Numerical Comparison of Original Design and Finned Natural Convection with Forced Convection in LED Cooling in a Sample Fog Light

Abstract

Electronic components and LEDs used in lighting products have started to work in more and more limited volumes due to aesthetic concerns and design. This has led to the demand for increasingly higher luminous intensity from LEDs. This causes the operating temperature of the LEDs to increase. Therefore, thermal management has become important for LEDs operating at high power. Natural convection method can be used frequently by using heat fins for cooling LEDs. In such cases, forced convection is an alternative solution. In this study, the comparison of natural convection and forced design in a sample fog light was made numerically. In natural convection, the design with fins to benefit from the outside air in the fog lights and the natural convection analysis where there is no design change, the analysis results were obtained by creating the fan definition in the forced design and the air velocity of 10 m/s. In addition, the heat transfer coefficient and temperature results at different fan speeds were obtained and verified with the literature. In the study, our analyzes were carried out by verifying with tests on a different geometry. In the analysis, independence from the number of elements was studied. Numerical analyzes were performed with ANSYS 2022 R2 software. Results were obtained at different fan speeds in forced discharge. While the results obtained in forced transport are confirmed by the literature. It has been determined that the forced convection performance is achieved in LED cooling with the original design and fin, and even better results are obtained with the fin effect. It has been determined in the study that while the LED Tj temperature is 170 °C in natural convection, it is 149 °C in forced convection, but with the design change and the addition of fins, the Tj value can be reduced to 133 °C in natural convection

Keywords

• LED cooling
• Natural convection
• Forced Convection
• Numerical Analysis
• CFD
• Fin
• Design.

Örnek Bir Sis Farında LED Soğutulmasında Özgün Tasarım ve Kanatçıklı Yapılı Doğal Taşınımın Zorlanmış Taşınım ile Nümerik Karşılaştırılması

Öz

Aydınlatma ürünlerinde kullanılan elektronik bileşenler ve LED’ler estetik kaygılara ve tasarıma bağlı olarak giderek daha sınırlı hacimlerde çalışmaya başlamıştır. Bu durum LEDlerden giderek daha yüksek ışık şiddeti talep edilmesine yol açmıştır. Bu da LED’lerin çalışma sıcaklığının yükselmesine sebep olmaktadır. Bu yüzden yüksek güçlerde çalışan LED’ler için ısıl yönetim konusu önemli hale gelmiştir. LED’lerin soğutulmasında ısı kanatçığı kullanılarak doğal taşınım yönteminden sıkça yararlanılabilmektedir Ancak sis farı gibi ürünlerde hacmin küçülmesi doğal taşınım yöntemini yetersiz bırakmaktadır. Böyle durumlarda zorlanmış taşınım alternatif bir çözümdür. Bu çalışmada örnek bir sis farında doğal taşınım ve zorlanmış tasarım karşılaştırılması numerik olarak yapılmıştır. Doğal taşınımda sis farında dış havadan faydalanacak şekilde kanatçıklı tasarım ve hiçbir tasarım değişikliğinin olmadığı doğal taşınım çözümlemesi yapılırken zorlanmış tasarımda fan tanımı ile 10 m/s’lik hava hızı oluşturularak analiz sonuçları alınmıştır. Ayrıca farklı fan hızlarında ısı tranfer katsayısı ve sıcaklık sonuçları alınmış ve literatürle doğrulanmıştır. Çalışmada analizlerimiz farklı bir geometri üzerinde testlerle doğrulanarak yapılmıştır. Analizlerde eleman sayısından bağımsızlık çalışması yapılmıştır. Nümerik analizler ANSYS 2022 R2 yazılımı ile yapılmıştır. Zorlanmış taşjnımda farklı fan hızları içinde sonuçlar alınmıştır. Zorlanmış taşınımda elde edilen sonuçlar literatürle doğrulanırken. Özgün tasarım ve kanatçık ile LED soğutmasında zorlanmış taşınım performansının yakalandığı hatta kanatçık etkisi ile daha iyi sonuçlar elde edildiği tespit edilmiştir. Doğla taşnımda LED Tj sıcaklığı 170 °C iken zorlanmış taşınımda 149 °C fakat tasarım değişikliği ve kanatçık ilavesi ile Tj değeri doğal taşınımda 133 °C’ye kadar düşürülebildiği çalışmada tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• LED soğutması
• Doğal taşınım
• Zorlanmış Taşınım
• Nümerik Analiz
• CFD
• Kanatçık
• Tasarım.

Kaynakça

1. Arik. M., and Weaver. S., (2006), “Chip-Scale Thermal Management of High-Brightness LED Packages”. Fourth International Conference on Solid State Lighting.
2. Arik. M., Becker. C.A., Weaver. S. E., and Petroski. J., (2004) “Thermal Management of LEDs: Package to System”. Third International Conference on Solid State Lighting 5187:64.
3. Chun.K. L J., Ming. D., Yu. C. K., and Kuo. S. L., (2007), “High Efficiency Silicon-Based High Power LED Package Integrated with Micro- Thermoelectric Device”. in Proceedings of Technical Papers - International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference, IMPACT.
4. Daliang. Z., Wang. H.Q.C., and Xiao. Z., (2010). “Thermal Performance of Heatsink and Thermoelectric Cooler Packaging Designs in LED.” 11th International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging, ICEPT-HDP.
5. James. P., (2013), “Understanding Longitudinal Fin Heat Sink Orientation Sensitivity for Light Emitting Diode (LED)”, Lighting Applications.
6. Jang. S., and Shin. M. W., (2008), “Thermal Analysis of LED Arrays for Automotive Headlamp With a Novel Cooling System”. IEEE Transactions On Device And Materials Reliability, Vol. 8, No. 3.
7. Jen. W.C., (2009),“Advanced Thermal Enhancement and Management of LED Packages.” International Communications in Heat and Mass Transfer.
8. Lai. Y., Cordero. N., Barthel. F., Tebbe, F., Kuhn. J., Apfelbeck. R., and Würtenberger. D., (2009), “Liquid Cooling of Bright LEDs for Automotive Applications”. Applied Thermal Engineering.

9. Liu. S., Lin. T., Luo. X., Chen. M., and Jiang.X, (2006)“A Microjet Array Cooling System For Thermal Management of Active Radars and High-Brightness LEDs.”. Electronic Components and Technology Conference.
10. Lui. Y. B., (2012), “On Thermal Structure Optimization of a Power LED Lighting.” Procedia Engineering 29:2765–69.
11. Mills A., (2003), “Solid State Lighting”. World of Expanding Opportunities at LED 2002.” III-Vs Review.
12. Raypah. M., Dheepan. E., Devarajan. M., and Sulaiman. F. (2016), “Investigation on Thermal Characterization of Low Power SMD LED Mounted on Different Substrate Packages.” Applied Thermal Engineering 101:19–29.
13. Yi. B. L., (2012),“On Thermal Structure Optimization of a Power LED Lighting”. Procedia Engineering 29:2765–69.
14. Yung. K. C., Liem. H., Choy. H. S., and Lun. W. K., (2010) “Thermal Performance of High Brightness LED Array Package on PCB.” International Communications in Heat and Mass Transfer.