eng
Выпуск #2/2015
В. Кондратенко, Ю. Сакуненко
Инновационные подходы к охлаждению высокомощныж светодиодных кластеров
Инновационные подходы к охлаждению высокомощныж светодиодных кластеров
Просмотры: 5246
В большинстве современных светодиодных конструкций реализована компоновка по правилу "кристалл: спереди стекло, сзади радиатор". Такая компоновка себя полностью оправдывала для предыдущего поколения маломощных светодиодов. Для современных мощных светодиодных кластеров такого подхода к охлаждению оказалось явно недостаточно. Проблема отвода избыточного тепла от LED-кристалла становится критически важной.
П
ри работе любого светодиода происходит преобразование электрической энергии в световую и тепловую. Если это тепло недостаточно эффективно отводится от кристалла, то его температура повышается и достигает некоторых критических значений, резко снижающих гарантийные сроки службы. Проблема отвода избыточного тепла от LED-кристалла становится критически важной в связи с появлением на рынке компактных, мощных (десятки и сотни ватт) LED-кластеров. Во многом от решения именно этой проблемы зависит дальнейший прогресс в увеличении удельных энергетических характеристик мощных светодиодных светильников и прожекторов.
В абсолютном большинстве современных светодиодных конструкций реализована компоновка по правилу "кристалл: спереди стекло, сзади радиатор". Такая компоновка себя полностью оправдывала для предыдущего поколения маломощных светодиодов. Для современных мощных светодиодных кластеров такого подхода к охлаждению оказалось явно недостаточно.
Ситуацию удалось частично разрешить за счет перехода на металлические печатные платы (MC PCB – Metal Core Printed Circuit Board). Тепло "разгонялось" по всей поверхности платы, увеличивалась площадь, на которой можно было разместить дополнительные радиаторы. Но и это нововведение из-за стремительного роста удельных генерируемых мощностей фактически уже исчерпал свои преимущества.
Критический анализ существующих подходов к проектированию систем охлаждения светильников и других тепловыделяющих электронных устройств позволил авторам работ [1, 2] найти не используемые до настоящего времени резервы в отводе тепла: это так называемые фронтальные и транзитные схемы. Они предназначены для интенсификации отвода тепла с фронтальной стороны печатных плат MC PCB, на которых смонтированы светодиоды.
Фронтальное охлаждение
Под этим термином подразумевается отвод тепла с помощью специально сконструированных радиаторов охлаждения, расположенных на фронтальной стороне МС PCB [3]. Важнейшими характеристиками данной системы охлаждения являются форма, габариты и место расположения фронтальных радиаторов 1 (рис. 1).
Они определяются конфигурацией и размерами "мертвых" оптических зон – участков пространства, через которые не проходит генерируемое светодиодом излучение 2, имеющее, как правило, форму конуса и численно характеризуемое углами излучения. Основное требование, предъявляемое к радиаторам, – они должны вписываться внутрь этих "мертвых" оптических зон и не препятствовать прохождению излучения светодиода. Введение дополнительных фронтальных радиаторов позволило существенно увеличивать суммарную теплорассеивающую площадь системы охлаждения и повысить ее эффективность. К отводимому традиционными радиаторами тепловому потоку Q1 добавляются тепловые потоки Q2, что позволяет ощутимо снизить рабочую температуру кристалла.
Кроме основной функции – охлаждения – фронтальные радиаторы могут одновременно служить основой для монтажа оптических элементов светильника (рис.2). Назначение этих элементов – управление светом (фокусирование, рассеивание, отклонение и т. д.).
Такие "индивидуальные" оптические решения для каждого светодиода открывают новые возможности для управления качеством излучения светильника в целом. В зависимости от назначения светильника одна часть светодиодов, входящих в кластер, может быть снабжена, например, рассеивающей оптикой, другая – фокусирующей, третья – отклоняющей. В результате их совместной работы могут быть получены световые поля, которые традиционными способами получить либо очень затратно, либо практически невозможно.
