الملخص
A أنبوب الحرارة بالوعة الحرارة تم تطوير هذا الجهاز لمعالجة تحدي التبريد الناتج عن التدفق الحراري العالي لكشاف LED عالي الطاقة بقدرة 4000 واط. الأبعاد الكلية للمشع هي 350 مم × 350 مم × 120 مم، وهو مزود بـ 40 قطعة من أنابيب بقطر 9.5 مم. أنبوب الحرارةتم اعتماد قاعدة نحاسية بسمك 12 مم كناقل حراري لمصدر الحرارة. واستُخدمت تقنية لحام إعادة تدفق معجون اللحام لتشكيل اتصال حراري محكم بين الأنابيب الحرارية والقاعدة والزعانف. وتم تحقيق التبريد القسري بالهواء بواسطة ثلاثة مراوح محورية من نوع Sanyo 9038 تعمل بسرعة 5500 دورة في الدقيقة. وأظهرت المحاكاة الحرارية والقياسات التجريبية إمكانية الحفاظ على درجة حرارة مصابيح LED بثبات عند 67.5 درجة مئوية في درجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية، وهو ما يلبي متطلبات درجة حرارة التشغيل الموثوقة طويلة الأمد لمصابيح LED عالية الطاقة. يوفر هذا الحل مراجع تصميمية لأنظمة الإدارة الحرارية لمصابيح LED الخارجية عالية الطاقة بقدرة كيلوواط. الإضاءة LED مصادر.
: الكلمات المفتاحية مصباح LED عالي الطاقة؛ كشاف بقوة 4000 واط؛ مشتت حراري بأنبوب حراري؛ قاعدة نحاسية؛ تبريد بالهواء القسري؛ لحام بمعجون اللحام
مقدمة 1
مع تطور صناعات الإضاءة الكاشفة بعيدة المدى والإضاءة المتخصصة، تتزايد قدرة مصادر إضاءة LED باستمرار، وقد شاع استخدام كشافات LED عالية الطاقة بقدرة 4000 واط. يتحول ما يقارب 65% من الطاقة الكهربائية التي تستهلكها مصابيح LED عالية الطاقة إلى حرارة أثناء التشغيل. إذا لم يتم تبديد الحرارة بسرعة، ترتفع درجة حرارة رقائق LED بشكل حاد، مما يؤدي إلى تدهور الإضاءة، وتقصير عمرها الافتراضي، بل وحتى احتراقها نهائيًا في الحالات الشديدة.
تتميز مشتتات الحرارة التقليدية المصنوعة من الألومنيوم المبثوق بوزنها الثقيل وضعف تجانس درجة الحرارة. ولا توفر ألواح النحاس البسيطة مساحة كافية للتهوية الحرارية لتلبية متطلبات تبديد الحرارة تحت حمل حراري عالٍ يصل إلى 4000 واط. تتميز أنابيب الحرارة بموصلية حرارية مكافئة فائقة، مما يسمح بنقل الحرارة الموضعية المركزة بسرعة إلى كامل مساحة الزعانف. في هذه الورقة، تم تصميم مشعاع تبريد بأنابيب الحرارة يعمل بنظام التبريد بالهواء القسري، ويتكون من قاعدة نحاسية سميكة ومجموعة أنابيب حرارية متعددة. تم استخدام لحام معجون اللحام لتقليل المقاومة الحرارية بين الأسطح. وبالجمع بين هذه التقنية والتهوية القسرية المعززة بالمراوح، تم تحقيق تحكم مستقر في درجة حرارة مصابيح LED.
2. التصميم العام لمشتت الحرارة
2.1 معلمات إدخال التصميم
1. قدرة مصدر الضوء: كشاف LED بقوة 4000 واط
2. درجة الحرارة المحيطة: Ta=35 درجة مئوية
3. درجة حرارة LED المستهدفة: Tc=67.5 درجة مئوية
4. الأبعاد الكلية لمشتت الحرارة: 350 مم × 350 مم × 120 مم
5. طريقة التبريد: تبريد بالهواء القسري باستخدام أنابيب حرارية وزعانف
6. سطح التلامس مع مصدر الحرارة: صفيحة قاعدة نحاسية بسمك 12 مم
7. مواصفات أنبوب التسخين: أنبوب تسخين دائري بقطر 9.5 مم، الكمية: 40 قطعة
8. مواصفات المروحة: مروحة محورية من نوع سانيو 9038، سرعة الدوران: 5500 دورة في الدقيقة
9. عملية التجميع: لحام معجون اللحام بين أنابيب الحرارة، ولوحة القاعدة النحاسية، وزعانف التبريد
2.2 المخطط الهيكلي
يتكون المشتت الحراري من أربعة مكونات: لوحة قاعدة نحاسية، ومجموعة أنابيب حرارية، وزعانف تبريد من الألومنيوم، وقوس تثبيت المروحة.
