تشمل المزايا التقنية الأخرى لمصابيح LED مقارنةً بمصادر الإضاءة التقليدية، العمر الطويل، والاستجابة السريعة، وكفاءة الإضاءة العالية المحتملة، والحجم الصغير، وطيفها الضيق. ولكن في جوهرها، من بين العديد من المزايا، تُعدّ الكفاءة العالية المحتملة، والحجم الصغير، وطيفها الضيق من أهمها، مما يميزها عن مصادر الإضاءة التقليدية ويوسع نطاق تطبيقاتها في مجالات متنوعة. ومع ذلك، فبفضل صغر حجمها وخصائصها عالية الكفاءة، لا تزال مصابيح LED تُواجه مشكلة تبديد الحرارة في تطبيقاتها.
الكلمات الدالة
بالوعة الحرارة LED
يجب أن يحل التبريد في تطوير LED المشكلة
تحدد تفاعلات تبديد الحرارة الداخلية والخارجية أداء تبديد الحرارة في مصابيح LED
تتميز مجموعة أنابيب الحرارة الدقيقة بامتصاص الحرارة بكفاءة عالية
محتويات المقالة
في ظل تكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات الحالية، تُحوّل مصابيح LED عالية الطاقة حوالي 15% فقط من طاقتها الداخلة إلى ضوء، و85% المتبقية إلى حرارة. ويؤدي ضعف تبديد الحرارة إلى تسريع شيخوخة الشريحة وتقليل عمرها الافتراضي. وإذا لم تُطبّق طريقة تبديد حرارة جيدة، فلن تتمكن الشريحة من تبديد الحرارة، مما قد يؤدي إلى تعطلها. لذلك، تُشكّل مشكلة تبديد الحرارة في شريحة LED عائقًا أمام تطبيق تقنية LED.
إذا لم تتمكن حرارة رقاقة LED من الخروج، فسيؤدي ذلك إلى تسريع شيخوخة الرقاقة، وقد يؤدي إلى ذوبان اللحام، مما يؤدي إلى تلف الرقاقة. يتولد تألق LED عن طريق انتقال الإلكترونات بين نطاقات الطاقة، ولا يحتوي طيفه على الأشعة تحت الحمراء. لا يمكن لحرارة LED أن تخرج، لذا يُطلق عليه اسم مصدر الضوء البارد.
عادةً ما يُغلَّف مصباح LED براتنج إيبوكسي، الذي يتميز بموصلية حرارية ضعيفة جدًا، ولا يمكن تبديده إلا بواسطة دبابيس أسفل الشريحة. يتميز مصباح LED التقليدي بسطوعه المنخفض، مما يُقلل من الحرارة، وبالتالي لا يُسبب مشكلة تبديد الحرارة. يتطلب نوع الطاقة المستخدم في الإضاءة عدة وحدات مصدر إضاءة LED لتحقيق التدفق الضوئي المطلوب.
بالنسبة للأجهزة عالية الطاقة، تكون طاقة الإدخال ≥1W، ويتراوح حجم الشريحة بين lmm×lmm~2.5mm×2.5mm. كثافة طاقة الشريحة عالية جدًا، لذلك يجب أن تتعامل مع حرارة عالية للغاية في عبوة LED صغيرة. في الوقت الحاضر، لا يمكن أن تصل كفاءة حصاد ضوء LED إلا إلى 10٪ ~ 20٪، ويتم تحويل 80٪ ~ 90٪ من الطاقة إلى حرارة. إذا لم يتم تشتيت حرارة شريحة LED، فسوف يؤدي ذلك إلى تسريع شيخوخة الشريحة، وقد يؤدي أيضًا إلى ذوبان اللحام، بحيث تفشل الشريحة، والأداء المحدد هو: أولاً، شدة تقليل الضوء. مع زيادة درجة حرارة تقاطع الشريحة، ستنخفض أيضًا الكفاءة الضوئية للشريحة. كلما ارتفعت درجة حرارة تقاطع الشريحة، زادت سرعة انخفاض شدة الضوء. ثانيًا، يتم إزاحة الطول الموجي الرئيسي للتألق، مما يؤدي إلى انخفاض في كفاءة تحويل الضوء. ثالثًا، تسريع اضمحلال ضوء LED، مما يقلل بشكل كبير من عمر LED.
