Моделювання передачі тепла від світлодіодного живлення до металевого бруска

10

Я граю з підсвічуванням на робочому місці і розробив джерело постійного струму напругою 20 В -> 38 В ШВт 'для управління моїми світлодіодами (максимальна потужність близько 64 Вт). Все йде нормально. Однак я майже термічно вбив один світлодіод, зафіксувавши його на значно заниженому радіаторі ("на щастя", дротяні контакти невдало розімкнулися саме вчасно, зупинивши процес).

Зараз я розглядаю варіанти охолодження. Бажаючи уникнути активного охолодження (тобто гудіння вентилятора), я розглядав "ледачий" вихід (розмір далеко не остаточний, у мене ще немає кандидата в радіатор ).

Я хотів би встановити світлодіод 19 x 19 мм прямо на алюмінієву планку або профіль. Зараз я вже граю з програмним забезпеченням для термічного моделювання, але це здається вгорі (і поки що в основному виходить з ладу, плюс я маю багато теорії, щоб наздогнати). Тому:

Чи існує відома аналітична модель розподілу тепла при приєднанні джерела тепла постійної потужності до шматка металу?
- якщо ні, чи є програмне забезпечення для моделювання? Поки я граю з Елмером.
Чи взагалі є моделювання способом поїхати сюди, чи пасивне охолодження загрожує для світлодіодів 60 Вт?

Дані (з світлодіодного листа даних ):

Тепловий опір сполучного корпусу 0,8 К / Вт
19х19 мм
Максимальна номінальна потужність 64,2 Вт
безперервна потужність, яку я планую використовувати: 36,6 В · 0,72 А = 26,352 Вт

— Маркус Мюллер
джерело

підкреслив той факт, що у мене ще немає металевої планки.

— Маркус Мюллер

2

Якщо ваші дроти почнуть самостійно розпаюватися, вам, можливо, доведеться задуматися про те, щоб знову використовувати те, що нагрілося. Частини можуть бути частково, але постійно пошкоджені.

— Маст

jep, вважають це, тепер постраждалий світлодіод - це той, який зарезервований для експериментального використання, але поки що для поривів крива вводу / виводу світлодіодного масиву все ще нормальна

— Маркус Мюллер

Запропонований калькулятор, здається, припускає, що тепло подається рівномірно на базову панель радіатора. Ваше джерело тепла - це 19x19 мм пляма. Вам слід використовувати принаймні мідний розподільник тепла, щоб наблизитись до розрахункової ефективності передачі тепла. Крім того, щоб вільна конвекція була ефективною при розумній дельті, відстань між плавниками повинна бути 7-8 мм, що призводить до збільшення раковини для необхідної площі, а поширення тепла стає все більш важливим. Ви можете взяти до уваги всенаправлені радіатори, цей радіатор матиме ~ 2C / W від нагрівача 1sq.inch до навколишньої конвекції, micforg.co.jp/en/c_n80e.html

— Ale..chenski

7

Якщо я розумію правильно, ви хочете оцінити термічний опір радіатора або плити теплопровідного матеріалу до навколишнього середовища без будь-якого повітряного потоку ( = природна конвекція ).

Існує хороший онлайн-калькулятор для нарізаних прямокутних радіаторів, який реалізує модель природної конвекції для радіаторів (більш академічне, детальне пояснення моделі тут ).

Ось приклад, що стосується вашої дизайнерської проблеми (зовнішні розміри 55x55x55mm, плавники 10x1mm, товщина основної панелі 10mm та досить консервативна контактна провідність 2000 Вт / м2ºC):

Отримана температура джерела для температури навколишнього середовища 25ºC та 26,35 Вт тепла, що надходить у радіатор, становить приблизно 110ºC, а це означає, що радіатор повинен мати температурний опір 3,23 ºC / W в природних умовах конвекції.

Експериментуйте з калькулятором, щоб знайти зовнішні розміри, які найкраще відповідають вашому дизайну.

