Giới thiệu công ty
DSM – Bright Science. Brighter Living. ™ Royal DSM là một công ty dựa trên khoa học toàn cầu hoạt động trong lĩnh vực sức khỏe, dinh dưỡng và vật liệu. Bằng cách kết nối năng lực độc đáo trong Khoa học Đời sống và Khoa học Vật liệu, DSM đang thúc đẩy sự thịnh vượng kinh tế, tiến bộ môi trường và tiến bộ xã hội để tạo ra giá trị bền vững cho tất cả các bên liên quan. DSM cung cấp các giải pháp sáng tạo giúp nuôi dưỡng, bảo vệ và cải thiện hiệu suất trên thị trường toàn cầu như thực phẩm và thực phẩm chức năng, chăm sóc cá nhân, thức ăn chăn nuôi, dược phẩm, thiết bị y tế, ô tô, sơn, điện và điện tử, bảo vệ sự sống, năng lượng thay thế và vật liệu dựa trên sinh học. Hiện này, 23.500 nhân viên của DSM mang lại doanh thu ròng hàng năm khoảng 9 tỷ Euro. Công ty được niêm yết trên NYSE Euronext. Để có thêm những thông tin khác về công ty, vui lòng truy cập www.dsm.com.
Thách thức
DSM Engineering Plastics là nhà cung cấp toàn cầu về nhựa hiệu suất cao được sử dụng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Một trong những ứng dụng đó là tản nhiệt được sử dụng trong các ứng dụng chiếu sáng LED với chức năng chính là tản nhiệt do đèn LED tỏa ra môi trường. Các thế hệ đầu tiên của ứng dụng chiếu sáng LED sử dụng tấm tản nhiệt làm bằng nhôm. Là một chất dẫn nhiệt rất tốt, tuy nhiên, nhôm cũng có những hạn chế đối với loại ứng dụng này. Những hạn chế chính của nhôm là chi phí liên quan đến nhu cầu gia công các bộ phận đúc khuôn, tự do thiết kế hạn chế, khả năng tái chế và trọng lượng. DSM Engineering Plastics cung cấp một loại polymer dẫn nhiệt cao có thể khắc phục những vấn đề này mà tản nhiệt nhôm cho thấy. Kết hợp chuyên môn về vật liệu với tư cách là nhà cung cấp vật liệu với khả năng thiết kế CAE, DSM có thể cung cấp giải pháp dựa trên nhựa cho các tản nhiệt cần thiết trong ngành chiếu sáng. Để hỗ trợ khách hàng trong việc phát triển sản phẩm, bộ phận thiết kế của DSM sử dụng các công cụ CAE hiện đại do các nhà cung cấp phần mềm toàn cầu cung cấp. Để tìm ra thiết kế tối ưu của tản nhiệt làm bằng vật liệu polymer và dự đoán hiệu suất nhiệt, DSM phải lập mô hình đối lưu tự nhiên và làm mát bức xạ vì đây là các cơ chế mà tản nhiệt LED tản nhiệt ra môi trường.
Giải pháp
Gần đây, DSM đã triển khai gói phần mềm AcuSolve, một sản phẩm của Hãng Altair Engineering trong quá trình phát triển của mình. AcuSolve là một phần mềm dựa trên CFD có khả năng mô hình hóa các vấn đề về nhiệt và dòng chảy. Hiện tại, DSM sử dụng khả năng của AcuSolve để lập mô hình đối lưu tự nhiên và làm mát bức xạ. Sự cần thiết phải làm mát đèn LED bắt nguồn từ yêu cầu rằng các linh kiện điện tử này phải duy trì nhiệt độ tối đa của chúng dưới một điểm nhất định để đạt được tuổi thọ do nhà sản xuất đèn LED quy định. Để đánh giá khả năng làm mát của tản nhiệt polymer, AcuSolve được sử dụng cùng với các công cụ CAE có giá trị khác (tức là phần mềm dựa trên CAD).
