Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою
High-power lighting devices based on LED sources are the most effective solution for the lighting at emergency rescue operations in emergency zones. At the same time the challenges with thermal management of chip on board (COB) LED elements becomes more significant, since increasing electric power l...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.51 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1867569662860984320 |
|---|---|
| author | Kozak, Dmytro Nikolaenko, Yurii Khairnasov, Sergii Меlnyk, Roman Pekur, Demyd |
| author_facet | Kozak, Dmytro Nikolaenko, Yurii Khairnasov, Sergii Меlnyk, Roman Pekur, Demyd |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Dmytro Kozak",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Yurii Nikolaenko",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Sergii Khairnasov",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Roman Меlnyk",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Demyd Pekur",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Kozak, Dmytro |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-09T12:17:43Z |
| description | High-power lighting devices based on LED sources are the most effective solution for the lighting at emergency rescue operations in emergency zones. At the same time the challenges with thermal management of chip on board (COB) LED elements becomes more significant, since increasing electric power leads to an increase in heat flux and LED die temperature which negatively affects their reliability and light characteristics. One of the ways to solve this problem is to use highly efficient two-phase heat transfer devices for the cooling systems, such as gravity-assisted heat pipes built into the base of several aluminum heatsinks. The authors carried out an experimental study of the temperature regimes of the aluminum heatsink at natural convection, taking into account the following factors: thermal power, environment orientation, and different locations of the heat source relative to the height of the heatsink. The results of experimental studies of the heatsink temperature parameters were used to verify the computer model. This enables the computer model to be used for thermal simulations and the optimisation of heat sink designs under free convection, taking into account radiation heat transfer over a wide temperature range and with different heatsink locations. The comparison of experimental data with simulation results confirmed that the computer model is adequate and can be used to design cooling systems based on gravity-assisted heat pipes for lighting devices. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2025.1-2.51 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 51ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
1
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
УДК 536.248.2
Дмитро КОЗАК1, Юрій НІКОЛАЄНКО1, Сергій ХАЙРНАСОВ1,
Роман МЕЛЬНИК1, Демид ПЕКУР2
Україна, м. Київ, 1КПІ імені Ігоря Сікорського;
2Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України
E-mail: dk.kpi.hp@gmail.com; yunikola@ukr.net
ТЕМПЕРАТУРНІ РЕЖИМИ РАДІАТОРА ДЛЯ СИСТЕМИ
ОХОЛОДЖЕННЯ ПОТУЖНОГО СВІТЛОДІОДНОГО
ОСВІТЛЮВАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ
Для проведення аварійно-рятувальних робіт в зо-
нах надзвичайних ситуацій в темний час доби вико-
ристовуються потужні освітлювальні пристрої, най-
більш ефективні з яких виконані на основі світлоді-
одних джерел. Закордонні якісні світлодіодні освіт-
лювальні пристрої мають високу вартість, а деше-
ві — низьку надійність. Тому більш раціональним
є використання якісних освітлювальних пристроїв,
розроблених в Україні.
Існує низка вітчизняних світлодіодних освітлю-
вальних пристроїв, призначених для викори стання
під час виконання аварійно-рятуваль них робіт. Це,
наприклад, побудований на основі 30 світлодіодів
прожектор ДО-175-223-АТ [1] із загальною елек-
тричною потужні стю 175 Вт та світловим потоком
21 525 лм. Його перевагами є пасивна система охоло-
дження, яка забезпечує безшумну роботу, та можли-
вість автономної роботи від джерела живлення з по-
стійною напругою 12 В, недоліками — мала потуж-
ність та низький світловий потік, що обмежує його
викори стання. Більш потужний вітчизняний світлоді-
одний стаціонарний прожектор ПСМЧ-250W [2] по-
будовано на основі чотирьох світлодіодних матриць
із загальною електричною потужністю 250 Вт та світ-
ловим потоком не менше 41250 лм. Тепловий режим
світлодіодних матриць забезпечується активним по-
вітряним охолодженням за допомогою вбудованого
вентилятора, що створює певний додатковий рівень
акустичного шуму та зменшує надійність.
