Rendimiento del sistema de gestión térmica LED basado en refrigeración termoeléctrica/metal líquido

Con la mejora de la eficiencia luminosa de los LED y la fabricación de chips de alta potencia, los LED de alta potencia se utilizan cada vez más.Los chips de los LED de alta potencia suelen estar dispuestos muy juntos para reducir el tamaño del LED y aumentar la potencia, lo que puede provocar una acumulación de calor grave y un aumento excesivo de la temperatura.Dado que el rendimiento óptico y la confiabilidad del LED se ven muy afectados por la temperatura de unión, la temperatura de unión más alta del funcionamiento del LED es inferior a 120-140 °C.Una temperatura de unión alta reducirá la vida útil y la eficiencia luminosa del LED y reducirá la estabilidad del color.La gestión térmica eficaz puede garantizar el funcionamiento seguro y eficiente de los LED y prolongar su vida útil.

El dispositivo de enfriamiento termoeléctrico (TEC) transfiere el calor del extremo frío al extremo caliente, lo que puede realizar un enfriamiento rápido de las piezas en contacto con el extremo frío.El uso de TEC en el sistema de refrigeración LED puede mejorar el rendimiento del sistema de refrigeración.El enfriamiento de metal líquido está emergiendo rápidamente como una solución de disipación de calor novedosa y prometedora para cumplir con los requisitos de los dispositivos optoelectrónicos de alto flujo de calor.En comparación con los sistemas de agua y las tuberías de calor, el sistema de metal líquido exhibe la temperatura más baja y la mayor estabilidad.

Tanto el enfriamiento termoeléctrico como el enfriamiento por metal líquido son técnicas efectivas de gestión térmica.Se espera que la combinación de las ventajas de ambos mejore aún más el rendimiento de la gestión térmica del LED.

1. Sistema Experimental

El metal líquido utilizado en el experimento es Ga68In20Sn12, que tiene las ventajas de bajo punto de fusión, alta conductividad térmica, no inflamabilidad, actividad no tóxica, baja presión de vapor y alto punto de ebullición.Por lo tanto, es adecuado para sistemas de refrigeración LED.La conductividad térmica del metal líquido se midió utilizando un analizador de constante térmica HotDisk500.Durante la prueba, la sonda se inserta verticalmente en el metal líquido y luego se deja descansar para evitar la convección de la muestra, y la temperatura de medición es de 25 °C.El metal Ga68In20Sn12 es líquido a temperatura ambiente y su conductividad térmica es más de 20 veces mayor que la del agua, lo que es beneficioso para su uso como refrigerante en el sistema de gestión térmica de dispositivos electrónicos.

La plataforma experimental adopta un canal de flujo cerrado y está equipada con un depósito de líquido, que es conveniente para inyectar metal líquido en el canal de flujo antes del experimento y almacenar el metal líquido después del experimento.La salida del depósito está ubicada cerca del fondo para evitar bombear la capa de óxido en la superficie durante la circulación.La plataforma experimental está compuesta por una fuente de calor LED y un sistema de gestión de calor de refrigeración por líquido de refrigeración termoeléctrica (Figura 1).La potencia de la fuente de calor LED es de 40 W y el área de disipación de calor es de 5,2 cm.×4,6 cm.El sistema de gestión térmica consta de un enfriador termoeléctrico, un radiador de cobre enfriado por líquido, un radiador enfriado por aire, un depósito de líquido y una bomba de accionamiento peristáltica.El extremo frío del TEC está conectado al LED y el extremo caliente del TEC está conectado al radiador.El metal líquido se utiliza como medio para fluir a través del radiador de refrigeración líquida para una refrigeración eficaz.Cuando el sistema está funcionando, el extremo frío del chip de enfriamiento termoeléctrico disipa el calor hacia el LED, y el extremo caliente del chip de enfriamiento eléctrico es enfriado por el radiador de enfriamiento líquido.El metal líquido es impulsado por una bomba peristáltica y el calor se disipa al medio ambiente a través del radiador de refrigeración por aire.El metal líquido regresa al depósito después de pasar por el radiador para completar el ciclo.Se recubre una capa delgada de grasa de silicona termoconductora entre el LED, la hoja de enfriamiento termoeléctrico y el radiador de enfriamiento líquido para reducir la rugosidad de la superficie y la resistencia térmica de contacto entre los dispositivos.La temperatura del sustrato LED y la temperatura ambiente se miden con termopares, y el valor promedio de los datos se registra después de que la temperatura se estabilice en el experimento.