Транзитное охлаждение
Хорошо известно, что эффективность охлаждения электронных устройств, размещенных на печатной плате, существенно зависит от ее ориентации в пространстве. Вертикально ориентированная плата охлаждается в 1,2–1,5 раза интенсивнее, чем при горизонтальной ориентации, самой распространенной для светильников.
Это объясняется различием гидродинамических условий при обтекании нагретых плат холодным внешним воздухом.
При горизонтальной ориентации плат (рис.3) молекулам воздуха, нагретым вблизи нижней стороны платы 1, необходимо преодолеть путь S1н до области смешивания с внешним холодным воздухом 2, который существенно длиннее пути S1в для воздуха, нагретого на верхней стороне платы. Это замедляет процесс теплообмена, снижает его эффективность.
Ускорить теплообмен можно за счет организации сквозного (транзитного) охлаждения [4]. Сущность метода – отвод "нижнего" нагретого воздуха более коротким путем S2 (рис 4).
С этой целью предлагается разместить по всей поверхности печатной платы специальные сквозные вставки – радиаторы 1 с вертикально ориентированным отверстием для беспрепятственного прохода горячего воздуха.
За счет этого сокращается путь S2 до холодного воздуха, интенсифицируется теплообмен. Конкретное место расположения на MC PCB таких транзитных вставок зависит от конкретной топологии электронного устройства, смонтированного на ней. Они не должны пересекать коммутирующие элементы и нарушать их работу.
Транзитные радиаторы (рис. 5) состоят из двух взаимопроникающих частей – из нижнего сопла 1, забирающего теплый воздух, и верхней части 2, представляющей собой классический радиатор с развернутой поверхностью и отверстием посередине.
При этом важно отметить, что за счет высоты вставки h возникает перепад давлений, усиливающий эффект подсоса воздуха (эффект "вытяжной" трубы).
Интересно, что при последовательном уменьшении высоты вставок до размера, равного толщине охлаждаемой платы МС PCB, вставка морфологически преобразуется в отверстие сквозь плату.
Транзитные вставки должны быть по возможности равномерно расположены на плате.
Выбор материала
для изготовления радиаторов
Материал, предназначенный для изготовления фронтальных и транзитных радиаторов, должен как минимум удовлетворять двум требованиям:
Обладать теплопроводностью l, необходимой и достаточной для подвода к охлаждающей поверхности такого количества тепла, которое реально может "забрать" себе окружающий воздух в условиях естественного охлаждения. Расчеты и многочисленные эксперименты относят к ним материалы с l выше 7–10 Вт/мK.
Обрабатываться с помощью технологий, обеспечивающих высокую точность, соизмеримую с точностью изготовления корпусов кластеров, и иметь доступную себестоимость в условиях массового производства.
Всем этим требованиям удовлетворяют недавно появившиеся на рынке теплопроводящие (теплорассеивающие) пластмассы [5].
Обладая близкой к алюминию (на уровне 90–95%) теплорассеивающей способностью при естественном охлаждении, изделия из таких пластиков, одинаковые по форме и размерам с металлическими, почти в два раза легче, а себестоимость их изготовления в 3–5 раз меньше алюминиевых. Коэффициент термического линейного расширения этих пластиков имеет низкие (5–10 ppm/°C), близкие к металлам (10–20 ppm/°C), значения. Поэтому при их сопряжении в конструкциях термические напряжения и эффекты коробления деталей будут возникать минимальные
Экспериментальная проверка
На рис.6 приведены результаты экспериментальной проверки эффективности предлагаемого фронтального охлаждения на примере работы светодиода фирмы CREE типа XML мощностью 10 ватт, закрепленного на алюминиевой пластине 50 × 50 мм толщиной 2 мм. С помощью термопары измерялась температура самой горячей точки сборки – под кристаллом. Использовались модульные игольчатые радиаторы М50, изготовленные из теплорассеивающего полимерного композита "ТЕПЛОСТОК Т 6-Э5–7" с теплопроводностью, равной 6 Вт/мK.
