Sangmesh và cộng sự, đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo một bộ tản nhiệt mới có nhiều túi chất lỏng bên trong đế [29]. Họ đã tiền hành khảo sát với ba kiểu tản nhiệt (kí hiệu HSHF0, HSHH02 và HSHH03).
Bảng 1.4: Kí hiệu và các thông số cấu trúc hình học của tản nhiệt [29]. Kiểu
(Kí Hiệu) Cấu trúc hình học Ảnh minh họa
Tản nhiệt
thông thƣờng không có lỗ thông với chiều dài cánh tối đa (CHSO1)
-Kích thƣớc đế: 200 x 120 x10 mm
-Số cánh 14, với khoảng cách hai cánh: 6mm, độ dày cánh: 3mm, chiều cao: 10mm, chiều dài cánh: 200mm
Tản nhiệt có lỗ thông với chiều dài cánh tối đa (HSHF01) -Kích thƣớc đế: 200 x 120 x 10 mm -Số lỗ 9, đƣờng kính lỗ Ø6, chiều dài 200mm -Số cánh 14, với khoảng cách hai cánh: 6mm, độ dày cánh: 3mm, chiều cao: 10mm, chiều dài cánh: 200mm
Tản nhiệt
thông thƣờng không có lỗ thông với nửa chiều dài cánh (CHSO2) -Kích thƣớc đế: 200 x 120 x 10 mm -Số cánh 14, với khoảng cách hai cánh: 6mm, độ dày cánh: 3mm, chiều cao: 10mm, chiều dài cánh: 100mm
Tản nhiệt có lỗ thông với nửa chiều dài cánh (HSHH02) -Kích thƣớc đế: 200 x 120 x 10 mm -Số lỗ 9, đƣờng kính lỗ Ø6, chiều dài 200mm -Số cánh 14, với khoảng cách hai cánh: 6mm, độ dày cánh: 3mm, chiều cao: 10mm, chiều dài cánh: 100mm
Tản nhiệt có lỗ thông với nửa chiều dài cánh (HSHH02) -Kích thƣớc đế: 200 x 120 x 10 mm -Số lỗ 14, đƣờng kính lỗ Ø4, chiều dài 200mm -Số cánh 14, với khoảng cách hai cánh: 6mm, độ dày cánh: 3mm, chiều cao: 10mm, chiều dài cánh: 100mm
Nhiệt độ đƣờng giao nhau tăng theo thời gian và đạt trạng thái ổn định sau 60 phút. Các thử nghiệm sử dụng chất lỏng tản nhiệt là nƣớc với tỉ lệ lấp đầy 100% cho cả hệ thống vây dài và nửa chiều dài đều cho kết quả tối ƣu. Trong các thử nghiệm về truyền nhiệt đối với các chất lỏng khác nhau thì nƣớc có hiệu suất tản nhiệt tốt hơn so với các chất lỏng khác. Tản nhiệt với nửa chiều dài cánh cho kết quả gần giống nhƣ tản nhiệt thông thƣờng và sự khác biệt về nhiệt độ đƣờng giao nhau là khoảng 6°C. Trong khi đó sự khác biệt về nhiệt độ đƣờng giao nhau giữa tản nhiệt thông thƣờng (CHS02) và tản nhiệt dùng chất lỏng (vây dài một nửa) (HSHH02) lên đến 19°C.
Gần đây, công trình nghiên cứu sử dụng ống Nano cacbon (CNTs) trong chất lỏng tản nhiệt của nhóm TS.Bùi Hùng Thắng và các cộng sự với việc gia cƣờng CNTs nồng độ 1,2 g/lit vào chất lỏng đã giúp giảm nhiệt độ đèn LED xuống 3 0C. Độ chênh lệch nhiệt độ giữa chip LED và bộ tỏa nhiệt trong trƣờng hợp sử dụng chất lỏng thông thƣờng là 8 0C, còn độ chênh lệch nhiệt độ giữa chip LED và bộ tản nhiệt trong trƣờng hợp sử dụng chất lỏng CNTs là 60C[14]. Và mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự đối lƣu không dùng đến bơm tuần hoàn, hệ thống này sử dụng sự chênh lệch áp suất do sự khác nhau về nhiệt độ để tạo ra dòng chảy tuần hoàn của chất lỏng. Nhóm nghiên cứu cũng tiến hành mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống này cho các linh kiện điện tử công suất lớn, chất lỏng đƣợc lựa chọn trong mô phỏng là nƣớc cất có chứa thành phần ống nanô cácbon (CNTs) để nâng cao độ dẫn nhiệt cho chất lỏng, hàm lƣợng của CNTs trong chất lỏng đƣợc mô phỏng khảo sát trong khoảng 0,3 –1 % về thể tích.
