Alumínium extrudálás LED hűtőbordákhoz?
A LED-lámpák forróak. A túlmelegedés lerövidítheti az élettartamot és megváltoztathatja a színt. Sok kialakítás nem képes elég gyorsan elvezetni a hőt. A megfelelő hűtőborda ezt orvosolhatja.
Az alumínium extrudálás ideális a LED hűtőbordákhoz, mivel nagy hővezető képességet biztosít, lehetővé teszi az egyedi formákat a jobb hűtés érdekében, valamint könnyű és költséghatékony marad a tömeggyártás során.
Ez a cikk azt vizsgálja, hogy miért működik olyan jól az alumínium extrudálás. Ezután bemutatja, hogyan tervezzen uszonyformákat, hogyan kerülje el a termikus korlátokat, és hogyan használja okosan a légáramlást. Megtudhatja, hogy mitől lesz jó egy extrudált kialakítás a LED-hűtéshez.
Mitől ideális az alumínium extrudálás a LED hűtéshez?
A forró LED-es edények hangjelzést adnak. A LED-gyártók aggódnak a hőfelhalmozódás, a rossz hőutak és a nehéz hűtőbordák miatt. A rossz tervezés rövid élettartamhoz vagy égett lámpákhoz vezet.
Az alumínium extrudálás tökéletes, mert gyorsan mozgatja a hőt, lehetővé teszi a tervezők számára, hogy számos hűtési formát készítsenek, és könnyű marad, így a lámpatestek könnyen telepíthetők maradnak.
Az alumínium extrudálást sok minden teszi alkalmassá a LED-es lámpatestekhez. Először is, az alumíniumnak sok más anyaghoz képest magas a hővezető képessége. Gyorsan el tudja vonni a hőt a LED-chipekről. Ezután a hőt az extrudált test mentén terjeszti el. Ezáltal elkerülhetők a forró pontok, és a LED hőmérséklete kordában tartható. Másodszor, az extrudálás rugalmas folyamat. A tervezők az alumíniumot átnyomhatják vagy áthúzhatják a formázott süllyesztéken. Ez hosszú, összetett keresztmetszetű testeket hoz létre. Az uszonyok, üreges részek, rögzítőfuratok mind egy menetben megvalósíthatóvá válnak. Ez a rugalmasság lehetővé teszi egy lámpatesthez szükséges pontos forma megtervezését.
Amikor a LED-modulok több száz lumenes fényerővel működnek, még a kis hőszivárgás is számít. Egy vékony lemez vagy préselt fém csak egy bizonyos felületet tud biztosítani. Az extrudált lamellák a térfogathoz képest sokkal nagyobb felületet biztosítanak, és segítenek a hő levezetésében a levegőbe. A felületkezelés is javíthatja a hősugárzást vagy a korrózióállóságot. Az eloxált alumínium például növeli a tartósságot anélkül, hogy a vezetőképesség sokat romlana. Ez akkor számít, ha a LED-es lámpák kültéren működnek. Röviden, az alumínium extrudálás egyesíti az erős hőáramlást, a széles hőutakat, a tervezési szabadságot és a költségkontrollt.
Az alumínium extrudálás lehetővé teszi az összetett formák kialakítását a LED-hűtés felületének növelése érdekébenIgaz
Az extrudálás megkönnyíti a hőelvezetést javító lamellák és egyéb szerkezetek beépítését.
Az acél szilárdsága miatt jobb, mint az alumínium a LED-hűtéshezHamis
Az acél erősebb, de alacsonyabb a hővezető képessége és nehezebb, így kevésbé alkalmas hűtőbordákhoz.
Melyik lamella-konfiguráció optimalizálja a hőelvezetést?
A rossz lamellakialakítás megöli a jó hűtőbordákat. Egyes lamellák elzárják a levegőt, vagy túl közel ülnek egymáshoz. Mások túl vékonyak. A tervezőknek megfelelő elrendezésre, lamellaformára és lamellatávolságra van szükségük. A rossz döntések lassítják a hűtést és anyagpazarlást eredményeznek.
A legjobb lamella-konfigurációk sok vékony lamellát tartalmaznak, amelyek a légáramlás érdekében egymástól távol helyezkednek el, és nagy felületűek. Ez segít a hő gyors és egyenletes átvitelében a fémből a levegőbe.
Lamellák száma, lamellatávolság és -vastagság
A jó hűtőborda-elrendezés egyensúlyban tartja a lamellák számát, a távolságot és a vastagságot. Ha túl kevés vagy túl vastag lamella van, akkor felületet veszít. Ha túl sok vagy túl vékony a lamellák száma, a levegő nem tud áramlani, és a konvekció akadozik. A középső tartomány a legjobb: sok lamella, de kellően elválasztva ahhoz, hogy a levegő át tudjon áramlani.
| Fin elrendezés elem | Hatás a hűtésre | Tipikus tartomány a LED mosogatókhoz |
|---|---|---|
| Uszony vastagsága | A vastagabb lamellák több hőt tárolnak, de csökkentik a felületet. | 1,5 - 3,0 mm |
| Uszonyok távolsága | A nagyobb távolság lehetővé teszi a légáramlást, de csökkenti a lamellák számát. | 3,0 - 6,0 mm az uszonyok csúcsai között |
| Uszony magassága a bázis felett | A magasabb uszonyok növelik a felületet, de súlyt és méretet adnak hozzá. | 15 - 40 mm |
Egy általam látott konstrukcióban a 4 mm távolságra egymástól elhelyezett 2,2 mm vastag lamellák használata jobb hűtést eredményezett, mint a 2 mm távolságra egymástól elhelyezett 3 mm vastag lamelláké. A légáramlás jobb volt, és a felület nagy maradt.
