Abstract
A dissipateur de chaleur caloduc Ce système a été développé pour répondre aux exigences de refroidissement du flux thermique élevé d'un projecteur LED haute puissance de 4 000 W. Le radiateur mesure 350 mm × 350 mm × 120 mm et est équipé de 40 éléments de diamètre 9.5 mm. caloducUne plaque de base en cuivre de 12 mm d'épaisseur sert de caloporteur à la source de chaleur. Un brasage par refusion de pâte à braser assure une connexion thermique étanche entre les caloducs, la plaque de base et les ailettes. Le refroidissement par air forcé est assuré par trois ventilateurs axiaux Sanyo 9038 tournant à 5 500 tr/min. Les simulations thermiques et les mesures expérimentales montrent que la température de la LED peut être maintenue stablement à 67.5 °C sous une température ambiante de 35 °C, ce qui répond aux exigences de température de fonctionnement fiable à long terme des LED haute puissance. Cette solution fournit des références de conception pour les systèmes de gestion thermique des LED haute puissance d'extérieur de puissance équivalente à un kilowatt. Éclairage LED sources.
Mots clés: LED haute puissance ; projecteur de 4 000 W ; dissipateur thermique à caloduc ; plaque de base en cuivre ; refroidissement par air forcé ; soudure à la pâte à braser
1 Présentation
Avec le développement des projecteurs longue portée et des systèmes d'éclairage spéciaux, la puissance des sources lumineuses LED ne cesse d'augmenter, et les projecteurs LED haute puissance de 4 000 W sont désormais largement répandus. Environ 65 % de l'énergie électrique consommée par les LED haute puissance est convertie en chaleur pendant leur fonctionnement. Si cette chaleur ne peut être dissipée rapidement, la température des puces LED augmente brusquement, ce qui entraîne une forte atténuation de la lumière, une durée de vie réduite, voire, dans les cas les plus graves, la destruction définitive des LED.
Les dissipateurs thermiques traditionnels en aluminium extrudé sont lourds et présentent une faible uniformité de température. Les simples plaques de cuivre ne permettent pas une surface de convection suffisante pour dissiper la chaleur sous une charge thermique élevée de 4 000 W. Les caloducs possèdent une conductivité thermique équivalente extrêmement élevée, ce qui permet de transférer rapidement la chaleur localisée à l'ensemble des ailettes. Cet article présente un radiateur à caloducs refroidi par air forcé, doté d'une base en cuivre épaisse et d'un réseau de plusieurs caloducs. Le soudage à la pâte à braser réduit la résistance thermique interfaciale. Associé à une convection forcée renforcée par des ventilateurs, ce système assure un contrôle stable de la température des LED.
2. Schéma général de conception du dissipateur thermique
2.1 Paramètres d'entrée de conception
1. Puissance de la source lumineuse : projecteur LED de 4000 W
2. Température ambiante : Ta=35 ℃
3. Température cible de la LED : Tc = 67.5 °C
4. Dimensions hors tout du dissipateur thermique : 350 mm × 350 mm × 120 mm
5. Méthode de refroidissement : Refroidissement par caloduc et ailettes à air pulsé
6. Surface de contact avec la source de chaleur : plaque de base en cuivre de 12 mm d’épaisseur
7. Spécifications du caloduc : caloduc circulaire de 9.5 mm de diamètre, quantité : 40 pièces
8. Configuration du ventilateur : ventilateur axial Sanyo 9038, vitesse de rotation : 5 500 tr/min
9. Processus d'assemblage : Soudage à la pâte à braser entre les caloducs, la plaque de base en cuivre et les ailettes de refroidissement
2.2 Schéma structurel
Le dissipateur thermique se compose de quatre éléments : une plaque de base en cuivre, un réseau de caloducs, des ailettes de refroidissement en aluminium et un support de montage pour ventilateur.
1. Plaque de base en cuivre de 12 mm d'épaisseur : le cuivre possède une conductivité thermique bien supérieure à celle de l'alliage d'aluminium et une excellente uniformité de température. Il concentre la chaleur des modules LED et évite les points chauds. Des trous sont prévus sur la plaque de base pour l'installation du caloduc.
2. Réseau de caloducs de 9.5 mm de diamètre (40 unités) : Chaque caloduc est intégré à une plaque de base en cuivre à une extrémité, et traverse des ailettes en aluminium à l’autre extrémité. La chaleur est transférée rapidement de la plaque de base en cuivre aux ailettes multicouches en aluminium par l’intermédiaire des caloducs, ce qui augmente la surface d’échange thermique.
3. Ailettes en aluminium haute densité : les ailettes sont soudées aux caloducs avec de la pâte à braser, éliminant les espaces d’air entre les caloducs et les ailettes et réduisant la résistance thermique de contact.
4. Ventilateurs haute vitesse Sanyo 9038 : Les ventilateurs haute vitesse à 5500 tr/min génèrent un flux d'air forcé balayant les surfaces des ailettes pour évacuer la chaleur.
