مواد وتقنية تبديد الحرارة لمصابيح LED

يعد تبديد الحرارة عاملاً مهمًا يؤثر على كثافة إضاءة مصابيح LED. يمكن أن يحل المشتت الحراري مشكلة تبديد الحرارة لمصابيح LED منخفضة الإضاءة ، لكن المشتت الحراري لا يمكنه حل مشكلة تبديد الحرارة للمصابيح عالية الطاقة.

من أجل تحقيق كثافة الإضاءة المثالية ، يجب استخدام تقنية التبريد النشط لحل الحرارة المنبعثة من مكونات مصابيح LED ، وبعض حلول التبريد النشطة مثل المراوح لا تتمتع بعمر طويل مثل مصابيح LED.

من أجل توفير حل تبريد نشط عملي لمصابيح LED عالية السطوع ، يجب أن تكون تقنية تبديد الحرارة منخفضة الطاقة وقابلة للتطبيق على المصابيح الصغيرة ذات عمر مماثل أو أطول من مصدر الضوء.

بشكل عام ، وفقًا للطريقة التي يتم بها نقل الحرارة بعيدًا عن المشتت الحراري ، يمكن تقسيم المشتتات الحرارية إلى تبريد نشط وتبريد سلبي.

ما يسمى بتبديد الحرارة السلبي يعني أن حرارة مصدر الحرارة LED مصدر الضوء تتبدد بشكل طبيعي في الهواء من خلال المشتت الحراري ، وتأثير تبديد الحرارة يتناسب مع حجم المشتت الحراري. ولكن نظرًا لأنه يبدد الحرارة بشكل طبيعي ، فإن التأثير ينخفض ​​بشكل كبير بالطبع. غالبًا ما يستخدم في المعدات التي لا تتطلب مساحة ، أو لتبديد الحرارة للمكونات التي تولد القليل من الحرارة. على سبيل المثال ، تعتمد بعض اللوحات الأم الشهيرة أيضًا تبديد الحرارة السلبي على الجسر الشمالي.

التبديد النشط للحرارة هو إزالة الحرارة المنبعثة من المشتت الحراري بالقوة من خلال المراوح ومعدات تبديد الحرارة الأخرى. يتميز بكفاءة عالية في تبديد الحرارة وصغر حجم الجهاز.

يمكن تقسيم تبديد الحرارة النشط إلى تبديد الحرارة المبرد بالهواء ، وتبديد الحرارة بالسائل المبرد ، وتبديد حرارة أنبوب الحرارة ، وتبريد أشباه الموصلات ، والتبريد الكيميائي ، وما إلى ذلك.

01. تبريد الهواء

تبريد الهواء هو أكثر طرق تبديد الحرارة شيوعًا ، كما أنه طريقة رخيصة نسبيًا. تبريد الهواء هو في الأساس استخدام المراوح لإزالة الحرارة التي يمتصها المشتت الحراري. تتميز بمزايا السعر المنخفض نسبيًا والتركيب المريح. ومع ذلك ، فهي تعتمد بشكل كبير على البيئة. على سبيل المثال ، سوف يتأثر أداء تبديد الحرارة بشكل كبير عند ارتفاع درجة الحرارة ورفع تردد التشغيل.

02. التبريد السائل

إن تبديد حرارة التبريد السائل هو إزالة حرارة المشتت الحراري من خلال الدوران القسري للسائل تحت محرك المضخة. بالمقارنة مع تبريد الهواء ، فإنه يتميز بمزايا الهدوء ، والتبريد المستقر ، والاعتماد الأقل على البيئة. سعر التبريد السائل مرتفع نسبيًا ، والتركيب مزعج نسبيًا. في نفس الوقت ، حاول اتباع التعليمات الموجودة في الدليل عند التثبيت للحصول على أفضل تأثير لتبديد الحرارة. للنظر في التكلفة وسهولة الاستخدام ، عادةً ما يستخدم التبريد السائل الماء كسائل توصيل الحرارة ، لذلك غالبًا ما تسمى أحواض حرارة التبريد السائل بأحواض حرارة تبريد الماء.

