Extrusion d'aluminium pour dissipateurs thermiques LED ?
Les lampes LED chauffent beaucoup. Une surchauffe peut réduire leur durée de vie et modifier leur couleur. De nombreux modèles ne parviennent pas à dissiper la chaleur assez rapidement. Un dissipateur thermique adapté peut résoudre ce problème.
L'extrusion d'aluminium est idéale pour les dissipateurs thermiques LED car elle offre une conductivité thermique élevée, permet de créer des formes personnalisées avec des ailettes pour un meilleur refroidissement, et reste légère et rentable dans le cadre d'une production de masse.
Cet article explique pourquoi l'extrusion d'aluminium fonctionne si bien. Il montre ensuite comment concevoir des ailettes, éviter les limites thermiques et utiliser intelligemment le flux d'air. Vous apprendrez ce qui rend une conception par extrusion efficace pour le refroidissement des LED.
Qu'est-ce qui rend l'extrusion d'aluminium idéale pour le refroidissement des LED ?
Les pots LED chauds déclenchent une alarme. Les fabricants de LED s'inquiètent de l'accumulation de chaleur, des mauvais circuits thermiques et des dissipateurs thermiques lourds. Une mauvaise conception entraîne une durée de vie réduite ou des ampoules grillées.
L'extrusion d'aluminium est parfaite car elle dissipe rapidement la chaleur, permet aux concepteurs de créer de nombreuses formes de refroidissement et reste légère, ce qui facilite l'installation des appareils.
De nombreux facteurs font de l'extrusion d'aluminium un matériau idéal pour les luminaires LED. Tout d'abord, l'aluminium présente une conductivité thermique élevée par rapport à de nombreux autres matériaux. Il permet d'évacuer rapidement la chaleur des puces LED. Il répartit ensuite la chaleur le long du corps extrudé. Cela évite les points chauds et permet de contrôler la température des LED. Deuxièmement, l'extrusion est un processus flexible. Les concepteurs peuvent pousser ou tirer l'aluminium à travers une matrice profilée. Cela permet de créer des corps longs avec des sections transversales complexes. Les ailettes, les parties creuses et les trous de montage deviennent tous possibles en un seul passage. Cette flexibilité permet de concevoir la forme exacte nécessaire pour un luminaire.
Lorsque les modules LED fonctionnent à des centaines de lumens, même les petites fuites de chaleur ont leur importance. Une fine feuille ou un métal embouti ne peut offrir qu'une surface limitée. Les ailettes extrudées augmentent considérablement la surface par rapport au volume et aident à évacuer la chaleur dans l'air. La finition de surface peut également améliorer le rayonnement thermique ou la résistance à la corrosion. Par exemple, l'aluminium anodisé ajoute de la durabilité sans nuire à la conductivité. Cela est important si les lampes LED fonctionnent à l'extérieur. En bref, l'extrusion d'aluminium combine un flux de chaleur important, de larges chemins thermiques, une grande liberté de conception et un contrôle des coûts.
L'extrusion d'aluminium permet d'obtenir des formes complexes afin d'augmenter la surface de refroidissement des LED.Vrai
L'extrusion facilite l'intégration d'ailettes et d'autres structures qui améliorent la dissipation thermique.
L'acier est préférable à l'aluminium pour le refroidissement des LED en raison de sa résistance.Faux
L'acier est plus résistant, mais il a une conductivité thermique plus faible et est plus lourd, ce qui le rend moins adapté aux dissipateurs thermiques.
Quelles configurations d'ailettes optimisent la dissipation thermique ?
Une mauvaise conception des ailettes nuit à l'efficacité des dissipateurs thermiques. Certaines ailettes bloquent l'air ou sont trop rapprochées. D'autres sont trop fines. Les concepteurs doivent choisir la bonne disposition, la bonne forme et le bon espacement des ailettes. De mauvais choix ralentissent le refroidissement et entraînent un gaspillage de matériaux.
Les meilleures configurations d'ailettes comprennent de nombreuses ailettes fines, espacées pour permettre la circulation de l'air, avec une forme à grande surface. Cela permet de transférer la chaleur du métal vers l'air rapidement et de manière régulière.
Nombre d'ailettes, espacement entre les ailettes et épaisseur
Une bonne disposition des ailettes d'un dissipateur thermique équilibre le nombre, l'espacement et l'épaisseur des ailettes. Si les ailettes sont trop peu nombreuses ou trop épaisses, vous perdez de la surface. Si les ailettes sont trop nombreuses ou trop fines, l'air ne peut pas circuler et la convection s'arrête. Un juste milieu est préférable : beaucoup d'ailettes, mais suffisamment espacées pour laisser passer l'air.
| Élément de disposition des nageoires | Effet sur le refroidissement | Plage typique pour les éviers à LED |
|---|---|---|
| Épaisseur de l'ailette | Les ailettes plus épaisses emmagasinent davantage de chaleur, mais réduisent la surface. | 1,5 – 3,0 mm |
| Espacement des ailettes | Un espacement plus large permet la circulation de l'air, mais réduit le nombre d'ailettes. | 3,0 à 6,0 mm entre les extrémités des ailettes |
| Hauteur de la ailette au-dessus de la base | Des ailerons plus grands augmentent la surface, mais ajoutent du poids et de la taille. | 15 – 40 mm |
Dans une conception que j'ai vue, l'utilisation d'ailettes de 2,2 mm d'épaisseur espacées de 4 mm offrait un meilleur refroidissement que des ailettes de 3 mm d'épaisseur espacées de 2 mm. Le flux d'air était meilleur et la surface restait élevée.