2.3 Choix du procédé de soudage
Le radiateur est réalisé par brasage par refusion de pâte à braser. Comparé à l'assemblage par compression traditionnel avec du silicone thermoconducteur, le brasage par pâte à braser crée une liaison métallurgique entre la paroi externe des caloducs, la plaque de base et les ailettes, réduisant ainsi considérablement la résistance thermique interfaciale. L'absence de vieillissement de l'interface et de dégradation des performances thermiques, même en fonctionnement prolongé à haute température, le rend parfaitement adapté aux applications nécessitant un fonctionnement continu et prolongé de LED haute puissance.
3. Analyse théorique thermique préliminaire
Selon l'efficacité de conversion photoélectrique des LED, la charge thermique sous une puissance d'entrée de 4000 W est d'environ 2600 W.
Élévation de température admissible : ΔT = 67.5 °C – 35 °C = 32.5 °C
Résistance thermique globale moyenne admissible du système :
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 °C/W
La résistance thermique totale du système de refroidissement comprend quatre parties :
1. Résistance thermique de contact entre le module LED et la plaque de base en cuivre
2. Résistance thermique de conduction de la plaque de base en cuivre
3. Résistance à la conduction thermique des caloducs + résistance thermique interfaciale entre les caloducs et les ailettes
4. Résistance thermique par convection entre les ailettes et l'air
La résistance thermique globale du système est contrôlée dans les limites de conception en épaississant la plaque de base en cuivre pour une meilleure uniformité de température, en répartissant la charge thermique via plusieurs caloducs, en réduisant la résistance thermique interfaciale grâce au soudage à la pâte à braser et en améliorant la convection avec des ventilateurs à grande vitesse, afin d'atteindre la température cible.
4 Résultats de simulation et de test
Les tests thermiques en régime permanent sont réalisés à une température ambiante constante de 35 ℃ :
1. Après 60 minutes de fonctionnement stable, la température de la plaque de base LED se stabilise à 67.5 ℃, répondant à l'objectif de conception.
2. La différence de température de surface de la plaque de base en cuivre de 12 mm est inférieure à 4 ℃. Quarante caloducs répartissent efficacement la charge thermique sans points chauds locaux apparents.
3. Un test comparatif avec un dissipateur thermique en aluminium massif de même taille montre que la température de la LED dépasse 82 ℃ dans des conditions identiques, ce qui vérifie les avantages du schéma de caloduc.
4. Un test de vieillissement continu de 72 heures est réalisé. Aucune dérive de température n'est observée ; l'interface de soudure de la pâte à braser reste stable sans dégradation des performances thermiques.
5 avantages du programme
1. Plaque de base en cuivre de 12 mm d'épaisseur : Excellente uniformité de température, adaptée aux sources de chaleur LED de grande surface et empêchant la surchauffe locale des modules.
2. Réseau de 40 caloducs de Φ9.5 mm : Canaux de conduction thermique abondants pour une dispersion rapide des sources de chaleur concentrées, brisant la limite de transfert de chaleur de la conduction du métal solide.
3. Procédé de soudage à la pâte à braser : Faible résistance thermique interfaciale avec une fiabilité à long terme supérieure par rapport à l'assemblage par pression et aux solutions de remplissage en silicone.
4. Ventilateurs haute vitesse Sanyo 9038 : Débit d’air et pression statique élevés, le flux d’air peut pénétrer les matrices d’ailettes denses, adapté aux environnements extérieurs à forte poussière et à haute température. 5. Dimensions compactes de 350 × 350 × 120 mm : Permet la dissipation de chaleur pour une puissance élevée de 4 000 W dans un espace d’installation limité, répondant aux contraintes d’assemblage du projecteur complet.
6. Limitations et pistes d'optimisation
1. La plaque de base en cuivre est relativement lourde. Si le poids est un critère essentiel, une solution avec une plaque de base composite cuivre-aluminium peut être évaluée par simulation en vue d'une optimisation ultérieure.
2. Les ventilateurs à grande vitesse (5 500 tr/min) génèrent un bruit relativement élevé. Pour les applications nécessitant un faible niveau sonore, la régulation de vitesse par modulation de largeur d'impulsion (PWM) permet de réduire la vitesse de rotation et le bruit à température ambiante normale.
3. En extérieur, l'accumulation de poussière sur les ailettes réduit progressivement leur capacité de dissipation thermique. Un simple filet anti-poussière peut être ajouté pour faciliter l'entretien régulier.
Conclusion 7
Cet article présente la conception d'un radiateur à caloducs à refroidissement par air forcé, destiné à un projecteur LED haute puissance de 4 000 W. Ses dimensions globales sont de 350 mm × 350 mm × 120 mm. Il est constitué d'une plaque de base en cuivre de 12 mm d'épaisseur et de 40 caloducs de 9.5 mm de diamètre, soudés à la pâte à braser. Ce radiateur est associé à des ventilateurs Sanyo 9038 tournant à 5 500 tr/min. À une température ambiante de 35 °C, la température des LED est maintenue stable à 67.5 °C, garantissant ainsi un fonctionnement stable et durable des LED haute puissance.
Ce radiateur se caractérise par une structure compacte, d'excellentes performances de dissipation thermique et une grande fiabilité à long terme. Il répond aux besoins de refroidissement des projecteurs LED extérieurs haute puissance et peut servir de référence pour la conception de la gestion thermique d'équipements d'éclairage spéciaux de puissance similaire (exprimée en kilowatts).
