सार
A हीट पाइप हीट सिंक इसे 4000W की उच्च-शक्ति वाली LED सर्चलाइट की उच्च ताप प्रवाह शीतलन चुनौती का समाधान करने के लिए विकसित किया गया है। रेडिएटर का कुल आयाम 350mm×350mm×120mm है, जिसमें 9.5 mm व्यास के 40 रेडिएटर लगे हैं। गर्मी पाइप12 मिमी मोटी तांबे की बेस प्लेट को ऊष्मा स्रोत के लिए ऊष्मा वाहक के रूप में उपयोग किया जाता है। हीट पाइप, बेस प्लेट और फिन्स के बीच मजबूत थर्मल कनेक्शन बनाने के लिए सोल्डर पेस्ट रिफ्लो सोल्डरिंग का प्रयोग किया जाता है। 5500 आरपीएम पर चलने वाले तीन सान्यो 9038 एक्सियल पंखों द्वारा जबरन वायु शीतलन किया जाता है। थर्मल सिमुलेशन और प्रायोगिक माप से पता चलता है कि 35 ℃ के परिवेश तापमान पर एलईडी का तापमान 67.5 ℃ पर स्थिर रूप से बनाए रखा जा सकता है, जो उच्च-शक्ति वाले एलईडी की दीर्घकालिक विश्वसनीय परिचालन तापमान आवश्यकता को पूरा करता है। यह समाधान किलोवाट-स्तर के बाहरी उच्च-शक्ति वाले एलईडी के थर्मल प्रबंधन प्रणालियों के लिए डिजाइन संदर्भ प्रदान करता है। एलईडी प्रकाश व्यवस्था सूत्रों का कहना है।
कीवर्ड: उच्च-शक्ति एलईडी; 4000 वाट सर्चलाइट; हीट पाइप हीट सिंक; तांबे की आधार प्लेट; जबरन वायु शीतलन; सोल्डर पेस्ट वेल्डिंग
1 परिचय
लंबी दूरी की खोज प्रकाश व्यवस्था और विशेष प्रकाश व्यवस्था उद्योगों के विकास के साथ, एलईडी प्रकाश स्रोतों की शक्ति लगातार बढ़ रही है, और 4000 वाट की उच्च-शक्ति वाली एलईडी खोज लाइटों का व्यापक रूप से उपयोग किया जा रहा है। उच्च-शक्ति वाली एलईडी द्वारा खपत की गई लगभग 65% विद्युत शक्ति संचालन के दौरान ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है। यदि ऊष्मा का शीघ्र निष्कासन नहीं हो पाता है, तो एलईडी चिप्स का तापमान तेजी से बढ़ता है, जिससे प्रकाश का क्षीणन बढ़ जाता है, सेवा जीवन कम हो जाता है, और गंभीर मामलों में एलईडी बीड्स स्थायी रूप से जल भी सकते हैं।
परंपरागत इंटीग्रल एक्सट्रूडेड एल्युमीनियम हीट सिंक भारी वजन और खराब तापमान एकरूपता की समस्या से ग्रस्त होते हैं। साधारण तांबे की प्लेटें 4000W के उच्च तापीय भार के तहत ऊष्मा अपव्यय की मांग को पूरा करने के लिए पर्याप्त संवहन क्षेत्र प्रदान नहीं कर सकतीं। हीट पाइप में अति उच्च समतुल्य तापीय चालकता होती है, जो केंद्रित स्थानीय ऊष्मा को पूरे फिन क्षेत्र में तेजी से स्थानांतरित कर सकती है। इस शोधपत्र में, मोटे तांबे के आधार और बहु-हीट पाइप सरणी वाले एक जबरन वायु-शीतित हीट पाइप रेडिएटर को डिजाइन किया गया है। अंतराकृतिक तापीय प्रतिरोध को कम करने के लिए सोल्डर पेस्ट वेल्डिंग का उपयोग किया गया है। पंखों द्वारा संवर्धित जबरन संवहन के साथ, एलईडी का स्थिर तापमान नियंत्रण प्राप्त किया गया है।
2. हीट सिंक की समग्र योजना डिजाइन
2.1 डिज़ाइन इनपुट पैरामीटर
1. प्रकाश स्रोत की शक्ति: 4000W एलईडी सर्चलाइट
2. परिवेश का तापमान: Ta=35 ℃
3. लक्षित एलईडी तापमान: Tc=67.5 ℃
4. हीट सिंक की समग्र सीमा का आयाम: 350 मिमी × 350 मिमी × 120 मिमी
5. शीतलन विधि: हीट पाइप + फिन आधारित जबरन वायु शीतलन
6. ऊष्मा स्रोत संपर्क सतह: 12 मिमी मोटी तांबे की आधार प्लेट
7. हीट पाइप की विशिष्टता: Φ9.5 मिमी गोलाकार हीट पाइप, मात्रा: 40 पीस
8. पंखे का विन्यास: सान्यो 9038 अक्षीय पंखा, घूर्णन गति: 5500 आरपीएम
9. संयोजन प्रक्रिया: हीट पाइप, कॉपर बेस प्लेट और कूलिंग फिन्स के बीच सोल्डर पेस्ट वेल्डिंग।
2.2 संरचनात्मक योजना
