Aktiver Kühlkörper für Hochleistungs LED

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Moderator: T.Hoffmann

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technikdude02
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Do, 12.11.20, 12:05

Hallo liebes LED Hilfe-Forum!

Für ein Projekt plane ich, eine starke COB-LED Einheit aufzubauen. Aufgrund des hohen Outputs dieses Moduls braucht es natürlich eine ausreichende Kühlung. Dabei bin ich leider sehr eingeschränkt was Platz angeht, der Kühlkörper sollte also möglichst klein sein. Daher halte ich einen aktiven KK für am besten geeignet. Ich habe mir bereits COB Platine, Stiftkühlkörper und passenden Axiallüfter rausgesucht:

https://www.cree.com/led-components/pro ... mp-cma1840

https://www.fischerelektronik.de/web_fi ... arch.xhtml

https://www.conrad.de/de/p/wallair-2010 ... 32606.html

Laut Datenblatt des KK müsste mit dem Lüfter ein Wärmewiderstand von 1,25 K/W möglich sein. Die Berechnung des nötigen Wärmewiderstandes sieht dann so aus: (sofern ich keine Fehler eingebaut habe natürlich...)
Annahmen:
Leistung LED= 40W

Rth = ((Tmax-Tumgebung) / Pverlust) = ((80° - 22°) / 0,7 * 40W) = 2,07 K/W

Unberücksichtigt ist hier noch das Interfacematerial (Wärmeleitkleber) und die Tatsache, dass die Wärmewiderstandsangaben von Fischer (laut diesem Forum) mit vorsicht zu genießen sind.

Meine Frage lautet nun: Kann man davon ausgehen, das LED Modul auf diesem Kühlmechanismus betreiben zu können?
Dabei wäre die LED nie länger als 3 Minuten eingeschaltet, da sie lediglich zur Beleuchtung eines kurzen Videos dient.

Ich danke schonmal allen, die den langen Text auf sich genommen haben und mir helfen können!

Liebe Grüße
technikdude02
Borax
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Do, 12.11.20, 12:44

Hallo technikdude02,
welcome on board!

Muss der Kühlkörper wirklich soo klein sein? Das ist schon echt grenzwertig. Auch für nur 3 Minuten...
technikdude02
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Do, 12.11.20, 14:59

Hey Borax, danke für die schnelle Antwort!

Leider muss der Kühlkörper wirklich so klein sein, sonst bekomme ich das Licht nicht dahin wo ich es brauche.
Maximal 25mm Länge/Breite sollten bei einem quadratischen Grundkörper nicht überschritten werden, sonst passt es nicht.
Die einzige Möglichkeit wäre noch, einen KK mit größerer Höhe als 18,5mm zu finden, oder einen stärkeren Ventilator zu nutzen falls das etwas bringt.

Alternativ dachte ich an folgenden passiven Kühlkörper:

https://www.fischerelektronik.de/web_fi ... arch.xhtml

Der Durchmesser von 30mm würde aufgrund der runden Form noch gerade so passen. Dieser KK hätte bei einer Länge von 100mm deutlich mehr Masse und einen Widerstandswert von ca. 2K/W.

Wäre das eine bessere Idee?
Buddhamilch
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Do, 12.11.20, 16:43

Laut Datenblatt des KK müsste mit dem Lüfter ein Wärmewiderstand von 1,25 K/W möglich sein.

Der Wärmewiderstand des Kühlkörper ist bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 5m/sec angegeben.
Das erreichst Du nicht mit einem 25x25mm Lüfter mit 5,1m³/h.

Der innere Durchmesser des Lüfter (der Propeller) beträgt ca. 20mm = 0,02m. Links und rechts, oben und unten ist die Wandung --> Materialstärke ca. 2mm.
r = d / 2
r = 0,01m
V = r² x PI x h

1h = 3600sec
5,1m³/h / 3600sec = 0,0014166m³/sec

0,0014166m³/sec / (0,01m x 0,01m x 3,1415926) = 4,509m/sec.
Alternativ dachte ich an folgenden passiven Kühlkörper:

Dafür bräuchtest Du aber wieder ein Rohr drumrum, damit die von hinten einspeiste Luft auch dem Verlauf der Rippen folgen kann. Andernfalls ist die Luft schon nach ungefähr 1cm weg und kühlt nicht mehr den vorderen Bereich.
technikdude02
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Do, 12.11.20, 17:04

