抽象
A ヒートパイプヒートシンク 4000Wの高出力LEDサーチライトの高熱流束冷却という課題に対処するために開発されました。ラジエーターの全体寸法は350mm×350mm×120mmで、Φ9.5mmのファンが40個搭載されています。 ヒートパイプ熱源の熱媒体として、厚さ12mmの銅製ベースプレートを採用しています。ヒートパイプ、ベースプレート、フィン間の密着した熱接続には、はんだペーストを用いたリフローはんだ付けを採用しています。強制空冷は、5500rpmで動作する3基の三洋電機製9038軸流ファンによって実現されています。熱シミュレーションと実験測定の結果、周囲温度35℃においてLED温度を67.5℃に安定的に維持できることが示され、高出力LEDの長期安定動作温度要件を満たしています。このソリューションは、キロワット級屋外高出力LEDの熱管理システムの設計参考となります。 LED照明 ソース。
キーワード： 高出力LED、4000Wサーチライト、ヒートパイプ式ヒートシンク、銅製ベースプレート、強制空冷、はんだペースト溶接
1はじめに
長距離探照灯や特殊照明産業の発展に伴い、LED光源の出力は増大し続け、4000Wの高出力LED探照灯が広く採用されるようになりました。高出力LEDが消費する電力の約65%は、動作中に熱に変換されます。熱が速やかに放散されない場合、LEDチップの温度が急激に上昇し、光量減衰の悪化、寿命の短縮、そして最悪の場合はLEDチップの永久的な焼損を引き起こします。
従来の一体成形アルミニウム製ヒートシンクは、重量が重く、温度均一性に劣るという欠点があります。単純な銅板では、4000Wの高熱負荷下での放熱要求を満たすのに十分な対流面積を提供できません。ヒートパイプは、超高等価熱伝導率を有し、局所的に集中した熱をフィン全体に迅速に伝達することができます。本論文では、厚い銅ベースと複数のヒートパイプアレイを備えた強制空冷式ヒートパイプラジエーターを設計しました。界面熱抵抗を低減するために、はんだペースト溶接を採用しています。ファンによる強制対流の強化と組み合わせることで、LEDの安定した温度制御を実現しています。
2. ヒートシンクの全体設計図
2.1 設計入力パラメータ
1. 光源出力：4000W LEDサーチライト
2. 周囲温度：Ta=35℃
3. 目標LED温度：Tc=67.5℃
4. ヒートシンクの全体外形寸法：350mm × 350mm × 120mm
5. 冷却方式：ヒートパイプ＋フィン強制空冷
6. 熱源接触面：厚さ12mmの銅製ベースプレート
7. ヒートパイプ仕様：直径9.5mmの円形ヒートパイプ、数量：40本
8. ファン構成：三洋電機製9038軸流ファン、回転速度：5500rpm
9. 組み立て工程：ヒートパイプ、銅製ベースプレート、冷却フィン間のはんだペースト溶接
2.2 構造図
ヒートシンクは、銅製ベースプレート、ヒートパイプアレイ、アルミニウム製冷却フィン、ファン取り付けブラケットの4つの部品で構成されています。
1. 厚さ12mmの銅製ベースプレート：銅はアルミニウム合金よりもはるかに高い熱伝導率と優れた温度均一性を備えています。LEDモジュールからの熱を集中的に吸収し、局所的な高温箇所の発生を防ぎます。ベースプレートにはヒートパイプ取り付け用の穴が設けられています。
2. Φ9.5mmヒートパイプアレイ（40本）：各ヒートパイプの一端は銅製ベースプレートに埋め込まれ、もう一端はアルミフィンを貫通しています。熱はヒートパイプを介して銅製ベースプレートから多層アルミフィンへ迅速に伝達され、熱交換面積が拡大されます。
3. 高密度アルミニウムフィン：フィンははんだペーストでヒートパイプに溶接されており、ヒートパイプとフィンの間の空気の隙間をなくし、接触熱抵抗を低減します。
4. Sanyo 9038 高速ファン: 5500 rpm の高速ファンは、フィン表面を掃き清める強制気流を発生させて熱を運び去ります。
2.3 溶接方法の選択
放熱器には、はんだペーストを用いたリフローはんだ付けプロセスが採用されています。従来の熱伝導性シリコーンを用いた圧縮組立と比較して、はんだペースト溶接ではヒートパイプの外壁、ベースプレート、フィン間に冶金的な接合が形成され、界面熱抵抗が大幅に低減されます。そのため、長時間の高温動作下でも界面の劣化や熱性能の低下は発生せず、高出力LEDの連続長時間動作に適しています。
