Теплоотвод.
Загадки для конструктора

«Летом жарко, а зимой холодно» — что это? Детская загадка или проблема для конструктора? Сегодня я хотел бы более детально остановиться на таком основном понятии, как «теплоотвод», которое, на мой взгляд, имеет ключевое значение для обеспечения надежности и продления срока службы светодиода, а значит, оно напрямую влияет на срок службы оборудования.

Одной из самых распространенных проблем является проектирование светильника таким образом, чтобы его конструкция отводила тепло от светодиода и чтобы он не перегревался. Рассмотрим конструкцию уличного светильника, так как в настоящее время вопрос модернизации освещения улиц и дорог стоит очень остро. Проводятся глобальные реконструкции дорожных покрытий, а также улучшается общая инфраструктура транспортных сетей, и светодиодные светильники играют существенную роль в решении этой непростой задачи.

Довольно часто уличные светодиодные светильники имеют плоский корпус с многочисленными ребрами охлаждения, расположенными в верхней части.  А у некоторых моделей эти ребра закрыты декоративным кожухом. Такая конструкция хорошо справляется с отводом тепла, но только вначале. Впоследствии пространство под декоративным кожухом забивается всевозможным мусором и пылью. Поэтому требуется регулярно обслуживать светильник, чтобы очистить его от загрязнения. Если же сор не удалять, то со временем теплоотводящая способность такой конструкции значительно снизится, светодиоды и источник питания могут перегреться и выйти из строя.

Рис. 1. Уличный светодиодный светильник Econex Road

У светодиодных светильников серии Econex Road (рис. 1) конструкция теплоотвода принципиально иная. Внешняя поверхность корпуса не имеет охлаждающих ребер и защитного декоративного кожуха. На первый взгляд, ее, казалось бы, недостаточно для эффективного охлаждения светильника. Однако в таких моделях применена технология герметизации светодиодных модулей силиконовым теплопроводным компаундом, а также установлены источники питания со степенью защиты IP67. Это позволило не герметизировать внутренние полости корпуса, а оставить их открытыми, чтобы обеспечить свободную циркуляцию конвективных потоков воздуха сквозь светильник. Таким образом, в охлаждении участвует как внешняя, так и внутренняя поверхность корпуса (рис. 2). Кроме того, достоинством такого решения является то, что источник питания, находящийся внутри устройства, охлаждается потоками воздуха с температурой окружающей среды.

Рис. 2. Тепловизионное обследование светильника Econex Road в американской лаборатории компании Cree

Еще одна проблема всех светодиодных светильников — образование сосулек в холодное время года.

Когда кто-то сообщает, что сумел исправить данный недостаток, в это трудно поверить, ведь законы физики не побороть. Сосулька возникает при строго определенных условиях: когда верхняя часть светильника имеет температуру выше 0 °С, а нижняя — ниже 0 °С. При этом сверху снег тает, а внизу — замерзает, образовывая сосульку. Данный процесс может осуществляться и при выключенном светильнике точно так же, как он происходит на карнизе любой крыши здания.

Солнце растапливает снег на крыше, а под карнизом тень и минусовая температура способствуют образованию сосульки. При работе светильника ночью возникновение таких условий зависит от температуры воздуха и мощности светильника. У моделей Econex Road 20 и Econex Road 40 температура корпуса примерно на 10 °С выше температуры окружающей среды. Следовательно, образование сосулек на них может происходить при –10 °С на улице. У более мощных светильников температура корпуса на 20 °С выше температуры окружающей среды. Таким образом, условия для возникновения сосулек будут создаваться при –20 °С на улице.

Учитывая изложенное, возникает вопрос: почему на традиционных светильниках не возникают сосульки? Причины тому две. Во-первых, традиционный светильник более горячий, чем светодиодный. Условия для возникновения сосулек бывают только при очень низких температурах. Во-вторых, верхняя часть традиционного светильника имеет гладкую сферическую форму. На ней снег просто не задерживается. А если нет снега на светильнике, то неоткуда взяться и сосульке.

Следует отметить, что единственное средство борьбы с нарастанием сосулек на светодиодном светильнике — это устранять скопление снега на его поверхности. Для этого поверхность должна быть гладкой, сферической и без ребер. Ее созданию разработчики и конструкторы светильников уличного освещения серии Econex Road также уделили особое внимание (рис. 3).

Рис. 3. Сечение профиля уличного светильника Econex Road

Безусловно, благодаря развитию современных технологий на сравнительно молодом рынке светотехники, ее производители предлагают новые перспективные решения и разработки. Это позволяет достигать высоких показателей энергоэффективности, надежности и долговечности оборудования, которые в значительной степени являются определяющими при выборе осветительных устройств. Использование же светодиодных светильников в суровых климатических условиях — это, конечно, не детская загадка, а интересная и сложная задача для любого конструкторского отдела.