Эффективность радиатора светодиода на тепловых трубках

Эффективная теплопроводность ТТ в сотни раз больше, чем теплопроводность меди.

В радиоэлектронной аппаратуре (далее РЭА) лишь несколько процентов энергии, подводимой от источника электропитания, расходуется на полезную обработку сигналов. Остальная часть энергии выделяется в виде теплоты. Температурный режим элементов РЭА является одним из основных факторов, ограничивающих уменьшение габаритов корпуса РЭА. Ряд узлов РЭА требует отвод дополнительного тепла (охлаждение), что приводит к увеличению веса и габаритов изделия.
На сегодняшний день развитие элементов устремлено к миниатюризации. Наиболее выразительно тенденцию можно наблюдать в производстве микропроцессоров и светодиодных матриц. Уменьшение геометрических размеров элементов приводит к увеличению плотностей их тепловыделения. Таким образом, актуальным становится вопрос повышения эффективности традиционных систем охлаждения (далее СО).

Теплопроводность. Конвекция. Излучение.

В настоящее время в практике проектирования РЭА используются различные методы обеспечения тепловых режимов, среди которых можно выделить воздушные, жидкостные, кондуктивные, испарительные, термоэлектрические, специальные и комбинированные СО.
Воздушные СО имеют большое распространение в РЭА, в частности для обеспечения нормального температурного режима светодиодных светильников применяют различного вида радиаторы. На рисунке 1 представлена тепловая схема соединения светодиода с радиатором ребристого типа.


Рис. 1 – Тепловая схема соединения светодиодной матрицы с радиатором
tj – температура кристалла матрицы,
tc – температура корпуса матрицы,
th – температура основания радиатора,
ta – температура окружающей среды,
Rj-c – тепловое сопротивление узла кристалл – корпус матрицы,
Rc-h – тепловое сопротивление узла корпус матрицы – основания радиатора,
Rh-a – тепловое сопротивление узла основание радиатора – окружающая среда,
Ф – тепловая мощность светодиодной матрицы

Максимальная рабочая температура полупроводникового кристалла светодиодной матрицы составляет 120 °C. Как видно из рисунка 1 температура кристалла светодиодной матрицы зависит от тепловых сопротивлений трех узлов системы: кристалл – корпус матрицы, корпус матрицы – основание радиатора, основание радиатора – окружающая среда. Тепловое сопротивление узла кристалл – корпус матрицы, как правило, определяется экспериментально производителем светодиодной матрицы и указывается в документации на изделие. Некоторые производители светодиодных матриц вместо тепловых сопротивлений корпус – кристалл матриц указывают в документации максимальные рабочие температуры корпуса матрицы, обычно она не превышает 85 °C.

Контактное тепловое сопротивление между матрицей и радиатором обусловлено микронеровностями соприкасающихся поверхностей, воздушные микрополости вместе контакта матрицы и радиатора создают зоны пониженной тепловой проводимости. Контактные тепловые сопротивления снижают за счет улучшения качества контактируемых поверхностей (снижение шероховатости и повышая параллельность контактируемых поверхностей), плотного прижима тел друг к другу, а также заполнением микронеровностей теплопроводными пастами. Низкое тепловое сопротивление узла радиатор-окружающая среда обеспечивается за счет высокой развитости поверхности, таким образом увеличивается лучисто-конвективная составляющую теплообмена радиатора с окружающей средой.

Для повышения равномерности распределения температуры по поверхности радиатора, его изготавливают из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (например, сплавы алюминия и меди). Ребристый радиатор состоит из основания и ребер. В связи с тем, что основание радиатора имеет ограниченное тепловое сопротивление, внешние ребра всегда работают менее эффективно, чем центральные, находящиеся непосредственно под источником тепловыделения. Один из способов повышения эффективности радиатора заключается в уменьшении теплового сопротивления основания радиатора.

где δр – длина проводника, м, λр – коэффициент теплопроводности проводника, Вт/(м·К), Sр – площадь поперечного сечения проводника, м2.

На основании представленной формулы 4 уменьшить тепловое сопротивление основания радиатора в направлении к периферийным ребрам возможно за счет увеличения площади поперечного сечения основания и применения материала с более высоким коэффициентом теплопроводности. Как правило, выбор материала для изготовления радиатора ограничивается требованиями по массе, стоимости и технологии производства изделия, поэтому классическим способом снижения теплового сопротивления основания радиатора является увеличение площади его поперечного сечения.
В условиях увеличения плотностей тепловых потоков от элементов РЭА традиционные металлические тепловые проводники не справляются с накладываемыми на них нагрузками, в качестве замены им предлагается использовать тепловые трубы (далее ТТ). Конструкция ТТ представлена на рисунке 2. Принцип работы ТТ базируются на эффектах испарения и конденсации теплоносителя внутри нее. Количество теплоты, которое может быть перенесено в виде скрытой теплоты парообразования, обычно на несколько порядков величины выше количества, которое может быть перенесено в виде энтальпии рабочей жидкости в обычной конвективной системе. Поэтому ТТ может передавать большое количество теплоты при малом размере установки. [2, 3, 4].

