Оптимизация радиатора ретрофитной светодиодной лампы

СВЕТОДИОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 536.253

И. Н. Ивукин, А. Ю. Белов, В. Е. Бугров, А. Р. Ковш, М. А. Одноблюдов, А. Е. Романов

ОПТИМИЗАЦИЯ РАДИАТОРА РЕТРОФИТНОЙ СВЕТОДИОДНОЙ ЛАМПЫ

Исследовано влияние формы радиаторов из теплопроводящих пластиков на те-плоотвод ретрофитной лампы. Приведены результаты численного моделирования свободно-конвективного течения газа вокруг радиатора и теплообмена в частях системы теплоотвода.

Ключевые слова: светодиоды, тепловой режим, радиаторы, ретрофитные лампы.

Введение. Обеспечение теплового режима светодиодных ламп является ключевым фактором, позволяющим повысить их эффективность и увеличить долговечность. Это обусловлено тем, что повышение температуры активной зоны светодиода влечет за собой снижение его эффективности и сокращение времени службы.

Белые светодиоды содержат крайне уязвимый для высоких температур элемент — люминофор, который обладает эффектом термического гашения, что препятствует работе свето-диода при повышении температуры. Эффект термического гашения наблюдается уже при 80—100 °С [1]. Высокие температуры приводят к ускоренной деградации люминофоров в белых светодиодах [2].

В настоящей статье представлены результаты работ по качественному и количественному исследованию влияния формы радиатора на теплоотвод ретрофитной лампы. В ходе исследований была проведена оценка эффективности теплоотвода пластиковых радиаторов рет-рофитных ламп и разработаны предложения по его повышению.

Описание модели. Для корректного моделирования процесса теплообмена рассчитывалось свободно-конвективное течение газа в окрестности радиатора. Расчетная область соответствовала примерно 7 диаметрам радиатора в поперечном направлении и 20 — в продольном. Расчет параметров газовой среды осуществлялся с учетом объемных сил (сил плавучести), также был произведен совместный расчет теплообмена в твердых телах.

Ламинарное течение несжимаемой теплопроводной среды описывается системой трехмерных уравнений Навье — Стокса [3]. Для ее решения использовался метод конечных объемов, реализованный в программном комплексе ansys cfx. Для моделирования силы плавучести использовалось приближение Буссинеска — линейное замещение плотности газа его температурой: р(Т) = р0(1 - вТ), где в — коэффициент объемного расширения жидкости, р0 — плотность газа при некоторой температуре Т0 = 25 °С, Т — отклонение температуры от значения Т0; гравитационная постоянная g = 9,8 м/с [4].

Расчетная область представляет собой двухкомпонентный радиатор и закрепленный на нем светодиодный модуль. Радиатор состоит из оребренного тела из теплопроводящего

пластика и алюминиевой пластины, соединяющей светодиодный модуль и радиатор (рис. 1).

Значения теплопроводности X используемых в радиаторе материалов представлены в таблице.

Светодиодный уг модуль

Радиатор

Межреберное пространство

Алюминиевая пластина

Рис. 1

Материал X, Вт/

Алюминий 237

Теплопроводящий пластик 8

Материал светодиодного модуля 0,5

Граничное условие для величины теплового потока задается на поверхности алюминиевой пластины, расположенной под светодиодным модулем; суммарное значение теплового потока 0=0,9 Вт, что соответствует 0=3,6 Вт для полной модели лампы. Расчет производился для одной четверти конструкции. Для плоскостей симметрии задавалось граничное условие симметрии; на выходных границах расчетной области были заданы „мягкие" граничные условия для скорости течения газа при температуре 25 °С.

Параметризация формы радиатора осуществлялась за счет изменения формы сечения межреберного пространства (см. рис. 1), имеющей вид трапеции (рис. 2).

При моделировании в качестве варьируемых были выбраны следующие параметры: с1 — ширина межреберного пространства на внешней границе радиатора; а — угол наклона стенок ребер радиатора; N — количество ребер радиатора.

Фиксированные геометрические параметры: Н=40 мм — высота радиатора; к = 2 мм — высота алюминиевой пластины; Я = 29,5 мм — радиус верхней части радиатора; г = 20,25 мм — радиус алюминиевой пластины; £ = 15,5 мм — длина трапеции.

Огибающая радиатора представляла собой форму стандартной (60 Вт) лампы накаливания.

Результаты и их обсуждение. Максимальная разность температур в пластиковом радиаторе достигает 12 °С, при этом максимальная температура наблюдается в области, расположенной под алюминиевой пластиной, а минимальная — в наиболее удаленной от пластины части радиатора. Поперечный градиент температур в ребрах значительно меньше продольного (рис. 3).

Для оценки эффективности конвективного теплоотвода использовалось число Нуссель-та, характеризующее отношение интенсивностей конвективного чк и диффузионного чд теплообмена, рассчитанное по следующей формуле:

Чк

Рис. 2

чЬ

Чд (Тст - Т0 )Хв

Оптимизация радиатора ретрофитной светодиодной лампы

85

где q — тепловой поток, Тст — температура стенки, Ь — характерный размер, — теплопроводность воздуха; Т0= 25 °с.