Sorensen và các cộng sự đã thiết kế một số cấu trúc tản nhiệt bằng nƣớc cho các thiết bị điện tử công suất cao phụ thuộc vào cách sử dụng. Đối với các thiết bị nhƣ máy tính xách tay, bộ chuyển đổi năng lƣợng, v.v ... thì ống dẫn nhiệt dƣờng nhƣ là một động lực nhiệt tuyệt vời, giúp di chuyển một lƣợng lớn nhiệt từ bên trong nguồn ra bên ngoài. Trong trƣờng hợp có ngoại lực do chuyển động /gia tốc, do lực mao dẫn yếu làm ống dẫn nhiệt có thể ngừng hoạt động nên tác giả đã sử dụng một hệ thống tản nhiệt bằng nƣớc đƣợc điều khiển bởi một máy bơm mini. Loại hệ thống này đƣợc sử dụng các máy tính chơi game, trong đó cả CPU và GPU đều đƣợc giữ lạnh bằng các tấm lạnh nhỏ đƣợc nối với máy bơm và bộ tản nhiệt truyền thống [30].
Hình 1.12: Sơ đồ mạch làm mát các linh kiện điện tử sử dụng dòng nƣớc tuần hoàn để tản nhiệt cho LED [30].
Hình 1.13. Thiết kế tấm lạnh. Mũi t n chỉ đầu vào của chất lỏng. Các tấm lạnh đƣợc đƣa ra trong cấu hình 3-5 sử dụng đầu vào tiếp tuyến cho kênh làm mát[30].
Trong nghiên cứu trên các thiết kế đều đã đƣợc kiểm tra và phân tích trong phòng thí nghiệm đồng thời so sánh đƣợc hiệu suất giữa chúng. Bao gồm 6 thiết kế: Kiểu ống tản nhiệt thẳng thông thƣờng (1), Kiểu ống tản nhiệt hình chữ S (2), Kiểu ống tản nhiệt thẳng dạng xoáy (3), Kiểu ống tản nhiệt dạng ren (4) và Kiểu ống tản nhiệt dùng 2 ống song song dạng xoáy. Trong thiết kế thứ 6, sử dụng đồng thời nhiều ống tản nhiệt dạng thẳng.
Dựa trên sự truyền nhiệt đo đƣợc bằng thực nghiệm bên trong các tấm lạnh, tác giả đã kết luận rằng các ống tản nhiệt sử dụng dòng chảy xoáy có hiệu quả hơn nhiều so với các ống có dòng chảy thông thƣờng không có xoáy. Các kết luận tƣơng tự cũng đƣợc đƣa ra cho thiết kế sử dụng các kênh tản nhiệt nhỏ- kích thƣớc micro.
Ngoài kiểm tra các đặc tính truyền nhiệt thì nghiên cứu cũng xem xét sự chênh lệch áp suất trên tấm lạnh và đƣa ra hai thiết kế thích hợp là: kiểu ống tản nhiệt thẳng thông thƣờng và kiểu ống tản nhiệt hình chữ S. Các thí nghiệm cũng cho thấy thiết kế ống tản nhiệt sử dụng dòng chảy xoáy có tổn thất áp suất gấp 4 lần so với hai thiết kế trên.
1.7. Mục đ ch nghi n cứu
Trên thực tế, các đèn đánh cá thƣờng sử dụng tản nhiệt thụ động bằng heatsink, nhƣng khối lƣợng heatsink khá nặng. Do vậy, trong đề tài này chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu tản nhiệt chủ động cho đèn đánh cá, cụ thể là thiết kế hệ thống dẫn nƣớc để tản nhiệt cho đèn LED đánh cá bằng phƣơng pháp mô phỏng phần tử hữu hạn.
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Mục đích khi nghiên cứu nhiệt để thiết kế hệ thống LED là kiểm tra xem nhiệt độ Ts, Tj của LED ứng với mỗi công suất nhiệt sẽ có phân bố nhiệt nhƣ thế nào, cũng nhƣ cấu trúc LED thiết kế đã tối ƣu hay chƣa. Để giải quyết các vấn đề trên chúng tôi tiếp cận bằng phƣơng pháp mô phỏng.
