Поставленные задачи решаются за счет того, что в светодиодном светильнике с жидкостным охлаждением, содержащем корпус из теплопроводящего материала, выполненный в виде заполненной диэлектрической жидкостью полой емкости, с установленными снаружи по периметру ребрами, герметично закрывающимися крышкой и отверстием для залива жидкости, источник света, рассеиватель из стекловидного материала, тепловыделяющие источники света смонтированы в центре наружной части основания корпуса, внутренний объем корпуса разделен на отсеки двумя продольно ориентированными планками из материала с низкой теплопроводностью, установленными с зазорами относительно торцевых стенок корпуса, крышка снабжена ребрами, расположенными под острым углом к продольной оси изделия Применение жидкости в качества теплоносителя позволяет обеспечить надежный тепловой контакт со всеми тепловыделяющими компонентами светильника независимо от их геометрической формы и расположения относительно корпуса, что способствует долговечности его работы.
Полезная модель относится к светотехнике, в частности к световым приборам на мощных светодиодах с устройством охлаждения, предназначенным для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.
Светодиодные осветительные устройства обладают большим сроком службы, высоким уровнем безопасности, компактностью, и еще целым рядом положительных свойств; но у них существуют серьезные проблемы в организации отвода тепла от светодиодов. При использовании мощных светодиодов возникает угроза перегрева светодиодов в процессе эксплуатации, а это приводит к уменьшению срока службы и надежности светильников.
Существуют различные способы отвода тепла в осветительных устройствах, работающих на светодиодах.
Известны светодиодные светильники (ПМ 80156, 85982, 110816), в которых светодиоды размещены в металлическом корпусе с обеспечением теплового контакта с ним, при этом корпус одновременно служит теплоотводом. Кроме того, для увеличения рассеиваемой тепловой мощности светодиодов радиатор охлаждения может иметь принудительное охлаждение поверхности, например, при помощи вентилятора (И 2313199, Н05В 33/02)/
Известно устройство для охлаждения (RU, 104412 U1, Н05К 7/20), предназначенное для предотвращения перегрева тепловыделяющих компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, дросселей, трансформаторов и др.) в процессе их эксплуатации. Устройство для охлаждения содержит корпус с крышкой, заполненный охлаждающей жидкостью, в качестве которой применяется трансформаторное масло с регламентированными электроизоляционными свойствами, либо силиконовая жидкость, обладающая электроизолирующими свойствами.
Тепловыделяющими элементами являются компоненты электронной пускорегулирующей аппаратуры для газоразрядных или светодиодных светильников.
Известен световой прибор с устройством пассивного охлаждения (RU, 113555 U1, F21S 8/00), в котором корпус выполнен в виде заполненной диэлектрической жидкостью полой герметичной емкости, закрытой снизу стеклом для выхода светового потока, внутри емкости с зазорами относительно ее стенок установлен объемный теплоизолятор с центральным каналом, образованным трубкой из материала с высокой теплопроводностью, а светодиоды и блок питания размещены внутри емкости с зазорами относительно плоскости стекла и нижней поверхности теплоизолятора.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является светодиодное осветительное устройство (RU, 103596 U1, F21S 10/00), взятое за прототип. Осветительное устройство содержит теплопередающую систему, выполненную в виде герметичной камеры, частично заполненной теплоносителем (например, водой, спиртом, ацетоном и др.) На нижней наружной поверхности камеры смонтирована теплоотводящая металлическая подложка со светодиодами. Боковая поверхность камеры снабжена ребрами и выполняет функцию радиатора. Для циркуляции теплоносителя используются либо гравитационные силы, либо капиллярная структура внутренней поверхности камеры, в зависимости от месторасположения металлической подложки со светодиодами.
Недостатком описываемых конструкций является возможность перегрева при определенных погодных условиях, и, как следствие, выход светильника из строя. А в последнем варианте, кроме того, сложное конструктивное выполнение внутренней части корпуса, а именно, капиллярной структуры.
Задачами предлагаемой полезной модели являются:
Упрощение конструкции светодиодного осветительного устройства,
Увеличение эффективности отвода тепла от светодиодов,
Увеличение срока службы осветительного устройства,
Улучшение эксплуатационных свойств светильника при использовании для уличного освещения за счет возможности применения мощных светодиодов.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в светодиодном светильнике с жидкостным охлаждением, содержащем корпус из теплопроводящего материала, выполненный в виде заполненной диэлектрической жидкостью полой емкости, с установленными снаружи по периметру ребрами, с герметично закрывающимися крышкой и заливным отверстием,
тепловыделяющие источники света смонтированы в центре наружной части основания корпуса и закрыты защитным колпаком из стекловидного материала, внутренний объем корпуса разделен на отсеки двумя продольно ориентированными планками из материала с низкой теплопроводностью, установленными с зазорами относительно торцевых стенок корпуса, крышка снабжена ребрами, расположенными под острым углом к продольной оси изделия
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является конструктивное объединение в единую систему охлаждения основания тепловыделяющих элементов, корпуса-радиатора, теплоотводящей жидкости таким образом, что тепло от светодиодов отводится через алюминиевое основание (либо дополнительно через печатную плату), и далее на корпус-радиатор через теплоотводящую жидкость.
Корпус монолитный из теплоотводящего материала с пластинами оребрения, установленными с трех сторон по его периметру, для увеличения площади охлаждаемой поверхности.
Возможно наращивание мощности светильника за счет увеличения количества корпусов путем соединения за счет боковых стыковочных элементов.
Крышка выполнена с возможностью герметичной установки на корпусе, и, так же, как боковые стенки корпуса оснащена пластинами оребрения, которые расположены вертикально под острым углом к продольной оси изделия.
Расположение пластин оребрения в вертикальной плоскости позволяет любым воздушным потокам участвовать в охлаждении, а расположение под углом к поверхности обеспечивает возможность самоочищения пластин от различного рода осадков. Известно, что с чистой поверхности воздух лучше снимает тепло.
В случае, если источник света крепится не просто на алюминиевом основании корпуса, а через печатную плату, то печатная плата изготавливается также из алюминиевой пластины, жестко крепится в центре наружной части основания корпуса, и ориентирована в продольном направлении (т.е. расположена напротив среднего отсека внутренней полости корпуса).
