Astratto
A dissipatore di calore a tubi di calore è stato sviluppato per affrontare la sfida del raffreddamento ad alto flusso termico di un faro a LED ad alta potenza da 4000 W. Le dimensioni complessive del radiatore sono 350 mm × 350 mm × 120 mm, dotato di 40 pezzi di Φ9.5 mm tubo di calores. Una piastra di base in rame spessa 12 mm viene adottata come vettore di calore per la sorgente di calore. La saldatura a rifusione con pasta saldante viene applicata per formare una connessione termica ermetica tra i tubi di calore, la piastra di base e le alette. Il raffreddamento ad aria forzata è realizzato da tre ventole assiali Sanyo 9038 che operano a 5500 giri/min. La simulazione termica e le misurazioni sperimentali mostrano che la temperatura del LED può essere mantenuta stabilmente a 67.5 °C a una temperatura ambiente di 35 °C, il che soddisfa il requisito di temperatura di funzionamento affidabile a lungo termine dei LED ad alta potenza. Questa soluzione fornisce riferimenti di progettazione per i sistemi di gestione termica di LED ad alta potenza per esterni a livello di kilowatt. Illuminazione a LED fonti.
parole chiave: LED ad alta potenza; faro da 4000 W; dissipatore di calore a tubo termico; piastra di base in rame; raffreddamento ad aria forzata; saldatura a pasta saldante
1 Introduzione
Con lo sviluppo dei sistemi di illuminazione di ricerca a lunga distanza e dell'illuminazione speciale, la potenza delle sorgenti luminose a LED continua ad aumentare e i proiettori a LED ad alta potenza da 4000 W sono ormai ampiamente diffusi. Circa il 65% dell'energia elettrica consumata dai LED ad alta potenza viene convertita in calore durante il funzionamento. Se il calore non può essere dissipato rapidamente, la temperatura dei chip LED aumenta bruscamente, causando un'attenuazione della luce più marcata, una riduzione della durata e, nei casi più gravi, persino la bruciatura permanente dei LED.
I tradizionali dissipatori di calore integrali in alluminio estruso presentano un peso elevato e una scarsa uniformità di temperatura. Le semplici piastre di rame non offrono una superficie di convezione sufficiente a soddisfare le esigenze di dissipazione del calore con un carico termico elevato di 4000 W. I tubi di calore possiedono una conduttività termica equivalente estremamente elevata, che consente di trasferire rapidamente il calore localizzato e concentrato all'intera superficie delle alette. In questo articolo, viene progettato un radiatore a tubi di calore raffreddato ad aria forzata con una base in rame spessa e una matrice di tubi di calore multipli. La saldatura con pasta saldante viene utilizzata per ridurre la resistenza termica interfacciale. In combinazione con la convezione forzata potenziata dalle ventole, si ottiene un controllo stabile della temperatura dei LED.
2. Schema generale di progettazione del dissipatore di calore
2.1 Parametri di input di progettazione
1. Potenza della sorgente luminosa: faro a LED da 4000 W
2. Temperatura ambiente: Ta=35 ℃
3. Temperatura target del LED: Tc=67.5 ℃
4. Dimensioni complessive del dissipatore di calore: 350 mm × 350 mm × 120 mm
5. Metodo di raffreddamento: Raffreddamento ad aria forzata tramite tubo di calore e alette
6. Superficie di contatto con la fonte di calore: piastra di base in rame spessa 12 mm
7. Specifiche del tubo di calore: tubo di calore circolare da Φ9.5 mm, quantità: 40 pezzi
8. Configurazione della ventola: ventola assiale Sanyo 9038, velocità di rotazione: 5500 giri/min
9. Processo di assemblaggio: Saldatura con pasta saldante tra i tubi di calore, la piastra di base in rame e le alette di raffreddamento.
2.2 Schema strutturale
Il dissipatore di calore è composto da quattro componenti: piastra di base in rame, matrice di tubi termici, alette di raffreddamento in alluminio e staffa di montaggio della ventola.
1. Piastra di base in rame spessa 12 mm: il rame possiede una conduttività termica molto più elevata rispetto alla lega di alluminio e un'eccezionale uniformità di temperatura. Riceve il calore concentrato dai moduli LED ed evita la formazione di punti caldi localizzati. Sulla piastra di base sono presenti dei fori per l'installazione del tubo di calore.
2. Array di tubi termici da Φ9.5 mm (40 pezzi): un'estremità di ciascun tubo termico è incorporata nella piastra di base in rame, mentre l'altra estremità penetra nelle alette di alluminio. Il calore viene trasferito rapidamente dalla piastra di base in rame alle alette di alluminio multistrato tramite i tubi termici per ampliare la superficie di scambio termico.
3. Alette in alluminio ad alta densità: le alette sono saldate ai tubi di calore con pasta saldante, eliminando gli spazi d'aria tra i tubi di calore e le alette e riducendo la resistenza termica di contatto.
4. Ventole ad alta velocità Sanyo 9038: Le ventole ad alta velocità, a 5500 giri/minuto, generano un flusso d'aria forzato che spazza le superfici delle alette per dissipare il calore.
2.3 Selezione del processo di saldatura
Per il dissipatore di calore viene adottato un processo di saldatura a rifusione con pasta saldante. Rispetto al tradizionale assemblaggio a compressione con silicone termoconduttivo, la saldatura con pasta saldante crea un legame metallurgico tra la parete esterna dei tubi di calore, la piastra di base e le alette, riducendo notevolmente la resistenza termica interfacciale. Non si verificano invecchiamento dell'interfaccia o degrado delle prestazioni termiche durante il funzionamento prolungato ad alte temperature, rendendo il sistema adatto a scenari di funzionamento continuo e prolungato di LED ad alta potenza.
