LED Aydınlatma Armatürü Termal Analiz Çalışmaları

Özet

Enerji tasarrufu günümüzde hızla tükenen dünya kaynaklarının insanoğluna dayattığı gerçeklerdendir. Bu kapsamda, yeni nesil bir aydınlatma aracı olarak LED armatürler, günümüzde konvansiyonel tipteki aydınlatma armatürlerinin yerini almaktadır. Ancak bu yenilikler de beraberinde farklı yeni problemler getirmektedir. Konvansiyonel aydınlatma sistemlerine göre daha çabuk ve daha yüksek sıcaklıklara ısınan LED’lerin soğutulması ve bunun için gereken kanallı geometrik yapıları ile neden oldukları kar yükü, toz, çamur birikmesi vs. gibi konular tasarım kriterlerinden bazılarıdır. Ekonomik ve rekabetçi bir tasarım pazar payı açısından çok önemlidir. Bu projede, pazardan gelen dönüşleri de dikkate alarak, hem daha dayanıklı, hem de daha rekabetçi, tasarımsal olarak ise klasik yaklaşımdan farklı, üstünde açık kanalları olmayan ve alüminyum ekstrüzyon üretilmeye uygun bir çözüm ortaya konulması hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda, ürünün sanal prototiplemesi ANSYS yazılımları kullanılarak bilgisayar ortamında gerçekleştirilmiş ve ürünün farklı ortam şartlarındaki ısıl performansı incelenmiştir.

Giriş

LED olarak bilinen Light Emitting Diode (Işık Yayan Diyot) ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır. 1920’lerde Rusya’da icat edilip, 1950‘li yılların sonlarında kullanılmaya başlanan LED’ler, gösterge lambaları, hesap makineleri, geniş ilan panoları gibi yüksek parlaklık gerektiren işlerde kullanılmıştır. LED’ler aslında bir yarı-iletken diyot olmakla birlikte, normal diyotlardan farklı olarak jonksiyon bölgelerinde yaydıkları fotonlar aracılığı ile ışık verirler. LED’ler çok çeşitli kimyasal maddelerden üretilirler. LED’in en önemli kısmını yarı iletken malzemeden oluşan ve ışık yayan LED çipi oluşturur. LED çipi; noktasal bir ışık kaynağıdır ve kılıf içine yerleştirilmiş yansıtıcı eleman sayesinde ışığın belirli bir yöne doğru yayılmasını sağlar.

Doğru aygıt ve komponentlerle kullanılan LED ışık kaynakları, geleneksel aydınlatma kaynakları ile karşılaştırıldığında birçok avantaja sahiptir. Bunların en başında enerji tasarrufu, küçük boyutu, uzun ömrü, kırılma ve titreşime dayanıklılığı ve soğuk havalardaki iyi performansları gelebilir. Bunlar ve bunların dışındaki birçok avantajının yanında, üretimlerini ve kullanımlarını sınırlayan bazı zorluklarda bulunmaktadır. Bunlar da kısaca düşük enerji dönüşüm oranı (%20 ışık, %80 ısı), beraberinde getirdiği soğutma ihtiyacı ve armatür ağırlığı vs. gibi konulardır.

LED’li armatürlerde ısı yönetimi en önemli tasarım problemidir. LED’li armatürlerde ihtiyaç duyulan verimli bir ısı yönetimi, hava kanalları ve dayanıklı gövde malzemelerinin kullanımını gerekli kılmakta ve bu gereklilikler armatür ağırlığının artmasına neden olmaktadır. Endüstride LED’li armatürlerin test standart ve performans ölçüm-değerlendirme yöntemleri konusunda eksiklikler vardır. LED çip performans ölçüm standartlarının yanı sıra LED’li armatür performans standartlarının da hazırlanması gerekmektedir.

LED teknolojisinin günümüzdeki kullanım alanları göz önüne alındığında, alüminyum ekztrüzyon yöntemi ile üretilmeye uygun soğutma kanalları kapalı şekilde tasarlanmış zorlu doğa koşullarında üstün soğutma özelliğine ve yüksek enerji verimliliğine sahip bir ürün geliştirmesi amaçlanmıştır. Bu tasarımla, mevcut olarak kullanılan ve pazarda olan, cıva içermemesi ile doğa dostu, enerji tasarrufu ve uzun ömrü ile de dünyamız için faydalı LED aydınlatma ünitesi kullanan sokak armatürlerinin tasarımına ve imalat yöntemlerine yenilikçi ve alternatif bir çözüm önerilmektedir.

