Modelado de transferencia de calor desde Power LED a barra de metal

Estoy jugando con la iluminación del lugar de trabajo y he desarrollado una fuente de corriente constante compatible con PWM de 20 V -> 38 V para impulsar mis LED de potencia (potencia máxima de aproximadamente 64 W). Hasta ahora tan bueno. Sin embargo, casi eliminé térmicamente un LED fijándolo en un disipador de calor significativamente más pequeño ("afortunadamente", los contactos de los cables se desoldaron justo a tiempo, deteniendo el proceso).

Ahora, estoy considerando opciones de enfriamiento. Queriendo evitar el enfriamiento activo (es decir, el zumbido de un ventilador), estaba considerando la salida "perezosa" (dimensión lejos de ser definitiva, todavía no tengo un candidato a disipador de calor ):

dibujo mecanico sencillo

Me gustaría montar el LED de 19 x 19 mm directamente en una barra o perfil de aluminio. Ahora, ya estoy jugando con el software de simulación térmica, pero eso parece exagerado (y hasta ahora, en su mayoría falla, además tengo mucha teoría para ponerme al día). Asi que:

  • ¿Existe un modelo analítico conocido para la distribución del calor cuando se conecta una fuente de calor de potencia constante a una pieza de metal?
    • si no, ¿hay algún software de simulación? Hasta ahora, estoy jugando con Elmer.
  • ¿Es la simulación el camino a seguir aquí, o el enfriamiento pasivo está condenado para los LED de 60W?

Datos (de la hoja de datos LED ):

  • Resistencia térmica de la caja de conexiones 0,8 K/W
  • 19x19mm
  • potencia nominal máxima 64,2 W
  • potencia continua que planeo usar: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W
destacó el hecho de que aún no tengo la barra de metal.
Si sus cables comienzan a desoldarse solos, es posible que desee tener dudas sobre el uso de lo que se calentó nuevamente. Es posible que las piezas hayan sufrido daños parciales pero permanentes.
Jep, consideré que el LED afectado ahora es el reservado para uso experimental, pero hasta ahora, para ráfagas, la curva I / V de la matriz de LED todavía está bien
La calculadora sugerida parece asumir que el calor se aplica uniformemente a la placa base del disipador de calor. Su fuente de calor es un punto de 19x19 mm. Debería usar un disipador de calor de cobre al menos para acercarse a la eficiencia de transferencia de calor calculada. Además, para que la convección libre sea eficiente en un delta razonable, el espacio entre aletas debe ser de 7-8 mm, lo que conduce a un disipador más grande para el área requerida, y la distribución del calor es cada vez más importante. Es posible que desee considerar los disipadores de calor omnidireccionales, este disipador tendrá ~2C/W desde un calentador de 1 pulgada cuadrada hasta la convección libre del ambiente, micforg.co.jp/en/c_n80e.html

Respuestas (8)

Si mi comprensión es correcta, desea estimar la resistencia térmica de un disipador de calor o una losa de material térmicamente conductor al ambiente, sin ningún flujo de aire ( = convección natural ).

Hay una buena calculadora en línea para disipadores de calor rectangulares con aletas que implementa el modelo de convección natural para disipadores de calor (una explicación más académica y detallada del modelo está aquí ).

Aquí hay un ejemplo relevante para su problema de diseño (dimensiones exteriores de 55x55x55 mm, aletas de 10x1 mm, espesor de la placa base de 10 mm y una conductancia de contacto bastante conservadora de 2000 W/m2ºC):

Instantánea de la calculadora

La temperatura de la fuente resultante para una temperatura ambiente de 25 ºC y 26,35 W de calor que fluyen hacia el disipador es de aproximadamente 110 ºC, lo que significa que el disipador tendría una resistencia térmica de 3,23 ºC/W en condiciones de convección natural.

Experimente con la calculadora para encontrar las dimensiones exteriores que mejor se adapten a su diseño.

