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

مع تحسين كفاءة الإضاءة LED وتصنيع رقائق عالية الطاقة، يتم استخدام مصابيح LED عالية الطاقة أكثر فأكثر. عادة ما يتم ترتيب رقائق LED عالية الطاقة بشكل وثيق لتقليل حجم LED وزيادة الطاقة، مما قد يسبب تراكمًا خطيرًا للحرارة وارتفاعًا مفرطًا في درجة الحرارة. نظرًا لأن الأداء البصري وموثوقية LED يتأثران بشكل كبير بدرجة حرارة الوصلة، فإن أعلى درجة حرارة وصلة لتشغيل LED تكون أقل من 120-140 درجة مئوية. ستؤدي درجة حرارة الوصلة العالية إلى تقليل عمر وكفاءة الإضاءة لـ LED، وتقليل استقرار اللون. الإدارة الحرارية الفعالة يمكن أن تضمن التشغيل الآمن والفعال لمصابيح LED وإطالة عمرها.

يقوم جهاز التبريد الحراري (TEC) بنقل الحرارة من الطرف البارد إلى الطرف الساخن، مما يحقق التبريد السريع للأجزاء المتلامسة 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 البصرية ذات التدفق الحراري العالي. بالمقارنة مع أنظمة المياه وأنابيب الحرارة، فإن النظام المعدني السائل يظهر أدنى درجة حرارة وأكبر قدر من الاستقرار.

يعد كل من التبريد الحراري والتبريد المعدني السائل من تقنيات الإدارة الحرارية الفعالة. ومن المتوقع أن يؤدي الجمع بين مزايا كليهما إلى تعزيز أداء الإدارة الحرارية لمصابيح LED.

1. النظام التجريبي

المعدن السائل المستخدم في التجربة هو Ga68In20Sn12، والذي يتمتع بمزايا نقطة انصهار منخفضة، وموصلية حرارية عالية، وعدم قابلية للاشتعال، ونشاط غير سام، وضغط بخار منخفض، ونقطة غليان عالية. ولذلك فهو مناسب لأنظمة التبريد LED. تم قياس التوصيل الحراري للمعدن السائل باستخدام محلل ثابت الحرارة HotDisk500. أثناء الاختبار، يتم إدخال المسبار عموديًا في المعدن السائل ثم يستريح لمنع الحمل الحراري للعينة، وتكون درجة حرارة القياس 25 درجة مئوية. يكون المعدن Ga68In20Sn12 سائلاً في درجة حرارة الغرفة، وتكون موصليته الحرارية أكثر من 20 مرة من الماء، وهو مفيد لاستخدامه كمبرد في نظام الإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية.

تعتمد 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 الدورة الدموية. تتكون المنصة التجريبية من مصدر الحرارة LED ونظام إدارة حرارة التبريد السائل والتبريد الحراري (الشكل 1). قوة مصدر الحرارة LED 40 وات، ومساحة تبديد الحرارة 5.2 سم × 4.6 سم. يتكون نظام الإدارة الحرارية من مبرد كهروحراري، ومبرد نحاسي مبرد بالسائل، ومبرد مبرد بالهواء، وخزان سائل، ومضخة دفع تمعجية. يتم توصيل الطرف البارد من TEC بمصباح LED، ويتم توصيل الطرف الساخن من TEC بالمبرد. يتم استخدام المعدن السائل كوسيط للتدفق عبر مشعاع التبريد السائل من أجل التبريد الفعال. عندما يكون النظام قيد التشغيل، فإن الطرف البارد لشريحة التبريد الكهروحرارية يبدد الحرارة إلى LED، ويتم تبريد الطرف الساخن لشريحة التبريد الكهربائية بواسطة مشعاع التبريد السائل. يتم تشغيل المعدن السائل بواسطة مضخة تمعجية، ويتم تبديد الحرارة إلى البيئة من خلال مشعاع تبريد الهواء. يعود المعدن السائل إلى الخزان بعد مروره عبر المبرد لإكمال الدورة. يتم تغليف طبقة رقيقة من شحم السيليكون الموصل الحراري بين LED ولوحة التبريد الحرارية ومبرد التبريد السائل لتقليل خشونة السطح وتلامس المقاومة الحرارية بين الأجهزة. يتم قياس درجة حرارة الركيزة LED ودرجة الحرارة المحيطة بواسطة المزدوجات الحرارية، ويتم تسجيل متوسط ​​قيمة البيانات بعد استقرار درجة الحرارة في التجربة.

