Resumen
A disipador de calor del tubo de calor Está diseñado para abordar el desafío de la refrigeración de alto flujo de calor de un foco LED de alta potencia de 4000 W. Las dimensiones generales del radiador son 350 mm × 350 mm × 120 mm y está equipado con 40 piezas de Φ9.5 mm. tubo de calorSe utiliza una placa base de cobre de 12 mm de espesor como portador de calor para la fuente de calor. Se aplica soldadura por reflujo con pasta de soldadura para formar una conexión térmica hermética entre los tubos de calor, la placa base y las aletas. La refrigeración por aire forzado se logra mediante tres ventiladores axiales Sanyo 9038 que operan a 5500 rpm. La simulación térmica y la medición experimental muestran que la temperatura del LED se puede mantener de forma estable a 67.5 ℃ bajo una temperatura ambiente de 35 ℃, lo que cumple con el requisito de temperatura de funcionamiento fiable a largo plazo de los LED de alta potencia. Esta solución proporciona referencias de diseño para sistemas de gestión térmica de LED de alta potencia para exteriores de nivel kilovatio. Iluminación de LED fuentes.
Keywords: LED de alta potencia; foco de búsqueda de 4000 W; disipador de calor con tubo de calor; placa base de cobre; refrigeración por aire forzado; soldadura con pasta de soldadura
1 Introducción
Con el desarrollo de la iluminación de largo alcance y la iluminación especializada, la potencia de las fuentes de luz LED sigue aumentando, y los reflectores LED de alta potencia de 4000 W se han generalizado. Aproximadamente el 65 % de la energía eléctrica consumida por los LED de alta potencia se convierte en calor durante su funcionamiento. Si el calor no se disipa rápidamente, la temperatura de los chips LED aumenta bruscamente, lo que provoca una atenuación de la luz más pronunciada, una vida útil más corta e incluso la quema permanente de los LED en casos extremos.
Los disipadores de calor tradicionales de aluminio extruido integral presentan un peso elevado y una distribución de temperatura deficiente. Las simples placas de cobre no ofrecen una superficie de convección suficiente para disipar el calor bajo una carga térmica elevada de 4000 W. Los tubos de calor poseen una conductividad térmica equivalente ultra alta, lo que permite transferir rápidamente el calor concentrado a toda la superficie de las aletas. En este trabajo, se diseña un radiador de tubos de calor refrigerado por aire forzado con una base de cobre gruesa y una matriz de múltiples tubos de calor. Se utiliza soldadura con pasta de soldadura para reducir la resistencia térmica interfacial. Combinado con la convección forzada mejorada por ventiladores, se logra un control de temperatura estable para los LED.
2. Diseño general del disipador de calor
2.1 Parámetros de entrada de diseño
1. Potencia de la fuente de luz: foco LED de 4000 W
2. Temperatura ambiente: Ta=35 ℃
3. Temperatura objetivo del LED: Tc=67.5 ℃
4. Dimensiones generales del disipador de calor: 350 mm × 350 mm × 120 mm
5. Método de refrigeración: Refrigeración por aire forzado mediante tubo de calor y aletas.
6. Superficie de contacto con la fuente de calor: placa base de cobre de 12 mm de espesor.
7. Especificaciones del tubo de calor: Tubo de calor circular de Φ9.5 mm, cantidad: 40 unidades
8. Configuración del ventilador: Ventilador axial Sanyo 9038, velocidad de rotación: 5500 rpm
9. Proceso de ensamblaje: Soldadura con pasta de soldadura entre los tubos de calor, la placa base de cobre y las aletas de refrigeración.
2.2 Esquema estructural
El disipador de calor consta de cuatro componentes: placa base de cobre, conjunto de tubos de calor, aletas de refrigeración de aluminio y soporte de montaje del ventilador.
1. Placa base de cobre de 12 mm de espesor: El cobre posee una conductividad térmica mucho mayor que la aleación de aluminio y una excelente uniformidad de temperatura. Recibe el calor concentrado de los módulos LED y evita puntos calientes localizados. La placa base cuenta con orificios para la instalación de tubos de calor.
2. Conjunto de tubos de calor de Φ9.5 mm (40 unidades): Un extremo de cada tubo de calor está incrustado en la placa base de cobre, y el otro extremo atraviesa las aletas de aluminio. El calor se transfiere rápidamente desde la placa base de cobre a las aletas de aluminio multicapa a través de los tubos de calor para ampliar la superficie de intercambio térmico.
3. Aletas de aluminio de alta densidad: Las aletas se sueldan a los tubos de calor con pasta de soldadura, lo que elimina los espacios de aire entre los tubos de calor y las aletas y reduce la resistencia térmica de contacto.
4. Ventiladores de alta velocidad Sanyo 9038: Los ventiladores de alta velocidad a 5500 rpm generan un flujo de aire forzado que barre las superficies de las aletas para disipar el calor.
2.3 Selección del proceso de soldadura
Para el radiador se utiliza un proceso de soldadura por reflujo con pasta de soldadura. En comparación con el ensamblaje por compresión tradicional con silicona termoconductora, la soldadura con pasta de soldadura crea una unión metalúrgica entre la pared exterior de los tubos de calor, la placa base y las aletas, lo que reduce considerablemente la resistencia térmica interfacial. No se produce envejecimiento de la interfaz ni degradación del rendimiento térmico durante el funcionamiento prolongado a altas temperaturas, lo que lo hace adecuado para escenarios de funcionamiento continuo a largo plazo de LED de alta potencia.