Сучасні світлодіодні матриці провідних вироб-
ників світу: Citizen (Японія), Cree (США), Samsung
Проведено експериментальне дослідження температурних режимів радіатора, виготовленого з серійного алюмі-
нієвого (АД31Т5) радіаторного профілю в умовах природної конвекції повітря в широких діапазонах зміни факторів
впливу: теплової потужності, орієнтації в просторі, різного розташування нагрівача відносно висоти радіатора.
Отримані результати використано для верифікації розробленої комп’ютерної моделі нової конструкції системи охо-
лодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою на основі кількох таких радіаторів, з’єднаних між
собою гравітаційними тепловими трубами. Експериментальні випробування підтвердили адекватність розробленої
моделі та можливість застосування її при проєктуванні системи охолодження освітлювального пристрою.
Ключові слова: світлодіодний освітлювальний пристрій, система охолодження, природна конвекція, радіатор, те-
плообмін, температурний режим, експеримент, комп’ютерне моделювання.
(Південна Корея) вже сьогодні мають електричну
потужність 200 – 500 Вт, що дозволяє побудувати на
їх основі нові, більш потужні, надійні освітлюваль-
ні пристрої. Разом з тим, гострою тут стає проблема
забезпечення нормального теплового режиму світ-
лодіодних матриць, оскільки при збільшенні елек-
тричної потужності збільшується кількість виділе-
ної теплоти та температура матриць, що негативно
впливає на їхню надійність та світлові характеристи-
ки. Одним зі шляхів розв’язання цієї проблеми є ви-
користання в системі охолодження освітлювального
пристрою високоефективних двофазних теплопере-
давальних елементів (термосифонів, теплових труб,
парових камер тощо) [3]. Авторами [4, 5] запропоно-
вано конструкцію потужного світлодіодного освіт-
лювального пристрою, в системі охолодження яко-
го для відведення теплоти від світлодіодних матриць
до кількох бічних ребристих алюмінієвих радіаторів
використовуються гравітаційні теплові труби, вбудо-
вані в основу радіаторів. Теплота від теплообмінної
поверхні радіаторів розсіюється в навколишнє пові-
тря природною конвекцією, що забезпечує тривалу
безшумну автономну роботу освітлювального при-
строю. Перевагою запропонованої конструкції є її
простота та технологічність виготовлення в умовах
дослідного виробництва.
Враховуючи складність одночасного забезпечен-
ня теплових вимог та вимог до компактності системи
охолодження з мінімальною масою на основі ребрис-
тих радіаторів, актуальним є проведення поперед ніх
робіт з оптимізації її конструкції з використанням
комп’ютерного моделювання. А це своєю чергою
вимагає наявності верифікованих комп’ютерних мо-
делей, здатних забезпечувати швидкі теплові розра-
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.51
__________
Роботу виконано за підтримки Національного фонду
досліджень України (проєкт № 2023.04/0055)
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 252 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
2
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
хунки з мінімальною похибкою. Для верифікації цих
моделей необхідно мати експериментальні дані щодо
температурних режимів радіатора в широкому діапа-
зоні зміни факторів впливу.
Метою цієї роботи є експериментальне дослі-
дження температурних режимів радіатора, виготов-
леного з серійного алюмінієвого радіаторного про-
філю, в умовах природної конвекції повітря в широ-
кому діа пазоні зміни теплової потужності та за різ-
ної орієнтації його у просторі, а також різного розта-
шування нагрівача по висоті радіатора, які необхід-
ні для створення та верифікації комп’ютерної моде-
лі радіатора системи охолодження потужного світло-
діодного освітлювального пристрою.
Експериментальний стенд
Для проведення експериментальних досліджень
було створено спеціальний експериментальний стенд,
загальний вигляд якого представлено на рис. 1.
Базовою основою стенда є камера 1 природної
конвекції, в робочому просторі якої встановлено ро-
бочу ділянку 2. Розмір робочого простору камери
1200×760×400 мм. Для організації вільного протікан-
ня повітря та запобігання впливу протягів чи інших
чинників верхня кришка та дно камери виконані пер-
форованими, в той час як бокові стінки — суцільни-
ми (на рис. 1 камера показана зі знятою перед ньою
стінкою). Ззовні камери розташовано блоки живлен-
ня та вимірювальне обладнання, під’єднане до персо-
нального комп’ютера (на рис. 1 не показаний). Блоки
живлення дозволяли подавати на нагрівач робочої ді-
лянки електричну потужність до 200 Вт.