Trường hợp sử dụng - Mô hình hóa tản nhiệt của tản nhiệt LED
Để lập mô hình tản nhiệt từ phương tiện tản nhiệt ra môi trường, cần phải tính đến các cơ chế truyền nhiệt liên quan đến môi trường. Rõ ràng là xảy ra mất nhiệt do đối lưu. Tuy nhiên, lưu ý rằng trong nhiều vấn đề đối lưu tự nhiên, sự thất thoát nhiệt ra môi trường do bức xạ không phải là không đáng kể so với các bài toán đối lưu cưỡng bức. Trong bài toán được xem xét ở đây, tổn thất nhiệt do bức xạ xấp xỉ 1/3 tổng tổn thất nhiệt ra môi trường. Để mô hình hóa sự mất nhiệt của tản nhiệt ra môi trường một cách chính xác, cần phải đưa cả đối lưu tự nhiên và bức xạ vào trong phân tích. Để mô hình hóa sự mất nhiệt do đối lưu tự nhiên, một công cụ được yêu cầu phải kết hợp sự mất nhiệt đối với luồng không khí xung quanh tản nhiệt, do sự khác biệt về mật độ của không khí ở gần bề mặt tản nhiệt mà rõ ràng là có nhiệt độ cao hơn không khí . Ngoài ra, cần tính đến sự ngưng trệ của luồng không khí do ảnh hưởng của lớp ranh giới, đặc biệt khi bộ tản nhiệt được thiết kế với khoảng cách giữa các vây quá nhỏ. AcuSolve bao gồm khả năng mô hình hóa các hiệu ứng lớp ranh giới này theo ba chiều và nó có thể ngăn người thiết kế mắc lỗi liên quan đến việc đưa các vây cách nhau quá gần nhau.
Một vấn đề khác trong phân tích làm mát của tản nhiệt liên quan đến mô hình hóa sự mất nhiệt bức xạ. Một thiết kế vây nhất định có thể liên quan đến bức xạ giữa hai vây lân cận thay vì bức xạ từ vây ra môi trường. Trong trường hợp đầu tiên, tổn thất nhiệt ròng do bức xạ ra môi trường sẽ được hạn chế, điều không mong muốn trong các ứng dụng làm mát. Rõ ràng, trường hợp thứ hai là trường hợp được ưu tiên hơn vì mục đích là tối đa hóa sự mất nhiệt (do bức xạ) ra môi trường xung quanh. Để xử lý vấn đề này, cần tính toán các yếu tố xem các bộ phận khác nhau của tản nhiệt. AcuSolve có tính đến các yếu tố chế độ xem bằng cách sử dụng thuật toán hình khối. Một ưu điểm của việc sử dụng phương pháp tiếp cận hệ số quan sát này là tốc độ tính toán bức xạ không tăng mạnh so với các trường hợp không bức xạ. Bằng cách này, người ta có thể tối ưu hóa thiết kế tản nhiệt và tối đa hóa sự thất thoát nhiệt bức xạ ra môi trường. AcuSolve có thể giải quyết tất cả các hiện tượng truyền nhiệt (dẫn, đối lưu và bức xạ) gặp phải trong hệ thống này.
Mô hình tản nhiệt AcuSolve với PCB và ba đèn LED
Để kiểm tra khả năng của AcuSolve trong việc tạo mô hình tản nhiệt ra môi trường thông qua đối lưu và bức xạ tự nhiên, một bộ tản nhiệt đã được thiết kế và sản xuất. Bộ tản nhiệt bằng nhựa được thể hiện trong hình 1. Trên đế của bộ tản nhiệt có một PCB (màu xanh lá cây) chứa ba đèn LED (màu đỏ). Mỗi đèn LED hoạt động như một nguồn nhiệt và tạo ra nhiệt lượng 1,4 W. Giữa PCB và tản nhiệt được đặt một lớp mỏng có tính dẫn nhiệt của mỡ tản nhiệt để mô hình hóa điện trở tiếp xúc nhiệt tồn tại giữa PCB và tản nhiệt. Xung quanh tản nhiệt có một lượng không khí (màu xanh nhạt) được mô hình hóa với kích thước khoảng 8D và 8H, với D = đường kính tản nhiệt = 46 mm và H = chiều cao tản nhiệt = 39 mm. Trong mô hình, nhiệt độ môi trường giả định là 25 ° C. Đầu vào nhiệt được mô hình hóa như một nguồn nhiệt thể tích được áp dụng cho mỗi khối lượng đại diện cho đèn LED.
