## PERANCANGAN HEATSINK UNTUK  LAMPU LED MENGGUNAKAN SIMULASI  CFD
Rini Anggraini 1) ; Andi F. Sudarma 2) ; Popy Yuliarty 3) ; Fajar V.Enriko 4)
1,2,4) Prodi Teknik Mesin, Universitas Mercu Buana, jl.Meruya Selatan No.1 Kembangan Jakbar
3) Prodi Teknik Industri, Universitas Mercu Buana, jl.Meruya Selatan No.1 Kembangan Jakbar rini_anggraini@mercubuana.ac.id
Abstrak ,  Artikel  ini  menampilkan  hasil  studi  secara  numeric  dari heatsink yang  digunakan  untuk  melepaskan panas dari lampu LED secara konveksi alami. Heatsink terdiri dari tapak lempengan yang berbentuk lingkaran dan terhubung dengan sirip / fin pada salah satu sisinya.Secara umum, aliran dari fluida pada heatsink bergerak secara konveksi  alami  dimana  udara  yang  lebih  dingin  mengalir  masuk  kedalam  bagian  fin  yang  lebih  panas  dan mengalir  keluar  menuju  ujung-ujung  sirip.  Pada  simulasi  ini  terdapat  3  buah  heatsink  dengan  bentuk  yang berbeda  (yaitu  bentuk  persegi,  bentuk  pin  dan  bentuk  trapesium)  dipelajari  secara  numeric  menggunakan perangkat  lunak Solidworks untuk  mengetahui  laju  pendinginan  yang  paling  efektif.  Hasil  simulasi  thermal menunjukkan bahwa desain heatsink dengan sirip trapesium  menunjukkan temperature maksimal  yang terendah yaitu  71,1025 o C,    sehingga  desain  yang  direkomendasikan  untuk  aplikasi  dengan  konveksi  alami  adalah  sirip trapesium.  Luas  area  permukaan  bentuk trapesium  lebih  besar  dibandingkan  dengan  bentuk  persegi  dan  bentuk pin, yang mempengaruhi efisiensi perpindahan panas pada heatsink
Kata Kunci: Perpindahan panas, Heat Sink , CFD, LED, Solidworks Thermal Analysis

## PENDAHULUAN
Industri Lighting dan Elctrical  Part saat ini  semakin  berkembang  dan  saling  bersaing untuk meningkatkan kualitas produk dan desain produk yang menarik untuk kebutuhan interior, arsitektur dan kebutuhan-kebutuhan penggunaan  pencahayaan  lainnya.  Pada  masa sekarang  lampu  LED ( light  emitting  diode ) sudah  banyak  digunakan  untuk  keperluan rumah  tangga  sampai  dengan  industri.  LED untuk  keperluan  rumah  tangga  lebih  cenderung kepada kebutuhan penerangan, misalnya lampu untuk  penerangan  ruangan  sedangkan  pada industri  diterapkan  barang-barang  elektronik dan otomotif, misalnya untuk layar televisi dan pada  lampu  kendaraan.    Meskipun  harganya relatif  mahal,  namun  lampu  LED  sangat diminati  oleh  masyarakat  dikarenakan  hasilnya lebih  terang  dan  penggunaan  dayanya  sangat rendah sehingga dapat lebih menghemat  energi listrik.