Источник света представлен светодиодным модулем, в котором светоизлучающие элементы объединены в линейку последовательно соединенных светодиодов. Поверх каждого светодиода возможна установка оптических линз, в зависимости от требуемых характеристик.
Источник света защищен оптически прозрачным рассеивателем, выполненным из стекловидного материала. Световой рассеиватель - очень важный элемент светильника - определяет количественный и качественный световой поток, и, соответственно, качество освещения.
Применение жидкости в качества теплоносителя позволяет обеспечить надежный тепловой контакт со всеми тепловыделяющими компонентами светильника независимо от их геометрической формы и расположения относительно корпуса, при этом отсутствует механическая нагрузка на печатную плату, что способствует долговечности ее работы. Теплоемкость жидкости выше теплоемкости воздуха. Теплопроводящая жидкость обеспечивает конвекционную теплопередачу, отсутствующую в случае отвода тепла твердыми прокладками или компаундами.
В качестве теплоотводящей жидкости можно использовать воду, спирт, ацетон и др.
Кроме того, в зимнее время года, в качестве теплопроводящей жидкости можно использовать антифриз.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - общая схема светодиодного светильника с жидкостным охлаждением;
Фиг.2 - наружная поверхность основания светодиодного светильника;
Фиг.3 - крышка светодиодного светильника (вид сверху)
Светодиодный светильник с жидкостным охлаждением содержит корпус (1) из теплопроводящего материала, снабженный рассеивающими тепло ребрами-теплообменниками (2), установленными с трех сторон по его периметру, печатную плату (3) с светодиодами (4), смонтированную в центре наружной части основания корпуса (5) с ориентацией в продольном направлении. Внутренний объем корпуса разделен на 3 отсека (6) двумя продольно ориентированными планками (7) из материала с низкой теплопроводностью, установленными с зазорами относительно торцевых стенок корпуса, и заполнен теплопроводящей жидкостью (8). Корпус герметично закрыт крышкой (9) и снабжен герметично закрываемым отверстием (10) для заливания жидкости. Крышка снабжена ребрами, расположенными под острым углом к продольной оси изделия (11). Снаружи источник света защищен оптически прозрачным рассеивателем, выполненным из стекловидного материала (на чертежах не показан).
Работает светодиодный светильник с жидкостным охлаждением следующим образом.
При подаче напряжения светодиоды излучают световую энергию, сопровождаемую выделением тепла.
Передача тепла от работающих светодиодов происходит на плату и далее через основание корпуса (или непосредственно через основание корпуса) и теплоотводящую жидкость, которая свободно циркулирует внутри корпуса. Жидкость нагревается быстрее в среднем отсеке, так как именно в этом месте расположены тепловыделяющие элементы. В соответствии с законами процесса конвективного движения жидкости и за счет наклонного положения светильника в рабочем положении, ее более нагретые слои перемещаются по центральному отсеку от основания к противоположному концу, где равномерно распределяются по боковым отсекам. Здесь скорость движения потока снижается, что приводит к интенсивной теплопередаче от корпуса в воздушный поток.
Теплоотводящая жидкость эффективно и равномерно отводит тепло от печатной платы и других тепловыделяющих компонентов светильника и отдает его стенкам и крышке корпуса. Вертикальное расположение теплоотводящих пластин-ребер на корпусе и крышке светильника усиливает теплоотвод, так как это способствует участию в процессе охлаждения всех воздушных потоков. Расположение теплоотводящих ребер крышки под углом к продольной оси изделия способствует самоочищению от осадков и грязи, и облегчает уход за изделием в процессе эксплуатации.
Таким образом, реализация полезной модели решает все поставленные авторами задачи.
1. Светодиодный светильник с жидкостным охлаждением, содержащий корпус из теплопроводящего материала, снабженный ребрами, установленными с трех сторон по его периметру, и заполненный теплоотводящей жидкостью, источник света, представленный светодиодной линейкой, защищенный оптически прозрачным рассеивателем, выполненным из стекловидного материала, герметично закрывающиеся крышку и отверстие для заливания жидкости, отличающийся тем, что внутренний объем корпуса разделен на три отсека двумя продольно ориентированными планками из материала с низкой теплопроводностью, установленными с зазорами относительно торцевых стенок корпуса, источник света смонтирован в центре наружной части основания корпуса непосредственно либо через печатную плату с ориентацией в продольном направлении, крышка снабжена ребрами, расположенными под острым углом к его продольной оси.
2. Светодиодный светильник с жидкостным охлаждением по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоотводящей жидкости используется антифриз.
Как всегда, начну с того, что я технофетишист. Т.е. люблю гаджеты и необычные решения. Поэтому, некоторые мои решения не имеют существенных фундаментальных причин для возникновения в моей системе. И, пожалуй, это одно из таких решений.
При этом я все же хочу отметить и тот факт, что существенные фундаментальные причины для подобного решения вполне могут быть в других системах. К примеру, холодные моря, большие хозяйства, где расход энергии на освещение значительный, концептуальные решения дизайна, где нужно спрятать все лишнее и т.д. Но об этом позже. Поэтому считаю, что относиться к данному решению только как к игрушке тоже не стоит.
Ну, думаю, что тумана таинственности я напустил и можно переходить к сути. Итак, мы будем обсуждать свет. А точнее, свет на мощных светодиодах. При этом не его «светлую» сторону, а «темную», ту, которой меньше всего посвящено внимание обывателя, да и профессионалов, когда о нем заходит речь. А именно - охлаждение. Т.е. мы будем говорить только о выделяемой тепловой энергии, которая является побочным продуктом освещения и должна утилизироваться.
Эффективный теплоотвод от светодиодов крайне необходим. Их перегрев сначала приводит к уменьшению эффективности, а затем к разрушению, так как в теплом полупроводнике активизируются разрушительные процессы, вредные миграции электронов и пр. Причем эффект может быть коллапсирующим. Т.е. чем горячее светодиод, тем больше его сопротивление, тем сильнее он греется.
Это заставляет производителей снабжать светодиодные лампы массивными радиаторами. В случае некачественного исполнения происходит перегрев диода и он в течение года-двух может выйти из строя. Также быстрому отказу служит некачественное исполнение самого диода, так как внутренняя неоднородность и наличие примесей приводят к образованию очагов перегрева со всеми вытекающими последствиями. Обычно светодиод теряет свои свойства постепенно, год за годом ухудшается яркость и увеличивается тепловыделение.
