Özet
A ısı borusu soğutucu Bu radyatör, 4000W yüksek güçlü LED projektörün yüksek ısı akışı soğutma sorununu çözmek için geliştirilmiştir. Radyatörün genel boyutları 350mm×350mm×120mm olup, 40 adet Φ9.5 mm çapında radyatör ile donatılmıştır. ısı borusuIsı kaynağı için ısı taşıyıcı olarak 12 mm kalınlığında bakır taban plakası kullanılmıştır. Isı boruları, taban plakası ve kanatçıklar arasında sıkı bir termal bağlantı oluşturmak için lehim macunu ile yeniden akışlı lehimleme uygulanmıştır. Zorlamalı hava soğutması, 5500 rpm'de çalışan üç adet Sanyo 9038 eksenel fan ile sağlanmıştır. Termal simülasyon ve deneysel ölçümler, LED sıcaklığının 35 ℃ ortam sıcaklığında 67.5 ℃'de sabit bir şekilde korunabildiğini göstermektedir; bu da yüksek güçlü LED'lerin uzun vadeli güvenilir çalışma sıcaklığı gereksinimini karşılamaktadır. Bu çözüm, kilovat seviyesindeki dış mekan yüksek güçlü sistemlerin termal yönetim sistemleri için tasarım referansları sağlamaktadır. LED aydınlatma kaynaklar.
Anahtar Kelimeler: Yüksek güçlü LED; 4000W projektör; ısı borulu soğutucu; bakır taban plakası; cebri hava soğutma; lehim macunu kaynağı
1 Giriş
Uzun mesafeli arama ışıkları ve özel aydınlatma endüstrilerinin gelişmesiyle birlikte, LED ışık kaynaklarının gücü sürekli artmakta ve 4000W yüksek güçlü LED arama ışıkları yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek güçlü LED'lerin tükettiği elektrik enerjisinin yaklaşık %65'i çalışma sırasında ısıya dönüşür. Isı hızla dağıtılamazsa, LED çiplerinin sıcaklığı hızla yükselir, bu da ışık zayıflamasının artmasına, kullanım ömrünün kısalmasına ve hatta ciddi durumlarda LED boncuklarının kalıcı olarak yanmasına neden olur.
Geleneksel entegre ekstrüde alüminyum ısı emiciler ağır ağırlık ve düşük sıcaklık homojenliği özelliklerine sahiptir. Basit bakır plakalar, 4000 W'lık yüksek termal yük altında ısı dağıtım talebini karşılamak için yeterli konveksiyon alanı sağlayamaz. Isı boruları, yoğunlaştırılmış yerel ısıyı tüm kanat alanına hızla aktarabilen ultra yüksek eşdeğer termal iletkenliğe sahiptir. Bu çalışmada, kalın bakır tabanlı ve çoklu ısı borusu dizisine sahip, zorlamalı hava soğutmalı bir ısı borusu radyatörü tasarlanmıştır. Arayüzey termal direncini azaltmak için lehim macunu kaynağı kullanılmıştır. Fanlarla güçlendirilmiş zorlamalı konveksiyonla birleştirildiğinde, LED'lerin kararlı sıcaklık kontrolü sağlanmıştır.
2. Isı Emici Genel Tasarım Şeması
2.1 Tasarım Giriş Parametreleri
1. Işık kaynağı gücü: 4000W LED projektör
2. Ortam sıcaklığı: Ta=35 OC
3. Hedef LED sıcaklığı: Tc=67.5 ℃
4. Isı dağıtıcının genel sınır boyutları: 350 mm × 350 mm × 120 mm
5. Soğutma yöntemi: Isı borusu + kanatlı cebri hava soğutma
6. Isı kaynağı temas yüzeyi: 12 mm kalınlığında bakır taban plakası
7. Isı borusu özellikleri: Φ9.5 mm dairesel ısı borusu, miktar: 40 adet
8. Fan konfigürasyonu: Sanyo 9038 eksenel fan, dönüş hızı: 5500 rpm
9. Montaj işlemi: Isı boruları, bakır taban plakası ve soğutma kanatçıkları arasına lehim macunu ile kaynak yapılması.
2.2 Yapısal Şema
Isı dağıtıcı dört bileşenden oluşur: bakır taban plakası, ısı borusu dizisi, alüminyum soğutma kanatları ve fan montaj braketi.