हीट सिंक में चार घटक होते हैं: तांबे की बेस प्लेट, हीट पाइप सरणी, एल्यूमीनियम कूलिंग फिन्स और फैन माउंटिंग ब्रैकेट।
1. 12 मिमी मोटी तांबे की आधार प्लेट: तांबे की तापीय चालकता एल्यूमीनियम मिश्र धातु से कहीं अधिक होती है और तापमान की एकरूपता उत्कृष्ट होती है। यह एलईडी मॉड्यूल से निकलने वाली केंद्रित ऊष्मा को अवशोषित करती है और स्थानीय ताप क्षेत्रों से बचाती है। आधार प्लेट पर ऊष्मा पाइप लगाने के लिए छेद दिए गए हैं।
2. Φ9.5 मिमी हीट पाइप सरणी (40 पीस): प्रत्येक हीट पाइप का एक सिरा तांबे की आधार प्लेट में धंसा हुआ होता है, और दूसरा सिरा एल्युमीनियम फिन्स में प्रवेश करता है। ऊष्मा पाइपों के माध्यम से तांबे की आधार प्लेट से बहु-परत एल्युमीनियम फिन्स तक ऊष्मा का तेजी से स्थानांतरण होता है, जिससे ऊष्मा विनिमय क्षेत्र का विस्तार होता है।
3. उच्च घनत्व वाले एल्युमीनियम फिन्स: फिन्स को सोल्डर पेस्ट के साथ हीट पाइप से वेल्ड किया जाता है, जिससे हीट पाइप और फिन्स के बीच हवा के अंतराल समाप्त हो जाते हैं और संपर्क तापीय प्रतिरोध कम हो जाता है।
4. सान्यो 9038 हाई-स्पीड पंखे: 5500 आरपीएम पर चलने वाले हाई-स्पीड पंखे पंखों की सतहों पर बलपूर्वक वायु प्रवाह उत्पन्न करते हैं जिससे गर्मी दूर हो जाती है।
2.3 वेल्डिंग प्रक्रिया का चयन
रेडिएटर के लिए सोल्डर पेस्ट रीफ्लो सोल्डरिंग प्रक्रिया अपनाई गई है। थर्मल कंडक्टिव सिलिकॉन के साथ पारंपरिक संपीड़न असेंबली की तुलना में, सोल्डर पेस्ट वेल्डिंग हीट पाइप, बेस प्लेट और फिन्स की बाहरी दीवार के बीच धातुकर्म बंधन बनाती है, जिससे इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध काफी कम हो जाता है। लंबे समय तक उच्च तापमान पर संचालन के दौरान कोई इंटरफ़ेस एजिंग या थर्मल परफॉर्मेंस में गिरावट नहीं होती है, जिससे यह उच्च-शक्ति वाले एलईडी के निरंतर दीर्घकालिक कार्य परिदृश्यों के लिए उपयुक्त है।
3 प्रारंभिक तापीय सैद्धांतिक विश्लेषण
एलईडी की फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता के अनुसार, 4000 वाट इनपुट पावर के तहत थर्मल लोड लगभग 2600 वाट है।
अनुमेय तापमान वृद्धि: ΔT = 67.5 ℃ – 35 ℃ = 32.5 ℃
सिस्टम का स्वीकार्य औसत समग्र तापीय प्रतिरोध:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/W
शीतलन प्रणाली का कुल ऊष्मीय प्रतिरोध चार भागों से मिलकर बनता है:
1. एलईडी मॉड्यूल और तांबे की आधार प्लेट के बीच संपर्क तापीय प्रतिरोध
2. तांबे की आधार प्लेट का चालन तापीय प्रतिरोध
3. ऊष्मा पाइपों का ऊष्मा चालन प्रतिरोध + ऊष्मा पाइपों और फिन्स के बीच अंतरास्थि तापीय प्रतिरोध
4. फिन्स और हवा के बीच संवहन तापीय प्रतिरोध
बेहतर तापमान एकरूपता के लिए तांबे की आधार प्लेट को मोटा करके, कई हीट पाइपों के माध्यम से ऊष्मा भार को वितरित करके, सोल्डर पेस्ट वेल्डिंग के माध्यम से अंतराकृतिक तापीय प्रतिरोध को कम करके और उच्च गति वाले पंखों के साथ संवहन को बढ़ाकर, सिस्टम के समग्र तापीय प्रतिरोध को डिजाइन सीमा के भीतर नियंत्रित किया जाता है, ताकि लक्षित तापमान प्राप्त किया जा सके।
4. सिमुलेशन और परीक्षण परिणाम
स्थिर अवस्था तापीय परीक्षण 35 ℃ के स्थिर परिवेश तापमान पर किए जाते हैं:
1. 60 मिनट तक स्थिर संचालन के बाद, एलईडी बेस प्लेट का तापमान 67.5 ℃ पर स्थिर हो जाता है, जो डिज़ाइन लक्ष्य को पूरा करता है।
