Power LEDから金属バーへの熱伝達のモデリング

私は職場の照明をいじって、電源LED（最大電力約64W）を駆動するための20 V –> 38 V PWM対応の定電流源を開発しました。ここまでは順調ですね。ただし、1つのLEDを非常に小さいヒートシンクに固定することで、熱による影響でほぼ死に至りました（「幸運にも」、ワイヤーの接点がはんだ付けされず、プロセスが停止しました）。

今、私は冷却オプションを検討しています。アクティブな冷却（つまり、ファンのハミング）を回避するために、「怠惰な」方法を検討していました（寸法は最終的なものにはほど遠く、ヒートシンクの候補はまだありません）。

19 x 19 mm LEDを直接アルミ製のバーまたはプロファイルに取り付けたいのですが。さて、私はすでに熱シミュレーションソフトウェアで遊んでいますが、それは上にありそうです（そして今のところ、ほとんどがクラッシュし、それに追いつくための多くの理論があります）。そう：

• 定電力の熱源を金属片に取り付けるときの熱分布のよく知られた解析モデルはありますか？
  • そうでない場合、頼りになるシミュレーションソフトウェアはありますか？これまでのところ、私はエルマーと遊んでいます。
• シミュレーションはここに行く方法ですか、それとも60W LEDの受動冷却ですか？

データ（LEDデータシートから）：

• ジャンクションケースの熱抵抗0.8 K / W
• 19x19 mm
• 最大定格電力64.2 W
• 使用する予定の連続電力：36.6 V・0.72 A = 26.352 W

私の理解が正しければ、空気流なしのヒートシンクまたは熱伝導性材料のスラブの周囲への熱抵抗を推定する必要があります（=自然対流）。

ヒートシンクの自然対流モデルを実装するフィン付き長方形ヒートシンク用の優れたオンライン計算機があります（モデルのより学術的で詳細な説明はこちら）。

これは、設計問題に関連する例です（55x55x55mmの外形寸法、10x1mmのフィン、ベースプレートの厚さ10mm、かなり控えめな2,000 W /m2ºCの接触コンダクタンス）：

25°Cの周囲温度とヒートシンクに流れる26.35 Wの熱の結果として生じるソース温度は約110°Cです。これは、自然対流条件でヒートシンクが3.23°C / Wの熱抵抗を持つことを意味します。

計算機を試して、設計に最適な外形寸法を見つけます。

私はその道を進んでいましたが、シミュレータのコストは高すぎ、学習曲線が急です。あなたが熱力学エンジニアでないなら、専門用語を理解するのにいくつか問題があるかもしれません、私はそうしました。私は、熱力学とあらゆる種類のヒートシンク設計論文とヒートシンクシミュレータに関するテキストを読みました。

私はあなたがお勧め（0.125×1.5×12）、オンラインの金属で$ 1.23アルミバーを取得冷蔵庫にバーを入れて、それが働いて得るLEDを搭載、（6061 T6511は最も安価です）。それを結露する湿気のある部屋に取り出してください。次に、冷凍庫に入れて冷やし、取り出して火にかけ、バーが温まるにつれて溶けていく氷の結晶のパターンを観察します。結果はシミュレータの出力に似ています。実生活も驚くほど正確です。

無駄な労力ではなく、シミュレーションを実行する場合でも、シミュレーションがどれだけ離れているかを確認するためのバーが必要です。

しかし、問題は、1時間以内に、LEDと同じくらい高温のアルミニウムの非常に高温のバーになることです。ただし、表面が広いため、それほど空気の流れは必要ありません。1フィートあたり1.23ドル以下のアルミニウムバーは、非常に安価なヒートシンクです。

ファンも嫌いです。これは、13 CFM @ 12VDC、30.3 dB、2300 RPMしか動かないので非常に静かです が、効果的でした。

36V 2.4 Amp max。
パターンは片側だけに表示され、実際には対称的でした。

裏面の温度を測定します。

電流はかなり下がって拡散しました。

良いニュース：実際、かなり正確な単純な数学モデルがあります。

基本的に、ほとんどの熱問題を単純な電気回路としてモデル化できます。

1. 火力=電流
2. 温度差=電圧
3. 熱抵抗=電気抵抗
4. 熱質量=電気コンデンサ

あなたの場合はさらに単純です：時定数を気にしないので、熱質量を心配する必要はありません。

モデルは次のようになります

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

どこ

• R1：LEDジャンクションからLED取り付け面までの熱抵抗
• R2：LEDからAlへの接続の熱抵抗
• R3：Alから周囲空気への熱抵抗

それらはすべて直列になっているので、簡単に追加できます。R1 = 1.2K / W、R2 = 0.8K / W、R3 = 0.1 K / Wの場合、総抵抗は2.1K / Wになります。40Wの散逸熱の場合、LEDジャンクションは周囲温度より2.1K / W * 40W = 84ケルビン（または摂氏）高くなります。周囲温度が25Cの場合、接合部は109Cになります。

悪いニュース：これをモデル化するために必要なデータは予測が難しいことで悪名高い

3つの熱抵抗と最大許容LEDジャンクション温度が必要です。

1. 運が良ければ、データシートにR1とLEDの最高温度が記載されています。
2. R2は、正確な材料、正確な形状、平坦度、取り付け面とAlバーの両方の正確な表面処理に依存するため、非常にトリッキーです。ここでは、アルミニウムの陽極酸化プロセスの色と詳細も重要です。
3. R3：バーがかなり大きい場合、それはかなり小さいはずです

何をすべきかはあなたが持っている測定能力に依存します。一般に、これは機能する可能性が高くなります。LEDがALバーにしっかりと取り付けられていることを確認し、接続部にサーマルパッドまたはヒートペーストを貼り付けます。

