Yüksek güçlü LED'lere yönelik termoelektrik modül ve ısı borulu hibrit soğutma ünitesinin geliştirilmesi
Development of hybrid cooling unit with thermoelectric module and heat pipe for high power LEDs
Yazar: EMRE ÜRÜN
Danışman: PROF. DR. NECMETTİN ŞAHİN
Aksaray Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Birçok avantaja sahip olan LED'ler tükettikleri elektrik enerjisinin yaklaşık %20'sini ışık enerjisine dönüştürebilirken, enerjinin geriye kalan %80'lik kısmı ise ısı enerjisi olarak açığa çıkmaktadır. LED'lerden optimum verim alınması ve LED'in kullanım ömrünün uzun olması, ortamdaki ısının uzaklaştırılmasıyla doğru orantılıdır. LED'lerin bilhassa yüksek ışık akısı gereken alanlarda kullanımı söz konusu olduğunda, ortamdan ısının uzaklaştırılmasına yönelik sistemlerin kullanımı zorunlu hale gelmektedir.
Yüksek güçte LED'li aydınlatma sistemlerinde ısıl problemlerin çözümü için tek soğutma yönteminin yetersiz kaldığı durumlar için birden fazla soğutma sisteminin entegre edilmesi kaçınılmaz hale gelmektedir. Bu amaçla öncelikle ısı borulu soğutucu ve termoelektrik modüllü soğutucu olmak üzere iki farklı model tasarlanmıştır. Daha sonra bahse konu iki soğutucuyu üzerinde barındıran hibrit soğutma sistemi tasarlanmıştır. Hibrit soğutma sistemi ısı borusu öncelikli ve termoelektrik modül öncelikli olmak üzere iki farklı tasarımdan oluşmaktadır. Tasarlanan modellerin LED soğutma performansları nümerik analiz ve deneysel ölçümlerle incelenmiştir. Çalışmanın nümerik kısmında öncelikle tasarımı yapılan dört farklı soğutucu modelin HAD analizleri yapılmıştır. Elde edilen HAD simülasyon sonuçları deneysel testlerle desteklenerek sistem doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Böylelikle farklı iki soğutma yönteminin birlikte kullanılması durumunda sistemin uyumluluk ve performansı belirlenmiştir. Soğutucu modeller arasında en düşük jonksiyon sıcaklığı, dolayısıyla en iyi soğutma performansı termoelektrik modül öncelikli hibrit soğutma ünitesinde elde edilmiştir.

Abstract:
While LEDs, which have many advantages, can convert about 20% of the electrical energy they consume into light energy, the remaining 80% of the energy is released as heat energy. Optimum efficiency from LEDs and long service life of LEDs are directly proportional to the removal of heat from the environment. When it comes to the use of LEDs, especially in areas where high luminous flux is required, the use of systems for removing heat from the environment becomes mandatory.
It becomes inevitable to integrate more than one cooling system for cases where a single cooling method is insufficient for the solution of thermal problems in high power LED lighting systems. For this purpose, two different models were designed, primarily a heat pipe cooler and a thermoelectric module cooler. Then, a hybrid cooling system was designed, which includes the two coolers in question. The hybrid cooling system consists of two different designs: heat pipe priority and thermoelectric module priority. The LED cooling performances of the designed models were investigated by numerical analysis and experimental measurements. In the numerical part of the study, CFD analyzes of four different cooler models were made. The obtained CFD simulation results were supported by experimental tests and system validation was carried out. Thus, the compatibility and performance of the system were determined when two different cooling methods are used together. Among the cooler models, the lowest junction temperature and therefore the best cooling performance were obtained in the thermoelectric module priority hybrid cooling unit.