M1 ve M2 kategorisinde tanımlanan yol aydınlatma sınıflarına uygun ve yüksek verimli LED'li yol aydınlatma armatür modellerinin tasarımı ve termal analizi
Design and thermal analysis of high efficiency LEDs for street illumination armatures in M1 and M2 categories
Yazar: BURCU ÇİÇEK
Danışman: PROF. DR. NECMETTİN ŞAHİN
Aksaray Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Işık yayan diyotlar (LED'ler) elektrik enerjisini doğrudan ışık enerjisine dönüştüren yarı-iletken cihazlardır. Bununla birlikte LED'ler kendisine uygulanan elektrik enerjisinin ancak % 20'sini ışık enerjisine dönüştürebilmektedir. Geri kalan enerji ısı enerjisine dönüşerek LED çiplerinde yüksek sıcaklığa sebep olmaktadır. LED'lerde oluşan yüksek ısı akısı, LED'lerin ömür, kararlılık ve güvenirliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Özellikle yüksek güçlü LED'lerde jonksiyon sıcaklığını izin verilen sınırın altında tutmak şarttır. Bu nedenle LED paketlerinin etkili termal yönetimi LED'lerin performansını geliştirmek açısından önemlidir. 
Bu tez çalışmasında, sokak aydınlatmasında kullanılmak üzere yüksek güçlü LED paketlerinin ve bu LED'lerde oluşan ısıyı uzaklaştırmak amacıyla ısı borulu soğutucu plakanın tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan LED paketine entegre edilen ısı borulu soğutucu plaka ve kanatçıkların termal davranışları ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak simüle edilmiştir. Tasarımda U-tipi silindirik bakır ısı boruları kullanılmıştır. İlk olarak soğutucu plaka üzerinde bulunan kanatçıkların optimum boyutları belirlenmiştir. İkinci olarak, farklı sayı, çap ve uzunluklarda ısı boruları için termal analiz yapılmış ve optimum değerler elde edilmiştir. Sonrasında, LED paketlerin bileşenleri olarak kullanılacak uygun malzemeler belirlenmiştir. Son olarak LED çip hacminin maksimum sıcaklık üzerindeki etkisini belirlemek için dört farklı çip hacmine sahip yüksek güçlü LED modelleri kullanılarak termal analizler yapılmıştır. Akışın sürekli rejimde ve sıkıştırılamaz olduğu varsayılarak her bir LED modeli için farklı türbülans modellerinin ve duvar yaklaşımlarının etkileri değerlendirilmiştir. ANSYS Fluent programında yapılan analizlerin doğrulanması için deneysel bir düzenek oluşturulmuş ve sistemin belirli noktalarında sıcaklık ölçümleri alınmıştır. Deneysel ölçümlerden elde edilen sonuçlar sayısal sonuçlarla uyumlu çıkmıştır.

Abstract:
Light emitting diodes (LEDs) are solid state semiconductor devices that directly convert electrical energy into light energy. However, LEDs convert only about 20% of the applied electric energy to light energy. The remaining energy is converted into heat energy, causing high temperatures in the LED chips. High heat fluxes in the LEDs limit the reliability, stability and lifetime of them. Especially in high power LEDs, it is necessary to keep the junction temperature below the allowable limit. So, effective thermal management of the LED package is critical to improve LED performance.
In this thesis, LED packages were designed to be used in street lighting. In order to remove the heat generated from the LEDs, a heat sink heat pipe geometry was designed and modeled. Thermal behavior of the heat sink heat pipe model with fins integrated into the LED packages are simulated using the ANSYS Fluent software. U-shaped cylindrical copper heat pipes are used in the design. Firstly, the optimum dimensions of the fins on the heat sink were determined. Secondly, thermal analyses were performed for different numbers, diameters and lengths of heat pipes and optimum values were obtained. Afterwards, suitable materials to be used as components of LED packages were determined. Finally, thermal analyses were performed using high power LED models with four different chip volumes to determine the effect of the LED chip volume on the maximum temperature. The effects of different turbulence models and wall approaches were evaluated by assumed continuous conditions and incompressible flow conditions for each LED model. An experimental set up was established for the verification of analyzes performed at ANSYS Fluent and temperature measurements were taken at certain points of the system. The experimental results were consistent with the numerical results.