أولاً، قارن 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 سائل التبريد Ti، وسرعة المضخة vB على درجة حرارة الركيزة Ts. وأخيرا، اختبار الأداء الحراري للنظام في ظل الظروف القاسية. بسبب خصائص المعدن السائل، فإن السائل يتخذ حلقة مغلقة. تمت دراسة تأثير معدلات التدفق المختلفة عن طريق تغيير سرعة المضخة. طريقة التجربة المتعامدة هي طريقة لترتيب وتحليل التجارب متعددة العوامل بشكل علمي باستخدام جدول متعامد، والذي يمكنه تحديد الخطة المثالية بالتساوي مع عدد صغير من التجارب. ومن خلال وسائل تحليل التباين تم تحليل أهمية تأثير كل عامل. تمت دراسة تأثير أربعة عوامل على أداء تبديد الحرارة من خلال التجارب. بما أن مصباح LED يمكن أن يعمل في درجة حرارة محيطة تصل إلى 65 درجة مئوية، فإن الحد الأقصى لدرجة الحرارة المحيطة هو 70 درجة مئوية.

2. النتائج التجريبية والمناقشة

وتمت مقارنة أداء التبريد للماء والمعادن السائلة كمبردات. الظروف التجريبية هي سرعة المضخة التمعجية 50 دورة / دقيقة، ودرجة الحرارة المحيطة 30 درجة مئوية، ودرجة حرارة مدخل سائل التبريد 30 درجة مئوية. كما هو مبين في الشكل 2، تنخفض درجة حرارة الركيزة LED مع زيادة قوة التبريد الحرارية. تحت نفس الحمل الحراري، عند استخدام المعدن السائل كمبرد، يكون ارتفاع درجة حرارة الركيزة LED أقل بكثير مما هو عليه عند استخدام الماء كمبرد. سبب الاختلاف المذكور أعلاه هو الفرق 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 لو ظل أداء عمل TEC دون تغيير. نظرًا لأن التوصيل الحراري للماء أصغر من المعدن السائل، فإن قدرته على تبديد الحرارة من الطرف الساخن لـ TEC تكون صغيرة نسبيًا عند تبريد الماء، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة LED بشكل أكبر. واستنادًا إلى نفس السبب، بما أن مدخلات الطاقة الكهربائية إلى TEC سيتم تحويلها في النهاية إلى طاقة حرارية، فإن تبديد الحرارة للطرف الساخن من TEC يزداد. إذا كانت قدرة تبديد الحرارة للطرف الساخن غير كافية، فستزيد درجة حرارة الطرف الساخن لـ TEC، مما يؤدي بدوره إلى زيادة درجة حرارة الطرف البارد لـ TEC وLED. لذلك، في ظل حالة التبريد المائي الموضحة في الشكل 2، عندما تكون طاقة TEC كبيرة، تزيد درجة حرارة LED مع زيادة طاقة TEC. إذا لم يتم تبريد تبديد الحرارة للطرف الساخن TEC بالسائل، فستزيد درجة حرارة الطرف الساخن بشكل أكبر. نظرًا للتوصيل الحراري العالي للمعدن السائل، يمكن نقل الحرارة الناتجة عن مصابيح LED وTECs بشكل أكثر كفاءة. لذلك، عندما تكون طاقة TEC عالية، يمكن أن تظل درجة حرارة نهايته الساخنة منخفضة، ويمكن تقليل درجة حرارة LED بشكل أكبر وفقًا لذلك.

