Резюме
A радиатор на тепловых трубках Разработан для решения проблемы охлаждения при высоком тепловом потоке, характерной для светодиодного прожектора мощностью 4000 Вт. Габаритные размеры радиатора составляют 350 мм × 350 мм × 120 мм, он оснащен 40 радиаторами диаметром 9.5 мм. тепловая трубаВ качестве теплоносителя для источника тепла используется медная опорная пластина толщиной 12 мм. Для обеспечения плотного теплового соединения между тепловыми трубками, опорной пластиной и ребрами применяется пайка оплавлением паяльной пасты. Принудительное воздушное охлаждение осуществляется тремя осевыми вентиляторами Sanyo 9038, работающими со скоростью 5500 об/мин. Тепловое моделирование и экспериментальные измерения показывают, что температура светодиода может стабильно поддерживаться на уровне 67.5 ℃ при температуре окружающей среды 35 ℃, что соответствует требованиям к долговременной надежной рабочей температуре мощных светодиодов. Это решение предоставляет рекомендации по проектированию систем терморегулирования для наружных мощных светодиодов киловаттного уровня. Светодиодное освещение источники.
Ключевые слова: Мощный светодиод; прожектор 4000 Вт; радиатор с тепловыми трубками; медная опорная пластина; принудительное воздушное охлаждение; пайка паяльной пастой.
Введение 1
С развитием технологий дальнего прожектора и специального освещения мощность светодиодных источников света постоянно растет, и широко используются прожекторы мощностью 4000 Вт. Примерно 65% потребляемой мощными светодиодами электроэнергии во время работы преобразуется в тепло. Если тепло не может быстро рассеиваться, температура светодиодных чипов резко повышается, что приводит к усилению ослабления света, сокращению срока службы и даже необратимому перегоранию светодиодных элементов в тяжелых случаях.
Традиционные цельнолитые алюминиевые радиаторы отличаются большим весом и плохой равномерностью распределения температуры. Простые медные пластины не обеспечивают достаточной площади конвекции для удовлетворения потребности в рассеивании тепла при высокой тепловой нагрузке в 4000 Вт. Тепловые трубки обладают сверхвысокой эквивалентной теплопроводностью, что позволяет быстро передавать концентрированное локальное тепло по всей площади ребер. В данной работе разработан радиатор с тепловыми трубками и принудительным воздушным охлаждением, имеющий толстое медное основание и многослойную конструкцию из тепловых трубок. Для снижения теплового сопротивления на границе раздела используется сварка паяльной пастой. В сочетании с принудительной конвекцией, усиленной вентиляторами, достигается стабильное регулирование температуры светодиодов.
2. Общая схема конструкции радиатора.
2.1 Входные параметры проектирования
1. Мощность источника света: светодиодный прожектор мощностью 4000 Вт.
2. Температура окружающей среды: Ta=35 ℃.
3. Целевая температура светодиода: Tc = 67.5 ℃
4. Габаритные размеры радиатора: 350 мм × 350 мм × 120 мм
5. Метод охлаждения: Тепловая трубка + ребра, принудительное воздушное охлаждение
6. Контактная поверхность источника тепла: медная опорная пластина толщиной 12 мм.
7. Характеристики тепловой трубки: круглая тепловая трубка диаметром 9.5 мм, количество: 40 шт.
8. Конфигурация вентилятора: осевой вентилятор Sanyo 9038, скорость вращения: 5500 об/мин.
9. Процесс сборки: Сварка паяльной пастой между тепловыми трубками, медной опорной пластиной и охлаждающими ребрами.
2.2 Структурная схема
Радиатор состоит из четырех компонентов: медной опорной пластины, массива тепловых трубок, алюминиевых охлаждающих ребер и кронштейна для крепления вентилятора.
1. Медная опорная пластина толщиной 12 мм: Медь обладает гораздо более высокой теплопроводностью, чем алюминиевый сплав, и обеспечивает превосходную равномерность распределения температуры. Она отводит концентрированное тепло от светодиодных модулей, предотвращая образование локальных перегревов. В опорной пластине предусмотрены отверстия для установки тепловых трубок.
2. Массив тепловых трубок диаметром 9.5 мм (40 шт.): Один конец каждой тепловой трубки вмонтирован в медную опорную пластину, а другой конец проходит через алюминиевые ребра. Тепло быстро передается от медной опорной пластины к многослойным алюминиевым ребрам через тепловые трубки, увеличивая площадь теплообмена.
3. Высокоплотные алюминиевые ребра: Ребра привариваются к тепловым трубкам с помощью паяльной пасты, что устраняет воздушные зазоры между тепловыми трубками и ребрами и снижает контактное тепловое сопротивление.
4. Высокоскоростные вентиляторы Sanyo 9038: Высокоскоростные вентиляторы со скоростью вращения 5500 об/мин создают принудительный воздушный поток, обтекающий поверхности ребер радиатора и отводящий тепло.
2.3 Выбор процесса сварки
Для изготовления радиатора используется процесс пайки оплавлением с использованием паяльной пасты. По сравнению с традиционной компрессионной сборкой с использованием теплопроводящего силикона, сварка паяльной пастой образует металлургическое соединение между внешней стенкой тепловых трубок, опорной пластиной и ребрами, что значительно снижает межфазное тепловое сопротивление. При длительной работе при высоких температурах не происходит старения интерфейса или ухудшения тепловых характеристик, что делает его подходящим для непрерывной длительной работы мощных светодиодов.