Forme des ailettes et traitement de surface
Les ailettes ne doivent pas nécessairement être plates. Certains modèles utilisent des ailettes effilées. D'autres utilisent des formes courbes ou ondulées. Ces formes contribuent à perturber les couches limites de l'air. La perturbation des couches limites permet à l'air frais d'entrer en contact avec la surface des ailettes. Cela améliore le transfert de chaleur vers l'air. La finition de la surface est également importante. Une surface propre et anodisée favorise l'émissivité et résiste à la corrosion. Pour les éclairages LED extérieurs, cela contribue à prolonger leur durée de vie.
Exemple : Comparaison entre deux configurations d'ailettes
Voici un exemple simple. Supposons que nous ayons deux dissipateurs thermiques extrudés de même largeur et épaisseur à la base. L'un comporte 10 ailettes rapprochées, l'autre 6 ailettes espacées. Avec un bon flux d'air, le modèle à 6 ailettes espacées peut mieux refroidir car le flux d'air n'est pas bloqué. Avec un flux d'air insuffisant (comme dans un luminaire fermé), le modèle à 10 ailettes peut ne pas fonctionner car l'air ne peut pas pénétrer entre les ailettes.
Cela montre qu'il n'existe pas de conception universelle. Le concepteur doit adapter la disposition des ailettes au circuit d'air et au type de luminaire.
De nombreuses ailettes fines espacées modérément surpassent les ailettes épaisses moins nombreuses dans les dissipateurs thermiques à LED lorsque le flux d'air est bon.Vrai
Parce que les ailettes fines augmentent la surface et que l'espacement modéré permet la circulation de l'air pour la convection.
Plus il y a d'ailettes, plus la dissipation thermique augmente, quel que soit leur espacement.Faux
Si les ailettes sont trop rapprochées, l'air ne peut pas circuler correctement et la convection diminue, de sorte que trop d'ailettes peuvent nuire à la dissipation thermique.
Existe-t-il des limites thermiques pour les applications LED ?
Les dissipateurs thermiques LED sont puissants. Mais chaque conception a ses limites. Si la conception ne tient pas compte de la température maximale ou de la résistance thermique, la durée de vie des LED s'en trouve réduite. Une surcharge des dissipateurs thermiques ou une puissance trop élevée nuisent à la durée de vie et à la stabilité des couleurs.
Oui. Les dissipateurs thermiques des LED ont des limites : ils doivent maintenir la température du boîtier des LED en dessous de la température maximale nominale et dissiper la puissance en toute sécurité. Le dépassement des limites thermiques entraîne des pannes et réduit la durée de vie.
Résistance thermique et température de jonction
Les performances thermiques d'un dissipateur thermique sont souvent exprimées en résistance thermique (°C/W). Cette unité mesure l'augmentation en degrés Celsius de la température du dissipateur thermique par watt de chaleur. Supposons qu'un module LED génère 10 W de chaleur. Une résistance thermique de 5 °C/W signifie une augmentation de 50 °C. Si la température ambiante est de 25 °C, le boîtier de la LED fonctionne à 75 °C, ce qui est peut-être trop élevé. Une résistance thermique plus faible est préférable.
| Résistance thermique du dissipateur thermique | Puissance LED | Augmentation prévue de la température |
|---|---|---|
| 5,0 °C/W | 5 W | 25 °C |
| 5,0 °C/W | 15 W | 75 °C |
| 2,0 °C/W | 15 W | 30 °C |
Pour de nombreuses puces LED, la température maximale du boîtier est comprise entre 85 et 105 °C. Un dissipateur thermique doit donc maintenir le boîtier en dessous de cette température dans les conditions les plus chaudes prévues. Les concepteurs visent souvent une élévation thermique inférieure à 40-50 °C pour plus de sécurité.
Résistance de contact et montage
Un bon contact thermique entre le module LED et la base de l'extrusion est très important. Un espace d'air ou un coussin thermique fin peut ajouter de la résistance. Même quelques dixièmes de degré par watt peuvent entraîner plusieurs degrés de chaleur supplémentaire sous charge. Lorsque l'extrusion est usinée CNC avec une base plate et que le module est pressé avec de la pâte thermique ou un coussin, le contact devient solide. Lorsque vous utilisez une base estampée ou rugueuse, le contact est moins bon.
