CC BY
29
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В РАДИАТОРАХ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ
Кузубов С.В., преподаватель, к.ф.-м.н., ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России Кортунов А.В., ФГБОУ ВПО Воронежский государственный
университет инженерных технологий
В настоящее время повысился интерес к созданию источников света на основе твердотельных светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых излучателей уже достигла 100 люмен на ватт. Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению светового потока неизбежно приводит к увеличению прямого тока через кристалл полупроводника, и как следствие, увеличению тепловыделения, что приводит к уменьшению оптического выхода и ограничивает срок службы светодиода.
Моделирование распределения тепла в радиаторе для определённого набора светодиодов позволяет оценить тепловое сопротивление между гетеропереходом и окружающей средой [1], а также необходимо с целью выбора профиля радиатора, его оптимальных габаритов и расположения светодиодов, при которых рабочая температура излучающих областей гетеропереходов не будет превышать установленные заводом-производителем пределы. Моделирование проводилось с использованием приложения Flow Simulation программы SolidWorks2010.
Изучались два типа радиаторов. Ширина каждого профиля 222 мм, высота первого 83 мм, второго - 75 мм. Отличия профилей заключаются в форме их ребер и расстояниях между ними. Профиль №1 содержит 12 ребер, профиль №2 - 22 ребра. Площадь всей поверхности радиатора №2 увеличена ещё и за счёт рифленой поверхности каждого ребра. В качестве критерия эффективности радиатора выбрана его максимальная температура при рассеянии мощности источника 50, 100 и 190 Вт.
Общие условия моделирования для всех конструкций: материал радиатора - алюминиевый сплав АД31 ГОСТ 4784-97, лицевая поверхность, на которой размещаются светодиоды, - зеркальная, тепловым излучением пренебрегается; окружающая среда - воздух, температура - 20 °С, скорость перемещения среды - 0 м/с, атмосферное давление 101325 Па.
Моделирование проведено с варьированием расположения светодиодов на радиаторе. Один из вариантов приведен ниже (рис. 1). На этих рисунках приводится изображение эпюр распределения температуры на рабочей поверхности радиатора №1 при его вертикальном расположении, как на рис. 5. Максимальная температура 85,5 °С зафиксирована под 100 Вт светодиодом.
Установлено, что для этого радиатора №2 максимальная температура под 100 Вт светодиодом 93,5 °С, что на 8 градусов больше, чем в случае использования радиатора №1.
Кроме этого были проведены модельные тепловые расчёты максимальных температур радиатора, используемого в экспериментах, в двух пространственных положениях: 1) рабочая поверхность радиатора расположена горизонтально лицом вверх; 2) рабочая поверхность радиатора расположена вертикально. В первом, и во втором случаях ребра радиатора расположены вертикально. Подводимая тепловая мощность постоянна и равномерно распределена по поверхности. Максимальная температура в первом случае 85,5 °С, во втором - 85,9 °С, разность составляет менее одного градуса. Таким образом, можно заключить, что для радиатора данного профиля ориентация в пространстве не имеет принципиального значения, что подтверждает целесообразность использования радиатора этого типа для охлаждения мощных светодиодов.
Проектируемый улично-дорожный светильник должен стабильно работать в широком диапазоне температур окружающей среды. В связи с этим был проведен ряд тепловых расчетов, в которых установили, что даже при температуре окружающей среды 25 °С максимальная температура радиатора меньше предельной температуры (125 °С) работы гетероперехода светодиода, установленной заводом-изготовителем.
Движение воздушных масс увеличивает эффективность отвода тепла от радиатора. В расчетах изучалась зависимость температуры радиатора, как от скорости ветра, так и от его направления. В расчётах использовали два значения для скорости ветра: 2 м/с и 6 м/с, направление ветра: 1) вдоль рёбер, 2) поперёк рёбер. Приложенная общая мощность 300 Вт (3 светодиода по 100 Вт). Результаты показывают, что ветер даже скоростью 2 м/с снижает максимальную температуру радиатора в зависимости от направления на 17 и 35 °С, соответственно.
Также был произведен расчет эффективности радиатора 300х222 мм2 с профилем №2. В процессе моделирования были заданы следующие условия: скорость ветра 6 м/с, направление вдоль рёбер радиатора. Максимальная температура такого радиатора 42,5 °С, что на 9,4 градуса меньше, чем температура радиатора с профилем №1. Следовательно, радиатор с рифлеными ребрами и малым межреберным расстоянием эффективнее использовать только в случае активного охлаждения.
Для подтверждения результатов моделирования были проведены экспериментальные исследования на радиаторе с профилем №1. Для конструкции с потребляемой мощностью Р=190 Вт включается вся линейка светодиодов L1-L7. С помощью тепловизора были получены изображения распределения тепла по поверхности радиатора с указанием температуры нагрева каждого светодиода (рис. 2).
« ' и ж
♦> >
рцр
■ш
500
тол
Выделение изображений:
Измеряемые объекты Темп. |*С] Иутуч. Отрад, темп.
Точка измерений 1 69,5 0,95 20,0
Течка измерения 2 72,5 0,95 20,0
Точка измерения 3 69,8 0,95 20,0
Точка измерения 4 71,1 0.95 20,0
Точка измерения 5 69,е 0,95 20,0
Точка измерения 6 67,7 0,95 20,0
Рис. 1. Изображение цветовых эпюр распределения температуры рабочей поверхности радиатора №1 (общая мощность 190 Вт)
Рис. 2. Тепловизионное
изображение радиатора №1 с шестью светодиодами по 15 Вт и одним 100 Вт и линия температурного профиля
Согласно тепловизионному исследованию, температура гетероперехода светодиода с мощностью 100 Вт составляет 88 °С, а значения температур светодиодов с мощностью 15 Вт лежат в диапазоне 67,7 - 72,5 °С. В результате моделирования теплообменного процесса были получены следующие результаты: температура гетероперехода 100 Вт светодиода составляет 85,5 °С, а значения температур 15 Вт светодиодов находятся в диапазоне 75 - 78 °С.
Таким образом, наблюдается хорошее соответствие тепловых режимов, полученных экспериментально и при моделировании. Это позволит не проводить экспериментальные измерения различных вариантов размещения светодиодов на радиаторе, а также варьировать тип радиатора и светодиодов. В дальнейшем, по результатам только моделирования можно выбрать оптимальную конструкцию светильника.
Список литературы
1. Андреас Поль. Особенности расчета систем отвода тепла при использовании светодиодов в корпусах PLCC. // Полупроводниковая светотехника. 2010. №5. С. 54-57.
