Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв
Lighting devices are critical tools for the emergency rescue operations at the dark as well for the other urgent actions directly in the area of emergency situations, since it is necessary to ensure a high level of illumination with constant intensity during the entire time of work. The current stat...
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/TKEA2025.1-2.64 |
| 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_ | 1867569665209794560 |
|---|---|
| author | Khairnasov, Sergii Kozak, Dmytro |
| author_facet | Khairnasov, Sergii Kozak, Dmytro |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Sergii Khairnasov",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Dmytro Kozak",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Khairnasov, Sergii |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-09T12:16:57Z |
| description | Lighting devices are critical tools for the emergency rescue operations at the dark as well for the other urgent actions directly in the area of emergency situations, since it is necessary to ensure a high level of illumination with constant intensity during the entire time of work. The current status of semiconductor technologies allows to create highly efficient high-power light sources, which allows to develop of a number of lighting systems based on LED sources (COB — chip-on-board — modules). But one of shortcoming of LED technology is a significant part of the electrical power is converted into the heat. So, such devices require special thermal management systems to ensure thermal requirements, which is determined primarily by the optical efficiency of COB modules and, accordingly, the total amount of electrical energy converted into heat. Today the heatsink based on passive two-phase heat transfer devices, such as heat pipes or vapor chambers, are widely used in the electronics and high-power LED lighting devices. In this case the thermal analysis of high-power LED lighting devices with such cooling systems at the early development stage is very important. So, in this work the thermal analysis of the three variants of high-power LED lighting device thermal management system with electrical power not less than 500 W was performed. The cooling systems designs based on aluminium heat sink with different two-phase heat transfer devices: heat pipes (copper powder heat pipes and aluminium grooved heat pipes), thermosyphons, pulsating heat pipes and vapor chamber were considered. The results of thermal simulation and their analysis of the above-mentioned cooling system variants options are shown in the paper. Based on thermal analysis of the cooling system design has been proposed and it has been shown that copper thermosyphons application with diameter 12 mm and with working fluid pentane in the aliminium heatsink increases its efficiency and ensures the heat dissipation at least 360 W by natural air convection into the environment at a maximum temperature of the LED COB module case of 100°C. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2025.1-2.64 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 264 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
1
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
УДК 536.248.2
Сергій ХАЙРНАСОВ, Дмитро КОЗАК
Україна, м. Київ, КПІ імені Ігоря Сікорського
E-mail: sergey.khairnasov@gmail.com, dk.kpi.hp@gmail.com
ТЕПЛОВИЙ АНАЛІЗ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ НА ОСНОВІ
ДВОФАЗНИХ ТЕПЛОПЕРЕДАВАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ
Освітлювальні пристрої є критичними засобами
для проведення аварійно-рятувальних робіт в тем-
ний час доби та інших невідкладних дій безпосеред-
ньо в зоні виникнення надзвичайних ситуацій, коли
потрібно забезпечити високий рівень освітленості
постійної інтенсивності впродовж всього часу ви-
конання робіт. Стрімкий розвиток напівпровідни-
кових технологій та необхідність створення висо-
коефективних потужних джерел світла призвели
до розроблення низки систем освітлення на основі
світлодіодних джерел (COB — chip-on-board — мо-
дулів). Важливою особливістю сучасних світлодіод-
них освітлювальних пристроїв є зменшення розмірів
окремих світловипромінювальних компонентів при
збереженні або навіть збільшенні їхньої електричної
потужності [1, 2]. При цьому суттєва доля електрич-
ної енергії, яку вони споживають, перетворюється
у теплоту [3 – 5], тому такі пристрої потребують
спеціальних систем забезпечення теплових режимів
чи систем охолодження, що визначається перш за
все оптичною ефективністю COB-модулів та, від-
повідно, загальною кількістю електричної енергії,
що перетворюється в теплову.
Одним з основних підходів до підвищення
ефективності систем охолодження світлодіодних
освітлювальних пристроїв (СОП) є використання
спеціальних радіаторів з вбудованими двофазними
Проведено тепловий аналіз трьох варіантів системи охолодження (СО) на основі двофазних теплопередавальних
пристроїв, за результатами якого було запропоновано конструкцію СО світлодіодного освітлювального пристрою
з електричною потужністю не менш ніж 500 Вт. Наведено результати розрахунку теплотехнічних характеристик
СО (температурного поля, максимального теплового потоку). Показано, що використання термосифонів, вбудова-
них у радіатор системи охолодження, підвищує її ефективність та забезпечує розсіювання теплового потоку не мен-
ше ніж 360 Вт природною конвекцією повітря у навколишнє середовище при максимальній температурі корпусу
світлодіодної матриці 100°С.
Ключові слова: світлодіодний освітлювальний пристрій, система охолодження, природна конвекція, радіатор, те-
плова труба, термосифон, тепловий аналіз, теплообмін, температурне поле.
