Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

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Moderator: T.Hoffmann

Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 12.02.17, 14:07 (0 Bewertungen, 30 Sterne)

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Aus Effizienz- aber auch Helligkeitsgründen würde ich gerne unsere Wohnzimmerlampe von Halogen auf LED umbauen. Aktuell verbaut ist eine 120W 78mm R7s Halogenröhre, mit rund 2200lm und 2900K laut Verpackung.
Soweit ich weiß, ist ein direkter Tausch gegen retro-R7s LED Bulbs Stand heute in der Leistungsklasse nicht sinnvoll.

Zudem würde ich die Lampe gerne auch noch heller haben, was mit den 78mm Halogenröhren nicht machbar ist.

So sieht das ganze in der Praxis aus, die Halogenröhre strahlt in alle Richtungen ab, nicht nur nach oben, und das soll auch so bleiben:
IMG_1977_1.jpeg


Ersetzen will ich die Röhre durch 2 L25 Module http://www.leds.de/LED-Leisten-Module/High-Power-LED-Leisten/SmartArray-L25-150W-25-LEDs-warmweiss.html, von oben und unten auf ein 8x8mm Alu- oder Cu-profil mit ca. 130mm Länge montiert. Von den Maßen her sollte das passen. Klar ist mir auch, dass ich damit rechnen sollte mindestens 20W, besser aber 30W thermische Leistung abzuführen.

Mit Heatpipes sollte das rein rechnerisch nicht unmöglich sein, eine 400mm x 6mm Pipe auf Cu-sinter/Wassersystem sollte ca. 40W abführen können. Leider kenne ich mit Heatpipes, deren Dimensionierung und Einsatz gar nicht aus.
Von der Idee her, sollen die Heatpipes die im Bild sichtbaren Stromzuführungen der Halogenlampe ersetzen. Deren eines Ende wird thermisch bündig mit dem Aluprofil verbunden, auf ca. 8mm Länge. Am anderen Ende wollte ich die Pipe um 90Grad nach unten biegen und im Standrohr der Lampe auf ein Spiralrippenrohr als Kühlkörper anbinden, das die Wärme dann wieder an das Edelstahl-Standrohr abgibt.

Nun klemmt es aber an diversen Punkten:
- ist das ganze plausibel?
- reichen die 8mm Übergang Aluprofil => Pipe?
- wie stark reduziert die 90Grad Biegung und vertikale Anordnung der Pipe die thermische Übertragung?
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 12.02.17, 14:43 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Am anderen Ende wollte ich die Pipe um 90Grad nach unten biegen und im Standrohr der Lampe auf ein Spiralrippenrohr als Kühlkörper anbinden, das die Wärme dann wieder an das Edelstahl-Standrohr abgibt.

Das wird nicht funktionieren.
In der Heatpipe befindet sich eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Dampfpunkt. Am wärmsten Ort wird aus der Flüssigkeit ein Gas. Das Gas transportiert die Wärme, am kühlsten Ort kondensiert es zurück zu einer Flüssigkeit und gibt dabei die Wärme wieder ab und läuft innerhalb des Rohres zurück zum warmen Ort. Der Vorgang wiederholt sich ständig. Eine Flüssigkeit kann immer nur hinunter, niemals aber hinauf fließen.
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Achim H
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 12.02.17, 14:50 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Eine Flüssigkeit kann immer nur hinunter, niemals aber hinauf fließen.


Das ist falsch. Der Flüssigkeitstransport innerhalb einer Heatpipe erfolgt durch Kapillarwirkung. Dadurch ist der Rückfluss der Flüssigkeit unabhängig von der Lage der Heatpipe.
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 12.02.17, 15:17 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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ustoni hat geschrieben:
Eine Flüssigkeit kann immer nur hinunter, niemals aber hinauf fließen.


Das ist falsch. Der Flüssigkeitstransport innerhalb einer Heatpipe erfolgt durch Kapillarwirkung. Dadurch ist der Rückfluss der Flüssigkeit unabhängig von der Lage der Heatpipe.