Dự đoán sự phân bố nhiệt độ
Sự phân bố nhiệt độ ở trạng thái ổn định được tính toán ở các điều kiện này. Phân tích bao gồm sự kết hợp của luồng nhiệt với luồng không khí xung quanh tản nhiệt để thu được các hiệu ứng đối lưu tự nhiên. Ngoài ra, các yếu tố chế độ xem cũng được tính toán với AcuSolve và được tính đến khi chúng cần thiết để tạo mô hình chính xác về sự mất nhiệt bức xạ. Nhiệt độ ở trạng thái ổn định được thể hiện trong Hình 2. Nhiệt độ cục bộ cũng như một số vị trí đặc trưng được liệt kê cùng với các giá trị quan sát thực nghiệm. Thiết lập thí nghiệm được sử dụng để đo sự phân bố nhiệt độ được thể hiện trong hình 3 cùng với các vị trí gắn các cặp nhiệt điện khác nhau. Cũng được hiển thị là sự thay đổi nhiệt độ quan sát được theo thời gian. Sau khoảng 1 giờ, sự phân bố nhiệt độ ở trạng thái ổn định đã đạt được. Nhiệt độ môi trường trong quá trình thí nghiệm là 25 ° C.
Lợi ích và kết luận
“Nhờ AcuSolve, chúng tôi có thể dự đoán chính xác hiệu suất nhiệt của tản nhiệt trong các ứng dụng chiếu sáng LED. Chúng tôi rất hài lòng với kết quả nhận được và có thể - nhờ những kết quả tốt mà phân tích cho thấy tính khả thi của phương pháp thử nghiệm thực sang phát triển ảo, giúp tạo ít nguyên mẫu hơn, chu kỳ phát triển sản phẩm ngắn hơn và giảm chi phí phát triển. Theo cách này, chúng tôi đang giúp khách hàng sử dụng tốt hơn các dịch vụ vật liệu của chúng tôi trong lĩnh vực nhựa hiệu suất cao ”Adnan Hasanovic, Nhà khoa học nghiên cứu / Kỹ sư thiết kế tại DSM Ahead BV AcuSolve cho biết, đây là một công cụ có giá trị trong việc dự đoán hiệu suất nhiệt của tản nhiệt được sử dụng trong các ứng dụng chiếu sáng LED. Không chỉ dự đoán định tính về kết quả, giá trị tuyệt đối của nhiệt độ ở các vị trí khác nhau cũng được dự đoán khá chính xác. Bằng cách này, có thể thiết kế và tối ưu hóa hình học tản nhiệt cho một ứng dụng nhất định với độ chính xác cao. Bộ tiền xử lý AcuConsole của AcuSolve cho phép sử dụng các mẫu theo cách tạo lưới cho các trường hợp mới nhanh chóng và dễ dàng. Tại DSM, một phân tích tương tự cũng được thực hiện đối với một số dạng hình học tản nhiệt khác và kết quả dự đoán được so sánh với các thí nghiệm. Một mối tương quan tốt với kết quả đo được đã được tìm thấy trong tất cả các trường hợp này. Với phương pháp này, trọng tâm phát triển có thể được chuyển sang tạo mẫu ảo, dẫn đến quy trình phát triển hợp lý hơn nhiều trong việc phải tạo ít nguyên mẫu vật lý hơn, giảm chi phí phát triển và cuối cùng là giúp cho khách hàng sử dụng nhựa hiệu suất cao của DSM tốt hơn.
“Chúng tôi rất hài lòng với kết quả nhận được và có thể - nhờ kết quả tốt mà phân tích cho thấy tính khả thi của phương pháp thử nghiệm thực sang phát triển ảo, giúp tạo ít nguyên mẫu hơn, chu kỳ phát triển sản phẩm ngắn hơn và giảm chi phí phát triển.
