熱電冷却/液体金属に基づく LED 熱管理システムの性能

LEDの発光効率の向上と高出力チップの製造により、高出力LEDの使用が増えています。高出力 LED のチップは通常、LED のサイズを縮小し出力を高めるために密に配置されており、これにより深刻な熱蓄積と過度の温度上昇が発生する可能性があります。 LED の光学性能と信頼性はジャンクション温度に大きく影響されるため、LED 動作の最高ジャンクション温度は 120 ～ 140°C 未満です。ジャンクション温度が高いと、LED の寿命と発光効率が低下し、色の安定性が低下します。効果的な熱管理により、LED の安全かつ効率的な動作が保証され、LED の寿命が延びます。

熱電冷却装置 (TEC) は、コールドエンドからホットエンドに熱を伝達し、コールドエンドに接触する部品の急速な冷却を実現します。 LED 冷却システムに TEC を使用すると、冷却システムのパフォーマンスを向上させることができます。液体金属冷却は、高熱流束光電子デバイスの要件を満たす新規かつ有望な熱放散ソリューションとして急速に台頭しています。水システムやヒートパイプと比較して、液体金属システムは最も低い温度と最大の安定性を示します。

熱電冷却と液体金属冷却はどちらも効果的な熱管理技術です。両方の利点を組み合わせることで、LED の熱管理性能がさらに向上すると期待されます。

1. 実験システム

実験で使用された液体金属は Ga68In20Sn12 で、低融点、高熱伝導率、不燃性、非毒性活性、低蒸気圧、高沸点という利点があります。したがって、LED 冷却システムに適しています。液体金属の熱伝導率は、熱定数分析装置 HotDisk500 を使用して測定しました。試験中、プローブは液体金属に垂直に挿入され、サンプルの対流を防ぐために静止します。測定温度は 25°C です。 Ga68In20Sn12金属は室温で液体であり、その熱伝導率は水の20倍以上であるため、電子デバイスの熱管理システムの冷却剤として使用するのに有利です。

実験プラットフォームは閉じた流路を採用しており、液体リザーバーが装備されており、実験前に流路に液体金属を注入し、実験後に液体金属を保管するのに便利です。リザーバーの出口は、循環中に表面の酸化物層が汲み上げられるのを避けるために、底部近くに配置されています。実験プラットフォームはLED熱源と熱電冷却液冷却熱管理システムで構成されています（図1）。 LED熱源の出力は40W、放熱面積は5.2cm × 4.6cmです。熱管理システムは、熱電冷却器、銅製液冷ラジエーター、空冷ラジエーター、液体リザーバー、蠕動駆動ポンプで構成されています。 TEC のコールドエンドは LED に接続され、TEC のホットエンドはラジエーターに接続されます。液体金属は、効果的な冷却のために液体冷却ラジエーターを流れる媒体として使用されます。システムの動作中、熱電冷却チップのコールドエンドは LED に熱を放散し、電気冷却チップのホットエンドは液冷ラジエーターによって冷却されます。液体金属は蠕動ポンプによって駆動され、熱は空冷ラジエーターを通じて環境に放散されます。液体金属はラジエーターを通過した後、リザーバーに戻り、サイクルが完了します。 LED、熱電冷却シート、液冷ラジエーターの間に熱伝導性シリコーングリースの薄い層を塗布し、表面粗さとデバイス間の接触熱抵抗を低減します。 LED基板の温度と周囲温度を熱電対で測定し、実験で温度が安定した後にデータの平均値を記録します。

まず、冷却材として液体金属と水を使用した場合のシステムの放熱性能を比較します。次に,直交実験法を使用して,TEC電力PTEC,周囲温度Ta,冷却剤入口温度Ti,およびポンプ速度vBが基板温度Tsに及ぼす影響を調査した。最後に、極端な条件下でシステムの熱性能をテストします。液体金属の特性により、流体は閉ループを採用します。異なる流量の影響を、ポンプ速度を変化させることによって研究しました。直交実験法とは、直交表を用いて多要素実験を科学的に整理・分析する手法であり、少ない実験数で均等に最適な計画を選択することができます。そして、分散分析の手段を通じて、各要因の影響の重要性を分析します。放熱性能に及ぼす4つの要因の影響を実験によって研究しました。 LEDランプは周囲温度65 でも動作するため℃、最大周囲温度は70 ℃となります。