На рисунках указаны температуры нескольких вариантов сборки: без радиаторов (а), с "классическим" радиатором (b), с фронтальным радиатором (с), с "классическим" и фронтальным радиаторами (d).
Приведенные результаты подтверждают эффективность применения фронтального охлаждения светодиодов как в качестве дополнительной, так и в качестве самостоятельной системы охлаждения.
Для экспериментальной проверки эффективности транзитного охлаждения исследовались различные схемы охлаждения на примере светодиодного кластера мощностью 25 Вт (No Brand), размером 20 × 20 мм, расположенного на алюминиевой подложке размером 40 × 40 × 1 мм (рис.7). Кластер закреплялся теплопроводной пастой на алюминиевой пластине размером 165 × 165 × 1,8 мм. В качестве радиаторов охлаждения использовались игольчатые модульные радиаторы М50 с размером 50 × 50 × 25 мм, изготовленные из теплорассеивающего полимерного композита "ТЕПЛОСТОК" с теплопроводностью не менее 7 Вт/мK.
Транзитное охлаждение обеспечивалось модификацией конструкции нижних и верхних радиаторов за счет введения системы из 76 отверстий диаметром 5,2 мм, просверленных через основания нижнего и верхнего радиаторов и базовую алюминиевую пластину. В результате эффективная высота h вставок-радиаторов составляла 12 мм. Общая площадь вентилирующих отверстий в данной системе охлаждения составила 16 см 2 (6% от охлаждаемой площади).
Исслежование эфективности систем охлаждения оценивали по разнице температур окружающего воздуха Tair и самой горячей точкой конструкции Тmax, под которой обычно подразумевается температура корпуса LED-кластера. Эта величина напрямую связана с тепловым сопротивлением системы охлаждения – чем она меньше, тем эффективнее работа системы охлаждения в целом.
Температура Tmax измерялась термопарой внутри отверстия диаметром 1 мм, просверленного в центре алюминиевой платы непосредственно под заводской подложкой кластера. Фиксировались значения температуры при установившемся тепловом режиме работы сборки, как правило, через 1,5–2 часа после начала эксперимента.
В качестве базовой схемы охлаждения использовалась горизонтально ориентированная конструкция традиционного теплового дизайна – радиаторы сверху, снизу светодиодные кристаллы, защищенные прозрачным плафоном (поз.2 в табл.1). В этом случае была зарегистрирована максимальная для всех сравниваемых конструкций температура – плюс 80 °C (перепад 55 °C).
Полученные результаты подтвердили эффективность введения транзитного охлаждения в любые известные в настоящее время схемы охлаждения электронных устройств. Вне зависимости от используемой схемы охлаждения дополнительное введение элементов транзитного охлаждения, требующее по существу минимальных дополнительных затрат, сопровождалось понижением рабочей температуры кластера Тmax.
Наибольший эффект снижения температур кристаллов достигается, как показано в табл.2, в случае комбинированного применения двух дополнительных систем охлаждения – фронтальных радиаторов и транзитного охлаждения. В этом случае наблюдается фактически 25%-ное увеличение эффективности охлаждения исследуемого LED-кластера.
На рис.8 показаны реальные конструкции светодиодных светильников различных производителей с фронтальной системой охлаждения, изготовленной из теплорассеивающих пластмасс.
Результаты исследований по фронтальному охлаждению мощных светодиодных кластеров были впервые доложены в Японии на Международной конференции LED Japan Conference & Expo – Strategies in Light Japan 2014 [6] и имели положительные отзывы.
Список литературы
Патент 138 222 РФ.Устройство для отвода тепла от электронных компонентов, размещенных на печатной плате/Сакуненко Ю.И., Кондратенко В. С.
Патент 130 669РФ. Светодиодный светильник/ Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С.
Патент 2013146798 РФ . Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов/ Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С.