Из всего вышесказанного делается простой вывод: хотите стабильный по характеристикам свет и долговечный светильник – во-первых, нужно хорошее охлаждение.
Но, даже достигнув эффективного охлаждения, остается еще вопрос – утилизация тепла. Обычно тепло снимается воздушным потоком с радиаторов и просто рассеивается в комнате. Выгода подобной утилизации прям скажем неочевидна. С другой стороны, мы тратим средства на обогрев аквариума. Для примера, мои сборки, а их четыре на площадь 600x600мм (~200л), выделяют тепла около 80Вт. Согласитесь, если удастся эффективно передать это тепло в банку, я смогу сэкономить около 30% энергии на ее обогрев (с учетом того, что ночью приходится полагаться только на обогреватель). А то и 50%, если я захочу рыбкам сделать имитацию перепада температуры днем и ночью. Неплохая добавка «к пенсии». И уж тем более она становится ощутима там, где речь идет о киловаттах!
Затрону и еще одну проблему рассеивания тепла классическими методами – радиатор обязан находится в непосредственном контакте со светодиодом, а тот в непосредственной близости от аквариума. Т.е. мы можем говорить, что рассеивание тепла происходит непосредственно над аквариумом. Чем это плохо? В простом случае, летом, мы должны дополнительно тратить энергию на отведение этого избыточного тепла, которое в том или ином виде передается в аквариум. Тем ощутимее проблема в холодных системах, где температура должна поддерживаться на уровне 4 градуса тепла. Там разворачивается настоящая борьба и возникает существенный перерасход электроэнергии на охлаждение.
Теперь о красивом. Интеграция аквариума с мощным освещением в дизайн, зачастую является большой проблемой. Аквариум имеет четкие требования к своему обеспечению, сильно ограничивая дизайнерскую мысль. Одним из таких ограничений, конечно, является свет. Ведь он требует охлаждения, а следовательно - эффективной конвекции воздуха. Проще говоря, дизайнер должен учитывать, что нужно будет над банкой оставить запас пространства для размещения внушительных габаритов светильника.
Ну, и пожалуй самое главное: мощность света при классическом освещении сильно ограничена. А это накладывает ограничения на глубину и ширину аквариума, вынуждая соблюдать определенные пропорции. И пусть для квартирных систем это мелочь, но для видовых аквариумов, да еще и обремененных дизайном, это может быть реальной проблемой.
Как же можно решить все вышеозначенные проблемы? Даже не надейтесь, изобретать велосипед мы не будем. Человек давно придумал эффективные средства теплоотвода для высокоэнергетических систем. Это жидкостное охлаждение . Или системы водяного охлаждения, если в качестве теплоносителя используется вода. Кратко - СВО. Встретить такие системы вы можете в повседневной жизни довольно часто. Они, к примеру, используются в автомобилях, для охлаждения двигателя. Радиаторы отопления в принципе такая же система, позволяющая переносить посредством жидкого теплоносителя тепло из котельной к нам в дом.
Поэтому, можно смело говорить, что подобные системы себя зарекомендовали. Опыт их использования идет на сотни лет.
Более того, подобные системы успешно используются для охлаждения сверхмощных компьютеров, в том числе, в домашних условиях. Вот тут мы подходим к сути задумки. Дело в том, что именно компоненты таких систем охлаждения как нельзя лучше подходят для того, чтобы реализовать подобную систему в аквариуме для охлаждения светодиодов.
Давайте разберемся, из чего состоит такая система?
Сердце системы это помпа. Практически в буквальном смысле. Она заставляет двигаться жидкость внутри системы – теплоноситель.
Радиатор. Здесь ничего хитрого. Он рассеивает тепло, которое теплоноситель накопил. Размеры радиатора могут быть поистине внушительными! Конечно, при реализации небольших систем их компактность ставится под сомнение, но при создании больших, только одно то, что радиатор можно вынести за приделы видовой зоны уже делает систему сверхкомпактной для наблюдателя.
Водоблок, это как раз тот элемент системы, который способен снимать тепловую энергию с источника и передавать ее в теплоноситель. Пожалуй, самая технологичная вещь в таких системах. Доходит до того, что некоторые любители делают водоблоки из серебра, полируя основание до зеркала и все ради того, чтобы не оставить ни ватта тепловой энергии на источнике.
Таким образом, полученное тепло водоблоком передается в теплоноситель, помпа прокачивает его в радиатор, где тепло рассеивается.
Само собой разумеется, что радиатор, помпа и водоблок могут находиться на существенном расстоянии друг от друга. А это решает все выше означенные нами проблемы.
Отдельно вернемся к проблеме полезной утилизации тепла. Заменив радиатор в этой системе теплообменником, который мы погрузим в воду аквариума, мы сможем передавать тепловую энергию именно в аквариум. Для морского аквариума актуальны титановые теплообменники. Этот металл не коррозирует в соленой воде. Недопустимо использовать иные металлы для этой цели!
Благо решения для этого случая тоже есть. Как пример можно взять теплообменник, предназначенный для систем фреонного охлаждения. Ну, например, такой как на картинке. Купить его, на момент написания данной статьи, можно было на сайте http://www.fish-street.com/
Для начала свет. Свет у меня основан на сборках DNK. Вот они, на картинке, во всей их красе.
Познакомиться с их характеристиками можно на сайте производителя.
Размер поля диодов составляет около 40мм. Т.е. мы говорим не о самой пластине, а о той площади, которую занимают сами диоды. Пластина, фактически играет роль распределителя тепла и по задумке производителя должна крепиться на радиатор четырьмя шурупами. Да в общем все это вы можете прочитать на сайте производителя. Даже есть фильм о том, как нужно собирать светильник. Не буду зацикливаться.
Т.е. фактически, мне нужен был водоблок размером 40x40мм или больше. Поискав по просторам рунета, я понял, что в России стоимость водоблоков неприемлемая для меня. И я пошел на ebay. Достаточно ввести в строке слово «waterblock» и вы получите массу вариантов. Лично я выбрал самые дешевые и соответственно самые малоэффективные - водоблоки из анодированного алюминия. При этом, для моей задачи их производительности вполне хватает. Стоимость одного блока примерно 4$.
