До недавнего времени доминирующими источниками света были лампы накаливания и люминесцентные лампы. Сегодня это — энергосберегающие, долговечные и экономичные светодиодные светильники. Но для обеспечения этих характеристик все еще необходимо эффективное охлаждение. Тем не менее, благодаря прогрессу, достигнутому в последние несколько лет, активные решения для охлаждения теперь требуются только источникам света высокой мощности (при условии тщательного отбора материалов и технологий). Джон Бродбент, управляющий директор компании Columbia-Staver Ltd., описывает различные технологии и материалы и дает практические советы о том, как найти правильное решение в рамках конкретного варианта применения.
Рисунок 1. Анодирование является распространенным методом обработки поверхности архитектурных алюминиевых элементов и радиаторов из алюминия холодной ковки. Этот метод позволяет использовать широкий спектр модных цветов (@ LpS 2017- © Luger Research e.U.).
Десять лет назад практически невозможно было купить какие-либо источники света, помимо ламп накаливания. Недавние разработки сделали доступными новые варианты светильников — на основе светодиодов. Срок службы светодиодной лампы составляет от 20 000 до 50 000 часов, что, по крайней мере, в пять раз дольше, чем у любой аналогичной лампы накаливания. А с точки энергопотребления светодиоды оставляют всех конкурентов далеко позади. Несмотря на то, что стоимость таких источников света немного выше, за счет более продолжительного срока службы можно добиться значительной экономии.
Светодиодное освещение может использоваться в самых разных областях: дома, на улице, в системах управления дорожным движением, для освещения зданий, выращивания растений и даже для отверждения некоторых эпоксидных продуктов. Светодиоды успешно применяются в этих и многих других областях, но для того, чтобы добиться от светодиодной технологии легендарной долговечности, необходимо всегда и при любых условиях эксплуатации управлять таким критически важным параметром, как температура перехода. Для этого необходим тщательный анализ требований к температурному режиму.
По большей части светодиоды применяются в строительстве и городской инфраструктуре, где необходимо соблюдать строгие ограничения в отношении уровня шума. Поэтому неудивительно, что более двух третей систем охлаждения светодиодных светильников основаны на пассивных конструкциях с естественной конвекцией.
Лишь немногим специализированным решениям повышенной мощности могут потребоваться более сложные системы, использующие жидкостное охлаждение с насосом или вентиляторы для увеличения скорости воздушного потока. Поэтому в настоящей статье рассматриваются системы охлаждения с естественной конвекцией и описываются радиаторы, полученные методом литья под давлением и холодной ковки, а также тепловые трубки. Также обсуждаются эстетические аспекты, поскольку такие системы часто находятся на виду. Для достижения нужного визуального эффекта используются различные методы обработки поверхности, включая окраску в разные цвета и (или) придание нужной текстуры.
Литье под давлением
Литые радиаторы особенно хорошо подходят для светодиодных систем освещения с ограниченной выходной мощностью, производители которых ориентированы на большие объемы и низкие затраты. Этот метод не только обеспечивает невысокую себестоимость, но и позволяет в значительной степени варьировать конструкцию. После создания нужной формы для литья под давлением элементы конструкции воспроизводятся в каждом новом цикле литья. Инженеры-проектировщики могут использовать эту технологию для разработки радиаторов, выполняющих дополнительные функции.
Рисунок 2. Пример радиатора, полученного литьем под высоким давлением, и вариант его применения. Литые радиаторы — недорогое решение для массового производства стандартных изделий.
Литье под давлением выполняется с помощью простой формы или матрицы, в которую вводят расплавленный металл для формирования нужного компонента. Как только металл остынет, матрицу открывают, чтобы извлечь компонент. Затем матрица закрывается, и процесс повторяется. Этот метод ускоряет все процессы, а увеличить объем производства можно путем дублирования компонента внутри пресс-формы, что позволяет отливать более одного компонента за один цикл. Литье под давлением обеспечивает отличную повторяемость характеристик с высокими технологическими допусками.
При выборе материала для литья радиаторов можно рассмотреть две основные группы сплавов.
Сплавы, которые лучше всего подходят для литья под давлением:
• Сплавы на основе кремния (Si)
• Сплавы на основе цинка (Zi)
Сплавы на основе кремния (Si) — это, в частности, ADC12. Этот сплав привлекателен для конструкторов радиаторов благодаря превосходным свойствам с точки зрения литья — он способен заполнять самые узкие полости, такие как швы и ребра. Сплав ADC12 также обладает отличной теплопроводностью (90–96 Вт/м∙К) и может быть легко покрыт порошковой краской или обработан иным способом в целях улучшения его характеристик или внешнего вида после литья.
