Тенденции развития рынка радиаторов и систем охлаждения для светодиодных светильников

01/02/2017

Оптимальный дизайн радиаторов охлаждения для светодиодных ламп является критически важным элементом технологии энергосберегающего освещения, поскольку перегрев светоизлучающих диодов приводит к быстрому уменьшению светового потока, изменению цветности, резкому сокращению срока службы осветителей. Технологии производства светоизлучающих диодов быстро совершенствуются и з последние 10 лет мы наблюдали смену парадигм производства от power LED, на SMD и далее к COB. Следуя этим изменениям, трансформируются и конструкции радиаторов для матриц светоизлучающих диодов. Но, тем не менее, все также остается актуальной проблема проектирования эффективных систем охлаждения и радиаторов.

Рынок радиаторов для светодиодных систем освещения активно развивается. Появляются новые компании, новые принципы конструирования и производства, новые материалы и подходы в проектировании. Системы охлаждения для светодиодных ламп становятся менее материалоемкими, более эффективными и надежными, сокращаются их габариты и стоимость. Ниже мы рассмотрим основные тенденции развития этого рынка и работу компаний Метал- Композит и ХитЛаб по продвижению на российский рынок передовых решений и подходов в этой области.

 

Пассивные радиаторы и системы охлаждения

 

Устройства пассивного охлаждения с использованием принципов естественной конвекции воздушной среды являются традиционными и наиболее распространенными в области систем светодиодного освещения. Наиболее массовыми и недорогими являются радиаторы произведенные методами экструзии из алюминиевых сплавов.

Их эффективность является достаточно высокой, принципы использования и монтажа достаточно просты, что в совокупности с относительно невысокой стоимостью и привело к их массовому распространению.

Однако материалоемкость и эффективность этих систем оставляют желать лучшего. Светодиодное освещение приобретает повсеместную распространенность и нет никаких сомнений, что в ближайшем будущемэто будет основной тип освещения. Следовательно, конструкции радиаторов должны предоставлять относительную свободу в выборе возможных дизайнерских решений при их размещении в рабочем и жилом пространстве. Приведем здесь лишь один характерный пример. Компания MechaTronix провела испытания эффективности охлаждения двух радиаторов при их наклонном расположении: полученного экструзией ModuLED 9980 (Ø 99мм, h 80 мм, термическое сопротивление при строго вертикальном положении 1,02 ºС/Вт) и изготовленного литьем под давлением игольчатого LPF11180-ZHE(Ø 111мм, h 80 мм, термическое сопротивление при строго вертикальном положении 1,07 ºС/Вт). При наклоне игольчатый радиатор сохраняет термосопротивление на прежнем уровне, тогда как уже при наклоне 50º экструдированный радиатор теряет более 20% в эффективности охлаждения и при росте угла до 90º его эффективность уменьшается в два раза (см. рис. ниже). В целом же, учитывая материалоемкость, игольчатые радиаторы являются существенно более эффективными радиаторами по сравнению с полученными методами экструзии.

Метод литья под давлением предоставляет несравнимо большую свободу выбора при разработке дизайна радиаторов и элементов систем охлаждения светодиодных светильников. Состав и структура сплавов у деталей изготовленных литьем под давлением обеспечивают получение более высоких значений по теплопроводности. Учитывая все эти преимущества, можно утверждать, что метод литья под давлением позволяет получать существенно более эффективные и менее материалоемкие радиаторы для светодиодного освещения (см. примеры на рис. ниже).

Использование естественной конвенции и пассивных радиаторов позволяет разрабатывать надежные, не требующие обслуживания и контроля системы отвода тепла. Однако их вес и габариты заставляют задумываться об альтернативных решениях.

Рынок пассивных систем охлаждения и радиаторов для светодиодного освещения растет и активно развивается. Наряду с такими, уже зарекомендовавшими себя производителями как MechaTronix, CREE, LG Innoteck, Osramпоявляются новые компании – такие как Xicato, Mingfa Teech, NingboHongyang, которые пытаются предлагать новые решения, более низкие цены и осваивают новые рыночные ниши. Нет сомнений в том, что этот процесс будет только набирать обороты и в ближайшем бедующем мы увидим на этом рынке новых игроков и предлагаемые им решения.