3 Analisi teorica termica preliminare
In base all'efficienza di conversione fotoelettrica dei LED, il carico termico con una potenza in ingresso di 4000 W è di circa 2600 W.
Aumento di temperatura consentito: ΔT = 67.5 ℃ – 35 ℃ = 32.5 ℃
Resistenza termica media complessiva ammissibile del sistema:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/W
La resistenza termica totale del sistema di raffreddamento comprende quattro componenti:
1. Resistenza termica di contatto tra il modulo LED e la piastra di base in rame
2. Resistenza termica di conduzione della piastra di base in rame
3. Resistenza alla conduzione termica dei tubi di calore + resistenza termica interfacciale tra tubi di calore e alette
4. Resistenza termica convettiva tra le alette e l'aria
La resistenza termica complessiva del sistema viene mantenuta entro i limiti di progetto mediante l'ispessimento della piastra di base in rame per una migliore uniformità della temperatura, la distribuzione del carico termico tramite più heat pipe, la riduzione della resistenza termica interfacciale tramite saldatura con pasta saldante e il miglioramento della convezione con ventole ad alta velocità, in modo da raggiungere la temperatura target.
4 Risultati di simulazione e test
Le prove termiche in regime stazionario vengono eseguite a una temperatura ambiente costante di 35 ℃:
1. Dopo un funzionamento stabile di 60 minuti, la temperatura della piastra di base del LED si stabilizza a 67.5 ℃, raggiungendo l'obiettivo di progettazione.
2. La differenza di temperatura superficiale della piastra di base in rame da 12 mm è inferiore a 4 °C. Quaranta tubi di calore distribuiscono efficacemente il carico termico senza evidenti punti caldi localizzati.
3. Un test comparativo con un dissipatore di calore in alluminio massiccio delle stesse dimensioni mostra che la temperatura del LED supera gli 82 ℃ in condizioni identiche, il che conferma i vantaggi dello schema a tubo di calore.
4. Viene condotto un test di invecchiamento continuo di 72 ore. Non si osserva alcuna deriva di temperatura e l'interfaccia saldata con pasta saldante rimane stabile senza degrado delle prestazioni termiche.
5 vantaggi del programma
1. Piastra di base in rame spessa 12 mm: eccellente uniformità di temperatura, adatta alle sorgenti di calore LED di grandi dimensioni e che previene il surriscaldamento locale dei moduli.
2. Serie di 40 tubi termici da Φ9.5 mm: numerosi canali di conduzione del calore per una rapida dispersione delle fonti di calore concentrate, superando il limite di trasferimento del calore della conduzione in metallo solido.
3. Processo di saldatura con pasta saldante: bassa resistenza termica interfacciale con affidabilità a lungo termine superiore rispetto all'assemblaggio a pressione e alle soluzioni di riempimento con silicone.
4. Ventole ad alta velocità Sanyo 9038: elevato volume d'aria e pressione statica, il flusso d'aria può penetrare le fitte schiere di alette, adatte ad ambienti esterni con elevata polvere e alta temperatura. 5. Dimensioni compatte di 350×350×120 mm: consente la dissipazione del calore per un'elevata potenza di 4000 W in uno spazio di installazione limitato, soddisfacendo i vincoli di assemblaggio del faro completo.
6 Limitazioni e direzioni di ottimizzazione
1. La piastra di base in rame ha un peso relativamente elevato. Se il peso è un parametro vincolante, è possibile valutare, tramite simulazione, uno schema di piastra di base composita rame-alluminio per un'ulteriore ottimizzazione.
2. Le ventole ad alta velocità, a 5500 giri/minuto, producono un rumore relativamente elevato. Per scenari applicativi in cui è richiesto un basso livello di rumore, è possibile adottare la regolazione della velocità della ventola tramite PWM per ridurre la velocità di rotazione e il rumore a temperatura ambiente normale.
3. Se utilizzato all'aperto, l'accumulo di polvere sulle alette ridurrà gradualmente la capacità di dissipazione del calore. È possibile aggiungere una semplice rete antipolvere alla struttura per facilitare la manutenzione ordinaria.
Conclusione 7
In questo articolo, viene progettato un dissipatore di calore a tubi termici con raffreddamento ad aria forzata per un faro a LED ad alta potenza da 4000 W, con dimensioni complessive di 350 mm × 350 mm × 120 mm. Il dissipatore adotta una piastra di base in rame spessa 12 mm e 40 tubi termici da Φ9.5 mm con processo di saldatura a pasta, abbinati a ventole Sanyo 9038 a 5500 giri/min. A una temperatura ambiente di 35 °C, la temperatura del LED viene mantenuta stabilmente a 67.5 °C, soddisfacendo i requisiti di funzionamento stabile a lungo termine dei LED ad alta potenza.
Il radiatore presenta una struttura compatta, eccellenti prestazioni di dissipazione del calore e un'elevata affidabilità a lungo termine. È in grado di soddisfare le esigenze di raffreddamento dei proiettori LED per esterni ad alta potenza e di fornire un riferimento per la progettazione della gestione termica di apparecchiature di illuminazione speciali di potenza simile, pari a quella dei kilowatt.