Нужно мне было их четыре, но заказал я пять штук. Один про запас, т.к. даже на фото видно, что качество сварки оставляет желать лучшего. Вдруг протекать будет...
Преимущество этих водоблоков еще и в том, что они имеют простую форму, а также боковые штуцеры, что позволит сделать конструкцию тоньше.
Их размер как раз соответсвует потребностям – 40x40x12мм. Штуцер 8мм.
На самом деле, водоблоки это первый и самый главный шаг для создания системы СВО. Фундамент. Именно здесь вы понимаете, какой объем тепла нужно будет отвести, справится ли с этим водоблок, а также формируются требования к диаметру сечения шлангов. В данном случае внешний диаметр штуцера 8мм. И прочие компоненты мне нужно было подбирать исходя из этого диаметра.
Следующий шаг, это выбор радиатора. Нужно понимать, сколько тепла будет собираться водоблоками для определения требований к радиатору по теплоотдаче. Брать соответственно тот, который сможет его рассеять или больше. Для себя я выбрал такой.
Он имеет большой запас по рассеиванию тепла. Но лучше больше, чем меньше. И главное, что при таком размере радиатора, можно, при желании, отказаться от активного охлаждения. Т.е. не использовать кулеры для его продува. Конечно, нужно учитывать, что при пассивном охлаждении, радиатор должен быть установлен горизонтально, а также то, что воздух должен беспрепятственно проходить через него.
Штуцеры у радиатора диаметром 8мм. Стоимость примерно 25$.
Теперь, зная количество водоблоков, размер радиатора и в общих чертах длину магистрали теплоносителя, можно выбирать помпу. Сложно сказать на что, во-первых, опираться при выборе помпы. Тем более, что в характеристиках указываются такие опосредованные вещи как высота подъема и объем прокачки в час. Требования к ним возникают эмпирически. Но чем больше у вас радиатор, чем больше водоблоков, чем длиннее шланги, тем мощнее должна быть помпа. Вот на такой радиатор я рекомендую брать помпу с подъемом не менее 3-х метров и расходом не менее 300 л/ч. Лично я выбрал вот такую.
Ее характеристики:
Расход: 500 л./ч.
Высота подъема: 3 м.
Питание: 12 В.
Мощность: 10 Вт.
Шум: 16 Дб.
Расширительный бачок: 250 мл.
Штуцеры: 8 мм.
Хочу особо отметить наличие в данной помпе расширительного бачка. Как любая жидкость, теплоноситель имеет свойство расширяться при нагреве. И ему нужно для этого место. Если брать помпу без бачка, потребуется его реализовать в другом виде. Для этого можно купить отдельную расширительную емкость или соорудить из пластиковой посуды. Но емкость должна быть обязательно, в противном случае можно столкнуться с тем, что при нагреве увеличившаяся в объеме жидкость сорвет шланги со штуцеров, и получится потоп. Неприятная штука во всех отношениях.
Также нужно смотреть на показатель шумности. Для данной помпы он очень мал. Меньше чем на кулере. Помните, что зачастую продавцы этот показатель занижают. Поэтому, старайтесь обращать внимание на качество исполнения помпы для того, чтобы удостовериться в правдивости таких показателей. В моем случае помпа визуально имеет хороший инженерный дизайн. Есть силиконовое крепление и решетка для предотвращения неуправляемой флуктуации воды. Т.е. явно видно, что над вопросом шума работали. Стоимость здесь тоже имеет значение. Эта помпа мне обошлась в примерно 30$.
Теперь нужно было решить вопрос объединения всех элементов в единую систему. Для этого я настоятельно рекомендую силиконовые шланги. Купить их можно в компаниях, занимающихся поставкой медицинской продукции (см. ссылки в конце статьи). Обошелся мне он в примерно в 300 руб за пять метров. Или примерно 5$ по курсу на тот момент.
Заказал я это все в ноябре 2014г. и ждал до примерно середины декабря месяца того же года. Пока тянулось ожидание, я начал прорабатывать инженерный дизайн.
Для себя я поставил цель - разместить светильник в крышке аквариума. Высота светильника не должна была превысить 50мм. Плюс к этому, я хотел получить удобный доступ ко всей обслуживаемой площади аквариума, не перетаскивая при этом светильник.
В ходе экспериментов в AutoCAD я разработал следующий концептуальный дизайн.
Конструкция вышла простая для изготовления. Минимум элементов:
1. Направляющие, в качестве которых я решил использовать алюминиевые трубки в термоусадке. Термоусадка нужна для исключения коррозии металла при попадании влаги. Перемычки, по задумке, носят сразу две функции: используются как органайзер для проводов и шлангов; скрепляют конструкцию. Выполняются из акрила.
2. Корпуса драйверов. Они в центре конструкции. Именно туда я планировал разместить контроллер и драйвера. Они также должны были быть из акрила. К светильнику должен был подходить только один провод. К сожалению, жизнь распорядилась иначе, но об этом позже.
3. Четыре модуля света, - тот же акрил. Их конструкция сложная, состоящая из нескольких слоев. На чертеже (верхний ряд) можно увидеть их послойную конструкцию, а также размеры прочих деталей светильника и необходимое количество заготовок.
Вся эта конструкция «плавающая». Т.е. модули могут перемещаться по направляющим, а также весь светильник «сворачиваться» по типу гусеницы. Это решает задачу как легкого доступа к аквариуму, так и настройки расположения источников света, для оптимальной засветки кораллов.
Заказал я изготовление заготовок в Laser Center. Через неделю мне их выдали. Обошлось мне все это в 50$ примерно. Вот, что получилось:
Через пару недель пришли компоненты к СВО и я начал собирать светильник воедино.
К моему большому сожалению, я не продемонстрировал выдающихся навыков мастера по склейке и сама склейка оказалась «грязной». Клеил акриловым клеем (акриловая стружка, растворенная в дихлорэтане).
Конструкция разборная. Верхняя часть крепится на шурупах. Резьбу я нарезал непосредственно в акриле. В принципе, для упрощения, можно сделать сквозные отверстия и скрепить шпилькой.
После подготовки модуля светильника к сборке, можно было приступать к самой сборке. Для начала нужно было нанести термопасту на водоблоки и сборки светодиодов.
