Abstract The present work investigates the heat transfer in automotive headlights numerically and experimentally. The headlights can be divided into two main groups: Headlights with semiconductor light sources (Light Emitting Diodes) and headlights with thermal radiating light sources (halogen bulbs). Since the thermal design of both groups is fundamentally different, this work focuses on two main points: First the optimal cooling of semiconductor light sources operating inside the headlight housing is investigated. Secondly the prevention of high temperature spots at the lens of an automotive headlight, so called hot-spots, is studied while using thermal radiating light sources. For improved cooling, semiconductor light sources are equipped with heat sinks which are enclosed by the headlight housing. The heat is transferred from the heat sink to the enclosed air of the headlight and further to the headlight walls. Therefore, to improve the heat transfer the investigation focuses on the effect of forced and mixed convection as compared to natural convection heat transfer. Unlike previous studies, the mixed convection flow is used to improve the heat transfer at the wall and not to remove hot fluid. If mixed convection is applied, the heat transfer is improved as much as 50% compared to natural convection. Positioning the heat source in the main stream, enlarging the housing area, and using bezels serve to enhance the heat transfer. Compared to the flat plate, using fins for surface enhancement increases the heat transfer by the factor 2.2. If the fluid flow to and from the heat sink is retarded by adjacent parts, the heat transfer is strongly reduced. Within the parameter range of the present investigation, the heat transfer by natural convection is reduced up to 65%. The numerical investigations are validated by experiments. The development, particularly of the temperature and position of the hot-spot, is the main focus of the second part of the present work. A headlight model has been developed allowing for the reduction of the inside pressure. The Rayleigh number varies over six orders of magnitude within the experiments limiting convection and influencing the coupling of convection and radiation heat transfer. The results provide new experimental data which is rarely found in literature. The Rayleigh number, the distance between the reflector and the lens, and the emission coefficient of the reflector have been found to be the important parameters for the model. The flow field inside the headlight is numerically reproduced and important effects are revealed and discussed. A second numerical study investigates a simplified model of the lens which combines all previously discussed parameters. Therefore, supplementary parameters such as the thickness of the lens have been included in the investigation. The model is similar to the vertical flat plate with a discrete heat source and conjugated heat transfer on both walls. This is a novel geometry for the investigation of heat transfer and provides new results in the field of heat transfer. The approach of the numerical study does not need a numerical model for specular reflected radiation.
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.