Зовнішній вигляд робочої ділянки показано на
рис. 2. Її основою є радіатор, виконаний з серійного
радіаторного профілю. Матеріал — АД31Т5. Маса
радіатора — 1,9586 кг.
Геометричні параметри радіатора:
Ширина 188 мм
Висота 38 мм
Довжина 300 мм
Товщина основи 5 мм
Висота ребер 33 мм
Кількість ребер 16 шт.
Крок ребер 12 мм
Товщини ребра біля основи 3,4 мм
Товщини ребра біля вершини 2,1 мм
Товщини двох крайніх ребер 5,0 мм
Кількість міжреберних каналів 15 шт.
Площа теплообмінної оребреної
поверхні 0,3468 м2
Крім радіатора, робоча ділянка містить електрич-
ний нагрівач, що складається з двох однакових час-
тин з загальною максимальною електричною потуж-
ністю 200 Вт, та засоби теплоізоляції. Електричний
нагрівач виконує роль теплового імітатора світлоді-
одних матриць освітлювального пристрою. В зоні
контакту між нагрівачем та основою радіатора вико-
ристовували теплопровідну пасту з теплопровідніс-
тю 4,8 Вт/ (мꞏК) з товщиною шару не більше 0,5 мм.
Для зведення теплових втрат до мінімуму основу та
поверхню нагрівача вкривали шаром базальтового
матеріалу товщиною 10 мм, а область нагрівача до-
датково була закрита посудиною-термосом з вакуу-
мованими стінками.
Для вимірювання температурного поля радіа-
тора на ньому було встановлено 52 датчики —
мідь-константанові термопари з розміром спаїв
0,4 – 0,5 мм (рис. 3). Термопари під’єднували
до аналогово-цифрових перетворювачів типу
Рис. 1. Загальний вигляд експериментального стенда:
1 — камера природної конвекції; 2 — робоча ділянка; 3 — блок
живлення GW Instek PSB-1800M; 4 — блок постійного стру-
му Manson NSP-3630; 5 — система вимірювання температу-
ри; 6 — кронштейн з термопарами для вимірювання темпе-
ратури повітря в робочому просторі камери
5
2 6
1
4
3
Рис. 2. Робоча ділянка з цен-
тральним розташуванням на-
грівача на основі радіатора:
а — вид з боку основи та з боку
ребер відповідно; б — вид з
боку основи з встановленою
теплоізоляцією
1 — радіатор; 2 — нагрівач;
3 — датчики температури; 4 —
шар базальтової теплоізоляції;
5 — посудина-термос з вакуу-
мованими стінками
1
2
3
а)
б)
4
5
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 53ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
3
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
ICP Con I-7018, що термостабілізувалися за допо-
могою вентиляторів. Їх живлення здійснювалось
від блока постійного струму Manson NSP-3630.
Перетворювач інтерфейсів типу І-7520 системи
модулів збору даних з’єднувався з комп’ютером за
допомогою інтерфейсу RS232/USB.
Методика експериментальних досліджень
Для проведення експериментів робочу ділянку
розміщували в камері з природною конвекцією, а ра-
діатор закріплювали за допомогою двох теплоізоля-
ційних втулок в бічних вертикальних кронштейнах
камери, які дозволяли встановлювати радіатор під
певним заданим кутом нахилу.
Вплив теплової потужності на температуру в зоні
нагріву радіатора ТЗН та на зовнішній коефіцієнт те-
плообміну αпр в умовах природної конвекції вивча-
ли при вертикальній орієнтації радіатора й при цен-
тральному розташуванні нагрівача на радіаторі (див.
рис. 2, а). Електричну потужність нагрівача змінюва-
ли в діапазоні від 50 до 150 Вт з кроком 50 Вт. При
цьому густина теплового потоку в зоні нагріву ра-
діатора змінювалась від 0,5 до 1,5 Вт/см2 з кроком
0,5 Вт/см2.
Для визначення впливу кута нахилу радіатора на
його температурні характеристики проводили се-
рію експериментів для різних положень радіатора.
