Моделирование передачи тепла от Power LED к металлическому стержню

Если я правильно понимаю, вы хотите оценить тепловое сопротивление радиатора или плиты из теплопроводного материала окружающей среде без какого-либо воздушного потока ( = естественная конвекция ).

Для оребренных прямоугольных радиаторов есть хороший онлайн-калькулятор , реализующий модель естественной конвекции для радиаторов (более академическое, подробное объяснение модели — здесь ).

Вот пример, относящийся к вашей задаче проектирования (внешние размеры 55x55x55 мм, ребра 10x1 мм, толщина основания 10 мм и довольно консервативная проводимость контакта 2000 Вт/м2ºC):

Результирующая температура источника при температуре окружающей среды 25ºC и 26,35 Вт тепла, поступающего в радиатор, составляет примерно 110ºC, что означает, что радиатор будет иметь тепловое сопротивление 3,23 ºC/Вт в условиях естественной конвекции.

Поэкспериментируйте с калькулятором, чтобы найти внешние размеры, которые лучше всего подходят для вашего дизайна.

Я был на этом пути, но симуляторы стоят слишком дорого и имеют крутую кривую обучения. Если вы не инженер по термодинамике, у вас могут возникнуть проблемы с пониманием жаргона, как у меня. Я читал учебники по термодинамике и всевозможные документы по проектированию радиаторов и симуляторы радиаторов.

Я предлагаю вам приобрести алюминиевую планку в интернет-магазине Metals за 1,23 доллара (0,125 x 1,5 x 12) (6061 T6511 является наименее дорогой), установить светодиод, заставить его работать, поставить планку в холодильник. Вынесите его во влажную комнату, где он конденсируется. Затем положите его в морозильник, заморозьте, достаньте, зажгите и наблюдайте, как кристаллы льда тают, когда бар нагревается. Результат похож на вывод симулятора. Реальная жизнь тоже удивительно точна.

Кроме того, это не напрасное усилие, если вы выполняете симуляцию, вам все равно нужна полоса, чтобы увидеть, насколько далеко от симуляции.

Но проблема в том, что в течение часа или около того вы получите очень горячий алюминиевый стержень, почти такой же горячий, как светодиод. Но вам не нужен большой поток воздуха с большой поверхностью. Алюминиевый стержень по цене 1,23 доллара или меньше за фут — чертовски дешевый радиатор.

Я тоже не люблю фанатов. Этот очень тихий, потому что он движется всего 13 CFM при 12 В постоянного тока, 30,3 дБ, 2300 об / мин, но он был эффективным.

36 В 2,4 А макс.
Узор показан только с одной стороны, на самом деле он был симметричным.

Измерение температуры тыльной стороны.

Ток повернул вниз и рассеялся.

Хорошая новость: действительно существует простая математическая модель, которая достаточно точна.

По сути, вы можете смоделировать большинство тепловых проблем как простую электрическую цепь:

1. Тепловая мощность = электрический ток
2. Разница температур = электрическое напряжение
3. Тепловое сопротивление = электрический резистор
4. Тепловая масса = электрический конденсатор

Ваш случай еще проще: поскольку вам не нужны постоянные времени, вам не нужно беспокоиться о тепловой массе.

Итак, ваша модель должна выглядеть так

LED Junction -> {R1} -> LED Mounting Surface -> {R2} -> Al Bar -> {R3} -> Ambient

Где

• R1: тепловое сопротивление от перехода светодиода до монтажной поверхности светодиода.
• R2: тепловое сопротивление соединения светодиода с алюминием.
• R3: тепловое сопротивление от алюминия до окружающего воздуха.

Они все последовательно, так что вы можете просто добавить их. Если у вас R1 = 1,2 кОм/Вт, R2 = 0,8 кОм/Вт и R3 = 0,1 кОм/Вт, ваше общее сопротивление будет 2,1 кОм/Вт. Для 40 Вт рассеянного тепла ваш светодиодный переход будет на 2,1 К / Вт * 40 Вт = 84 Кельвина (или Цельсия) выше температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды 25°C соединение будет при 109°C.

Плохая новость: данные, необходимые для моделирования, как известно, трудно предсказать.

Вам понадобятся три тепловых сопротивления и максимально допустимая температура перехода светодиода.

1. Если вам повезет, вы можете найти R1 и максимальную температуру для светодиода в таблице данных.
2. R2 очень сложен, поскольку он зависит от конкретного материала, точной формы, степени плоскостности, точной обработки поверхности как вашей монтажной поверхности, так и алюминиевого стержня. Здесь имеют значение даже цвет и детали процесса анодирования алюминия.
3. R3: ЕСЛИ полоса достаточно большая, она должна быть довольно маленькой.

Что делать, зависит от имеющихся у вас измерительных способностей. В целом, это имеет хорошие шансы на успех. Убедитесь, что светодиод надежно закреплен на алюминиевой пластине, и нанесите на соединение термопрокладку или термопасту.

Прикоснитесь к полосе: она должна быть заметно теплее в непосредственной близости от светодиода. Если нет, это означает, что вы не получаете никакого тепла, передаваемого в стержень, и тепловое соединение не годится. Если весь стержень кажется теплым или даже горячим, у вас недостаточно теплового взаимодействия с окружающей средой. Подумайте о большей площади поверхности для стержня.

Один светодиод мощностью 60 Вт представляет собой тепловую проблему, поскольку источник тепла небольшой и очень мощный. Следовательно, вам понадобится толстый металл, чтобы распространять тепло в стороны в достаточно большой радиатор.

Это похоже на процессор настольного ПК: небольшая площадь поверхности, большая мощность. Многие радиаторы для настольных ПК используют тепловые трубки для решения проблемы распространения тепла. Безвентиляторный радиатор ПК должен работать.