Jenis lampu LED yang banyak digunakan  untuk  penerangan  menggunakan jenis Chip On Board (COB), karena mempunyai  cahaya  yang  terang  dan  tegangan rendah.  Lampu  LED menghasilkan panas  yang berasal dari chip lampu LED. Timbulnya panas akan mengakibatkan performa dari lampu LED tersebut  menurun,  bahkan  pada  tingkat  yang lebih  serius  dapat  mengakibatkan  lampu  LED tersebut  mengalami  kerusakan.  Untuk  menjaga
agar  performa  lampu  LED  tetap  baik  ada  tiga cara  di  mana  suhu  junction  dapat  dikurangi yaitu,  pertama  adalah  dengan  membatasi pembentukan  panas  dalam  chip  LED,  tanpa mengorbankan  penerangan,  kedua  dengan mengadopsi  heatsink  yang  efisien  termal  dan ketiga  dengan  mengurangi  ketahanan  termal dari  sistem.  Dalam  bahasan  ini  akan  memilih cara  kedua  yaitu,  proses  pembuangan  panas dengan  menggunakan heatsink ,  sedangkan efektifitas  heatsink  tergantung  dari  jenisnya. Jenis heat  sink yang  sering  digunakan  adalah heatsink jenis Extruded . Bahasan ini cenderung untuk  mengetahui  karakteristik heatsink yang telah  di  desain  menggunakan  metode  Finite Element Analysis  (FEA).  Harapan  pada bahasan  ini  bisa  mengetahui  desain  sirip pendingin  heatsink    yang  mampu  menyalurkan panas  dengan  baik. Heatsink adalah  alat  untuk menyerap  atau  membuang  panas  secara  efektif (energi  panas)  dari  lingkungan  sekitar  (udara) menggunakan permukaan yang diperluas seperti  sirip  dan  duri. Heatsink digunakan dalam  berbagai  aplikasi  di  mana  pembuangan panas  yang  efisien  diperlukan;  contoh  utama termasuk  pendinginan,  mesin  panas,  dan pendinginan  perangkat  elektronik.  Desain heatsink yang  paling  umum  adalah  perangkat logam  dengan  banyak  sirip  pendingin,  yang disebut sebagai array sirip.
Kinerja heatsink ditingkatkan  dengan meningkatkan  baik  konduktivitas  termal  sirip, luas permukaan sirip, atau koefisien perpindahan  panas.  Profil  sirip  longitudinal meliputi  sirip  persegi  panjang,  segitiga,  dan parabola.  Profil  persegi  panjang  adalah fundamental  dan  banyak  digunakan  terutama dengan  arraymulti-sirip.  Optimalisasi  dari kedua  fin  dan multiple-finarray dengan konveksi  paksa  dan  konveksi  alami  di  sini disajikan  secara  rinci  untuk  profil  persegi panjang. Akhirnya, array sirip radial didiskusikan dengan contoh desain.
Ada beberapa karakteristik heatsink : 1.  Luas  area heatsink akan  menyebabkan dispasi panas menjadi lebih baik karena akan memperluas  area  pendinginan  yang  dapat mempercepat proses pendinginan yang dapat mempercepat  proses  pembuangan  panas yang diserap oleh heatsink.
2.  Bentuk  aerodinamik  yang  baik  dapat mempermudah aliran udara panas agar cepat dikeluarkan  melalui  sirip-sirip  pendingin. Khususnya  pada heatsink dengan  jumlah sirip banyak  tetapi dengan  jarak  antara  sirip berdekatan akan membuat aliran udara tidak sempurna  sehingga  perlu  ditambahkan sebuah  kipas  untuk  memperlancar  aliran udara pada jenis heatsink tersebut.
3.  Transfer  panas  yang  baik  pada  setiap heatsink juga akan mempermudah pelepasan panas dari sumber panas ke bagian sirip-sirip pendingin.  Desain  sirip  yang  tipis  memiliki konduktivitas yang lebih baik.
4.  Desain  permukaan  dasar heatsink sampai pada tingkat kedataran yang tinggi sehingga dapat  menyentuh  permukaan  sumber  panas lebih  baik  dan  merata.  Hal  ini  dapat menyebabkan penyerapan panas lebih baik,tetapi  untuk  menghindari  resistansi dengan  sumber  panas  heatsink  tetap  harus menggunakan  suatu  pasta  atau thermal compound agar permukaan sentuh juga lebih merata.