Патент 2015105924 РФ. Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов/ Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С.
Кондратенко В. С., Сакуненко Ю. И. Энерготранспортирующие полимерные композиты и примеры их применения в объектах новой техники. – Сборник трудов III научно-практической конференции "Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении. – М.: Институт машиноведения РАЕН РФ, 2014.
ри работе любого светодиода происходит преобразование электрической энергии в световую и тепловую. Если это тепло недостаточно эффективно отводится от кристалла, то его температура повышается и достигает некоторых критических значений, резко снижающих гарантийные сроки службы. Проблема отвода избыточного тепла от LED-кристалла становится критически важной в связи с появлением на рынке компактных, мощных (десятки и сотни ватт) LED-кластеров. Во многом от решения именно этой проблемы зависит дальнейший прогресс в увеличении удельных энергетических характеристик мощных светодиодных светильников и прожекторов.
В абсолютном большинстве современных светодиодных конструкций реализована компоновка по правилу "кристалл: спереди стекло, сзади радиатор". Такая компоновка себя полностью оправдывала для предыдущего поколения маломощных светодиодов. Для современных мощных светодиодных кластеров такого подхода к охлаждению оказалось явно недостаточно.
Ситуацию удалось частично разрешить за счет перехода на металлические печатные платы (MC PCB – Metal Core Printed Circuit Board). Тепло "разгонялось" по всей поверхности платы, увеличивалась площадь, на которой можно было разместить дополнительные радиаторы. Но и это нововведение из-за стремительного роста удельных генерируемых мощностей фактически уже исчерпал свои преимущества.
Критический анализ существующих подходов к проектированию систем охлаждения светильников и других тепловыделяющих электронных устройств позволил авторам работ [1, 2] найти не используемые до настоящего времени резервы в отводе тепла: это так называемые фронтальные и транзитные схемы. Они предназначены для интенсификации отвода тепла с фронтальной стороны печатных плат MC PCB, на которых смонтированы светодиоды.
Фронтальное охлаждение
Под этим термином подразумевается отвод тепла с помощью специально сконструированных радиаторов охлаждения, расположенных на фронтальной стороне МС PCB [3]. Важнейшими характеристиками данной системы охлаждения являются форма, габариты и место расположения фронтальных радиаторов 1 (рис. 1).
Они определяются конфигурацией и размерами "мертвых" оптических зон – участков пространства, через которые не проходит генерируемое светодиодом излучение 2, имеющее, как правило, форму конуса и численно характеризуемое углами излучения. Основное требование, предъявляемое к радиаторам, – они должны вписываться внутрь этих "мертвых" оптических зон и не препятствовать прохождению излучения светодиода. Введение дополнительных фронтальных радиаторов позволило существенно увеличивать суммарную теплорассеивающую площадь системы охлаждения и повысить ее эффективность. К отводимому традиционными радиаторами тепловому потоку Q1 добавляются тепловые потоки Q2, что позволяет ощутимо снизить рабочую температуру кристалла.
Кроме основной функции – охлаждения – фронтальные радиаторы могут одновременно служить основой для монтажа оптических элементов светильника (рис.2). Назначение этих элементов – управление светом (фокусирование, рассеивание, отклонение и т. д.).
Такие "индивидуальные" оптические решения для каждого светодиода открывают новые возможности для управления качеством излучения светильника в целом. В зависимости от назначения светильника одна часть светодиодов, входящих в кластер, может быть снабжена, например, рассеивающей оптикой, другая – фокусирующей, третья – отклоняющей. В результате их совместной работы могут быть получены световые поля, которые традиционными способами получить либо очень затратно, либо практически невозможно.
Транзитное охлаждение
Хорошо известно, что эффективность охлаждения электронных устройств, размещенных на печатной плате, существенно зависит от ее ориентации в пространстве. Вертикально ориентированная плата охлаждается в 1,2–1,5 раза интенсивнее, чем при горизонтальной ориентации, самой распространенной для светильников.