Это очень важный и нужный этап. Для эффективного теплоотведения необходимо, чтобы площади сборок и водоблоков максимально соприкасались друг с другом. В случае некачественного контакта, в таких местах будут образовываться локальные перегревы, что негативно скажется на достижении поставленных целей.
По возможности, максимально равномерно распределяем термопасту по обеим поверхностям. Я воспользовался остатками пасты из своих запасов. Она оказалась подсушенной и из-за этого нанести ее идеально оказалось сложно. Но к счастью, сборка, которую вы видите на фото из старого светильника. Она уже имела нанесенный слой термопасты. Это несколько облегчило мне задачу. Разравнивать термопасту советую пластиковой картой используя ее как шпатель.
Далее две поверхности с силой нужно прижать друг к другу и слегка подкручивая водоблок влево и вправо, добиться равномерного распределения термопасты между частями. Свидетельством этого станет выступание термопасты по краям водоблока, а также весьма ощутимое склеивание частей.
Теперь, нужно было уложить получившейся «бутерброд» в корпус. Хотя корпус и имел весьма подогнанные размеры, но люфт все же присутствовал. Также нужно было добиться сдавливания «бутерброда» сверху и снизу при сборке модуля.
Я решил сделать силиконовые подушки, которые прижмут конструкцию внутри. Для этого, я в пяти местах со стороны крепления водоблока и в четырех, со стороны сборки нанес силикон.
При сборке я оставил зазор в пару миллиметров.
Дождавшись застывания силикона, я и закрутил шурупы до упора. Вот, что у меня вышло через четыре часа ожидания.
Все было здорово и замечательно и я начал первые испытания. Как вы, наверное, помните, в первом варианте я хотел разместить драйвера в акриловых корпусах. К сожалению, практика показала, что это была не лучшая идея. Они там перегрелись. В общем-то, это было предсказуемо, т.к. теплоотведение я никак не предусмотрел. Фото этого безобразия я не делал, т.к. честно сказать был расстроен. Не до них мне было. Позже вы увидите итог на одном из драйверов.
Время меня поджимало, т.к. светильник я собирал под запуск нового аквариума. Я решил кардинально изменить концепцию размещения драйверов, вынеся их в отдельный алюминиевый корпус. Вот, так оно вышло.
Благодаря высокому световому потоку и длительному сроку жизни (порядка десятков тысяч, а то и сотен тысяч часов), светодиодные светильники являются очень конкурентоспособным решением. Тем не менее, у многих поставщиков и производителей светодиодных светильников возникают трудности при работе с новыми мощными светодиодами (от 20 Вт). И особенно частой проблемой является проектирование правильного и надежного отвода тепла. Неверно выбранный тепловой режим работы светодиода может привести к нежелательным последствиям. В первую очередь, перегрев может привести к выходу светодиода из строя. У всех светодиодов компании CREE критическая температура перехода — 150°С превышение этого порога приведет к выгоранию кристалла светодиода и долгому процессу ремонта.
Во-вторых, работа при повышенных температурах значительно уменьшает срок службы светодиодов (рисунок 1). На графике изображены зависимости для трех температур в «точке пайки» светодиода: 55, 85 и 105°С. Графики с пометкой LM-80 показывают время, в течение которого проводились испытания. Графики с пометкой TM-21 отображают снижение светового потока от изначального уровня в зависимости от времени. Как видно из графиков, при повышенной температуре работы срок службы светодиодов значительно сокращается: при 105°С срок службы светодиодов на 200 тысяч часов меньше, чем при температуре 85°С.
Также от температуры зависят следующие параметры светодиода:
Величина светового потока. На рисунке 2 изображена зависимость величины относительного светового потока от температуры для светодиодов серии компании CREE. Как видно из графика, с увеличением температуры перехода светодиода величина светового потока уменьшается, и наоборот — при хорошем охлаждении поток возрастает.
Прямое падение напряжения. С изменением температуры меняется и величина прямого падения напряжения на светодиоде (Vf). С увеличением температуры напряжение уменьшается. Величина изменения напряжения зависит от конкретной модели. В таблице 1 приведены значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2. Важно принимать во внимание значение данного параметра и выбрать драйвер для осветительной системы так, чтобы он мог обеспечивать необходимое напряжение во всем рабочем диапазоне температур светодиода.
Таблица 1. Значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2
Как видно из графиков (рисунки 1, 2), при температурах меньше 100°С световой поток уменьшается незначительно, а при температуре 85°С равен 100%. В последнее время тестирование светодиодов проходит при температуре перехода 85°С, поэтому при температурах ниже 85°С на графиках наблюдается увеличение светового потока. Данную температуру и будем считать рабочей температурой для светодиодов компании CREE.
Рис. 1. Время жизни светодиодов XPG, в зависимости от температуры
Рис. 2. Зависимость светового потока от температуры перехода на примере светодиода серии MKR
А теперь опишем методику расчета и подбора теплоотвода для мощных светодиодов. Светодиод, как и любой другой электронный прибор, не обладает значением КПД 100%, а это значит, что часть потребляемой мощности преобразуется в тепло. Современные светодиоды обладают КПД порядка 30…40%, то есть в среднем 60…70% потребляемой мощности преобразуется в тепло. К примеру, при использовании 20 ваттной светодиодной матрицы необходимо рассеивать 12 Вт тепла, а это довольно много. Компания CREE в документе «XLampThermalManagement» рекомендует пользоваться допущением, что в тепло преобразуется 75% потребляемой мощности, данное предположение позволяет перестраховаться при разработке теплоотвода. Мощность, которую требуется рассеивать, можно рассчитать по формуле:
Pt — тепловая мощность (Вт);
Vf — прямое падение напряжения на светодиоде (В);
If — ток через светодиод (А).
Перед описанием методики расчета системы охлаждения скажем несколько слов о теории теплопередачи.
Основной вклад в охлаждение светодиодных светильников вносят теплопроводность и конвекция.
Теплопроводность — это процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. В светильниках за счет прямого контакта тепло передается от светодиода в печатную плату, а затем — в радиатор, либо, если светодиод установлен непосредственно на радиатор, то сразу в радиатор. Для расчета количества тепла, переданного за счет теплопроводности, можно воспользоваться формулой:
(2)
Qcond — количество тепла, переданного через материал (Вт);
k — коэффициент теплопроводности материала (Вт/(м*К));
A — площадь пересечения материалов, через которую проходит тепло (м 2);
DT — градиент температуры (К);
Dx — расстояние, которое проходит тепло (м).