Naja, soweit ich gelesen habe stimmt beides. Methanol Heat-pipes sollte man wohl nie nach unten verbauen, bei Wasser / Cu-Sinter ist der Effekt am geringsten. Aber er ist vorhanden, deshalb brauche ich ja Infos aus erfahrener Hand.
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 12.02.17, 16:08 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Praktische Erfahrungen habe ich leider auch keine. Hatte aber selbst mal mit dem Gedanken gespielt. Vielleicht hilft Dir dieses Dokument weiter:
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/182531-in-01-de-HEATPIPE_QG_SHP_D3_100MN_3_MM_100_LANG.pdf
Demnach erhöht sich der Wärmewiderstand bei vertikaler Einbaulage (Wärmequelle oben) um ca. 20%.
Für die Biegung musst Du nochmals ca. 30% Verschlechterung einkalkulieren. Der im Datenblatt angegebene kleinste Biegeradius darf dabei nicht unterschritten werden. Entsteht beim Biegen ein Knick, ist der Flüssigkeits- und damit auch der Wärmetransport unterbrochen.

8 mm zur Wärmeeinkopplung erscheint mir zu wenig. Ich würde bei Heatpipes immer die dafür vorgesehenen Koppelelemente verwenden.
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 12.02.17, 18:35 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Warum keine COB-LED auf Sternkühlkörper? Z.B. Cree CXA1830 oder Nichia NSCLJ216A auf Mechatronix Mega 13450 oder Giga 15250 beidseitig bestückt.
Der Kühlkörper besitzt Bohrungen für alle möglichen COB-LEDs, auch für die beiden erwähnten, entsprechenden COB-Halter vorausgesetzt. Und es braucht keine Heat Pipe.
oscar
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Mo, 13.02.17, 17:13 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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oscar hat geschrieben:Warum keine COB-LED auf Sternkühlkörper?


Glaub mir, das war auch die erste Idee. Aber weil das in dem Fall auf keine Akzeptanz trifft, ich könnte auch sagen sch...e aussieht. Im Bild hinter der Halogenröhre sieht man noch eine Opalglasschale. Und wenn da teilweise der Kühlkörper, womöglich noch in schwarz, raus ragt (und das kann ich wohl nicht vermeiden) ist das optisch nicht mehr ansprechend.
Aber ganz will ich die Idee doch noch nicht begraben, ich werde mal die Maximalmaße ermitteln, die optisch machbar sind. Und damit versuchen, die mit einem "Freiform-Kühlkörpers" machbaren C/W, und dann weiß ich sicher, ob die einfache Kühlung so noch möglich ist oder nicht.
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Fr, 15.12.17, 18:05 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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oscar hat geschrieben:Warum keine COB-LED auf Sternkühlkörper? Z.B. Cree CXA1830 oder Nichia NSCLJ216A auf Mechatronix Mega 13450 oder Giga 15250 beidseitig bestückt.


Ich habe mich nochmal drangesetzt und gerechnet:
- Eine NFDLJ130B-V1, mit 500mA betrieben, sollte rund 3200lm bringen, bei 18,25W Gesamtleistung
- Mit zwei davon komme ich an meine Vorstellungen bzgl. Lichtmenge
- Aber auf einen Mega 13420 könnte das etwas knapp werden, Sardons Fluter kommt mit ~24,5W auf 20K Temperaturerhöhung am Kühlkörper zur Umgebung

Besser wäre also der Giga 15220, die 50er Kühlkörper (13450, 15250) kommen von der Höhe her leider nicht in Frage,
allerdings finde ich keine Bezugsquelle in D dafür. Kennt da jemand eine?
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Fr, 15.12.17, 23:25 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Das NFDLJ130B-V1 ist ein COB-Modul mit deutlich besserer Effizienz als die Vorgängermodule.
Bei einem Betriebsstrom von 500 mA betreibst Du das Modul mit weniger als 50% des Nennstroms.
Das bewirkt eine weitere Steigerung der Effizienz und damit auch des elektrischen Wirkungsgrad.
Der elektrische Wirkungsgrad dürfte hierbei bereits über 50% liegen.

Bei 2 Modulen auf einem Kühlkörper liegt die abzuführende Wärmeleistung damit bei ca. 18,25 W.

Der ModuLED Mega 13420 erwärmt sich laut Datenblatt bei einer Wärmeleistung von 20 W um 29 K, in Deinem Fall wirst Du also eher bei 28 K liegen.
Selbst wenn man für den Übergang von Kühlkörper zu COB-Modul nochmals ungünstige 5 K Temperaturdifferenz annimmt, liegt die Chiptemperatur
der Module bei einer Umgebungstemperatur von 30°C noch unter 30 K + 28 K + 5 K + 20 K = 83 °C.
Damit liegst Du im absolut sicheren Bereich. Der Mega 13420 sollte also völlig ausreichen.