Parfois, les luminaires à DEL sont également fermés. Cela empêche la convection. Le dissipateur thermique doit alors être beaucoup plus grand ou utiliser un refroidissement actif. Dans les luminaires fermés, les concepteurs doivent calculer la chaleur totale et s'assurer que la surface et le flux d'air sont suffisants, ou ajouter des évents ou des ventilateurs.
Le dépassement des limites de résistance thermique dans les dissipateurs thermiques LED peut entraîner une surchauffe et réduire la durée de vie des LED.Vrai
Une résistance thermique élevée signifie une mauvaise dissipation de la chaleur, ce qui augmente la température des LED au-delà de la limite de sécurité, réduisant ainsi leur durée de vie.
Tant que le dissipateur thermique est en aluminium, il n'y a pas de limite thermique pour la puissance des LED.Faux
Même les dissipateurs thermiques en aluminium ont une capacité limitée ; la conception est importante et le contact et la surface doivent pouvoir supporter la charge thermique.
Comment le flux d'air est-il pris en compte dans la conception des dissipateurs thermiques ?
Une mauvaise circulation de l'air nuit à la conception d'un bon dissipateur thermique. Même une excellente extrusion et une excellente disposition des ailettes échouent si l'air reste immobile. De nombreuses lampes LED sont installées dans des boîtiers fermés ou près de murs. Sans circulation d'air, la chaleur reste près des ailettes. Cela provoque une accumulation de chaleur et réduit le refroidissement.
La circulation de l'air est très importante. Les concepteurs doivent adapter les ailettes du dissipateur thermique aux ouvertures du luminaire afin que l'air circule librement entre les ailettes et évacue rapidement la chaleur.
Conception du circuit d'air et des fixations
Le dissipateur thermique ne peut pas fonctionner seul. Le luminaire doit permettre à l'air de circuler entre les ailettes. Si le luminaire est hermétique, les concepteurs doivent ajouter des évents ou compter sur la convection ascendante ou descendante. Les concepteurs doivent réfléchir à la direction prise par l'air chaud. En général, l'air chaud monte. Des évents situés en haut sont donc utiles. Dans les lampadaires LED extérieurs, l'air surchauffé doit pouvoir s'échapper. Les concepteurs peuvent ajouter des fentes ou des persiennes. Sinon, la chaleur reste emprisonnée et s'accumule.
Effet de la vitesse du flux d'air sur le refroidissement
Même un faible flux d'air est utile. Un ventilateur ou un courant d'air naturel double ou triple le transfert de chaleur par rapport à l'air immobile. Une brise légère ou un petit ventilateur intégré au luminaire augmente considérablement la puissance de refroidissement. Cela signifie que la même extrusion peut refroidir des LED de plus forte puissance si l'air circule. Les concepteurs ont le choix entre une extrusion plus grande ou l'ajout d'un flux d'air.
Exemples de chiffres (guide approximatif) :
- Air immobile, faible convection naturelle : le dissipateur thermique réduit la résistance thermique de 30 à 50 % environ.
- Flux d'air faible (0,5 à 1,5 m/s) : le transfert de chaleur double par rapport à l'air immobile.
- Flux d'air puissant (3 à 5 m/s) : refroidissement plus efficace, les ailettes restent proches de la température ambiante.
Vue combinée : conception des ailettes et flux d'air
Lorsque les ailettes sont denses et hautes, mais que le flux d'air est faible, celui-ci stagne à l'intérieur des ailettes. La surface effective diminue alors. Si le flux d'air est fort, les ailettes hautes et denses fonctionnent bien. La conception doit donc tenir compte à la fois de la densité des ailettes et du flux d'air prévu. De nombreux luminaires LED optent pour une densité d'ailettes modérée et s'appuient sur la convection passive ou un petit flux de ventilation, selon le luminaire.
Même un faible flux d'air forcé améliore considérablement les performances de refroidissement du dissipateur thermique.Vrai
L'air en mouvement évacue la chaleur des ailettes plus rapidement que l'air immobile, ce qui augmente le refroidissement par convection.
Les réseaux de ailettes denses refroidissent mieux que les réseaux clairsemés, quel que soit le débit d'air.Faux
Sans circulation d'air, les ailettes denses bloquent le flux d'air et réduisent l'efficacité du refroidissement malgré leur grande surface.
Conclusion
L'extrusion d'aluminium répond bien aux besoins de refroidissement des LED, car elle offre un bon flux thermique, une forme personnalisée, un poids léger et une production facile. La disposition des ailettes, les limites thermiques et le flux d'air sont tous des facteurs importants. Une bonne conception du dissipateur thermique permet de les équilibrer. Une extrusion appropriée, associée à des ailettes et à un flux d'air, permet de maintenir les LED à une température basse et d'assurer leur longévité.