Сплавы на основе цинка (Zi) часто упоминаются под оригинальной торговой маркой Zamak, и самым широко используемым сплавом в Европе является Zamak 3. Сплавы на основе цинка обладают немного более высокой теплопроводностью (105–113 Вт/м∙К), однако их плотность составляет около 6600 кг/м³ (для сравнения, плотность алюминиево-кремниевых сплавов составляет 2700 кг/м³), что увеличивает вес компонентов в 2,4 раза. Материал более агрессивен, что приводит к более быстрому износу инструментов, а его поверхность сложнее обрабатывать. Поэтому сплавы на основе цинка реже используются для изготовления радиаторов, чем сплавы на основе алюминия.
Третье семейство сплавов, которое используется в радиаторах не так широко, но мы должны о нем упомянуть для полноты картины, — это сплавы на основе магния. Они преимущественно используются там, где вес и структурная прочность компонентов являются критически важными параметрами.
Холодная ковка
Если тепловые характеристики радиатора требуют теплопроводности выше 120 Вт/м∙К, литье под давлением неприменимо. Изделия из материалов теплопроводностью 120 Вт/м∙К и выше получают методом холодной ковки. Эта технология также позволяет изготавливать радиаторы большого диаметра с высокими ребрами высокой плотности. Кроме того, можно создавать универсальные с точки зрения ориентации решения, что позволяет увеличивать объем производства при одновременном снижении затрат.
Рисунок 3. Алюминиевые радиаторы холодной ковки обеспечивают лучшую теплопроводность, чем литые изделия.
Для изготовления таких деталей используется специальная матрица. Выбранный материал принимает форму матрицы под действием давления, оказываемого прессом. Наряду с формой, поверхности радиатора также передается зернистая структура материала самой матрицы, что улучшает теплопроводность в зонах ребер. Этот процесс гарантирует отсутствие воздушных пузырьков или пор, которые часто встречаются при литье под давлением.
Наиболее распространенной формой является ряд столбиков на базовой секции. Благодаря простоте изготовления инструмента столбики часто представляют собой штырь круглого сечения, поэтому сами изделия называют радиаторами со штыревыми ребрами.
Путем обработки инструмента электродом-проволокой можно получить более сложные формы, включая квадраты, треугольники, параллелограммы и ромбы. На этапе проектирования и механической обработки в инструменте могут быть реализованы дополнительные функции, например, более крупные выступы для винтовой резьбы или пропуски рисунков, а шаг штырей может быть переменным и, при необходимости, несимметричным.
Для холодной ковки подходят многие алюминиевые сплавы, от низколегированных (1100) до авиационных (7ххх). Стандартные экструзионные марки сплавов 606x также применяются и обеспечивают теплопроводность, превышающую 170 Вт/м∙К.
В заключение необходимо сказать, что как радиаторы, отлитые под давлением, так и радиаторы, полученные методом холодной ковки, находят свое применение. Обе технологии имеют свои преимущества и недостатки. Компоненты, полученные методом холодной ковки, имеют более высокую теплопроводность, а готовое изделие структурно прочнее, чем литое. Однако, литье под давлением позволяет изготавливать детали такой сложности, которая просто недостижима при холодной ковке.
Изделия из тепловых трубок
Литье под давлением, холодная ковка и экструдированные радиаторы могут функционировать только в пределах ограничений, налагаемых тепловыми характеристиками материала, из которого они изготовлены. Теплопроводность в конечном итоге достигнет пика, и тогда единственным способом повышения эффективности будет нагнетание воздуха, что сопряжено с дополнительными проблемами, связанными со стоимостью, шумом, весом и надежностью. Наиболее гибким и часто наиболее эффективным решением для охлаждения светодиодов являются тепловые трубки.
Рисунок 4. Тепловые трубки часто используются для охлаждения светильников архитектурного освещения, потому что они обеспечивают самое низкое тепловое сопротивление по сравнению с любым пассивным решением.
Тепловые трубки могут обеспечить теплопроводность на много порядков больше, чем материалы в составе других решений. После обжига в печи тепловые трубки становятся гибкими, что позволяет создавать трехмерные конструкции, которые могут отводить тепло в любом направлении от источника света. Эффективность пассивных систем охлаждения зависит от площади поверхности, а не скорости воздушного потока, и тепловые трубки с этой точки зрения ничем не отличаются от других подобных решений. Тепловые трубки могут быть оснащены большим количеством легких ребер, спроектированных таким образом, чтобы максимизировать эффективность в рамках конкретного варианта применения. Они могут отводить большое количество тепла на большие расстояния. Тепловые трубки — это пассивные двухфазные тепловые сверхпроводники. Принцип действия заключается в том, что сначала небольшое количество рабочей жидкости (в основном, воды) испаряется в области подвода тепла. Этот пар затем движется практически со скоростью звука вдоль трубки по направлению к области тепловыделения. Поскольку область тепловыделения холоднее, пар конденсируется. Конденсированная рабочая жидкость затем возвращается к фитилям тепловых трубок в области подведения тепла за счет капиллярного эффекта. Эти фитили находятся на внутренней поверхности трубок и могут представлять собой частицы спеченной меди или проволочную сетку. Возврату жидкости в область подведения тепла способствует гравитация, и это необходимо учитывать в конструкции светодиодного решения.
