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Hallo zusammen,

ich bin gerade dabei eine thermische Simulation einer LED-Leuchte durchzuführen. Dabei befinden sich 3 LEDs (Abstand 20 mm) auf einer 60 mm langen Alu-Platine, die wiederum in einem gleich langen U-Profil, das als Kühlkörper dient, liegt. Anfangs habe ich über den Studien-Berater in SolidWorks eine thermische Studie dazu gestartet und dabei sowohl die Verbindungen angegeben: 1x Komponentenkontakte (Globaler Kontakt) und 1x Kontaktsätze, in dem ich die thermischen Widerstände, wie sie im Datenblatt der LED angegeben sind, an den jeweiligen Flächenübergängen eingetragen habe. Anschließend noch die Wärmelasten definiert: Die Konvektion (15 W/(m²*K), für freie Konvektion und 298 K Masseumgebungstemperatur) wurde über alle exponierten Flächen angewendet; eine Wärmeleistung von 2,24 Watt (was der Verlustleistung, wie sie im Datenblatt erläutert ist, entspricht) wurde in einem kleinen Volumen in der Mitte der LED angewendet. Als Materialien habe ich die SolidWorks vordefinierten Materialien übernommen. Als Ergebnis der Simulation erhalte ich Maximaltemperaturen von über 160 °C, die kältesten Bereiche sind immer noch 50 °C heiß. Das U-Profil hat dabei eine Temperatur von ca. 80 °C. Zumal ich denke, dass ein Konvektionskoeffizient von 15 schon fast zu hoch gewählt ist für eine freie Konvektion.
Dann habe ich eine Heat Conduction Simulation mit FlowWorks gemacht. Dabei habe ich das gleiche Model verwendet und die Einstellungen vorgenommen, die der oberen Beschreibung entsprechen: Heat conduction in solids, 2,24 W Leistung pro LED, Umgebungstemperatur von 298 K, Luft als Fluid, die Materialien vom Model. Simuliert wurde das Ganze in einem ca. 28x22x22 cm³ großem Volumen, was denke ich völlig ausreichend ist. Allerdings erhalte ich nach 80 Iterationen eine Maximaltemperatur von 85 °C und eine Kühlkörpertempertur von ca. 70 °C, was mir wiederum zu hoch erscheint.

Neben meiner generellen Frage, ob Ihr vielleicht wisst, was da bei dieser Simulation schief gelaufen sein könnte, würde mich der Unterschied zwischen der thermischen Analyse über den Studienberater und der FlowSimulation (Heat Conduction) interessieren. Im Internet bin ich dazu leider nicht fündig geworden.

Also vielen Dank schon mal im Voraus... 

Grüße

phoney_caponey

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Hallo,
erstmal ist die LED richtig modeliert. Es scheint mir eine Power-LED zu sein. Hier mal eine Annahme von mir: Kunststoffklops 5x5x5mm³ darin sollte ein 4x4x2mm³ Kupferklops drin sein als Heat-Spreader der dann die Platine oder ähnliches berührt und dann noch das DIE mit der Verlustleistung ein sagen wir mal 0,5x0,5x0,5mm³ Krümel. Jetzt noch wichtig zwischen DIE und Heatspreader ein thermal contact resistance (TCR) um den thermischen Widerstand junction-case nach zubilden.
So jetzt weiß man aber nicht was für einen Wert der TCR haben soll  .
Also baut man einen kleinen Test auf. Man nimmt die LED und positioniert sie auf einem 0°C fix Temperatur Block mit bisschen Rechenraum drumrum das auch 0°C Ambient hat. Nun wird die Verlustleistung auf 1W gesetzt und solange mit dem TCR gespiet bis der thermische Widerstand junction case erreicht ist. Z.B. Rthjc 10K/W das bedeutet der DIE krümel muss sich auf +10°C erwären dann stimmts.
Bei Fragen fragen 
Schöne Grüße
Torsten aus Muc

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Hallo,
erst mal ist die LED richtig modelliert. Es scheint mir eine Power-LED zu sein. Hier mal eine Annahme von mir: Kunststoffklops 5x5x5mm³ darin sollte ein 4x4x2mm³ Kupferklops drin sein als Heat-Spreader der dann die Platine oder ähnliches berührt und dann noch das DIE mit der Verlustleistung ein sagen wir mal 0,5x0,5x0,5mm³ Krümel. Jetzt noch wichtig zwischen DIE und Heatspreader ein thermal contact resistance (TCR) um den thermischen Widerstand junction-case nach zu bilden.
So jetzt weiß man aber nicht was für einen Wert der TCR haben soll  .
Also baut man einen kleinen Test auf. Man nimmt die LED und positioniert sie auf einem 0°C fix Temperatur Block mit bisschen Rechenraum drum rum das auch 0°C Ambient hat. Nun wird die Verlustleistung auf 1W gesetzt und solange mit dem TCR gespielt bis der thermische Widerstand junction case erreicht ist. Z.B. Rthjc 10K/W das bedeutet der DIE Krümel muss sich auf +10°C erwärmen dann stimmt’s.
Bei Fragen fragen 
Schöne Grüße
Torsten aus Muc
2ter Versuch

