Эффективность системы терморегулирования светодиодов на основе термоэлектрического охлаждения / жидкого металла

С улучшением светоотдачи светодиодов и производством мощных микросхем светодиоды высокой мощности используются все шире.Микросхемы 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 светодиода сильно влияет температура перехода, самая высокая рабочая температура перехода светодиода ниже 120-140°C.Высокая температура перехода сократит срок службы и светоотдачу светодиода, а также снизит 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, что обеспечивает быстрое охлаждение деталей, контактирующих с холодным концом.Использование TEC в системе охлаждения светодиодов может повысить производительность системы охлаждения.Охлаждение жидким металлом 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 имеет самую низкую температуру и наибольшую стабильность.

Как термоэлектрическое охлаждение, так и охлаждение жидким металлом являются эффективными методами управления температурой.Ожидается, что сочетание этих преимуществ еще больше улучшит эффективность управления температурным режимом светодиодов.

1. Экспериментальная система

Жидкий металл, использованный в эксперименте, представляет собой Ga68In20Sn12, который имеет такие преимущества, как низкая температура плавления, высокая теплопроводность, негорючесть, нетоксичность, низкое давление паров и высокая температура кипения.Поэтому он подходит для систем охлаждения светодиодов.Теплопроводность жидкого металла измеряли с помощью анализатора тепловых констант HotDisk500.Во время испытания зонд вертикально вводят в жидкий металл, а затем оставляют в покое для предотвращения конвекции образца, а температура измерения составляет 25°C.Металл Ga68In20Sn12 жидкий при комнатной температуре, а его теплопроводность более чем в 20 раз больше, чем у воды, что выгодно для его использования в качестве хладагента в системе терморегулирования электронных устройств.

Экспериментальная платформа имеет закрытый проточный канал и оснащена резервуаром для жидкости, который удобен для подачи жидкого металла в проточный канал перед экспериментом и хранения жидкого металла после эксперимента.Выход из 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 охлаждающей жидкости (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 для жидкости и перистальтического приводного насоса.Холодный конец ТЭП подключается к светодиоду, а горячий конец ТЭП подключается к радиатору.Жидкий металл используется в качестве среды для протекания через радиатор жидкостного охлаждения для эффективного охлаждения.Когда система работает, холодный конец термоэлектрического охлаждающего чипа отводит тепло на светодиод, а горячий конец электрического охлаждающего чипа охлаждается радиатором жидкостного охлаждения.Жидкий металл приводится в движение перистальтическим насосом, а тепло отводится 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 для уменьшения шероховатости поверхности и контактного теплового сопротивления между устройствами.Температура светодиодной подложки и температура окружающей среды измеряются термопарами, а среднее значение данных записывается после стабилизации температуры в эксперименте.

Во-первых, сравните эффективность рассеивания тепла системой, когда в качестве хладагента используются жидкий металл и вода.Затем методом ортогонального эксперимента было исследовано влияние ТЭП, мощности ПТЭП, температуры окружающей среды Ta, температуры охлаждающей жидкости на входе 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 — это метод научной организации и анализа многофакторных экспериментов с использованием ортогональной таблицы, позволяющей равномерно выбрать оптимальный план при небольшом количестве экспериментов.А средствами дисперсионного анализа проанализировать значимость влияния каждого фактора.Экспериментально исследуется влияние четырех факторов на эффективность рассеивания тепла.Поскольку светодиодная лампа может работать при температуре окружающей среды до 65°С, максимальная температура окружающей среды 70°С.

2. Экспериментальные результаты и обсуждение

Сравнивались охлаждающие характеристики воды и жидкого металла в качестве хладагентов.Условия эксперимента: скорость перистальтического насоса 50 об/мин, температура окружающей среды 30°С, температура охлаждающей жидкости на входе 30°С.Как показано на рисунке 2, температура подложки светодиода снижается с увеличением мощности термоэлектрического охлаждения.При одинаковой тепловой нагрузке, когда в качестве хладагента используется жидкий металл, повышение температуры подложки светодиода значительно меньше, чем при использовании в качестве хладагента воды.Причиной вышеупомянутой разницы является различие в способности рассеивания тепла горячего конца ТЭО.Если исходить из того, что условия рассеивания тепла на горячем конце ТЭО хорошие, можно эффективно контролировать температуру холодного конца ТЭО.Наоборот, температура хотэнда будет повышаться, даже если рабочие характеристики ТЭО останутся неизменными.Поскольку теплопроводность воды меньше, чем теплопроводность жидкого металла, ее способность рассеивать тепло от горячего конца ТЭП относительно невелика при охлаждении воды, что приводит к более высокому нагреву светодиода.По той же причине, поскольку подводимая к ТЭО электрическая энергия в конечном итоге будет преобразована в тепловую, увеличивается тепловыделение горячего конца ТЭО.Если теплоотводящая способность горячего конца недостаточна, температура горячего конца ТЭП будет увеличиваться, что, в свою очередь, вызовет повышение температуры холодного конца ТЭП и светодиода.Следовательно, в условиях водяного охлаждения, показанных на рисунке 2, когда мощность ТЭО велика, температура светодиода увеличивается с увеличением мощности ТЭО.Если тепловыделение горячего конца ТЭО не охлаждается жидкостью, температура горячего конца будет увеличиваться.Благодаря более высокой теплопроводности жидкого металла тепло, выделяемое светодиодами и ТЭО, может передаваться более эффективно.Следовательно, когда мощность ТЭО высока, температура его горячего конца все еще может поддерживаться на низком уровне, а температура светодиода может быть соответственно дополнительно снижена.