2. 12 मिमी तांबे की आधार प्लेट का सतह तापमान अंतर 4 ℃ से कम है। चालीस हीट पाइप प्रभावी रूप से ऊष्मा भार को साझा करते हैं, जिससे कोई स्पष्ट स्थानीय गर्म स्थान नहीं बनता है।
3. समान आकार के ठोस एल्यूमीनियम हीट सिंक के साथ तुलनात्मक परीक्षण से पता चलता है कि समान परिस्थितियों में एलईडी का तापमान 82 ℃ से अधिक हो जाता है, जो हीट पाइप योजना के लाभों को सत्यापित करता है।
4. 72 घंटे का निरंतर एजिंग परीक्षण किया गया। तापमान में कोई बदलाव नहीं देखा गया, सोल्डर पेस्ट वेल्डेड इंटरफ़ेस थर्मल प्रदर्शन में गिरावट के बिना स्थिर बना रहा।
इस योजना के 5 फायदे
1. 12 मिमी मोटी तांबे की आधार प्लेट: उत्कृष्ट तापमान एकरूपता, बड़े क्षेत्र वाले एलईडी ताप स्रोतों के अनुरूप और मॉड्यूल के स्थानीय अतिभारण को रोकती है।
2. 40 Φ9.5 मिमी ऊष्मा पाइपों की सरणी: केंद्रित ऊष्मा स्रोतों के तीव्र फैलाव के लिए प्रचुर मात्रा में ऊष्मा चालन चैनल, ठोस धातु चालन की ऊष्मा स्थानांतरण सीमा को तोड़ते हुए।
3. सोल्डर पेस्ट वेल्डिंग प्रक्रिया: प्रेस-फिट असेंबली और सिलिकॉन फिलिंग समाधानों की तुलना में बेहतर दीर्घकालिक विश्वसनीयता के साथ कम इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध।
4. सान्यो 9038 हाई-स्पीड पंखे: उच्च वायु मात्रा और स्थिर दाब, वायु प्रवाह सघन फिन सरणियों में प्रवेश कर सकता है, जो उच्च धूल और उच्च तापमान वाले बाहरी वातावरण के लिए उपयुक्त है। 5. 350×350×120 मिमी का कॉम्पैक्ट आयाम: सीमित स्थापना स्थान के भीतर 4000W उच्च शक्ति के लिए ऊष्मा अपव्यय को सक्षम बनाता है, जिससे संपूर्ण सर्चलाइट की असेंबली संबंधी सभी बाधाएं दूर हो जाती हैं।
6. सीमाएँ और अनुकूलन दिशाएँ
1. तांबे की आधार प्लेट अपेक्षाकृत भारी होती है। यदि वजन एक सटीक मापदंड है, तो आगे अनुकूलन के लिए सिमुलेशन के माध्यम से तांबा-एल्यूमीनियम मिश्रित आधार प्लेट योजना का मूल्यांकन किया जा सकता है।
2. 5500 आरपीएम पर चलने वाले उच्च गति के पंखे अपेक्षाकृत अधिक शोर उत्पन्न करते हैं। कम शोर वाले अनुप्रयोगों के लिए, सामान्य परिवेश तापमान में घूर्णन गति और शोर को कम करने के लिए पीडब्ल्यूएम पंखे की गति विनियमन को अपनाया जा सकता है।
3. बाहरी वातावरण में उपयोग करने पर, पंखों पर धूल जमा होने से ऊष्मा अपव्यय क्षमता धीरे-धीरे कम हो जाएगी। नियमित रखरखाव को आसान बनाने के लिए संरचनात्मक रूप से एक साधारण धूल-रोधी जाल जोड़ा जा सकता है।
7 निष्कर्ष
इस शोधपत्र में, 350 मिमी × 350 मिमी × 120 मिमी आकार की 4000 वाट की उच्च-शक्ति वाली एलईडी सर्चलाइट के लिए एक जबरन वायु-शीतित हीट पाइप रेडिएटर डिज़ाइन किया गया है। इसमें 12 मिमी मोटी तांबे की आधार प्लेट और 40 Φ9.5 मिमी के हीट पाइप का उपयोग किया गया है, जिन्हें सोल्डर पेस्ट वेल्डिंग प्रक्रिया द्वारा जोड़ा गया है, और 5500 आरपीएम पर चलने वाले सान्यो 9038 पंखों के साथ जोड़ा गया है। 35 ℃ के परिवेश तापमान पर, एलईडी का तापमान 67.5 ℃ पर स्थिर रूप से नियंत्रित रहता है, जो उच्च-शक्ति वाली एलईडी के दीर्घकालिक स्थिर संचालन की आवश्यकता को पूरा करता है।
इस रेडिएटर की संरचना सुगठित है, इसमें उत्कृष्ट ऊष्मा अपव्यय क्षमता और उच्च दीर्घकालिक विश्वसनीयता है। यह उच्च शक्ति वाले बाहरी एलईडी सर्चलाइटों की शीतलन आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है और इसी प्रकार के किलोवाट-स्तर के विशेष प्रकाश उपकरणों के तापीय प्रबंधन डिजाइन के लिए संदर्भ प्रदान कर सकता है।
