أداء نظام الإدارة الحرارية LED على أساس التبريد الحراري / المعدن السائل

مع تحسين كفاءة إضاءة LED وتصنيع رقائق عالية الطاقة ، يتم استخدام مصابيح LED عالية الطاقة أكثر فأكثر.عادةً ما يتم ترتيب رقائق LED عالية الطاقة عن كثب لتقليل حجم LED وزيادة الطاقة ، مما قد يتسبب في تراكم خطير للحرارة وارتفاع مفرط في درجة الحرارة.نظرًا لأن الأداء البصري وموثوقية LED يتأثران بدرجة كبيرة بدرجة حرارة الوصلة ، فإن أعلى درجة حرارة للتقاطع لتشغيل LED تقل عن 120-140 درجة مئوية.ستعمل درجة حرارة الوصلة العالية على تقليل العمر الافتراضي وكفاءة الإضاءة لمصباح LED ، وتقليل استقرار اللون.يمكن أن تضمن الإدارة الحرارية الفعالة التشغيل الآمن والفعال لمصابيح LED وإطالة عمرها.

جهاز التبريد الكهروحراري (TEC) ينقل الحرارة من الطرف البارد إلى الطرف الساخن ، والذي يمكن أن يحقق التبريد السريع للأجزاء التي تتلامس مع الطرف البارد.يمكن أن يؤدي استخدام TEC في نظام التبريد LED إلى تحسين أداء نظام التبريد.يظهر تبريد المعدن السائل بسرعة كحل جديد وواعد لتبديد الحرارة لتلبية متطلبات الأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات التدفق الحراري العالي.بالمقارنة مع أنظمة المياه وأنابيب الحرارة ، يُظهر نظام المعدن السائل أدنى درجة حرارة وأكبر قدر من الاستقرار.

يعتبر كل من التبريد الكهروحراري وتبريد المعدن السائل من تقنيات الإدارة الحرارية الفعالة.من المتوقع أن يؤدي الجمع بين مزايا كليهما إلى زيادة تعزيز أداء الإدارة الحرارية لمصابيح LED.

1. النظام التجريبي

المعدن السائل المستخدم في التجربة هو Ga68In20Sn12 ، والذي يتميز بنقطة انصهار منخفضة ، وموصلية حرارية عالية ، وغير قابلة للاشتعال ، ونشاط غير سام ، وضغط بخار منخفض ، ونقطة غليان عالية.لذلك فهي مناسبة لأنظمة التبريد LED.تم قياس الموصلية الحرارية للمعدن السائل باستخدام محلل الحرارة الثابت HotDisk500.أثناء الاختبار ، يتم إدخال المسبار عموديًا في المعدن السائل ثم يستريح لمنع الحمل الحراري للعينة ، وتكون درجة حرارة القياس 25 درجة مئوية.معدن Ga68In20Sn12 سائل في درجة حرارة الغرفة ، وموصليته الحرارية تزيد عن 20 مرة من الماء ، وهو أمر مفيد لاستخدامه كمبرد في نظام الإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية.