2. 実験結果と考察

冷媒として水と液体金属の冷却性能を比較しました。実験条件は、蠕動ポンプ速度 50r/min、周囲温度 30°C、冷媒入口温度 30°C です。図 2 に示すように、熱電冷却能力の増加に伴って LED 基板の温度は低下します。同じ熱負荷の下で、液体金属を冷却剤として使用した場合、LED 基板の温度上昇は、冷却剤として水を使用した場合よりもはるかに低くなります。上記の違いの理由は、TECのホットエンドの放熱能力の違いです。 TEC のホットエンドの放熱条件が良好であることを前提として、TEC のコールドエンドの温度を効果的に制御できます。逆に、TEC の動作性能が変わらない場合でも、ホットエンドの温度は上昇します。水の熱伝導率は液体金属の熱伝導率よりも小さいため、水が冷却されるときに TEC のホットエンドから熱を放散する能力が比較的小さく、結果として LED の温度上昇が高くなります。同様の理由により、TECに入力された電気エネルギーは最終的に熱エネルギーに変換されるため、TECのホットエンドの放熱量が増加します。ホットエンドの放熱能力が不足すると、TECのホットエンドの温度が上昇し、それに伴ってTECのコールドエンドおよびLEDの温度も上昇します。したがって、図2に示す水冷条件では、TEC電力が大きい場合、TEC電力の増加に伴ってLEDの温度が上昇します。 TEC ホットエンドの放熱が水冷でない場合、ホットエンドの温度はさらに上昇します。液体金属の熱伝導率が高いため、LED や TEC によって発生した熱をより効率的に輸送できます。したがって、TECの出力が高い場合でも、そのホットエンドの温度を低く保つことができ、それに応じてLEDの温度をさらに下げることができます。

図 3 に示すように、熱伝導率が高い液体金属はシステムの熱抵抗を大幅に低減し、TEC 出力の増加に伴って熱抵抗低減係数も増加します。 TEC電力が50Wの場合、熱抵抗低減係数の傾きが緩やかになり、このときの熱抵抗は冷媒に水を使用した場合に比べて79.8%低減されます。

因子のレベルの組み合わせに従って直交実験を実行し,LED基板温度Tsの実験データを得た。 TEC の冷却効果により、TEC のコールドエンドの温度は周囲温度よりも低くなることがあります。周囲温度Taが高い場合、実験によってはLED基板温度Tsが周囲温度Taよりもさらに低くなる場合があります。実験結果は、液体金属と熱電冷却を組み合わせた熱管理システムが良好な放熱性能を示すことを示しています。

分散分析により、液体金属入口温度が TEC の高温側の放熱性能に大きく影響することがわかりました。 TECの出力は、LEDの放熱温度要件に応じて調整でき、一定の放熱効果を満たすことを前提として、放熱システムの出力を可能な限り低減できます。

直交する実験の結果は、冷却剤入口温度と TEC 電力が熱管理システムの放熱性能に影響を与える主な要因であることを示しています。 LED の実際の動作過程では、TEC などの影響によりシステム内の冷媒入口温度 Ti が変化します。現在、極端な条件下でのシステムの熱管理性能が主に研究されています。便宜上、研究では、より高い冷却剤入口温度、より高い周囲温度、およびより低い流体流量を選択しました。つまり、Ti を 50℃、Ta を 70℃、vB を 50r/min として実験します。この極端な条件下でシステムの放熱性能が要件を満たせるということは、Ti やその他のパラメータの値がより緩やかな方向に変動する場合、システムの放熱性能も要件を満たさなければならないことを意味します。図 4 に示すように、TEC 電力が 50W を超えない場合、TEC 電力が増加するにつれて LED 基板温度は低下します。さらに、TEC 出力が増加するにつれて、減少の大きさは減少します。 TEC電力が10Wのとき、LED基板温度は実験条件下で最高値の64.8℃となった。この値は周囲温度 Ta よりも低く、LED の最高動作温度よりもはるかに低い値です。これは、熱管理システムが極端な条件下でも優れた冷却性能を維持していることを示しています。 TEC電力が50Wを超えると、TEC電力の増加に伴いLED基板の温度が上昇します。これは、TECの出力が増加すると、LEDからの熱を吸収し、液冷ラジエーターに熱を放散する能力が増加するだけでなく、発生する熱の量も増加するためです。さらに、TEC温度の上昇は効率の低下につながります。したがって、LED 基板温度を最低にするための適切な TEC 電力が存在します。

同時に、さまざまな液体金属入口温度が極端な条件下での LED 熱管理システムの放熱性能に及ぼす影響が研究されました。周囲温度が高く、TEC出力と流体流量が低い条件下で、Taを70℃、PTECを10W、vBを50r/minとして実験を実施しました。実験結果を図 5 に示します。LED 基板温度 Ts は、液体金属入口温度 Ti の増加に伴ってほぼ直線的に増加します。液体金属入口温度が 50 °C の場合、LED 基板温度は実験条件下で最高値の 64.8 °C となり、システムが良好な放熱性能を備えていることを示しています。

3. 結論​

同じ条件下では、液体金属冷却は水冷よりも低い LED 温度を実現できます。研究した実験条件下では、熱抵抗の最大減少率は 79.8% に達します。実験環境温度が70℃、液体金属入口温度が50℃、ポンプ速度が50r/minの条件下では、LED基板の温度は64.8℃を超えません。これは、熱電冷却/液体金属熱管理システムが、高い周囲温度、高い液体金属入口温度、低い液体金属流量といった極端な動作条件下での LED の放熱要件に効果的に対処できることを示しています。

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