Uszony alakja és felületkezelése
Az uszonyoknak nem kell laposnak lenniük. Egyes konstrukciók kúpos uszonyokat használnak. Mások ívelt vagy hullámos formákat használnak. Ezek az alakzatok segítenek megzavarni a levegő határrétegeit. A határrétegek megzavarása segíti a friss levegő érintkezését a lamellák felületével. Ez javítja a hőátadást a levegő felé. A felületkezelés is számít. A tiszta, eloxált felület javítja a sugárzási képességet és ellenáll a korróziónak. A kültéri LED-lámpák esetében ez segíti az élettartamot.
Példa: Két lamellás elrendezés összehasonlítása
Íme egy egyszerű példa. Tegyük fel, hogy van két azonos alapszélességű és vastagságú extrudált hűtőbordánk. Az egyiknek 10 lamellája van szorosan egymás mellett, a másiknak pedig 6 lamellája van szélesen egymás mellett. Jó légáramlás esetén a 6 lamellás, szélesre osztott kialakítás jobban hűt, mivel a légáramlás nem akadályozza. Rossz légáramlás esetén (például zárt lámpatestben) a 10 lamellás kialakítás hibás lehet, mert a levegő nem tud bejutni a lamellákba.
Ez azt mutatja, hogy nincs olyan kialakítás, amely mindenre megfelel. A tervezőnek a lamellák elrendezését a levegő útjához és a lámpatest típusához kell igazítania.
A sok vékony lamella mérsékelten elosztva felülmúlja a kevesebb vastag lamellát a LED hűtőbordáknál, ha a légáramlás jó.Igaz
Mivel a vékony lamellák növelik a felületet, és a mérsékelt távolság lehetővé teszi a konvekciós légáramlást.
A több lamella mindig növeli a hőelvezetést, függetlenül a távolságtól.Hamis
Ha a lamellák túl közel vannak egymáshoz, a levegő nem tud megfelelően áramlani, és a konvekció csökken, a sok lamella ronthatja a hőelvezetést.
Vannak hőtechnikai határértékek a LED-alkalmazásoknál?
A LED hűtőbordák nagy teljesítményűek. De minden kialakítás korlátokba ütközik. Ha a tervezés figyelmen kívül hagyja a maximális hőmérsékletet vagy a hőellenállást, a LED-ek élettartama csökken. A hűtőbordák túlzsúfolása vagy a túl nagy teljesítmény megöli a hosszú élettartamot vagy a színstabilitást.
Igen. A LED hűtőbordáknak vannak korlátai: a LED-ház hőmérsékletét a névleges maximum alatt kell tartaniuk, és a teljesítményt biztonságosan kell elvezetniük. A hőhatárértékek túllépése meghibásodást okoz és csökkenti az élettartamot.
Hőellenállás és csatlakozási hőmérséklet
A hűtőbordák hőteljesítményét gyakran hőellenállásként (°C/W) adják meg. Ez azt méri, hogy hány Celsius-fokot emelkedik a hűtőborda egy watt hőmennyiségre vetítve. Tegyük fel, hogy a LED-modul 10 W hőt ad le. Az 5 °C/W hőellenállás 50 °C-os emelkedést jelent. Ha a környezeti hőmérséklet 25 °C, akkor a LED háza 75 °C-on működik, ami talán túl magas. Az alacsonyabb hőellenállás jobb.
| Hőelnyelő termikus ellenállás | LED teljesítmény | Várható hőmérséklet-emelkedés |
|---|---|---|
| 5,0 °C/W | 5 W | 25 °C |
| 5,0 °C/W | 15 W | 75 °C |
| 2,0 °C/W | 15 W | 30 °C |
Sok LED-chip esetében a maximális hőmérséklet 85-105 °C. A hűtőbordának tehát a várható legmelegebb körülmények között is ez alatt kell tartania a tokot. A tervezők a biztonság kedvéért gyakran 40-50 °C alatti hőemelkedést céloznak meg.
Érintkezési ellenállás és szerelés
A LED-modul és az extrudálás alapja közötti jó termikus kapcsolat nagyon fontos. A légrés vagy a vékony hőszigetelő betét növelheti az ellenállást. Még néhány tized fok is wattonként sok foknyi plusz hőt okoz terhelés alatt. Ha az extrudálás CNC megmunkált, lapos alap és a modul hőpasztával vagy párnával nyomott, az érintkezés erős lesz. Ha bélyegzett vagy durva alapot használunk, az érintkezés szenved.