¿Qué navegador estás usando? Nunca puedo hacer que aparezca ninguna temperatura de origen. ah Lo tengo para trabajar.
Safari. Tenga en cuenta que la calculadora es bastante exigente. Por ejemplo: si la suma de todos los espacios de las aletas y los grosores de las aletas no suman el ancho total, la calculadora se negará silenciosamente a calcular la temperatura de la fuente sin arrojar ningún código de error o advertencia.
Debo admitir que es muy complicado. Pensé que la fórmula era ancho total = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, pero eso no funciona
ah, espera, tampoco me gusta si H+tp no suman exactamente
W = ( norte F i norte − 1 ) ( b + t ) + t . En mi ejemplo: 55 = (10-1)(5+1)+1
Sí, también es exigente con la profundidad total. Cuando dije "por ejemplo" era real: ¡es exigente con todo!
Un poco frustrante. Usé sus números y luego los cambié uno a la vez, funcionó bien. Lo que obtengo de esto es que cambiando un parámetro a la vez puedo ver si mejora o no y la magnitud del impacto. Interesante cuando cambié la longitud de la aleta a 0.01, como una barra plana. No es fácil de usar. Con un poco más de trabajo (por ejemplo, un mensaje de error), esto podría ser mucho más útil. He descubierto que es común que los científicos de investigación sean muy malos en TI.
@Misunderstood para ser justos, solo fui y leí el código fuente del script y descubrí las cosas. También parece que los navegadores modernos podrían estar suprimiendo los mecanismos que usa para mostrar advertencias, por lo que no es realmente culpa de la herramienta.
@EnricBlanco gran herramienta! Sin duda, demuestra la falta de viabilidad de cualquier potencia > 30 W para la culata de aluminio con perfil en U, y mucho menos para las barras rectangulares. ¡Oh bien!
@MarcusMüller Los disipadores de calor con aletas pueden obstruirse con el polvo más fácilmente que un disipador de calor plano. Recuerde requerir una limpieza regular para mantener la garantía válida. Apuesto a que de lo contrario nadie lo piensa.

He recorrido ese camino, pero los simuladores cuestan demasiado y tienen una curva de aprendizaje pronunciada. Si no es ingeniero de dinámica térmica, es posible que tenga algunos problemas para comprender la jerga, yo sí. Leí libros de texto sobre dinámica térmica y todo tipo de documentos de diseño de disipadores de calor y simuladores de disipadores de calor.

Te sugiero que consigas la barra de aluminio en online metals $1.23 (0.125 x 1.5 x 12) (la 6061 T6511 es la menos costosa), montas el LED haz que funcione, metes la barra en la heladera. Llévelo a una habitación húmeda donde se condense. Luego colóquelo en el congelador, congélelo, sáquelo, enciéndalo y observe los patrones que hacen los cristales de hielo a medida que se derriten a medida que la barra se calienta. El resultado es similar a la salida de un simulador. La vida real también es asombrosamente precisa.

Además, no es un esfuerzo en vano, si haces la simulación, todavía necesitas la barra para ver qué tan lejos estaban las simulaciones.

Pero el problema es que en aproximadamente una hora terminará con una barra de aluminio muy caliente, casi tan caliente como el LED. Pero no necesitas mucho flujo de aire con una gran superficie. Una barra de aluminio a $ 1.23 o menos por pie es un disipador de calor muy barato.

A mi tampoco me gustan los fans. Este es muy silencioso porque mueve solo 13 CFM @ 12VDC, 30.3 dB, 2300 RPM pero fue efectivo.

36 V 2,4 amperios máx.
El patrón se muestra solo en un lado, en realidad era simétrico.
COB LED en disipador de calor

Medición de la temperatura en la parte trasera.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La corriente se volvió hacia abajo y se difundió.
ingrese la descripción de la imagen aquí

¡esa es una idea excelente para la observación de la difusión de la temperatura! ¡Gran! No en los EE. UU., por lo que esa tienda no me será útil, pero encontraré una barra de aluminio (de tamaño métrico: D) localmente y haré esto.
Fui a la refrigeración por agua. Lo que obtuve de ese ejercicio que describí fue el espacio entre las COB. Pude ver cuán lejos bajaba el calor de la barra lejos del COB. Y ya compré un COB de prueba adicional para cuando (no si) este ya no puede soportar el abuso.
Con un bombeo de 2,4 amperios, el voltaje directo era de 39,5 V (102 vatios), la temperatura de la barra directamente debajo del LED era de unos 42,5 °C cuando se estabilizaba después de 20 minutos y era la misma 10 minutos después.