В отличие от твердых проводников характеристики ТТ зависят не только от размера, формы и материала, но также и от конструкции, теплоносителя, коэффициента теплоотдачи, ориентации в пространстве. Экспериментально доказано, что эффективная теплопроводность ТТ может быть в сотни раз больше, чем теплопроводность меди.

В случаях, когда требуется свести к минимуму размер и массу устройств, почти изотермический режим работы ТТ может быть использован для повышения температуры ребер или развитых поверхностей других типов. В результате этого передача теплоты к среде, выполняющей роль окончательного стока теплоты, увеличивается. За счет этого можно повысить мощность устройства или снизить массу и размеры металлического стока теплоты. Для оценки эффективности применения ТТ в конструкциях радиаторов было проведено численное моделирование работы алюминиевых радиаторов классического исполнения и с ТТ вместо основания. Полученные результаты впоследствии сравнивались. Расчеты проводились при помощи CAE-системы, в основу которой лежит метод конечных элементов [5].

Сравнение работы радиаторов классического исполнения и с ТТ вместо основания проводилось для различных плотностей теплового потока от источника тепловыделения, для этого рассматривались три пары радиаторов. Первая пара радиаторов анализировалась при тепловой нагрузке 45 Вт, вторая и третья пара соответственно при 150 и 300 Вт.

В качестве модели радиатора с ТТ в первой паре радиаторов, рассматривался радиатор, используемый в светодиодной лампе КВАЗАР-250/60. Радиаторы с ТТ во второй и третьей паре отличаются от радиатора с ТТ из первой пары увеличенной площадью оребрения и производительностью ТТ пропорционально увеличению мощности тепловой нагрузки относительно 45 Вт. Рассмотренное значение тепловой нагрузки 45 Вт соответствует мощности тепловыделения светодиодной матрицы, используемой в светодиодной лампе КВАЗАР-250/60 в рабочем режиме.

Модели радиаторов классического исполнения строились максимально схожими с моделями радиаторов с ТТ внутри каждой пары радиаторов. Геометрические модели первой пары радиаторов представлены на рисунке 3. Основные параметры рассмотренных моделей радиаторов представлены в таблице 1.

Геометрические модели первой пары радиаторов

Площадки зон испарения ТТ и ребра радиаторов в моделях радиаторов с ТТ выполнены из деформируемого сплава алюминия АМц. Согласно данным производителя ТТ номинальная мощность теплового отведения одной ТТ диаметром 6 мм составляет 15 Вт. Экспериментальные измерения показали, что в наихудшем ориентировании ТТ (работа капиллярных сил фитиля направлена против сил гравитации) ее мощность теплового отведения составляет 6 Вт, а перепад температур между концами трубки составляет 3 К. Теплофизические свойства ТТ в расчетных моделях задавались на основании вышеуказанных экспериментальных данных при наихудшем ориентировании ТТ.

Модели радиаторов классического исполнения выполнены из литьевого сплава алюминия АК12 (силумин). Выбор материала радиаторов обусловлен технологией, применяемой в серийном производстве радиаторов сложной формы.

Информация по теплофизическим свойствам материалов элементов в рассмотренных моделях радиаторов представлена в таблице 2.

Как правило, характеристики светодиодных ламп даются при температуре окружающей среды 25 °C, тогда как максимальная рабочая температура светодиодных ламп может достигать 50 °С. Для моделирования наихудших температурных условий в расчетах рассматривалась работа радиаторов в условиях естественного лучисто-конвективного теплообмена с окружающей средой при повышенной температуре 50 °С. Тепловой поток в моделях равномерно распределялся по поверхностям контакта радиатора со светодиодной матрицей.

Результаты моделирования работы радиаторов в неограниченном пространстве представлены в таблице 3. Эффективность применения ТТ в конструкции радиатора оценивалась по формуле:

где θ1 – перегрев поверхности контакта радиатора с ТТ со светодиодной матрицей над окружающей средой, К, θ2 – перегрев поверхности контакта радиатора классического исполнения со светодиодной матрицей над окружающей средой, К.

Зависимости перегревов поврехностей контакта радиаторов со светодиодными матрицами над окружающей средой от плотности теплового потока представлены на рис. 4. Зависимость эффективности работы радиаторов с ТТ над работой радиатора классического исполнения представлена на рис. 5.