 

Активные радиаторы

 

Несмотря на то, что системы пассивного охлаждения сейчас обеспечивают достаточно эффективное охлаждение осветителей с суммарным световым потоком до 4500 люмен при приемлемых габаритно-весовых показателях, системы активного охлаждения быстро внедряются там, где необходимы световые потоки свыше 10000 люмен. Для осветителей обеспечивающих световые потоки более 10000 люмен, устраивающие их системы пассивного охлаждения становятся либо слишком большими, либо слишком тяжелыми и слишком дорогими. При росте мощности и светового потока, системы инсталляции таких осветителей также становятся все более громоздкими, сложными в установке и обслуживании, и на первый план выходит их надежность и срок службы. Все это приводит к тому, что хороший дизайн и применение вентилятора в системах охлаждения экономит существенные деньги в стоимости производства, установки и обслуживания активной системы охлаждения.

Что же такое активные радиаторы для светодиодного освещения? По сути это радиаторы с закрепленными на них механическими приводами, обеспечивающими принудительную вентиляцию. При увеличении скорости потока воздуха между поверхностями и ребрами радиатора сильно интенсифицируется теплообмен, и термическое сопротивление таких систем существенно падет, обеспечивая эквивалентное охлаждение при существенно меньших габаритно-весовых показателях. При этом энергопотребление всей системы, включая механический привод, растет незначительно, как правило, не более чем на 10%.

Широко распространены активные радиаторы с вентиляторами. Ниже приведено несколько примеров.

Промышленность научиласть производить вентиляторы для систем охлаждения светодиодных светильников, которые обеспечивают срок службы в десятки тысяч часов в разных климатических условиях и при достаточн высоких уровнях запыленности и загрязнения воздуха. Но, тем не менее, вентилятор это механическая кинематическая система, обладающая подшипниками, трущимися парами и изнашиваемыми рабочими поверхностями. Все это накладывает определенные ограничения, и производители активных систем охлаждения продолжают поиск альтернативных путей обеспечения принудительного охлаждения используя другие физические принципы и подходы. Один из ставших получать распространение подходов –использование гибких, биморфных колебательных пластин на пьезоэлектрических приводах для создания пульсирующих потоков воздуха. Такие устройства еще раньше получили распространение в системах охлаждения СБИС и мощных тепловыделяющих полупроводниковых приборах. Одним из пионеров, освоивших производство таких устройств является японская компания Murata. Более мощные устройства пару лет назад вывела ны рынок компания General Electric. И теперь приводы на пластинчатых колебательных контурах с пьезоактуаторами используются и для охлаждения радиаторов светдиодных светильников (см. на рис. ниже).

Производитель гарантирует срок работы таких пьезоприводов более 20 лет. Устройства работают от источника напряжения 5 или 12 вольт и обеспечивают охлаждение светдиодного источника освещения мощностью до 110 Вт. Их энергопотребление в разы ниже по сравнению с вентиляторами. Значительно ниже и шум, возникающий при их работе.

На рис. ниже приведен пример системы охлаждения с такими пьезоприводами компании Nuventix - R150-170. Эта система по заявлениям производителя обеспечивает 30% сокращение в потреблении энергии по сравнения с метал-галоидными осветителями с таким же световым потоком, он также на 40% меньше и на 60% легче по сравнению с системами светодиодного освещения с пассивными радиаторами. В конструкции Nuventix R150-170 есть еще одна инновация: в нем применяются тепловые трубы для более эффективного распределения теплового потока.