Primero, compare el rendimiento de disipación de calor del sistema cuando se utilizan metal líquido y agua como refrigerante.Luego, se utilizó el método experimental ortogonal para explorar la influencia de la potencia TEC PTEC, la temperatura ambiente Ta, la temperatura de entrada del refrigerante Ti y la velocidad de la bomba vB en la temperatura del sustrato Ts.Finalmente, pruebe el rendimiento térmico del sistema en condiciones extremas.Debido a las características del metal líquido, el fluido adopta un circuito cerrado.Se estudió el efecto de diferentes caudales cambiando la velocidad de la bomba.El método de experimento ortogonal es un método para organizar y analizar científicamente experimentos de múltiples factores mediante el uso de una tabla ortogonal, que puede seleccionar uniformemente el plan óptimo con una pequeña cantidad de experimentos.Y a través de los medios de análisis de varianza, analizar la significancia del impacto de cada factor.La influencia de cuatro factores en el rendimiento de disipación de calor se estudia a través de experimentos.Dado que la lámpara LED puede funcionar a una temperatura ambiente de hasta 65°C, la temperatura ambiente máxima es de 70°C.

2. Resultados Experimentales y Discusión

Se compararon los rendimientos de enfriamiento del agua y el metal líquido como refrigerantes.Las condiciones experimentales son velocidad de la bomba peristáltica 50r/min, temperatura ambiente 30°C, temperatura de entrada del refrigerante 30°C.Como se muestra en la Figura 2, la temperatura del sustrato LED disminuye con el aumento de la potencia de refrigeración termoeléctrica.Bajo la misma carga de calor, cuando se usa metal líquido como refrigerante, el aumento de temperatura del sustrato LED es mucho menor que cuando se usa agua como refrigerante.La razón de la diferencia mencionada anteriormente es la diferencia en la capacidad de disipación de calor del extremo caliente del TEC.Bajo la premisa de que la condición de disipación de calor del extremo caliente del TEC es buena, la temperatura del extremo frío del TEC se puede controlar de manera efectiva.Por el contrario, la temperatura del extremo caliente aumentará, incluso si el rendimiento de trabajo del TEC permanece sin cambios.Dado que la conductividad térmica del agua es menor que la del metal líquido, su capacidad para disipar el calor del extremo caliente del TEC es relativamente pequeña cuando se enfría el agua, lo que da como resultado un mayor aumento de la temperatura del LED.Por la misma razón, dado que la entrada de energía eléctrica en el TEC eventualmente se convertirá en energía térmica, se incrementa la disipación de calor del extremo caliente del TEC.Si la capacidad de disipación de calor del extremo caliente es insuficiente, la temperatura del extremo caliente del TEC aumentará, lo que a su vez hará que aumente la temperatura del extremo frío del TEC y del LED.Por lo tanto, bajo la condición de refrigeración por agua que se muestra en la Figura 2, cuando la potencia de TEC es grande, la temperatura del LED aumenta con el aumento de la potencia de TEC.Si la disipación de calor del extremo caliente TEC no se enfría con líquido, la temperatura del extremo caliente aumentará aún más.Debido a la mayor conductividad térmica del metal líquido, el calor generado por los LED y los TEC se puede transportar de manera más eficiente.Por lo tanto, cuando la potencia del TEC es alta, la temperatura de su extremo caliente aún se puede mantener baja y la temperatura del LED se puede reducir aún más en consecuencia.

Como se muestra en la Figura 3, el metal líquido con mayor conductividad térmica reduce significativamente la resistencia térmica del sistema y el coeficiente de reducción de la resistencia térmica aumenta con el aumento de la potencia TEC.Cuando la potencia del TEC es de 50 W, la pendiente del coeficiente de reducción de la resistencia térmica aumenta lentamente, y la resistencia térmica en este momento se reduce en un 79,8 % en comparación con cuando se usa agua como refrigerante.

Se llevaron a cabo experimentos ortogonales de acuerdo con el nivel de combinación de factores, y se obtuvieron los datos experimentales de la temperatura del sustrato LED Ts.Debido al efecto de enfriamiento del TEC, la temperatura del extremo frío del TEC puede ser inferior a la temperatura ambiente.Cuando la temperatura ambiente Ta es alta, la temperatura del sustrato LED Ts es incluso más baja que la temperatura ambiente Ta en algunos experimentos.Los resultados experimentales muestran que el sistema de gestión térmica combinado con metal líquido y refrigeración termoeléctrica exhibe un buen rendimiento de disipación de calor.

