Testing and modeling of selected heat dissipation systems for high power LED light sources

• Autorzy: Wesołowski Marcin , Żagan Wojciech , Hajduk Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2022.06.02

Warianty tytułu

PL

Badania i modelowanie wybranych układów rozpraszania ciepła dedykowanych dla źródeł LED wysokich mocy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

All important parameters of LED light sources depend strongly on temperature of semiconducting materials. Durability and efficiency of mentioned devices decrease dramatically in the function of temperature. According to thermal generation of current carriers, also electrical parameters (like dynamic resistance of the diode) varies with junction temperature. In some cases, such phenomena can provide a very fast degradation of LED by means of overheating or by exceeding maximal current of the diode. Basing on such reasons, heat dissipation systems, seems to be a very important equipment of semiconducting light sources. All solutions presented in the paper are connected with automotive solutions, where limited space of heat dissipation system is a very important factor. Due to this feature, selected types of heat sinks equipped with heat pipes, were analyzed and described in the paper. Methods for analysis of such devices were presented and some Author's procedures for effective determination of temperature distribution were described. Accuracy of proposed solutions were compared to test results of physical models. Efficiency of heat pipes heat sinks was compared to classical heat dissipation systems in natural convection conditions.

PL

stotne parametry eksploatacyjne diod elektroluminescencyjnych istotnie zależą od temperatury. Zarówno trwałość, sprawność, jak i parametry elektryczne (jak rezystancja dynamiczna diody) zmieniają się w funkcji temperatury złącza, co prowadzić może do szybkiej degradacji LED'ów wynikającej z przegrzania lub przekroczenia granicznej wartości prądu (w przypadku stosowania źródeł napięciowych). Z uwagi na opisane czynniki, poprawna konstrukcja elementów rozpraszających ciepło jest szczególnie istotna w źródłach o znaczących mocach. Rozwiązania prezentowane w niniejszym artykule dotyczą źródeł światła stosowanych w pojazdach, gdzie ograniczone rozmiary wymuszają poszukiwania najbardziej efektywnych sposobów rozpraszania ciepła. W pracy scharakteryzowano radiatory wyposażone w rurki cieplne. Podano metody analizy tego typu układów oraz autorskie rozwiązania pozwalające na efektywne obliczenia rozkładu temperatury. Sprawność radiatorów wyposażonych w rurki cieplne porównano z klasycznymi w warunkach charakterystycznych dla eksploatacji w maszynach roboczych.

Słowa kluczowe

EN

LED light source; modelling; heat pipes

PL

źródła światła LED; modelowanie; rurki cieplne

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 98, nr 6
• Strony: 7--11
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wesołowski Marcin

• Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-7728-3860

autor

Żagan Wojciech

• Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-2914-7017

autor

Hajduk Tomasz

• WESEM, Sp. z o.o., ul. Artura Grottgera 4, 32-020 Wieliczka

Bibliografia

• [1] J. Hu, L. Yang, M.-W. Shin. Thermal And Mechanical Analysisof High-power Light-emitting Diodes with Ceramic Packages. THERMINIC 2007, Sep 2007, Budapest, Hungary. EDA Publishing, pp.77-81, 2007
• [2] Thermal Management of Cree® XLamp® LEDs, Application note CLD-AP05 rev 3I
• [3] Xavier Perpina, Robert J. Werkhoven, Miquel Vellvehi, Jiri Jakovenko, Xavier Jorda, Jos M. G. Kunen, Peter Bancken, and Pieter J. Bolt, Thermal Analysis of LED Lamps for Optimal Driver Integration, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 30, NO. 7, JULY 2015
• [4] Lasance C. J. M., Poppe A., Thermal Management for LED Applications, Springer New York, ISBN 978-1-4614-5091-7
• [5] Wesołowski M., Skrzypczak P., Hauser J.: Thermal resistanceof LED diodes. Precission of catalogue dataDOI:10.15199/13.2015.12.9
• [6] Lutz T., Ritzer M., Reliability and lifetime of LEDs, OSRAMApplication Note No. AN006, 2018-11-07
• [7] Tieszen S., Ooi A., Durbin P., Behnia M., Modeling of natural convection heat transfer, Center for Turbulence Research, pp. 287-302
• [8]Vasiliev, L.L., 2008, “Micro and miniature heat pipes – Electronic component coolers”, Applied Thermal Engineering 28, pp. 266-273. Journal article.
• [9] Mukish P, Virey E., Rosina M., Boulay P.: Automotive Lighting: Technology, Industry and Market Trends, 2016 Report YOLE Development
• [10] Hatami, N. and Bahadorinejad, M., “Experimental determination of natural convection heat transfer coefficient in a vertical flat-plate solar air heater”, Solar Energy, Vol. 82, No. 10, pp. 903–910, 2008.
• [11] Staliulionis, Ž., Zhang, Z., Pittini, R., Andersen, M. A. E., Tarvydas, P., & Noreika, A. (2014). Investigation of Heat Sink Efficiency for Electronic Component Cooling Applications. Elektronika ir Elektrotechnika, 20(1), 49-54. DOI: 10.5755/j01.eee.20.1.6167
• [12] Cotter T. P., Theory of Heat Pipes, Los Alamos Scientific Laboratory, LA-3246-MS, 1965
• [13] Nesarajah M., Frey G., Modeling of a Heat Pipe for Using in Thermoelectric Energy Harvesting Systems, 3rd International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials (ENEFM2015), Springer Proceedings in Energy, DOI 10.1007/978-3-319-45677-5_22
• [14] Nouman Z. A., Pawan K. S., Isam J., Shatilla Y., Simulation Of Flow Inside Heat Pipe: Sensitivity Study, Conditions and Configuration, Proceedings of ASME 2011 5th International Conference on Energy Sustainability & 9th Fuel Cell Science
• [15] B. Rashidian, M. Amidpour and M. R. Jafari Nasr, Modeling the Transient Response of the Thermosyphon Heat Pipes, Proceedings of the World Congress on Engineering 2008 Vol II, ISBN:978-988-17012-3-7
• [16] Paulo M. Coelho, Carlos Pinho, Considerations About Equations for Steady State Flow in Natural Gas Pipelines, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering 29(3), DOI: 10.1590/S1678-58782007000300005
• [14] Vasiliev L. L., Heat pipes in modern heat exchangers, Applied Thermal Engineering 25(1):1-19 DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2003.12.004

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).