Odprowadzanie ciepła w lampach LED-owych

fot. Sapa Aluminium

Przewodność cieplna, wytrzymałość oraz odporność na korozję, w połączeniu z niewielkim ciężarem i możliwością integrowania z profilem elementów inteligentnych, stanowią idealny przepis na doskonałe lampy typu LED. Jednym z głównych ogniw tych systemów oświetleniowych jest aluminium ze względu na jego właściwości termiczne oraz nowoczesny wygląd.

Profile aluminiowe stały się znaczącym elementem w projektowaniu latarni i instalacji świetlnych na błyskawicznie rozwijającym się rynku oświetlenia LED. Systemy LED wymagają precyzyjnej kontroli temperatury, ale również zużywają mniej energii. Właśnie ze względu na charakterystykę cieplną, w większości struktur zamiast miedzi i ceramiki wykorzystuje się aluminium. Materiał ten poprawia właściwości cieplne lamp, co skutkuje ich dłuższą żywotnością, wyższą efektywnością, a także niższym kosztem całkowitym.

- Projektowanie na bazie aluminium jest proste, a cały proces przebiega bardzo szybko. Ten materiał jest lekki, dzięki czemu zmniejszają się koszty transportu, zatem jest to rozwiązanie wyjątkowo ekonomiczne. I do tego aluminium ładnie wygląda – twierdzi Mike Jimenez z SignResource Identity Group, amerykańskiego lidera branży aplikacji LED stosowanych do identyfikacji korporacyjnej.

Jasne światło dla zielonego sektora

Oświetlenie LED być może nie jest już nowinką, ale szerokość jego zastosowania – z pewnością tak. Oprawy Fionia Lighting, firmy badawczej związanej z Uniwersytetem Danii Południowej, stanowią doskonały przykład. Po pięciu latach prac badawczo-rozwojowych (R&D) Fionia rozpoczęła produkcję opraw do oświetlenia LED, pozwalających zaoszczędzić do 40% energii wymaganej w konwencjonalnych systemach oświetleniowych.

Przyjazne środowisku kolumny lamp ulicznych, które nie wpływają na emisję CO2 to projekt, który od 2009 roku realizowany jest w miejscowości Tilburg w Holandii. Władze miasta chcą, aby do 2045 roku miasto stało się wolnym od zanieczyszczeń, a wymiana latarni to jeden z elementów zmian. Kolumny składają się z minimum 95% powtórnie przetworzonego aluminium, wzmocniony profil zapewnia im stabilność i pozwala obniżyć ich masę o 20%. Projekt realizowany jest przy współpracy z firmą Sapa.

– Akcja prowadzona w Holandii charakteryzuje się tym, że posiada ona obieg zamknięty. Kolumny lamp, które wymagają wymiany przywożone są do nas, gdzie zostają przetopione i z uzyskanego materiału produkuje się nową kolumnę. Wykorzystywane są również wszystkie materiały poprodukcyjne – mówi Piotr Szucki, Kierownik Produkcji z firmy Sapa Aluminium.

Ze względu na emisję energii cieplnej, lampy LED-owe powinny być montowane w sposób umożliwiający swobodny przepływ powietrza, aby zapewnić im odpowiedni poziom chłodzenia. Rozwiązaniem problemów z temperaturą są profile aluminiowe firmy Sapa. Sprawność odprowadzania ciepła zależy bowiem od rezystancji termicznej, na którą wpływają radiatory. Ich niski opór kontaktowy w podstawie, ze względu na konfigurację złączy, umożliwia wysoki przepływ ciepła.

Specjalne rozwiązania chłodzące

Prawdziwie innowacyjne i opłacalne rozwiązania opierają się na wiedzy o tym, jak zoptymalizować projektowanie komponentów. W wyniku stosowania zaawansowanej analizy termicznej i kompleksowych symulacji produktów metodami FEA (statyki liniowej), dynamiki płynów, analizy tolerancji bądź montażu lub konstrukcji zatrzaskowej, możemy otrzymać poprawę wydajności chłodzenia o 40%, przy jednoczesnym obniżeniu ciężaru o 30%.

Stosowanie wbudowanych rurek cieplnych rozprowadza ciepło bardziej równomiernie po podstawie radiatora. Rurka cieplna to urządzenie pasywne o wysoce skutecznej przewodności cieplnej. Przed lutowaniem bądź spajaniem można ją poddać gięciu lub spłaszczaniu, co bardzo szybko wydobywa ciepło z urządzenia i spaja je z podstawą radiatora z giętego aluminium. Wbudowywanie rurek cieplnych w radiatory metodą lutowania poprawia właściwości cieplne w porównaniu z pierwotnym radiatorem wyciskanym. Aluminium poddane działaniu temperatury zbliżonej do punktu topnienia zmienia się w rodzaj pasty, która działa jak spoiwo, zapewniając przy tym wyjątkowo dobrą przewodność cieplną.

Rozwiązanie żeber dociskanych firmy Sapa, w połączeniu z technologią zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, umożliwia uzyskanie proporcji sięgających 30:1 lub więcej. Możliwy jest także zindywidualizowany rozstaw, grubość i długość żeber dla spełnienia wymagań w zakresie spadku ciśnienia, a także zoptymalizowane wielkości powierzchni.

Wydajność radiatorów można również podnieść poprzez integrowanie podkładek miedzianych z podstawą za pomocą lutowania lub zgrzewania tarciowego z przemieszczeniem. Doskonałe właściwości przewodności cieplnej miedzi służą zmniejszaniu temperatury na obszarach o dużym obciążeniu.

Biorąc pod uwagę przewodności cieplne, istotny jest wybór stopu, który będzie spełniał wymagania w zakresie produkcji ostatecznego rozwiązania chłodzącego. Jak widać na poniższym wykresie, najlepiej ciepło przewodzi czyste aluminium - 230 W/(m∙K), a ze względu na jego korzystny parametr konstrukcyjny (stosunek wytrzymałości do ciężaru właściwego) ma większą udarność niż stal i, co ważne, nie maleje ona w miarę obniżania temperatury.