• Истории успеха

Современные светильники с Simulation CFD Advanced

Оптимизация теплоотвода светодиодного светильника на основе 3D-модели

О проекте

С приходом светодиодов на рынке светотехники произошла своего рода революция, потребовавшая от производителей светотехнических приборов серьезных изменений в процессе разработки и производства новых изделий.

Компания «Световые Технологии» к таким изменениям была готова — были инвестированы значительные средства во внедрение новых технологических процессов и способов производства. Наиболее заметные шаги — это появление своего цеха алюминиевого литья под давлением, линии SMD-монтажа (поверхностного монтажа) и оборудование современного сборочного участка. Возможность использовать собственное алюминиевое литье была крайне необходима, т.к. светодиод является не только источником света, но и источником тепла. Разумеется, помимо новых производственных мощностей требовались и новые инженерные решения, не применявшиеся ранее.

Светодиодный светильник требует кропотливого анализа корпуса светильника. Дело в том, что эффективность светодиода, как и любого другого полупроводникового компонента, сильно зависит от так называемой температуры перехода (T junction): чем она выше, тем меньше световой поток светодиода. Соответственно, для того чтобы светильник обладал необходимыми светотехническими характеристиками и высокой эксплуатационной надежностью, в первую очередь нужно обеспечить его правильный тепловой режим. Кроме того, самым чувствительным к температуре компонентом светильника является вовсе не светодиод, а источник питания. Традиционная методика вычисления методом тепловых сопротивлений (аналогия, представляющая тепловую модель в виде примитивной электрической цепи), которой пользовались для расчета температурных режимов мощных диодов и транзисторов, оказалась совершенно непригодна для анализа больших массивов источников тепла. Производство бесчисленного множества опытных образцов и тестирование их в лаборатории, очевидно, отнимают значительные временные и финансовые ресурсы. К тому же, с учетом новизны технологии, вероятность неудачных экспериментов была очень высока. Требовался инструмент, который позволил бы сравнительно точно проанализировать тепловой режим светильника еще на этапе проектирования, тем самым избежать значительного количества итераций при прототипировании, а следовательно, и расходов на этапе R&D (исследований и разработок).

Разработчики МГК «Световые Технологии» начали поиски расчетной системы, которая была бы в состоянии проанализировать все нюансы модели и дать объективные результаты по температуре элементов конструкции. В результате выбор пал на тогда еще малоизвестную программу CFDesign (ныне Autodesk Simulation CFD Advanced). Наряду с привлекательной ценой она обладала главным достоинством — дружественным интерфейсом, что также немаловажно при учете временных затрат на разработку. Антон Булдыгин, заместитель технического директора МГК «Световые технологии», называет это «разработчик-friendly»: «Вам не нужно думать о том, какие уравнения приложить к какой-либо поверхности. Вам не нужно точно описывать краевые эффекты и полную физическую модель изделия. Вам нужно только следовать ясно прописанному сценарию, знать, чего именно вы хотите, и получать результат».

Задача

Итак, первым объектом, в разработке которого был применен Autodesk Simulation CFD Advanced, стал Промышленный светодиодный светильник. При создании такого устройства инженеры сталкиваются с массой задач: это и повышенные температурные режимы эксплуатации, и сложные операционные условия, и высокий индекс Ingress Protection (IP — степень защиты оболочки светильника), составляющий в данном случае не менее 65.

Разрабатывая подобное изделие, необходимо решить разнонаправленную задачу: с одной стороны, повысить световой поток и надежность, а с другой — понизить энергопотребление и вес. Эти задачи предстояло решить с помощью Simulation CFD Advanced.

Решение

Обучение Simulation CFD Advanced не потребовалось, так как сотрудники ≪Световых Технологий≫ уже имели значительный опыт работы с CFDesign.

Был разработан основной концепт корпуса светильника, в который устанавливался светодиодный модуль и в специальный отсек — источник питания. Корпус по бокам обладал ребрами радиатора, создававшими сквозные продольные каналы. Предполагалось, что холодный воздух, проходя через эти каналы, будет нагреваться и вытягивать из них тепло. Источник питания закрывался герметичной крышкой в соответствии с требованиями индекса IP 65.

Первый же расчет модели показал ее несостоятельность. «С помощью инструмента CFD Planes мы увидели, что вокруг источника питания получались совершенно неприемлемые операционные условия: температура внутри светильника составила 77-78 °С, — говорит Антон Булдыгин. Чтобы убедиться, что это не локальный эффект, был применен другой инструмент анализа — т.н. изоповерхности (Iso Surfaces), которые очерчивают тепловой фронт внутри изделия уже в 3D-формате. Стало очевидно, что источник питания находится в тепловой подушке с температурой выше 76 °С, что не соответствовало его операционным условиям (–35/+70 ˚С)».

«Посмотрев простой, но очень удобный отчет, который называется Component Thermal Summary File, мы увидели, что лишь два светодиода в конструкции достигли температуры перехода 100 °С при Максимальной температуре окружающей среды 50 °С. Это значило, что наш корпус работал очень хорошо, т.к. обладал размерами всего 10х46 см, весом менее полутора килограммов, а рассеиваемая на нем тепловая мощность составляла 70 Вт. Именно этого результата мы хотели достичь». Теперь нужно было оптимизировать конструкцию, чтобы источник питания находился в комфортной для себя среде. В качестве решения было предложено поменять этот блок на IP-защищенный и поместить его не в специальный закрытый отсек, а в открытую нишу в поперечных ребрах корпуса. Новые расчеты показали, что температура воздушной подушки вокруг источника питания едва поднималась до 40 °С. Эти режимы были вполне приемлемы для источника питания. Но этим разработчики не ограничились. Они решили узнать, как поведет себя конструкция в лучах прямого солнечного света. Для этого был использован специальный инструмент Solar Heating. «Температура подушки подросла, но всего на 3-4 °С, — говорит Антон Булдыгин. — Это позволяет нам утверждать, что в условиях 50-градусной жары, при абсолютном штиле, под прямыми лучами солнца этот светильник может функционировать».

Результат

Прототип светильника был протестирован после двухчасовой работы в центральной заводской лаборатории «Световых технологий» тепловизором FLUKE Ti32. Разница между расчетными и реальными результатами в данном случае не превысила 4%. «Для нас это умопомрачительная точность, — говорит Антон Булдыгин. — Такой точности более чем достаточно для того, чтобы создать действительно хороший и выдающийся по своим характеристикам световой прибор. Удалось получить достаточно большой световой поток, приемлемую мощность и очень маленький вес — менее 2 кг. Подобный тепловойирежим позволяет нам говорить, что светильник совершенно точно отслужит 35 тысяч часов, т.е. не менее 4 лет, в достаточно сложных условиях». Но результатом этой работы стал не только новый светильник «Световых Технологий» HB LED. «Как руководитель дизайн-бюро, — продолжает Антон Булдыгин, — я должен точно оценивать все затраты, которые компания несет при разработке новых изделий. Расходы на прототипирование одного неудачного образца светильника — это приблизительно 200 тыс. рублей. Эти затраты, конечно, незаметны в бюджете большой компании, но 30 рабочих дней, в течение которых специалисты различных отделов заняты разработкой, производством прототипа, заказами необходимых компонентов и т.д., уже очень ощутимы». Применение Simulation CFD Advance в данном случае позволило сократить эти расходы до 10 дней и приблизительно до 60 тыс. рублей на оплату рабочего времени специалистов, т.е. расходы сократились более чем в три раза. «Мы получаем такую экономию при разработке простого изделия, какова же она будет на более сложных и наукоемких производствах?», — говорит Антон Булдыгин.