Bu çalışma sayesinde de dünyadaki geleneksel tasarım ve imalat politikalarından farklı, yeni-likçi bir çözüm ortaya koyarak, sadece ülkemizde değil, dünyanın birçok gelişen ve çevreci politikaları destekleyen pazarlarında da söz sahibi olmak amaçlanmaktadır. Bu amaca yönelik olarak tasarımı gerçekleştirilmiş LED sokak aydınlatması armatürlerinin 200 mm, 250 mm, 350 mm ve 450 mm boyutlarındaki farklı versiyonları için farklı çevre koşullarında hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri gerçekleştirilerek LED ve sürücü kaynaklı ısı yayımlarının, armatür gövdesi üzerindeki etkileri incelenmiştir.

Geometri

Analizler; enleri 200 mm, 250 mm, 350 mm ve 450 mm olmak üzere 4 farklı boyuttaki armatürler için yapılmıştır. 200mm’lik armatüre ait katı model Şekil 1’de verilmiştir, diğer boyutlar da benzer şekilde ölçeklenmiş modellerdir.

Katı modelden analiz modeline geçerken, model üzerinde hava akışını ve ısı transferini etkilemeyecek ve nümerik çözümü kolaylaştıracak sadeleştirmeler yapılmıştır. Armatürlerin simetrik bir yapıya sahip olması nedeni ile analiz simetrik olarak gerçekleştirilmiş ve simetri ekseni XY düzleminde modelin hacimsel merkezi referans alınarak tanımlanmıştır.. Sadeleştirilmiş ve akış hacmi oluşturulmuş analiz modeli Şekil 2’ de görülmektedir. Modelde hem iç akış hacimleri hem de dış akış hacmi bulunmaktadır. Dış akış hacmi akış formunun gelişmesine imkân sağlayacak boyutta modellenmiştir.

Çözüm Ağı

Her bir analiz modeli için çözüm ağı Ansys Meshing programı kullanılarak oluşturulmuştur.

Öncelikle, akış alanındaki katı yüzeyler etrafında 8 tabaka sınır tabaka elemanları olacak şekilde tetrahedral çözüm ağı oluşturulmuştur. Dış hacimde armatüre yakın bölgeler de daha yoğun ağ yapısı kullanılmıştır. Daha sonra tetrahedral hücrelerden oluşturulmuş çözüm ağı, Ansys Fluent programı içerisinde polihedral hücre yapısına dönüştürülmüş ve bu sayede hücre kalitesi arttırılarak nümerik hatalar minimum seviyeye indirilmiş ve analiz süresi de azalan hücre sayısı sayesinde kısalmıştır. Polihedral hücrelerden oluşan çözüm ağı Şekil 3’de görülmektedir. Polihedral tabanlı prizmatik sınır tabaka hücreleri hariç geometrinin tamamı polihedral hücrelerden oluşmaktadır. Oluşturulan çözüm ağlarına ait yaklaşık hücre sayıları Tablo 1’de verilmiştir.

Yapılan analizlerde üç farklı sınır şartı bulunmasına karşın, 200 mm, 250 mm, 350 mm ve 450 mm genişliğindeki armatürler için birer adet çözüm ağı oluşturulmuş ve yapılan üç analiz bu çözüm ağları ile gerçekleştirilmiştir.

Çözüm Ağından Bağımsızlık Çalışması

Yapılan analizlerin çözüm ağından bağımsızlığı, oluşturulan iki farklı çözüm ağına ait sonuçların karşılaştırması ile yapılmıştır. Oluşturulan yüksek yoğunluklu çözüm ağında sınır tabaka sayısı arttırılmış, eleman boyutları küçültülmüştür. Çalışma 250mm boyuttaki model için gerçekleştirilmiştir. Coarse çözüm ağı için 23.5M tetrahedral (10M po-lihedral) eleman, Fine çözüm ağı için ise 38.3M tetrahedral (14.4M polihedral) eleman bulunmaktadır. Fine çözüm ağından armatür çevresindeki eleman boyutları %50 oranında küçültülmüştür. LED ortalama sıcaklıkları iki çözüm ağı içinde incelenmiş ve aralarındaki farkın %1’lik dilimde olduğu görülmüştür. Karşılaştırma sonuçları Tablo 2’de verilmiştir. Bu nedenle analiz süresini kısaltacak olan düşük eleman sayısına sahip çözüm ağı modelinin kullanılmasına karar verilmiştir.

Sayısal Model

Akış, zamandan bağımsız (sürekli hal) olarak, tek fazlı, sıkıştırılamaz ve laminer olarak modellenmiştir. Analiz, ısı transferi içerdiği için enerji denklemleri hesaplamalara dâhil edilmiştir. Doğru sonuçlar elde edilebilmesi için ışınım yoluyla ısı transferi yöntemlerinden Discrete Ordinates (DO) modeli kullanılmıştır. Ayrıca farklı boyutlardaki armatürlere ait bilgiler Tablo 3‘de görülmektedir.

