Alumiinipuristettu LED-jäähdytyselementti?
LED-valot kuumenevat. Ylikuumeneminen voi lyhentää käyttöikää ja muuttaa väriä. Monissa malleissa lämpöä ei saada poistettua riittävän nopeasti. Oikea jäähdytyselementti voi korjata tämän ongelman.
Alumiinipuristaminen on ihanteellinen ratkaisu LED-lämmönsiirtimiin, koska se tarjoaa korkean lämmönjohtavuuden, mahdollistaa räätälöidyt muodot ja jäähdytyksen tehostavat ripat sekä on kevyt ja kustannustehokas massatuotannossa.
Tässä artikkelissa tarkastellaan, miksi alumiinipuristaminen toimii niin hyvin. Sen jälkeen esitellään, miten suunnitellaan jäähdytysripojen muotoja, vältetään lämpörajoitukset ja hyödynnetään ilmavirtausta järkevästi. Opit, mikä tekee puristussuunnittelusta hyvän LED-jäähdytykseen.
Mikä tekee alumiinipuristuksesta ihanteellisen LED-jäähdytykseen?
Kuumat LED-potit antavat hälytysäänen. LED-valmistajat ovat huolissaan lämmön kertymisestä, huonoista lämmönpoistoreiteistä ja raskaista jäähdytyslevyistä. Huono suunnittelu johtaa lyhyeen käyttöikään tai palaneisiin valoihin.
Alumiinipuristettu profiili on täydellinen, koska se siirtää lämpöä nopeasti, antaa suunnittelijoille mahdollisuuden luoda monenlaisia jäähdytysmuotoja ja on kevyt, joten kiinnikkeet ovat helppoja asentaa.
Monet seikat tekevät alumiinipuristuksesta hyvän valinnan LED-valaisimiin. Ensinnäkin alumiinilla on moniin muihin materiaaleihin verrattuna korkea lämmönjohtavuus. Se poistaa lämmön LED-siruista nopeasti. Sitten se levittää lämmön puristuksen rungon pitkin. Tämä estää kuumien kohtien syntymisen ja pitää LED-valaisimen lämpötilan hallinnassa. Toiseksi puristaminen on joustava prosessi. Suunnittelijat voivat työntää tai vetää alumiinia muotoillun muotin läpi. Näin syntyy pitkiä runkoja, joiden poikkileikkaus on monimutkainen. Siivet, ontot osat ja kiinnitysreiät ovat kaikki mahdollisia yhdellä kertaa. Tämän joustavuuden ansiosta valaisimelle voidaan suunnitella juuri tarvittava muoto.
Kun LED-moduulit tuottavat satoja lumenia, pienetkin lämpövuodot ovat merkityksellisiä. Ohut levy tai leimattu metalli voi tarjota vain rajallisen pinta-alan. Suulakepuristetut siivet lisäävät pinta-alaa huomattavasti tilavuuteen verrattuna ja auttavat johtamaan lämpöä ilmaan. Myös pinnan viimeistely voi parantaa lämpösäteilyä tai korroosionkestävyyttä. Esimerkiksi anodisoitu alumiini lisää kestävyyttä heikentämättä merkittävästi johtavuutta. Tämä on tärkeää, jos LED-valot toimivat ulkona. Lyhyesti sanottuna alumiinipuristaminen yhdistää voimakkaan lämmönvirtauksen, laajat lämpöpolut, suunnitteluvapauden ja kustannusten hallinnan.
Alumiinipuristuksella voidaan luoda monimutkaisia muotoja, jotka lisäävät LED-valojen jäähdytyspinta-alaa.Totta
Ekstruusio helpottaa lämmön haihtumista parantavien ripojen ja muiden rakenteiden lisäämistä.
Teräs on alumiinia parempi LED-jäähdytykseen sen lujuuden vuoksi.False
Teräs on vahvempaa, mutta sen lämmönjohtavuus on heikompi ja se on painavampaa, minkä vuoksi se sopii huonommin jäähdytyselementteihin.
Mitkä eväkonfiguraatiot optimoivat lämmön haihtumisen?