Сравнение температурных полей моделей радиаторов различного исполнения в условиях неограниченного пространства при мощностях источника тепловыделения 45, 150 и 300 Вт представлены на рисунках 7 - 9.

Согласно представленным результатам, видно, что радиаторы с ТТ эффективнее отводят тепловой поток от источника тепловыделения, чем радиаторы классического исполнения на всем диапазоне рассмотренных тепловых нагрузках. Наблюдается тенденция увеличения эффективности применения ТТ в конструкциях радиаторов при увеличении плотности теплового потока от источника тепловыделения.

Следует отметить, что в условиях неограниченного пространсва радиатор с ТТ, применяемый в светодиодной лампе КВАЗАР-250/60, имеет низкое тепловое сопротивление, позволяющее обеспечить температуру на корпусе светодиодной матрицы не выше 85 °C при повышенной температуре окружающей среды 50 °C и мощности источника тепловыделения вплоть до 60 Вт. Таким образом запас по производительности радиатора лампы КВАЗАР-250/60 в неограниченном пространстве составляет не менее 35 % от требуемой.

Работа радиатора светодиодной лампы КВАЗАР-250/60 также была проанализирована в условиях ограниченого пространства – внутри контейнера уличного светильника.

Размеры уличного светильника представлены на рисунке 6.

Геометрическая модель контейнера уличного светильника была упрощена до прямоугольного параллелепипеда с сохранением внутреннего объема. В связи с тем, что обычно корпус контейнера светильника выполняется из материала с высокой теплопроводностью (сплав алюминия) и малой толщины, в расчетной модели принято допущение, что стенки контейнера светильника имеют нулевое тепловое сопротивление. Теплообмен корпуса светильника с окружающей средой рассматривался естественный (лучисто-конвективный) при повышенной температуре окружающей среды 50 °С.

Результаты моделирования работы радиатора светодиодной лампы КВАЗАР-250/60 внутри корпуса уличного светильника представлены в таблице 4.

Полученные температурные поля и поля скоростей воздуха внутри корпуса уличного светильника при температуре окружающей среды 50 °С представлены на рисунках 11 и 12.

Как видно из представленных результатов, радиатор, используемый в лампе КВАЗАР-250/60 может обеспечить нормальный температурный режим светодиодной матрице внутри уличного светильника при повышенной температуре окружающей среды 50 °C, температура кристалла светодиодной матрицы не превысит своего максимального рабочего значения 120 °C, при условии, если тепловое сопротивление узла кристалл матрицы – основание радиатора будет меньше 0,84 К/Вт.

Подводя итоги проделанной работы необходимо отметить, что ТТ вносят значительный эффект в теплопередающую способность радиатора. В рассмотренном диапазоне тепловой нагрузки 2,5 – 15 Вт/см2 теплопередающая способность радиаторов с ТТ на 11 – 39 % выше чем у радиаторов классического исполнения. Тенденция роста эффективности радиаторов с ТТ с увеличением тепловой нагрузки указывает на то, что при плотностях теплового потока выше 7,5 Вт/см2 использовать радиаторы классического исполнения крайне не рационально. Анализ теплового режима светодиодной лампы КВАЗАР-250/60 показал, что радиатор с ТТ, используемый в изделии, может обеспечить нормальный температурный режим светодиодной матрице в условиях повышенной рабочей температуры окружающей среды 50 °С как в условиях неограниченного пространства, так и в условиях пространства ограниченного размерами уличного светильника.

Рис. 7 – Температурные поля моделей радиаторов первой пары в условиях неограниченного пространства при мощности источника тепловыделения 45 Вт

Рис. 8 – Температурные поля моделей радиаторов второй пары в условиях неограниченного пространства при мощности источника тепловыделения 150 Вт

Рис. 9 – Температурные поля моделей радиаторов третьей пары в условиях неограниченного пространства при мощности источника тепловыделения 300 Вт

Рис. 10 – Температурные поля в двух плоскостях сечений модели радиатора светодиодной лампы КВАЗАР-250/60 в условиях ограниченного пространства

Рис. 11 – Векторные поля скоростей воздуха в двух плоскостях сечений модели радиатора светодиодной лампы КВАЗАР-250/60 в условиях ограниченного пространства

Литература:
1. Дульнев Г. Н., Семяшкин Э. М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. – СПб.: Энергия, 1968. – 361 с. 2. Дан П. Д., Рэй Д. А. Тепловые труби: Пер. с англ.: – М.: Энергия, 1979. – 272 с. 3. Чи С. Тепловые трубы: Теория и практика / Пер. с англ. В. Я. Сидорова. – М.: Машиностроение, 1981. – 207 с., ил. 4. Алексеев В. А., Арефьев В. А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Энергия, 1979. – 128 с. 5. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). – СПб.: Питер, 2004. 560 с