لذلك، تُشكّل مشكلة تبديد الحرارة في رقاقة LED من نوع الطاقة عائقًا أمام تطبيق تقنية LED في هندسة الإضاءة. لضمان التشغيل الطبيعي لـ LED من نوع الطاقة، من الضروري ضمان أن تكون درجة حرارة وصلة عمل LED ضمن نطاق درجة الحرارة المسموح به من خلال تصميم فعال لتبديد الحرارة. كلما زادت سعة تبديد الحرارة، انخفضت درجة حرارة الوصلة. تنتقل الطاقة الحرارية من خلال التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع الحراري. ولأن مصدر ضوء LED نفسه لا يحتوي على الأشعة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية، وبالتالي لا يمتلك وظيفة تبديد الحرارة الإشعاعية، لا يمكن تصدير طريقة تبديد الحرارة لمصابيح إضاءة LED إلا من خلال المبرد المتصل بشكل وثيق بلوحة مصباح LED. فقط من خلال تصدير الحرارة في أسرع وقت ممكن، يمكننا تقليل درجة حرارة تجويف مصباح LED بشكل فعال، لحماية مصدر الطاقة من العمل في بيئة ذات درجة حرارة عالية دائمة، لتجنب الشيخوخة المبكرة لمصدر ضوء LED بسبب العمل في درجات حرارة عالية على المدى الطويل. تتضمن مشكلة تبديد الحرارة لنظام الإضاءة LED بشكل أساسي جانبين: الأول هو تبديد الحرارة (التوصيل الحراري) في شريحة طاقة LED، والذي يتضمن تقنية التعبئة والتغليف للجهاز؛ والثاني هو تبديد الحرارة الخارجي لشريحة طاقة LED، والذي يتضمن بشكل أساسي التوصيل الحراري للركيزة ومبرد الزعانف ونقل الحرارة بالحمل الحراري مع الهواء المحيط.
حاليًا، تتمثل الطرق الرئيسية المستخدمة لحل مشكلة تبديد الحرارة في أنظمة إضاءة LED عالية الطاقة في: ضبط تباعد مصابيح LED، وتبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي، وتركيب مروحة أو نظام تبديد حرارة قسري مبرد بالماء، وأنبوب حراري وأنبوب حراري حلقي. في ظل اتجاه تطوير دمج مصابيح LED ذات الكثافة العالية وإنتاج الحرارة ومعدل التدفق العالي، أصبح من الضروري تحقيق تبديد سريع للحرارة من خلال نقل الحرارة بكفاءة عبر الأنبوب الحراري. بالإضافة إلى ذلك، تُركز أنظمة تبديد الحرارة الحالية على التوصيل الحراري وتتجاهله. على الرغم من أن العديد من الشركات المصنعة قد درست مجموعة متنوعة من التدابير لتحسين التوصيل الحراري، مثل استخدام أنبوب حراري وشحم سيليكون موصل للحرارة، إلا أنها لا تدرك أن الحرارة تعتمد في النهاية على السطح الخارجي للمصباح، وتتجاهل توازن نقل الحرارة. إذا كان توزيع درجة حرارة الزعانف غير متساوٍ بشكل كبير، فسيؤدي ذلك إلى انخفاض كبير في كفاءة الزعانف (الأجزاء منخفضة الحرارة). لا تزال أجهزة التبريد الحالية لإضاءة LED تقتصر على مكونات إضاءة LED منخفضة الطاقة، والتأثير غير واضح، والتكلفة عالية، وليس من السهل تطبيقها على الإنتاج الفعلي.
إذا لم تتمكن حرارة رقاقة LED من الهروب، فسوف تسرع من شيخوخة الشريحة، وقد تؤدي إلى ذوبان اللحام، مما يجعل الشريحة تفشل. يتم توليد تلألؤ LED عن طريق انتقال الإلكترون بين نطاقات الطاقة، ولا يحتوي طيفه على ضوء الأشعة تحت الحمراء. لا يمكن إشعاع حرارة LED للخارج، لذلك يُطلق على LED اسم مصدر الضوء البارد. يتم تغليف LED بشكل عام براتنج الإيبوكسي، والذي يتميز بموصلية حرارية ضعيفة للغاية ولا يمكن تبديده إلا بواسطة دبابيس أسفل الشريحة. سطوع LED التقليدي بسبب الطاقة الضوئية الصغيرة، والحرارة ليست كبيرة، لذلك لا توجد مشكلة في تبديد الحرارة. يتطلب نوع الطاقة LED المستخدم في الإضاءة العديد من وحدات مصدر ضوء LED لتحقيق التدفق الضوئي المطلوب. بالنسبة للأجهزة عالية الطاقة، تكون طاقة الإدخال ≥ 1W، وحجم الشريحة بين lmm × lmm ~ 2.5mm × 2.5mm. كثافة طاقة الشريحة عالية جدًا، لذلك يجب أن تتحمل حرارة عالية للغاية في عبوة LED صغيرة. في الوقت الحاضر، لا يمكن أن تصل كفاءة حصاد الضوء في LED إلا إلى 10٪ ~ 20٪، ويتم تحويل 80٪ ~ 90٪ من الطاقة إلى حرارة. إذا لم يتم تشتيت حرارة رقاقة LED، فسوف يؤدي ذلك إلى تسريع شيخوخة الشريحة، وقد يؤدي أيضًا إلى ذوبان اللحام، بحيث تفشل الشريحة، والأداء المحدد هو: أولاً، تقليل شدة الضوء. مع زيادة درجة حرارة تقاطع الشريحة، ستنخفض الكفاءة الضوئية للرقاقة أيضًا. كلما ارتفعت درجة حرارة تقاطع الشريحة، انخفضت شدة الضوء بشكل أسرع. ثانيًا، يتم تعويض الطول الموجي الرئيسي للتألق، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة تحويل الضوء. ثالثًا، تسريع اضمحلال ضوء LED، مما يقلل بشكل كبير من عمر LED.