Huono lamellien muotoilu pilaa hyvät jäähdytyselementit. Jotkut lamellit estävät ilman virtauksen tai ovat liian lähellä toisiaan. Toiset ovat liian ohuita. Suunnittelijoiden on valittava oikea asettelu, lamellien muoto ja välimatka. Väärät valinnat hidastavat jäähdytystä ja tuhlaavat materiaalia.
Parhaat jäähdytysripojen kokoonpanot sisältävät useita ohuita ripoja, jotka on sijoitettu niin, että ilma pääsee virtaamaan niiden välillä, ja joiden pinta-ala on suuri. Tämä auttaa siirtämään lämmön metallista ilmaan nopeasti ja tasaisesti.
Evien lukumäärä, evien välinen etäisyys ja paksuus
Hyvä jäähdytyselementin ripojen asettelu tasapainottaa ripojen lukumäärän, välimatkan ja paksuuden. Jos ripoja on liian vähän tai ne ovat liian paksuja, pinta-ala pienenee. Jos ripoja on liian paljon tai ne ovat liian ohuita, ilma ei pääse virtaamaan ja konvektio pysähtyy. Keskimääräinen määrä toimii parhaiten: paljon ripoja, mutta riittävän välimatkan päässä toisistaan, jotta ilma pääsee kulkemaan.
| Fin-asetteluelementti | Vaikutus jäähdytykseen | LED-valaisimien tyypillinen valikoima |
|---|---|---|
| Evän paksuus | Paksummat evät varastoivat enemmän lämpöä, mutta pienentävät pinta-alaa. | 1,5 – 3,0 mm |
| Evien etäisyys toisistaan | Leveämpi väli mahdollistaa ilman virtauksen, mutta vähentää siipien määrää. | 3,0–6,0 mm evien kärkien välillä |
| Siiven korkeus pohjan yläpuolella | Korkeammat evät lisäävät pinta-alaa, mutta lisäävät painoa ja kokoa. | 15–40 mm |
Näkemässäni suunnittelussa 2,2 mm paksut, 4 mm välein sijoitetut jäähdytysripojen antoivat paremman jäähdytyksen kuin 3 mm paksut, 2 mm välein sijoitetut jäähdytysripojen. Ilmavirtaus oli parempi ja pinta-ala pysyi suurena.
Siiven muoto ja pintakäsittely
Rivat eivät tarvitse olla tasaisia. Joissakin malleissa käytetään kartiomaisia rivejä. Toisissa malleissa käytetään kaarevia tai aaltomaisia muotoja. Nämä muodot auttavat häiritsemään ilman rajakerroksia. Rajakerrosten häiritseminen auttaa raitista ilmaa koskettamaan rivien pintoja. Tämä parantaa lämmönsiirtoa ilmaan. Myös pinnan viimeistely on tärkeää. Puhdas, anodisoitu pinta parantaa emissiivisyyttä ja kestää korroosiota. Ulkokäyttöön tarkoitetuissa LED-valoissa tämä pidentää käyttöikää.
Esimerkki: Kahden eväasettelun vertailu
Tässä on yksinkertainen esimerkki. Oletetaan, että meillä on kaksi puristettua jäähdytyselementtiä, joiden pohjan leveys ja paksuus ovat samat. Toisessa on 10 tiheästi sijoitettua siipiä, toisessa 6 harvemmin sijoitettua siipiä. Hyvällä ilmanvirtauksella 6 siipinen harvemmin sijoitettu malli voi jäähdyttää paremmin, koska ilmanvirtaus ei esty. Huonolla ilmanvirtauksella (kuten suljetussa kiinnikkeessä) 10 siipinen malli voi epäonnistua, koska ilma ei pääse siipien sisään.
Tämä osoittaa, että yksi malli ei sovi kaikille. Suunnittelijan on sovitettava siipien asettelu ilmankulkuun ja kiinnitystyyppiin.
Monet ohuet, kohtuullisen välimatkan päässä toisistaan olevat siivet ovat tehokkaampia kuin harvat paksut siivet LED-lämmönsiirtimissä, kun ilmanvirtaus on hyvä.Totta
Koska ohuet rivat lisäävät pinta-alaa ja kohtuullinen väli mahdollistaa ilman virtauksen konvektion avulla.
Enemmän siipiä lisää aina lämmön haihtumista riippumatta niiden välisestä etäisyydestä.False
Jos siivet ovat liian lähellä toisiaan, ilma ei voi virrata kunnolla ja konvektio heikkenee, joten liian monet siivet voivat heikentää lämmön haihtumista.