تتبنى المنصة التجريبية قناة تدفق مغلقة ومجهزة بخزان سائل ، وهو مناسب لحقن المعدن السائل في قناة التدفق قبل التجربة وتخزين المعدن السائل بعد التجربة.يقع مخرج الخزان بالقرب من القاع لتجنب ضخ طبقة الأكسيد على السطح أثناء الدوران.تتكون المنصة التجريبية من مصدر حرارة LED ونظام إدارة حرارة تبريد سائل التبريد الكهروحراري (الشكل 1).قوة مصدر الحرارة LED هي 40W ، ومساحة تبديد الحرارة 5.2 سم×4.6 سم.يتكون نظام الإدارة الحرارية من مبرد كهربائي حراري ، ورادياتير نحاسي مبرد بالسائل ، ورادياتير مبرد بالهواء ، وخزان سائل ، ومضخة قيادة تمعجية.يتم توصيل الطرف البارد لـ TEC بمصباح LED ، ويتم توصيل الطرف الساخن لـ TEC بالمبرد.يستخدم المعدن السائل كوسيط للتدفق عبر المبرد السائل للتبريد الفعال.عند تشغيل النظام ، تبدد النهاية الباردة لرقاقة التبريد الكهروحرارية الحرارة إلى LED ، ويتم تبريد الطرف الساخن لرقاقة التبريد الكهربائية بواسطة مشعاع التبريد السائل.يتم تشغيل المعدن السائل بواسطة مضخة تمعجية ، ويتم تبديد الحرارة إلى البيئة من خلال مبرد تبريد الهواء.يعود المعدن السائل إلى الخزان بعد مروره عبر الرادياتير لإكمال الدورة.يتم طلاء طبقة رقيقة من شحم السيليكون الموصّل الحراري بين LED وصفيحة التبريد الكهروحرارية ومبرد التبريد السائل لتقليل خشونة السطح والمقاومة الحرارية للتلامس بين الأجهزة.يتم قياس درجة حرارة ركيزة LED ودرجة الحرارة المحيطة بواسطة مزدوجات حرارية ، ويتم تسجيل متوسط ​​قيمة البيانات بعد استقرار درجة الحرارة في التجربة.

أولاً ، قارن بين أداء تبديد الحرارة للنظام عند استخدام المعدن السائل والماء كمبرد.بعد ذلك ، تم استخدام طريقة التجربة المتعامدة لاستكشاف تأثير طاقة TEC PTEC ودرجة الحرارة المحيطة Ta ودرجة حرارة مدخل المبرد Ti وسرعة المضخة BB على درجة حرارة الركيزة Ts.أخيرًا ، اختبر الأداء الحراري للنظام في ظل الظروف القاسية.بسبب خصائص المعدن السائل ، يتخذ السائل حلقة مغلقة.تمت دراسة تأثير معدلات التدفق المختلفة عن طريق تغيير سرعة المضخة.طريقة التجربة المتعامدة هي طريقة للترتيب العلمي وتحليل التجارب متعددة العوامل باستخدام جدول متعامد ، والذي يمكنه تحديد الخطة المثلى بالتساوي مع عدد صغير من التجارب.ومن خلال وسائل تحليل التباين تحليل دلالة تأثير كل عامل.تمت دراسة تأثير العوامل الأربعة على أداء تبديد الحرارة من خلال التجارب.نظرًا لأن مصباح LED يمكن أن يعمل في درجة حرارة محيطة تصل إلى 65°C ، أقصى درجة حرارة محيطة هي 70°ج.

2. النتائج التجريبية والمناقشة

تمت مقارنة أداء التبريد للماء والمعدن السائل كمبردات.الظروف التجريبية هي سرعة المضخة التمعجية 50r / min ، ودرجة الحرارة المحيطة 30 ° C ، ودرجة حرارة مدخل المبرد 30 ° C.كما هو مبين في الشكل 2 ، تنخفض درجة حرارة ركيزة LED مع زيادة طاقة التبريد الكهروحرارية.تحت نفس الحمل الحراري ، عند استخدام المعدن السائل كمبرد ، يكون ارتفاع درجة حرارة ركيزة LED أقل بكثير مما هو عليه عند استخدام الماء كمبرد.سبب الاختلاف المذكور أعلاه هو الاختلاف في قدرة تبديد الحرارة للطرف الساخن من TEC.على أساس أن حالة تبديد الحرارة للطرف الساخن من TEC جيدة ، يمكن التحكم في درجة حرارة الطرف البارد من TEC بشكل فعال.على العكس من ذلك ، سترتفع درجة حرارة الطرف الساخن ، حتى إذا ظل أداء العمل الخاص بـ TEC دون تغيير.نظرًا لأن الموصلية الحرارية للماء أصغر من تلك الخاصة بالمعدن السائل ، فإن قدرتها على تبديد الحرارة من الطرف الساخن من TEC تكون صغيرة نسبيًا عند تبريد الماء ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة LED.بناءً على نفس السبب ، نظرًا لأنه سيتم تحويل مدخلات الطاقة الكهربائية في TEC في النهاية إلى طاقة حرارية ، يتم زيادة تبديد الحرارة للطرف الساخن من TEC.إذا كانت سعة تبديد الحرارة للنهاية الساخنة غير كافية ، فسوف تزداد درجة حرارة الطرف الساخن من TEC ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة درجة حرارة الطرف البارد لـ TEC و LED.لذلك ، في ظل ظروف تبريد الماء الموضحة في الشكل 2 ، عندما تكون طاقة TEC كبيرة ، تزداد درجة حرارة LED مع زيادة طاقة TEC.إذا لم يكن تبديد الحرارة للنهاية الساخنة TEC مبردًا بالسائل ، فسوف تزداد درجة حرارة الطرف الساخن بشكل أكبر.نظرًا لارتفاع الموصلية الحرارية للمعدن السائل ، يمكن نقل الحرارة الناتجة عن مصابيح LED و TECs بشكل أكثر كفاءة.لذلك ، عندما تكون طاقة TEC عالية ، يمكن أن تظل درجة حرارة نهايتها الساخنة منخفضة ، ويمكن تقليل درجة حرارة LED وفقًا لذلك.