— Енрік Бланко
джерело

який браузер ви використовуєте? Я ніколи не можу зробити жодну температуру джерела. Ага. Почав працювати.

— Маркус Мюллер

2

Сафарі. Майте на увазі, що калькулятор досить вибагливий. Наприклад: якщо сума всіх пробілів плавців та товщин плавника не дорівнює загальній ширині, то калькулятор мовчки відмовиться обчислювати температуру джерела, не кидаючи коду помилки чи попередження.

— Енрік Бланко

Мушу визнати, що це дуже складно. Я думав, що формула була загальною шириною = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, але це не працює

— Marcus Müller

ах чекати, це не так, як якщо Н + ф НЕ зовсім скласти, або

— Маркус Мюллер

3

@Я зрозумів, що це справедливо, я просто зайшов і прочитав вихідний код сценарію, і зрозумів речі. Також здається, що сучасні браузери, можливо, пригнічують механізми, якими річ використовує для відображення попереджень, тож насправді не винні інструменти

— Маркус Мюллер

5

Я пішов по цій дорозі, але тренажери коштують дуже дорого і мають круту криву навчання. Якщо ви не інженер з теплової динаміки, у вас можуть виникнути проблеми з розумінням жаргону, я. Я читаю підручники з теплової динаміки та всіляких дизайнерських паперів для тепловідводу та тренажерів радіатора.

Я пропоную вам отримати алюмінієву планку з металевих металів в Інтернеті 1,23 (0,125 х 1,5 х 12) (6061 T6511 найменш дорогий), встановіть світлодіод, щоб він працював, поклав планку в холодильник. Винесіть його у вологе приміщення, де він конденсується. Потім покладіть його в морозильну камеру, замерзніть, вийміть її з вогню і спостерігайте за візерунками кристалів льоду, коли вони тануть, коли брусок прогрівається. Результат схожий на вихід тренажера. Реальне життя теж дивно точне.

Крім того, це не марно витрачені зусилля, якщо ви робите імітацію, вам все одно потрібна планка, щоб побачити, наскільки далеко були симуляції.

Але проблема полягає в тому, що ви через годину або близько того опинитеся на дуже гарячому алюмінієвому бруску, майже такому ж гарячому, як і світлодіод. Але вам не потрібно великого потоку повітря з великою поверхнею. Алюмінієвий брусок при $ 1,23 або менше за фут - це чортово дешевий радіатор.

Мені також не подобаються шанувальники. Це дуже тихо, оскільки він рухається лише 13 CFM @ 12VDC, 30,3 дБ, 2300 об / хв, але це було ефективно.

36 В 2,4 Амп.
Візерунок, показаний лише з одного боку, був насправді симетричним.

Вимірювання температури заднього боку.

Струм повернутий вниз і розсіяний.

— Нерозуміли
джерело

2

це відмінна ідея для спостереження за дифузією температури! Чудово! Не в США, так що цей магазин мені не буде корисний, але я знайду (розміром з розміром: D) Alu bar локально і зроблю це.

— Маркус Мюллер

Я пішов на водяне охолодження. Те, що я вийшов з цієї вправи, яку я описав, - це відстань між КОБ. Я міг бачити, як далеко спека спускалася вниз від планки від COB. І я вже придбав додатковий тестовий COB для того, коли (ні, якщо) цей більше не може зловживати.

— Нерозуміли

Насос 2,4 Ампер напруга вперед становила 39,5 В (102 Вт), температура бару безпосередньо під світлодіодом становила близько 42,5 ° C при стабілізації через 20 хвилин і була такою ж 10 хвилин пізніше.

— Нерозуміли

2

Хороша новина: Дійсно є проста математична модель, яка досить точна.

В основному ви можете моделювати більшість теплових проблем як простий електричний ланцюг:

Теплова потужність = електричний струм
Різниця температурної температури = електрична напруга
Тепловий опір = електричний резистор
Теплова маса = електричний конденсатор

Ваш випадок ще простіший: оскільки ви не піклуєтесь про постійні часу, вам не потрібно турбуватися про теплову масу.

