Leistung des LED-Wärmemanagementsystems basierend auf thermoelektrischer Kühlung/Flüssigmetall

Mit der Verbesserung der LED-Lichtausbeute und der Herstellung von Hochleistungschips werden immer häufiger Hochleistungs-LEDs eingesetzt.Die Chips von Hochleistungs-LEDs sind normalerweise eng angeordnet, um die Größe der LED zu verringern und die Leistung zu erhöhen, was zu einem starken Wärmestau und einem übermäßigen Temperaturanstieg führen kann.Da die optische Leistung und Zuverlässigkeit von LEDs stark von der Sperrschichttemperatur abhängt, liegt die höchste Sperrschichttemperatur beim LED-Betrieb unter 120–140 °C.Eine hohe Sperrschichttemperatur verringert die Lebensdauer und Lichtausbeute der LED und verringert die Farbstabilität.Ein effektives Wärmemanagement kann den sicheren und effizienten Betrieb von LEDs gewährleisten und deren Lebensdauer verlängern.

Das thermoelektrische Kühlgerät (TEC) überträgt die Wärme vom kalten Ende zum heißen Ende, wodurch eine schnelle Abkühlung der Teile erreicht werden kann, die mit dem kalten Ende in Kontakt kommen.Der Einsatz von TEC in einem LED-Kühlsystem kann die Leistung des Kühlsystems verbessern.Die Flüssigmetallkühlung entwickelt sich schnell zu einer neuartigen und vielversprechenden Wärmeableitungslösung, um den Anforderungen optoelektronischer Geräte mit hohem Wärmefluss gerecht zu werden.Im Vergleich zu Wassersystemen und Wärmerohren weist das Flüssigmetallsystem die niedrigste Temperatur und die größte Stabilität auf.

Sowohl die thermoelektrische Kühlung als auch die Flüssigmetallkühlung sind wirksame Wärmemanagementtechniken.Es wird erwartet, dass die Kombination der Vorteile beider die Wärmemanagementleistung von LED weiter verbessern wird.

1. Experimentelles System

Das im Experiment verwendete flüssige Metall ist Ga68In20Sn12, das die Vorteile eines niedrigen Schmelzpunkts, einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer Nichtentflammbarkeit, einer ungiftigen Aktivität, eines niedrigen Dampfdrucks und eines hohen Siedepunkts aufweist.Es ist daher für LED-Kühlsysteme geeignet.Die Wärmeleitfähigkeit des flüssigen Metalls wurde mit einem Thermokonstantenanalysator HotDisk500 gemessen.Während des Tests wird die Sonde vertikal in das flüssige Metall eingeführt und dann ruhen gelassen, um eine Konvektion der Probe zu verhindern. Die Messtemperatur beträgt 25 °C.Ga68In20Sn12-Metall ist bei Raumtemperatur flüssig und seine Wärmeleitfähigkeit ist mehr als 20-mal so hoch wie die von Wasser, was für die Verwendung als Kühlmittel im Wärmemanagementsystem elektronischer Geräte von Vorteil ist.