Gambar 1 . Gambar skematik pendinginan
lampu LED

## METODE
Dunia  industri  selalu  mencari  teknologi terbaru untuk meningkatkan kinerja pendinginan  pada  heat  sink  dengan  biaya rendah. CFD ( Computational Fluid Dynamics ) adalah salah satu solusi dalam mensimulasikan laju  perpindahan  panas  guna  mendapatkan desain  yang  optimal.  Berdasarkan  analisa produk  yang  sudah  banyak  ada  dipasaran, ditemukan  ada  3  model  sirip  yang  berbeda  di setiap desain heatsink yaitu :
1. Model sirip persegi
2. Model sirip pin
3. Model sirip trapesium Dari  data  diatas  maka  dibuat  3D  model heatsink dengan 3 model, yang pertama dengan model  sirip  persegi,  kedua  dengan  sirip berbentuk  pin  atau  bulat,  dan  ketiga  dengan sirip  berbentuk  trapesium.  Pengukuran  jarak kisar  dan  jumlah  sirip  pada  tiap  model  hampir sama, hanya saja berbeda model sirip.Informasi detail  berikut  hasil  3D  model  yang  dibuat menggunakan perangkat lunak Solidworks . Heatsink sirip  persegi  dirancang dengan  sirip  sejajar  melalui  panjang platform dan  tingginya  40  mm,  ketebalan  sirip  adalah  3 mm dan pitch adalah 7.7 mm. Luas permukaan bersih heatsink adalah 68143 mm 2 . Heatsink sirip  pin  atau  bulat  dirancang dengan  sirip  sejajar  melalui  panjang platform dan  tingginya  40  mm,  diameter  sirip  adalah  3 mm dan pitch adalah 7.7 mm. Luas permukaan bersih heatsink adalah 57555 mm 2 .
Sirip heatsink berbentuk  trapesium didesain  dengan  diameter  permukaan  atas sebesar  80  mm  dan  terdapat  13  baris  sirip dengan  sudut  1,5  °  pada  tiap  area  bidangnya. Tinggi  keseluruhan heatsink adalah  45  mm dimana 40 mm adalah panjang sirip dan 5 mm adalah  base  LED,  untuk  jarak  kisar  antar  sirip adalah  6,4  mm  dan  luar  permukaan  bersih adalah 74481 mm2.
Gambar 2 . Heatsink sirip persegi
Gambar 3 . Heatsink sirip pin
Gambar 4 . Heatsink sirip trapezium
Sedangkan material dari kasus perpindahan panas diatas adalah sebagaimana tertulis di dalam Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi material Heatsink Thermal Pad Material alumunium 6063-O Silicone carbide Panas spesifik 900 J/(kg.K) 1004J/(kg.K) Konduktivitas panas 218 W/(m.K)  4.6 W/(m.K) Densitas 2700 kg/m 3 1020 kg/m 3
Pada  tabel  beban  termal,  besar  panas yang dihasilkan oleh lampu LED adalah 20 W dengan  koefisien  konveksi  dari heatsink sebesar  10  W/(m^2.K)  serta  suhu  lingkungan adalah 298° K.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  bagian  ini,  hasil  dari  simulasi  3 buah heatsink dengan  geometri    yang  berbeda disajikan  sebagai  berikut.  Terdapat  tiga  jenis heatsink berdasarkan  geometrinya,  yaitu  sirip atau  fin  persegi,  pin  dan  trapesium.  Proses perpindahan  panas  dari  heatsink  ke  udara dapat  dikategorikan  sebagai  konveksi  bebas, dimana udara mengalir secara alami tanpa ada paksaan/tambahan energy dari luar sistem. Pada  gambar  5  ditampilkan  distribusi dari  panas  yang  dihasilkan  oleh  lampu  LED. Dari  gambar  ini  terlihat  temperatur  tertinggi pada  LED  mencapai  72,87  °C.  Sedangkan pada  gambar  6  dan  7  menampilkan  distribusi panas  dari heatsink berbentuk  pin  dan trapesium  dimana  menunjukkan  temperatur
tertinggi  yaitu  79,2  °C  dan  71,1  °C  secara berurutan.
