Bild 1: Dieser Rückprojektions-TV verwendet UHP-Lampen, um das Bild auf den Schirm zu projizieren. Dabei ist das Wärmemanagement innerhalb der Lampe entscheidend.

Bild 1: Dieser Rückprojektions-TV verwendet UHP-Lampen, um das Bild auf den Schirm zu projizieren. Dabei ist das Wärmemanagement innerhalb der Lampe entscheidend.Philips

UHP-Lampen bestehen aus einem Brenner, einem Reflektor und einer Abschlussscheibe aus Glas. Die geschlossene UHP-Lampe hat zwei elektrische Kontakte (vorne und hinten) und der Brenner ist mit Zement aus einer speziellen Zusammensetzung im Reflektor befestigt. Normalerweise haben Lampen dieser Art einen Stromverbrauch von 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 (Bild 1) 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, und bei der Modellierung konnte Philips Applied Technologies die Ergebnisse der Entwicklungen von Philips Research (Aachen) nutzen. Das Team musste daher nicht die elektrische Entladung des Brenners modellieren, sondern konnte als Input die Energie-/Wellenlängenverteilung der Strahlung einsetzen, die aus einer solchen Modellierung folgt.

Referenzen

[1] H. Moench, Optical Modeling of UHP lamps, Modeling and Characterization of Light Sources (Optische Modellierung von UHP-Lampen, Modellierung und Charakterisierung von Lichtquellen), Proceedings of SPIE, Bd. 4775, 2002.

[2] Breault-Forschung

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 reflektiert den sichtbaren Teil der Strahlung, die aus dem Brenner kommt, ist aber semitransparent für das restliche Strahlenspektrum. Die Semitransparenz des Reflektors und des Brenners 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.

Bild 2: Da die UHP-Lampe in ihrem Inneren sehr hohe Temperaturunterschiede aufweist, findet eine starke Luftumwälzung statt.

Bild 2: Da die UHP-Lampe in ihrem Inneren sehr hohe Temperaturunterschiede aufweist, findet eine starke Luftumwälzung statt.Philips

Numerische Umsetzung

Die Temperatur in geschlossenen UHP-Lampen kann ziemlich 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 ist aber nur 180…200 °C heiß. Daher findet in einer geschlossenen UHP-Lampe eine starke Luftumwälzung statt (Bild 2). Andererseits kann die thermische Konvektion um die äußere Oberfläche des Reflektors herum instabil sein (Bild 3), 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.

Bild 3: Thermische Konvektion findet auch um die UHP-Lampe herum statt.

Bild 3: Thermische Konvektion findet auch um die UHP-Lampe herum statt.Philips

Wegen der Lampendimensionen verwendete Philips Applied Technologies für die Berechnungen ein Low-Reynolds-Turbulenzmodell. Die Ingenieure haben herausgefunden, dass das k ε-Modell mit Low-Re-Ansatz recht gute Ergebnisse liefert. Letztendlich wurde die Standardversion dieses Modells verwendet, die die beste Genauigkeits-/Geschwindigkeitsleistung lieferte. Bild 3 zeigt die Temperaturverteilung um eine geschlossene UHP-Lampe. Man sieht, dass es typischerweise zwei Wärmefahnen gibt: eine aus dem vorderen Glas der geschlossenen Lampe und eine weitere um den Lampenhals. Diese Abbildungen zeigen eine Momentaufnahme einer isothermischen Oberfläche (bei 80 °C) zum Kennzeichnen der Temperaturverteilung in der Wärmefahne.

Bild 4a: Simulation der Temperatur auf der Reflektor-Oberfläche.

Bild 4a: Simulation der Temperatur auf der Reflektor-Oberfläche.Philips

Ergebnisse

Bild 4a und 4b vergleichen die Temperaturverteilung auf der äußeren Oberfläche eines Reflektors, die aus den Simulationen erhalten (4a) und experimentell gemessen (4b) wurde. Die Experimente wurden unter Verwendung einer AGEMA900-Infrarotkamera durchgeführt, die mit einem Infrarotfilter mit einer Grenzfrequenz unter 4,7 mm ausgestattet ist. Dieser Aufbau stellt sicher, dass die Temperatur der Oberfläche eines semitransparenten Materials gemessen und nicht von der Wärmestrahlung beeinflusst wird. Die Messungen wurden unter Verwendung von herkömmlichen Thermoelementen geprüft.

Bild 4b: Die real gemessene Temperatur deckt sich sehr gut mit der Simulation (4a).

Bild 4b: Die real gemessene Temperatur deckt sich sehr gut mit der Simulation (4a).Philips

Philips UHP/Turnhout hat ein spezielles Testprogramm entwickelt, um die wichtigsten thermischen Eigenschaften von geschlossenen UHP-Lampen zu kontrollieren. Dieses Testprogramm ermöglicht eine Bewertung der Lebensdauer des Produkts. Ein Vergleich der Modellergebnisse mit den Daten aus diesen Tests ergab, dass das entwickelte Modell die Temperaturverteilung in einer geschlossenen UHP-Lampe mit einer Genauigkeit von 5…7 % abbildet. Mithilfe dieses Modellansatzes wurde das Verhalten von UHP-Lampen in verschiedenen Anwendungsbereichen analysiert. So können Entwickler innerhalb kurzer Zeit optimale Kühlkonzepte für ihre Anwendungen entwerfen.

Schlussfolgerungen

Mittels CFD-Modellen, kombiniert mit experimenteller Validierung und Tests unter Fabrikbedingungen, kann man die Entwicklungszeit für ein optimiertes Produkt für neue Anwendungen deutlich reduzieren. Der Code von CD-Adapco bietet die Flexibilität für eine geometrische Modellierung, die in einer industriellen Umgebung erforderlich ist, in Kombination mit modernsten physikalischen Modellen im Bereich von CFD-Simulationen.

Diese Kombination ermöglicht die Simulation von winzigen Details, die für eine genaue Berechnung des Verhaltens wichtiger Produkteigenschaften notwendig sind. Damit konnte Philips Applied Technologies das thermische Verhalten komplexer Produkte wie geschlossener UHP-Lampen in verschiedenen Anwendungen mit einer Genauigkeit von über 7 % berechnen. Diese Genauigkeit ermöglicht eine virtuelle Entwicklung von neuen Produktgenerationen. So können Entwickler eine optimale Kühlung von Lampen in verschiedenen Anwendungen entwerfen.