zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Mô hình hoá và mô phỏng nhiệt tấm LED công suất lớn để tối ưu công suất tản nhiệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài viết, nhóm tác giả sử dụng mô hình của tấm LED hãng Rạng Đông để mô hình hoá, mô phỏng nhiệt bằng phần mềm ANSYS Icepak, đánh giá mức độ sinh nhiệt và khả năng làm mát của tấm tản nhiệt. Từ các kết quả mô phỏng, có thể giúp các kỹ sư thiết kế tấm LED công suất cao đánh giá nhiệt độ của tấm LED trước khi đưa vào hoạt động, tối ưu hoá công suất tản nhiệt, từ đó đạt hiệu suất tản nhiệt cao nhất, giảm công suất tiêu thụ của các thiết bị làm mát khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình hoá và mô phỏng nhiệt tấm LED công suất lớn để tối ưu công suất tản nhiệt

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Mô hình hoá và mô phỏng nhiệt tấm LED công suất lớn để tối ƣu công suất tản nhiệt Nguyễn Tiến Sỹ*, Hà Thị Chúc Trường Đại học Mỏ - Địa chất *E-mail: nguyentiensi@humg.edu.vn Tóm tắt: Công nghệ LED được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong cuộc sống con người. Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, các loại đèn chiếu sáng không chỉ sử dụng mang lại ánh sáng cho con người mà còn được sử dụng cho mục đích diệt khuẩn hoặc áp dụng vào lĩnh vực nuôi cấy mô trong nhà. Hệ thống đèn LED công suất cao sinh nhiệt trong quá trình hoạt động nên cần sử dụng các phương pháp tản nhiệt tự nhiên hoặc tản nhiệt cưỡng bức. Vấn đề tính toán, mô phỏng nhiệt và tối ưu công suất tản nhiệt cho các tấm LED công suất cao trở nên vô cùng quan trọng. Trong bài viết, nhóm tác giả sử dụng mô hình của tấm LED hãng Rạng Đông để mô hình hoá, mô phỏng nhiệt bằng phần mềm ANSYS Icepak, đánh giá mức độ sinh nhiệt và khả năng làm mát của tấm tản nhiệt. Từ các kết quả mô phỏng, có thể giúp các kỹ sư thiết kế tấm LED công suất cao đánh giá nhiệt độ của tấm LED trước khi đưa vào hoạt động, tối ưu hoá công suất tản nhiệt, từ đó đạt hiệu suất tản nhiệt cao nhất, giảm công suất tiêu thụ của các thiết bị làm mát khác. Từ khoá: Chiếu sáng, tản nhiệt, mô phỏng nhiệt, LED panel, công suất cao 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đèn LED ngày càng được sử dụng phổ biến cho các ứng dụng chiếu sáng. Ưu điểm của đèn LED là mức tiêu thụ năng lượng thấp, kích thước nhỏ gọn hơn so với các công nghệ chiếu sáng khác. Trở ngại lỡn nhất trong việc tăng cường ứng dụng đèn LED là khả năng ổn định nhiệt. Thông thường, 70% năng lượng tiêu thụ được chuyển thành nhiệt [1]. Hầu hết các tấm LED công suất lớn được cấu tạo từ các chip LED sử dụng tản nhiệt làm từ vật liệu nhôm hoặc đồng, dùng dòng khí đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức từ quạt hoặc chất lỏng để làm mát đế tản nhiệt. Xây dựng và thử nghiệm một nguyên mẫu tấm LED công suất cao sẽ cần rất nhiều thời gian với nhiều lần thử mẫu để đạt được hiệu quả tản nhiệt tối ưu. Do đó việc nghiên cứu tính toán mô phỏng nhiệt tấm LED sử dụng công cụ phần mềm ANSYS Icepak giúp nhanh chóng đưa ra các kết quả về nhiệt độ của tấm LED với các trường hợp sử dụng tản nhiệt khác nhau, từ đó lựa chọn giải pháp tản nhiệt tối ưu, giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm trước khi đưa ra sản phẩm cuối cùng. Các nghiên cứu về tính toán phân tích nhiệt cho chip LED, tấm LED công suất cao được đề cập trong các nghiên cứu trong và ngoài nước. Trong