Thermische Kühlung im Leuchten-Gehäuse

Merkle & Partner: Simulationsgestützte Produktentwicklung einer OP-Leuchte

Aufbau der OP-Leuchte mit integriertem Lüfter. (Bildquelle: @Merkle&Partner GbR)

In Operationssälen herrschen hohe Hygiene-Anforderungen. Nicht nur für Personal oder Lüftung- und Klima. Auch für die dort eingesetzten Geräte. So müssen OP-Leuchten strenge Vorgaben erfüllen. Unter diesen besonderen Bedingungen entwickelte Merkle & Partner (https://www.merkle-partner.de/de/) auf Basis einer strömungsorientierten Simulationsberechnung gemeinsam mit einem Leuchten-Hersteller ein internes Kühlkonzept für eine OP-LED-Leuchte.

Grundlegend wäre es ein Einfaches, einem Produkt wie einer Leuchte mehr Oberfläche zu geben, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu erhöhen. Jedoch sind bei Leuchten, die in Operationssälen eingesetzt werden, beispielsweise gerippte Oberflächen nicht erlaubt, da unter anderem eine unkontrollierbare Staubbildung vermieden werden muss. Die reinen, glatten Edelstahloberflächen der Leuchte dürfen auch nach außen hin keine Wärme abgeben oder Luftströmungen erzeugen. Da auch die Maße des Leuchtenkörpers nicht überdimensioniert werden können, musste eine neue Lösung für ein internes Kühlkonzept gefunden werden; auf Basis der Simulation über numerische Strömungsmechanik.

Hierbei wird die Leuchte inklusive aller Bauteile sowie deren Eigenschaften in einer Simulation abgebildet, um ein sinnvolles Kühlkonzept zu erarbeiten. Dabei wird nicht nur die Luftzirkulation im Inneren der Leuchte realitätsgetreu visualisiert, auch Temperaturunterschiede und -veränderungen bei sich ändernden Geometrien oder Lüftungsleistungen werden nachvollzogen.

Damit die Luft nicht nur bewegt, sondern gezielt zu den Wärmequellen gelenkt wird, wurde mittels einer Strömungsberechnung die notwendige Geometrie des internen Aufbaus der Leuchte optimiert. Auch die Platzierung von Bauteilen zur optimalen Wärmeverteilung innerhalb der Leuchte wurde optimal ausgelegt. Die OP-Leuchte bietet so ein internes Kühl-Konzept, das so gut ausgelegt ist, dass die Leuchte sämtliche Anforderungen für den Einsatz im Operationssaal erfüllt.

„Wirtschaftlich, zeitlich aber auch funktional bietet die Konzeption mittels numerischer Strömungsmechanik (CFD = Computational Fluid Dynamics) die optimale Lösung“, so Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner GbR (https://www.merkle-partner.de/de/). „Über digitale Versuchsmodelle lassen sich so sinnvolle, aber auch weniger sinnvolle Wege früh erkennen und innovative Kühlkonzepte entwickeln. Dabei geht es längst nicht mehr nur um die zeitliche Ersparnis, die Simulationsberechnungen bieten. Sondern es können digitale Konzepte entwickelt werden, die vielleicht über Real-Versuche nicht entdeckt worden wären.“

Das Ingenieurbüro Merkle & Partner GbR in Heidenheim wurde 1989 von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet und zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftlicher Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Wolfsburg, Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtueller Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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