Тож ваша модель повинна виглядати так

LED Junction -> {R1} -> LED Mounting Surface -> {R2} -> Al Bar -> {R3} -> Ambient

Де

R1: термостійкість від світлодіодного з'єднання до кріпильної поверхні світлодіода
R2: термостійкість для підключення світлодіодів до Al
R3: термостійкість від Al до навколишнього повітря

Всі вони є послідовно, тому ви можете просто додати їх. Якщо у вас R1 = 1,2 К / Вт, R2 = 0,8 К / Вт і R3 = 0,1 К / Вт, ваш загальний опір складе 2,1 К / Вт. При 40 Вт розсіяного тепла ваш світлодіодний перехід був би на 2,1 К / Вт * 40 Вт = 84 Келвіна (або Цельсія) вище температури навколишнього середовища. При температурі навколишнього середовища 25С стик був би при 109С.

Погана новина: Дані, необхідні для моделювання цього, важко передбачити

Вам знадобляться три термічні опори та максимально допустима температура стику світлодіодів.

Якщо вам пощастило, ви можете знайти R1 та максимальну температуру для світлодіодів на аркуші даних.
R2 дуже складний, оскільки це залежить від точного матеріалу, точної форми, кількості плоскості, точної обробки поверхні як вашої кріпильної поверхні, так і панелі Al. Тут мають значення навіть колір і деталі процесу анодування алюмінію.
R3: Якщо планка досить велика, це має бути зовсім мало

Що робити, залежить від можливостей вимірювання, які у вас є. Взагалі це має хороші шанси працювати. Переконайтесь, що світлодіод міцно прикріплений до панелі АЛ і покладіть на підключення теплову колодку або якусь теплову пасту.

Торкніться панелі: вона повинна бути помітно теплішою біля світлодіода. Якщо ні, це означає, що ви не отримуєте тепла, яке передається в бар, а тепловий зв'язок - це не добре. Якщо весь бар відчуває тепло або навіть жар, ви не отримуєте достатньо теплової зв'язку з навколишнім середовищем. Розглянемо більше площі поверхні бруска.

— Гільмар
джерело

1

Отже, так, моделювання R3 - саме та проблема! R1 (звичайно) наведений у таблиці; R2 - цікавий аспект, хоча я планував утримувати його нижче 5 К / Вт кріпленням під тиском і термопастою. Однак, як сказано в моєму запитанні, у мене ще немає планки, на яку я б міг оцінити, тому, хоч я хотів, щоб це було відповіддю на моє запитання, це не так.

— Маркус Мюллер

Мені подобається, що торкаюся планки. Працює набагато краще, ніж формули. Я б продовжував збільшувати струм, чекати годину, щоб речі стабілізувалися, вимірював темп на тильній стороні, потім піднімав струм, повторював. Ви отримали мій голос.

— Нерозуміли

2

Один світлодіод потужністю 60 Вт - це теплове завдання, оскільки джерело тепла невеликий і дуже потужний. Тому вам знадобиться товстий метал, щоб розподілити тепло бічно в досить великий радіатор.

Це схоже на процесор настільних ПК: невелика площа поверхні, велика кількість енергії. Багато радіаторів настільних ПК використовують теплові труби для вирішення проблеми з розподілом тепла. Нерозумний радіатор для ПК повинен працювати.

Однак це не вирішує вашу іншу проблему, яка полягає в тому, що один світлодіод потужністю 60 Вт є дуже яскравим точковим джерелом, і він не ідеальний для освітлення на робочому місці. Він буде сліпуче яскравим і буде кидати суворі тіні.