La buena noticia: de hecho, existe un modelo matemático simple que es bastante preciso.

Básicamente, puede modelar la mayoría de los problemas térmicos como un circuito eléctrico simple:

  1. Potencia Térmica = Corriente Eléctrica
  2. Diferencia de temperatura térmica = Voltaje eléctrico
  3. Resistencia Térmica = Resistencia Eléctrica
  4. Masa Térmica = Condensador Eléctrico

Su caso es aún más simple: dado que no le importan las constantes de tiempo, no necesita preocuparse por la masa térmica.

Así que tu modelo debería verse así

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

Donde

  • R1: resistencia térmica desde la unión del LED hasta la superficie de montaje del LED
  • R2: resistencia térmica para la conexión LED a Al
  • R3: resistencia térmica del Al al aire ambiente

Todos están en serie, por lo que simplemente puede agregarlos. Si tiene R1 = 1,2 K/W, R2 = 0,8 K/W y R3 = 0,1 K/W, su resistencia total sería 2,1 K/W. Para 40 W de calor disipado, su unión LED estaría a 2,1 K/W*40 W = 84 Kelvin (o Celsius) por encima de la temperatura ambiente. A una temperatura ambiente de 25 °C, la unión estaría a 109 °C.

Las malas noticias: los datos que necesita para modelar esto son notoriamente difíciles de predecir

Necesitará tres resistencias térmicas y la temperatura de unión LED máxima permitida.

  1. Si tiene suerte, puede encontrar R1 y la temperatura máxima para el LED en la hoja de datos.
  2. R2 es muy complicado, ya que depende del material exacto, la forma exacta, la cantidad de planitud, los tratamientos superficiales exactos tanto de la superficie de montaje como de la barra Al. Incluso el color y los detalles del proceso de anodizado del aluminio importan aquí.
  3. R3: SI la barra es razonablemente grande, debería ser bastante pequeña

Lo que debe hacer depende de las habilidades de medición que tenga. En general, esto tiene buenas posibilidades de funcionar. Asegúrese de que el LED esté firmemente sujeto a la barra AL y coloque una almohadilla térmica o un poco de pasta térmica en la conexión.

Toca la barra: debería estar notablemente más caliente muy cerca del LED. Si no, eso significa que no se está transfiriendo calor a la barra y que la conexión térmica no es buena. Si toda la barra se siente tibia o incluso caliente, no está obteniendo suficiente acoplamiento térmico con el medio ambiente. Considere más área de superficie para la barra.

Entonces, sí, ¡modelar R3 es exactamente el problema! R1 se proporciona (por supuesto) en la hoja de datos; R2 es un aspecto interesante, aunque planeé mantenerlo por debajo de 5K/W mediante montaje a presión y pasta térmica. Sin embargo, como dije en mi pregunta, todavía no tengo una barra para medir, así que aunque deseaba que esta fuera una respuesta a mi pregunta, no lo es.
Me gusta que toque la barra. Funciona mucho mejor que las fórmulas. Seguiría aumentando la corriente, esperaría una hora para que las cosas se estabilicen, mediría la temperatura en la parte posterior, luego aumentaría la corriente, repetiría. Tienes mi voto.

Un LED de 60 W es un desafío térmico porque la fuente de calor es pequeña y muy potente. Por lo tanto, necesitará metal grueso para distribuir el calor lateralmente en un disipador de calor lo suficientemente grande.

Esto es similar a la CPU de una PC de escritorio: área de superficie pequeña, mucha potencia. Muchos disipadores de calor de PC de escritorio utilizan tubos de calor para resolver el problema de la propagación del calor. Un disipador de calor de PC sin ventilador debería funcionar.