Спочатку радіатор встановлювали у вертикальне по-
ложення (кут нахилу φ = 90°, рис. 4, а). На нагрівач
подавали певне, наперед визначене, значення тепло-
вої потужності, яке становило 50 Вт. Після встанов-
лення стаціонарного теплового режиму радіатора за-
писували значення температур в контрольних точках.
Режим вважався стаціонарним, коли зміна темпера-
тури в місцях встановлення термопар не перевищу-
вала 0,5°C за 10 хв. Під час проведення експеримен-
тів середня температура повітря в камері становила
23 ± 0,5 °С. Температура в кон трольних точках вимі-
рювалася в реальному часі та відображалася на пер-
сональному комп’ютері за допомогою програмно-
го забезпечення EZ Data Logger. Далі встановлюва-
ли нове значення електричної потужності нагрівача
100 Вт, і цикл вимірювань температурного поля ра-
діатора повторювали.
Після завершення першої серії експериментів та
охолодження радіатора до температури навколиш-
нього повітря проводили ще чотири аналогічні серії
експериментів при різних кутах нахилу радіатора до
горизонту (див. рис. 4, б – д), який контролювали за
допомогою електронного кутоміра.
Для оцінки впливу розташування нагрівача на
температурні характери стики радіатора аналогічні
експериментальні дослідження повторювали для його
положення зверху та знизу основи (рис. 5).
За отриманими даними будували графічні за-
лежності температури в зоні нагріву ТЗН та коефі-
Рис. 4. Орієнтація радіатора при різних кутах нахилу
до горизонту
а) б)
в)
г) д)
φ = 90° φ = 45°
φ = 0°
φ = 135° φ = 180°
Рис. 5. Розташування нагрівача зверху (а) та знизу (б)
радіатора
а) б)
Рис. 3. Схема розташування термопар з боку ребер та
з боку основи
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 254 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
4
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
цієнту теплообміну αпр від досліджених факторів
в умовах природної конвекції з поверхні радіатора.
Температуру в зоні нагріву визначали як середнє зна-
чення температур в дев’яти контрольних точках на
основі радіатора безпосередньо під нагрівачем. При
розрахунках коефіцієнта теплообміну з поверхні ра-
діатора тепловою потужністю вважали сумарне зна-
чення електричної потужності Р нагрівача.
Результати експериментальних досліджень
Вплив потужності нагрівача Р на температуру в
зоні нагріву радіатора та на зовнішній коефіцієнт те-
плообміну продемонстровано на рис. 6. Як видно з
рис. 6, а, зі збільшенням Р від 50 до 150 Вт темпера-
тура ТЗН збільшується від 60 до 108 °С. Темп цього
збільшення поступово сповільнюється в міру підви-
щення потужності. Значення температури в зоні на-
гріву, прий нятне для надійної роботи світлодіодних
матриць, становить 80 – 83°С, що досягається в цьо-
му випадку за електричної потужності 90 – 100 Вт.
Характер залежності коефіцієнта теплообміну αпр
від електричної потужності нагрівача (рис. 6, б) ана-
логічний залежності від неї температури. Збільшення
коефіцієнта теплообміну від 4,1 до 5,2 Вт/(м2ꞏ°С) обу-
мовлено зміною теплофізичних властивостей пові-
тря в міжреберних каналах при підвищенні темпе-
ратури радіатора.
Вплив кута нахилу радіатора на температуру в
зоні нагріву та на зовнішній коефіцієнт теплообмі-
ну при двох значеннях потужності можна побачити
на рис. 7. Як видно, найнижча температура ТЗН та
найвище значення αпр спостерігаються, як і очікува-
лось, при вертикальній орієнтації радіатора (φ = 90°,
рис. 4, а). Найвища ж температура ТЗН та найниж-
че значення αпр спостерігаються при горизонталь-
ній орієнтації радіатора з розташуванням ребер до-
низу (φ = 180°, рис. 4, д), що обумовлено найгірши-
ми умовами для виходу нагрітого повітря з міжребер-
них каналів і доступу туди охолоджувального пові-
тря. Величини цих параметрів при трьох інших ку-
тах нахилу (0°, 45°, 135°) відрізняються між собою
несуттєво і лежать між відповідними значеннями при
φ = 90° та φ = 180°.
