elektronikJOURNAL

E-Mechanik + Kühlung
Simulation
Schneller fertig
Thermische Simulation von UHP-Lampen beschleunigt die Entwicklung
Philips Applied Technologies unterstützt die internen Produktabteilungen von Philips bei der Entwicklung und
Optimierung von Prozessen und Produkten. Bei Problemen mit der Fluid-Wärmekopplung, (Mikro-) Strömungstechnik,
Phasenübergänge und Multiphysics kommt die Software von CD-Adapco zum Einsatz. In diesem Artikel
geht es um die Modellierung von Ultrahochdrucklampen (UHP).
Autor: Sergei Shulepov
Bild 1: Da die UHP-Lampe in ihrem
Inneren sehr hohe Temperaturunterschiede
aufweist, findet eine
starke Luftumwälzung statt.
Bild 2: Thermische
Konvektion findet auch um
die UHP-Lampe herum statt.
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Alle Bilder: Philips
UHP-Lampen bestehen aus einem Brenner, einem Reflektor
und einer Abschlussscheibe aus Glas. Die geschlossene
UHP-Lampe besitzt zwei elektrische Kontakte (vorne und
hinten) und der Brenner ist mit Zement aus einer speziellen
Zusammensetzung im Reflektor befestigt. Normalerweise verbrauchen
diese Lampen 120 bis 150 W und werden entweder mit
parabolischen oder elliptischen Reflektoren hergestellt. Für spezielle
Zwecke produziert Philips aber auch Lampen mit einer anderen
Reflektorform und einem anderen Stromverbrauch.
Spezielle UHP-Lampen sind zum Beispiel für Rückprojektions-
TV und Beamer nötig. Derzeit gibt es einen deutlichen Trend hin
zur Miniaturisierung. Um die Lebensdauer und Sicherheit von
kleineren Produkten zu verbessern, muss der Hersteller den Wärmetransferhaushalt
seiner Lampen gut untersuchen und das Wärmetransferverhalten
in der Anwendung umfassend kontrollieren.
Die Brenner-Physik der UHP-Lampen ist in [1] beschrieben; bei
der Modellierung konnte Philips Applied Technologies die Ergebnisse
der Entwicklungen von Philips Research aus Aachen nutzen.
Statt die elektrische Entladung des Brenners zu modellieren, konnte
das Team als Input die Energie-/Wellenlängenverteilung der
Strahlung einsetzen, die aus einer solchen Modellierung folgt.
Der UHP-Brenner besteht aus Quarz-Material, das semitransparent
für Plasmastrahlung ist. Quarz absorbiert Licht normalerweise
ab einer Wellenlänge von 4 mm, es ist also auch semi-transparent
für Infrarotstrahlung. Folglich wird die Phonon-Wärmeleitfähigkeit
durch die Photon-Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen
verbessert (typischerweise bei über 250 °C). Bei optisch dicken
Materialien beschreibt der Roseland-Ansatz das Phänomen sehr
gut. Bei optisch dünnen Materialien ist der Effekt vernachlässigbar.
Dummerweise sind Quarzbrenner weder optisch dick noch optisch
dünn: Um das Phänomen dennoch zu beschreiben, verwendet
Philips Applied Technologies ein internes semi-phänomenologisches
Model, das in Zusammenarbeit mit Philips/Central Develpment
of Lamps (CDL) entwickelt wurde.
Thermische Konvektion
Auf die innere Oberfläche des Reflektors wird eine optisch reflektierende
Schicht aufgetragen. Sie spiegelt den sichtbaren Teil der
Strahlung, die aus dem Brenner kommt, ist aber semitransparent
für das restliche Strahlenspektrum. Diese Eigenschaft kann man
mit dem Lambert-Beerschen Gesetz beschreiben: ein Bruchteil der
gesamten Energie, die in Materialien aufgenommen wurde, ist proportional
zu e -ax , wobei a eine effektive Dämpfungskonstante und x
die Wellenlänge ist, die durch das Material geht. Diese Absorption
wurde, basierend auf der vorgegebenen Geometrie, im CFD-Code
von CD-Adapco implementiert.
Ferner ist es derzeit nicht möglich, gerichtete Strahlung innerhalb
des Codes zu modellieren. Deshalb wurde die optische Analysesoftware
ASAP [2] für das Raytracing verwendet, um mögliche
Hotspots zu identifizieren, die auf gerichtete Reflexionen zurückzuführen
sind. Die Ergebnisse haben die Ingenieure in volumetrische
Quellen übersetzt und zur Verfeinerung in das CFD-Modell
einbezogen. Alle thermischen Eigenschaften von Materialien sind
nichtlineare Funktionen der Temperatur. Luft wurde als ideales
Gas modelliert, wobei alle Eigenschaften von der Temperatur abhängig
sind.
Numerische Umsetzung
Die Temperatur in geschlossenen UHP-Lampen kann sehr hoch
sein. Die äußere Oberfläche des Brenners erreicht bis zu 1000 °C,
wobei die typische Temperatur an der äußeren Oberfläche des Reflektors
300...350 °C betragen kann. Der kälteste Bereich des Reflektors
hat nur 180...200 °C. Daher findet in einer geschlossenen
UHP-Lampe eine starke Luftumwälzung statt (Bild 1). Andererseits
kann die thermische Konvektion um die äußere Oberfläche
des Reflektors herum instabil sein (Bild 2), insbesondere um den
Reflektorhals, wo der Temperaturgradient am größten ist. Insgesamt
bedeutet dies, dass die Modellierung der Funktion der Lampe
unter stationären Bedingungen ziemlich schwierig sein kann.
20 elektronikJOURNAL 04/2013
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