Sumário
A dissipador de calor da tubulação de calor Foi desenvolvido para atender ao desafio de resfriamento de alto fluxo térmico de um holofote LED de alta potência de 4000 W. A dimensão total do radiador é de 350 mm × 350 mm × 120 mm, equipado com 40 peças de Φ9.5 mm. tubo de calorUma placa de base de cobre com 12 mm de espessura é adotada como condutor térmico para a fonte de calor. A soldagem por refluxo com pasta de solda é aplicada para formar uma conexão térmica hermética entre os tubos de calor, a placa de base e as aletas. O resfriamento por ar forçado é realizado por três ventiladores axiais Sanyo 9038 operando a 5500 rpm. Simulações térmicas e medições experimentais mostram que a temperatura do LED pode ser mantida estável em 67.5 °C sob uma temperatura ambiente de 35 °C, o que atende ao requisito de temperatura operacional confiável a longo prazo para LEDs de alta potência. Esta solução fornece referências de projeto para sistemas de gerenciamento térmico de LEDs de alta potência para uso externo em escala de quilowatts. A iluminação LED fontes.
Palavras-chave: LED de alta potência; holofote de 4000 W; dissipador de calor com tubo térmico; placa de base de cobre; resfriamento por ar forçado; soldagem com pasta de solda.
1 Introdução
Com o desenvolvimento da iluminação de longo alcance e das indústrias de iluminação especial, a potência das fontes de luz LED continua aumentando, e holofotes LED de alta potência de 4000W têm sido amplamente adotados. Aproximadamente 65% da energia elétrica consumida por LEDs de alta potência é convertida em calor durante a operação. Se o calor não puder ser dissipado rapidamente, a temperatura dos chips de LED aumenta drasticamente, causando atenuação da luz, redução da vida útil e até mesmo a queima permanente dos LEDs em casos extremos.
Dissipadores de calor tradicionais de alumínio extrudado integral apresentam peso elevado e baixa uniformidade de temperatura. Placas de cobre simples não oferecem área de convecção suficiente para atender à demanda de dissipação de calor sob alta carga térmica de 4000 W. Os heat pipes possuem condutividade térmica equivalente ultra-alta, o que permite a rápida transferência de calor concentrado local para toda a área das aletas. Neste artigo, um radiador de heat pipe com resfriamento por ar forçado, base de cobre espessa e matriz de múltiplos heat pipes é projetado. A soldagem com pasta de solda é adotada para reduzir a resistência térmica interfacial. Combinado com a convecção forçada aprimorada por ventiladores, o controle estável da temperatura dos LEDs é alcançado.
2. Projeto geral do dissipador de calor
2.1 Parâmetros de entrada do projeto
1. Potência da fonte de luz: Refletor LED de 4000 W
2. Temperatura ambiente: Ta=35 ℃
3. Temperatura alvo do LED: Tc = 67.5 ℃
4. Dimensões gerais do dissipador de calor: 350 mm × 350 mm × 120 mm
5. Método de resfriamento: Resfriamento por ar forçado com tubo de calor e aletas
6. Superfície de contato com a fonte de calor: placa de base de cobre com 12 mm de espessura
7. Especificação do tubo de calor: tubo de calor circular de Φ9.5 mm, quantidade: 40 unidades
8. Configuração da ventoinha: Ventoinha axial Sanyo 9038, velocidade de rotação: 5500 rpm
9. Processo de montagem: Soldagem com pasta de solda entre os tubos de calor, a placa de base de cobre e as aletas de resfriamento.
2.2 Esquema Estrutural
O dissipador de calor é composto por quatro componentes: placa de base de cobre, conjunto de tubos de calor, aletas de resfriamento de alumínio e suporte de montagem do ventilador.
1. Placa de base de cobre com 12 mm de espessura: O cobre possui condutividade térmica muito superior à da liga de alumínio e excelente uniformidade de temperatura. Ele recebe o calor concentrado dos módulos de LED e evita pontos quentes localizados. A placa de base possui orifícios para a instalação de heat pipes.
2. Conjunto de tubos de calor de Φ9.5 mm (40 unidades): Uma extremidade de cada tubo de calor está embutida na placa de base de cobre e a outra extremidade penetra nas aletas de alumínio. O calor é transferido rapidamente da placa de base de cobre para as aletas de alumínio multicamadas através dos tubos de calor, expandindo a área de troca térmica.
3. Aletas de alumínio de alta densidade: As aletas são soldadas aos tubos de calor com pasta de solda, eliminando espaços de ar entre os tubos de calor e as aletas e reduzindo a resistência térmica de contato.
4. Ventoinhas de alta velocidade Sanyo 9038: Ventoinhas de alta velocidade a 5500 rpm geram fluxo de ar forçado que percorre as superfícies das aletas para dissipar o calor.
2.3 Seleção do Processo de Soldagem
O processo de soldagem por refluxo com pasta de solda é adotado para o dissipador de calor. Comparado com a montagem por compressão tradicional com silicone termicamente condutor, a soldagem com pasta de solda forma uma ligação metalúrgica entre a parede externa dos heat pipes, a placa de base e as aletas, o que reduz significativamente a resistência térmica interfacial. Não ocorre envelhecimento da interface nem degradação do desempenho térmico sob operação prolongada em alta temperatura, tornando-o adequado para cenários de funcionamento contínuo de LEDs de alta potência.