При цьому з рис. 7, а можна побачити, що зі збіль-
шенням потужності нагрівача сильніше проявляєть-
ся вплив орієнтації радіатора на його температуру в
зоні нагріву. Якщо при вертикальному положенні ра-
діатора (φ = 90°) при збільшенні потужності з 50 до
100 Вт вона зростає на 27,3% (з 55 до 70 °С), то при
горизонтальному положенні з орієнтацією ребер до-
низу (φ = 180°, рис. 4, д) це зростання складає вже
50,7% (з 73 до 110 °С). У таких випадках для покра-
щення відведення нагрітого повітря іноді підрізають
ребра таких радіа торів або використовують штирьові
чи радіатори з конусною поверхнею основи. Можна
також застосовувати конструкції, в яких орієнтація
радіатора має незначне відхилення від горизонталь-
ної, що покращує відведення повітря з міжреберно-
го простору.
Щодо впливу потужності нагрівача на характер
залежності коефіцієнта теплообміну αпр від орієнта-
ції радіатора. Як видно з рис. 7, б, цей вплив є, але
він не такий суттєвий, як у випадку ТЗН: збільшення
потужності з 50 до 100 Вт при вертикальному поло-
Рис. 6. Залежність температури ТЗН в зоні нагріву радіато-
ра (а) та коефіцієнта теплообміну αпр (б) від потужно сті
нагрівача Р
ТЗН, °С
100
90
80
70
60
50 75 100 125 150 P, Вт
αпр,
Вт/(м2К)
4,8
4,4
4,0
50 75 100 125 150 P, Вт
а)
б)
Рис. 7. Залежність температури ТЗН в зоні нагріву радіато-
ра (а) та коефіцієнта теплообміну αпр (б) від кута нахилу
радіатора при значеннях потужності 50 та 100 Вт
ТЗН, °С
110
100
90
80
70
60
50
0 30 60 90 120 150 180
φ, °
αпр,
Вт/(м2К)
4
3
2
а)
б)
0 30 60 90 120 150 180
φ, °
100 Вт
100 Вт
50 Вт
50 Вт
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 55ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
5
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
женні радіатора призводить до збільшення αпр на 20%
(від 4,0 до 4,8 Вт/(м2ꞏ°С)), а при φ = 180° — на 17,2%
(від 2,9 до 3,4 Вт/(м2ꞏ°С)).
Вплив розташування нагрівача на радіаторі
на температуру в зоні нагріву показано на рис. 8.
Найнижче значення ТЗН досягається при вертикаль-
ній орієнтації радіатора з розташуванням нагрівача
в його центральній зоні: 56°С при 50 Вт та 69°С при
100 Вт. Переміщення нагрівача у нижню зону раді-
атора призвело до підвищення ТЗН на 2°С та 4°С,
а переміщення у верхню — лише на 0,6°С та 2°С
відповідно. З одного боку, розташування нагрівача
зверху підвищує ефективність теплообміну завдя-
ки інтенсивнішому нагріву його верхньої частини,
а значить і більшої її температури порівняно з ниж-
ньою частиною, що своєю чергою призводить до
інтенсифікації природної конвекції. З іншого боку,
треба забезпечувати оптимальне розташування на-
грівача на радіаторі з урахуванням співвідношення
їхніх розмірів. Це обумовлено необхідністю більш
рівномірного прогріву всіх ребер радіатора, що ха-
рактеризується ефективнішим використанням всієї
поверхні радіатора.
Крім того, тут привертає увагу відмінність впливу
положення нагрівача при розташуванні радіатора під
кутом 180° від інших орієнтацій. У цьому випадку
при розміщенні нагрівача у центрі радіатору досяга-
ється найбільша температура в зоні нагріву, на відмі-
ну від решти, де вони мінімальна. Вочевидь, це можна
пояснити тим, що в найгірших умовах конвекції при
φ = 180° (коли ребра радіатора направлені вниз, про
що писалося вище) ефективніше розташовувати на-
грівач на краю радіатора (зверху чи знизу). Тоді через
нерівномірне температурне поле радіатора нагрітий
повітряний потік може рухатись у межреберному про-
сторі в напрямку меншої температури. Коли ж нагрі-
вач розташовується у центрі, формуються фактично
рівнозначні температурні умови з двох боків, і потік
повітря блокується, що погіршує процес теплообміну
при природній конвекції.