nghiên cứu [2], tác giá mô phỏng nhiệt cho mảng LED công suất gồm 10 LED trong trường hợp công suất mỗi chip LED là 0,54W, 0,75W và 1W; nhiệt độ tương ứng là 77,73oC, 98,22oC và 122,57oC; đồng thời nhóm tác giả khảo sát các trường hợp thay đổi biên dạng cánh tản nhiệt và sử dụng quạt làm mát cưỡng bức. Trong nghiên cứu [3], tác giả phân tích nhiệt trên tấm 30 LED cho ứng dụng chiếu sáng cho màn LCD, chip LED màu trắng, công suất 1W/1 chip LED, kết quả phân bố nhiệt từ 40oC đến hơn 60oC khi không có tản nhiệt và giảm xuống còn hơn 40oC khi có tản nhiệt nhôm. Trong nghiên cứu [4] và [5], nhóm tác giả nghiên cứu cấu trúc của chip LED và đưa ra sơ đồ tương đương điện trở nhiệt, từ đó phân tích ứng xử nhiệt với tản nhiệt với các vật liệu khác nhau như nhôm, sắt và hợp kim. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 151
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Trong bài viết, nhóm tác giả mô hình hoá 3D module chip LED, mô hình 3D LED công suất cao trong thực tế và sử dụng công cụ mô phỏng ANSYS Icepak để mô phỏng nhiệt phát sinh từ tấm LED; đánh giá mức độ hiệu quả trong làm mát của một biên dạng cánh tản nhiệt trong thực tế. 2. NỘI DUNG 2.1. Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt Trao đổi nhiệt được tồn tại dưới ba hình thức: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ nhiệt. Quá trình dẫn nhiệt tuân theo định luật Fourier: dT Q  kA (1) dx Trong đó: Q là nhiệt lượng, k là hệ số dẫn nhiệt, A là diện tích mặt cắt ngang (mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt). Quá trình đối lưu nhiệt xảy ra do sự chuyển động của chất lỏng hoặc khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau. Quá trình bức xạ nhiệt tuân theo định luật Stefan-Boltzmann: PR   AT 4 (2) Trong đó: PR là công suất bức xạ nhiệt của vật thể có diện tích bề mặt bức xạ là A, nhiệt độ T (oK),   5,67.106W / m2 K 4 là hệ số Stefan-Boltzmann, tham số  biểu thị độ lớn của sự bức xạ xảy ra ở mặt ngoài của vật. Như vậy, để phân tích nhiệt tấm LED công suất, tham số đầu vào cơ bản là hệ số dẫn nhiệt k của các vật liệu cấu tạo lên chip LED. Quy trình mô phỏng nhiệt được thể hiện như hình 1. Các bước bao gồm mô hình hoá, nhập thông số vật liệu và các thông số liên quan, chia lưới và giải với phần mềm mô phỏng ANSYS Icepak, phân tích nhiệt phân bố và tối ưu tản nhiệt, quá trình làm mát. Mô hình hoá chip LED, Nhập thông số Chia lưới Xuất đồ thị Thay đổi biên module LED, vật liệu, thông mô hình phân bố dạng cánh tản tấm panel số môi trường và giải nhiệt nhiệt và làm mát LED Nhập công suất tiêu thụ của đèn LED Hình 1. Quy trình mô phỏng nhiệt cho tấm LED công suất cao 2.2. Mô phỏng nhiệt tấm LED công suất cao Quá trình mô phỏng nhiệt tấm LED công suất cao được thực hiện với 2 trường hợp khác nhau: Trường hợp mô phỏng nhiệt tấm LED với tản nhiệt dạng thanh nhôm dài và trường hợp tấm LED với tản nhiệt dạng cánh. Điều kiện biên chung cho cả 2 trường hợp: - Nhiệt độ môi trường: 25oC; - Đối lưu không khí kiểu rối; - Số lần giải lặp: 100; - Sai số lưới cho phép: 10-8; - Công suất tiêu thụ: mỗi LED tiêu thụ công suất 1W, module LED gồm 2 LED đỏ với 152 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH vật liệu chế tạo chip LED là InGaN và 1 LED xanh với vật liệu chế tạo chip LED là AlGaAs. Cấu tạo các thành phần của LED bao gồm các thành phần được thể hiện ở hình 2. Trong đó thành phần LED chip là bộ phận phát nhiệt chính, phần tản nhiệt bao gồm đế tản nhiệt và đế nhôm. Hình 2. Cấu tạo và hình ảnh 3D của LED Thông số vật liệu của chip LED xanh và đỏ được tham khảo trong tài liệu [6] và được tổng hợp theo bảng 1. Hệ số dẫn nhiệt của chip LED màu xanh là 130W/mK, của LED màu đỏ là 91W/mK. Bảng 1: Mô hình chip LED và thông số vật liệu của chip LED Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt dung Khối lượng Vật liệu W/mK riêng J/kg K riêng g/cm3 LED chip xanh InGaN 130 490 6,17 LED chip đỏ AlGaAs 91 490 6,17 MPCB Al 235 900 2,7 Các thông số vật liệu được nhập trực tiếp vào phần mềm Icepak là các điều kiện biên cho quá trình mô phỏng. Hình 3. Nhập thông số vật liệu chip LED và vận tốc gió trong ANSYS Icepak Trƣờng hợp 1: Mô phỏng nhiệt tấm LED khung chữ nhật; các thanh LED được cấu tạo từ các module LED trên đế nhôm tròn. Module được gắn trên các thanh nhôm và đóng khung thành dạng hộp với kích thước 1700 mm x 600 mm như hình 4. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 153
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 4. Thiết kế và hình ảnh thực tế của tấm LED khung chữ nhật Trên cơ sở mô hình thực tế, nhóm tác giả mô hình hoá lại các chip LED, module LED trên phần mềm thiết kế 3D, từ đó đưa thông số đầu vào mô phỏng là thông số vật liệu các thành phần cấu tạo lên chip LED và toàn bộ tấm LED. (a) (b) Hình 5. Mô hình hoá trong phần mềm ANSYS Icepak a) Module LED b) Tấm LED hoàn thiện Bài toán 2: Mô phỏng nhiệt tấm LED dạng thanh dài (LED tube) được cấu tạo từ các chip LED đơn và được tản nhiệt từ tấm nhôm có các cánh tản nhiệt. Kích thước tấm nhôm: 1200 x 22 x 1,6mm; tấm nhôm tản nhiệt có vật liệu Aluminum 6063 T5 với chiều dài 1200mm, phần trên được che chắn bằng tấm nhựa để tránh bụi, nước. (a) (b) 154 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH (c) (d) Hình 6. Mô hình hoá LED tube trên phần mềm ANSYS Icepak a) Thanh LED b) Hình dạng của tản nhiệt nhôm c) Thanh LED khi chưa có tản nhiệt d) Mô hình hoá thanh LED được lắp trên đế tản nhiệt 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nhiệt phân bố trên tấm LED công suất lớn trong trƣờng hợp 1 Trước tiên nhóm tác giả mô phỏng nhiệt phân bố trên module 3 LED trên đế tản nhiệt nhôm với các tốc độ dòng khí khác nhau theo chiều song song với bề mặt module LED. Thiết lập dòng khí theo chiều song song với mặt phẳng module LED với vận tốc gió lần lượt là 0,2 m/s và 0,05 m/s. (a) Vận tốc gió 0,2m/s) (b) Vận tốc gió 0,05m/s Hình 7. Kết quả phân bố nhiệt trên module LED Với vận tốc gió 0,2 m/s, nhiệt độ phân bố từ 52,2oC đến 56,0oC. Giảm vận tốc gió xuống 0.05 m/s, module giảm hiện tượng đối lưu nhiệt với không khí nên nhiệt độ tăng cao phân bố từ 70,8oC đến 75,2oC. Nhiệt độ tăng khoảng 18oC (35%) so với trường hợp trước. Tiếp theo nhóm tác giả mô phỏng tấm LED công suất hoàn thiện gồm 20 LED được bố trí song song ba hàng như hình 4, vận tốc gió thiết lập là 0,2 m/s song song với bề mặt tấm LED. Kết quả phân bố nhiệt trên tấm LED được thể hiện trên hình 8. Nhiệt độ trên tấm LED phân bố từ 25,2oC đến 54,7oC. Nhiệt độ giảm so với trường hợp module 3 LED do các tấm đế nhôm của module LED được tản nhiệt tiếp qua các thanh nhôm dẫn nhiệt với tiết diện lớn. Các thanh nhôm song song này có tác dụng như tấm tản nhiệt, giúp làm mát toàn bộ các module LED. Hình 8. Kết quả phân bố nhiệt trên tấm LED với tốc độ gió 0,2 m/s theo phương song song với mặt phẳng tấm LED Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 155