Mit dem ModuLED Giga liegst Du übrigens nur 3 K niedriger.
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Sa, 16.12.17, 09:54 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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ustoni hat geschrieben:Das NFDLJ130B-V1 ist ein COB-Modul mit deutlich besserer Effizienz als die Vorgängermodule.
Bei einem Betriebsstrom von 500 mA betreibst Du das Modul mit weniger als 50% des Nennstroms.
Das bewirkt eine weitere Steigerung der Effizienz und damit auch des elektrischen Wirkungsgrad.


Genau das war der Sinn der Auswahl, die NFDLJ108B-V1 würde es bei dem Strom ja auch tun.

ustoni hat geschrieben:Der elektrische Wirkungsgrad dürfte hierbei bereits über 50% liegen.


Meine Rechnung sagt ~175lm/W, konnte aber keine Abschätzung des elektrischen Wirkungsgrads machen

ustoni hat geschrieben:Der ModuLED Mega 13420 erwärmt sich laut Datenblatt bei einer Wärmeleistung von 20 W um 29 K, in Deinem Fall wirst Du also eher bei 28 K liegen.
Selbst wenn man für den Übergang von Kühlkörper zu COB-Modul nochmals ungünstige 5 K Temperaturdifferenz annimmt, liegt die Chiptemperatur
der Module bei einer Umgebungstemperatur von 30°C noch unter 30 K + 28 K + 5 K + 20 K = 83 °C.
Damit liegst Du im absolut sicheren Bereich. Der Mega 13420 sollte also völlig ausreichen.

Mit dem ModuLED Giga liegst Du übrigens nur 3 K niedriger.


Dank dir für die Info, das vereinfacht es ungemein.
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Sa, 16.12.17, 10:12 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Meine Rechnung sagt ~175lm/W, konnte aber keine Abschätzung des elektrischen Wirkungsgrads machen


Ich hab mal irgendwo gelesen, dass die Effizienz bei 100% Wirkungsgrad und 5000 K bei gleichmäßiger Verteilung der Strahlungsleistung über der V-Lambda-Kurve bei 350 lm/W liegt. Leider kann ich den Artikel nicht mehr finden. :?
Bei warmweissen LEDs liegt der Wert natürlich entsprechend niedriger.

Zumindest konnte ich diese Annahmen bereits mehrfach durch Temperaturmessungen an Mechatronix-Kühlkörpern bestätigen (Übereinstimmung Berechnung und Temperatur laut Kühlkörperdatenblatt).
Es lohnt sich also auf jeden Fall, COB-Module mit geringerem Strom zu betreiben.

Tatsächlich wird Dein Modul in dieser Betriebsart sogar deutlich über 50% liegen. Mit der Annahme von 50% als Rechengrundlage wird bereits die Alterung des Moduls im normalen Betriebszeitraum berücksichtigt.
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Sa, 16.12.17, 14:43 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Hier noch eine Erläuterung dazu:

Die Werte ergeben sich aus der Definition des Lichtstroms:
Der Lichtstrom φV beschreibt die Strahlungsleistung einer Lichtquelle unter Berücksichtigung der V-Lambda-Kurve. Die Einheit ist das Lumen (lm). Eine monochromatische Strahlung mit der Wellenlänge 555nm und der Strahlungsleistung 1 Watt erzeugt einen Lichtstrom von 683 Lumen.

D.h. eine Lichtquelle, die monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 555 nm erzeugt und einen elektrischen Wirkungsgrad von 100% hat, hat eine Effizienz von 683 lm/W.

Licht mit anderen Wellenlängen muss anhand der V-Lambda-Kurve korrigiert werden:
Lambda Effizienz.jpg

Die rote Kurve ist die V-Lambda-Kurve für Tagsehen bzw. Farbsehen, blau die entsprechende Kurve für Nachtsicht.
Bei den Wellenlängen von ca. 510 bzw. 610 nm beträgt der Korrekturfaktor 0,5 bzw. 50%, was einer Effizienz von 341,5 lm/W entspricht.
Bei ca. 470 nm bzw. 650 nm beträgt der Korrekturfaktor 0,1 bzw. 10%, entsprechend einer Effizienz von 68,3 lm/W.