Armatür gövdesi farklı özellikteki malzemeleri içermektedir. Bu malzemelere ait özellikler Tablo 4’de verilmiştir. Analizde akışkan olarak ‘hava’ kullanılmıştır.

Analizlerde giriş koşulları, çevre sıcaklıkları -40°C, +25°C ve +50°C ve her bir LED’in ürettiği ısı 2.25W ve sürücü yüzey sıcaklığı 200 mm armatür için 55°C, 250 mm ve 350 mm armatürler için 75°C olarak alınmıştır. Armatür etrafındaki hava başlangıçta durgun halde modellenmiştir. Havanın hareketi armatürden havaya aktarılan ısının etkisiyle yoğunluğun düşmesi sonucu gerçekleşmiştir. Bu etki ‘incom-pressible-ideal-gas’ modeli ile analize dahil edilmiştir. Model simetrik bir model olduğundan, çözüm simetrik olarak gerçekleştirilmiştir.

Akış düşük Reynolds sayılarında gerçekleştiği için Laminer akım modeli kullanılmıştır. Basınç düzeltme denklemi Body Force VVeighted ayrıklaştırma yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Hız ve basınç COU-PLED olarak ile ele alınmıştır. Momentum, enerji ve ışınım için denklemlerindeki türevler ikinci derece ayrıklaştırılmıştır. Enerji korunumu değerlerine
ait bağıl hatanın %1’in altında kalması ve her bir LED’in hacimsel ortalama sıcaklığındaki iterasyon başına değişimin izlenmesi ile analizlerin yakınsamış olduğuna karar verilmiştir.

Sonuçlar

Yapılan analizde ortam şartları -40°C, 25°C, 50°C olarak modellenmiştir. Analiz sürekli hale ulaşana kadar gerçekleştirilmiştir. 2.25W enerji üreteci olarak tanımlanan LED gövdesi, yüzeylerinden %1‘lik farkın altında enerjiyi diğer yüzeylere ve havaya iletmektedir. Sonuçlar armatür gövdesi üzerindeki sıcaklık dağılımını ve geometrinin belli noktalarından alınmış kesit görünüşleri içermektedir. Bu sonuçlar Şekiller 4-9’da görülmektedir. Paylaşılan sonuçlar 200mm boyundaki armatüre aittir. Diğer boyutlardaki armatürlere ait sonuçlar Tablo 5‘de özetlenmiştir.

200 mm boyutundaki armatür için yapılan analizde LED’lerin hacimsel olarak ortalama sıcaklığı bulunmuştur. Her bir analiz için LED’e ait hacimsel ortalama sıcaklıkları Tablo 5’de görülmektedir.

Değerlendirmeler

Proje kapsamında 3 farklı dış ortam koşulunda LED aydınlatma armatürüne ait ısıl analizler yapılmış ve detaylı sıcaklık dağılımları verilmiştir. 200mm boyutundaki armatür için yapılan analizler referans alınarak diğer analizlerin sonuçları, 200mm armatüre ait sonuçlar ile karşılaştırmıştır.

Armatür boyutu büyüdükçe dış ortamla olan ısı transferi yüzey alanı da büyümektedir. Armatürler arası ısı transfer yüzey alanı artış oram ile ısıl yük artış oranları arasında farklar bulunmaktadır. Ortalama hacimsel LED sıcaklıklarının artışı; iki artış oranı arasındaki fark ile açıklanabilir.

Gerçekleştiren ısıl analizlere göre; küçük boyutlardaki armatürlerin (200 mm ve 250 mm’lik modeller), gerekli soğutma performansını sağladığı ve yenilikçi ve rekabetçi bir ürün olarak üretime hazır olduğu görülmüştür. Daha büyük boyutlardaki armatürlerin ise yapılacak basit iyileştirme çalışmaları sonucunda daha verimli bir tasarıma rahatlıkla ulaşacağı görülmektedir.

Alper YILDIRIM, CFD Uygulama Mühendisi – FİGES A.Ş.
[email protected]

Nebi ELMAS, Ar-Ge Müdürü – GRUP İMAJ
[email protected]

Hüseyin REZAZAD, Elektronik Tasarım – GRUP İMAJ
[email protected]

Dr. Ertan KARAİSMAİL, Akışkanlar Mekaniği ve Termodinamik Yöneticisi – FİGES A.Ş.
[email protected]

Bu makale Grup İmaj Aydınlatma San. Tic. A.Ş.’nin izni ile yayınlanmıştır.