Звідси очевидно, що інженерні задачі з конструю-
вання систем охолодження мають бути зосереджені
не лише на визначенні оптимальної конструкції са-
мого радіатора, а й місць розташування на його осно-
ві елементів, що виділяють тепло.
Порівняння результатів експериментальних
досліджень і комп’ютерного моделювання
Результати експериментальних досліджень тем-
пературних параметрів радіатора були використані
для верифікації комп’ютерної моделі, реалізованої в
пакеті прикладних програм FloTHERM. Вона дозво-
ляє проводити теплові розрахунки для умов природ-
ної конвекції повітря з урахуванням теплообміну ви-
промінюванням у широкому діапазоні температури
та при різному розташуванні радіатора.
Порівняння результатів розрахунку з експери-
ментальними даними проводилось за значеннями
температури в контрольних точках. Результати ве-
рифікації (див., наприклад, рис. 9) показали достат-
ній збіг розрахункових та експериментальних даних
при зміні температури на радіаторі у діапазоні від
50 до 100 °С: похибка не перевищувала 3% при роз-
ташуванні радіатора під кутами φ = 90° та φ = 45° та
до 5% при φ = 0°.
Рис. 9. Залежності температури радіатора в зоні нагріву
ТЗН від потужності нагрівача Р, отримані експерименталь-
но (1) та шляхом моделювання (2) при куті нахилу φ = 90°
25 50 75 100 125 150 Р, Вт
ТЗН, °С
110
100
90
80
70
60
50
1
2
Рис. 8. Залежність температури ТЗН в зоні нагріву радіа-
тора від кута нахилу радіатора при значеннях потужності
50 Вт (а) та 100 Вт (б) для трьох варіантів розташування
нагрівача по висоті радіатора:
ц — у центрі; н — у нижній частині; в — зверху
ТЗН, °С
75
70
65
60
55
50
0 30 60 90 120 150 180
φ, °
а)
Р = 50 Вт ц
н
в
б)
0 30 60 90 120 150 180
φ, °
ТЗН, °С
110
100
90
80
70
Р = 100 Вт
ц
н
в
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 256 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
6
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Dmytro KOZAK1, Yurii NIKOLAENKO1, Sergii KHAIRNASOV1,
Roman МЕLNYK1, Demyd PEKUR2
Ukraine, Kyiv, 1Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute,
2V. E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine
E-mail: dk.kpi.hp@gmail.com; yunikola@ukr.net
RADIATOR TEMPERATURE REGIMES FOR THE COOLING SYSTEM
OF A POWERFUL LED LIGHTING DEVICE
High-power lighting devices based on LED sources are the most effective solution for the lighting at emergency rescue operations in
emergency zones. At the same time the challenges with thermal management of COB LED elements becomes more significant, since
an increasing of electric power leads to increase heat flux and LED die temperature which negatively affects their reliability and light
characteristics. One of the ways to solve this problem is to use highly efficient two-phase heat transfer devices for the cooling systems
— gravity-assisted heat pipes, built into the base of several aluminum heatsinks. The authors carried-out an experimental study of
the temperature regimes of the aliminuim heatsink at air natural convection taking into account the following factors: thermal power,
environment orientation, different locations of the heat source relative to the height of the heatsink. The results of experimental studies
of the heatsink temperature parameters were used to verify the computer model. It allows to use the developed computer model for
thermal simulation and heat sink design optimization at air convection conditions taking into account radiation heat transfer in a
wide temperature range and with different heatsink locations. The comparison of experimental data with simulation results confirmed
the adequacy of the computer model and the possibility of its application for the design of a cooling system based on gravity-assisted
heat pipes of the lighting device.
Keywords: LED lighting device, cooling system, natural convection, radiator, heat transfer, temperature regime, experiment, computer
modeling.