كما هو مبين في الشكل 3 ، فإن المعدن السائل ذو الموصلية الحرارية العالية يقلل بشكل كبير من المقاومة الحرارية للنظام ، ويزيد معامل تقليل المقاومة الحرارية مع زيادة طاقة TEC.عندما تكون طاقة TEC 50 وات ، يزداد انحدار معامل تقليل المقاومة الحرارية ببطء ، وتنخفض المقاومة الحرارية في هذا الوقت بنسبة 79.8٪ مقارنة بالمقاومة عند استخدام الماء كمبرد.

تم إجراء التجارب المتعامدة وفقًا لمجموع مستوى العوامل ، وتم الحصول على البيانات التجريبية لدرجة حرارة الركيزة LED Ts.نظرًا لتأثير التبريد لـ TEC ، يمكن أن تكون درجة حرارة الطرف البارد لـ TEC أقل من درجة الحرارة المحيطة.عندما تكون درجة الحرارة المحيطة عالية Ta ، تكون درجة حرارة الركيزة LED Ts أقل من درجة الحرارة المحيطة Ta في بعض التجارب.تظهر النتائج التجريبية أن نظام الإدارة الحرارية جنبًا إلى جنب مع المعدن السائل والتبريد الكهروحراري يُظهر أداءً جيدًا في تبديد الحرارة.

وجد تحليل التباين أن درجة حرارة مدخل المعدن السائل تؤثر بشكل كبير على أداء تبديد الحرارة للجانب الساخن من TEC.يمكن ضبط طاقة TEC وفقًا لمتطلبات درجة حرارة تبديد الحرارة لمصباح LED ، ويمكن تقليل طاقة نظام تبديد الحرارة قدر الإمكان في ظل فرضية تلبية تأثير معين لتبديد الحرارة.