Sin embargo, esto no resuelve su otro problema, que es que un LED de 60 W es una fuente puntual muy brillante y no es ideal para la iluminación del lugar de trabajo. Será cegadoramente brillante y proyectará sombras duras.

Puedes resolver ambos problemas usando tiras de LED como esta:

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

Usé estos en un proyecto:

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

Vienen en una PCB de metal y la tira se puede cortar en LED individuales. Luego los pegué en perfiles en L de aluminio usando epoxi termoconductor (un LED cada 10 cm).

Repartir los LED generadores de calor a lo largo de un perfil de aluminio permite un enfriamiento mucho más fácil y genera una luz más agradable.

EDITAR

OK, vamos con el LED de 60W.

Supongo que apunta hacia abajo. Desea que las aletas del disipador de calor estén verticales para una convección óptima. Esto apunta hacia este tipo de factor de forma:

enlace enlace

Si usa un disipador de calor plano, deberá montar el LED en un cuadrado de aluminio grueso y luego montarlo en un disipador de calor.

Dado que su problema es difundir el calor generado por una fuente pequeña, también podría usar tubos de calor planos:

enlace enlace

Aunque valoro la estimación, tengo difusores en su lugar, además de una distancia saludable entre la fuente de luz y el escritorio :)
Su edición aún no responde a mi pregunta, lo siento.

Está Lisa, una herramienta de análisis de elementos finitos que es gratuita al menos para los modelos que tienen máx. alrededor de 1000 nodos.

La simulación es difícil, necesita una comprensión profunda y se basa en suposiciones sobre las condiciones de contorno. Las pruebas reales, si son seguras y posibles, son mejores. Si ya tienes el led y el candidato a disipador, puedes probarlo. Hágalo funcionar a un nivel de potencia conocido pero seguro, deje que alcance el equilibrio (= no más aumento de temperatura medible) y almacene esa temperatura final. Debe tener el equipo adecuado para las mediciones. La diferencia de temperatura entre el led y el ambiente es directamente proporcional a la potencia disipada. Por supuesto, no puede entrar en el LED hasta que lo use como su sensor. El fabricante posiblemente pueda dar algunos datos útiles de la relación entre el voltaje directo, la corriente y la temperatura.

Pero también puedes medir en el borde entre el led y el disipador de calor. Seguramente está disponible la resistencia térmica entre ese punto y el semiconductor o los límites de temperatura permitidos se indican directamente como temperaturas en el borde del disipador de calor.

Si su aumento de temperatura a 10 W es, digamos, 1/3 del aumento permitido, puede tener una disipación máxima = 30 W.

Tenga en cuenta que en un armario la temperatura ambiente también sube y eso hay que tenerlo en cuenta. También se debe tener en cuenta otro dispositivo de calentamiento adyacente. Calienta el ambiente y también irradia calor. Usted ve ahora y probablemente ya sabe que el diseño térmico es un área llena de desafíos y trampas.

ADENDA: El problema es interesante. Daba por sentado que el montaje en una placa de aluminio resuelve el problema del calor con los leds. Algunos cálculos rápidos mostraron que ninguna placa delgada lo clavará. La disipación es bastante similar a la de un amplificador de audio de 100 W por uno de los 2 transistores de salida, por lo que se necesitan disipadores de calor similares. Su rendimiento sufre drásticamente si el polvo los obstruye. Recuerde exigir la limpieza regular como condición para la garantía o hacer disipadores de calor muy sobredimensionados.