В рассматриваемой задаче число Нуссельта отражает интенсивность теплоотвода в газовую среду.

Рис. 3

Интенсивность теплоотвода с поверхности лампы, согласно числу Нуссельта, показывает, что наиболее интенсивный конвективный теплоотвод наблюдается на внешней части поверхности ребер радиатора (рис. 4).

№

Как показал сравнительный анализ распределения чисел Нуссельта при различных геометрических параметрах радиатора, определяющим фактором в свободно-конвективном теп-лоотводе является ширина межреберного пространства. Для обеспечения необходимого теплообмена внутри ребер достаточной является толщина ребра, равная ~1 мм.

На рис. 5 представлен график зависимости максимальной температуры радиатора от угла а наклона его ребер при N=24 и различной ширине межреберного пространства.

Рис. 4

Как следствие из вышеизложенного, а также из анализа рис. 5, можно сделать вывод о том, что уменьшение межреберного пространства ведет к ухудшению конвективного тепло-отвода и, следовательно, к увеличению температуры алюминиевой пластины, где расположен светодиодный модуль. Данный эффект не компенсируется увеличением теплопроводности ребер радиатора за счет увеличения их толщины.

т °г

тах ^

79

78

77

76

75

74

90 91 92 93 94 95 96 97 98 а, Рис. 5

Заключение. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

— ширина межреберного пространства является ключевым фактором свободно-конвективного теплоотвода с ребер радиатора и имеет более существенное влияние на теплоотвод, чем толщина ребер;

— создание тонких ребер (~1мм) из теплопроводящего пластика не приводит к возникновению в них избыточного термического сопротивления, что позволяет использовать данные пластики для производства эффективных радиаторов;

— в радиаторах, выполненных из теплопроводящих пластиков, возникает проблема избыточного термического сопротивления вдоль радиатора, что значительно снижает качество работы его компонентов, удаленных от источника тепла; возможным решением данной проблемы может быть включение в конструкцию радиатора распределителей тепла.

Статья подготовлена по результатам работы, выполненной при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации в рамках комплексного проекта „Интеллектуальные системы энергоэффективного сельскохозяйственного производства в закрытом грунте с использованием светодиодного освещения".

список литературы

1. Lakshmanan A., Satheesh Kumar R., Sivakumar V., Jose M. T. Synthesis, photoluminescence and thermal quenching of YAG:Ce phosphor for white light emitting diodes // Indian J. of Pure & Applied Physics. 2011. Vol. 49. P. 303—307.

2. Шуберт Ф. Е. Светодиоды. М.: Физматлит, 2008.

3. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003.

4. Versteeg H. K., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. Harlow, UK: Pearson Education Limited, 2007.

Сведения об авторах

Иван Николаевич Ивукин — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; E-mail: ivan.ivukin@optogan.com

Деградация белых и синих светодиодов при длительном времени работы

87

Александр Юрьевич Белов —

Владислав Евгеньевич Бугров —

Алексей Русланович Ковш —

Максим Анатольевич Одноблюдов —

Алексей Евгеньевич Романов —

Рекомендована кафедрой светодиодных технологий НИУ ИТМО

д-р физ.-мат. наук, профессор; Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, Москва

д-р физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; исполнительный вице-президент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; заведующий кафедрой д-р физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; исполнительный вице-президент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор канд. физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; генеральный директор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор

д-р физ.-мат. наук; ООО „Оптоган. Новые технологии света", Санкт-Петербург; гл. науч. сотрудник; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор; Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург; вед. науч. сотрудник

Поступила в редакцию 07.02.13 г.

УДК 628.9.03

К. А. Виноградова, В. Е. Бугров, А. Р. Ковш, М. А. Одноблюдов, В. И. Николаев, А. Е. Романов

ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛЫХ И СИНИХ СВЕТОДИОДОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ

Исследованы временные зависимости прямого падения напряжения на свето-диодах, излучающих синий и белый свет, работающих длительное время, до 21 тыс. ч, на постоянном токе 20, 25 и 30 мА. Показано, что в белых светодио-дах на основе силикатного люминофора с коррелированной цветовой температурой 4500 К наблюдается ускоренная деградация по сравнению со светодио-дами синего света.

Ключевые слова: синий светодиод, белый светодиод, люминофор, деградация.

Понимание механизма деградации светодиодов является крайне важным для разработки новых высокоэффективных экономичных источников света. Обеспечение надежности свето-диода — комплексная задача, которая включает в себя обеспечение требуемых характеристик всех элементов прибора: полупроводникового чипа, инкапсулянта, люминофора, электрических соединений. В условиях реальной эксплуатации светодиодов особенно важно обеспечить длительный срок службы всех его элементов с учетом протекающих в них физико-химических процессов, вызывающих постепенную деградацию характеристик, в частности, снижение светового потока и эффективности, а также изменение электрических параметров [1—6].

В настоящей статье представлены результаты исследований по оценке влияния концентрации люминофора в белом светодиоде на изменение электрических характеристик синего светоизлучающего чипа при длительной работе.