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 9. Kết quả phân bố nhiệt trên tấm LED với tốc độ gió 0.2 m/s theo phương vuông góc với mặt phẳng tấm LED Luồng khí có phương vuông góc với mặt phẳng tấm LED sẽ tạo phân bố nhiệt tương đối đồng đều, nhiệt độ cao vẫn tập trung tại các khu vực có module LED với dải nhiệt phân bố từ 25,2oC đến khoảng hơn 40oC. Cuối cùng, nhóm tác giả thay đổi cách bố trí các module LED trên các thanh nhôm song song. Xét trường hợp luồng khí có vận tốc 0,2 m/s vuông góc với mặt phẳng tấm LED, có thể thấy nhiệt độ tối đa phân bố trên tấm LED đã giảm so với trường hợp trên. Phân bố nhiệt được thể hiện trên hình 10 với nhiệt độ phân bố từ 26,3oC đến 31,4oC. Hình 10. Kết quả phân bố nhiệt trên tấm LED sau khi thay đổi cách bố trí Nhiệt độ tối đa trên các chip LED giảm khoảng 8oC, phân bố nhiệt đồng đều hơn so với trường hợp phân bố ba thanh LED. Điều này có thể giải thích do khoảng cách giữa các module LED tăng lên, làm giảm hiệu ứng bức xạ nhiệt. Số liệu kết quả mô phỏng thu được được thể hiện trên bảng 2. Bảng 2: Tổng hợp số liệu mô phỏng trường hợp 1 Nhiệt độ min (oC) Nhiệt độ max (oC) Chênh lệch nhiệt độ (oC) Bố trí module 25,2 40,0 14,8 LED 3 thanh Bố trí module 26,3 31,4 5,1 LED 2 thanh So sánh Nhiệt độ tương đương Nhiệt độ giảm Phân bố nhiệt đồng đều hơn 3.2. Nhiệt phân bố trên tấm LED công suất lớn trong trƣờng hợp 2 Trường hợp này, nhóm tác giả tiến hành mô phỏng một thanh LED gồm 18 chip LED (LED tube) như hình 6 và so sánh phân bố nhiệt độ khi chỉ tản nhiệt bằng tấm nhôm mạch in và khi có thêm tấm nhôm với các cánh tản nhiệt. 156 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 11. Kết quả phân bố nhiệt trên thanh LED tube Hình 12. Kết quả phân bố nhiệt trên thanh LED tube khi gắn tấm tản nhiệt Kết quả phân bố nhiệt hình 11 và hình 12 cho thấy, nhiệt độ tối đa trên thanh LED giảm khoảng 10oC (19,4%) khi gắn thêm tấm tản nhiệt với biên dạng cánh như hình 6d. a) Không có nắp nhựa bảo vệ b) Có nắp nhựa bảo vệ Hình 13. Kết quả phân bố nhiệt trên thanh LED tube Kết quả phân bố nhiệt hình 13 cho thấy ảnh hưởng của tấm nhựa bảo vệ. Tác dụng của tấm nhựa là tránh các tác nhân môi trường tác động đến LED nhưng đồng thời cũng ảnh hưởng đến quá trình bức xạ nhiệt và đối lưu tự nhiên của chip LED. Trường hợp không có nắp nhựa, tốc độ gió 0,05m/s, nhiệt độ cao nhất ở chip LED (44,8oC) và giảm nhanh chóng ở tấm tản nhiệt (41oC). Trường hợp có thêm nắp nhựa bảo vệ, nhiệt độ cao nhất ở chip LED (44,8oC), tấm tản nhiệt có nhiệt độ cao hơn khoảng 1oC so với trường hợp không có nắp bảo vệ (42÷43oC). Khi tốc độ gió tăng lên, đối lưu xảy ra mạnh hơn, nhiệt độ chênh lệch giữa 2 trường hợp sẽ thể hiện rõ rệt. 4. KẾT LUẬN Bài viết đưa ra quy trình mô phỏng nhiệt cho tấm LED với các trường hợp thay đổi tốc độ gió với các chiều và tốc độ gió khác nhau; trường hợp bố trí lại các module LED; trường hợp sử dụng thêm tấm tản nhiệt ngoài với biên dạng cánh tản nhiệt thực tế để tối ưu hiệu suất tản nhiệt. Với module gồm 3 LED trên đế tản nhiệt nhôm, khi tốc độ gió giảm từ 0,2m/s xuống 0,05m/s. Với tấm LED hoàn chỉnh, nhiệt độ tối đa tăng gần 35% từ 56oC lên 75,2oC; khi thay đổi cách bố trí LED, nhiệt độ tối đa giảm 21,5% từ 40oC xuống 31,4oC. Với LED tube, nhiệt độ tối đa giảm 19,4% từ 55,6oC xuống 44,8oC khi gắn thêm tấm tản nhiệt ngoài; với tốc độ gió 0.05m/s theo phương vuông góc mặt phẳng thanh LED, trường hợp thanh LED có tấm nhựa bảo vệ, phân bố nhiệt độ trung bình tăng khoảng 1oC so với trường hợp không có Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 157