Как показано на рисунке 3, жидкий металл с более высокой теплопроводностью значительно снижает тепловое сопротивление системы, а коэффициент снижения теплового сопротивления увеличивается с увеличением мощности ТЭП.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.

Проведены ортогональные эксперименты по уровневому сочетанию факторов и получены экспериментальные данные температуры подложки светодиодов Ts.Благодаря охлаждающему эффекту ТЭО температура холодного конца ТЭО может быть ниже температуры окружающей среды.Когда температура окружающей среды Ta высока, температура Ts подложки светодиода даже ниже, чем температура Ta окружающей среды в некоторых экспериментах.Экспериментальные результаты показывают, что система терморегулирования 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 отвода тепла горячей стороны ТЭО.Мощность TEC можно регулировать в соответствии с требованиями к температуре рассеивания тепла светодиода, а мощность системы рассеивания тепла можно максимально уменьшить при условии достижения определенного эффекта рассеивания тепла.

Результаты ортогональных экспериментов показывают, что температура теплоносителя на входе и мощность ТЭО являются основными факторами, влияющими на характеристики теплоотвода системы терморегулирования.В реальном процессе работы светодиода температура теплоносителя на входе в систему Ti 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 охлаждающей жидкости на входе, более высокая температура окружающей среды и более низкий расход жидкости.Другими словами, для экспериментов возьмите Ti за 50°C, Ta за 70°C и vB за 50 об/мин.Если характеристики рассеивания тепла системы в этих экстремальных условиях могут соответствовать требованиям, это означает, что когда значения Ti и другие параметры колеблются в более плавном направлении, характеристики рассеивания тепла системы также должны соответствовать требованиям.Как показано на рисунке 4, когда мощность ТЭО не превышает 50 Вт, температура подложки светодиода снижается по мере увеличения мощности ТЭО.Причем величина снижения уменьшается с увеличением мощности ТЭО.Когда мощность ТЭП составляет 10 Вт, температура подложки светодиода достигает максимального значения 64,8℃ в условиях эксперимента.Это значение ниже температуры окружающей среды Ta и намного ниже максимальной рабочей температуры светодиода.Это показывает, что система управления температурным режимом по-прежнему имеет хорошие характеристики охлаждения в экстремальных условиях.Когда мощность ТЭП превышает 50 Вт, температура подложки светодиода увеличивается с увеличением мощности ТЭО.Это связано с тем, что увеличение мощности ТЭО не только повысит его способность поглощать тепло от светодиодов и рассеивать тепло на радиаторы с жидкостным охлаждением, но и увеличит количество выделяемого им тепла.Кроме того, повышение температуры ТЭО приводит к снижению эффективности.Следовательно, существует соответствующая мощность ТЭО, чтобы сделать температуру подложки светодиода минимальной.

В то же время было изучено влияние различных температур жидкого металла на входе на эффективность рассеивания тепла системой управления температурой светодиода в экстремальных условиях.В условиях более высокой температуры окружающей среды и меньшей мощности ТЭО и расхода жидкости эксперимент проводился при Та 70°С, ПТЭП 10 Вт, vВ 50 об/мин.Результаты эксперимента показаны на рис. 5. Температура подложки светодиода Ts увеличивается примерно линейно с увеличением температуры жидкого металла на входе 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 обладает хорошими характеристиками рассеивания тепла.

3. Cзаключение

В тех же условиях жидкометаллическое охлаждение может обеспечить более низкую температуру светодиода, чем водяное охлаждение.В изучаемых условиях эксперимента максимальное снижение термического сопротивления достигает 79,8 %.При температуре экспериментальной среды 70°С, температуре жидкого металла на входе 50°С и скорости накачки 50 об/мин температура подложки светодиода не превышает 64,8°С.Это показывает, что система термоэлектрического охлаждения/теплового управления жидким металлом может эффективно справляться с требованиями рассеивания тепла светодиодами в экстремальных условиях эксплуатации, а именно при высокой температуре окружающей среды, высокой температуре жидкого металла на входе и низкой скорости потока жидкого металла.

Узнать больше о радиаторах