Bei einer Lichtquelle, die ihre Leistung mit verschiedenen Wellenlängen abgibt, müssen die entsprechenden Effizienzwerte gemittelt werden.
Beispiel: eine Lichtquelle mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 100% erzeugt drei Wellenlängen mit gleicher Strahlungsleistung bei 510, 555 und 650 nm.
Die Effizienz beträgt dann (341,5 lm/W + 683 lm/W + 68,3 lm/W) / 3 = 364 lm/W.

Eine Lichtquelle mit einer Farbtemperatur von 5500 K erzeugt Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich mit annähernd gleicher Leistung. Der Mittelwert der Effizienz wird dann bei 350 lm/W liegen.
(Können auch 340 lm/W sein, bin mir da nicht mehr ganz sicher. Geht aber ja auch nur um das Abschätzen des elektrischen Wirkungsgrads und damit der Wärmeleistung.)

Bei warmweissen LEDs ist der Anteil der Strahlungsleistung im gelben und roten Bereich deutlich höher als bei 555 nm. Dementsprechend ergibt sich für die Effizienz bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 100% ein deutlich niedriger Wert. Hier würde ich von 300 lm/W oder weniger ausgehen.

Um das Ganze abschätzen zu können, benötigt man natürlich die Spektralverteilung der LED, also ein vernünftiges Datenblatt.
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Mo, 18.12.17, 19:29 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Besten Dank. dafür :D

Habe auch einen etwas älteren Artikel von Dialux https://www.dial.de/de/article/effizienz-von-ledsdie-hoechste-lichtausbeute-einer-weissen-led/ gefunden, in dem sie einen Maximalwert von 309- 327 lm/W angeben, seltsamerweise soll warmweiß da effizienter sein können als Neutralweiß.

OT: wie es Cree in 2014 im Labor geschafft hat auf 303lm/W (~90% Wirkungsgrad) zu kommen, erscheint mir vor dem Hintergrund ziemlich rätselhaft.
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Mo, 18.12.17, 19:52 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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...seltsamerweise soll warmweiß da effizienter sein können als Neutralweiß.

Das passiert, wenn man LEDs mit geringem CRI untersucht. Da wird der warmweisse Effekt eher im gelben Bereich erzielt, während der rote Bereich bei niedrigem CRI nur gering vertreten ist.
Gleiches gilt für neutralweiße LEDs mit geringem CRI; hier ist der blaue Spektralbereich überbetont, d.h. es wird relativ viel Strahlungsenergie im linken Bereich der V-Lambda-Kurve abgegeben.

Bei den angesprochenen COBs von Nichia ist das aber nicht der Fall, die Spektralkurven sind hier deutlich ausgeglichener.

Grundsätzlich gilt aber: je höher der CRI, desto geringer ist die maximal erreichbare Effizienz.

CREE hat für diese Pressemeldung wohl LEDs mit CRI < 60 produziert; der Großteil der Strahlungsleistung dürfte da im grünen Bereich gelegen haben. :lol:
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Sa, 20.01.18, 19:53 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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So, ein paar Bestellungen und Abende später ist der Umbau so gut wie fertig.

Einkauf:
2x Nichia NFDLJ130B-V1, Lumitronix: je €15,99
1x Meanwell LCM-40, Elpro €29,15
Kühlkörper: 13cm/2cm (http://www.elpro.org/gb/led-heat-sinks/ ... 420-b.html, Elpro €12,84

Daneben diverse Messing-Kleinteile aus der Sanitärstrasse des örtlichen Baumarkt, grob €10.-
Poti als Dimmer und Kabel aus der Grabbelkiste

Hauptprojekt die Halterung für den Kühlkörper und den Glasdiffusor
IMG_0363_1.JPG


In Ermangelung einer Drehbank musste das ganze durch (im Großteil) händische Bearbeitung aus insgesamt 6 Halbteilen hergestellt werden. Die Röhrchen sind um ein Rundstück handgebogen und dann auf Länge gesägt. Das zentrale Stück besteht aus einem umgearbeiteten Fitting, Mutter, Schlauchanschlußadapter und noch einem umgearbeiteten Fitting (aufgesägt und abgerollt.
Alle Einzelteile zusammengelötet und verschliffen.

IMG_0369_1.JPG


Der elektrische Aufbau dagegen war einfach und in kurzer Zeit erledigt. Beide LEDs an Kabel verlötet, mit Leitpaste und Schrauben mit Unterlage auf den Kühlkörper montiert. Den LCM-40 auf 350mA gesetzt.