Внутри тепловой трубки — вакуум, поэтому процесс испарения воды может начаться при температуре 4 °C. Следует отметить, что тепловая трубка является просто высокоэффективным средством теплопередачи, и эффективность системы охлаждения зависит от наличия адекватных средств отвода тепла в области тепловыделения. Этого можно достичь путем присоединения области тепловыделения или области конденсатора к экструдированному алюминиевому радиатору или, что чаще встречается в системах охлаждения светодиодных светильников, путем присоединения алюминиевых или медных ребер в необходимых количествах непосредственно к тепловой трубке. Их количество во многом зависит от требований к тепловым характеристикам в рамках конкретного варианта применения.
Благодаря очень высокой теплопроводности тепловых трубок и тому факту, что при помощи ребер площадь поверхности может быть значительно увеличена без чрезмерного увеличения веса, в рамках решений высокой мощности системы охлаждения на основе тепловых трубок могут показывать более высокую эффективность, чем радиаторы, отлитые под давлением или полученные методом холодной ковки. Решения на основе тепловых трубок широко используются, когда мощные светодиодные прожекторы размещаются в отдаленных местах, где проблема стесненных условий не актуальна.
Обработка поверхности
В некоторых случаях, особенно когда радиатор виден конечному пользователю, очень важно обращать внимание на внешний вид. В других случаях защита решения от стихии или окружающей среды имеет первостепенное значение. Эстетический внешний вид или защита могут быть обеспечены путем обработки поверхности готового изделия. При рассмотрении методов обработки поверхности необходимо учитывать особенности основного материала радиатора.
Для алюминиевых радиаторов холодной ковки наиболее распространенным методом обработки поверхности является анодирование. Анодирование — это электрохимический процесс нанесения декоративного, долговечного и устойчивого к коррозии анодно-оксидного покрытия поверхности металла. Доступен широкий спектр цветов на основе таблицы RAL. Часто выбирают черный цвет, потому что он не только обеспечивает защиту, но также изменяет излучательную способность компонента, тем самым потенциально улучшая его эффективность.
Часто для обработки поверхности радиаторов, отлитых под давлением, используют порошковое покрытие вместо жидкой краски. Покрытие получается однородным, и эта технология позволяет выбирать различные цвета (из таблицы RAL) и текстуры поверхности, от абсолютно гладкой до более текстурированной.
Процесс нанесения порошкового покрытия основан на том, что заряженные частицы порошка притягиваются к поверхности компонентов, несущей противоположный заряд.
Обработанное изделие помещают в печь, чтобы частицы порошка расплавились. Покрытие получается очень качественным и равномерным даже на самых сложных поверхностях.
Последней альтернативой является применение электрофоретического окрашивания. Этот процесс был разработан для нужд автомобильной промышленности, он также называется электропокрытием или электропокраской. Он очень похож на нанесение порошкового покрытия, но вместо порошка используется жидкая краска с электрическим зарядом. Все остальные этапы аналогичны этапам при использовании порошкового покрытия. Этот метод широко применяется при нанесении покрытий на различные типы теплообменников, он идеально подходит для нанесения покрытий на конструкции из тепловых трубок, используемые для охлаждения светодиодных светильников. Основные преимущества заключаются в возможности покрывать даже самые маленькие зазоры и углы деталей и обеспечивать покрытие с непревзойденной защитой от воздействия окружающей среды. Можно выбирать различные цвета из таблицы RAL.
Для полноты картины также следует упомянуть процессы нанесения металлических покрытий, такие как никелирование. Однако необходимо учитывать, что из-за их высокой сложности и стоимости они не получили широкого распространения при изготовлении систем охлаждения светодиодных светильников.
Заключение и выводы
Доступно множество различных решений для охлаждения светодиодов, но универсального подхода не существует. Прежде чем предложить решение, необходимо рассмотреть конкретный вариант применения, мощность, физические размеры и рабочую среду. В таблице ниже показаны относительные термические свойства материалов и их пригодность для использования различных технологий производства.
В заключение можно сказать, что глубокое понимание свойств материалов и технологических процессов является ключевым фактором успеха с точки зрения поиска наилучшего и самого экономически эффективного решения для любого варианта применения. Поэтому важно выбрать поставщика, который предлагает полный спектр услуг по теплотехническому расчету, включая вычислительную гидрогазодинамику, тепловое проектирование, механическое проектирование, а также проектирование для производства ряда заказных термических изделий, таких как кулеры для светодиодных светильников, радиаторы, конструкции из тепловых трубок, карты теплопроводности, жидкостные охлаждающие пластины и системы охлаждения.