Calculation of termostabilization system LED matrices by heat pipes

Abstract

Тотальне впровадження напівпровідникових джерел світла дозволило різко зменшити витрати електроенергії на різноманітні види освітлення. Незважаючи на високий ККД світлодіодів, майже 70% підведеної електричної енергії перетворюється в тепло. Порушення теплового режиму напівпровідникових джерел світла і їх експлуатація при температурі активної зони більшій критичної (Тс = 125°С) спричиняє деградацію світлових характеристик: зменшується яскравість і світловіддача, погіршується якість кольоропередавання, знижується показник світлової проникності оптичної системи та ін. Ця обставина змушує шукати ефективні шляхи термостабілізації. В даний час для стабілізації теплового режиму сучасних потужних світлодіодних матриць (СДМ) широко використовуються активні системи охолодження. В основі їх роботи лежить примусова циркуляція холодного повітря або рідини в контурі. Однак активне охолодження пов’язане з генерацією шуму. Теплові трубки (ТТ) є одним з найефективніших безшумних методів відбору і перенесення теплової енергії. В роботі з використанням методу електротеплової аналогії побудовано математичну модель системи термостабілізації світлодіодної матриці тепловою трубкою. Розв’язано систему диференціальних рівнянь, що включає стаціонарне рівняння теплопровідності та рівняння термогенерації, які доповнені граничними умовами спряження для теплових потоків і температур. Розраховано розподіл температури в структурних елементах системи термостабілізації залежно від потужності світлодіодної матриці, параметрів теплової трубки й температури середовища. Показано, що система термостабілізації СДМ тепловими трубками має вищу ефективність у порівнянні з системою, яка використовує металеві стержні з аналогічним профілем і площею поверхні. Така перевага зумовлена рівномірним розподілом температури по поверхні ТТ, і ефективнішим відведенням теплової енергії. Доведено, що використання запропонованої системи термостабілізаціїї дозволить збільшити світловий потік СДМ (збільшити світлову потужність) без збільшення температури її активної зони. Це дозволить зменшити кількість СДМ у напівпровідниковому світильнику і його вартість без скорочення терміну експлуатації.

Using the method of electrothermal analogy, a mathematical model of the thermal stabilization system of the LED matrix with a heat pipe was developed. The system of differential equations is solved, including the stationary equation of heat conduction and the equation of heat generation, which are supplemented by boundary conditions of conjugation for heat fluxes and temperatures. The calculated temperature distribution in the structural elements of the thermal stabilization system depending on the power of the LED matrix, heat pipe parameters and the temperature of the environment. It is shown that the use of the proposed thermal stabilization system will allow to increase the luminous flux of the LED-matrix (increase the light power) without increasing the temperature of its active zone. This will allow to reduce the number of LED-matrix in the semiconductor lamp and its cost without shortening the service life.