Характеристики системы терморегулирования светодиодов на основе термоэлектрического охлаждения/жидкого металла

С улучшением светоотдачи светодиодов и производством мощных чипов все больше и больше используются мощные светодиоды. Чипы мощных светодиодов обычно располагаются близко друг к другу, чтобы уменьшить размер светодиода и увеличить мощность, что может привести к серьезному накоплению тепла и чрезмерному повышению температуры. Поскольку на оптические характеристики и надежность светодиодов сильно влияет температура перехода, самая высокая температура перехода при работе светодиодов составляет менее 120–140°C. Высокая температура перехода сокращает срок службы и светоотдачу светодиода, а также снижает стабильность цвета. Эффективное управление температурным режимом может обеспечить безопасную и эффективную работу светодиодов и продлить их срок службы.

Термоэлектрическое охлаждающее устройство (TEC) передает тепло от холодного конца к горячему концу, что обеспечивает быстрое охлаждение деталей, контактирующих с холодным концом. Использование TEC в системе охлаждения светодиодов может повысить производительность системы охлаждения. Жидкометаллическое охлаждение быстро становится новым и многообещающим решением для отвода тепла, отвечающим требованиям оптоэлектронных устройств с высоким тепловым потоком. По сравнению с водяными системами и тепловыми трубками жидкометаллическая система демонстрирует самую низкую температуру и наибольшую стабильность.

И термоэлектрическое охлаждение, и охлаждение жидким металлом являются эффективными методами управления температурным режимом. Ожидается, что объединение преимуществ того и другого позволит еще больше повысить эффективность управления температурой светодиодов.

1. Экспериментальная система

В эксперименте использовался жидкий металл Ga68In20Sn12, который обладает преимуществами низкой температуры плавления, высокой теплопроводности, негорючести, нетоксичной активности, низкого давления пара и высокой температуры кипения. Поэтому он подходит для систем охлаждения светодиодов. Теплопроводность жидкого металла измерялась с помощью анализатора термопостоянных HotDisk500. Во время испытания зонд вертикально вводят в жидкий металл, а затем оставляют для предотвращения конвекции образца, а температура измерения составляет 25°C. Металл Ga68In20Sn12 является жидким при комнатной температуре, а его теплопроводность более чем в 20 раз превышает теплопроводность воды, что позволяет использовать его в качестве охлаждающей жидкости в системе терморегулирования электронных устройств.

Экспериментальная платформа имеет закрытый проточный канал и оборудована резервуаром для жидкости, который удобен для впрыскивания жидкого металла в проточный канал перед экспериментом и хранения жидкого металла после эксперимента. Выход резервуара расположен близко к дну, чтобы избежать выкачивания оксидного слоя на поверхность во время циркуляции. Экспериментальная платформа состоит из светодиодного источника тепла и термоэлектрической системы управления теплом (рис. 1). Мощность светодиодного источника тепла составляет 40 Вт, а площадь рассеивания тепла — 5,2 см × 4,6 см. Система терморегулирования состоит из термоэлектрического охладителя, медного радиатора с жидкостным охлаждением, радиатора с воздушным охлаждением, резервуара с жидкостью и перистальтического приводного насоса. Холодный конец ТЭП подключен к светодиоду, а горячий конец ТЭП подключен к радиатору. Жидкий металл используется в качестве среды, проходящей через радиатор жидкостного охлаждения для эффективного охлаждения. Когда система работает, холодный конец термоэлектрического чипа охлаждения рассеивает тепло на светодиод, а горячий конец чипа электрического охлаждения охлаждается радиатором жидкостного охлаждения. Жидкий металл подается перистальтическим насосом, а тепло рассеивается в окружающую среду через радиатор воздушного охлаждения. Жидкий металл возвращается в резервуар после прохождения через радиатор для завершения цикла. Между светодиодом, термоэлектрическим охлаждающим листом и радиатором жидкостного охлаждения нанесен тонкий слой теплопроводной силиконовой смазки, чтобы уменьшить шероховатость поверхности и контактное тепловое сопротивление между устройствами. Температура подложки светодиода и температура окружающей среды измеряются термопарами, а среднее значение данных фиксируется после стабилизации температуры в эксперименте.