Onko LED-sovelluksille lämpörajoituksia?
LED-jäähdytyselementit ovat tehokkaita. Mutta jokaisella suunnittelulla on rajansa. Jos suunnittelussa ei oteta huomioon maksimilämpötilaa tai lämpövastusta, LED-valojen käyttöikä lyhenee. Ylikuormitetut jäähdytyselementit tai liian suuri teho lyhentävät käyttöikää ja heikentävät värien vakautta.
Kyllä. LED-jäähdytyselementit ovat rajallisia: niiden on pidettävä LED-kotelon lämpötila alle nimellismaksimin ja hajautettava teho turvallisesti. Lämpörajojen ylittäminen aiheuttaa vikoja ja lyhentää käyttöikää.
Lämmönkestävyys ja liitoskohdan lämpötila
Lämmönsiirtimen lämpöteho ilmoitetaan usein lämpövastuksena (°C/W). Se mittaa, kuinka monta celsiusastetta lämmönsiirtimen lämpötila nousee yhtä watin lämpöä kohti. Oletetaan, että LED-moduuli tuottaa 10 W lämpöä. Lämpövastus 5 °C/W tarkoittaa 50 °C:n lämpötilan nousua. Jos ympäristön lämpötila on 25 °C, LED-kotelon lämpötila nousee 75 °C:seen, mikä on ehkä liian korkea. Pienempi lämpövastus on parempi.
| Lämmönsiirtimen lämpövastus | LED-teho | Odotettu lämpötilan nousu |
|---|---|---|
| 5,0 °C/W | 5 W | 25 °C |
| 5,0 °C/W | 15 W | 75 °C |
| 2,0 °C/W | 15 W | 30 °C |
Monien LED-sirujen maksimikotelolämpötila on 85–105 °C. Jäähdytyselementin on siis pidettävä kotelon lämpötila alle tämän rajan kuumimmissa odotettavissa olleissa olosuhteissa. Suunnittelijat pyrkivät usein turvallisuuden vuoksi alle 40–50 °C:n lämpötilan nousuun.
Kosketusvastus ja kiinnitys
LED-moduulin ja puristettujen profiilien pohjan välinen hyvä lämpökontakti on erittäin tärkeää. Ilmarako tai ohut lämpötyyny voivat lisätä vastusta. Jopa muutama desimaali astetta wattia kohti aiheuttaa useita asteita ylimääräistä lämpöä kuormituksen alla. Kun puristettu profiili on CNC-koneistettu tasainen pohja ja moduuli on painettu lämpötahnaa tai -tyynyä käyttäen, kontakti on vahva. Kun käytetään leimattua tai karkeaa pohjaa, kontakti heikkenee.
Joskus LED-valaisimet ovat myös suljettuja. Tämä estää konvektion. Tällöin jäähdytyselementin on oltava paljon suurempi tai on käytettävä aktiivista jäähdytystä. Suljetuissa valaisimissa suunnittelijoiden on laskettava kokonaislämpö ja varmistettava riittävä pinta-ala ja ilmavirtausreitti tai lisättävä tuuletusaukot tai tuulettimet.
LED-jäähdytyselementtien lämmönkestävyyden rajojen ylittäminen voi johtaa ylikuumenemiseen ja lyhentää LED-valojen käyttöikää.Totta
Korkea lämmönkestävyys tarkoittaa huonoa lämmön haihtumista, mikä nostaa LEDin lämpötilan turvallisen rajan yli ja lyhentää sen käyttöikää.
Niin kauan kuin jäähdytyselementti on alumiinia, LED-teholle ei ole lämpörajoitusta.False
Jopa alumiinisilla jäähdytyslevyillä on rajallinen kapasiteetti; suunnittelu on tärkeää, ja kosketuspinta ja pinta-ala on mitoitettava lämmönkuormitusta vastaavaksi.
Miten ilmavirtaus otetaan huomioon jäähdytyselementin suunnittelussa?
Huono ilmankierto pilaa hyvän jäähdytyselementin suunnittelun. Jopa erinomainen puristus ja siipien sijoittelu epäonnistuvat, jos ilma pysyy paikallaan. Monet LED-valot sijaitsevat suljetuissa koteloissa tai seinien lähellä. Ilman ilmankiertoa lämpö pysyy siipien lähellä. Tämä aiheuttaa lämmön kertymistä ja heikentää jäähdytystä.