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.51
UDC 536.248.2
REFERENCES
1. LED Spotlight DO-175-223-АТ. https://surl.li/dfszzm
2. Mobile LED spotlight ПСМП-250W. https://svetiled.com.
ua/p/1650638636-prozhektor-svetodiodnyy-mobilniy-psmp-250w/
3. Li Z., Tan J., Li J.et al. A review on thermal management of
light- emitting diodes: From package-level to system-level. Appl. Therm.
Eng., 2024, vol. 257, art. 124145. https://doi.org/10.1016/j.appltherma-
leng.2024.124145
Висновки
Таким чином, за результатами проведених дослі-
джень можна зробити такі вис новки.
1. Кут нахилу радіатора суттєво впливає на про-
цеси теплообміну в умовах природної конвекції та
відображає фізичні особливості тепломасообмінних
процесів, що відбуваються над теплообмінною по-
верхнею радіатора та під нею. Нагріте повітря може
вільно підійматися вгору при розташуванні радіато-
ра з орієнтацією ребер вгору (кут нахилу 0° ≤ φ < 90°,
див. рис. 4), на відміну від орієнтації ребер вниз
(90°< φ ≤ 180°), коли нагріте повітря, так би мовити,
блокується — не в змозі опуститися вниз, воно ру-
хається вздовж теплообмінної поверхні, а вгору піді-
ймається вже за межами радіатора, що викликає збіль-
шення температури зони нагріву.
2. Найбільш вигідним є розташування нагрівача в
центральній зоні радіатора.
3. Результати верифікації підтвердили адекватність
розробленої комп’ютерної моделі та можливість по-
дальшого її застосування при проєктуванні системи
охолодження потужного світлодіодного освітлюваль-
ного пристрою.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Прожектор пошуковий мобільний ДО-175-223-АТ. Атілос.
https://surl.li/dfszzm
2. Прожектор світлодіодний мобільний ПСМП-250W. https://
svetiled.com.ua/p/1650638636-prozhektor-svetodiodnyy-mobilniy-
psmp-250w/
3. Li Z., Tan J., Li J.et al. A review on thermal management of
light-emitting diodes: From package-level to system-level. Appl.
Therm. Eng., 2024, vol. 257, art. 124145. https://doi.org/10.1016/j.
applthermaleng.2024.124145
4. Письменний Є.М., Ніколаєнко Ю.Є., Хайрнасов С.М. та
ін. Потужний світлодіодний освітлювальний пристрій. Патент
України на корисну модель № 15943. 2025, бюл. № 22.
5. Хайрнасов С.М., Ніколаєнко Ю.Є., Хоперський С.В. та
ін. Потужний світлодіодний освітлювальний пристрій для вико-
ристання під час виконання аварійно-рятувальних робіт. Збірник
наукових праць МНПК «Актуальні проблеми та інноваційні тех-
нології у сфері гуманітарного розмінування, цивільного захисту,
критичної інфраструктури та екологічної безпеки для повоєнного
відновлення України». Україна, Київ, 2024, с. 37 – 39.
Дата надходження рукопису
до редакції 30.05 2025 р.
4. Pysmennyy Ye.М., Nikolaenko Yu. E., Khairnasov S. M. et al.
[A powerful LED lighting device]. Pat. of Ukraine for utility model №
15943. 2025, bull. № 22. (Ukr)
