Effektives Kühlkörper-Design

Neben den Materialeigenschaften und der Art der Luftführung ist vor allem das Design eines Kühlkörpers entscheidend für eine effiziente Entwärmung. Kalt fließgepresste Stiftkühlkörper aus Reinaluminium für die Kühlung von Hochleistungs-LEDs punkten durch ihre hohe Oberfläche und exzellente Wärmeleitfähigkeit.

Der Autor: Georg Laskowsky, Sales Manager CTX Thermal Solutions, Nettetal

Das Verfahren des Kaltfließpressens ist ein Umformverfahren, bei dem die Kühlkörperrohlinge ohne vorherige Erwärmung in Pressen zwischen Pressstempeln und Matrizen unter hohem Druck verformt werden. Bei dieser Massivumformung fließt der Werkstoff in die Freiräume zwischen der formgebenden Matrize und dem Stempel. Das Ausgangsmaterial ist üblicherweise ein geometrisch einfaches Halbzeug wie ein Draht oder Stab.

Je nach Komplexität des Kühlkörpers erfolgt seine Herstellung in einem ein- oder mehrstufigen Umformprozess. Dabei bietet das Verfahren des Kaltfließpressens, das alternativ zum Drehen eingesetzt wird, viele Vorteile: Im Gegensatz zum Strangpressen, bei dem lediglich Halbzeugstränge erzeugt werden, erlaubt es die Herstellung komplexer Einzelteile. Zudem benötigen die fertigen Bauteile in der Regel keine weitere oder nur eine geringe Nachbearbeitung. Obwohl die Kaltfließpressteile meist über eine rotationssymmetrische Geometrie verfügen, sind auch eckige, ellipsenförmige oder exzentrische Produktformen realisierbar.

Gefügestruktur in Richtung des Wärmeflusses

Diese Eigenschaften machen das Kaltfließpressen zu einem idealen Verfahren für die wirtschaftliche Herstellung komplexer Stift- und Rippenkühlkörper für die LED-Technologie. Als Kühlkörpermaterial hat sich Reinaluminium mit einem Aluminiumgehalt von über 99,5 % (DIN EN 1050 und 1070) durchgesetzt. Es besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von > 220 W/mK. Zum Vergleich: Aluminiumstrangguss- und -druckgusslegierungen besitzen lediglich einen Wärmeleitwert von 180 W/mK respektive 150 W/mK. Bereits aufgrund dieser Eigenschaften ergeben sich breite Anwendungsfelder, die auch Applikationen in der Telekommunikation, der Energiewirtschaft und der Automobilindustrie einschließen.

Durch den Umformvorgang selbst ergeben sich eine homogene Materialanordnung und eine Gefügestruktur in Richtung des Wärmeflusses. Dies garantiert eine schnelle, gleichmäßige Wärmeableitung sowohl an der Kühlkörperbasis als auch an den Stiften bzw. Rippen. Durch die runde oder ovale Stift- bzw. Rippenform sind höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Luft als bei extrudierten Rippen möglich.

Zusätzlich sorgt eine strömungsbegünstigende Anordnung der Kühlstifte bereits bei natürlicher Konvektion für eine Kühlleistung, die aufgrund der besonderen Eigenschaften und Effekte der kalt fließgepressten LED-Kühlkörper um 30 % über der von Strangpress- und um 40 % über der von Druckgusskühlkörpern mit den gleichen Dimensionen liegt.

Richtige Kühlung sorgt für dauerhafte Leuchtleistung

„Überdies erhöht natürlich die Rippenstruktur die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers und beschleunigt damit die Wärmeableitung deutlich. Die Hochleistungskühlkörper können wesentlich kleiner dimensioniert werden. Sie benötigen weniger Platz und eignen sich auch für schwierige Einbausituationen“, erklärt Wilfried Schmitz, Geschäftsführer der Contrinex GmbH CTX Thermal Solutions (CTX).

Das Nettetaler Unternehmen ist Spezialist auf dem Gebiet applikationsspezifischer Kühllösungen und liefert passive und aktive Kühllösungen für LED-Anwendungen im Innen- und Außenbereich. Dazu zählen neben Standardkühlkörpern vor allem kunden- und projektspezifisch angepasste LED-Kühlungen wie die individuellen Stift- und Rippenkühlkörper. Denn obwohl ihr Wirkungsgrad deutlich über dem herkömmlicher Glühlampen liegt, wandeln Leuchtdioden je nach Farbe und Lichtstärke immer noch 75 bis 85 % der aufgenommenen Leistung in Wärme um. Nur der Rest wird als Licht abgestrahlt. Bei Glühlampen werden über 95 % des Stroms in Wärme und maximal 5 % in Licht umgewandelt.

Daher leisten diese speziellen Kühllösungen einen entscheidenden Beitrag zur langen Lebensdauer und einwandfreien Funktion der Halbleiterleuchten. Abhängig von der abzuführenden Wärmemenge können die Stift- bzw. Rippenkühlkörper entweder mit freier oder aber mit erzwungener Konvektion, also in Kombination mit einem Lüfter, eingesetzt werden.

Simulation hilft, Kosten zu senken

Bei der Auslegung und Gestaltung eines maßgeschneiderten LED-Kühlkörpers gilt es, verschiedene Faktoren zu berücksichtigen: Neben der Leistungsaufnahme und damit der Verlustwärme spielen auch die Größe des Halbleiterkristalls, die Leuchtdiodengeometrie und -halterung sowie die Umgebungsvariablen (Temperaturen, Vibrationen, Luftfeuchte etc.) eine wichtige Rolle. Dabei werden auf Basis der Kundendaten mögliche Designs und Technologien ausgewählt, thermische Simulationen durchgeführt und danach die Entscheidung für die geeignete Kühl- und Befestigungslösung getroffen, die dann in Produktion geht.

Durch die Simulation lassen sich die zu erzielende Kühlleistung sowie die erforderliche Dimensionierung überprüfen. Ergibt sich dabei, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, der Stift- oder Rippenstruktur oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, so spart dies in nicht unerheblichem Maß Material und senkt die Fertigungskosten. Zudem entfällt oder reduziert sich durch die Simulation der kostspielige Part der Prototypenfertigung.

Aufgrund dessen erzielt CTX inzwischen den überwiegenden Teil des Kühlkörpergeschäfts mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten – auch im noch jungen Geschäftsbereich LED-Kühlung. CTX-Kühlkörper finden sich nicht nur in Leuchtdioden, sondern auch in weißer wie in brauner Ware, in der Automobilelektronik und im Bereich der regenerativen Energien sowie in industriellen Netzteilen, Computern und in der Signal- und Haustechnik. Die Kühlkörper reichen von den nur wenigen Millimeter großen und einigen Gramm leichten Kühlelementen für LEDs bis zu 2 m langen und 200 kg schweren Kühlkörpern für Wechselrichter in der Eisenbahntechnik. I

Electronica, Halle B1, Stand 560