Ви можете вирішити обидві проблеми, використовуючи подібні світлодіодні стрічки:

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/

Я використовував їх у проекті:

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/PowerBar-LED-Strip-12-Nichia-LEDs-CRI- 90.html

Вони поставляються на металевій друкованій платі, а смужку можна розрізати на окремі світлодіоди. Потім я наклеював їх на алюмінієві L-профілі за допомогою теплопровідних епоксидних (один світлодіод кожні 10 см).

Поширення світлодіодних генераторів тепла по довжині алюмінієвого профілю дозволяє значно простіше охолоджувати та створювати приємніше світло.

EDIT

Гаразд, давайте ввімкнемо світлодіод 60W.

Я гадаю, це спрямовано вниз. Ви хочете, щоб плавники радіатора були вертикальними для оптимальної конвекції. Це вказує на такий вид форм-фактора:

Link Link

Якщо ви використовуєте плоский радіатор, вам потрібно буде встановити світлодіод на товстий алюмінієвий квадрат, а потім встановити його на тепловідвід.

Оскільки вашою проблемою є поширення тепла, що генерується невеликим джерелом, ви також можете використовувати плоскі теплові труби:

Link Link

— peufeu
джерело

Хоча я ціную оцінку, у мене є дифузори, а також здорова відстань між джерелом світла та стільницею :)

— Marcus Müller

Ваша редакція все ще не стосується мого питання, вибачте.

— Маркус Мюллер

2

Є Lisa, інструмент аналізу кінцевих елементів, який є безкоштовним, принаймні, для моделей, які мають макс. близько 1000 вузлів.

Моделювання складне, потребує глибокого розуміння і базується на припущеннях щодо граничних умов. Справжні тести, якщо це безпечно і можливо, краще. Якщо у вас вже є кандидат на радіо та радіатор, ви можете спробувати. Запустіть його на відомому, але безпечному рівні потужності, нехай він досягне рівноваги (= більше не вимірюється підвищення температури) і збережіть цю кінцеву температуру. Ви повинні мати належне обладнання для вимірювань. Різниця температури між світлодіодом і навколишнім середовищем прямо пропонується для розсіяної потужності. Звичайно, ви не можете зайти всередину світлодіода, поки ви не використаєте себе в якості датчика. Виробник, можливо, може надати корисні дані про співвідношення між прямою напругою, струмом і температурою.

Але йо також можна виміряти на кордоні між світлодіодом та радіатором. Там, безумовно, наявний термічний опір між цією точкою та напівпровідником, або допустимі межі температури безпосередньо називаються температурами на межі радіатора.

Якщо ваш підйом температури на 10 Вт дорівнює 1/3 дозволеного підйому, ви можете максимально мати розсіювання = 30 Вт.

Зауважте, що в шафі температура навколишнього середовища також підвищується, і це потрібно враховувати. Також слід враховувати сусідній опалювальний прилад. Він зігріває атмосферу, а також випромінює тепло. Ви бачите зараз і, напевно, вже знали, що тепловий дизайн - це область, повна викликів і пасток.

ДОДАТОК: Проблема цікава. Я прийняв це за умови, що кріплення на алюмінієвій пластині вирішує проблему з нагріванням світлодіодів. Деякі швидкі підрахунки показали, що жодна тонка пластинка не прибиватиме її. Розсіювання є таким самим, як у аудіопідсилювачі потужністю 100 Вт на одному з 2 вихідних транзисторів, тому потрібні такі ж радіатори. Їх продуктивність страждає різко, якщо пил їх забиває. Пам’ятайте про те, що регулярне прибирання є умовним умовою гарантії або зробите значні радіатори.

— user287001
джерело

ні, ще немає кандидата в радіатор! Справа в тому, що я хотів би знати, перш ніж замовити метри алу. Тепловий опір відомий, справді, але припущення про лінійність (х разів більше потужності в -> в рази вище дельтаТ), здається, руйнуються для розподілу тепла в об'ємі - чи ні? Я завжди вважав, що модель теплового опору просто застосовується в тісних межах.

