추상
A 히트 파이프 방열판 본 제품은 4000W 고출력 LED 서치라이트의 높은 열유속 냉각 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 방열판의 전체 크기는 350mm×350mm×120mm이며, Φ9.5mm LED 40개가 장착되어 있습니다. 열 파이프12mm 두께의 구리 베이스 플레이트를 열원으로 사용하는 열전달 매체로 채택하였다. 히트 파이프, 베이스 플레이트 및 핀 사이에는 솔더 페이스트 리플로우 솔더링을 적용하여 견고한 열 연결을 형성하였다. 5500rpm으로 작동하는 3개의 산요 9038 축류 팬을 사용하여 강제 공랭식으로 냉각하였다. 열 시뮬레이션 및 실험 측정 결과, 주변 온도 35℃에서 LED 온도를 67.5℃로 안정적으로 유지할 수 있음을 확인하였으며, 이는 고출력 LED의 장기적인 안정적인 작동 온도 요구 조건을 충족한다. 본 솔루션은 킬로와트급 옥외 고출력 조명기구의 열 관리 시스템 설계에 참고 자료를 제공한다. LED 조명 출처.
키워드 : 고출력 LED; 4000W 서치라이트; 히트 파이프 방열판; 구리 베이스 플레이트; 강제 공랭식; 솔더 페이스트 용접
1 소개
장거리 탐조등 및 특수 조명 산업의 발전과 함께 LED 광원의 출력이 지속적으로 증가하여 4000W 고출력 LED 탐조등이 널리 채택되고 있습니다. 고출력 LED가 소비하는 전력의 약 65%는 작동 중에 열로 변환됩니다. 열이 신속하게 방출되지 않으면 LED 칩의 온도가 급격히 상승하여 광 감쇠가 심화되고 수명이 단축되며, 심한 경우 LED 비드가 영구적으로 소손될 수도 있습니다.
기존의 일체형 압출 알루미늄 방열판은 무게가 무겁고 온도 균일성이 떨어집니다. 단순한 구리판으로는 4000W의 높은 열 부하 조건에서 요구되는 열 방출량을 충족할 만큼 충분한 대류 면적을 제공할 수 없습니다. 히트 파이프는 매우 높은 등가 열전도율을 가지고 있어 집중된 국부적인 열을 전체 핀 영역으로 빠르게 전달할 수 있습니다. 본 논문에서는 두꺼운 구리 베이스와 다중 히트 파이프 어레이를 갖춘 강제 공랭식 히트 파이프 방열기를 설계했습니다. 접합면 열 저항을 줄이기 위해 솔더 페이스트 용접을 적용했습니다. 팬을 이용한 강제 대류와 결합하여 LED의 안정적인 온도 제어를 구현했습니다.
2. 방열판의 전체적인 설계 계획
2.1 설계 입력 매개변수
1. 광원 출력: 4000W LED 서치라이트
2. 주변 온도: Ta=35℃
3. 목표 LED 온도: Tc=67.5℃
4. 방열판 전체 외형 치수: 350mm × 350mm × 120mm
5. 냉각 방식: 히트 파이프 + 핀 강제 공기 냉각
6. 열원 접촉면: 두께 12mm 구리 베이스 플레이트
7. 히트 파이프 사양: 직경 9.5mm 원형 히트 파이프, 수량: 40개
8. 팬 구성: 산요 9038 축류 팬, 회전 속도: 5500rpm
9. 조립 공정: 히트 파이프, 구리 베이스 플레이트 및 냉각 핀 사이의 솔더 페이스트 용접
2.2 구조 설계
방열판은 구리 베이스 플레이트, 히트 파이프 어레이, 알루미늄 냉각 핀 및 팬 장착 브래킷의 네 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다.
1. 12mm 두께의 구리 베이스 플레이트: 구리는 알루미늄 합금보다 열전도율이 훨씬 높고 온도 균일성이 뛰어납니다. LED 모듈에서 발생하는 열을 집중적으로 흡수하여 국부적인 과열 현상을 방지합니다. 베이스 플레이트에는 히트 파이프 설치를 위한 구멍이 마련되어 있습니다.
2. Φ9.5mm 히트 파이프 어레이(40개): 각 히트 파이프의 한쪽 끝은 구리 베이스 플레이트에 삽입되고, 다른 쪽 끝은 알루미늄 핀을 관통합니다. 열은 히트 파이프를 통해 구리 베이스 플레이트에서 다층 알루미늄 핀으로 빠르게 전달되어 열 교환 면적을 확장합니다.
3. 고밀도 알루미늄 핀: 핀은 솔더 페이스트를 사용하여 히트 파이프에 용접되어 히트 파이프와 핀 사이의 공극을 없애고 접촉 열 저항을 낮춥니다.
4. 산요 9038 고속 팬: 5500rpm의 고속 팬은 핀 표면을 가로지르는 강제 기류를 생성하여 열을 제거합니다.
2.3 용접 공정 선택
방열판에는 솔더 페이스트 리플로우 솔더링 공정이 적용되었습니다. 열전도성 실리콘을 사용한 기존의 압축 조립 방식과 비교하여, 솔더 페이스트 용접은 히트 파이프의 외벽, 베이스 플레이트 및 핀 사이에 야금학적 접합을 형성하여 계면 열 저항을 크게 감소시킵니다. 따라서 장기간 고온 작동 시에도 계면 노화나 열 성능 저하가 발생하지 않아 고출력 LED의 장시간 연속 작동 환경에 적합합니다.
