Entwärmung in der Lichttechnik

Längst schon ist der Siegeszug der LED-Technik in den westlichen Industrienationen nicht mehr zu stoppen. Immer mehr Unternehmen, Kommunen und Privathaushalte, aber auch ganze Industriezweige rüsten Ihre Technik um. Alte Dampflampen, Glühfadenbirnen oder Neonbeleuchtungen werden ausgetauscht gegen sparsamere und langlebigere Beleuchtungen.

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Die Umrüstung auf LED-Technik kostet zunächst vor allem eine Menge Geld, selbst wenn man „nur“ die klassischen „Neonröhren“ gegen solche mit LED-Streifen austauscht. Daher besteht ein berechtigtes Interesse daran, dass solch eine Investition sich auch langfristig bezahlt macht (ROI). 

Zwei Faktoren sind dafür maßgeblich entscheidend: der geringere Strombedarf bei gleicher Lichtausbeute (oder eine größere Lichtausbeute bei gleichem Strombedarf) und die große Lebensdauer. Denn auch der Service zum Austausch einer ausgefallenen Lampe kann ziemlich teuer sein – man denke nur mal an sehr hohe Hallendächer oder abgelegene Strassenbeleuchtungen.

LED-Beleuchtungen bringen ideale Voraussetzungen mit, durch Stromeinsparungen und lange Lebensdauer eine Umrüstung zu rechtfertigen. Zusätzliche Betriebsarten wie z.B. gedimmtes Leuchten während Zeiten, in denen niemand im Leuchtbereich der Lampe ist oder sogar gänzliches Abschalten sind da noch gar nicht berücksichtigt.

Doch die eigentliche Lichtquelle – der Halbleiterkristall – ist so winzig, dass selbst die bessere Stromnutzung bei der Lichterzeugung eine starke Wärmeentwicklung verursacht. Auf Chip-Ebene sorgen Hersteller für eine gute Entwärmung. Allerdings müssen diese Cip-Module dann an größere Wärmesenken angebunden werde.

Lebensdauer von LED-Leuchten für z.B. Straßenbeleuchtung, Industriebeleuchtung, Kommunalbauten

Zu große Wärme reduziert zunächst die Lichtleistung, verändert mittelfristig die Farbtemperatur und verkürzt langfristig signifikant die Lebensdauer einer LED-Beleuchtung. Daher muß man bei der Konzipierung einer LED-Beleuchtung einiges beachten. Denn alle Maßnahmen ausserhalb des Chip-Designs (z.B. MCPCB, Metal Core PCB) sollten auf eine ausreichende Wärmeleitung, Konvektion und ggf. auch Wärmestrahlung ausgelegt werden. Die maximale Umgebungstemperatur spielt eine Rolle genauso wie die Lage des LED-Konstantstromtreibers oder die Art der Belüftung bzw. forcierten Kühlung.

Hersteller qualitativ wertige Lampe auf Basis von Hochleitungs-LED werden also ihren Wärmepfad so auslegen, dass eine übermäßige Wärmeentwicklung verhindert wird. Denn eine langlebige Lampe reduziert Servicekosten und Kapitalkosten. Schlussendlich wird dadurch die Zufriedenheit der Kunden erhöht und die Bereitschaft gestärkt, einen höheren Preis zu zahlen.

Wärmeleitende Produkte für den Wärmepfad

CMC Klebetechnik hat für die thermische Anbindung der verschiedenen Komponenten im Wärmepfad diverse Produkte im Programm:

A. Galvanische Trennung notwendig

a. Kapton® MT-Folien

Kapton® ist der Handelsname von DuPont für Polyimid-Folien mit herausragenden Eigenschaften. Die Variante Kapton® MT ist wärmeleitend ausgerüstet.

  • sehr hoher Spannungsfestigkeit

  • gute Wärmeleitung

  •   sehr geringer Materialstärke (sehr direkte Anbindung an Wärmesenke, Kühlkörper)

Um thermische Verwindungen und leichte Oberflächenrauigkeiten auszugleichen oder um eine leichtere Vormontage zu ermöglichen, sind diese Folien beschichtet. Diese Beschichtungen reduzieren zudem wesentlich den thermischen Übergangswiderstand. Denn im Wärmepfad eingeschlossene Luft an Materialübergängen wirkt wie ein thermischer Isolator.

  • Wärmeleitende Klebstoffe (Vormontage)

  • Phase-Change-Beschichtungen (sehr dünn, gut wärmeleitend, schmilzt ab etwa 55°C auf)

  • Beschichtung mit wärmeleitendem Silikon-Kautschuk (z.B. Schutz vor Metallspänen)

b. Silikonfolien, Gapfiller

Wärmeleitende Folien ab 0,2 mm Stärke (mit mechanisch stabilisierendem Glasgewebe) bis 5 mm zum Überbrücken größerer Abstände und bei strukturierten Oberflächen. Unterschiedliche Shore-Härte und Wärmeleitfähigkeit sowie unterschiedliche Spannungsfestigkeit sind möglich.

  • Gleichen größere Toleranzen aus

  • Passen sich gut an rauere Oberflächen an

  • Anbindung unterschiedlich hoher, thermisch belasteter Bauteile an Kühlkörper

  • Gute Spannungsfestigkeit

B. Nicht elektrisch trennend

So genannten Transfer-Klebebänder aus wärmeleitenden Materialen können eingesetzt werden als Ersatz für Wärmeleit-Pasten und dispensierbare Gapfiller. Das Material wird auf eine Trägerschicht beschichtet und transferiert bei Lamination z.B. auf den Kühlkörper. Wärmeleitende Transfer-Kleber verbinden hohe Klebkraft mit guter Wärmeleitung, so dass ggf. keine zusätzlichen mechanischen Befestigungen notwendig sind.

  • Trägerloses PCM (Phase-Change Material), sehr dünn, daher gute thermische Anbindung

  • Trägerlose, wärmeleitende Transferklebebänder, dünn, gut wärmeleitend, hervorragende Klebkraft

Vor allem für die Wärmespreizung können auch direkt Metallfolien (Kupfer, Aluminium) verwendet werden. Für eine einfachere Montage werden diese bei Bedarf mit einem wärmeleitenden Kleber ausgerüstet.

Nahezu alle Materialien können als Rolle, Bogen oder Formstanzteil geliefert werden. Erstbemusterungen können z.B. auf unserem Pilotcoater oder auf Schneidplottern (Stanzteile) hergestellt werden.