El análisis de varianza encontró que la temperatura de entrada del metal líquido afecta significativamente el rendimiento de disipación de calor del lado caliente del TEC.La potencia del TEC se puede ajustar de acuerdo con los requisitos de temperatura de disipación de calor del LED, y la potencia del sistema de disipación de calor se puede reducir tanto como sea posible bajo la premisa de cumplir con un cierto efecto de disipación de calor.

Los resultados de los experimentos ortogonales muestran que la temperatura de entrada del refrigerante y la potencia del TEC son los principales factores que afectan el rendimiento de disipación de calor del sistema de gestión térmica.En el proceso de trabajo real del LED, la temperatura de entrada Ti del refrigerante en el sistema cambia debido a la influencia de TEC y otros factores.En la actualidad, se estudia principalmente el desempeño de la gestión térmica del sistema en condiciones extremas.Por conveniencia, se eligieron para el estudio una temperatura de entrada de refrigerante más alta, una temperatura ambiente más alta y un caudal de fluido más bajo.En otras palabras, tome Ti como 50°C, Ta como 70°C y vB como 50r/min para experimentos.Si el rendimiento de disipación de calor del sistema en esta condición extrema puede cumplir con los requisitos, significa que cuando los valores de Ti y otros parámetros fluctúan en una dirección más suave, el rendimiento de disipación de calor del sistema también debe cumplir con los requisitos.Como se muestra en la Figura 4, cuando la potencia de TEC no supera los 50 W, la temperatura del sustrato del LED disminuye a medida que aumenta la potencia de TEC.Además, la magnitud de la reducción disminuye a medida que aumenta la potencia de TEC.Cuando la potencia TEC es de 10 W, la temperatura del sustrato del LED es el valor más alto de 64,8 ℃ en las condiciones experimentales.Este valor es inferior a la temperatura ambiente Ta, y muy inferior a la temperatura máxima de funcionamiento del LED.Esto demuestra que el sistema de gestión térmica sigue teniendo un buen rendimiento de refrigeración en condiciones extremas.Cuando la potencia TEC supera los 50 W, la temperatura del sustrato LED aumenta con el aumento de la potencia TEC.Esto se debe a que un aumento en la potencia de TEC no solo aumentará su capacidad para absorber el calor de los LED y disipar el calor a los radiadores enfriados por líquido, sino que también aumentará la cantidad de calor que genera.Además, un aumento en la temperatura TEC conduce a una menor eficiencia.Por lo tanto, existe una potencia TEC adecuada para que la temperatura del sustrato del LED sea la más baja.

Al mismo tiempo, se estudió la influencia de diferentes temperaturas de entrada del metal líquido en el rendimiento de disipación de calor del sistema de gestión térmica LED en condiciones extremas.En condiciones de temperatura ambiente más alta y menor potencia de TEC y caudal de fluido, el experimento se llevó a cabo con Ta a 70 °C, PTEC a 10 W y vB a 50 r/min.Los resultados experimentales se muestran en la Figura 5. La temperatura del sustrato LED Ts aumenta aproximadamente de forma lineal con el aumento de la temperatura de entrada del metal líquido Ti.Cuando la temperatura de entrada del metal líquido es de 50 °C, la temperatura del sustrato del LED es el valor más alto de 64,8 °C en las condiciones experimentales, lo que indica que el sistema tiene un buen rendimiento de disipación de calor.

3. Conclusión

Bajo las mismas condiciones, el enfriamiento por metal líquido puede lograr una temperatura LED más baja que el enfriamiento por agua.En las condiciones experimentales estudiadas, la reducción máxima de la resistencia térmica alcanza el 79,8%.En las condiciones en que la temperatura ambiental experimental es de 70 °C, la temperatura de entrada del metal líquido es de 50 °C y la velocidad de la bomba es de 50 r/min, la temperatura del sustrato LED no supera los 64,8 °C.Esto demuestra que el sistema de gestión térmica de metal líquido/refrigeración termoeléctrica puede hacer frente con eficacia a los requisitos de disipación de calor de los LED en condiciones de funcionamiento extremas, a saber, temperatura ambiente alta, temperatura de entrada de metal líquido alta y caudal de metal líquido bajo.

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