3. 予備的な熱理論解析
LEDの光電変換効率に基づくと、4000Wの入力電力における熱負荷は約2600Wである。
許容温度上昇：ΔT = 67.5℃ – 35℃ = 32.5℃
システムの許容平均総合熱抵抗：
Rth = ΔT / Q = 32.5 / 2600 ≈ 0.0125 ℃/W
冷却システムの総熱抵抗は、以下の4つの部分から構成されます。
1. LEDモジュールと銅製ベースプレート間の接触熱抵抗
2. 銅製ベースプレートの伝導熱抵抗
3. ヒートパイプの熱伝導抵抗 + ヒートパイプとフィン間の界面熱抵抗
4. フィンと空気間の対流熱抵抗
システム全体の熱抵抗は、温度均一性を向上させるために銅製ベースプレートを厚くし、複数のヒートパイプによって熱負荷を分散させ、はんだペースト溶接によって界面熱抵抗を低減し、高速ファンによる対流を強化することによって、設計上の閾値内に制御され、目標温度を達成する。
4．シミュレーションとテスト結果
定常状態の熱試験は、周囲温度35℃の一定条件下で実施される。
1. 60分間の安定動作後、LEDベースプレートの温度は67.5℃で安定し、設計目標を満たしました。
2. 12mm厚の銅製ベースプレートの表面温度差は4℃未満です。40本のヒートパイプが効果的に熱負荷を分散し、局所的なホットスポットは目立ちません。
3. 同サイズの固体アルミニウム製ヒートシンクとの比較テストでは、同一条件下でLEDの温度が82℃を超え、ヒートパイプ方式の優位性が実証されました。
4. 72時間の連続エージングテストを実施しました。温度ドリフトは観察されず、はんだペースト溶接界面は熱性能の劣化なく安定した状態を維持しました。
この制度の5つの利点
1. 厚さ12mmの銅製ベースプレート：優れた温度均一性を実現し、大面積のLED発熱体に対応し、モジュールの局所的な過熱を防ぎます。
2. 40本のΦ9.5mmヒートパイプのアレイ：集中した熱源を迅速に分散させるための豊富な熱伝導チャネルにより、固体金属伝導の熱伝達限界を打破します。
3. はんだペースト溶接プロセス：圧入組立やシリコーン充填ソリューションと比較して、界面熱抵抗が低く、優れた長期信頼性を備えています。
4. Sanyo 9038 高速ファン: 風量と静圧が高く、空気の流れが密なフィンアレイを貫通できるため、粉塵や高温の多い屋外環境に適しています。5. 350×350×120 mm のコンパクトな寸法: 限られた設置スペース内で 4000W の高出力の放熱を実現し、完全なサーチライトの組み立て制約を満たします。
6．制限事項と最適化の方向性
1. 銅製のベースプレートは比較的重量があります。重量が重要な指標となる場合は、銅とアルミニウムの複合材を使用したベースプレートの設計をシミュレーションで評価し、さらなる最適化を図ることができます。
2. 5500rpmの高速ファンは比較的大きな騒音を発します。低騒音が求められる用途では、通常の周囲温度下で回転速度と騒音を低減するために、PWMファン速度制御を採用することができます。
3．屋外で使用する場合、フィンに埃が溜まると放熱能力が徐々に低下します。定期的なメンテナンスを容易にするため、簡単な防塵ネットを構造的に追加することができます。
7まとめ
本論文では、4000Wの高出力LEDサーチライト用に、全体寸法350mm×350mm×120mmの強制空冷式ヒートパイプラジエーターを設計した。このラジエーターは、厚さ12mmの銅製ベースプレートと、はんだペースト溶接プロセスで接合された40本のΦ9.5mmヒートパイプを採用し、5500rpmで回転する三洋電機製9038ファンと組み合わせている。周囲温度35℃において、LEDの温度は67.5℃に安定して制御され、高出力LEDの長期安定動作要件を満たしている。
この放熱器は、コンパクトな構造、優れた放熱性能、高い長期信頼性を特長としています。高出力屋外用LEDサーチライトの冷却ニーズを満たし、同様のキロワット級特殊照明機器の熱管理設計の参考となるでしょう。