03. تبريد الأنابيب الحرارية

أنبوب الحرارة هو نوع من عناصر نقل الحرارة ، والذي يستفيد بشكل كامل من مبدأ التوصيل الحراري وخصائص نقل الحرارة السريع لوسط التبريد ، وينقل الحرارة من خلال تبخر وتكثيف السائل في الأنبوب المفرغ المغلق بالكامل ، مع الموصلية الحرارية العالية للغاية والتساوي الحراري الجيد يمكن تغيير منطقة نقل الحرارة على كلا الجانبين من الجانبين البارد والساخن بشكل تعسفي ، ونقل الحرارة لمسافات طويلة ، والتحكم في درجة الحرارة ، وما إلى ذلك ، والمبادل الحراري المكون من أنابيب الحرارة لديه كفاءة عالية في نقل الحرارة ، هيكل مدمج ، وفقدان صغير لمقاومة السوائل. أفضلية. قدرتها على إجراء الحرارة تتجاوز بكثير قدرة أي معدن معروف.

04. التبريد بأشباه الموصلات

يستخدم تبريد أشباه الموصلات شريحة تبريد خاصة بأشباه الموصلات لتوليد فرق في درجة الحرارة عند تنشيطها لتبريدها. طالما يمكن تبديد الحرارة في نهاية درجة الحرارة المرتفعة بشكل فعال ، سيتم تبريد نهاية درجة الحرارة المنخفضة باستمرار. يتم إنشاء اختلاف في درجة الحرارة على كل جسيم من أشباه الموصلات ، وتتكون لوحة التبريد من عشرات من هذه الجسيمات في سلسلة ، مما يشكل فرقًا في درجة الحرارة على سطحين من لوح التبريد. باستخدام ظاهرة اختلاف درجة الحرارة هذه ، جنبًا إلى جنب مع تبريد الهواء / تبريد الماء لتبريد نهاية درجة الحرارة المرتفعة ، يمكن الحصول على تأثير تبديد حرارة ممتاز.

يتميز تبريد أشباه الموصلات بمزايا درجة حرارة التبريد المنخفضة والموثوقية العالية. يمكن أن تصل درجة حرارة السطح البارد إلى أقل من 10 درجة تحت الصفر ، لكن التكلفة مرتفعة للغاية ، وقد تتسبب في حدوث دائرة قصر بسبب درجة الحرارة المنخفضة للغاية. علاوة على ذلك ، فإن تقنية رقائق التبريد بأشباه الموصلات ليست ناضجة بدرجة كافية في الوقت الحاضر. عملي.

05. التبريد الكيميائي

ما يسمى بالتبريد الكيميائي هو استخدام بعض المواد الكيميائية ذات درجة الحرارة المنخفضة للغاية ، واستخدامها لامتصاص كمية كبيرة من الحرارة عند الذوبان لتقليل درجة الحرارة. في هذا الصدد ، يعد استخدام الثلج الجاف والنيتروجين السائل أكثر شيوعًا. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استخدام الثلج الجاف إلى خفض درجة الحرارة إلى أقل من 20 درجة تحت الصفر ، ويستخدم بعض اللاعبين المبالغ بهم النيتروجين السائل لخفض درجة حرارة وحدة المعالجة المركزية إلى أقل من 100 درجة تحت الصفر (نظريًا). بالطبع ، نظرًا للسعر المرتفع والمدة القصيرة ، فإن هذه الطريقة تُرى بشكل أكبر في المختبرات أو في كسر السرعة الشديد.

بشكل عام ، فإن أحواض الحرارة العادية المبردة بالهواء تختار المعدن بشكل طبيعي كمادة للمشتت الحراري. بالنسبة للمادة المختارة ، من المأمول أن يكون لها حرارة نوعية عالية وموصلية حرارية عالية.

كما يتضح من الشكل أعلاه ، فإن الفضة والنحاس هما أفضل الموصلات الحرارية ، يليهما الذهب والألمنيوم. نظرًا لأن الذهب والفضة باهظ الثمن ، فإن المشتتات الحرارية مصنوعة حاليًا بشكل أساسي من الألومنيوم والنحاس.

تتمتع كل من سبائك النحاس والألمنيوم بمزاياها وعيوبها: يتمتع النحاس بموصلية حرارية جيدة ، ولكنه أغلى ثمناً ، ويصعب معالجته ، وثقيلًا جدًا ، كما أن السعة الحرارية للمشتت الحراري صغيرة ، ومن السهل أن تتأكسد.