1. قاعدة نحاسية بسماكة 12 مم: يتميز النحاس بموصلية حرارية أعلى بكثير من سبائك الألومنيوم، كما أنه يوفر توزيعًا حراريًا متجانسًا ممتازًا. يستقبل النحاس الحرارة المركزة من وحدات LED، مما يمنع تكون النقاط الساخنة الموضعية. توجد فتحات مخصصة في القاعدة لتركيب أنابيب التبريد.
2. مجموعة أنابيب حرارية بقطر 9.5 مم (40 قطعة): يُغرس أحد طرفي كل أنبوب حراري في قاعدة نحاسية، بينما يخترق الطرف الآخر زعانف ألومنيوم. تنتقل الحرارة بسرعة من القاعدة النحاسية إلى زعانف الألومنيوم متعددة الطبقات عبر الأنابيب الحرارية لتوسيع مساحة التبادل الحراري.
3. زعانف ألومنيوم عالية الكثافة: يتم لحام الزعانف بأنابيب الحرارة باستخدام معجون اللحام، مما يؤدي إلى إزالة الفجوات الهوائية بين أنابيب الحرارة والزعانف وتقليل المقاومة الحرارية للتلامس.
4. مراوح سانيو 9038 عالية السرعة: تعمل المراوح عالية السرعة بسرعة 5500 دورة في الدقيقة على توليد تدفق هواء قسري يكتسح أسطح الزعانف لإزالة الحرارة.
2.3 اختيار عملية اللحام
تُستخدم عملية لحام إعادة التدفق باستخدام معجون اللحام في تصنيع المشتت الحراري. بالمقارنة مع التجميع التقليدي بالضغط باستخدام السيليكون الموصل للحرارة، يُشكّل لحام معجون اللحام رابطة معدنية بين الجدار الخارجي لأنابيب التبريد واللوحة الأساسية والزعانف، مما يقلل بشكل كبير من المقاومة الحرارية البينية. لا يحدث أي تدهور في الأداء الحراري أو تآكل للسطح البيني عند التشغيل لفترات طويلة في درجات حرارة عالية، مما يجعله مناسبًا لحالات التشغيل المستمر طويل الأمد لمصابيح LED عالية الطاقة.
3- التحليل النظري الحراري الأولي
وفقًا لكفاءة التحويل الكهروضوئي لمصابيح LED، فإن الحمل الحراري تحت طاقة إدخال 4000 واط يبلغ حوالي 2600 واط.
الارتفاع المسموح به في درجة الحرارة: ΔT = 67.5 درجة مئوية - 35 درجة مئوية = 32.5 درجة مئوية
متوسط المقاومة الحرارية الإجمالية المسموح بها للنظام:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 درجة مئوية/واط
تشمل المقاومة الحرارية الكلية لنظام التبريد أربعة أجزاء:
1. مقاومة التلامس الحراري بين وحدة LED ولوحة القاعدة النحاسية
2. المقاومة الحرارية للتوصيل للوحة القاعدة النحاسية
3. مقاومة التوصيل الحراري للأنابيب الحرارية + المقاومة الحرارية البينية بين الأنابيب الحرارية والزعانف
4. المقاومة الحرارية بالحمل بين الزعانف والهواء
يتم التحكم في المقاومة الحرارية الإجمالية للنظام ضمن حدود التصميم عن طريق زيادة سمك لوحة القاعدة النحاسية لتحسين تجانس درجة الحرارة، وتوزيع الحمل الحراري عبر أنابيب حرارية متعددة، وتقليل المقاومة الحرارية البينية من خلال لحام معجون اللحام وتعزيز الحمل الحراري باستخدام مراوح عالية السرعة، وذلك لتحقيق درجة الحرارة المستهدفة.
4. نتائج المحاكاة والاختبار
تُجرى الاختبارات الحرارية في حالة الاستقرار عند درجة حرارة محيطة ثابتة تبلغ 35 درجة مئوية:
1. بعد التشغيل المستقر لمدة 60 دقيقة، استقرت درجة حرارة لوحة قاعدة LED عند 67.5 درجة مئوية، مما يفي بهدف التصميم.
