Thử nghiệm mô phỏng kỹ thuật ý tưởng mới về tản nhiệt cho đèn LED

Theo Manjunath Subbanna - kỹ sư công nghệ cao cấp; Eelco Galestien – kỹ sư trưởng thiết kế; Creighton Tomek – chuyên gia công nghệ gốm; và Wei Fan – giám đốc Ceramics NPI; Momentive Performance Materials, Strongsville, Hoa Kỳ

Tập đoàn Momentive Performance Materials đã giảm đáng kể thời gian yêu cầu cho việc thử nghiệm vật lý bằng cách sử dụng mô phỏng để tối ưu hóa thiết kế tản nhiệt cho đèn pha LED ở ô tô.

Mô phỏng kỹ thuật đã mang đến một thiết kế mới giúp tăng gấp đôi độ sáng của đèn pha trong khi hoạt động ở cùng một mức nhiệt độ so với phiên bản cũ.

 

Đèn LED ngày càng được ứng dụng nhiều làm đèn pha ô tô (dự kiến sử dụng cho 20% ô tô trên thế giới cho đến năm 2020). Mức tiêu thụ năng lượng thấp giúp cải thiện hiệu suất năng lượng, với kích thước nhỏ gọn tạo tiền đề tốt cho các thiết kế sản phẩm trở nên đầy phong cách và sáng tạo.

Trở ngại lớn nhất trong việc tăng cường ứng dụng đèn LED là khả năng bình ổn nhiệt. Thông thường, 70% năng lượng tiêu thụ được chuyển thành nhiệt.

Đèn LEDs nhạy cảm với nhiệt hơn các công nghệ chiếu sáng khác vì giống như các dụng cụ bán dẫn khác mối nối của đèn LEDs phải được làm mát để hoạt động tốt. Hầu hết đèn pha LED sử dụng tản nhiệt làm từ nhôm hoặc đồng và dùng dòng khí hoặc chất lỏng làm mát để tản nhiệt.

MPM đã phát triển than chì nhiệt phân (TPG), một vật liệu mới có khả năng dẫn nhiệt tốt gấp 4 lần so với đồng và có khối lượng chỉ bằng một phần tư.

Đèn pha LED phiên bản thương mại đã qua thử nghiệm

Khả năng dẫn nhiệt tốt của TPG đến từ các tinh thể than chì định hướng tốt ở từng lớp trong kết cấu. Để sử dụng loại vật liệu mới này, Momentive đề xuất việc phát triển thiết kế bộ tản nhiệt mới với mục tiêu cải thiện hiệu suất của đèn pha LED hiện hành.

Xây dựng và thử nghiệm một nguyên mẫu sẽ cần đến nhiều tuần nỗ lực với nhiều mẫu thử để tối ưu hóa thiết kế. Nhưng nhờ tận dụng phần mềm tính toán động lực học chất lưu (CFD) của ANSYS, các kĩ sư của Momentive đã có thể tiên lượng chính xác hiệu suất của thiết kế giúp bình ổn nhiệt chỉ trong 15 phút.

Ở một ứng dụng thông thường, các kĩ sư chứng minh bằng mô phỏng rằng TPG có thể tăng gấp đôi độ sáng của một đèn LED với cùng một thiết kế bộ bình ổn nhiệt cơ bản. Mặt khác, bằng việc loại bỏ quạt tản nhiệt, các kĩ sư có thể cùng lúc giảm chi phí cho việc bình ổn nhiệt và điện năng tiêu thụ cũng như cải thiện độ ổn định của chiếc đèn pha trong khi vẫn duy trì cùng độ sáng.

Thiết kế cuối cùng sẽ trở thành nguyên mẫu. Hiệu suất làm việc thực tế của cụm đèn LED sẽ bằng với hiệu suất dự kiến qua mô phỏng.

Kết quả mô phỏng của thiết kế đèn LED nguyên gốc cho thấy sự tắc nghẽn trong dòng nhiệt.

Mô phỏng thiết kế gốc

Nhiệt độ mối nối đi-ốt của một đèn pha LED phiên bản thương mại phải được giữ ở mức dưới 120 độ C. Thiết kế gốc làm mát đèn LED bằng một bộ truyền nhiệt, một chân tản nhiệt, lá tản nhiệt và một quạt gió. Các kĩ sư Momentive sử dụng ANSYS CFD để mô hình hóa tất cả các bộ phận và nhập vào độ dẫn nhiệt cho từng bộ phận.

Nhiệt đầu vào được tiên lượng khoảng 70% của 30 watt- tổng năng lượng đầu vào cho 2 đèn LED và được chỉ định như một nguồn nhiệt thể tích trong chip của đèn LED. Mô hình này được mô phỏng với dòng khí cưỡng bức ở tốc độ 3 feet khối mỗi phút. Mô phỏng giúp tiên lượng tổng nhiệt trở là 5.9 C/W.

Thiết bị này cũng được tích hợp với cặp nhiệt điện ở khuôn rập đèn LED, bộ truyền nhiệt đèn LED, chân tản nhiệt, lá tản nhiệt và vỏ đèn. Sau khi đã được cân bằng, nhiệt độ ở các bộ phận được ghi lại như một chức năng của năng lượng đầu vào. Biên dạng nhiệt độ được dự đoán nhờ mô phỏng khớp với dữ liệu thử nghiệm, đảm bảo tính chính xác cao của mô phỏng.