لذلك، تُشكّل مشكلة تبديد الحرارة في رقاقة LED من نوع الطاقة عائقًا أمام تطبيق تقنية LED في هندسة الإضاءة. لضمان التشغيل الطبيعي لـ LED من نوع الطاقة، من الضروري ضمان أن تكون درجة حرارة وصلة عمل LED ضمن نطاق درجة الحرارة المسموح به من خلال تصميم فعال لتبديد الحرارة. كلما زادت سعة تبديد الحرارة، انخفضت درجة حرارة الوصلة. تنتقل الطاقة الحرارية من خلال التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع الحراري. ولأن مصدر ضوء LED نفسه لا يحتوي على الأشعة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية، وبالتالي لا يمتلك وظيفة تبديد الحرارة الإشعاعية، لا يمكن تصدير طريقة تبديد الحرارة لمصابيح إضاءة LED إلا من خلال المبرد المتصل بشكل وثيق بلوحة مصباح LED. فقط من خلال تصدير الحرارة في أسرع وقت ممكن، يمكننا تقليل درجة حرارة تجويف مصباح LED بشكل فعال، لحماية مصدر الطاقة من العمل في بيئة ذات درجة حرارة عالية دائمة، لتجنب الشيخوخة المبكرة لمصدر ضوء LED بسبب العمل في درجات حرارة عالية على المدى الطويل. تتمثل مشكلة تبديد الحرارة في أنظمة إضاءة LED في جانبين رئيسيين: الأول هو تبديد الحرارة (التوصيل الحراري) في شريحة طاقة LED، والذي يتضمن تقنية التغليف للجهاز؛ والثاني هو تبديد الحرارة الخارجي لشريحة طاقة LED، والذي يتضمن بشكل أساسي التوصيل الحراري للركيزة ومبرد الزعانف ونقل الحرارة بالحمل الحراري مع الهواء المحيط. في الوقت الحاضر، تتمثل الطرق الرئيسية المستخدمة لحل مشكلة تبديد الحرارة في أنظمة إضاءة LED من نوع الطاقة في: ضبط تباعد مصابيح LED، وتبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي، وتركيب مروحة أو تبديد حرارة قسرية مبردة بالماء، وتبديد الحرارة عبر أنبوب الحرارة وأنبوب الحرارة الحلقي. في ظل اتجاه تطوير تكامل LED مع الكثافة العالية وإنتاج الحرارة ومعدل التدفق العالي، أصبح من الضروري للغاية تحقيق تبديد سريع للحرارة عن طريق نقل الحرارة الفعال لأنبوب الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، يركز جهاز تبديد الحرارة الحالي على رابط التوصيل الحراري ويتجاهل رابط تبديد الحرارة بالحمل الحراري، على الرغم من أن العديد من الشركات المصنعة قد نظرت في مجموعة متنوعة من التدابير لتحسين رابط التوصيل الحراري: مثل استخدام أنبوب الحرارة، بالإضافة إلى شحم السيليكون الموصل للحرارة، ولكن لا يدركون أن الحرارة تعتمد في النهاية على السطح الخارجي للمصباح بعيدًا، وتجاهل توازن نقل الحرارة، إذا كان توزيع درجة حرارة الزعانف غير متساوٍ بشكل خطير، سيؤدي ذلك إلى انخفاض كبير في كفاءة بعض الزعانف (الجزء منخفض الحرارة). لا تزال أجهزة التبريد الحالية لإضاءة LED تقتصر على مكونات إضاءة LED منخفضة الطاقة، والتأثير ليس واضحًا، والتكلفة العالية، وليس من السهل تطبيقها على الإنتاج الفعلي.