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH lớp nhựa bảo vệ. Công cụ mô phỏng ANSYS Icepak cho phép nhanh chóng đưa ra các kết quả với nhiều kịch bản khác nhau liên quan đến tản nhiệt cho tấm LED công suất cao. Từ đó, giúp các nhà thiết kế đưa ra được các quyết định về khoảng cách tối ưu, cách bố trí hợp lý giữa các module LED, lựa chọn biên dạng cánh tản nhiệt thích hợp. Quá trình mô phỏng sau thiết kế rất quan trọng giúp giảm chi phí khi tiến hành chế tạo. LỜI CẢM ƠN: Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Điện – Điện tử, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tư vấn, hỗ trợ về kỹ thuật, cám ơn Công ty Cổ phần Công nghệ Tiên Tiến đã hỗ trợ cung cấp công cụ phần mềm bản quyền phục vụ mô phỏng các trường hợp trong bài báo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. ANSYS Advantage V11 Issue 2, 2017. [2]. Hui Huang Cheng, De-Shau Huang, Ming-Tzer Lin (2012), ―Heat dissipation design and analysis of high power LED array using the finite element method‖, Proceedings of Microelectronics Reliability, Vol 52, 905-911 [3]. Ay Su, S.Y. Chen, & Y.C. Lin., (2010). ―A Study of an LED Backlight Thermal‖, Module Proceedings of Heat Transfer Asian Research, Vol 39, 8 [4]. Chen H., Lu Y., Gao Y., Zhang H., & Chen Z., (2009). ―The performance of compact thermal models for LED package‖. Proceedings of Thermochimica Acta, Vol 488, 33–38. [5]. Tsai, M.-Y., Tang, C.-Y., Zheng, C.-E., Tsai, Y.-Y., & Chen, C.-H. (2016). ―Thermal Analyses of LED Light Bars and Backlight Modules‖. Journal of Mechanics. [6]. Young-Tae Bang, Cheol-Hee Moon (2013), ―Estimation of heat dissipation through the interchip structure for a multichip light-emitting diode package via simulation‖, Journal of Information Display, Vol. 14:1, pp. 21-26. Modeling and thermal simulation of high power LED panels for optimization heat dissipation Tien Sy Nguyen, Thi Chuc Ha Hanoi University of Mining and Geology Abstract: LED technology is widely applied in human life. Currently, with the development of science and technology, lamps are not only used to bring light to people but also used for bactericidal purposes or applied to the field of indoor tissue culture. High- power LED systems generate heat during operation, so it is necessary to use natural or forced heat dissipation methods. The problem of calculating, simulating heat and optimizing heat dissipation for high-power LED panels or more is extremely important. In the article, the authors use the model of LED panels in practice by Rang Dong company to model and simulate heat using ANSYS Icepak software, to evaluate the level of heat generation and cooling capacity of the heatsink plate. Simulation results can help engineers to design high- power LED panels evaluate the temperature of LED panels before putting them into operation, optimizing heat dissipation, thereby achieving the highest heat dissipation efficiency, reducing the power consumption of other cooling devices. Keywords: Lighting, heatsink, thermal simulation, LED panel, high power 158 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.