Dr.Ing. Stelian Matei, Electromagnetica prezinta: Radiatoare cu compoziți polimerici în aplicații de iluminat cu LED-uri
autor : S. Matei, Prof. Dr. Eng. Fotometrie și laborator de compatibilitate electromagnetică, Electromagnetica SA
Introducere
Materialele compozite termoconductive din polimeri oferă noi posibilități de înlocuire a radiatoarelor de aluminiu în iluminatul cu LED. Utilizarea acestor materiale plastice termoconductive ar putea duce la reducerea consumului de aluminiu și/sau a importului, la dezvoltarea tehnologiilor locale fără investiții majore. Mai mult decât atât, producția și prelucrarea la comandă a radiatoarelor corpului de iluminat ușurează procesul de fabricație. În mod tradițional, aluminiul a fost primul material în controlul fluxurilor mari de căldură în aplicațiile de iluminat cu LED-uri de putere. Conductivitatea termică a aliajelor de aluminiu de tip extrudat este de aproximativ 150 W/mK, în timp ce materialele plastice au o conductivitate termică de aproximativ 0.2 W/mK. În schimb, materialele plastice conductive termic, cu diferite umpluturi au de obicei conductivitatea de 10 până la 50 ori mai mare (1-20 W/mK). Important este însă faptul că, în multe aplicații, transferul de căldură este mai degrabă limitat de proiectare (dimensiune, formă etc.) și mai puțin de conducția termică (dependentă de material).
Polimeri termoconductori cu umplutură de grafit
Conductivitatea termică ridicată a metalelor nu poate fi utilizată eficient când suprafața obiectului se încălzește mai repede decât este posibil eliminarea încălzirii prin convecția de aer. Ținând cont de acest lucru, este deci posibil ca, în anumite aplicații, materialele plastice termoconductive să fie capabile să asigure un transfer de căldură echivalent. În acest context, a fost dezvoltat un compus polimeric capabil să asigure transferul de căldură echivalent cu materiale tradiționale conductive termic, cum ar fi aluminiul.
Astfel de polimeri, precum Poliamida 6, Policarbonat sau PBT-Polibutilen tereftalat, își pot îmbunătăți conductivitatea termică atunci când se adaugă un material de umplutură, cum ar fi grafitul. Conductivitatea termică crește constant odată cu creșterea umpluturii, limitarea fiind impusă de caracteristicile procesului de turnare. O proporție de 70% volum grafit în compozitul PA6 (Fig.1, după extrudare și turnare prin injecție), a determinat o creștere de până la 10 W/mK a conductivității termice, dovedind că încorporarea grafitului are un efect sinergetic semnificativ.
Fig.1
Aceste rezultate au confirmat deci posibilitatea înlocuirii radiatoarelor de aluminiu, în special în iluminatul cu LED. Pentru început s-au realizat modele virtuale pentru simulare pe calculator, urmate de modele experimentale, finalizate printr-un corp de iluminat de 60 W.
Testele de material, pentru determinarea conductivității termice s-au făcut pe eșantioane cu dimensiunea de 150×150 mm și grosimea de 3 mm pentru diferite compoziții. La proiectarea radiatorului, o atenție deosebită s-a acordat transferului de căldură prin convecție, deoarece cea mai mare parte a căldurii este transferată prin convecție de sursa emisivă de lumină în aerul ambiental.
Primele încercări, după extrudare și turnare prin injecție, au scos la iveală două probleme majore. Așa cum este ilustrat în Fig. 2, planeitatea suprafeței și eterogenitatea radiatorului nu au fost cele așteptate. În consecință, pentru a îmbunătăți rezultatele s-au făcut modificări ale matriței și ale procesului de injecție.
Fig.2
Fig.3
Fig.4
După ajustarea formei aripioarelor și introducerii unui insert de aluminiu, planeitatea și omogenitatea s-au îmbunătățit împreună cu rezistența termică a radiatorului (Fig. 3). În final, evaluarea performanței radiatorului se va efectua ca ansamblu compus din optică, sursa de alimentare și alte părți mecanice, respectiv ca un corp de iluminat. Această evaluare este relevantă în vederea optimizării limitărilor impuse de specificul aplicației (cost, greutate, productivitate etc.). Evident, nu există un răspuns corect în proiectare și fiecare aplicație de iluminat trebuie abordată de la caz la caz, utilizarea ghidurilor generale rămânând de ajutor în acest proces. Astfel, un profil de răcire funcțional și durabil al radiatorului se bazează pe înțelegerea modului în care temperatura joncțiunii a LED-urilor este influențată de forma și geometria aripioarelor de răcire. Aceste considerente au contribuit la finalizarea construcției proiectorului de 60W cu LED-uri cum a fost planificat. Ca sursă de lumină s-au utilizat două LED-COB de 30W fiecare, protejate de capace PMMA transparente, ce s-au montat pe un radiator din PA6 cu grafit 70% vol. O versiune vopsită în alb a ansamblului complet este prezentată în Fig. 4. Acest material conductiv termic (PA6GR70) are un coeficient mai mic de dilatare termică, iar tensiunea datorită dilatării diferențiale este redusă (mai apropiat de CTE la ceramică).
Utilizarea de COB (Chip On Board), este convenabilă, deoarece pentru același fluxul luminos, amprenta pe radiator este mai mică în comparație cu un ansamblu compus din elemente SMD-LED. Prin urmare, provocarea acestui design este de a obține un transfer eficient al căldurii de la COB prin radiator, către mediul înconjurător. Pe lângă asta, având în vedere scopul aplicației, obiectivul este de a obține unui flux luminos minim de 6000 lm la o eficacitate de min 120 lm/W. Pentru a nu obstrucționa curgerea laminară a aerului, sursa de alimentare a fost poziționată la distanță față de aripioarele de răcire, pe brida de fixare. Performanțele electrice și fotometrice au fost examinate în laboratorul de fotometrie si sunt prezentate in Tabelul 1.
Tabelul 1.
Tabelul 2
Primele teste de temperatură, după stabilizare la temperatura camerei (25 °C), au fost promițătoare, astfel cea mai ridicată temperatură, măsurată pe aripioarele din
centru, a fost de 53° C. Pentru a determina însă caracteristicile radiatorului, testele au continuat și prin măsurători în camera climatică la diferite temperaturi (rezultatele sunt prezentate în Tabelul 2).
Poziția termocuplelor este indicată în Fig. 5.
Pentru a analiza eficiența transmisiei de căldură de pe suprafața radiatorului la exterior este necesară determinarea distribuției temperaturilor pe suprafața radiatorului.
Această determinare s-a făcut într-spațiu ferit de influențe externe cu o cameră IR de măsurare a temperaturii, montată pe trepied ca în Fig 6. Deoarece această cameră IR nu este sensibilă la spectrul vizibil (0.38-0.78 mm), este ideală și pentru măsurarea temperaturii suprafeței emițătoarelor COB-LED.
O astfel de cameră IR, care măsoară temperatura la distanță, fără a atinge obiectul, are un raport „distanță la suprafață” (D-S) care indică diametrul zonei măsurate în
comparație cu distanța de la țintă (Fig. 7).
Caracteristicile camerei IR utilizate sunt următoarele:
Unghi de vedere (FOV) Dreptunghiular. 20° Orizontal x 15° Vertical
Diametru minim 8.1 mm (0.32 in) la 61 cm (24 in)
Rezoluția optica (D:S) 75:1 sau mai bun
Domeniul Spectral 7.5 la 14 microni
Alinierea țintei Laser (IEC 825/93 Clasa II, FDA LFR 1040.10 Clasa II
Unghi de vedere instantaneu 4.4 mrad
Fig.5.
Fig.6
Fig.7
În continuare, în fig. 8 sunt arătate rezultatele măsurătorilor cu camera IR la temperatura ambiantă de 25°C.
Fig. 8
Concluzii
Materialele plastice termoconductive se dezvoltă cu o dinamică extrem de rapidă. Beneficiile lor s-au dovedit a fi incontestabile, câștigând sprijin în aplicații din ce în ce mai largi. Utilizarea acestor materiale plastice termoconductive ar putea duce la reducerea consumului de aluminiu și/sau a importului, la dezvoltarea tehnologiilor locale fără investiții majore. Mai mult decât atât, producția și prelucrarea la comandă a radiatoarelor ușurează procesul de fabricație. Cum, de multe ori, transferul de căldură este mai degrabă limitat de proiectare (dimensiune, formă etc.) și mai puțin de conducția termică (dependentă de material) devine foarte util în aplicații de iluminat. În acest sens a fost realizat un corp de iluminat cu LED a cărui performanță s-a dovedit foarte apropiată de cea a unui corp cu radiator din aluminiu.