2. يقل فرق درجة حرارة سطح الصفيحة النحاسية الأساسية بسمك 12 مم عن 4 درجات مئوية. وتتقاسم أربعون أنبوبة حرارية الحمل الحراري بكفاءة دون وجود نقاط ساخنة موضعية واضحة.
3. أظهر الاختبار المقارن مع مشتت حراري من الألومنيوم الصلب بنفس الحجم أن درجة حرارة LED تتجاوز 82 درجة مئوية في ظل ظروف متطابقة، مما يؤكد مزايا مخطط الأنابيب الحرارية.
4. تم إجراء اختبار تقادم مستمر لمدة 72 ساعة. لم يُلاحظ أي انحراف في درجة الحرارة، وظلت واجهة اللحام بمعجون اللحام مستقرة دون تدهور في الأداء الحراري.
5 مزايا للخطة
1. لوحة قاعدة نحاسية بسمك 12 مم: توحيد ممتاز لدرجة الحرارة، يتناسب مع مصادر حرارة LED ذات المساحة الكبيرة ويمنع ارتفاع درجة حرارة الوحدات بشكل موضعي.
2. مجموعة من 40 أنبوب حراري بقطر 9.5 مم: قنوات توصيل حراري وفيرة لتشتيت سريع لمصادر الحرارة المركزة، مما يكسر حد نقل الحرارة للتوصيل المعدني الصلب.
3. عملية لحام معجون اللحام: مقاومة حرارية منخفضة بين الأسطح مع موثوقية فائقة على المدى الطويل مقارنة بالتجميع بالضغط وحلول ملء السيليكون.
4. مراوح سانيو 9038 عالية السرعة: تتميز بحجم هواء كبير وضغط ثابت عالٍ، حيث يمكن لتدفق الهواء اختراق صفوف الزعانف الكثيفة، مما يجعلها مناسبة للبيئات الخارجية ذات الغبار العالي ودرجات الحرارة المرتفعة. 5. أبعاد صغيرة 350×350×120 مم: تحقق تبديدًا فعالًا للحرارة لقوة 4000 واط ضمن مساحة تركيب محدودة، مما يلبي متطلبات تجميع كشاف البحث بالكامل.
6. القيود واتجاهات التحسين
1. تُضيف الصفيحة النحاسية وزنًا ثقيلًا نسبيًا. إذا كان الوزن مؤشرًا دقيقًا، فيمكن تقييم تصميم صفيحة نحاسية-ألومنيوم مركبة من خلال المحاكاة لتحسينها بشكل أكبر.
2. تُصدر المراوح عالية السرعة التي تعمل بسرعة 5500 دورة في الدقيقة ضوضاءً عالية نسبيًا. في التطبيقات التي تتطلب ضوضاء منخفضة، يمكن استخدام تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) لتنظيم سرعة المروحة وتقليل سرعة الدوران والضوضاء في درجات الحرارة المحيطة العادية.
3. عند استخدامها في الهواء الطلق، يؤدي تراكم الغبار على الزعانف إلى تدهور تدريجي في قدرة تبديد الحرارة. يمكن إضافة شبكة بسيطة مقاومة للغبار لتسهيل الصيانة الدورية.
7 الخاتمة
في هذه الورقة، تم تصميم مشعاع تبريد بالهواء القسري لأنابيب حرارية لكشاف LED عالي الطاقة بقدرة 4000 واط، بأبعاد إجمالية 350 مم × 350 مم × 120 مم. يعتمد المشعاع على قاعدة نحاسية بسماكة 12 مم و40 أنبوبًا حراريًا بقطر 9.5 مم ملحومة بمعجون اللحام، بالإضافة إلى مراوح Sanyo 9038 بسرعة 5500 دورة في الدقيقة. عند درجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية، يتم التحكم بدرجة حرارة LED بثبات عند 67.5 درجة مئوية، مما يلبي متطلبات التشغيل المستقر طويل الأمد لمصابيح LED عالية الطاقة.
يتميز المبرد بتصميم صغير الحجم، وأداء ممتاز في تبديد الحرارة، وموثوقية عالية على المدى الطويل. وهو قادر على تلبية متطلبات التبريد لكشافات LED الخارجية عالية الطاقة، كما يُعد مرجعًا لتصميم إدارة الحرارة لمعدات الإضاءة الخاصة المماثلة ذات القدرة بالكيلوواط.