Die experimentelle Plattform verfügt über einen geschlossenen Strömungskanal und ist mit einem Flüssigkeitsreservoir ausgestattet, mit dem flüssiges Metall vor dem Experiment in den Strömungskanal injiziert und nach dem Experiment gelagert werden kann.Der Auslass des Reservoirs befindet sich nahe am Boden, um zu vermeiden, dass die Oxidschicht während der Zirkulation an die Oberfläche gepumpt wird.Die experimentelle Plattform besteht aus einer LED-Wärmequelle und einem thermoelektrischen Kühlflüssigkeits-Kühl-Wärmemanagementsystem (Abbildung 1).Die Leistung der LED-Wärmequelle beträgt 40 W und die Wärmeableitungsfläche beträgt 5,2 cm×4,6 cm.Das Wärmemanagementsystem besteht aus einem thermoelektrischen Kühler, einem flüssigkeitsgekühlten Kupferkühler, einem luftgekühlten Kühler, einem Flüssigkeitsreservoir und einer peristaltischen Antriebspumpe.Das kalte Ende des TEC ist mit der LED verbunden und das heiße Ende des TEC ist mit dem Strahler verbunden.Für eine effektive Kühlung wird flüssiges Metall als Medium verwendet, das durch den Flüssigkeitskühler fließt.Wenn das System läuft, leitet das kalte Ende des thermoelektrischen Kühlchips Wärme an die LED ab, und das heiße Ende des elektrischen Kühlchips wird durch den Flüssigkeitskühlkörper gekühlt.Das flüssige Metall wird von einer Schlauchpumpe angetrieben und die Wärme wird über den Luftkühler an die Umgebung abgegeben.Das flüssige Metall kehrt nach dem Durchströmen des Kühlers in den Behälter zurück, um den Kreislauf abzuschließen.Zwischen der LED, der thermoelektrischen Kühlfolie und dem Flüssigkeitskühlkörper wird eine dünne Schicht wärmeleitenden Silikonfetts aufgetragen, um die Oberflächenrauheit und den Kontaktwärmewiderstand zwischen den Geräten zu verringern.Die Temperatur des LED-Substrats und die Umgebungstemperatur werden mit Thermoelementen gemessen und der Durchschnittswert der Daten aufgezeichnet, nachdem die Temperatur im Experiment stabil ist.

Vergleichen Sie zunächst die Wärmeableitungsleistung des Systems, wenn flüssiges Metall und Wasser als Kühlmittel verwendet werden.Anschließend wurde die Methode des orthogonalen Experiments verwendet, um den Einfluss der TEC-Leistung PTEC, der Umgebungstemperatur Ta, der Kühlmitteleinlasstemperatur Ti und der Pumpengeschwindigkeit vB auf die Substrattemperatur Ts zu untersuchen.Testen Sie abschließend die thermische Leistung des Systems unter extremen Bedingungen.Aufgrund der Eigenschaften von flüssigem Metall bildet die Flüssigkeit einen geschlossenen Kreislauf.Die Auswirkung unterschiedlicher Durchflussraten wurde durch Änderung der Pumpengeschwindigkeit untersucht.Die orthogonale Experimentmethode ist eine Methode zur wissenschaftlichen Anordnung und Analyse von Multifaktor-Experimenten unter Verwendung einer orthogonalen Tabelle, die mit einer kleinen Anzahl von Experimenten gleichmäßig den optimalen Plan auswählen kann.Analysieren Sie mithilfe der Varianzanalyse die Bedeutung der Auswirkungen jedes Faktors.Der Einfluss von vier Faktoren auf die Wärmeableitungsleistung wird experimentell untersucht.Da die LED-Lampe bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 65 °C arbeiten kann°Die maximale Umgebungstemperatur beträgt 70 °C°C.