5. Khairnasov S. M., Nikolaenko Yu. E., Hopersky S. V. et al.
A powerful LED lighting device for use in rescue operations. Collection of
scientific works International scientific and practical conference “Current
Issues and Innovative Technologies in Humanitarian Demining, Civil
Protection, Critical Infrastructure and Environmental Security for Post-
War Reconstruction of Ukraine”, Ukraine, Kyiv, 2024, рр. 37–39. (Ukr)
Copyright: © 2025 by the authors. Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-374 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-10T01:00:21Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/80/c415205b27a3dec03c879cdb654fb580.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-3742026-06-09T12:17:43Z Radiator temperature regimes for the cooling system of a powerful LED lighting device Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою Kozak, Dmytro Nikolaenko, Yurii Khairnasov, Sergii Меlnyk, Roman Pekur, Demyd LED lighting device cooling system natural convection radiator heat transfer temperature regime experiment computer modeling світлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплообмін температурний режим, експеримент, комп’ютерне моделювання High-power lighting devices based on LED sources are the most effective solution for the lighting at emergency rescue operations in emergency zones. At the same time the challenges with thermal management of chip on board (COB) LED elements becomes more significant, since increasing electric power leads to an increase in heat flux and LED die temperature which negatively affects their reliability and light characteristics. One of the ways to solve this problem is to use highly efficient two-phase heat transfer devices for the cooling systems, such as gravity-assisted heat pipes built into the base of several aluminum heatsinks. The authors carried out an experimental study of the temperature regimes of the aluminum heatsink at natural convection, taking into account the following factors: thermal power, environment orientation, and different locations of the heat source relative to the height of the heatsink. The results of experimental studies of the heatsink temperature parameters were used to verify the computer model. This enables the computer model to be used for thermal simulations and the optimisation of heat sink designs under free convection, taking into account radiation heat transfer over a wide temperature range and with different heatsink locations. The comparison of experimental data with simulation results confirmed that the computer model is adequate and can be used to design cooling systems based on gravity-assisted heat pipes for lighting devices. Проведено експериментальне дослідження температурних режимів радіатора, виготовленого з серійного алюмінієвого (АД31Т5) радіаторного профілю в умовах природної конвекції повітря в широких діапазонах зміни факторів впливу: теплової потужності, орієнтації в просторі, різного розташування нагрівача відносно висоти радіатора. Отримані результати використано для верифікації розробленої комп’ютерної моделі нової конструкції системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою на основі кількох таких радіаторів, з’єднаних між собою гравітаційними тепловими трубами. Експериментальні випробування підтвердили адекватність розробленої моделі та можливість застосування її при проєктуванні системи охолодження освітлювального пристрою. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.51 10.15222/TKEA2025.1-2.51 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2025): Technology and design in electronic equipment; 51-56 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 51-56 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.51/340 Copyright (c) 2025 Dmytro Kozak, Yurii Nikolaenko, Sergii Khairnasov, Roman Меlnyk, Demyd Pekur http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | світлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплообмін температурний режим експеримент комп’ютерне моделювання Kozak, Dmytro Nikolaenko, Yurii Khairnasov, Sergii Меlnyk, Roman Pekur, Demyd Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою |
| title | Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою |
| title_alt | Radiator temperature regimes for the cooling system of a powerful LED lighting device |
| title_full | Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою |
| title_fullStr | Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою |
| title_full_unstemmed | Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою |
| title_short | Температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою |
| title_sort | температурні режими радіатора для системи охолодження потужного світлодіодного освітлювального пристрою |
| topic | світлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплообмін температурний режим експеримент комп’ютерне моделювання |
| topic_facet | LED lighting device cooling system natural convection radiator heat transfer temperature regime experiment computer modeling світлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплообмін температурний режим експеримент комп’ютерне моделювання |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.51 |
| work_keys_str_mv | AT kozakdmytro radiatortemperatureregimesforthecoolingsystemofapowerfulledlightingdevice AT nikolaenkoyurii radiatortemperatureregimesforthecoolingsystemofapowerfulledlightingdevice AT khairnasovsergii radiatortemperatureregimesforthecoolingsystemofapowerfulledlightingdevice AT melnykroman radiatortemperatureregimesforthecoolingsystemofapowerfulledlightingdevice AT pekurdemyd radiatortemperatureregimesforthecoolingsystemofapowerfulledlightingdevice AT kozakdmytro temperaturnírežimiradíatoradlâsistemioholodžennâpotužnogosvítlodíodnogoosvítlûvalʹnogopristroû AT nikolaenkoyurii temperaturnírežimiradíatoradlâsistemioholodžennâpotužnogosvítlodíodnogoosvítlûvalʹnogopristroû AT khairnasovsergii temperaturnírežimiradíatoradlâsistemioholodžennâpotužnogosvítlodíodnogoosvítlûvalʹnogopristroû AT melnykroman temperaturnírežimiradíatoradlâsistemioholodžennâpotužnogosvítlodíodnogoosvítlûvalʹnogopristroû AT pekurdemyd temperaturnírežimiradíatoradlâsistemioholodžennâpotužnogosvítlodíodnogoosvítlûvalʹnogopristroû |