Сначала сравните показатели теплоотвода системы при использовании в качестве теплоносителя жидкого металла и воды. Затем методом ортогонального эксперимента было исследовано влияние мощности ТЭП PTEC, температуры окружающей среды Ta, температуры на входе теплоносителя Ti и скорости насоса vB на температуру подложки Ts. Наконец, проверьте тепловые характеристики системы в экстремальных условиях. Из-за характеристик жидкого металла жидкость имеет замкнутый контур. Влияние различных скоростей потока изучалось путем изменения скорости насоса. Метод ортогонального эксперимента — метод научной постановки и анализа многофакторных экспериментов с использованием ортогональной таблицы, позволяющей равномерно подобрать оптимальный план при небольшом количестве экспериментов. А с помощью дисперсионного анализа проанализировать значимость воздействия каждого фактора. С помощью экспериментов изучено влияние четырех факторов на эффективность отвода тепла. Поскольку светодиодная лампа может работать при температуре окружающей среды до 65 ° С, максимальная температура окружающей среды составляет 70 ° С.

2. Результаты экспериментов и их обсуждение.

Сравнивались охлаждающие свойства воды и жидкого металла в качестве теплоносителей. Условия эксперимента: скорость перистальтического насоса 50 об/мин, температура окружающей среды 30°C, температура охлаждающей жидкости на входе 30°C. Как показано на рисунке 2, температура подложки светодиода снижается с увеличением мощности термоэлектрического охлаждения. При той же тепловой нагрузке, когда в качестве теплоносителя используется жидкий металл, повышение температуры подложки светодиода значительно ниже, чем при использовании в качестве теплоносителя воды. Причиной вышеупомянутой разницы является разница в способности рассеивания тепла горячего конца ТЭП. Если исходить из того, что условия рассеивания тепла на горячем конце ТЭО хорошие, температуру холодного конца ТЭО можно эффективно контролировать. Напротив, температура хотэнда повысится, даже если рабочие характеристики ТЭП останутся неизменными. Поскольку теплопроводность воды меньше, чем у жидкого металла, ее способность рассеивать тепло от горячего конца ТЭО относительно невелика при охлаждении воды, что приводит к более высокому нагреву светодиода. По той же причине, поскольку подаваемая в ТЭП электрическая энергия в конечном итоге преобразуется в тепловую энергию, тепловыделение горячего конца ТЭО увеличивается. Если мощность рассеивания тепла горячего конца недостаточна, температура горячего конца ТЭО увеличится, что, в свою очередь, приведет к увеличению температуры холодного конца ТЭО и светодиода. Следовательно, в условиях водяного охлаждения, показанных на рисунке 2, когда мощность ТЕС велика, температура светодиода увеличивается с увеличением мощности ТЕС. Если теплоотвод горячего конца TEC не охлаждается жидкостью, температура горячего конца будет еще больше увеличиваться. Благодаря более высокой теплопроводности жидкого металла тепло, выделяемое светодиодами и ТЭП, может передаваться более эффективно. Таким образом, когда мощность TEC высока, температуру его горячего конца можно поддерживать на низком уровне, а температуру светодиода можно соответствующим образом снизить.

Как показано на рисунке 3, жидкий металл с более высокой теплопроводностью существенно снижает термическое сопротивление системы, причем коэффициент снижения термического сопротивления увеличивается с увеличением мощности ТЭО. При мощности ТЭП 50 Вт наклон коэффициента снижения термического сопротивления увеличивается медленно, а термическое сопротивление в это время снижается на 79,8% по сравнению с таковым при использовании в качестве теплоносителя воды.

Были проведены ортогональные эксперименты по уровню комбинации факторов и получены экспериментальные данные температуры подложки светодиода Ts. Благодаря охлаждающему эффекту ТЭО температура холодного конца ТЭО может быть ниже температуры окружающей среды. Когда температура окружающей среды Ta высока, в некоторых экспериментах температура подложки светодиода Ts даже ниже, чем температура окружающей среды Ta. Результаты экспериментов показывают, что система управления температурным режимом в сочетании с жидким металлом и термоэлектрическим охлаждением демонстрирует хорошие характеристики рассеивания тепла.