2. Experimentelle Ergebnisse und Diskussion

Verglichen wurden die Kühlleistungen von Wasser und Flüssigmetall als Kühlmittel.Die Versuchsbedingungen sind eine peristaltische Pumpengeschwindigkeit von 50 U/min, eine Umgebungstemperatur von 30 °C und eine Kühlmitteleinlasstemperatur von 30 °C.Wie in Abbildung 2 dargestellt, sinkt die Temperatur des LED-Substrats mit zunehmender thermoelektrischer Kühlleistung.Bei gleicher Wärmebelastung ist der Temperaturanstieg des LED-Substrats bei Verwendung von flüssigem Metall als Kühlmittel deutlich geringer als bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel.Der Grund für den oben genannten Unterschied ist die unterschiedliche Wärmeableitungsfähigkeit des heißen Endes des TEC.Unter der Voraussetzung, dass der Wärmeableitungszustand des heißen Endes des TEC gut ist, kann die Temperatur des kalten Endes des TEC effektiv gesteuert werden.Im Gegenteil, die Temperatur des heißen Endes steigt, auch wenn die Arbeitsleistung des TEC unverändert bleibt.Da die Wärmeleitfähigkeit von Wasser geringer ist als die von flüssigem Metall, ist seine Fähigkeit, Wärme vom heißen Ende des TEC abzuleiten, relativ gering, wenn Wasser abgekühlt wird, was zu einem höheren Temperaturanstieg der LED führt.Da die in den TEC eingegebene elektrische Energie letztendlich in Wärmeenergie umgewandelt wird, erhöht sich aus dem gleichen Grund die Wärmeableitung am heißen Ende des TEC.Wenn die Wärmeableitungskapazität des heißen Endes nicht ausreicht, steigt die Temperatur des heißen Endes des TEC, was wiederum dazu führt, dass die Temperatur des kalten Endes des TEC und der LED ansteigt.Daher steigt unter der in Abbildung 2 gezeigten Wasserkühlungsbedingung die Temperatur der LED mit zunehmender TEC-Leistung an, wenn die TEC-Leistung groß ist.Wenn die Wärmeableitung des TEC-Hot-Ends nicht flüssigkeitsgekühlt ist, steigt die Temperatur des Hot-Ends weiter an.Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit von Flüssigmetall kann die von LEDs und TECs erzeugte Wärme effizienter transportiert werden.Daher kann bei hoher Leistung des TEC die Temperatur seines heißen Endes immer noch niedrig gehalten und die Temperatur der LED entsprechend weiter gesenkt werden.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, verringert das flüssige Metall mit höherer Wärmeleitfähigkeit den thermischen Widerstand des Systems erheblich, und der Reduktionskoeffizient des thermischen Widerstands steigt mit zunehmender TEC-Leistung.Wenn die TEC-Leistung 50 W beträgt, steigt die Steigung des Wärmewiderstands-Reduktionskoeffizienten langsam an und der Wärmewiderstand verringert sich zu diesem Zeitpunkt um 79,8 % im Vergleich zu dem Fall, wenn Wasser als Kühlmittel verwendet wird.

Orthogonale Experimente wurden entsprechend der Ebenenkombination von Faktoren durchgeführt und die experimentellen Daten der LED-Substrattemperatur Ts erhalten.Aufgrund der Kühlwirkung des TEC kann die Temperatur am kalten Ende des TEC niedriger sein als die Umgebungstemperatur.Wenn die Umgebungstemperatur Ta hoch ist, ist die LED-Substrattemperatur Ts in einigen Experimenten sogar niedriger als die Umgebungstemperatur Ta.Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Wärmemanagementsystem in Kombination mit Flüssigmetall und thermoelektrischer Kühlung eine gute Wärmeableitungsleistung aufweist.

Die Varianzanalyse ergab, dass die Einlasstemperatur des flüssigen Metalls die Wärmeableitungsleistung der heißen Seite des TEC erheblich beeinflusst.Die Leistung des TEC kann entsprechend den Wärmeableitungstemperaturanforderungen der LED angepasst werden, und die Leistung des Wärmeableitungssystems kann unter der Voraussetzung, einen bestimmten Wärmeableitungseffekt zu erreichen, so weit wie möglich reduziert werden.