Это объясняется различием гидродинамических условий при обтекании нагретых плат холодным внешним воздухом.
При горизонтальной ориентации плат (рис.3) молекулам воздуха, нагретым вблизи нижней стороны платы 1, необходимо преодолеть путь S1н до области смешивания с внешним холодным воздухом 2, который существенно длиннее пути S1в для воздуха, нагретого на верхней стороне платы. Это замедляет процесс теплообмена, снижает его эффективность.
Ускорить теплообмен можно за счет организации сквозного (транзитного) охлаждения [4]. Сущность метода – отвод "нижнего" нагретого воздуха более коротким путем S2 (рис 4).
С этой целью предлагается разместить по всей поверхности печатной платы специальные сквозные вставки – радиаторы 1 с вертикально ориентированным отверстием для беспрепятственного прохода горячего воздуха.
За счет этого сокращается путь S2 до холодного воздуха, интенсифицируется теплообмен. Конкретное место расположения на MC PCB таких транзитных вставок зависит от конкретной топологии электронного устройства, смонтированного на ней. Они не должны пересекать коммутирующие элементы и нарушать их работу.
Транзитные радиаторы (рис. 5) состоят из двух взаимопроникающих частей – из нижнего сопла 1, забирающего теплый воздух, и верхней части 2, представляющей собой классический радиатор с развернутой поверхностью и отверстием посередине.
При этом важно отметить, что за счет высоты вставки h возникает перепад давлений, усиливающий эффект подсоса воздуха (эффект "вытяжной" трубы).
Интересно, что при последовательном уменьшении высоты вставок до размера, равного толщине охлаждаемой платы МС PCB, вставка морфологически преобразуется в отверстие сквозь плату.
Транзитные вставки должны быть по возможности равномерно расположены на плате.
Выбор материала
для изготовления радиаторов
Материал, предназначенный для изготовления фронтальных и транзитных радиаторов, должен как минимум удовлетворять двум требованиям:
Обладать теплопроводностью l, необходимой и достаточной для подвода к охлаждающей поверхности такого количества тепла, которое реально может "забрать" себе окружающий воздух в условиях естественного охлаждения. Расчеты и многочисленные эксперименты относят к ним материалы с l выше 7–10 Вт/мK.
Обрабатываться с помощью технологий, обеспечивающих высокую точность, соизмеримую с точностью изготовления корпусов кластеров, и иметь доступную себестоимость в условиях массового производства.
Всем этим требованиям удовлетворяют недавно появившиеся на рынке теплопроводящие (теплорассеивающие) пластмассы [5].
Обладая близкой к алюминию (на уровне 90–95%) теплорассеивающей способностью при естественном охлаждении, изделия из таких пластиков, одинаковые по форме и размерам с металлическими, почти в два раза легче, а себестоимость их изготовления в 3–5 раз меньше алюминиевых. Коэффициент термического линейного расширения этих пластиков имеет низкие (5–10 ppm/°C), близкие к металлам (10–20 ppm/°C), значения. Поэтому при их сопряжении в конструкциях термические напряжения и эффекты коробления деталей будут возникать минимальные
Экспериментальная проверка
На рис.6 приведены результаты экспериментальной проверки эффективности предлагаемого фронтального охлаждения на примере работы светодиода фирмы CREE типа XML мощностью 10 ватт, закрепленного на алюминиевой пластине 50 × 50 мм толщиной 2 мм. С помощью термопары измерялась температура самой горячей точки сборки – под кристаллом. Использовались модульные игольчатые радиаторы М50, изготовленные из теплорассеивающего полимерного композита "ТЕПЛОСТОК Т 6-Э5–7" с теплопроводностью, равной 6 Вт/мK.
На рисунках указаны температуры нескольких вариантов сборки: без радиаторов (а), с "классическим" радиатором (b), с фронтальным радиатором (с), с "классическим" и фронтальным радиаторами (d).