1. 12 mm kalınlığında bakır taban plakası: Bakır, alüminyum alaşımına göre çok daha yüksek ısı iletkenliğine ve mükemmel sıcaklık homojenliğine sahiptir. LED modüllerinden gelen ısıyı yoğunlaştırır ve yerel sıcak noktaları önler. Isı borusu montajı için taban plakasında delikler bırakılmıştır.
2. Φ9.5 mm ısı borusu dizisi (40 adet): Her bir ısı borusunun bir ucu bakır taban plakasına gömülüdür ve diğer ucu alüminyum kanatçıklara nüfuz eder. Isı, ısı boruları aracılığıyla bakır taban plakasından çok katmanlı alüminyum kanatçıklara hızlı bir şekilde aktarılarak ısı değişim alanı genişletilir.
3. Yüksek yoğunluklu alüminyum kanatlar: Kanatlar, ısı borularına lehim macunu ile kaynaklanır; bu sayede ısı boruları ve kanatlar arasındaki hava boşlukları ortadan kalkar ve temas termal direnci düşer.
4. Sanyo 9038 yüksek hızlı fanlar: Devir sayısı 5500 olan yüksek hızlı fanlar, ısıyı uzaklaştırmak için kanat yüzeyleri boyunca zorlamalı hava akımı oluşturur.
2.3 Kaynak İşleminin Seçimi
Radyatör için lehim macunu ile yeniden akışlı lehimleme işlemi benimsenmiştir. Isı iletken silikonlu geleneksel sıkıştırma montajına kıyasla, lehim macunu kaynağı, ısı borularının dış duvarı, taban plakası ve kanatçıklar arasında metalurjik bağ oluşturarak arayüzey termal direncini büyük ölçüde azaltır. Uzun süreli yüksek sıcaklıkta çalışma altında arayüzey yaşlanması veya termal performans düşüşü meydana gelmez, bu da onu yüksek güçlü LED'lerin sürekli uzun süreli çalışma senaryoları için uygun hale getirir.
3. Ön Hazırlık Niteliğindeki Termal Teorik Analiz
LED'lerin fotoelektrik dönüşüm verimliliğine göre, 4000W giriş gücü altındaki termal yük yaklaşık 2600W'tır.
İzin verilen sıcaklık artışı: ΔT = 67.5 ℃ – 35 ℃ = 32.5 ℃
Sistemin izin verilen ortalama toplam termal direnci:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/W
Soğutma sisteminin toplam termal direnci dört bölümden oluşur:
1. LED modülü ile bakır taban plakası arasındaki temas termal direnci
2. Bakır taban plakasının iletim termal direnci
3. Isı borularının ısı iletim direnci + ısı boruları ve kanatçıklar arasındaki arayüzey termal direnci
4. Kanatçıklar ve hava arasındaki konveksiyonel termal direnç
Sistemin genel termal direnci, daha iyi sıcaklık homojenliği için bakır taban plakasının kalınlaştırılması, ısı yükünün çoklu ısı boruları aracılığıyla dağıtılması, lehim macunu kaynağı ile arayüzey termal direncinin azaltılması ve yüksek hızlı fanlarla konveksiyonun artırılması yoluyla tasarım eşiği içinde kontrol edilerek hedef sıcaklığa ulaşılır.
4. Simülasyon ve Test Sonuçları
Kararlı hal termal testleri, 35 ℃'lik sabit ortam sıcaklığında gerçekleştirilir:
1. 60 dakika boyunca istikrarlı bir şekilde çalıştıktan sonra, LED taban plakasının sıcaklığı 67.5 ℃'de sabitlenerek tasarım hedefine ulaşmıştır.
