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 grave acumulación de calor y un aumento excesivo de la temperatura. Dado que el rendimiento óptico y la confiabilidad del LED se ven afectados en gran medida por la temperatura de la unión, la temperatura de unión más alta de 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 lograr 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. La refrigeración por metal líquido está emergiendo rápidamente como una solución de disipación de calor novedosa y prometedora para satisfacer los requisitos de los dispositivos optoelectrónicos de alto flujo de calor. En comparación con los sistemas de agua y los heatpipes, el sistema de metal líquido presenta la temperatura más baja y la mayor estabilidad.
Tanto el enfriamiento termoeléctrico como el enfriamiento de 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 de los LED.
1. Sistema experimental
El metal líquido utilizado en el experimento es Ga68In20Sn12, que tiene las ventajas de un bajo punto de fusión, alta conductividad térmica, no inflamabilidad, actividad no tóxica, baja presión de vapor y alto punto de ebullición. Por 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 reposar 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 resulta 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 situada cerca del fondo para evitar bombear la capa de óxido a la superficie durante la circulación. La plataforma experimental está compuesta por una fuente de calor LED y un sistema de gestión del calor de refrigeración por líquido termoeléctrico (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 lograr una refrigeración eficaz. Cuando el sistema está funcionando, el extremo frío del chip de enfriamiento termoeléctrico disipa el calor al 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 fina capa de grasa de silicona termoconductora entre el LED, la lámina 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 mediante termopares y el valor promedio de los datos se registra después de que la temperatura se estabiliza en el experimento.
Primero, compare el rendimiento de disipación de calor del sistema cuando se utiliza metal líquido y agua como refrigerante. Luego, se utilizó el método de experimento 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. El efecto de diferentes caudales se estudió cambiando la velocidad de la bomba. El método de experimento ortogonal es un método para organizar y analizar científicamente experimentos multifactoriales mediante el uso de una tabla ortogonal, que puede seleccionar uniformemente el plan óptimo con una pequeña cantidad de experimentos. Y a través del análisis de varianza, analizar la importancia del impacto de cada factor. Mediante experimentos se estudia la influencia de cuatro factores en el rendimiento de disipación de calor. 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 refrigeración del agua y del metal líquido como refrigerantes. Las condiciones experimentales son velocidad de la bomba peristáltica 50 r/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 enfriamiento termoeléctrica. Bajo la misma carga de calor, cuando se utiliza metal líquido como refrigerante, el aumento de temperatura del sustrato del LED es mucho menor que cuando se utiliza agua como refrigerante. El motivo de la diferencia mencionada anteriormente es la diferencia en la capacidad de disipación de calor del extremo caliente del TEC. Partiendo de la premisa de que las condiciones de disipación de calor del extremo caliente del TEC son buenas, la temperatura del extremo frío del TEC se puede controlar de manera efectiva. Por el contrario, la temperatura del hot end 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 resulta en un mayor aumento de temperatura del LED. Por la misma razón, dado que la entrada de energía eléctrica al TEC eventualmente se convertirá en energía térmica, la disipación de calor del extremo caliente del TEC aumenta. 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, en la condición de refrigeración por agua que se muestra en la Figura 2, cuando la potencia del TEC es grande, la temperatura del LED aumenta con el aumento de la potencia del TEC. Si la disipación de calor del hot end TEC no se enfría con líquido, la temperatura del hot end aumentará aún más. Debido a la mayor conductividad térmica del metal líquido, el calor generado por los LED y 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 la que ocurre cuando se utiliza agua como refrigerante.
Se llevaron a cabo experimentos ortogonales de acuerdo con la combinación de niveles 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 del 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 muestra 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 lograr un cierto efecto de disipación de calor.
Los resultados de los experimentos ortogonales muestran que la temperatura de entrada del refrigerante y la potencia TEC son los principales factores que afectan el rendimiento de disipación de calor del sistema de gestión térmica. En el proceso de funcionamiento 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 comportamiento 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 50 r/min para los experimentos. Si el rendimiento de disipación de calor del sistema bajo 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 TEC no supera los 50 W, la temperatura del sustrato del LED disminuye a medida que aumenta la potencia TEC. Además, la magnitud de la reducción disminuye a medida que aumenta la potencia del 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 muestra que el sistema de gestión térmica todavía tiene 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 refrigerados 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 hacer que la temperatura del sustrato del LED sea la más baja.
Al mismo tiempo, se estudió la influencia de diferentes temperaturas de entrada de 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 del LED Ts aumenta aproximadamente linealmente 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 alcanza 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
En las mismas condiciones, la refrigeración por metal líquido puede alcanzar una temperatura del LED más baja que la refrigeración 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 ambiente 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 muestra que el sistema de gestión térmica de enfriamiento termoeléctrico/metal líquido puede hacer frente de manera efectiva a los requisitos de disipación de calor de los LED en condiciones operativas extremas, es decir, temperatura ambiente alta, temperatura de entrada de metal líquido alta y caudal de metal líquido bajo.
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