Однако это не решает другой вашей проблемы, заключающейся в том, что один светодиод мощностью 60 Вт является очень ярким точечным источником, и он не идеален для освещения рабочего места. Он будет ослепительно ярким и будет отбрасывать резкие тени.

Вы можете решить обе проблемы, используя светодиодные ленты следующим образом:

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/

Я использовал их в проекте:

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/PowerBar-LED-Strip-12-Nichia-LEDs-CRI- 90.html

Они поставляются на металлической плате, а полосу можно разрезать на отдельные светодиоды. Затем я приклеил их к алюминиевым L-образным профилям с помощью теплопроводящей эпоксидной смолы (один светодиод через каждые 10 см).

Распределение тепловыделяющих светодиодов по длине алюминиевого профиля обеспечивает более легкое охлаждение и создает более приятный свет.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Хорошо, давайте перейдем к светодиоду мощностью 60 Вт.

Я полагаю, что он указывает вниз. Вы хотите, чтобы ребра радиатора были вертикальными для оптимальной конвекции. Это указывает на такой форм-фактор:

Ссылка Ссылка

Если вы используете плоский радиатор, вам нужно будет установить светодиод на толстый алюминиевый квадрат, а затем установить его на радиатор.

Поскольку ваша проблема заключается в распространении тепла, генерируемого небольшим источником, вы также можете использовать плоские тепловые трубки:

Ссылка Ссылка

Есть Lisa, инструмент для анализа методом конечных элементов, который бесплатен, по крайней мере, для моделей с макс. около 1000 узлов.

Моделирование сложное, требует глубокого понимания и основано на предположениях о граничных условиях. Реальные тесты, если они безопасны и возможны, лучше. Если у вас уже есть светодиод и кандидат на радиатор, вы можете попробовать его. Запустите его на известном, но безопасном уровне мощности, дайте ему достичь равновесия (= больше не будет измеряемого повышения температуры) и сохраните эту конечную температуру. У вас должно быть соответствующее оборудование для измерений. Разница температур между светодиодом и окружающей средой прямо пропорциональна рассеиваемой мощности. Конечно, вы не можете войти внутрь светодиода, пока не используете его в качестве датчика. Производитель, возможно, может предоставить некоторые полезные данные о соотношении между прямым напряжением, током и температурой.

Но вы также можете измерить на границе между светодиодом и радиатором. Наверняка имеется тепловое сопротивление между этой точкой и полупроводником, или допустимые пределы температуры прямо указаны как температуры на границе радиатора.

Если ваше повышение температуры на 10 Вт составляет, скажем, 1/3 от допустимого повышения, вы можете максимально рассеивать = 30 Вт.

Обратите внимание, что в шкафу также повышается температура окружающей среды, и это необходимо учитывать. Также необходимо учитывать соседнее другое отопительное устройство. Он согревает атмосферу, а также излучает тепло. Теперь вы видите и, вероятно, уже знаете, что тепловое проектирование — это область, полная проблем и ловушек.

ДОПОЛНЕНИЕ: Проблема интересная. Я считал само собой разумеющимся, что установка на алюминиевую пластину решает проблему нагрева светодиодов. Быстрые расчеты показали, что никакая тонкая пластина не прибьет его. Рассеяние такое же, как в усилителе звука мощностью 100 Вт на один из 2-х выходных транзисторов, поэтому нужны такие же радиаторы. Их производительность резко ухудшается, если пыль забивает их. Не забывайте требовать регулярной очистки в качестве условия гарантии или делать радиаторы больших размеров.

Чтобы дать вам представление о том, с чем вы сталкиваетесь с пассивным радиатором. Компания Cree разработала эталонный дизайн для замены лампы HPS мощностью 1000 Вт.

Светильник состоит из четырех «двигателей» . Каждый 130-ваттный двигатель имеет размеры 11,25 x 7,25 x 2,5 дюйма, что соответствует размеру радиатора.

Используемый радиатор представляет собой черный анодированный Aavid P/N 62625.

Ориентировочная цена (только для радиатора) $450

Это 3,46 доллара за ватт.

Для ваших 64 Вт это будет 222 доллара.

Стоимость 450 долларов США основана на черном анодированном корпусе Aavid P/N 627252 (2,28 x 9,75 x 55 дюймов) .

А Aavid 701652 размером 1,78 x 12 x 48 дюймов стоил 431 доллар.

Каждый модуль состоит из 48 светодиодов мощностью 130 Вт .

Вам понадобится радиатор только вдвое меньшего размера. Этот радиатор имеет размеры 11,25 x 7,25 x 2,28 дюйма.

Ознакомьтесь с сообщением в блоге «Как спроектировать плоский радиатор» http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . В нем подробно объясняется, как рассчитать тепловое сопротивление металлической пластины, используемой в качестве радиатора. Я считаю, что вы также можете получить электронную таблицу, которая выполняет расчеты, если вы дадите им свой адрес электронной почты.

По сути, вам необходимо определить сопротивление излучению и естественной конвекции от внешних поверхностей, а затем определить тепловое сопротивление проводимости. Сложите три вместе на основе тепловой схемы, показанной ниже:

куда:

Rconv – сопротивление внешней конвекции.

Rrad – сопротивление внешнему излучению

Rsp - сопротивление растеканию

Rint/Rcont — контактное или межфазное сопротивление.

Rth-jc относится к сопротивлению перехода светодиода.

Ts – температура поверхности радиатора.

Tj — температура перехода светодиода.

Уравнения для Rconv и Rrad весьма сложны и подробно объясняются в сообщении блога.

Простой симулятор спайса сделает это: это похоже на разрядку конденсатора.