Главная
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3-4, с. 35-41.
DOI: 10.15222/TKEA2020.3-4.35
УДК 536.248.2; 628.941.8
Експериментальне дослідження компактної системи охолодження з тепловими трубами для потужної світлодіодної матриці
(українською мовою)
Пекур Д. В.1, Сорокін В. М.1, Ніколаєнко Ю. Є.2

Україна, м. Київ, 1Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України; 2Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського".

Розроблено конструкцію потужного світлодіодного світильника компактних розмірів для освітлення приміщень. Засобами тепловідведення є теплові труби довжиною 150 мм. Кільця теплообмінника охолоджуються природньою конвекцією оточуючого повітря. За допомогою комп'ютерного моделювання та дослідження експериментального зразка приладу визначено можливість запропонованої системи охолодження забезпечувати нормальний тепловий режим світлодіодного джерела світла. Результати комп'ютерного моделювання її температурного поля показали, що при потужності світильника 140,7 Вт температура корпусу світлодіодної матриці складає 60,5°С, а виміряна експериментально - 61,3°С. Визначена експериментально теплова потужність світлодіодної матриці становила 91,5 Вт, температура р-n-переходу - 79,6°С, загальний тепловий опір системи охолодження - 0,453°С/Вт.

Ключові слова: світлодіодний освітлювальний пристрій, теплова труба, система охолодження, комп'ютерне моделювання, експериментальне моделювання.

Дата подання рукопису 10.07 2020
Використані джерела
  1. Светодиоды и их применение для освещения (Под общей редакцией ак. АЭН РФ Ю. Б. Айзенберга). Москва, Знак, 2012.
  2. Котеленко С.В., Чижкин А.В. Светодиоды как современная альтернатива традиционным источникам света. Известия ТулГУ. Технические науки, 2019, №11, с. 92-97. https://doi.org/10.24411/2071-6168-2019-11113. (Rus)
  3. Борщев В.Н., Листратенко А.М., Тымчук И.Т. и др. Высокоэффективные объемные светодиодные модули для сверхмощных ламп бытового и промышленного применения. Оптоелектроніка та напівпровідникова техніка, 2017, № 52, c. 70-80. https://doi.org/10.15407/jopt.2017.52.070 (Rus)
  4. Светодиоды с высоким CRI, широким спектром и узкой КСС от Citizen Electronics. Современная светотехника, 2015, № 4, c. 9-11. http://www.lightingmedia.ru/netcat_files/File/09.pdf (Rus)
  5. Yurtseven M.B., Mete S., Onaygil S. The effects of temperature and driving current on the key parameters of commercially available, high-power, white LEDs. Lighting Res. Technol., 2015, vol. 48, no. 8, pp. 943-965, https://doi.org/10.1177/1477153515576785
  6. Chang Moon-Hwan, Das Diganta, Varde P.V., Pecht Michael. Light emitting diodes reliability review. Microelectronics Reliability, 2012, vol. 52, iss. 5, pp. 762-782, https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.07.063
  7. Chhajed S., Xi Y., Li Y.-L. et al. Influence of junction temperature on chromaticity and color-rendering properties of trichromatic white-light sources based on light-emitting diodes. Journal of Applied Physic, 2005, vol. 97, pp. 054506-1-054506-8, http://dx.doi.org/10.1063/1.1852073
  8. Pryde J. R. Development of effective thermal management strategies for LED luminaires, Doct. Thesis, Loughborough University, 2017, https://hdl.handle.net/2134/26687
  9. Урсаки А. Развитие светодиодных модулей Chip-on-Board на примере эволюции матриц от компании Citizen Electronics. Современная светотехника, 2018, № 2, p. 20-22, http://www.lightingmedia.ru/netcat_files/File/20(3).pdf (Rus)