IMG_0372_1.JPG


Alles montiert und funktioniert. Erste Erfahrung: mit rund 15-20W erhalte ich die gleiche Helligkeit wie bei 120W Halogen. Mit dem Glas wird der Kühler gut handwarm, ohne Glas fast gar nicht warm.
Man sieht im Bild den Kühler leicht oben rausragen, besser geht derzeit nicht, und eine leichten Schatten im Glas.
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Sa, 20.01.18, 21:54 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Gefällt mir.

Eine Kleinigkeit würde ich noch ergänzen:
Säge von irgendeinem vorhandenen Rohr (Alu, Kunststoff etc.) einen ca 5 mm hohen Ring ab. Der Innendurchmesser des Rohrs muss dabei mindestens so groß sein, dass das COB-Modul komplett reinpasst.
Den Ring mattschwarz lackieren und oben auf den Kühlkörper kleben (punkten reicht).
Dient dann als Sicht- und Blendschutz. Von der Lichtquelle ist dann nichts mehr zu sehen.
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 21.01.18, 11:44 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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ustoni hat geschrieben:Dient dann als Sicht- und Blendschutz. Von der Lichtquelle ist dann nichts mehr zu sehen.


Muss die Idee mal weiterverfolgen, speziell wegen der Sichtbarkeit des Kühlkörpers.. "Geblendet" wird man aber nur, wenn man größer als 1m90 ist. Oder die Kamera hochhält :D
dieterr
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 21.01.18, 12:11 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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..... wenn man größer als 1m90 ist.
Dann passt das auch so.

Was die Sichtbarkeit des KK betrifft: wenn Du einen ausreichend langen Streifen satiniertes Plexiglas hast, könntest Du den heiß zu einem Ring formen und einfach auf die Glasschale auflegen.
Vorher aus Holz eine entsprechend große Scheibe sauber rund aussägen und darüber das Plexiglas mit Heißluftpistole biegen. Das klappt ganz gut.
ustoni
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am So, 21.01.18, 19:14 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Welchen Durchmesser hat denn die Glasschale?
Wenn diese Ø144 - 150mm oder Ø194 - 200mm groß ist, dann könnte man sich bei Evonik ein Muster eines satinierten oder weißen Plexiglasrohr einkaufen und dieses auf Länge sägen. Notfalls kann man das Rohr auch anstreichen.

Links zu Evonik:
Plexiglasrohr satiniert (83% Transmission).
Plexiglasrohr weiß (44% Transmission).
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Achim H
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Di, 23.01.18, 09:42 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Hm, danke für die Hinweise - ich denke, ich habe die Verlustleistung bzw. deren Wirkung falsch eingeschätzt. Ist halt ein Unterschied ob es eine Drahtwendel oder ein Halbleiter ist.

Die Situation bei den Lampen ist thermisch wohl auch noch etwas ungünstiger als bei der Stehleuchte (wo die Wärme ja noch oben weg kann). Bei den Leuchten sind die R7s in einem satinierten Glasrohr (ca. 15mm Innendurchmesser) welches waagerecht liegt. Ein bisschen wie hier: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTHB6oTJ6lAOEuLQSqdY74x-6Js0KJNHAk6L0Xeygg_ySCsdtdY.

Ich trauer halt um die schönen Leuchten. Die stammen aus einer italienischen Manufaktur, massiv Edelstahl, schön gebürstet, sehr filigran und haben mal eine Sch...kohle gekostet. Sehe jetzt aber ein, dass LEDs mit 10W wohl nicht funktionieren werden.

Bleibt die Frage, ob ich die Installation mit Tastern und den Stromstoßdimmern so lasse oder das auf NV umstelle. Wenn ich das jetzt schon mal anfasse, möchte ich gerne auch eine aktuelle Lösung bauen. Vielleicht mit Funk- und/oder Alexa-Integration. Im Keller habe ich zwar kein WLAN aktiv, aber Switch /Patchfeld sind direkt neben der Verteilung. da muss ich mich wohl mal intensiver mit den verschiedenen SmartHome-Lösungen beschäftigen.
Tom345
 
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Re: Projekt Stehleuchte / Strahler mit Heatpipe

Beitrag am Di, 23.01.18, 10:29 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Tom345 hat geschrieben:Hm, danke für die Hinweise


Falscher Thread? Mach mal ein Bild und stelle dort ein, eventuell gibt es ja doch Möglichkeiten
dieterr
 
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