— Маркус Мюллер

Це здебільшого правильно, але пасивна конвекція через нагрівання радіатора нелінійна. На щастя, це працює на вашу користь. Робіть все так, ніби світлодіодна температура піднімається вище навколишніх шкал лінійно з температурою, а додаткова конвекція при високих температурах дає вам невеликий запас.

— Олін Латроп

@ MarcusMüller, коментатор Олін означає, що тепло змушує повітря текти. Це при низьких рівнях потужності може бути досить ламінарним, а повітряний потік зменшує загальний тепловий опір. Зрештою, на високому рівні це буде настільки бурхливо, що його ефективність стане практично непередбачуваною. Але він правий.

— user287001

1

@ MarcusMüller немає суперечності між нерівномірним розподілом температури та законом x разів потужність => x разів дельта T. Формула все ще застосовується до кожної точки окремо.

— user287001

1

@ MarcusMüller У вас виникла ідея не купувати купу алюмінію, поки ви не знаєте, що це добре. Потім дістаньте менший шматок - одну ведену частину і зробіть пробний пробіг.

— user287001

1

Щоб дати вам уявлення про те, що ви проти, за допомогою пасивного радіатора. Крі зробив еталонний дизайн в якості заміни на лампу потужністю 1000 Вт.

Кріплення складається з чотирьох «двигунів» . Кожен двигун потужністю 130 Вт становить 11,25 "х 7,25" х 2,5 ". Це в основному розмір радіатора.

Використовується радіатор - Aavid Black анодований P / N 62625

Орієнтовна ціна (лише для радіатора) 450 доларів

Це 3,46 долара за Ватт.

Для ваших 64 Вт це було б 222 долари.

Вартість 450 доларів базується на анодованому чорному P / N 627252 Aavid (2,28 "x 9,75" x 55 ")

А Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "становив 431 долар.

Кожен двигун складається з 48 світлодіодів, що натискають 130 Вт .

Вам знадобиться радіатор лише наполовину цього розміру. Цей радіатор 11,25 "x 7,25" x 2,28 "

— Нерозуміли
джерело

1

Ознайомтеся з дописом у блозі "Як створити радіатор з плоскою плитою" http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Він надає детальне пояснення, як обчислити тепловий опір металевої пластини, що використовується як тепловідвід. Я вірю, що ви також можете отримати електронну таблицю, яка робить розрахунки, якщо ви дасте їм свою електронну адресу.

По суті потрібно визначити опір випромінювання та природну конвекцію із зовнішніх поверхонь, а потім визначити тепловий опір провідності. Додайте три разом на основі показаного нижче теплового кола:

де:

Rconv - це зовнішній опір конвекції

Rrad - це зовнішня радіаційна стійкість

Rsp - опір розтіканню

Rint / Rcont - це контактний чи інтерфейсний опір

Rth-jc - це випадок опору стику світлодіода

Ts - температура поверхні радіатора

Tj - температура світлодіодного з'єднання

Рівняння для Rconv і Rrad досить задіяні і детально пояснені в публікації блогу.

— Маріо
джерело

-1

Простий симулятор спецій зробить це: він подібно до розрядки конденсатора.

— dannyf
джерело

вибачте, я цього не бачу. Що я прошу, це в основному спосіб вивести параметри моделі (наприклад, термічний опір) з геометрії та властивостей матеріалу мого радіатора. Ви говорите "впевнений, аналізатор лінійної електричної мережі зробить це". Боюся, що це не так. Я шукаю значення для підключення до "еквівалентної схеми", а не для ланцюга.

— Маркус Мюллер

@ MarcusMüller Я спершу звинувачував цю відповідь у класі небажаної пошти, але він має ідею. Розподіл температури у довгому стрижні було б зменшенням експоненціальної функції. Змінна - це не час, а відстань від величини. Постійна часу повинна бути замінена постійною тепловою дифузією. На жаль, цей цілком правдивий факт не може допомогти в цій фазі.

— user287001