Тенденция с использованием тепловых труб в системах светодиодного освещения возникла не так давно и в настоящее время активно развивается. Связано это, прежде всего, с ростом мощности светодиодных источников и с борьбой за повышение эффективности систем охлаждения. Так, компания 1-АСТ базирующаяся в США, успешно продвигает решения по применению активных радиаторов с тепловыми трубами для охлаждения светодиодных источников. Применение тепловых труб в радиаторах открывает очень большие возможности связанные с использованием удаленных радиаторов, с применением для этих целей окружающих конструктивных элементов, с использованием близкорасположенных каналов вентиляции и кондиционирования, жидкостных и газовых трубопроводов и т.д. На рисунках ниже приведены иллюстрации показывающие снижение температуры под светодиодным источником на 8 ºС при применении в конструкции радиатора тепловой трубы, а также возможность применения удаленного радиатора и транспортировки теплового потока посредством тепловой трубы.

Другим интересным и перспективным подходом в системах охлаждения светодиодных светильников является использование ионного ветра. Создание пристеночного потока воздуха, стимулированного высоким напряжением, позволяет на десятки процентов интенсифицировать процесс охлаждения, при незначительных энергетических затратах. В отдельных случаях, для светодиодных источников малой и средней мощности, использование ионного ветра является достаточным для значительного сокращения массогабаритных характеристик радиаторов. Эти решения являются очень привлекательными для необслуживаемых систем с гарантированно большим сроком службы, поскольку такие устройства создания потока не содержат двигающихся частей подверженных износу и, безусловно, смогут обеспечить длительные времена работы. Ниже на рисунках приведены схемы и фото экспериментальных устройств использующих эффект ионного ветра для охлаждения радиатора.

Среди последних тенденций в развитии систем охлаждения мощных светодиодных ламп можно отметить использование паровых камер, тепловых трубок, графитовых теплопроводников в основаниях радиаторов и применение пенометаллов с открытыми порами. Безусловно, по мере повышения эффективности и мощности светодиодных источников будут возрастать и требования к эффективности и массогабаритным параметрам систем охлаждения LED светильников. И это требует постоянного развития и совершенствования как методов производства так и методов проектирования.

Компания Метал-Композит в 2016 г вышла на рынок светодиодных радиаторов и освоила производство нескольких типов радиаторов для светодиодных светильников. Компания обладает современным высокопроизводительным роботизированным комплексом литья под давлением, собственным станочным паркоми покрасочным оборудованием, позволяющими осуществлять полный цикл производства, сборки и упаковки готовой продукции.

Компания ХитЛаб является партнерской компанией производственной компании Метал- Композит и осуществляет разработки в области проектирования идизайна пассивных и активных систем теплоотвода. ХитЛаб имеет в своем распоряжении металографическую, химическую лаборатории, лабораторию физических измерений, порошковый производственный участок. В 2016 г в ХитЛаб была приобретена рабочая станция и специализированное лицензионное ПО (Comsol Multiphysics) по расчету и моделированию процессов теплоотвода и теплопереноса в сложных технических системах. В активе компании – разработанные высокотеплопроводные композитные материалы специального назначения, прототипы уникальных устройств с использованием высокотеплопроводных композитных материалов. Компания ХитЛаб начала выполнять первые заказы для сторонних заказчиков по моделированию и оптимизации процессов теплоотвода в реальных устройствах силовой электроники и системах охлаждения. В планах компании ХитЛаб на 2017 г проектирование новых типов пассивных и активных радиаторов с твердотельными высокотеплопроводными композитными теплопроводниками, с тепловыми трубками, металлическими пенами, гибкими теплопроводниками с вибрационной развязкой, проектирование технических устройств осуществляющих функции теплообмена и утилизации тепловых потоков, получение прототипов технических устройств в области охлаждения и генерации электричества.

Компании Метал-Композит и ХитЛаб расценивают рынок светодиодных радиаторов и систем охлаждения как чрезвычайно перспективный и емкий. Мы ставим себе целью усилить свое присутствие на этом рынке и обладаем всеми необходимыми для этого предпосылками. Целью наших компаний является вывод на российский рынок светодиодных светильников наиболее передовых, инновационных решений в области теплоотвода и охлаждения и обеспечить российских производителей и разработчиков самыми лучшими конструкциями и продуктами, позволяющими на равных конкурировать с передовыми мировыми производителями светодиодных систем освещения.