Pada  tabel  1  terlihat  bahwa  temperature tertinggi  dari  heat  sink  berbanding  lurus dengan  besarnya  luas  permukaan  kontak  heat sink dengan fluida. Semakin besar luas bidang kontak  maka  semakin  rendah  suhu  dari  lampu LED.
Hal  ini  sesuai  dengan  laju  perpindahan konvektif yang merupakan fungsi dari temperature  fluida  dan  permukaan,  kecepatan aliran disekitar permukaan dan area permukaan  yang  berkontak  dengan  fluida .Sehingga  semakin  besar  bidang  kontak  fluida dengan  permukaan  heat  sink  maka  akan semakin  meningkat  laju  perpindahan  panas konfektifnya.
Gambar 5 . Hasil simulasi sirip persegi
Gambar 6 . Hasil simulasi sirip pin.
Gambar 7 . Hasil simulasi sirip trapesium.
Tabel 2 . Pengaruh luas permukaan terhadap temperature maksimum. Tipe Sirip Heatsink Temperatur Maksimal (°C) Luas Area Permukaan (mm 2 ) Persegi 72,8674 68.143 Pin 79,1965 57.555 Trapesium 71,1025 74.481

## KESIMPULAN
Berdasarkan  apa  yang  telah  ditulis  pada  bab- bab  sebelumnya,  serta  hasil  simulasi  analisis termal  pada  tiga  jenis  sirip heatsink yang berbeda, penyusun dapat menyimpulkan sebagai berikut :
1. Pada  gambar  5,  gambar  6,  dan  gambar  7 menunjukkan  hasil  simulasi  termal  dari  3 desain heatsink. Temperatur maksimal pada heatsink dengan  sirip  persegi  adalah 72,8674°  C,  temperatur  maksimal  pada heatsink  dengan  sirip  pin  adalah  79,1965° C,  dan    temperatur maksimal pada  heatsink dengan  sirip  trapesium  adalah  71,1025°  C. Dari  hasil  tersebut  dapat  dilihat  bahwa temperatur  terendah  adalah  desain  heatsink dengan  sirip  trapesium,  maka  jenis  desain sirip heatsink yang direkomendasikan untuk aplikasi  dengan  konveksi  alami  adalah desain sirip trapesium.
2. Nilai  luas  area  permukaan  pada heatsink
jenis  trapesium  lebih  besar  dibandingkan dengan  desain heatsink yang  lain.  Maka dapat disimpulkan bahwa luas area permukaan mempengaruhi efesiensi perpindahan panas pada heatsink.

## DAFTAR PUSTAKA
Hou  Fengze,  Yang  Daoguo,  ZhangGuoqi.
(2011). Thermal  analysis  of  LED lighting systemwith different fin heatsinks .  Journal  of  Semiconductors vol 32. Paul Kurowski. (2015). Thermal Analysis with Solidworks  Simulation  2015  and  Flow Simulation 2015 .
John  Wiley  &  Sons.(2011). Thermal  Design Heat  Sinks,  Thermoelectrics,  Heat Pipes,  Compact  Heat  Exchangers,  and Solar Cells . Canada : New Jersey Mohammad  Mehrali.(2015). Effect  of  specific surface area on convective heat transfer of  graphene  nanoplatelet  aqueous nanofluids .  Experimental  Thermal  and Fluid Science. Vol. 68.
Nanang Ruhyat, Rahmat Wahyudi. (2015). Pengaruh Variasi Diameter Tube Pipe Evaporator Dengan Circular Fins  Terhadap  Pressure  Drops  Aliran Refrigerant Pada Sistem Refrigerasi .Jurnal Sinergi,Jilid 19, Terbitan 1
A.F  Sudarma,  M.H.  Morsy.(2017). Numerical Study  on  Non-Premixed  Air  –  Methane Swirl  Combustor  Flows  Using  RANS
Methode , IOP Conference Series, Materials  Science  and  Engineering
Volume 453,Conference 1