Phƣơng pháp mô phỏng là phƣơng thức sử dụng công cụ máy tính để mô hình hóa hệ thống LED, đƣa các tham số đầu vào (công suất, hình dạng, kích thƣớc, vật liệu, điều kiện biên), tiến hành mô phỏng và thu đƣợc các tham số đầu ra (nhiệt độ, phân bố nhiệt, phân bố vận tốc, …). Phƣơng pháp mô phỏng gồm các bƣớc sau: i) mô hình hóa; ii) nhập dữ liệu vật liệu; iii) nhập dữ liệu nguồn nhiệt; iv) chia lƣới; v) mô phỏng; vi) kiểm tra điều kiện hội tụ; vii) xuất dữ liệu.
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống tản nhiệt chủ động bằng nƣớc. 2.1. Mô hình hóa
2.1.1 . Mô hình hóa một đèn LED
2.1.1.1.COB LED
Do COB LED có cấu trúc khá phức tạp và gồm nhiều bộ phận khác nhau. Để có thể mô phỏng nhiệt đƣợc cho LED nói riêng và đèn LED nói chung thì cần phải đơn giản hóa cấu trúc của LED. COB LED gồm các lớp sau: Ma trận LED và lớp die-attach đƣợc đơn giản hóa thành nguồn nhiệt mặt có kích thƣớc: 28x28x1.5mm
a) b)
Hình 2.2: COB LED sử dụng trong thực tế (a) và hình mô phỏng 3D (b).
2.1.1.2. Lens (thấu kính)
Thấu kính đƣợc làm bằng nhựa PMMA, có dạng hình bán cầu đƣợc gắn trƣớc COB LED để thay đổi góc chiếu sáng của đèn và đƣợc mô hình hóa với các kích thƣớc nhƣ trong hình 2.3.
Hình 2.3: Hình thấu kính thực tế (a) và hình mô phỏng (b).
2.1.1.3.TIM (keo dẫn nhiệt)
Lớp keo đƣợc đặt giữa COB LED và heatsink và đƣợc mô hình hóa thành 1 lớp mỏng có kích thƣớc 28×28×0.05mm.
2.1.1.4.Heatsink
Heatsink đƣợc mô hình hóa với cấu trúc và các kích thƣớc đƣợc thể hiện trong hình 2.4.
Hình 2.4: Mô hình hóa cấu trúc của heatsink.
2.1.1.5. Ống nhựa
Ống nhựa nối dòng chảy giữa các đèn LED đƣợc mô hình hóa thành các ống thẳng có đƣờng kính trong tƣơng ứng là 5, 10, 15 mm và đƣờng kính ngoài trong các trƣờng hợp đều là 15 mm.
2.1.1.6. Đèn LED
Toàn bộ hệ thống đèn LED và các bộ phận đƣợc mô hình hóa nhƣ trong hình 2.5.
2.1.2. Mô hình hóa hệ thống gồm nhiều đèn LED.
Tiếp theo chúng tôi mô hình hóa cho hệ thống gồm nhiều đèn LED, mỗi đèn LED có 3 COB LED đƣợc ghép nối tiếp với nhau nhƣ hình 2.6.
Hình 2.6: Mô hình hóa hệ thống đèn COB LED.
Các kích thƣớc của các bộ phận tƣơng ứng của hệ thống đèn COB LED đƣợc thể hiện trên hình 2.7
2.2. Các tham số vật liệu
2.2.1. Các tham số vật liệu đèn LED
Các thông số vật liệu của các bộ phận của cả hệ thống LED đƣợc chọn khảo sát là nhƣ nhau, dƣới đây là các giá trị tƣơng ứng cho 1 đèn.
Bảng 2.1: Thông số vật liệu của các bộ phận [31].