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Hallo Torsten,

vielen Dank für die schnelle und hilfreiche Antwort. Ich habe heute mal deine Vorgehensweise modelliert. Habe meine LED auf einen Aluminium-Block gesetzt mit Temperatur 0 °C fix und 0° C Umgebungstemperatur. Da ich meine LED ziemlich genau nach den Herstellerdaten modelliert habe (Philips Luxeon Rebel), habe ich auch 2 thermische Widerstände betrachtet: Einmal der Übergang von Junction zum Thermal Pad (R_J-Thermalpad = 10 K/W) und einmal der Übergang vom Thermal Pad zum Board (R_Thermalpad-Board = 7 K/W). Da nach einer Beschreibung des Herstellers bzgl. "Thermal Modelling" die beiden thermischen Widerstände als Reihenschaltung verstanden werden können, ergibt sich ein Gesamtwiderstand von R_J-B = 17 K/W. Jetzt habe ich so lange an den beiden Widerständen in Flow Simulation gedreht bis am Ende eine Änderung der Temperatur um 17 K in der Junction angezeigt wurde.
Zwar zeigt er mir jetzt eine Kühlkörpertemperatur von 80 °C an, aber das werde ich einfach mal so hinnehmen und morgen noch ein wenig an der Anordnung der LEDs rumspielen.

Aber jetzt würde ich doch noch zu gerne wissen, was der Unterschied zwischen der thermischen Analyse über den Studienberater und der Analyse in Flow Simulation ist. Im Studienberater muss nämlich noch eine Angabe zur Konvektion gemacht werden, die in der Flow Simulation anscheinend schon als bekannt vorausgesetzt wird.
Oder kurz gefragt: Wann würdest Du den Studienberater verwenden und wann die Flow Simulation?

Viele Grüße (übrigens auch aus MUC) und nochmals vielen Dank! 

Daniel

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Moin,
naja die thermische Analyse mit dem Studienberater ist wenn du kein FlowSim hast, da hier wie du schon geschieben, der Alpha-Wert (Wärmeübergangskoeffizient) nach gut dünken und schätzen eingegeben wird. In FlowSim werden diese Daten konkret berechent da hier wirklich Luft stömt und beschleunigt wird und so. Also wenn man kein FlowSim hat dann als "not"Lösung die thermische Analsys, aber wenn es genauer sein soll dann doch bitte FlowSim.
Grüße
Torsten aus Muc

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Zitat:

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Original erstellt von phoneycaponey:
Aber jetzt würde ich doch noch zu gerne wissen, was der Unterschied zwischen der thermischen Analyse über den Studienberater und der Analyse in Flow Simulation ist. Im Studienberater muss nämlich noch eine Angabe zur Konvektion gemacht werden, die in der Flow Simulation anscheinend schon als bekannt vorausgesetzt wird.
Oder kurz gefragt: Wann würdest Du den Studienberater verwenden und wann die Flow Simulation?

Viele Grüße (übrigens auch aus MUC) und nochmals vielen Dank!  

Daniel[/B]

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Hallo Daniel,

wie Thorsten schon ausführte...

COSMOS erwartet von Dir als Eingangsdaten Angaben zur Konvektion - das ist der Dreh- und Angelpunkt dessen, was Du eigentlich berechnen willst und damit wenig hilfreich.

FlowSim hingegen bildet die tatsächlichen physikalischen Vorgänge nach - angefangen von der Wärmefreisetzung im Die mit Wärmeleitung durch und über die verschiedenen Materialien wie Heat-Spreader, Wärmeleitpaste, Kühlkörper und - ganz wichtig - Wärmeabfuhr vom Kühlkörper durch Strahlung und (natürliche oder erzwungene) Konvektion im Schwerefeld der Erde.

Der letzte Punkt ist eine Herausforderung

- für die Software, weil eine starke und gar nicht triviale Wechselwirkung zwischen Wärme- und Stofftransport besteht

- und für den Simulanten, weil eine Vielzahl von Parametern bekannt und korrekt angesetzt sein will, die das Eregebnis beeinflussen, nämlich (ohne Anspruch auf Vollständigkeit):
+ thermische Eigenschaften des Kühlkörpermaterials
+ der Emissionskoeffizient aller Oberflächen, die im Strahlungsaustausch mit der Umgebung stehen
+ die beiden obigen Parameter für die Umgebung des Kühlkörpers
+ Einbaulage
... und das alles für das gesamte betrachtete Temperaturintervall (manches davon ist temperaturabhängig)
+ Randbedingungen wie Umgebungstemperatur und äußere Anströmung

Besonders bei üblichen Kühlkörpergeometrien und natürlicher Konvektion können dann noch die simulationstechnischen Parameter wie

+ hinreichend groß dimensionierte computational domain
+ hinreichend feine Auflösung, besonders zwischen den Rippen des Kühlkörpers

entweder die Hardware schnell an ihre Grenzen führen oder im umgekehrten Fall Artefakte produzieren, die das Ergebnis unbrauchbar werden lassen

Will heißen:

Ich verwende nun FlowSim seit 10 Jahren. Ich begegne Simulationsergebnissen speziell dieser Aufgabenstellung noch immer mit größter Vorsicht und größtem Mißtrauen.

Trotzdem: Viel Erfolg!!

Gruß

Ron

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Hallo zusammen,

vielen Dank für eure Hilfe! Die Simulation liefert nun ziemlich realitätsnahe Werte. Wir verifizieren gerade die Daten mit einem realen Versuchsaufbau, da wir mit Simulationen praktisch noch keine Erfahrung haben und der selben Meinung wie Ron sind:

Zitat:

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Ich begegne Simulationsergebnissen speziell dieser Aufgabenstellung noch immer mit größter Vorsicht und größtem Mißtrauen.

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...Nicht, dass uns danach noch die Bude abfackelt 

Viele Grüße aus MUC

Daniel

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