3. 예비 열 이론적 분석
LED의 광전 변환 효율에 따르면, 4000W 입력 전력에서의 열 부하는 약 2600W입니다.
허용 온도 상승: ΔT = 67.5℃ – 35℃ = 32.5℃
시스템의 허용 평균 전체 열 저항:
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/W
냉각 시스템의 전체 열 저항은 네 부분으로 구성됩니다.
1. LED 모듈과 구리 베이스 플레이트 사이의 접촉 열 저항
2. 구리 베이스 플레이트의 열전도 저항
3. 히트파이프의 열전도 저항 + 히트파이프와 핀 사이의 계면 열 저항
4. 핀과 공기 사이의 대류 열 저항
시스템의 전체 열 저항은 온도 균일성을 향상시키기 위해 구리 베이스 플레이트를 두껍게 하고, 여러 개의 히트 파이프를 통해 열 부하를 분산시키고, 솔더 페이스트 용접을 통해 계면 열 저항을 줄이고, 고속 팬을 사용하여 대류를 강화함으로써 설계 임계값 내에서 제어되어 목표 온도를 달성합니다.
4. 시뮬레이션 및 테스트 결과
정상상태 열 시험은 주변 온도를 35℃로 일정하게 유지한 상태에서 수행됩니다.
1. 60분간 안정 작동 후 LED 베이스 플레이트의 온도는 67.5℃로 안정화되어 설계 목표를 충족합니다.
2. 12mm 구리 베이스 플레이트의 표면 온도 차이는 4℃ 미만입니다. 40개의 히트 파이프가 열 부하를 효과적으로 분산시켜 뚜렷한 국부적 과열 지점이 발생하지 않습니다.
3. 동일한 크기의 알루미늄 방열판과의 비교 테스트 결과, 동일 조건에서 LED 온도가 82℃를 초과하는 것으로 나타나 히트 파이프 방식의 장점이 입증되었습니다.
4. 72시간 연속 노화 시험을 실시한 결과, 온도 변화는 관찰되지 않았으며, 솔더 페이스트 용접 계면은 열 성능 저하 없이 안정적으로 유지되었다.
이 제도의 5가지 장점
1. 12mm 두께의 구리 베이스 플레이트: 뛰어난 온도 균일성으로 대면적 LED 방열판에 적합하며 모듈의 국부적인 과열을 방지합니다.
2. 40개의 Φ9.5mm 히트 파이프 배열: 풍부한 열전도 채널을 통해 집중된 열원을 신속하게 분산시켜 고체 금속 전도의 열 전달 한계를 뛰어넘습니다.
3. 솔더 페이스트 용접 공정: 압입 조립 및 실리콘 충진 방식과 비교하여 계면 열 저항이 낮고 장기적인 신뢰성이 뛰어납니다.
4. 산요 9038 고속 팬: 높은 풍량과 정압으로 촘촘한 방열판 사이로 공기 흐름을 원활하게 통과시켜 먼지가 많고 온도가 높은 옥외 환경에 적합합니다. 5. 350×350×120mm의 컴팩트한 크기: 제한된 설치 공간 내에서 4000W 고출력의 열 방출을 실현하여 전체 서치라이트 조립 제약 조건을 충족합니다.
6. 한계점 및 최적화 방향
1. 구리 받침대는 상대적으로 무게가 무겁습니다. 무게가 중요한 요소라면, 시뮬레이션을 통해 구리-알루미늄 복합 받침대 설계안을 검토하여 최적화할 수 있습니다.
2. 5500rpm의 고속 팬은 비교적 높은 소음을 발생시킵니다. 저소음이 요구되는 환경에서는 일반적인 주변 온도 조건에서 회전 속도와 소음을 줄이기 위해 PWM 팬 속도 제어 방식을 적용할 수 있습니다.
3. 실외에서 사용할 경우, 방열판에 먼지가 쌓이면 열 방출 능력이 점차 저하됩니다. 정기적인 유지 보수를 용이하게 하기 위해 간단한 방진망을 구조적으로 추가할 수 있습니다.
7 결론
본 논문에서는 350mm×350mm×120mm 크기의 4000W 고출력 LED 서치라이트용 강제 공랭식 히트 파이프 방열기를 설계하였다. 이 방열기는 12mm 두께의 구리 베이스 플레이트와 솔더 페이스트 용접 공법으로 접합된 40개의 Φ9.5mm 히트 파이프를 채택하고, 5500rpm으로 회전하는 산요 9038 팬과 함께 작동시킨다. 주변 온도 35℃에서 LED 온도는 67.5℃로 안정적으로 제어되어 고출력 LED의 장기 안정 작동 요구 조건을 충족한다.
이 방열판은 콤팩트한 구조, 탁월한 방열 성능 및 높은 장기 신뢰성을 특징으로 합니다. 고출력 옥외 LED 서치라이트의 냉각 요구 사항을 충족할 수 있으며, 유사한 킬로와트급 특수 조명 장비의 열 관리 설계에 참고 자료를 제공합니다.