Beiträge zur thermischen Auslegung von Automobilscheinwerfern

In der vorliegenden Arbeit wird der Wärmetransport in Automobilscheinwerfern numerisch und experimentell untersucht. Die Scheinwerfer unterteilen sich dabei in Bezug auf die Lichtquelle in zwei Klassen: Scheinwerfer mit Halbleiter-Lichtquellen (Light-Emitting-Diodes) und Scheinwerfer mit Temperaturstrahlern (Halogen-Glühlampen). Das Auslegungskonzept beider Klassen unterscheidet sich grundlegend. Deshalb entstehen für die Arbeit zwei Schwerpunkte: Die optimale Kühlung von Halbleiter-Lichtquellen im Scheinwerfer und die Verminderung von lokalen Überhitzungen an der Abdeckscheibe von Scheinwerfern mit Temperaturstrahlern, sogenannten Hot-Spots. Halbleiter-Lichtquellen werden zum verbesserten Wärmetransport mit Kühlkörpern versehen. Sind diese im geschlossenen Gehäuse des Scheinwerfers platziert, muss die Wärme vom Kühlkörper an die Innenluft des Scheinwerfers und von dort an die Gehäusewand abgegeben werden. Der erste Teil der Arbeit untersucht den Einfluss der erzwungenen und gemischten Konvektion auf den Wärmetransport von Kühlkörper zu Gehäuse und vergleicht ihn mit dem Einfluss der natürlichen Konvektion im geschlossenen Scheinwerfergehäuse. Im Gegensatz zu bestehenden Studien wird die erzwungene Konvektion zur Erhöhung des Wärmeüberganges am Kühlkörper und dem Gehäuse genutzt und nicht zum Abtransport von erwärmten Fluid. Der Einsatz der gemischten Konvektion erhöht den Wärmetransport im untersuchten Modell um mehr als 50% gegenüber natürlicher Konvektion. Der Wärmetransport kann durch Positionierung der Wärmequelle in der Hauptströmung, durch Vergrößerung der Gehäusefläche und durch den Einsatz eines Abdeckrahmens maximiert werden. Wird der Kühlkörper anstelle einer ebenen Platte durch eine Oberfläche mit Rippen ersetzt, erhöht sich der Wärmetransport maximal um den Faktor 2,2. Behindern benachbarte Bauteile das kühlende Fluid am Zu- und Abströmen vom Kühlkörper, so wird der Wärmetransport stark reduziert. Der Abstand und die Größe der Begrenzungen vermindern den Wärmetransport im untersuchten Parameterbereich für natürliche Konvektion um bis zu 65%. Die Untersuchungen werden numerisch durchgeführt und mit Modellexperimenten validiert. Die Entstehung des Hot-Spots an der Abdeckscheibe von Scheinwerfern wird im zweiten Teil der Arbeit studiert. Anhand eines experimentellen Aufbaus kann der Druck innerhalb eines Scheinwerfermodells reduziert werden und somit erlauben die Experimente die Variation der Rayleigh-Zahl über sechs Größenordnungen. Dies mindert den Einfluss des konvektiven Wärmetransportes stark und die Kopplung von Konvektion und Strahlung wird direkt beeinflusst. Die gefundenen Ergebnisse erweitern die wenigen, in diesem Parameterbereich verfügbaren Literaturdaten erheblich. In den Experimenten werden die Rayleigh-Zahl, Abstand von Reflektor und Abdeckscheibe und Emissionskoeffizient des Reflektors als Kennzahlen des Modells ermittelt. Begleitende numerische Simulationen bilden die Strömungsverhältnisse innerhalb der Geometrie nach und erklären die auftretenden Effekte. Eine zweite numerische Studie untersucht ein Modell der Abdeckscheibe, die alle vorher variierten Parameter in sich vereint. Weitere Parameter der Abdeckscheibe, wie die Scheibendicke, werden so in die Untersuchungen aufgenommen. Das Modell ist mit dem einer ebenen Platte, mit diskreter Wärmequelle und gekoppeltem Wärmetransport auf zwei Seiten vergleichbar und stellt eine neuartige Kombination zum Studium des Wärmetransportes dar. Es kommt außerdem ohne die Benutzung eines Strahlungsmodells für gerichtete Strahlung aus.