Stimmt, du hast Recht. Ich war davon ausgegangen, dass die 5m/s Luftgeschwindigkeit von dem Lüfter erreicht werden.
Entsprechend der Formel müsste ich (bei gleichem Durchmesser) einen Lüfter mit einem Volumenstrom von mind. 5,65m^3/s finden.
technikdude02
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Do, 12.11.20, 17:12

Dafür bräuchtest Du aber wieder ein Rohr drumrum, damit die von hinten einspeiste Luft auch dem Verlauf der Rippen folgen kann. Andernfalls ist die Luft schon nach ungefähr 1cm weg und kühlt nicht mehr den vorderen Bereich.
Diesen Kühlkörper würde ich dann ohne Ventilator (passiv) benutzen. Die Problematik mit dem Rohr würde also entfallen.
Auch hier würde die LED nicht länger als 2 bis höchstens 3 Minuten an sein.
dieterr
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Fr, 13.11.20, 18:20

Wie lange ist denn die Aus-Zeit nach den 3 Minuten? Ich denke da gerade daran, die über 3min entstehende Wärme einfach über thermische Masse zu "schlucken". Da muss dann aber ausreichend Zeit zu abkühlen da sein.
Cossart
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Sa, 14.11.20, 17:05

Buddhamilch hat geschrieben:
Do, 12.11.20, 16:43
Der Wärmewiderstand des Kühlkörper ist bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 5m/sec angegeben.
Das erreichst Du nicht mit einem 25x25mm Lüfter mit 5,1m³/h.
Das ist ja auch gar nicht notwendig. Der technikdude02 benötigt für seinen Zweck einen Wärmewiderstand von ≈ 2 K/W und die erreicht der ICK S 25 x 25 x 18,5 bereits mit ≈ 3,5 m/s:
ICK S 25 x 25 x 18,5.png
ICK S 25 x 25 x 18,5.png (29.06 KiB) 479 mal betrachtet
Dazu kommt die thermische Trägheit des Kühlkörpers. Er wiegt 7 Gramm, Aluminium besitzt eine spezifische Wärmekapazität von 897 J/(kg • K). Um sich bei (vom Threadstarter angenommenen) 28 Watt Wärmeverlustleistung von 30 °C auf 80 °C zu erwärmen, benötigt der Kühlkörper bereits von sich aus 11 Sekunden.

Ich würde mal grünes Licht geben, auch, weil die CMA 1840 eher bei 40 % elektrischem Wirkungsgrad liegt als bei 30 %.
technikdude02
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Mo, 16.11.20, 11:41

Danke für eure Antworten dieterr und Cossart!
dieterr hat geschrieben:
Fr, 13.11.20, 18:20
Wie lange ist denn die Aus-Zeit nach den 3 Minuten?
Die Aus-Zeit ist beliebig und könnte problemlos so gewählt werden, dass der KK komplett abgekühlt ist. Das Ausnutzen der thermischen Masse hatte ich mir für den passiven KK (https://www.fischerelektronik.de/web_fi ... ndex.xhtml) auch überlegt. Die Länge davon und damit die Masse kann ja weitestgehend frei gewält werden. Leider macht Fischerelektronik keine Angaben zum Gewicht des KK, da es sich aber um eine Aluminiumlegierung handelt, sollten da einige Hundert Gramm zusammenkommen.
Cossart hat geschrieben:
Sa, 14.11.20, 17:05
Das ist ja auch gar nicht notwendig. Der technikdude02 benötigt für seinen Zweck einen Wärmewiderstand von ≈ 2 K/W und die erreicht der ICK S 25 x 25 x 18,5 bereits mit ≈ 3,5 m/s:
Richtig. Eigentlich sollten 3,5m/s reichen, zur Sicherheit würde ich aber dennoch einen stärkeren Venti nutzen. Ich hab einen gefunden, der bei derselben Baugröße eine Luftgeschwindigkeit von 5,26m/s erreicht. Mehr ist mehr.
Cossart hat geschrieben:
Sa, 14.11.20, 17:05
Ich würde mal grünes Licht geben, auch, weil die CMA 1840 eher bei 40 % elektrischem Wirkungsgrad liegt als bei 30 %.
Schön zu hören! Ich hatte schon Angst, meine Auswahl an doch eher sehr kleinen Kühlmöglichkeiten würde garnicht für mein Projekt infrage kommen.