3. Análisis teórico térmico preliminar
Según la eficiencia de conversión fotoeléctrica de los LED, la carga térmica con una potencia de entrada de 4000 W es de aproximadamente 2600 W.
Aumento de temperatura admisible: ΔT = 67.5 ℃ – 35 ℃ = 32.5 ℃
Resistencia térmica media global admisible del sistema:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/W
La resistencia térmica total del sistema de refrigeración incluye cuatro partes:
1. Resistencia térmica de contacto entre el módulo LED y la placa base de cobre.
2. Resistencia térmica por conducción de la placa base de cobre
3. Resistencia a la conducción de calor de los tubos de calor + resistencia térmica interfacial entre los tubos de calor y las aletas
4. Resistencia térmica por convección entre las aletas y el aire.
La resistencia térmica global del sistema se controla dentro del umbral de diseño mediante el engrosamiento de la placa base de cobre para una mejor uniformidad de la temperatura, la distribución de la carga térmica a través de múltiples tubos de calor, la reducción de la resistencia térmica interfacial mediante soldadura con pasta de soldadura y la mejora de la convección con ventiladores de alta velocidad, con el fin de alcanzar la temperatura objetivo.
4. Resultados de la simulación y las pruebas
Las pruebas térmicas en estado estacionario se realizan a una temperatura ambiente constante de 35 ℃:
1. Tras un funcionamiento estable durante 60 minutos, la temperatura de la placa base LED se estabiliza en 67.5 ℃, cumpliendo así el objetivo de diseño.
2. La diferencia de temperatura superficial de la placa base de cobre de 12 mm es inferior a 4 ℃. Cuarenta tubos de calor comparten eficazmente la carga térmica sin puntos calientes localizados evidentes.
3. Una prueba comparativa con un disipador de calor de aluminio sólido del mismo tamaño muestra que la temperatura del LED supera los 82 ℃ en condiciones idénticas, lo que verifica las ventajas del esquema de tubo de calor.
4. Se realiza una prueba de envejecimiento continuo de 72 horas. No se observa variación de temperatura y la interfaz soldada con pasta de soldadura permanece estable sin degradación del rendimiento térmico.
5 Ventajas del Plan
1. Placa base de cobre de 12 mm de espesor: Excelente uniformidad de temperatura, compatible con fuentes de calor LED de gran superficie y que evita el sobrecalentamiento localizado de los módulos.
2. Conjunto de 40 tubos de calor de Φ9.5 mm: Abundantes canales de conducción de calor para la rápida dispersión de fuentes de calor concentradas, superando el límite de transferencia de calor de la conducción en metales sólidos.
3. Proceso de soldadura con pasta de soldadura: Baja resistencia térmica interfacial con una fiabilidad a largo plazo superior en comparación con el ensamblaje a presión y las soluciones de relleno de silicona.
4. Ventiladores de alta velocidad Sanyo 9038: Alto volumen de aire y presión estática, el flujo de aire puede penetrar matrices de aletas densas, adecuado para entornos exteriores con mucho polvo y altas temperaturas. 5. Dimensiones compactas de 350 × 350 × 120 mm: Permite la disipación de calor para una alta potencia de 4000 W dentro de un espacio de instalación limitado, satisfaciendo las restricciones de ensamblaje del reflector completo.
6 Limitaciones y direcciones de optimización
1. La placa base de cobre tiene un peso relativamente elevado. Si el peso es un indicador estricto, se puede evaluar mediante simulación un diseño de placa base compuesta de cobre y aluminio para su posterior optimización.
2. Los ventiladores de alta velocidad a 5500 rpm generan un ruido relativamente alto. Para aplicaciones que requieren bajo nivel de ruido, se puede utilizar la regulación de velocidad del ventilador mediante PWM para reducir la velocidad de rotación y el ruido a temperatura ambiente normal.
3. Cuando se utiliza en exteriores, la acumulación de polvo en las aletas degrada gradualmente su capacidad de disipación de calor. Se puede añadir una sencilla rejilla antipolvo a la estructura para facilitar el mantenimiento regular.
Conclusión 7
En este artículo, se diseña un radiador de tubos de calor refrigerado por aire forzado para un foco LED de alta potencia de 4000 W, con unas dimensiones totales de 350 mm × 350 mm × 120 mm. Incorpora una placa base de cobre de 12 mm de espesor y 40 tubos de calor de 9.5 mm de diámetro soldados mediante pasta de soldadura, junto con ventiladores Sanyo 9038 a 5500 rpm. A una temperatura ambiente de 35 °C, la temperatura del LED se mantiene estable a 67.5 °C, cumpliendo así con los requisitos de funcionamiento estable a largo plazo de los LED de alta potencia.
El radiador presenta una estructura compacta, un rendimiento de disipación de calor excepcional y una alta fiabilidad a largo plazo. Puede satisfacer las necesidades de refrigeración de los proyectores LED de alta potencia para exteriores y sirve de referencia para el diseño de la gestión térmica de equipos de iluminación especiales similares de nivel kilovatio.