Bộ phận
Vật liệu Thông số của vật liệu
Khối lƣợng riêng (kg/m3 ) Nhiệt dung (J/kg.K) Độ dẫn nhiệt (W/m.K) Hệ số bức xạ bề mặt Lens Silicone 1120 1400 0.2 0.8 Glass 1900 795 0.17 0.8 COB LED Phosphor Phosphor + silicone 1710 1350 0.25 0.91
Chip LED Sapphire (blue chips) 3950 910 25.1 0.8 Board H2OE (adhesive) 1900 795 3 0.041 Screen- printed silver (conductor) 10524 236 320 0.026 Alumina (substrate) 3970 910 25 0.8 TIM Keo thƣờng 1190 1400 0.2 0.35 Keo dẫn nhiệt 2300 660 1.0 0.35 Keo dẫn nhiệt tốt 1900 795 3.0 0.35 Heatsink Đồng 387.6 8933 195 0.052 Nhôm T6 2700 896 167 0.35 Nhôm T4 2700 896 154 0.35 Nhôm ADC 2700 960 100 0.255 Thép không gỉ 7817 461 14.4 0.8 Thép đúc 46 7830 460 0.52 Bạc 10500 462 162 0.0267 Ống dẫn Nhựa 1200 1050 0.23 0.9
2.2.2. Các tham số của không khí
Môi trƣờng không khí xung quanh đèn LED đƣợc mô phỏng với các giá trị ứng với mỗi điều kiện nhiệt độ nhƣ trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Các tham số của môi trƣờng không khí [32,33].
Nhiệt độ (C) Khối lƣợng riêng (kg/m3) Nhiệt dung riêng (J/kgK) Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) Hệ số khuếch tán (m2/s) Độ nhớt (kg/ms) 5 1.269 1006 0.02401 1.88e-5 1.75e-5 10 1.246 1006 0.02439 1.94e-5 1.78e-5 15 1.225 1007 0.02476 2.01e-5 1.8e-5 20 1.201 1007 0.02514 2.07e-5 1.83e-5 25 1.184 1007 0.02551 2.14e-5 1.85e-5 30 1.164 1007 0.02588 2.21e-5 1.87e-5 35 1.145 1007 0.02625 2.28e-5 1.9e-5 40 1.127 1007 0.02662 2.35e-5 1.92e-5 45 1.109 1007 0.02699 2.42e-5 1.94e-5 50 1.092 1007 0.02735 2.49e-5 1.96e-5 60 1.059 1007 0.02808 2.63e-5 2.01e-5 70 1.028 1007 0.02881 2.78e-5 2.05e-5 80 0.9994 1008 0.02953 2.93e-5 2.1e-5 90 0.9718 1008 0.03024 3.09e-5 2.14e-5 100 0.9458 1009 0.03095 3.24e-5 2.18e-5
2.2.3. Các tham số của nước
Môi trƣờng nƣớc thực tế đƣợc mô hình hóa thành khối nƣớc có kích thƣớc LWH = 800 mm 800 mm 1600 mm có điều kiện biên mở và các tham số động học đƣợc trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3: Các tham số của môi trƣờng nƣớc [33,34].
Nhiệt độ (C) Nhiệt dung riêng (J/kgK) Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) Hệ số dãn nở khối (1/K) Độ nhớt (kg/ms) 5 4200 0.5576 0.00001135 0.00152 10 4188 0.5674 0.00008743 0.001308 15 4184 0.5769 0.0001523 0.001139 20 4183 0.5861 0.000209 0.001003 25 4183 0.5948 0.0002594 0.000891 30 4183 0.603 0.0003051 0.000798 35 4183 0.6107 0.000347 0.00072 40 4182 0.6178 0.0003859 0.000653 45 4182 0.6244 0.0004225 0.000596 50 4181 0.6305 0.0004572 0.000547 55 4182 0.636 0.0004903 0.000504 60 4183 0.641 0.0005221 0.000467 65 4184 0.6455 0.0005528 0.000434 70 4187 0.6495 0.0005827 0.000404 75 4190 0.653 0.0006118 0.000378 80 4194 0.6562 0.0006402 0.000355 85 4199 0.6589 0.0006682 0.000334 90 4204 0.6613 0.0006958 0.000315 95 4210 0.6634 0.000723 0.000298 100 4216 0.6651 0.00075 0.000282
Các tham số không phụ thuộc vào nhiệt độ nhƣ: hệ số khuếch tán là 0.14610-6
(m2/s), khối lƣợng riêng là 1000 (kg/m3), nguyên tử khối là 18.015 (kg/kmol).