Viele Grüße
technikdude02
Cossart
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Mo, 16.11.20, 13:27

Hallo…

Wenn es bis Freitag warten kann, dann kann ich aus den von Fischer zur Verfügung gestellten CAD-Dateien das Volumen und damit das Gewicht des Kühlkörpers errechnen.
technikdude02
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Mo, 16.11.20, 17:49

Hey Cossart

Wow, das würde mir tatsächlich sehr helfen. Sehr dringend ist das ganze auch nicht, bis Freitag ist kein Problem.
Vielen Dank für das Angebot!
dieterr
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Mo, 16.11.20, 22:00

Cossart hat geschrieben:
Sa, 14.11.20, 17:05

Dazu kommt die thermische Trägheit des Kühlkörpers. Er wiegt 7 Gramm, Aluminium besitzt eine spezifische Wärmekapazität von 897 J/(kg • K). Um sich bei (vom Threadstarter angenommenen) 28 Watt Wärmeverlustleistung von 30 °C auf 80 °C zu erwärmen, benötigt der Kühlkörper bereits von sich aus 11 Sekunden.
Über Dreisatz komme ich bei 180s dann auf einen benötigten Aluklotz von ~120g, dann bräuchte es gar keinen Lüfter dazu.
Bei 2,7g/cm3 komme ich auf 42cm3, wäre also gerundet 2,5x2,5x7cm, Die Länge spielt bei dir ja keine Rolle, also lieber etwas länger machen, dann könnte er auch bei max 70° bleiben.
Cossart
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Sa, 21.11.20, 20:56

Hallo,

jetzt ist es doch Samstag geworden. Der SK 620 kommt auf 11 Gramm pro Zentimeter Länge. Liest sich zwar ganz nett, dummerweise ist aber die Wärmeleitfähigkeit von Alu endlich. Denk Dir einen 1 Meter langen SK 620. Wenn Du ans eine Ende eine Lötlampe hältst, wird es eine ganze Weile dauern, bis Du am anderen Ende etwas spürst. Es macht daher auch keinen großen Unterschied mehr, ob Du nun 15 oder 30 cm SK 620 an die LED pappst.

Mechatronix baut daher Heatpipes in ihre großen Kühlkörper ein. Auch bei ebmpapst siehst Du die ungleichmäßige Wärmeverteilung.

Ich bin daher ziemlich sicher, daß auch bei 20 cm SK 620 die LED sehr heiß, wenn nicht gar überhitzen wird. Hat jemand SolidWorks um das mal zu simulieren?
technikdude02
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Di, 24.11.20, 14:43

Hallo Cossart,

sorry erstmal für die verspätete Antwort, ich hatte in der Uni viel um die Ohren.
11 Gramm pro Zentimeter ist weniger als ich dachte, schade. Auch mit der geringen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium hast du recht.
Platz für einen passiven KK mit Heatpipe habe ich aber leider nicht. Ich hoffe daher, dass eine Überhitzung bei einem möglichst langen SK 620 ausbleibt, auch aufgrund der sehr kurzen Leuchtdauer der CMA's (Bis minimal 60 Sekunden könnte ich noch runtergehen). Ansonsten habe ich ja immernoch die Möglichkeit, den kleinen aktiven KK mit Lüfter zu nutzen.
Vielen Dank nochmal für deine Berechnung!
Cossart
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Di, 24.11.20, 16:05

Hallo,

an der Uni gibt's bei den Maschinenbauern doch sicher SolidWorks. Damit könntest Du Dein Vorhaben mal simulieren.
dieterr
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Mi, 25.11.20, 12:42

Was spräche in dem Fall denn gegen einen Kupferzylinder? Kupfer hat ggüber Al ja eine höhere volumenbezogene Wärmekapazität. Die Abkühlungsphase ist ja nicht relevant, also braucht es auch keine Lamellen / Luft dazwischen die nicht absorbiert.

Klar, die Wärmeleitfähigkeit bei Metallen ist immer endlich. Aber ich glaube das Beispiel mit einem 1m langen KK hinkt hier etwas. Ich möchte dich sehen, wie lange du einen 5cm langen Kupferdraht mit den bloßen Fingern hälst, während ich an der anderen Seite den Lötkolben dran halte :D Und um die Größenordnung geht es hier ja.
Cossart
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Mi, 25.11.20, 17:24

dieterr hat geschrieben:
Mi, 25.11.20, 12:42
Aber ich glaube das Beispiel mit einem 1m langen KK hinkt hier etwas.
Ich habe absichtlich etwas plakativ übertrieben. Aber gemäß Deines Dreisatzes weiter oben benötigte der Threadstarter 11 cm SK 620 und da macht Dir die endliche Wärmeleitfähigkeit von Alu bereits einen Strich durch die Rechnung. Darauf wollte ich hinaus.

Ein Kupferrundstab wäre definitiv die bessere Lösung.
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