Конвекция — это передача за счет движения потоков жидкостей или газов. Обычно в светодиодных светильниках это передача тепла от радиатора в окружающую среду (как правило, воздух). Существует два варианта конвекции: естественная и принудительная. При естественной конвекции тепло передается за счет уже существующих потоков воздуха, вызванных перепадом температур. В принудительной конвекции движение потоков жидкости или газов создается за счет дополнительных устройств, таких как вентилятор, насос и т.п.
Количество тепла, рассеянного при помощи конвекции, можно рассчитать по формуле:
Qconv — количество тепла, рассеянного при помощи конвекции (Вт);
h — коэффициент теплопередачи (Вт/(м 2 *К));
A — площадь поверхности излучающего элемента (м 2);
DT — разница между температурой излучающего элемента и температурой окружающей среды (К).
Основная проблема в подсчете количества тепла, рассеянного при помощи конвекции — это определение коэффициента h. Значение коэффициента h может значительно меняться, в зависимости от геометрии радиатора, граничных условий и прочих параметров. К примеру, при естественной конвекции коэффициент h находится в пределах 5…20 Вт/(м 2 *К). А для систем с принудительной конвекцией коэффициент теплопередачи может достигать значений 100 Вт/(м 2 *К) при воздушном охлаждении, и вплоть до 1000 Вт/(м 2 *К) — при жидкостном. В светодиодном освещении обычно используется естественное воздушное охлаждение, для расчетов таких систем значение коэффициента теплопередачи можно принять равным 10 Вт/(м 2 *К).
Систему охлаждения светодиодов можно представить в виде эквивалентной схемы последовательно и параллельно подключенных тепловых сопротивлений. В качестве примера для составления эквивалентной цепи возьмем матрицу из n светодиодов, установленных на печатной плате, прикрепленной к радиатору (рисунок 3).
Рис. 3.
В данном случае эквивалентная схема будет состоять из n тепловых сопротивлений «переход светодиода — контакт» (на схеме обозначены как Qj-sp), соединенных параллельно. Затем — из n тепловых сопротивлений «контакт — печатная плата» (Qsp-pcb). Также необходимо учесть тепловые сопротивления между печатной платой и теплопроводящим материалом (Qpcb-tim), между теплопроводящим материалом и радиатором (Qtim-hs) и, наконец, между радиатором и окружающей средой (Qhs-a).
В узлах этой эквивалентной схемы можно измерить температуру, к примеру, в точке Theatsink можно измерить температуру радиатора.
В случае, если в осветительном устройстве используется всего один светодиод, эквивалентная схема будет представлять собой цепочку тепловых сопротивлений, соединенных последовательно. В свою очередь, тепловое сопротивление всей системы охлаждения — это сумма всех тепловых сопротивлений. Для светильника из одного светодиода, установленного на печатную плату и на радиатор, тепловое сопротивление всех системы охлаждения высчитывается по следующей формуле:
Чем меньше значение полного теплового сопротивления, тем лучше тепло отводится от светодиода. Тепловое сопротивление между элементами a и b рассчитывается по формуле:
Qa-b — тепловое сопротивление между элементами a и b (°С/Вт);
Ta — температура элемента a (°С);
Tb — температура элемента b (°С);
Pt — мощность, рассчитываемая по формуле 1.
Компания CREE в документации на свои светодиоды предлагает график зависимости максимального тока от температуры. Пример такого графика изображен на рисунке 4. Зная максимальный ток и предположительную температуру окружающей среды, можно рассчитать значение мощности, которую необходимо рассеивать, и, соответственно, можно получить значение максимального теплового сопротивления системы охлаждения, что позволит подобрать радиатор и теплопроводящие материалы.
Рис. 4. Зависимость максимального тока от температуры для светодиодов MKR
Рассмотрим более подробно, какой вклад вносят в общее тепловое сопротивление такие элементы как печатная плата, теплопроводящие материалы и радиатор.
Печатная плата. Большинство светодиодов компании CREE необходимо устанавливать на плату (для подвода цепей питания светодиода и механического монтажа). От выбора материала печатной платы и топологии в значительной степени зависит тепловое сопротивление. К примеру, для стандартных плат FR4 тепловое сопротивление может составлять 20…80°С/Вт, в то время как для плат на металлической подложке тепловое сопротивления будет составлять единицы °С/Вт. Компания CREE предлагает руководство «optimizing pcb Thermal performance» по проектированию печатных плат для светодиодов, в нем изложены рекомендации к топологии печатной платы для уменьшения теплового сопротивления. Также можно использовать светодиоды, монтируемые непосредственно на радиатор. В этом случае печатная плата не будет вносить вклад в суммарное тепловое сопротивление.
Теплопроводящие материалы необходимы для создания хорошего теплового контакта между печатной платой и радиатором или между светодиодом и радиатором. Помимо создания надежного теплового контакта, некоторые теплопроводящие материалы, в зависимости от дизайна охлаждающей системы, могут выполнять и другие функции, такие как изоляция электрических узлов схемы или создание механического крепления. Ниже в таблице 2 представлены характеристики основных теплопроводящих материалов.
Таблица 2. Характеристики теплопроводящих материалов
| Теплопроводящий материал | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|
| Термопасты | Высокое значение объемной теплопроводности, маленькая величина клеевого слоя, низкая вязкость, не затвердевают | Считаются довольно грязным при произвостве |
| Материалы с изменением фазы | Высокая вязкость дает более высокую надежность по сравнению с термопастами, гораздо удобнее в использовании, нет расслоения | Более низкая теплопроводность, по сравнению с термопастами, поверхностное сопротивление может быть больше, чем у термопаст, необходимо приложение давления для повышения эффективности |
| Гели | Более низкая теплопроводность по сравнению с термопастами, меньшее сцепление, чем у термоклеев | |
| Термоклеи | Хорошо заполняют неровности поверхности | Необходим процесс очистки |
При выборе теплопроводящего материала необходимо учесть многие параметры, не только величину теплопроводности. Часто упускают из виду толщину клеевого слоя материала, а как следует из формулы (5), приведенной ниже, тепловое сопротивление напрямую зависит от этого параметра. Производители теплопроводящих материалов предоставляют информацию об основных параметрах в документации, и для верного выбора теплопроводящего материала очень важно понимать влияние каждого из этих параметров на работу системы охлаждения. Иногда более тонкий клеевой слой с плохим значением теплопроводности имеет более низкое тепловое сопротивление по сравнению с более толстым слоем, но с лучшим значением теплопроводности. Оба этих условия необходимо учитывать при выборе материалов. Тепловое сопротивление теплопроводящего материала описывается формулой:
Qtim — тепловое сопротивление теплопроводящего материала (°С/Вт);
L — толщина слоя (м);
K — теплопроводность (Вт/м*К);
A — площадь контакта (м 2).