  10. Shuji Nakamura. Michael R. Krames. History of gallium-nitride-based light-emitting diodes for illumination. Proceedings of the IEEE, 2013, vol. 101, iss. 10, pp. 2211-2220. http://dx.doi.org/10.1109/jproc.2013.2274929
  11. Wong M. S., Shuji Nakamura, DenBaars S. P. Review-Progress in High Performance III-Nitride Micro-Light-Emitting Diodes. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2020, vol. 9, art. 015012. http://dx.doi.org/10.1149/2.0302001JSS
  12. Ying S. P., Shen W. B. Thermal analysis of high-power multichip COB light-emitting diodes with different chip sizes. IEEE Trans. Electron Devices, 2015, vol. 62, iss. 3, pp. 896-901. http://dx.doi.org/10.1109/TED.2015.2390255
  13. Wang Jing, Zhao Xin-Jie, Cai Yi-Xi et al. Experimental study on the thermal management of high-power LED headlight cooling device integrated with thermoelectric cooler package. Energy Conversion and Management, 2015, vol. 101, pp. 532-540. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2015.05.040
  14. Maaspuro Mika. Piezoelectric oscillating cantilever fan for thermal management of electronics and LEDs - A review. Microelectronics Reliability, 2016, vol. 63, pp. 342-353. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2016.06.008
  15. Deng Xiong, Luo Zhenbing, Xia Zhixun et al. Active-passive combined and closed-loop control for the thermal management of high-power LED based on a dual synthetic jet actuator. Energy Conversion and Management, 2017, vol. 132, pp. 207-212. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.11.034
  16. Schneider M., Leyrer B., Herbold C., Maikowske S. High power density LED modules with silver sintering die attach on aluminum nitride substrates. IEEE 64th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2014, pp. 203-208. https://doi.org/10.1109/ECTC.2014.6897289
  17. Jingguo Qu, Lingjian Kong, Jianfei Zhang. Experimental investigation on flow and heat transfer characteristics of a needle-cylinder type ionic wind generator for LED cooling. Energies, 2018, vol. 11, art. 1149. https://doi.org/10.3390/en11051149
  18. Dong Ho Shin, Dong Kee Sohn, Han Seo Ko. Analysis of thermal flow around heat sink with ionic wind for high-power. Applied Thermal Engineering, 2018, vol. 143, pp. 376-384. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.07.118
  19. Mochizuki Masataka, Nguyen Thang, Mashiko Koichi et al. A review of heat pipe application including new opportunities. Frontiers in Heat Pipes (FHP), 2011, vol. 2, pp. 013001. https://doi.org/10.5098/fhp.v2.1.3001
  20. Shu Shili, Hou Guanyu, Wang Lijie et al. Heat dissipation in high-power semiconductor lasers with heat pipe cooling system. Journal of Mechanical Science and Technology, 2017, vol. 31, no. 6, pp. 2607-2612. https://doi.org/10.1007/s12206-017-0502-9
  21. Nikolaenko Yu. E., Alekseik E.S., Kozak D.V., Nikolaienko T.Yu. Research on two-phase heat removal devices for power electronics. Thermal Science and Engineering Progress, 2018, vol. 8, pp. 418-425. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.09.012
  22. Lu Jiazheng, Shen Limei, Huang Qingjun et al. Investigation of a rectangular heat pipe radiator with parallel heat flow structure for cooling high-power IGBT modules. International Journal of Thermal Sciences, 2019, vol. 135, pp. 83-93, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.09.004
  23. Driss Ameni, Maalej Samah, Zaghdoudi Mohamed Chaker. Thermal modeling of the cooling of a power MOSFET by heat pipes. International Conference on Engineering & MIS (ICEMIS), Monastir, Tunisia, 2017, pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/ICEMIS.2017.8273067.