3 Análise teórica térmica preliminar
Considerando a eficiência de conversão fotoelétrica dos LEDs, a carga térmica com uma potência de entrada de 4000W é de aproximadamente 2600W.
Aumento de temperatura permitido: ΔT = 67.5 ℃ – 35 ℃ = 32.5 ℃
Resistência térmica média global admissível do sistema:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/W
A resistência térmica total do sistema de refrigeração inclui quatro partes:
1. Resistência térmica de contato entre o módulo LED e a placa de base de cobre
2. Resistência térmica de condução da placa de base de cobre
3. Resistência à condução térmica dos tubos de calor + resistência térmica interfacial entre os tubos de calor e as aletas
4. Resistência térmica por convecção entre as aletas e o ar
A resistência térmica global do sistema é controlada dentro do limite de projeto através do aumento da espessura da placa de base de cobre para melhor uniformidade da temperatura, distribuição da carga térmica por meio de múltiplos tubos de calor, redução da resistência térmica interfacial através da soldagem com pasta de solda e aumento da convecção com ventiladores de alta velocidade, de forma a atingir a temperatura desejada.
4 Resultados de Simulação e Teste
Os testes térmicos em regime permanente são realizados sob temperatura ambiente constante de 35 ℃:
1. Após 60 minutos de operação estável, a temperatura da placa de base do LED estabiliza em 67.5 ℃, atendendo à meta de projeto.
2. A diferença de temperatura na superfície da placa de base de cobre de 12 mm é inferior a 4 ℃. Quarenta tubos de calor distribuem a carga térmica de forma eficaz, sem pontos quentes localizados evidentes.
3. O teste comparativo com um dissipador de calor de alumínio sólido do mesmo tamanho mostra que a temperatura do LED ultrapassa 82 ℃ em condições idênticas, o que comprova as vantagens do sistema de tubo de calor.
4. Um teste de envelhecimento contínuo de 72 horas foi realizado. Nenhuma deriva de temperatura foi observada, a interface soldada com pasta de solda permaneceu estável, sem degradação do desempenho térmico.
5 vantagens do programa
1. Placa de base de cobre com 12 mm de espessura: Excelente uniformidade de temperatura, compatível com fontes de calor de LED de grande área e que evita o superaquecimento localizado dos módulos.
2. Conjunto de 40 tubos de calor de Φ9.5 mm: Abundantes canais de condução de calor para rápida dispersão de fontes de calor concentradas, superando a limitação da transferência de calor por condução em metais sólidos.
3. Processo de soldagem com pasta de solda: Baixa resistência térmica interfacial com confiabilidade superior a longo prazo em comparação com a montagem por pressão e soluções de preenchimento com silicone.
4. Ventoinhas de alta velocidade Sanyo 9038: Alto volume de ar e pressão estática, o fluxo de ar consegue penetrar em densas matrizes de aletas, adequadas para ambientes externos com alta concentração de poeira e alta temperatura. 5. Dimensões compactas de 350×350×120 mm: Permitem a dissipação de calor de 4000W de alta potência em um espaço de instalação limitado, atendendo às restrições de montagem do projetor completo.
6 Limitações e Direções de Otimização
1. A placa de base de cobre apresenta um peso relativamente elevado. Se o peso for um indicador crucial, um esquema de placa de base composta de cobre e alumínio pode ser avaliado por meio de simulação para otimização adicional.
2. Ventoinhas de alta velocidade a 5500 rpm produzem ruído relativamente alto. Para aplicações que exigem baixo nível de ruído, a regulação da velocidade da ventoinha por PWM pode ser adotada para reduzir a velocidade de rotação e o ruído em temperatura ambiente normal.
3. Quando utilizado em ambientes externos, o acúmulo de poeira nas aletas reduzirá gradualmente a capacidade de dissipação de calor. Uma simples tela de proteção contra poeira pode ser adicionada à estrutura para facilitar a manutenção regular.
Conclusão 7
Neste artigo, um radiador de tubo de calor com resfriamento por ar forçado é projetado para um holofote LED de alta potência de 4000 W, com dimensões totais de 350 mm × 350 mm × 120 mm. Ele adota uma placa de base de cobre de 12 mm de espessura e 40 tubos de calor de Φ9.5 mm soldados com pasta de solda, em conjunto com ventiladores Sanyo 9038 de 5500 rpm. Sob temperatura ambiente de 35 °C, a temperatura do LED é controlada de forma estável em 67.5 °C, atendendo ao requisito de operação estável a longo prazo de LEDs de alta potência.
O radiador apresenta estrutura compacta, excelente desempenho de dissipação de calor e alta confiabilidade a longo prazo. Ele pode atender à demanda de refrigeração de holofotes LED externos de alta potência e servir de referência para o projeto de gerenciamento térmico de equipamentos de iluminação especiais similares, na faixa de quilowatts.