Радиатор — это, пожалуй, самый важный элемент в системе охлаждения светодиода; он отводит тепло от печатной платы или напрямую от светодиода, и рассеивает тепло в воздухе. К радиатору предъявляются следующие требования: материал радиатора должен быть с высоким значением теплопроводности, площадь поверхности радиатора должна быть максимальной. Помимо охлаждения, радиатор может выполнять и другие функции, наиболее часто он может выступать в роли корпуса либо держателя. В таблице 3 указаны теплопроводности некоторых материалов. Причем радиаторы из одного и того же материала, но сделанные при различных способах обработки поверхности, могут обладать разными коэффициентами теплопроводности. К примеру, радиатор из анодированного алюминия за счет излучения обладает большим коэффициентом теплопроводности, чем обычный алюминиевый радиатор.
Таблица 3. Теплопроводность некоторых материалов
| Материал | Теплопроводность, Вт/(м*K) |
|---|---|
| Воздух | 0,024 |
| Алюминий | 120…240 |
| Керамика | 15…40; 100…200 |
| Проводящие полимеры | 3…20 |
| Медь | 401 |
| Нержавеющая сталь | 16 |
| Термопаста/эпоксидные смолы | 0,1…10 |
| Вода | 0,58 |
Часто к светодиодным светильникам предъявляются довольно серьезные требования по габаритам, вследствие чего может возникнуть потребность в проектировании радиатора под конкретные требования. При проектировании радиатора требуется учесть вес конечного изделия, стоимость, тепловые параметры, возможность дальнейшего производства.
Обычно используются литые или кованые алюминиевые радиаторы. Анодированный алюминиевый радиатор обладает большим коэффициентом излучения.
Проектирование радиатора может быть довольно сложным занятием, в котором необходимо учитывать габаритные ограничения, стоимость, вес, возможность серийного производства. Ниже даны несколько рекомендаций по проектированию радиаторов:
- площадь поверхности радиатора должна быть максимально большой;
- в качестве грубой оценки можно взять следующее предположение: на 1Вт рассеиваемого тепла требуется радиатор площадью 32…65 см 2 ;
- для верного расположения радиатора, для обеспечения хорошего потока воздуха между его ребрами необходимо хорошо представлять, как, в конечном итоге, будет крепиться светодиодный светильник;
- необходим материал с хорошей теплопроводностью;
- используйте радиаторы с хорошим коэффициентом излучения. Анодирование резко увеличивает коэффициент излучения тепла алюминиевого радиатора;
- используйте программы для моделирования систем охлаждения;
- выберите метод производства радиатора. Некоторые способы производства радиаторов могут накладывать ограничения на толщину и длину ребер радиатора, используемые материалы. Наиболее распространенные методы производства: штамповка, литье, ковка. Каждый метод производства обладает своими плюсами и минусами.
Принудительное охлаждение
Скажем несколько слов об активном охлаждении, варианты которого рассмотрены в таблице 4.
Таблица 4. Виды принудительного охлаждения
| Тип | Рассеиваемая тепловая мощность, Вт | Описание |
|---|---|---|
| Кулер | <170 | Монтируется непосредственно на радиатор. Необходимо дополнительное питание. |
| Тепловые трубки | <140 | Тепловые трубки не рассеивают тепло, они переносят его в другое место, так что радиатор все равно необходим. |
| Жидкостное охлаждение | <200 | Предназначено для отвода большого количества тепла, довольно дорогое решение, примерно в 10 раз дороже, чем тепловые трубки. |
| Модули Пельтье | <80 | Неэффективны, ограниченное охлаждение, дороговизна. Необходимо дополнительное питание. |
| Струйное охлаждение | <80 | Сравнимо с кулером, но работает более тихо и обладает высокой надежностью. Требуется специальный дизайн радиатора. |
| Системы охлаждения SynJet | <240 | Меньшие габариты по сравнению с обычными радиаторами.Тише по сравнению с кулерами. Долгий срок службы. К минусам можно отнести необходимость отдельного источника питания. |
Если естественного охлаждения недостаточно для отвода тепла, то требуется использовать принудительное охлаждение. Существует множество вариантов активного охлаждения — от кулеров до водяного охлаждения. Если применение активного охлаждения неизбежно, следует учесть то, что светодиоды могут работать в течение десятков…сотен тысяч часов, поэтому следует предусмотреть наличие системы защиты светодиодов от перегрева при выходе из строя устройств активного охлаждения, иначе выход из строя устройств принудительного охлаждения практически сразу же повлечет за собой выход из строя светодиода из-за перегрева. Помимо срока службы, важными параметрами являются эффективность, надежность, низкий уровень шума, цена, удобство при обслуживании, потребляемая мощность. Зачастую устройства принудительного охлаждения требуют дополнительного питания, это приводит к снижению КПД системы в целом.
Несколько примеров расчета теплоотвода
Пример расчета теплоотвода для . Данные светодиоды монтируются непосредственно на радиатор (рисунок 5).
Рис. 5. Монтаж светодиода CXA1304 на радиатор
Эквивалентная схема расчета теплового режима для данного случая состоит из теплового сопротивления «переход — контактная площадка светодиода», теплового сопротивления «контактная площадка — теплопроводящий материал», сопротивления «теплопроводящий материал — радиатор» и, наконец, из теплового сопротивления «радиатор — воздух» (рисунок 6).