من ناحية أخرى ، فإن الألمنيوم النقي ناعم للغاية بحيث لا يمكن استخدامه بشكل مباشر ، ويمكن أن توفر سبائك الألومنيوم صلابة كافية. مزايا سبائك الألومنيوم هي السعر المنخفض والوزن الخفيف ، لكن الموصلية الحرارية أسوأ من النحاس. لذلك ، ظهرت المواد التالية في تاريخ تطوير المشتت الحراري:

01. بالوعة الحرارة الألومنيوم

يعتبر المشتت الحراري المصنوع من الألمنيوم النقي هو المشتت الحراري الأكثر شيوعًا في المرحلة المبكرة ، وعملية التصنيع بسيطة والتكلفة منخفضة. حتى الآن ، لا تزال المشتتات الحرارية المصنوعة من الألمنيوم النقي تحتل جزءًا كبيرًا من السوق. من أجل زيادة مساحة تبديد الحرارة لزعانفها ، فإن طريقة المعالجة الأكثر شيوعًا لمشتت حرارة الألومنيوم النقي هي تقنية بثق الألومنيوم ، والمؤشرات الرئيسية لتقييم المشتت الحراري للألمنيوم النقي هي سمك قاعدة المشتت الحراري والمسمار. - نسبة الزعانف.

يشير الدبوس إلى ارتفاع زعانف المشتت الحراري ، ويشير الزعنفة إلى المسافة بين زعنفتين متجاورتين. نسبة Pin-Fin هي ارتفاع الدبوس (باستثناء سمك القاعدة) مقسومًا على الزعنفة. تعني نسبة Pin-Fin الأكبر حجم مساحة تبديد الحرارة الفعالة للمشتت الحراري ، مما يعني أنه كلما كانت تقنية بثق الألومنيوم أكثر تقدمًا.

02 بالوعة الحرارة النحاسية

تبلغ الموصلية الحرارية للنحاس 1.69 ضعفًا للألمنيوم ، لذا في ظل فرضية الظروف الأخرى نفسها ، يمكن للمشتت الحراري النحاسي النقي إزالة الحرارة من مصدر الحرارة بشكل أسرع. ومع ذلك ، فإن نسيج النحاس يمثل مشكلة. العديد من المشتتات الحرارية التي يُعلن عنها على أنها "نحاس نقي" ليست في الواقع نحاسًا بنسبة 100 بالمائة.

في قائمة النحاس ، يُسمى محتوى النحاس الذي يزيد عن 99 في المائة بالنحاس الخالي من الأحماض ، والدرجة التالية من النحاس هي النحاس الأحمر الذي يحتوي على نسبة نحاسية أقل من 85 في المائة. تحتوي معظم أحواض الحرارة النحاسية النقية الموجودة في السوق حاليًا على محتوى نحاسي بين الاثنين. تحتوي بعض أحواض الحرارة النحاسية النقية السفلية على أقل من 85 بالمائة من النحاس. على الرغم من أن التكلفة منخفضة للغاية ، إلا أن الموصلية الحرارية لها تقل بشكل كبير ، مما يؤثر على تبديد الحرارة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن للنحاس أيضًا عيوبًا واضحة ، مثل التكلفة العالية ، والمعالجة الصعبة ، والكتلة العالية من أحواض الحرارة التي تعوق تطبيق جميع أحواض الحرارة النحاسية. صلابة النحاس الأحمر ليست جيدة مثل سبائك الألومنيوم AL6063 ، وأداء بعض المعالجة الميكانيكية (مثل الحز ، إلخ) ليست جيدة مثل تلك الخاصة بالألمنيوم ؛ نقطة انصهار النحاس أعلى بكثير من تلك الخاصة بالألمنيوم ، والتي لا تؤدي إلى البثق.

03. تكنولوجيا ربط النحاس والألومنيوم

بعد النظر في أوجه القصور الخاصة بالنحاس والألمنيوم ، تستخدم بعض أحواض الحرارة المتطورة في السوق حاليًا عملية تصنيع مزيج من النحاس والألمنيوم. عادةً ما تستخدم أحواض الحرارة هذه قواعد معدنية نحاسية ، بينما تُصنع زعانف تبديد الحرارة من سبائك الألومنيوم. بالطبع ، بالإضافة إلى القاع النحاسي ، هناك أيضًا طرق مثل استخدام الأعمدة النحاسية للمشتت الحراري ، وهو نفس المبدأ أيضًا.

مع الموصلية الحرارية العالية ، يمكن لسطح القاع النحاسي أن يمتص الحرارة المنبعثة من مصدر الحرارة بسرعة ، ويمكن تحويل زعانف الألمنيوم إلى الشكل الأكثر ملاءمة لتبديد الحرارة بمساعدة وسائل المعالجة المعقدة ، وتوفير حجم كبير مساحة تخزين الحرارة وتحريرها بسرعة. تم العثور على نقطة توازن في جميع الجوانب.