バーに触れます。LEDのすぐ近くで、かなり暖かくなっているはずです。そうでない場合は、バーに熱が伝達されておらず、熱接続が良好ではありません。バー全体が暖かく感じられたり、さらには高温になっても、環境への十分な熱結合が得られません。バーの表面積を増やすことを検討してください。

熱源が小さく、非常に強力であるため、1つの60W LEDは熱の問題です。したがって、熱を横方向に十分な大きさのヒートシンクに広げるには、厚い金属が必要になります。

これはデスクトップPCのCPUと似ています。表面積が小さく、電力がたくさんあります。多くのデスクトップPCヒートシンクはヒートパイプを使用して、熱拡散の問題を解決しています。ファンレスPCヒートシンクが機能するはずです。

ただし、これは他の問題を解決しません。つまり、1つの60W LEDは非常に明るい点光源であり、職場の照明には理想的ではありません。盲目的に明るくなり、厳しい影を落とします。

次のようなLEDストリップを使用して、両方の問題を解決できます。

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

私はこれらをプロジェクトで使用しました：

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

それらは金属PCBで来、ストリップは個々のLEDに切り分けることができます。次に、熱伝導性エポキシ（10cmごとに1つのLED）を使用して、アルミニウムLプロファイルに接着しました。

アルミニウム製のプロファイル全体に発熱LEDを広げることで、冷却がはるかに容易になり、より快適な光が生成されます。

編集

OK、60W LEDを使ってみましょう。

下向きだと思います。最適な対流のために、ヒートシンクのフィンを垂直にします。これは、この種のフォームファクタを示しています。

リンク リンク

平らなヒートシンクを使用する場合は、LEDを厚いアルミニウムの四角形に取り付けてから、ヒートシンクに取り付ける必要があります。

問題は小さな熱源から発生する熱を拡散することなので、フラットヒートパイプを使用することもできます。

リンク リンク

有限要素解析ツールであるLisaがあります。これは、少なくともmaxを持つモデルに対しては無料です。約1000ノード。

シミュレーションは難しく、深い理解が必要であり、境界条件に関する仮定に基づいています。実際のテストは、安全で可能であればより良いです。すでにリードとヒートシンクの候補がある場合は、それを試すことができます。既知の安全な電力レベルで実行し、平衡に達して（測定可能な温度上昇がなくなる）、その最終温度を保存します。測定には適切な機器が必要です。LEDと周囲の温度差は、消費電力に直接比例します。もちろん、それ自体をセンサーとして使用するまで、LEDの内部に入ることはできません。製造業者は、順方向電圧、電流、および温度の間の関係のいくつかの有用なデータを提供する可能性があります。

ただし、LEDとヒートシンクの境界で測定することもできます。その点と半導体の間の熱抵抗が確実に利用可能であるか、または許容温度限界がヒートシンク境界の温度として直接伝えられます。

10Wでの温度上昇が許容上昇の1/3である場合、最大の損失は30Wです。

キャビネット内では周囲温度も上昇するため、これを考慮に入れる必要があることに注意してください。隣接する他の加熱装置も考慮に入れる必要があります。それは雰囲気を暖め、また熱を放射します。ご覧のとおり、おそらくすでにご存じのとおり、熱設計は課題とトラップに満ちた領域です。

補遺：問題は興味深いものです。アルミ板に取り付けることで、LEDの熱問題が解決されることは当然だと思っていました。いくつかの簡単な計算は、薄い板がそれを釘付けにしないことを示しました。消費電力は、2つの出力トランジスタの1つあたりの100Wオーディオアンプとまったく同じであるため、同じようなヒートシンクが必要です。ほこりが詰まると、パフォーマンスが大幅に低下します。保証の条件として定期的なクリーニングを放棄するか、非常に大きなヒートシンクを作成することを忘れないでください。

パッシブヒートシンクで何に直面しているかについてのアイデアを提供します。クリーは、1000W HPSランプの代替品としてリファレンスデザインを作成しました。

取付具は4つの「エンジン」で構成されています。各130ワットエンジンは11.25インチx 7.25インチx 2.5インチです。これは基本的にヒートシンクのサイズです。

使用されているヒートシンクは、Aavid Black Anodized P / N 62625です。

概算価格（ヒートシンクのみ）$ 450

それはワットあたり3.46ドルです。

64ワットの場合、222ドルになります。

450ドルのコストは、Aavid Black Anodized P / N 627252（2.28 "x 9.75" x 55 "）に基づいています

そして、Aavid 701652 1.78 "x 12" x 48 "は431ドルでした。

各エンジンは、130ワットを押す48個のLEDで構成されています。

このサイズの半分だけのヒートシンクが必要になります。このヒートシンクは11.25インチx 7.25インチx 2.28インチです。

ブログ記事「平板ヒートシンクの設計方法」http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/をご覧ください。ヒートシンクとして使用される金属板の熱抵抗を計算する方法の詳細な説明を提供します。メールアドレスを教えていただければ、計算ができるスプレッドシートも手に入ると思います。

基本的に、外部表面からの放射と自然対流抵抗を決定し、次に伝導熱抵抗を決定する必要があります。以下に示す熱回路に基づいて、3つを一緒に追加します。

どこ：

Rconvは外部対流抵抗です

Rradは外部放射抵抗です

Rspは拡散抵抗です

Rint / Rcontは、接触またはインターフェースの抵抗です。

Rth-jcは、LEDのジャンクション抵抗の場合です。

Tsはヒートシンクの表面温度です

TjはLEDジャンクション温度

RconvとRradの方程式は非常に複雑で、ブログ投稿で詳細に説明されています。

単純なスパイスシミュレータがこれを実行します。これは、放電されているコンデンサのようなものです。