Néha a LED-es lámpatestek is zártak. Ez megöli a konvekciót. Ilyenkor a hűtőbordának sokkal nagyobbnak kell lennie, vagy aktív hűtést kell használni. Zárt lámpatesteknél a tervezőknek ki kell számítaniuk a teljes hőt, és biztosítaniuk kell a megfelelő felületet és légáramlási utat, vagy szellőzőket vagy ventilátorokat kell hozzáadniuk.
A LED hűtőbordák hőellenállási határértékeinek túllépése túlmelegedéshez vezethet és csökkentheti a LED élettartamát.Igaz
A nagy hőellenállás rossz hőelvezetést jelent, ami a LED hőmérsékletét a biztonságos határérték fölé emeli, és lerövidíti az élettartamot.
Amíg a hűtőborda alumínium, nincs hőhatár a LED teljesítményére vonatkozóan.Hamis
Még az alumínium hűtőbordák kapacitása is véges; a tervezés számít, és az érintkezésnek és a felületnek kezelnie kell a hőterhelést.
Hogyan veszik figyelembe a légáramlást a hűtőbordák tervezésénél?
A rossz légáramlás elrontja a jó hűtőborda kialakítását. Még a kiváló extrudálás és lamellaelrendezés is kudarcot vall, ha a levegő mozdulatlan marad. Sok LED-lámpa zárt házban vagy fal közelében él. Levegőáramlás nélkül a hő a lamellák közelében marad. Ez hőfelhalmozódást okoz, és csökkenti a hűtést.
A légáramlás sokat számít. A tervezőknek össze kell hangolniuk a hűtőbordákat és a szerelvénynyílásokat, hogy a levegő szabadon mozogjon a bordákon, és gyorsan elvezesse a hőt.
Levegő útvonal és rögzítés kialakítása
A hűtőborda nem működhet egyedül. A szerelvénynek lehetővé kell tennie a levegő áramlását a lamellákon keresztül. Ha a lámpatest zárt, a tervezőknek szellőzőnyílásokat kell hozzáadniuk, vagy a konvekciós útvonalra kell hagyatkozniuk felfelé vagy lefelé. A tervezőknek át kell gondolniuk, hová kerül a forró levegő. Általában a forró levegő felszáll. Tehát a felső szellőzőnyílások segítenek. A kültéri LED-es utcai lámpáknál a túlhevült levegőnek el kell távoznia. A tervezők résekkel vagy lamellákkal egészíthetik ki. Ellenkező esetben a hő csapdába esik és felgyülemlik.
A légáramlási sebesség hatása a hűtésre
Még egy kis légáramlás is segít. Egy ventilátor vagy természetes szél megduplázza vagy megháromszorozza a hőátadást a mozdulatlan levegőhöz képest. A gyengéd szellő vagy egy kis ventilátorcsatlakozó a lámpatestben nagymértékben növeli a hűtési teljesítményt. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz az extrudálás nagyobb teljesítményű LED-eket is képes hűteni, ha a levegő mozog. A tervezők választanak a nagyobb extrudálás vagy a légáramlás hozzáadása között.
Példa számok (durva útmutató):
- Csendes levegő, kis természetes konvekció: a hűtőborda talán 30-50%-vel csökkenti a hőellenállást.
- Könnyű légáramlás (0,5-1,5 m/s): a hőátadás megduplázódik a mozdulatlan levegőhöz képest.
- Erős légáramlás (3-5 m/s): a hűtés hatékonyabb, a lamellák a környezet közelében maradnak.
Kombinált nézet: a lamellás kialakítás és a légáramlás találkozása
Ha a lamellák sűrűek és magasak, de a légáramlás gyenge, a légáramlás a lamellákon belül megreked. Ekkor a hasznos terület zsugorodik. Ha a légáramlás erős, a magas, sűrű lamellák jól működnek. A tervezésnél tehát mind a lamellasűrűséget, mind a várható légáramlást figyelembe kell venni. Sok LED-es lámpatest mérsékelt lamellasűrűséget választ, és a lámpatesttől függően passzív konvekcióra vagy kis ventilátoráramlásra támaszkodik.
Még egy kis kényszerített légáramlás is drámaian javítja a hűtőborda hűtési teljesítményétIgaz
A mozgó levegő gyorsabban elviszi a hőt a lamellákról, mint a mozdulatlan levegő, növelve a konvekciós hűtést.
A sűrű lamellasorok a légáramlástól függetlenül jobban hűtenek, mint a ritkákHamis
Légáramlás nélkül a sűrű lamellák blokkolják a légáramlást, és a nagy felület ellenére csökkentik a hatékony hűtést.
Következtetés
Az alumínium extrudálás jól illeszkedik a LED hűtési igényeihez, mivel jó hőáramlást, egyedi formát, könnyű súlyt és egyszerű gyártást biztosít. A lamellák elrendezése, a hőhatárok és a légáramlás mind számítanak. A jó hűtőbordatervezés kiegyensúlyozza ezeket. A megfelelő extrudálás, valamint a lamellák és a légáramlás hűvösen és tartósan tartják a LED-eket.