“Thay đổi lá và đế tản nhiệt thành vật liệu dựa trên TPG cho phép tăng gấp đôi năng lượng đầu vào cho đèn LED đồng thời nhân đôi độ sáng”

Cải tiến thiết kế lá tản nhiệt

Dựa trên nghiên cứu về mô hình gốc, các lá tản nhiệt và đế tản nhiệt được phát hiện chính là điểm tắc nghẽn của dòng nhiệt. Bước tiếp theo là thay đổi thiết kế lá tản nhiệt và đế tản nhiệt để cải thiện khả năng dẫn nhiệt đồng thời kiểm chứng hiệu suất làm việc của các bộ phận này qua mô phỏng CFD.

Các kĩ sư Momentive đã thay đổi vật liệu của lá tản nhiệt trong mô hình thành một lớp mỏng chứa một lõi TPG được mạ thiếc. Do TPG là một vật liệu nhẹ liên kết nhờ vào lực Van Der Waals yếu giữa các lớp lá graphit, một số thành phần cấu trúc thường bắt buộc phải chứa vật liệu này.

Trong trường hợp đó, một lớp mạ thiếc mỏng có khả năng bảo vệ vật liệu TPG khỏi độ ẩm và ăn mòn cũng như cho phép hàn chảy vật liệu TPG trực tiếp vào vỏ nhôm. Tính dẫn nhiệt cao của vật liệu TPG giúp truyền nhiệt đồng đều hơn qua toàn bộ cấu trúc lá tản nhiệt và tận dụng bề mặt lá tản nhiệt hiệu quả hơn. Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị nhiệt trở là 4.7 C/W, giảm 20% so với nhiệt trở của thiết kế gốc.

“Các kĩ sư Momentive đang áp dụng rộng rãi mô phỏng để chứng minh lợi ích của giải pháp bình ổn nhiệt dựa trên TPG và giảm số lượng vòng đời phát triển sản phẩm”

Mô phỏng của đèn pha LED với lõi và lá tản nhiệt TPG giúp giảm 49% nhiệt trở

Kết quả mô phỏng cho đèn LED với lõi và lá tản nhiệt TPG cho thấy nhiệt trở giảm 49% và năng lượng đầu vào được tăng lên 104% ở cùng mức nhiệt so với thiết kế gốc (khớp với phép đo vật lý).

Cải tiến thiết kế lõi

Thiết kế lắp ráp đèn LED được sửa đổi để sử dụng lá tản nhiệt TPG

Thiết kế lắp ráp được cải tiến với lõi và lá tản nhiệt TPG

Tiếp theo, các kĩ sư Momentive xây dựng một thiết kế giúp dòng nhiệt lưu thông dễ dàng hơn qua các miền hẹp của đế tản nhiệt, bắt đầu bằng việc thay thế miền này bằng một tấm ốp hình chữ T được hàn cứng vào một vỏ bọc nhôm.

Mối hàn nhiệt độ cao giữa vật liệu TPG được kim loại hóa và các bộ phận của vỏ bọc nhôm được xác định chính xác để tạo ra mặt phân cách nhiệt hoàn hảo có độ bền liên kết cao cũng như khả năng chịu được nhiệt độ sinh ra khi hàn khuôn rập đèn LED và lá cách nhiệt TPG.

Mô phỏng cho thấy đế tản nhiệt TPG có khả năng giảm gradient nhiệt độ (chênh lệch nhiệt độ) qua các miền hẹp ở đế tản nhiệt và lá tản nhiệt, mở rộng miền tản nhiệt hiệu quả để tản nhiệt ra không khí. Kết quả mô phỏng của đèn LED chứa một lõi tản nhiệt TPG cho thấy thêm 29% nhiệt trở được giảm với giá trị nhiệt trở được ghi nhận là 3.0 C/W. Như vậy, tổng cộng thiết kế mới đã được giảm 49% nhiệt trở so với thiết kế gốc.

Kết quả mô phỏng cho thấy, ở trong ứng dụng cụ thể này, thay đổi lá và đế tản nhiệt với vật liệu nền là TPG sẽ giúp tăng gấp đôi năng lượng đầu vào cho đèn LED. Hơn nữa, độ sáng tăng lên gấp đôi mà vẫn giữ nguyên nhiệt độ mối nối của đèn LED so với thiết kế gốc.

Kết quả mô phỏng sau đó được xác thực bằng cách đo các nguyên mẫu đèn pha LED được xây dựng trên cơ sở các thiết kế gốc. Nghiên cứu bổ sung cho thấy đèn pha có thể chạy ở mức công suất 30 watt mà không cần quạt tản nhiệt, giúp giảm đáng kể chi phí, trọng lượng và điện năng tiêu thụ và tăng cường độ tin cậy cho sản phẩm.

Tiếp đến, các kĩ sư Momentive sẽ tăng cường tận dụng mô phỏng để chứng minh tác dụng của giải pháp bình ổn nhiệt dựa trên TPG tới các khách hàng ở ngành công nghiệp ô tô, máy bay, viễn thông và quốc phòng. Sử dụng mô phỏng trong quá trình thiết kế là điều cốt yếu giúp tăng hiệu suất năng lượng và hiệu năng của tất cả các thiết bị điện tử công suất lớn.

Mô phỏng cũng có thể mang đến lợi ích trong việc cải tiến thiết kế cho các khách hàng tiềm năng.

Nguồn: ANSYS Advantage V11 I2, 2017

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này.