Дисперсионный анализ показал, что температура жидкого металла на входе существенно влияет на эффективность рассеивания тепла горячей стороны ТЭО. Мощность TEC можно регулировать в соответствии с требованиями светодиода к температуре отвода тепла, а мощность системы отвода тепла можно максимально уменьшить при условии достижения определенного эффекта отвода тепла.

Результаты ортогональных экспериментов показывают, что температура теплоносителя на входе и мощность ТЭО являются основными факторами, влияющими на эффективность теплоотвода системы терморегулирования. В реальном процессе работы СИД температура на входе Ti теплоносителя в систему изменяется из-за влияния ТЭП и других факторов. В настоящее время в основном изучаются характеристики терморегулирования системы в экстремальных условиях. Для удобства для исследования были выбраны более высокая температура на входе теплоносителя, более высокая температура окружающей среды и меньший расход жидкости. Другими словами, для экспериментов примите Ti за 50°C, Ta за 70°C и vB за 50 об/мин. Если характеристики теплоотвода системы в этих экстремальных условиях могут соответствовать требованиям, это означает, что, когда значения Ti и других параметров колеблются в более плавном направлении, характеристики теплоотвода системы также должны соответствовать требованиям. Как показано на рисунке 4, когда мощность TEC не превышает 50 Вт, температура подложки светодиода снижается по мере увеличения мощности TEC. Причем величина снижения уменьшается по мере увеличения мощности ТЭО. Когда мощность TEC составляет 10 Вт, температура подложки светодиода составляет максимальное значение 64,8 ℃ в экспериментальных условиях. Это значение ниже температуры окружающей среды Ta и намного ниже максимальной рабочей температуры светодиода. Это показывает, что система терморегулирования по-прежнему имеет хорошие характеристики охлаждения в экстремальных условиях. Когда мощность ТЭО превышает 50 Вт, температура подложки светодиода увеличивается с увеличением мощности ТЭО. Это связано с тем, что увеличение мощности TEC не только увеличит его способность поглощать тепло от светодиодов и рассеивать тепло радиаторам с жидкостным охлаждением, но и увеличит количество выделяемого тепла. Кроме того, повышение температуры ТЭП приводит к снижению эффективности. Следовательно, существует соответствующая мощность ТЭО, позволяющая сделать температуру подложки светодиода минимальной.

В то же время было изучено влияние различных входных температур жидкого металла на эффективность рассеивания тепла светодиодной системой терморегулирования в экстремальных условиях. В условиях более высокой температуры окружающей среды, меньшей мощности ТЭП и расхода жидкости эксперимент проводился при Та = 70°С, ПТЭП = 10 Вт и vB = 50 об/мин. Результаты эксперимента показаны на рисунке 5. Температура подложки светодиода Ts увеличивается примерно линейно с увеличением входной температуры жидкого металла Ti. Когда температура жидкого металла на входе составляет 50 °C, температура подложки светодиода достигает максимального значения 64,8 °C в экспериментальных условиях, что указывает на то, что система имеет хорошие характеристики рассеивания тепла.

3. Заключение​

При тех же условиях жидкометаллическое охлаждение может обеспечить более низкую температуру светодиодов, чем водяное охлаждение. В изученных условиях эксперимента максимальное снижение термического сопротивления достигает 79,8%. В условиях, когда температура экспериментальной среды составляет 70 °C, температура входного жидкого металла — 50 °C, а скорость насоса — 50 об/мин, температура подложки светодиода не превышает 64,8 °C. Это показывает, что система термоэлектрического охлаждения/регулирования температуры жидкого металла может эффективно справляться с требованиями к рассеиванию тепла светодиодов в экстремальных условиях эксплуатации, а именно при высокой температуре окружающей среды, высокой температуре на входе жидкого металла и низкой скорости потока жидкого металла.

Узнайте больше о радиаторах