3. Предварительный теоретический анализ тепловых процессов
Согласно данным об эффективности фотоэлектрического преобразования светодиодов, тепловая нагрузка при входной мощности 4000 Вт составляет приблизительно 2600 Вт.
Допустимое повышение температуры: ΔT = 67.5 ℃ – 35 ℃ = 32.5 ℃
Допустимое среднее общее тепловое сопротивление системы:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/Вт
Общее тепловое сопротивление системы охлаждения включает в себя четыре составляющие:
1. Контактное тепловое сопротивление между светодиодным модулем и медной опорной пластиной.
2. Теплопроводящее сопротивление медной опорной пластины
3. Сопротивление теплопроводности тепловых трубок + межфазное тепловое сопротивление между тепловыми трубками и ребрами
4. Конвективное термическое сопротивление между ребрами и воздухом.
Общее тепловое сопротивление системы контролируется в пределах проектных параметров за счет утолщения медной опорной пластины для лучшего распределения температуры, распределения тепловой нагрузки с помощью нескольких тепловых трубок, снижения теплового сопротивления на границе раздела фаз за счет пайки паяльной пастой и усиления конвекции с помощью высокоскоростных вентиляторов, что позволяет достичь целевой температуры.
4. Результаты моделирования и тестирования
Термические испытания в стационарном режиме проводятся при постоянной температуре окружающей среды 35 ℃:
1. После 60 минут стабильной работы температура основания светодиода стабилизировалась на уровне 67.5 ℃, что соответствует проектным параметрам.
2. Разница температур поверхности медной опорной пластины толщиной 12 мм составляет менее 4 ℃. Сорок тепловых трубок эффективно распределяют тепловую нагрузку без явных локальных перегревов.
3. Сравнительное тестирование с использованием цельноалюминиевого радиатора того же размера показывает, что температура светодиода превышает 82 ℃ при идентичных условиях, что подтверждает преимущества схемы с тепловыми трубками.
4. Проведено 72-часовое испытание на непрерывное старение. Дрейфа температуры не наблюдается, поверхность сварного шва паяльной пасты остается стабильной без ухудшения тепловых характеристик.
5 преимуществ этой программы
1. Медная опорная пластина толщиной 12 мм: обеспечивает превосходную равномерность распределения температуры, соответствует требованиям к источникам тепла для светодиодов большой площади и предотвращает локальный перегрев модулей.
2. Массив из 40 тепловых трубок диаметром 9.5 мм: большое количество каналов теплопроводности для быстрого рассеивания концентрированных источников тепла, преодолевающее предел теплопередачи твердого металла.
3. Процесс сварки паяльной пастой: низкое межфазное термическое сопротивление и превосходная долговременная надежность по сравнению с запрессовочной сборкой и силиконовым заполнением.
4. Высокоскоростные вентиляторы Sanyo 9038: большой объем воздуха и статическое давление, воздушный поток может проникать сквозь плотные массивы ребер, подходит для использования в условиях открытого воздуха с высокой запыленностью и высокими температурами. 5. Компактные размеры 350×350×120 мм: обеспечивает отвод тепла для высокой мощности 4000 Вт в ограниченном пространстве, удовлетворяя требованиям к сборке прожектора.
6. Ограничения и направления оптимизации
1. Медная опорная плита имеет относительно большой вес. Если вес является строгим показателем, то для дальнейшей оптимизации можно оценить схему с медно-алюминиевой композитной опорной плитой.
2. Высокоскоростные вентиляторы, работающие на частоте 5500 об/мин, производят относительно высокий уровень шума. Для сценариев применения с низким уровнем шума можно использовать ШИМ-регулирование скорости вращения вентилятора, чтобы снизить скорость вращения и уровень шума при нормальной температуре окружающей среды.
3. При использовании на открытом воздухе скопление пыли на ребрах постепенно снижает теплоотводящую способность. Для облегчения регулярного технического обслуживания можно добавить простую пылезащитную сетку.
Заключение 7
В данной работе разработан радиатор с тепловыми трубками и принудительным воздушным охлаждением для мощного светодиодного прожектора мощностью 4000 Вт, габаритными размерами 350 мм × 350 мм × 120 мм. Он использует медную опорную пластину толщиной 12 мм и 40 тепловых трубок диаметром 9.5 мм, припаянных паяльной пастой, в паре с вентиляторами Sanyo 9038, работающими со скоростью 5500 об/мин. При температуре окружающей среды 35 ℃ температура светодиода стабильно поддерживается на уровне 67.5 ℃, что удовлетворяет требованиям к долговременной стабильной работе мощных светодиодов.
Радиатор отличается компактной конструкцией, превосходными характеристиками теплоотвода и высокой долговременной надежностью. Он способен удовлетворить потребности в охлаждении мощных наружных светодиодных прожекторов и послужить ориентиром для проектирования систем терморегулирования аналогичного специального осветительного оборудования мощностью в киловаттах.