Рис. 6. Эквивалентная схема для светодиода CXA1304
Произведем расчет для температур окружающего воздуха 25°С и 55°С. Предположим, что светодиод работает при максимальном токе, и что температура перехода равна 85°С. Используя приложение PCT на сайте CREE (http://pct.cree.com/ ), получим значение Vf для температуры перехода при максимальном токе, данные занесены в таблицу 5. В качестве теплопроводящего материала будем использовать самую распространенную термопасту КПТ-8, теплопроводность примем равной 0,7 Вт/(м*°С).
Таблица 5. Данные для расчета светодиода CXA1304
| Температура перехода, °С | 85 |
| If, A | 0,25 |
| Vf, В | 43,7 |
| P = Af х Vf, Вт | 10,92 |
| Pdiss = 0,75 х P, Вт | 8,19 |
| Площадь контакта светодиода, мм 2 | 178,22 |
Для светодиодов серии CXA в документации не указано значение теплового сопротивления «переход — контактная площадка». Для определения параметров системы рекомендуется использовать график, из которого можно получить значение максимального теплового сопротивления между контактом светодиода и воздухом (рисунок 7).
Рис. 7.
Из данного графика получим, что для температуры воздуха 25°С максимальное сопротивление будет составлять 6°С/Вт, а для 55°С — 2°С/Вт. Рассчитаем тепловое сопротивление теплопроводящего материала, используя формулу (5). Толщину слоя термопасты примем равной 0,1 мм. Тогда значение теплового сопротивления будет следующим: Qtim = 0,8°С/Вт.
Следовательно, для случая 25°С значение теплового сопротивления радиатора должно быть меньше 5,2°С/Вт, для 55°С — меньше либо равно 1,2°С/Вт. Для примера будем использовать радиаторы компании MechaTronix (http://www.led-heatsink.com/ ). Для 55°С в качестве радиатора подойдет LPF11180-ZHE (рисунок 8). Тепловое сопротивление данного радиатора — 1,07°С/Вт. Для случая с температурой в 25°С выбор радиаторов более широк.
Рис. 8. Радиатор LPF11180-ZHE производства компании MechaTronix
Теперь рассмотрим расчет системы охлаждения для светодиодов MK-R2 и (также для двух вариантов температур). Данные для расчетов занесены в таблицу 6.
Таблица 6. Расчет системы охлаждения для светодиодов MK-R2 и CXA3070 для двух вариантов температур
| Параметр | Наименование | ||
|---|---|---|---|
| MK-R2 | |||
| Максимальный ток, А | 0,42 | 0,7 | |
| Прямое падение напряжения, В | 37,86 | 34,28 | |
| Температура перехода, °С | 85 | 85 | |
| Площадь контактной поверхности, мм 2 | 29,5 | 748 | |
| Рассеиваемая мощность, Вт | 11,93 | 18 | |
| Тепловое сопротивление Tj-sp, °С/Вт | 1,7 | — | |
| Полное тепловое сопротивление, °С/Вт | для 25°С | 5 | 4,5 |
| для 55°С | 4,6 | 3 | |
| Тепловое сопротивление теплопроводящего материала, °С/Вт | 0,8 | 0,2 | |
| Тепловое сопротивление печатной платы, °С/Вт | 3 | — | |
| Тепловое сопротивление радиатора, °С/Вт | для 25°С | 1,2 | 4,3 |
| для 55°С | 0,8 | 2,8 | |
Для светодиода MK-R2 в случае, если температура окружающей среды будет 55°С, температура перехода будет выше, чем 85°С. В таблице 6 указаны данные, когда температура перехода светодиода будет составлять 110°С. Также, в силу того, что светодиод MK-R2 сначала монтируется на печатную плату, а затем уже на радиатор, в эквивалентной схеме появляется еще одно тепловое сопротивление. В таблице 6 указано тепловое сопротивление для платы с металлическим основанием. В последней строчке указано, каким тепловым сопротивлением должен обладать радиатор. Для охлаждения этих светодиодов подойдет радиатор SpotLight Led HeatSink 34W компании Nuventix (nuventix.com ).
Для данных светодиодов CXA3070 предложим несколько вариантов охлаждения и сравним их характеристики. Для охлаждения этих светодиодов возьмем обычный радиатор, радиатор с кулером и систему охлаждения SynJet производства компании Nuventix.
Вариант с пассивным охлаждением является наиболее простым, так как не требует дополнительных источников питания, но для отвода значительного тепла может потребоваться достаточно большой радиатор, а это ведет к увеличению стоимости и делает осветительный прибор довольно массивным и крупным. Поэтому пассивное охлаждение лучше всего применять для маломощных систем освещения. Для охлаждения же светодиода CXA3070 подойдет радиатор LSB99. Данный радиатор обладает следующими габаритами: диаметр 100 мм высота 50 мм, вес радиатора 470 г, что значительно тяжелее по сравнению с активным охлаждением.
Для активного охлаждения с кулером используем сборку радиатора и кулера . Для питания кулера потребуется дополнительный источник питания на 12 В мощностью 0,3 Вт, габариты системы охлаждения составят 86 мм в диаметре и 52 мм в высоту, вес в пределах 300 г. Наличие кулера создает дополнительный шум, заявленное время работы кулера при температуре 60°С — около 70 тысяч часов.
Для охлаждения системой SynJet потребуется модуль SynJet Par20 Cooler 24. Максимально возможная мощность рассеивания составляет 24 Вт. Габариты всего светильника в сборе будут лежать в пределах 45 мм в высоту и 65,5 мм в диаметре при весе в 140 г. Но для принудительного охлаждения потребуется дополнительный источник питания на 12 или 5 В, мощностью 1 Вт, из-за этого в целом энергоэффективность системы немного снижается. Заявленное время работы такой принудительной системы охлаждения — порядка 100 000 часов.
Надежность и долговечность работы светодиодных устройств напрямую зависит от качества проектирования системы охлаждения, вот почему так важно уделить особое внимание проектированию надежного теплоотвода. Для охлаждения маломощных светодиодных систем будет вполне достаточно обычного радиатора, для отвода тепла от мощных светильников в некоторых случаях может потребоваться активное охлаждение. Также при разработке новых осветительных устройств настоятельно рекомендуется проводить расчеты и моделирование системы охлаждения. На сайте компании CREE предоставляется множество методик расчетов теплоотвода и полезных приложений для правильного подбора охлаждающих элементов.
5. XLamp Thermal Management
6. Optimizing PCB Thermal Performance.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:
