Giriş: LED Büyülü Işıklarda Termal Meydan

Işıklı diyot (LED) büyüme ışıkları kontrol edilen demiryolları için bir temel haline geldi, fotomorogenesis ve genel ek kaliteli. Enerji verimliliğine rağmen, geleneksel yüksek basınçlı sodyum veya metal halide fikstürler, LED'ler elektrik girişinin önemli bir kısmı ışıktan ziyade ısıya dönüştürülür, tipik olarak% 70 ve% 85 ile% 85 °C'ye kadar ısıtılır.

Tarım uygulamaları için LED büyüme ışıkları genellikle yüksek foton flore yoğunluğu (PPFD) bir kanopi üzerinde yüksek foton floramı sunmak için seriler halinde yoğun olarak paketlenmiştir.Bu nedenle, yüksek sıcaklık ve nem eklenme süresine sahip olan ısı dağılımı sadece kısa değil, aynı zamanda bitki morfolojisi ve ikincil metabolit üretimini olumsuz etkileyebilir.

C ⁇ sıvı dinamikleri (CFD) Ansys Fluent gibi araçlar, ısı dağıtımlarını, hava akış modellerini tahmin etmek ve ısı transfer mekanizmalarının fiziksel prototipleri inşa etmeden önce, çiftleştirilmiş bir iletkenlik (hem doğal hem de zorla) ve termal radyasyonlar gibi, yüksek ısı aydınlatma tasarımlarında çalışan mühendisler için ısı dağıtımlarını optimize etmek için bir sanal laboratuvar sunar.Bu makale, temel kısa genel bakış açısına genişletir.

LED Grow Lights'da Heat Dissipation'ın Önemi

Bir LED'in termal davranışı doğrudan güvenilirliği, elektrik verimliliği ve optik performansı etkiler. Junction sıcaklığı - LED çipin p-n ekleminde sıcaklık - bu etkilerin birincil sürücüsü.Her 10 °C yüksek çözünürlükte, bir LED'in kullanışlı hayatı yarıya düşebilir (bir fenomenin ahşap ışıkla açıklanan)

lumen bakımının ötesinde, ısı sürücüye ve potansiyel olarak şarja neden olan elektrik yükü etkiler. ve [[Dönderlik[Dönüşük stabilitesi[Dönüşükümlü) daha yüksek sıcaklıklarda, bu da kırmızı, mavi ve çok güçlü fotosentez gerektiren fotonlar, fotontezler için gerekli olan yüksek sıcaklıkların hassas dengelerini bozabilir.

Termal yönetim ayrıca, LED'lerin ısıtılması için, daha fazla giriş gücü ısıtılır, bu nedenle, yüksek yüzey sıcaklıklarını yakabilir veya etkileyebilir.In addition, ısıyınır, yüksek bir ısı ısı pompası için, yaz aylarında bir yüksek ısı değiştiricisi ile mevcut sıcaklık farkı azaltır.

Ortak ısı Dissipation Strategies

  • [FONT:0] Pasif ısı batağı[[DÜT:1) - Doğal konveksiyona güvenen veya ölü alüminyum fins. Basit, güvenilir ve sessiz, ancak yeterli yüzey alanı ve lekesiz hava akışı gerektirir.
  • [FONT:0]Aktif soğutma[[[Dönetici: 1))[Dönetici ısıyınmış, ısı transfer katlarını arttıran fanlar veya darbeciler. Aktif soğutma daha kompakt tasarımları sağlar, ancak gürültüyü, toz birikimini ve potansiyel başarısızlık noktalarını sunar.
  • [FONT:0]Heat boruları ve buhar odaları[DÜT:1) - Yoğun LED kaynaklardan daha büyük bir kondensing alanına yayılan iki fazlı ısı transfer cihazı, genellikle fins ve hayranlarla bir araya gelir.
  • [FONT:0]Liquid soğutma - Su veya dielektrik sıvıları kullanarak kapalı-op sistemleri, maliyet ve karmaşıklık nedeniyle nadiren gelişmiş ışıklarda kullanılır, ancak aşırı derecedensity dizilerinde uygulanabilir.

Ansys Fluent tüm bu stratejileri simüle edebilir, mühendisler tasarım döngüsünde erken farklı soğutma konseptleri arasında termal performansı karşılaştırmaya olanak sağlar.

Isı Analizi için Ansys Fluent Kullanımı

Ansys Fluent, sonlu-volume yöntemi kullanarak Navier-Stokes denklemlerini, enerji denklemlerini ve radyasyon taşıma denklemlerini ayrıştırmak için genel amaçlı bir çözümdür.For LED büyüme ışık ısı geçişi için (CHT) - sağlam-yanış ve akışkan- tarafı konveksiyonun eşleme ve akışkan- tarafının temel adımları aşağıda belirtilmiştir.

Geometrik Yaratılış ve Meşru

İlk aşama, LED'in üç boyutlu bir modelini geliştiriyor, LED paketler, baskılı devre kurulu (PCB) veya metal-core PCB (MCPCB), termal arayüz malzemeleri (TIMs), ısı battı ve çevre hava hacmi (konomi alanı).

Meşru nesil, doğruyu ve hesaplama maliyetlerini etkileyen kritik bir adımdır. Konjugate ısı transfer problemleri için, yüksek kaliteli bir ağ katmanı, sağlam uçlu arabirimlere ve TIM'nin (trahedral veya polihedral) tabakalarının ince tabakaları için yapılandırılması gerekir.

LED termal simülasyonlar için en iyi uygulamaları içerir:

  • Tüm ıslak yüzeylerde 1.2-1.3 büyüme oranı ile minimum 5-10 prism tabakalarını uygulayın.
  • Duvara karşı olan hücrelerindeki y+ değerini sağlamak, laminar akışı veya yaklaşık 30-300'ün üzerinde, masalı doğal konveksiyon için duvar işlevlerini kullanırken.
  • Isı kaynakları (LED cips) ve ince boşluklar (TIM katmanları).
  • Sonuçların daha fazla ağ rafinerisi ile önemli ölçüde değişmeyeceğini doğrulamak için bir ağ bağımsızlığı çalışması uygulayın.

Malzeme Özellikleri ve Sınır Koşulları

Doğru malzeme tanımları anlamlı sonuçlar için gereklidir. Ortak malzemeler ve özellikleri şunlardır:

  • [0]LED CÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜ (STÜSÜ) ancak anisotropik; genellikle elektriksel güç eksi optik çıktıdan elde edilen bir nesil ısı kaynağı olarak modellemek.
  • [FONT=0) < (seramic veya plastik vücut))[0): tipik iletkenlik 15-30 W /m • alüminyum oksit için (Al2O3).
  • [FONT=0)MCPCB): ince bir dielektrik tabakası (2-4 W /m·K) ve bakır izlerini (~400 W/m·K) ile alüminyum bir substrat (200 W/m·K)
  • [FONT:0) ⁇ arayüz materyali (TIM))[Dönetici 1-10 W/m·K tipine bağlı olarak (termal yağ, ped, faz değiştirme materyali).
  • [FONT:0]Oat lavabosu ( 6063)[Dönem: 200 W /m·K.
  • [FONT:0) Hava): Özellikler sıcaklık ve baskıya bağlıdır; kapalı alanlarda doğal konveksiyon için, Boussinesq Nearimation sıcaklık ile ilgili olarak yoğunluk değişiklikleri modellemek için kullanılır.

Sınır koşulları işletim ortamını tanımlar:

  • [FONT=0]Inlet/outlet[[Dönetici: Doğal konveksiyon için, hesaplama alanı sınırları sıfır basınç ve ortam sıcaklığı ile baskı olarak ayarlanır (örneğin, 25 °C).
  • [FONT:0)Walls[[DÜT 1: 1) Katı duvarlar (küresel lavabo yüzeyler, muhafaza) radyasyon için izin verilen, tipik olarak 0.8-0.9 $ anodized alüminyum için.
  • [FONT:0]Heat kaynakları[[Dönem: 1 ): Her LED çip bir hacim ısı nesil oranı (W/m3) eşit olarak (görüntü gücü – optik güç) / çip hacmi.
  • [FONT:0)Gravity[DÜT:1]: Doğal konveksiyon için yerçekimi vektörü etkinleştirilir; buygun güçler akır.

Fizik Modelleri ve Solver Ayarları

Fluent ısı geçişi ve akış için birden fazla model sunar. Tipik bir LED doğal veya düşük hızlı zorla konveksiyon ile ışık büyür, aşağıdaki ayarlar önerilir:

  • [FONT=0)Enerji denklemi: tüm domainler için etkinleştirin.
  • Viscous modeli: düşük Rayleigh sayıları için laminar (Ra < 109); daha büyük Ra veya hayranlarla birlikte konveksiyon yapmak için fanlar, gerçekleştirilebilir k ⁇ veya SST k ⁇ turbulence modeli gelişmiş duvar tedavisi ile kullanılır.
  • [FONT:0]Radiation modeli[Dönetici: Yüzey-Surface (S2S) modeli, farklı sıcaklık farklılıkları ile sınırlı geometriler için tercih edilir. Açık ortamlar için yüzeyler arasındaki radiative değişim hesapları, Discrete Ordinates (DO) modeli kullanılabilir.
  • [FONT:0]Buoyancy): Boussinesq modeli 50 K'ye kadar sıcaklık farklılıkları için sayısal ve doğru bir şekilde verimlidir.
  • [FONT:0)Solver[DÜT:1): Sürekli devlet sorunları üzerinde daha yakınlaşma için baskı bazlı çiftleştirilmiş devreler.In-relaxation factors may need to be mitigate for natural convection cases to maintain stability.

LED Büyülü Işıkı Detaylı

Gerçek bir simülasyon tek bir LED'in ötesine geçer. Tipik bir horticultural fikstür, ısı batağının etkinliğini artırmak ve her LED'in ayrı ısı kaynakları veya daha büyük bir alandan kaynaklanmış ısı flux olarak modellenmesi tercih edilir.

Sıcaklık lavabosu genellikle en geometrik karmaşık bileşenidir. Doğrusal bir büyüme ışığı için iyi tasarlanmış bir lavabo 3-5 °C ile eğimli, temel kalınlık ve fin yükseklik ile eğimli bir sıcaklık artışı olabilir.Influence, işbaşında değişiklikler nasıl hızlı bir şekilde değerlendirilebilir.

Isı Transferi ve Hava Akışı: Pratik Tahminler

Simülasyon kurulumu, ısı transferinin üç modu için hesaba katmalıdır:

  • [FONT:0)Kondüksiyon[[Dönetici: Katı bileşenler içinde (LED çip, satılan, PCB, TIM, ısı battı).
  • [FONT:0)Convection[Dönetici: Doğal veya zorlandır. Doğal konveksiyon, ısı batağının yanında ısınır, daha serin havayı aşağıdan çizebilir. Bu, bir fan modeli kullanarak açıkça modellenebilir (örneğin, bir basınç atlayışını içeren büyük bir parametre sınırı).
  • Radiation: Genellikle metal ısı batak simülasyonlarında ihmal edilen (<100 °C) ve yüksek eşdeğerlik kaplamaları, ancak toplam ısı transferinin% 5–15'ine katkıda bulunabilir.

Convergence, yerleşik modeldeki güncel analizleri (enerji ikamet eden simülasyonlar 10 –6) ve ortalama ısı bataklığı veya toplam ısı reddedilme oranı gibi önemli değişkenleri takip etmelidir. 500-2000'de sabit devlet analizi için iyi bir yaklaşım. Transient simülasyonlar (e.g., sıcak-up davranışları) sık sık sık sık sık, ancak sürekli olarak ışık döngüsündeki uygulamalar için gerekli olabilir.

Sonuçlar ve Tasarım Optimizasyonu

Simülasyon yakınlaştırıldığında, post-processing bir bilgi zenginlik ortaya çıkarır. Standart çıktılar şunları içerir:

  • [FONT:0]Temperature konsülleri [Dönaltın: 1] ısı batağı, PCB ve LED yüzeylerde, sıcak noktaları vurgular.
  • [FONT:0)Velocity vektörleri ve aptallar[DÜT:1] hava akış desenlerini, recirculation bölgeleri ve ısı bataklığı bölgelerinin arkasındaki yerleri gösterir.
  • [FONT:0]Heat flux[[[Dönetici: 1) Ortamdaki LED bağlantıdan nasıl verimli ısı aktarıldığını gösteren dağıtımlar.
  • [FONT=0)Junction sıcaklık), her LED'in ısısından elde edilen ısının aktif katmanında elde edilir.

Mühendisler bu sonuçları tasarım kriterlerine karşı karşılaştırır (örneğin, Tj < 105 °C). Eğer konumlar eşiği aşıyorsa, tasarım değiştirilebilir:

  • [FONT:0)Increase fin yüzey alanı[[DÜT:1): Daha uzun vadeli fins, daha fazla fins veya gelişmiş turbülans için pin fins ekliyor.
  • [FONT:0] Hava akışı[[DÜDÜT 1: 1): Sınır tabakanın birleşmesini engellemek için para toplamak, konutlara ekleyip, ya da yeniden yükleme fanları eklemek için para kazanmak.
  • [FONT:0)Enhance termal arayüzü[[[Dönetici: 1): yüksek iletkenlik ile bir TIM kullanın veya bağ kalınlığını azaltır.
  • [FONT:0)Reduce ısı nesli[[DÜT:1): daha düşük akımlarda LED'leri (eğer PPFD hedefleri izin verirse) veya daha verimli LED'leri seçin.

Bueratif optimizasyon döngüsü, CFD kullanılarak çok hızlandırılır. 10 fiziksel prototip inşa etmek ve test etmek yerine, bir mühendis haftada 50 tasarım varyasyonu simüle edebilir. Ayrıca, Ansys Fluent inşa edilebilir optimizasyon araçları ile çiftleştirilebilir (örneğin, Surface Response veya Generic Algoritma) ile otomatik olarak, ağırlık, maliyet veya manufacturability ile toplantı kısıtlamaları en aza indirmek için geometriyi arayabilir.

Vaka Çalışması: 200-Watt Linear Grow Light

200 W LED dikey tarım rafları için tasarlanmış bir ışık olarak düşünün. İlk tasarım, 20 mm'lik yüksek fins uzaylı 8 mm'lik bir sıcaklıkla ısınmış, pasif bir şekilde serinlemiş, Ansys Fluent simülasyonu, 25 °C'nin bir ortamda 112 °C ısı artışının maksimum bir ısındığını ortaya koydu - 105 °C hedefi. Streamlines havanın içerek ısınabileceğini açıkladı 8 mm'lik bir ısındığını açıkladı.

Tasarımcı, merkezi bir kanal ekleyerek ısıyı değiştirdi (iki bankaya fin serisini ayırarak) ve 30 mm'ye kadar yükseldi. Yeni simülasyon, 98 °C'nin bir kavim ısısını başarıyla karşıladı ve sonunda düşük profilli 120 mm fan ekledi, 3 W güç tüketimi ve akustik gürültü pahasına olsa da.

Geçerlilik, bir prototip inşa ederek ve MCPCB ve ısı bataklığı üssünde termo çift sıcaklık ölçümler yaparak gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları ±3 °C'de eşleşti, modelin doğruluğunu doğrulayın.Bu tür geçerlilik, yeni malzemeler veya geometriler tanıtıldığında simülasyon uygulamaları oluşturmak için gereklidir.

Sonuç: Horticultural LED Tasarım'in Köşetaşı olarak Termal Simülasyon

Ansys Fluent ile termal analiz, güvenilir ve verimli LED büyüme ışıklarını tarımsal uygulamalar için tasarlayabilmenin önemli bir adımdır.Sürücük gelişim mekanizmalarına göre, ısı battılarından gelen yenilikler ve konut içindeki radyasyon -mühendisler istikrarlı bir şekilde elektrik akımını, tutarlı ışık üretimini ve uzun operasyonel yaşamı sürdürebilecek ürünler sunabilirler.

Korkunç aydınlatma daha büyük tesisatlara ölçeklendirmeye devam ediyor - endüstriyel dikey çiftlikler, çok katmanlı raf sistemleri ve eksperasyonlar için sera inter aydınlatma - fikstürler ve zorlu ortam ortamı arasındaki karşılıklı ısıtma için makine öğreniminin uygulanması. Future trendleri, Ansys gibi güvenilir bir araç entegrasyonunu içerir.

LED termal yönetime başvurmak için daha fazla bilgi edinmek isteyen mühendisler için, birkaç kaynak daha derin teknik rehberlik sunar: [[ŞUygun Ürün sayfası) belge ve vaka çalışmaları sağlar; bu teknikleri ustalaştırarak, tasarım ekipleri, maksimum fotoğrafları düzenli olarak termal tasarıma teslim ettikleri için; ve araştırma makalelerinin uygulanması; ve yüksek enerjili bakım hizmetleri ile kontrol edilen termal mühendislik) yüksek oranda doğrulanmış modeller ve deneysel karşılaştırmalar sunar.