Приведенные результаты подтверждают эффективность применения фронтального охлаждения светодиодов как в качестве дополнительной, так и в качестве самостоятельной системы охлаждения.
Для экспериментальной проверки эффективности транзитного охлаждения исследовались различные схемы охлаждения на примере светодиодного кластера мощностью 25 Вт (No Brand), размером 20 × 20 мм, расположенного на алюминиевой подложке размером 40 × 40 × 1 мм (рис.7). Кластер закреплялся теплопроводной пастой на алюминиевой пластине размером 165 × 165 × 1,8 мм. В качестве радиаторов охлаждения использовались игольчатые модульные радиаторы М50 с размером 50 × 50 × 25 мм, изготовленные из теплорассеивающего полимерного композита "ТЕПЛОСТОК" с теплопроводностью не менее 7 Вт/мK.
Транзитное охлаждение обеспечивалось модификацией конструкции нижних и верхних радиаторов за счет введения системы из 76 отверстий диаметром 5,2 мм, просверленных через основания нижнего и верхнего радиаторов и базовую алюминиевую пластину. В результате эффективная высота h вставок-радиаторов составляла 12 мм. Общая площадь вентилирующих отверстий в данной системе охлаждения составила 16 см 2 (6% от охлаждаемой площади).
Исслежование эфективности систем охлаждения оценивали по разнице температур окружающего воздуха Tair и самой горячей точкой конструкции Тmax, под которой обычно подразумевается температура корпуса LED-кластера. Эта величина напрямую связана с тепловым сопротивлением системы охлаждения – чем она меньше, тем эффективнее работа системы охлаждения в целом.
Температура Tmax измерялась термопарой внутри отверстия диаметром 1 мм, просверленного в центре алюминиевой платы непосредственно под заводской подложкой кластера. Фиксировались значения температуры при установившемся тепловом режиме работы сборки, как правило, через 1,5–2 часа после начала эксперимента.
В качестве базовой схемы охлаждения использовалась горизонтально ориентированная конструкция традиционного теплового дизайна – радиаторы сверху, снизу светодиодные кристаллы, защищенные прозрачным плафоном (поз.2 в табл.1). В этом случае была зарегистрирована максимальная для всех сравниваемых конструкций температура – плюс 80 °C (перепад 55 °C).
Полученные результаты подтвердили эффективность введения транзитного охлаждения в любые известные в настоящее время схемы охлаждения электронных устройств. Вне зависимости от используемой схемы охлаждения дополнительное введение элементов транзитного охлаждения, требующее по существу минимальных дополнительных затрат, сопровождалось понижением рабочей температуры кластера Тmax.
Наибольший эффект снижения температур кристаллов достигается, как показано в табл.2, в случае комбинированного применения двух дополнительных систем охлаждения – фронтальных радиаторов и транзитного охлаждения. В этом случае наблюдается фактически 25%-ное увеличение эффективности охлаждения исследуемого LED-кластера.
На рис.8 показаны реальные конструкции светодиодных светильников различных производителей с фронтальной системой охлаждения, изготовленной из теплорассеивающих пластмасс.
Результаты исследований по фронтальному охлаждению мощных светодиодных кластеров были впервые доложены в Японии на Международной конференции LED Japan Conference & Expo – Strategies in Light Japan 2014 [6] и имели положительные отзывы.
Список литературы
Патент 138 222 РФ.Устройство для отвода тепла от электронных компонентов, размещенных на печатной плате/Сакуненко Ю.И., Кондратенко В. С.
Патент 130 669РФ. Светодиодный светильник/ Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С.
Патент 2013146798 РФ . Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов/ Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С.
Патент 2015105924 РФ. Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов/ Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С.
Кондратенко В. С., Сакуненко Ю. И. Энерготранспортирующие полимерные композиты и примеры их применения в объектах новой техники. – Сборник трудов III научно-практической конференции "Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении. – М.: Институт машиноведения РАЕН РФ, 2014.
Отзывы читателей