  24. Ji Li, Wenkai Tian, Lucang Lv. A thermosyphon heat pipe cooler for high power LEDs cooling. Heat Mass Transfer, 2016, vol. 52(8), pp. 1541-1548, http://dx.doi.org/10.1007/s00231-015-1679-z
  25. Wu Y., Tang Y., Li Z., Ding X., Yuan W., Zhao X., Yu B. Experimental investigation of a PCM-HP heat sink on its thermal performance and antithermal-shock capacity for high-power LEDs. Appl. Therm. Eng, 2016, vol. 108, pp.192-203. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.07.127
  26. Nikolaenko Yu.E., Pekur D.V., Sorokin V.M. Light characteristics of high-power LED luminaire with a cooling system based on heat pipe. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2019, vol. 22(3), pp. 366-371. https://doi.org/10.15407/spqeo22.03.366
  27. Nikolaenko T.Yu., Nikolaenko Yu.E. New circuit solutions for the thermal design of chandeliers with Light Emitting Diodes. Light & Engineering. 2015, vol. 23(3), pp. 85-88. http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84966507707&partnerID=MN8TOARS
  28. Николаенко Ю. Е. Светодиодная люстра с тепловыми трубами и результаты исследования ее тепловых характеристик. Конференція LED Progress "Світлодіоди - Новинки. Практика. Перспективи", Київ, 2016, с. 53-54.
  29. Николаенко Ю. Е., Баранюк А. В., Николаенко Т. Ю. Экспериментальное исследование характеристик светодиодной люстры с тепловими трубами с возможностью питания ее от возобновляемых источников энергии. Труды международной конференции "Фундаментальные и прикладные вопросы физики". Секция ІІІ, Узбекистан, Ташкент, 2017, с. 149-154.
  30. Nikolaenko Yu.E., Kravets V.Yu., Naumova A.N. Baranyuk A.V. Development of the ways to increase the lighting energy efficiency of living space. International Journal of Energy for a Clean Environment, 2017, vol. 18(30), pp. 275-285. https://doi.org/10.1615/InterJEnerCleanEnv.2018021.
  31. Пекур Д. В., Ніколаєнко Ю. Є., Сорокін В. М. та ін. Комп'ютерне моделювання та експериментальне дослідження двофазної системи охолодження для світлодіодного світильника типу "бра". Тези доповідей ХІ Міжнар. наук.-техн. конференції "Метрологія та вимірювальна техніка", Харків, 2018, с. 121
  32. Nikolaenko Yu.E., Pekur D.V., Sorokin V.M. Light characteristics of high-power LED luminaire with a cooling system based on heat pipe. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2019, vol. 22(3), pp. 366-371.
  33. Делендик К., Войтик О., Коляго Н. Системы охлаждения на основе тепловых труб. Наука и инновации, 2017, vol. 11(177), c. 27-33.
  34. Delendik K., Kolyago N., Voitik O. Design and investigation of cooling system for high-power LED luminaire. Computers and Mathematics with Applications, 2020. https://doi.org/10.1016/j.camwa.2020.01.026
  35. Сорокін В.М., Пекур Д.В., Ніколаєнко Ю.Є. Світлодіодний світильник. Пат. № 141753, 2020, бюл. № 8
  36. Пекур Д. В., Ніколаєнко Ю. Є., Сорокін В. М. Нова конструкція світлодіодного світильника з тепловими трубами. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2019, № 5-6, c. 34-42. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2019.5-6.34 (Ukr)
  37. Pekur D. V., Nikolaenko Yu. E., Sorokin V. M. Optimization of the cooling system design for a compact high-power LED luminaire. Semiconductor Physics,Quantum Electronics & Optoelectronics, 2020, vol. 23, iss. 1, pp. 91-101. https://doi.org/10.15407/spqeo23.01.091
  38. Pekur D. V., Sorokin V. M., Nikolaenko Yu. E. Thermal characteristics of a compact LED luminaire with a cooling system based on heat pipes. Thermal Science and Engineering Progress, 2020, vol. 18, art. 100549. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100549
  39. Елагин А. А., Шишкин Р. А., Баранов М. В., Бекетов А. Р., Стоянов О. В. Обзор теплопроводных материалов и термопаст на их основе. Вестник Казанского технологического университета, 2013, Т. 16(4) , c. 132-136
  40. Белецкий В. М., Кривов Г. А. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение). Киев: Коминтех, 2005, 365 с.