Ilmavirta on erittäin tärkeä tekijä. Suunnittelijoiden on sovitettava jäähdytyselementin siivet ja kiinnikkeiden aukot toisiinsa, jotta ilma liikkuu vapaasti siipien läpi ja poistaa lämmön nopeasti.
Ilmakanavan ja kiinnikkeiden suunnittelu
Lämmönsiirrin ei voi toimia yksinään. Kiinnikkeiden on mahdollistettava ilman virtaus siipien yli. Jos kiinnikkeet ovat suljettuja, suunnittelijoiden on lisättävä tuuletusaukot tai luotettava konvektioon ylös- tai alaspäin. Suunnittelijoiden on mietittävä, minne kuuma ilma menee. Yleensä kuuma ilma nousee ylöspäin. Siksi yläosassa olevat tuuletusaukot auttavat. Ulkona olevissa LED-katuvaloissa ylikuumentunut ilma on päästävä pois. Suunnittelijat voivat lisätä rakoja tai säleitä. Muuten lämpö jää loukkuun ja kertyy.
Ilmavirran nopeuden vaikutus jäähdytykseen
Pienikin ilmavirta auttaa. Tuuletin tai luonnollinen tuuli kaksinkertaistaa tai kolminkertaistaa lämmönsiirron verrattuna tyyneen ilmaan. Hellävarainen tuuli tai pieni tuuletin kiinnikkeessä lisää huomattavasti jäähdytystehoa. Tämä tarkoittaa, että sama puristettu profiili voi jäähdyttää tehokkaampia LED-valoja, jos ilma liikkuu. Suunnittelijat voivat valita joko suuremman puristetun profiilin tai ilmavirran lisäämisen.
Esimerkkiluvut (suuntaa-antava ohje):
- Ilma on liikkumatonta, luonnollinen konvektio on vähäistä: jäähdytyselementti alentaa lämpövastusta ehkä 30–50%.
- Kevyt ilmavirta (0,5–1,5 m/s): lämmönsiirto kaksinkertaistuu verrattuna tyyneen ilmaan.
- Voimakas ilmavirta (3–5 m/s): tehokkaampi jäähdytys, jäähdytysripojen lämpötila pysyy lähellä ympäristön lämpötilaa.
Yhdistetty näkymä: evän muotoilu ja ilmavirta
Kun jäähdytysripojen tiheys ja korkeus ovat suuret, mutta ilmavirta on heikko, ilmavirta pysähtyy jäähdytysripojen sisällä. Tällöin tehokas pinta-ala pienenee. Jos ilmavirta on voimakas, korkeat ja tiheät jäähdytysripat toimivat hyvin. Suunnittelussa on siis otettava huomioon sekä jäähdytysripojen tiheys että odotettu ilmavirta. Monissa LED-valaisimissa valitaan kohtalainen jäähdytysripojen tiheys ja luotetaan passiiviseen konvektioon tai pieneen tuulettimen ilmavirtaan valaisimesta riippuen.
Pienikin pakotettu ilmavirta parantaa huomattavasti jäähdytyselementin jäähdytystehoa.Totta
Liikkuva ilma poistaa lämmön siivistä nopeammin kuin seisova ilma, mikä lisää konvektiota.
Tiheät eväryhmät jäähdyttävät paremmin kuin harvat riippumatta ilmavirrasta.False
Ilmavirtauksen puuttuessa tiheät rivat estävät ilman virtauksen ja vähentävät tehokasta jäähdytystä suuresta pinta-alasta huolimatta.
Päätelmä
Alumiinipuristettu profiili sopii hyvin LED-valojen jäähdytystarpeisiin, koska se tarjoaa hyvän lämmönvirtauksen, mukautettavan muodon, keveyden ja helpon tuotannon. Siipien asettelu, lämpörajat ja ilmavirta ovat kaikki tärkeitä tekijöitä. Hyvä jäähdytyselementin suunnittelu tasapainottaa nämä tekijät. Oikeanlainen puristettu profiili sekä siivet ja ilmavirta pitävät LED-valot viileinä ja kestävänä.