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

تم إجراء تجارب متعامدة وفقًا لمستوى مجموعة 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 Ta مرتفعة، تكون درجة حرارة الركيزة LED Ts أقل من درجة الحرارة المحيطة Ta في بعض التجارب. أظهرت النتائج التجريبية أن نظام الإدارة الحرارية جنبًا إلى جنب مع المعدن السائل والتبريد الحراري الكهربائي 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 تعديل قوة TEC وفقًا لمتطلبات درجة حرارة تبديد الحرارة لـ LED، ويمكن تقليل قوة نظام تبديد الحرارة قدر الإمكان في ظل فرضية تلبية تأثير معين لتبديد الحرارة.

تظهر نتائج التجارب المتعامدة أن درجة حرارة مدخل سائل التبريد وطاقة TEC هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء تبديد الحرارة لنظام الإدارة الحرارية. في عملية التشغيل 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 سائل التبريد، ودرجة حرارة محيطة أعلى، ومعدل تدفق أقل للسوائل للدراسة. بمعنى آخر، خذ Ti عند 50 درجة مئوية، وTa عند 70 درجة مئوية، وvB عند 50r/min للتجارب. إذا كان أداء تبديد الحرارة للنظام في هذه الحالة القاسية يمكن أن يلبي المتطلبات، فهذا يعني أنه عندما تتقلب قيم Ti والمعلمات الأخرى في اتجاه أكثر لطفًا، يجب أن يفي أداء تبديد الحرارة للنظام أيضًا بالمتطلبات. كما هو مبين في الشكل 4، عندما لا تتجاوز طاقة TEC 50 وات، تنخفض درجة حرارة الركيزة LED مع زيادة طاقة TEC. علاوة على ذلك، يتناقص حجم التخفيض مع زيادة قدرة TEC. عندما تكون طاقة TEC 10 وات، تكون درجة حرارة الركيزة LED هي أعلى قيمة تبلغ 64.8 درجة مئوية في ظل الظروف التجريبية. هذه القيمة أقل من درجة الحرارة المحيطة Ta، وأقل بكثير من درجة حرارة التشغيل القصوى لـ LED. وهذا يدل على أن نظام الإدارة الحرارية لا يزال يتمتع بأداء تبريد جيد في ظل الظروف القاسية. عندما تتجاوز طاقة TEC 50 وات، تزيد درجة حرارة الركيزة 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 الزيادة في درجة حرارة TEC إلى انخفاض الكفاءة. لذلك، هناك طاقة TEC مناسبة لجعل درجة حرارة الركيزة LED هي الأدنى.

وفي 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، وPTEC عند 10 وات، وvB عند 50r/min. تظهر النتائج التجريبية في الشكل 5. تزيد درجة حرارة الركيزة LED 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 أعلى قيمة تبلغ 64.8 درجة مئوية في ظل الظروف التجريبية، مما يشير إلى أن النظام يتمتع بأداء جيد في تبديد الحرارة.

3. الاستبعاد​

في ظل نفس الظروف، يمكن أن يحقق تبريد المعدن السائل درجة حرارة LED أقل من التبريد بالماء. وفي ظل الظروف التجريبية المدروسة فإن الحد الأقصى للتخفيض في المقاومة الحرارية يصل 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 50 دورة / دقيقة، لا تتجاوز درجة حرارة الركيزة LED 64.8 درجة مئوية. يوضح هذا أن نظام الإدارة الحرارية للتبريد الكهروحراري / المعدن السائل يمكنه التعامل بشكل فعال مع متطلبات تبديد الحرارة لمصابيح LED في ظل ظروف التشغيل القاسية، وهي درجة الحرارة المحيطة العالية، وارتفاع درجة حرارة مدخل المعدن السائل وانخفاض معدل تدفق المعدن السائل.

تعلم المزيد عن المشتتات الحرارية