تُسهم مصفوفة أنابيب الحرارة الدقيقة (Micro-heat Pipe) بشكل أساسي في حل مشكلة تبديد الحرارة لمصابيح LED المختلفة، نظرًا لكفاءتها العالية في امتصاص الحرارة ونقلها وإطلاقها. وتتمثل الطريقة الرئيسية لتقييم الأداء الظاهري لأنبوب الحرارة في قياس اتساق درجة الحرارة على طول الاتجاه المحوري. ويعتمد زمن استجابة أنابيب الحرارة على السعة الحرارية للمواد (بما في ذلك المواد المعدنية ووسط العمل). ولتقييم مصفوفة أنابيب الحرارة الدقيقة (Micro-heat Pipe) للألواح، استُخدم أنبوب حراري بطول 50 سم لقياس اتساق درجة الحرارة وزمن الاستجابة الحرارية. وفي التجربة، وُضعت أربعة أزواج حرارية (T-couples) رأسيًا لأنبوب الحرارة، تقع على التوالي في قسم التبخر، والقسم الأدياباتي، وقسم التكثيف.
تُظهر البيانات التجريبية أن مصفوفة أنابيب التسخين الدقيقة للألواح تتمتع بتوحيد جيد في درجة الحرارة. فرق درجة الحرارة بين قسم التبخر وقسم التكثيف أقل من 1 درجة مئوية، وزمن الاستجابة الحرارية أقل من 80 ثانية. من خلال اختبار عدة أشكال تركيبية مختلفة لجهاز إضاءة LED للطاقة يعتمد على مصفوفة أنابيب التسخين الدقيقة للألواح المسطحة، تم تحليل تأثير مساحة التلامس وطول نقل الحرارة والمقاومة الحرارية للتلامس لمصفوفة أنابيب التسخين الدقيقة للألواح المسطحة والمبرد على جهاز إضاءة LED للطاقة يعتمد على مصفوفة أنابيب التسخين الدقيقة للألواح المسطحة. ويشمل ذلك تأثير مساحة التلامس للوحة الأنبوب على نقل الحرارة للجهاز، وتأثير المقاومة الحرارية للتلامس على نقل الحرارة لجهاز نقل الحرارة LED لمصفوفة أنابيب التسخين الدقيقة للألواح، وأداء جهاز تبديد الحرارة لإضاءة LED لمصفوفة أنابيب التسخين الدقيقة للألواح على شكل حرف U.
يمكن دمج أنبوب الحرارة الدقيق عشوائيًا في مصفوفة أنابيب حرارة دقيقة مسطحة بعرض معين، ويمكن ثنيه بشكل عشوائي، ولا يتغير تأثير نقل الحرارة بشكل واضح عند تدفق حراري منخفض. مصفوفة أنابيب الحرارة الدقيقة على شكل حرف U هي شكل منحني من مصفوفات أنابيب الحرارة الدقيقة، وقد أثبتت التجارب أنها تتميز بأداء جيد في نقل الحرارة. تحل مصفوفة أنابيب الحرارة الدقيقة بشكل أساسي مشكلة تبديد الحرارة في مختلف مصابيح LED، نظرًا لكفاءتها العالية في امتصاص الحرارة ونقلها وإطلاقها، وقدرتها على التشوه بمرونة ودمجها مع الزعانف.
أولاً، يمكن أن تصل أقصى سعة لنقل الحرارة لجزء نقل الحرارة التبخيري لمجموعة أنابيب الحرارة الدقيقة إلى 200 واط/سم؛ ثانيًا، الموصلية الحرارية العالية: فهي أكثر من 5000 مرة من الألومنيوم الصلب؛ ثالثًا، الموثوقية العالية: لأن كل أنبوب حراري دقيق في اللوحة يعمل بشكل مستقل، حتى في حالة تلف أنبوب حراري دقيق واحد أو اثنين، لا تزال أنابيب الحرارة الدقيقة الأخرى تلعب دورًا دون التأثير على الاستخدام. علاوة على ذلك، فإن قدرتها على تحمل الضغط تزيد عن 10 أضعاف قدرة أنبوب الحرارة الدائري التقليدي، لذلك من الصعب حدوث ضرر ميكانيكي. أربعة هي درجة حرارة عالية: فرق درجة الحرارة لكل متر أقل من 1 درجة مئوية، ويمكن اعتباره تقريبًا درجة حرارة متساوية؛ خامسًا، مساحة اتصال كبيرة: نظرًا لمساحة إطلاق الحرارة الكبيرة لمجموعة أنابيب الحرارة الدقيقة، يمكن أن تكون درجة حرارة زعنفة الألومنيوم والركيزة وأنبوب الحرارة متماثلة بشكل أساسي، ويمكن القضاء على "تأثير الزعنفة" تمامًا تقريبًا.