2.3. Nguồn nhiệt
Ở đây, nguồn nhiệt là công suất nhiệt tỏa ra từ chip COB LED, trong đó công suất nhiệt xác định thông qua công suất điện và công suất quang. Công suất điện đƣợc đo bằng hệ thiết bị đo thông số phối hợp LT-101A LED/LED driver tester và bộ nguồn chuẩn Everfine DPS 1010-V100 (Hình 2.8a). Công suất quang đƣợc đo bằng hệ cầu tích phân Gamma Scientific (Hình 2.8b) và đƣợc tính toán từ hiệu suất nguồn điện, giá trị cụ thể đƣợc trình bày trong bảng 2.4.
Bảng 2.4: Các tham số nguồn nhiệt.
Công suất điện (W)
Công suất quang (W)
Công suất nhiệt (W) COB
LED
Pđiện = U*I = 220*1.36 = 300W
Pquang= 120W P nhiệt = Pđiện – Pquang = 180W
2.4. Chia lƣới
Chia lƣới (meshing) là một bƣớc quan trọng trong phƣơng pháp mô phỏng phần tử hữu hạn. Chất lƣợng của việc chia lƣới ảnh hƣởng trực tiếp đến thời gian tính toán cũng nhƣ độ chính xác của bài toán. Về cơ bản phƣơng pháp phần tử hữu hạn có nhiều loại phần tử với cấu tạo hình học khác nhau. Với bài toán truyền nhiệt, đối lƣu và bức xạ nhiệt sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS Icepak ver15.0, các loại phần tử truyền nhiệt điển hình có cấu trúc hình học nhƣ lập phƣơng, tứ diện hay ngũ diện. Phần mềm thƣơng mại ANSYS Icepak ver15.0 đƣợc sử dụng trên máy tính của Trung tâm nghiên cứu và phát triển chiếu sáng, Công ty Cổ phần Bóng đèn Phích nƣớc Rạng Đông. Ở đây, sử dụng chế độ multi-meshing và chi tiết chia lƣới của từng bộ phận đƣợc trình bày trong hình 2.9.
Hình 2.9: Chia lƣới multi cho hệ thống đèn:Chia lƣới cho heatsink (a); chia lƣới b)
2.5. Mô phỏng
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành mô phỏng đồng thời cả 3 hiện tƣợng: hiện tƣợng dẫn nhiệt trong vật rắn, hiện tƣợng đối lƣu của môi trƣờng nƣớc và không khí, hiện tƣợng bức xạ nhiệt trên các bề mặt (sử dụng mô hình ray-tracing) [35].
2.5.1. Đối với không khí và chất lỏng
Phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng:
(2.1)
Phƣơng trình bảo toàn động lƣợng:
(2.2)
Trong đó và tƣơng ứng là mật độ không khí ở nhiệt độ môi trƣờng và ở gần các bề mặt nhiệt. Mật độ không khí đƣợc tính nhƣ sau:
(2.3)
Trong đó M của khối lƣợng phân tử của không khí (28.966 kg/kmol) và
R là hằng số khí lý tƣởng.
Phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng:
2.5.2. Đối với chất rắn
Phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng:
(2.5)
Bức xạ nhiệt:
(2.6)
2.6. Kiểm tra điều kiện hội tụ
Để xác định hệ đã hội tụ chƣa, nghĩa là nhiệt độ xuất ra đã phản ánh đúng trạng thái cân bằng của hệ chƣa thì cần xác định mức chênh lệch dòng chảy, mức chênh lệch năng lƣợng giữa các bƣớc đủ nhỏ sao cho nhiệt độ của từng bộ phận và của cả hệ gần nhƣ không thay đổi.
Trong mô phỏng này, tiêu chuẩn cân bằng là: chênh lệch dòng chảy nhỏ hơn 1e-3, chênh lệch năng lƣợng nhỏ hơn 1e-8.
Nhƣ chúng ta thấy trên hình 2.10, khi tăng số bƣớc mô phỏng thì chênh lệch vận tốc dòng chảy giảm dần và nhỏ hơn 1e-3, chênh lệch năng lƣợng giữa 2 bƣớc giảm dần và nhỏ hơn 1e-9, nhiệt Ts giảm dần và đạt giá trị không đổi. Khi đó, hệ hội tụ và đảm bảo đạt trạng thái cân bằng nhiệt.
Hình 2.10: Vận tốc v năng lƣợng phụ thuộc vào số bƣớc mô phỏng (a), nhiệt độ
2.7. Xuất dữ liệu
Sau khi tiến hành mô phỏng và kiểm tra các điều kiện hội tụ sẽ thu đƣợc