تظهر نتائج التجارب المتعامدة أن درجة حرارة مدخل المبرد وطاقة TEC هما العاملان الرئيسيان المؤثران على أداء تبديد الحرارة لنظام الإدارة الحرارية.في عملية العمل الفعلية لمصباح LED ، تتغير درجة حرارة مدخل Ti لسائل التبريد في النظام بسبب تأثير TEC وعوامل أخرى.في الوقت الحاضر ، تتم دراسة أداء الإدارة الحرارية للنظام في ظل الظروف القاسية بشكل أساسي.للراحة ، تم اختيار درجة حرارة أعلى لمدخل المبرد ، ودرجة حرارة محيطة أعلى ، ومعدل تدفق سائل أقل للدراسة.بمعنى آخر ، خذ Ti عند 50 درجة مئوية ، و Ta عند 70 درجة مئوية ، و BB 50r / دقيقة للتجارب.إذا كان أداء تبديد الحرارة للنظام في ظل هذه الظروف القاسية يمكن أن يلبي المتطلبات ، فهذا يعني أنه عندما تتقلب قيم Ti والمعلمات الأخرى في اتجاه أكثر رقة ، يجب أن يفي أداء تبديد الحرارة للنظام أيضًا بالمتطلبات.كما هو موضح في الشكل 4 ، عندما لا تتجاوز طاقة TEC 50W ، تنخفض درجة حرارة ركيزة LED مع زيادة طاقة TEC.علاوة على ذلك ، يتناقص حجم التخفيض مع زيادة طاقة الاستهلاك النموذجي للكهرباء (TEC).عندما تكون طاقة TEC 10W ، تكون درجة حرارة ركيزة LED هي أعلى قيمة 64.8 ℃ في ظل الظروف التجريبية.هذه القيمة أقل من درجة الحرارة المحيطة Ta ، وأقل بكثير من درجة حرارة التشغيل القصوى لمصباح LED.هذا يدل على أن نظام الإدارة الحرارية لا يزال يتمتع بأداء تبريد جيد في ظل الظروف القاسية.عندما تتجاوز طاقة TEC 50W ، تزداد درجة حرارة ركيزة LED مع زيادة طاقة TEC.وذلك لأن الزيادة في طاقة TEC لن تؤدي فقط إلى زيادة قدرتها على امتصاص الحرارة من مصابيح LED وتبديد الحرارة إلى المشعات المبردة بالسائل ، بل ستزيد أيضًا من كمية الحرارة التي تولدها.بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي زيادة درجة حرارة TEC إلى انخفاض الكفاءة.لذلك ، هناك طاقة TEC مناسبة لجعل درجة حرارة ركيزة LED أقل.

في الوقت نفسه ، تمت دراسة تأثير درجات حرارة مدخل المعدن السائل المختلفة على أداء تبديد الحرارة لنظام الإدارة الحرارية LED في ظل الظروف القاسية.في ظل ظروف ارتفاع درجة الحرارة المحيطة وانخفاض طاقة TEC ومعدل تدفق السوائل ، تم إجراء التجربة باستخدام Ta عند 70 درجة مئوية ، و PTEC بمقدار 10 وات ، و BB بمعدل 50 لفة / دقيقة.النتائج التجريبية موضحة في الشكل 5. درجة حرارة الركيزة LED تزداد Ts بشكل خطي تقريبًا مع زيادة درجة حرارة مدخل المعدن السائل Ti.عندما تكون درجة حرارة مدخل المعدن السائل 50 درجة مئوية ، تكون درجة حرارة الركيزة LED هي أعلى قيمة 64.8 درجة مئوية في ظل الظروف التجريبية ، مما يشير إلى أن النظام لديه أداء جيد في تبديد الحرارة.

3. Cعند الاستنتاج

في ظل نفس الظروف ، يمكن أن يحقق التبريد المعدني السائل درجة حرارة LED أقل من التبريد المائي.في ظل الظروف التجريبية المدروسة ، وصل الحد الأقصى لخفض المقاومة الحرارية إلى 79.8٪.في ظل الظروف التي تكون فيها درجة حرارة البيئة التجريبية 70 درجة مئوية ، ودرجة حرارة مدخل المعدن السائل 50 درجة مئوية ، وسرعة المضخة 50r / دقيقة ، ودرجة حرارة الركيزة LED لا تتجاوز 64.8 درجة مئوية.هذا يدل على أن نظام التبريد الحراري / نظام الإدارة الحرارية للمعادن السائلة يمكن أن يتكيف بشكل فعال مع متطلبات تبديد الحرارة لمصابيح LED في ظل ظروف التشغيل القاسية ، وهي درجة الحرارة المحيطة العالية ، ودرجة حرارة مدخل المعدن السائل المرتفع ومعدل تدفق المعدن السائل المنخفض.

تعرف على المزيد حول المشتتات الحرارية