Die Ergebnisse orthogonaler Experimente zeigen, dass die Kühlmitteleinlasstemperatur und die TEC-Leistung die Hauptfaktoren sind, die die Wärmeableitungsleistung des Wärmemanagementsystems beeinflussen.Im eigentlichen Arbeitsprozess der LED ändert sich die Eintrittstemperatur Ti des Kühlmittels in das System aufgrund des Einflusses von TEC und anderen Faktoren.Derzeit wird hauptsächlich die Wärmemanagementleistung des Systems unter extremen Bedingungen untersucht.Der Einfachheit halber wurden für die Studie eine höhere Kühlmitteleinlasstemperatur, eine höhere Umgebungstemperatur und eine niedrigere Flüssigkeitsdurchflussrate gewählt.Mit anderen Worten: Nehmen Sie für Experimente Ti als 50 °C, Ta als 70 °C und vB als 50 U/min an.Wenn die Wärmeableitungsleistung des Systems unter diesen extremen Bedingungen die Anforderungen erfüllen kann, bedeutet dies, dass die Wärmeableitungsleistung des Systems auch die Anforderungen erfüllen muss, wenn die Werte von Ti und anderen Parametern in eine sanftere Richtung schwanken.Wie in Abbildung 4 dargestellt, sinkt die Temperatur des LED-Substrats mit zunehmender TEC-Leistung, wenn die TEC-Leistung 50 W nicht überschreitet.Darüber hinaus nimmt das Ausmaß der Reduzierung mit zunehmender TEC-Leistung ab.Wenn die TEC-Leistung 10 W beträgt, beträgt die LED-Substrattemperatur unter den experimentellen Bedingungen den höchsten Wert von 64,8 °C.Dieser Wert liegt unter der Umgebungstemperatur Ta und weit unter der maximalen Betriebstemperatur der LED.Dies zeigt, dass das Thermomanagementsystem auch unter extremen Bedingungen eine gute Kühlleistung aufweist.Wenn die TEC-Leistung 50 W überschreitet, steigt die Temperatur des LED-Substrats mit der Erhöhung der TEC-Leistung.Dies liegt daran, dass eine Erhöhung der TEC-Leistung nicht nur die Fähigkeit erhöht, Wärme von LEDs zu absorbieren und an flüssigkeitsgekühlte Strahler abzuleiten, sondern auch die erzeugte Wärmemenge erhöht.Darüber hinaus führt eine Erhöhung der TEC-Temperatur zu einer geringeren Effizienz.Daher ist eine geeignete TEC-Leistung vorhanden, um die LED-Substrattemperatur auf dem niedrigsten Stand zu halten.

Gleichzeitig wurde der Einfluss unterschiedlicher Flüssigmetall-Einlasstemperaturen auf die Wärmeableitungsleistung des LED-Wärmemanagementsystems unter extremen Bedingungen untersucht.Unter den Bedingungen höherer Umgebungstemperatur und niedrigerer TEC-Leistung und Flüssigkeitsdurchflussrate wurde das Experiment mit Ta bei 70 °C, PTEC bei 10 W und vB bei 50 U/min durchgeführt.Die experimentellen Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Die LED-Substrattemperatur Ts steigt ungefähr linear mit der Erhöhung der Flüssigmetall-Einlasstemperatur Ti.Wenn die Einlasstemperatur des flüssigen Metalls 50 °C beträgt, ist die LED-Substrattemperatur unter den experimentellen Bedingungen der höchste Wert von 64,8 °C, was darauf hinweist, dass das System eine gute Wärmeableitungsleistung aufweist.

3. CEinschluss

Unter den gleichen Bedingungen kann die Flüssigmetallkühlung eine niedrigere LED-Temperatur erreichen als die Wasserkühlung.Unter den untersuchten Versuchsbedingungen beträgt die maximale Reduzierung des Wärmewiderstands 79,8 %.Unter den Bedingungen, dass die Temperatur der Versuchsumgebung 70 °C beträgt, die Einlasstemperatur des flüssigen Metalls 50 °C beträgt und die Pumpengeschwindigkeit 50 U/min beträgt, überschreitet die Temperatur des LED-Substrats 64,8 °C nicht.Dies zeigt, dass das thermoelektrische Kühl-/Flüssigmetall-Wärmemanagementsystem die Wärmeableitungsanforderungen von LEDs unter extremen Betriebsbedingungen, nämlich hoher Umgebungstemperatur, hoher Flüssigmetall-Einlasstemperatur und niedriger Flüssigmetall-Durchflussrate, effektiv bewältigen kann.

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