Studie von FloEFD. Mit dieser Funktion lassen sich virtuelle Partikel in den Fluidstrom hinzufügen, die über einen Materialdurchmesser und Masse verfügen. So lässt sich bestimmen, wo sich Partikel ansammeln und Oberflächen erodieren. Ingenieure können damit visualisieren, wo sich aus der Strömung Staub absetzt oder nicht.

Kommt eine thermische Simulationssoftware zum Einsatz, verkürzt das die Entwicklungszeit und liefert viele nützliche Details. So ist ein neues Kühlkörpermodell mit vertikalen Lamellen entstanden, das einen höheren Luftdurchsatz und einen Selbstreinigungseffekt bietet, der Schmutzablagerungen verhindert (Bild 3). Der selbstreinigende Kühlkörper hat eine ähnliche Masse wie der extrudierte, benötigt jedoch an der Fräsmaschine weniger Arbeitszeit. Ein einfacheres Herstellungsverfahren führt zu Kosteneinsparungen und weniger Wartungsaufwand bei längerer Produktlebensdauer. Mit Hilfe des FloEFD-LED-Moduls konnte das Team mühelos zuverlässige Ergebnisse erzielen. Die Werte der Simulationen lagen innerhalb von 3 Prozent der durch die Messungen am physikalischen Modell erzielten Ergebnisse.

Von der Messung zum fertigen LED-Modell

Das LED-Modul simuliert eine LED-Komponente als kompaktes Package, das entweder auf einem einfachen Zwei-Widerstands-Modell oder einem fortschrittlichen von Messungen abgeleiteten Modell basiert. Das detaillierte Modell bietet eine Lösung für das Design von Solid-State-Beleuchtungen und erlaubt den Einsatz von thermischen und fotometrischen Modellen der LEDs in FloEFD unter ständig aktuellen Betriebsbedingungen.

Das Modell kann die als Licht-emittierte Leistung korrekt berücksichtigen, wenn es die Wärmeabfuhr in der LED berechnet, einschließlich Temperatur, Leistungsaufnahme und Lichtausbeute (Hot Lumen), die von der Software vorhergesagt werden. Ein Starterpaket mit kommerziell verfügbaren LED-Modellen ist Teil des Moduls. Es bietet sowohl die Fähigkeit, Strahlungen in halbtransparenten Körpern wie Linsen, die sich vor LEDs befinden, zu absorbieren als auch eine Leiterplatte als kompaktes Modell mit zweiachsiger Wärmeleitfähigkeit zu simulieren.

Ein unternehmensspezifisches LED-Modell kann auch verwendet und simuliert werden, indem der Durchlassstrom für die LEDs spezifiziert wird. Die Software berechnet die korrekte thermische Heizleistung und eine physikalisch validierte Betriebstemperatur. Sie ermöglicht genaue Analysen der Wärmeabstrahlung zur Simulation der Strahlungsabsorption in halbtransparenten Körpern wie Glas und berücksichtigt Effekte wie Brechung, Reflektion und Wellenlängenabhängigkeit (Spektraleigenschaften der Strahlung). Um festzustellen, ob die LEDs die Designziele für Lichtausbeute und Gleichförmigkeit erfüllen, kann ihre Lichtqualität berechnet werden.

* Djordje Zivanovic ist Industriedesigner und Mitglied des F&E-Teams von Buck. Richard Ozaki st Senior-Application-Engineer für die europäischen Kunden der Mechanical Analysis Division von Mentor Graphics.

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