2. 12 mm'lik bakır taban plakasının yüzey sıcaklık farkı 4 ℃'den azdır. Kırk adet ısı borusu, belirgin yerel sıcak noktalar oluşmadan ısı yükünü etkili bir şekilde paylaşır.
3. Aynı boyuttaki katı alüminyum ısı dağıtıcı ile yapılan karşılaştırmalı test, aynı koşullar altında LED sıcaklığının 82 ℃'yi aştığını göstermekte ve ısı borusu sisteminin avantajlarını doğrulamaktadır.
4. 72 saatlik sürekli yaşlandırma testi gerçekleştirildi. Sıcaklıkta herhangi bir sapma gözlemlenmedi, lehim macunu kaynaklı arayüz termal performans bozulması olmadan stabil kaldı.
Bu planın 5 avantajı
1. 12 mm kalınlığında bakır taban plakası: Mükemmel sıcaklık homojenliği sağlar, geniş alanlı LED ısı kaynaklarıyla uyumludur ve modüllerin yerel olarak aşırı ısınmasını önler.
2. 40 adet Φ9.5 mm ısı borusundan oluşan dizi: Yoğunlaştırılmış ısı kaynaklarının hızlı bir şekilde dağıtılması için bol miktarda ısı iletim kanalı sağlayarak, katı metal iletiminin ısı transfer sınırını aşar.
3. Lehim macunu kaynak işlemi: Geçmeli montaj ve silikon dolgu çözümlerine kıyasla üstün uzun vadeli güvenilirlik ile düşük arayüzey termal direnci.
4. Sanyo 9038 yüksek hızlı fanlar: Yüksek hava hacmi ve statik basınç, hava akışı yoğun kanat dizilerine nüfuz edebilir, yüksek toz ve yüksek sıcaklığa sahip dış mekan ortamları için uygundur. 5. 350×350×120 mm kompakt boyut: Sınırlı kurulum alanında 4000W yüksek güç için ısı dağıtımını gerçekleştirir ve komple projektörün montaj kısıtlamalarını karşılar.
6 Sınırlamalar ve Optimizasyon Yönleri
1. Bakır taban plakası nispeten ağırdır. Ağırlık kesin bir gösterge ise, daha fazla optimizasyon için simülasyon yoluyla bakır-alüminyum kompozit taban plakası şeması değerlendirilebilir.
2. 5500 rpm'de çalışan yüksek hızlı fanlar nispeten yüksek gürültü üretir. Düşük gürültülü uygulama senaryoları için, normal ortam sıcaklığında dönme hızını ve gürültüyü azaltmak amacıyla PWM fan hız kontrolü kullanılabilir.
3. Dış mekanlarda kullanıldığında, kanatçıklarda biriken toz, ısı dağıtım kapasitesini kademeli olarak azaltacaktır. Düzenli bakımı kolaylaştırmak için yapıya basit bir toz geçirmez ağ eklenebilir.
7 Sonuç
Bu çalışmada, 350 mm × 350 mm × 120 mm genel boyutlarında, 4000 W yüksek güçlü LED projektör için cebri hava soğutmalı bir ısı borulu radyatör tasarlanmıştır. 12 mm kalınlığında bakır taban plakası ve lehim macunu kaynak yöntemiyle birleştirilmiş 40 adet Φ9.5 mm ısı borusu, 5500 rpm'de çalışan Sanyo 9038 fanlarla birlikte kullanılmıştır. 35 ℃ ortam sıcaklığında, LED sıcaklığı 67.5 ℃'de stabil bir şekilde kontrol edilerek, yüksek güçlü LED'lerin uzun süreli stabil çalışma gereksinimi karşılanmıştır.
Radyatör, kompakt yapısı, üstün ısı dağıtım performansı ve yüksek uzun vadeli güvenilirliği ile öne çıkar. Yüksek güçlü dış mekan LED projektörlerinin soğutma ihtiyacını karşılayabilir ve benzer kilovat seviyesindeki özel aydınlatma ekipmanlarının termal yönetim tasarımı için referans sağlayabilir.