no, ¡todavía no hay candidato a disipador de calor! El punto es que me gustaría saber antes de pedir metros de aluminio. De hecho, se conoce la resistencia térmica, pero las suposiciones de linealidad (x veces potencia en -> x veces mayor deltaT) parecen romperse para la distribución de calor en un volumen , ¿o no? Siempre pensé que el modelo de resistencia térmica solo se aplicaba dentro de límites estrechos.
Esto es mayormente correcto, pero la convección pasiva debido al calentamiento del disipador de calor no es lineal. Afortunadamente, esto funciona a tu favor. Haga todo como si la temperatura del LED subiera por encima de las escalas ambientales de forma lineal con la temperatura, y la convección adicional a altas temperaturas le daría un pequeño margen.
@MarcusMüller, el comentarista Olin, quiere decir que el calor hace que el aire fluya. Esto a bajos niveles de potencia puede ser bastante laminar y el flujo de aire disminuye la resistencia térmica total. Finalmente, a niveles altos, será tan turbulento que su eficiencia será prácticamente impredecible. Pero tiene razón.
@MarcusMüller no hay contradicción entre la distribución de temperatura no uniforme y la ley x multiplicada por potencia => x multiplicada por delta T. La fórmula aún se aplica para cada punto por separado.
Gracias por la referencia Lisa. Buscaré poner en marcha un sistema de Windows para eso.
@ user287001 ah, ¡el principio de superposición en cada punto es muy interesante! Sí, eso facilita mucho las cosas. Creo que incluso podría pensar en algo de esta manera :)
Oh hombre, tantas buenas respuestas, y necesito elegir una :(
@MarcusMüller Tuviste la idea de no comprar una pila de aluminio hasta que sepas que funciona bien. Luego obtenga una pieza más pequeña, la parte de un led y haga la prueba.

Para darle una idea de a lo que se enfrenta con un disipador de calor pasivo. Cree hizo un diseño de referencia como reemplazo de una lámpara HPS de 1000W.

El aparato está compuesto por cuatro "motores" . Cada motor de 130 vatios mide 11,25" x 7,25" x 2,5". Que es básicamente el tamaño del disipador de calor.

Luminaria LED con disipadores de calor masivos

El disipador de calor utilizado es un Aavid Black Anodized P/N 62625

Precio estimado (solo para disipador de calor) $450

Eso es $3.46 por vatio.

Por sus 64 Watts serían $222.

El costo de $450 se basa en un Aavid Black Anodized P/N 627252 (2.28" x 9.75" x 55")

Y un Aavid 701652 de 1.78" x 12" x 48" costaba $431.


Cada motor está compuesto por 48 LED que generan 130 vatios .

Necesitaría un disipador de calor de solo la mitad de este tamaño. Este disipador de calor mide 11.25" x 7.25" x 2.28"

Motor LED

Consulte la publicación de blog "Cómo diseñar un disipador de calor de placa plana" http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Proporciona una explicación detallada de cómo calcular la resistencia térmica de una placa de metal utilizada como disipador de calor. Creo que también puede obtener una hoja de cálculo que haga los cálculos si les da su dirección de correo electrónico.

Esencialmente, debe determinar la resistencia a la radiación y la convección natural de las superficies externas y luego determinar la resistencia térmica de conducción. Sume los tres según el circuito térmico que se muestra a continuación:

ingrese la descripción de la imagen aquí

donde:

Rconv es la resistencia de convección externa

Rrad es la resistencia a la radiación externa

Rsp es la resistencia a la propagación

Rint/Rcont es la resistencia de contacto o interfaz

Rth-jc es el caso de la resistencia de unión del LED

Ts es la temperatura de la superficie del disipador de calor

Tj es la temperatura de unión del LED

Las ecuaciones para Rconv y Rrad son bastante complicadas y se explican en detalle en la publicación del blog.

Un simple simulador de especias hará esto: es como si se descargara un capacitor.

lo siento, no lo veo. Lo que pido es básicamente una forma de derivar los parámetros del modelo (por ejemplo, la resistencia térmica) a partir de la geometría y las propiedades del material de mi disipador de calor. Estás diciendo "seguro, un analizador de red eléctrica lineal hará eso". Me temo que ese no es el caso. Estoy buscando los valores para conectarlos a un "circuito equivalente", no para el circuito.
@MarcusMüller Al principio culpé esta respuesta a la clase de correo no deseado en mi mente, pero tiene una idea. La distribución de temperatura en una barra larga sería una función exponencial decreciente. La variable no es el tiempo sino la distancia al led. La constante de tiempo debe ser reemplazada por la constante de longitud de difusión térmica. Desafortunadamente, este hecho bastante cierto no es de gran ayuda en esta fase.
Modelado de transferencia de calor desde Power LED a barra de metal
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