теплопередавальними пристроями [6], наприклад
тепловими трубами, термосифонами тощо [7, 8].
Термін «двофазні теплопередавальні пристрої»
використовується для елементів теплотехнічних
систем, в яких процес відбору та віддачі теплоти
проходить завдяки двофазним процесам (зміна фази
теплоносія «рідина — пара» та зворотній «пара —
рідина»): випаровування, кипіння та конденсації.
Це інтенсифікує локальний процес теплообміну
внаслідок високих значень коефіцієнта теплообміну
та покращує можливості відведення чи підведення
великих теплових потоків, а також забезпечення
функціонування СОП при великих значеннях гус-
тини теплового потоку. Так, в сучасних системах
охолодження викори стовуються радіатори для при-
родної та вимушеної конвекції на основі теплових
труб та парових камер різних за складністю кон-
струкцій залежно від вимог до величини теплового
потоку, який необхідно відвести до навколишнього
середовища [9].
У цій роботі був проведений тепловий аналіз
трьох варіантів системи охолодження потужного
світлодіодного освітлювального пристрою, побудова-
ної на основі радіатора, призначеного для природної
конвекції повітря, з використанням двофазних те-
плопередавальних пристроїв різних типів: теплових
труб, термосифонів, пульсаційних теплових труб,
парової камери. За результатами теплового аналізу
була запропонована теплова конструкція системи
охолодження.
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.64
__________
Роботу виконано за підтримки Національного фонду
досліджень України (проєкт № 2023.04/0055)
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 65ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
2
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Вимоги до конструкції та теплового аналізу
системи охолодження потужного світлодіодного
освітлювального пристрою
Враховуючи вимоги до надійності та технологіч-
ності освітлювальної техніки спеціального призна-
чення, а також економічні обмеження були визначені
такі пріоритетні показники системи охолодження:
— можливість розсіювати теплову потужність
понад 300 Вт при максимальній температурі корпу-
су СОВ-модуля 100°С в умовах природної конвекції;
— простота та технологічність виготовлення в
умовах дослідного виробництва;
— дешевизна;
— конструкція має будуватися на доступних на
ринку України компонентах і матеріалах;
— надійність.
З огляду на вимоги до надійності, обмежене пред-
ставлення на ринку України систем охолодження
(радіаторів) з двофазними теплопередавальними
пристроями (тепловими трубами та паровими ка-
мерами) та необхідність у спеціальному обладнанні
для їх виготовлення, основою радіатора було обрано
алюмінієвий радіаторний профіль (рис. 1), що виро-
бляється в достатній кількості в Україні та широко
використовується в системах охолодження електрон-
ної апаратури.
Двофазними теплопередавальними пристроями
(рис. 2), взятими для аналізу та вибору підходів до по-
будови конструкції системи охолодження, були [7, 8]:
— мідні теплові труби (ТТ) з капілярною струк-
турою (КС) або термосифони (без КС) зовнішнім
діаметром 8 мм, сплющені до розмірів 3×11 мм;
— алюмінієві профільні теплові труби з канавча-
тою КС зовнішнім діаметром 7,5 мм;
— пульсаційна теплова труба з зовнішнім діаме-
тром каналів 1,8 мм;
— парова камера товщиною 3,0 мм.
Тепловий аналіз проводився на основі комп’ю-
терної моделі, створеної у спеціалізованому пакеті
прикладних програм, що дозволяє проводити з висо-
кою точністю теплові розрахунки різних конструкцій
та елементів систем охолодження електронної апара-
тури, зокрема двофазні теплопередавальні пристрої
(ТПП) в умовах природної та вимушеної конвекції
повітря. Перед початком теплового аналізу була про-
ведена верифікація комп’ютерної моделі радіатора,
результати якої наведені у [10]. Верифікація проводи-
лася для природної конвекції повітря з урахуванням
теплообміну випромінюванням у широкому діапазоні
температури та при різних кутах нахилу радіатора.
Результати показали достатній збіг розрахункових
та експериментальних даних при температурі на по-
верхні радіатора від 50 до 100 °С: похибка становила
до 3% при вертикальному розташуванні й нахилі 45°
та до 5% при горизонтальному розташуванні.
Концепції конструкції системи охолодження
Розглядалися три основні підходи до форму-
вання конструкції системи охолодження на основі
вибраного алюмінієвого радіаторного профілю,
продемонстровані на рис. 3. У цих конструкціях
теплота від COB-модуля передається ТПП, такими
як теплові труби, термосифони, парова камера або
пульсаційні ТТ.
Концепція #1 — виносна пасивна: COB-модуль 1
кріпиться до вільних від радіатора зон випаровуван-
ня ТПП 3 механічно або пайкою через термоінтер-
фейсний матеріал (ТІМ). Кожна сторона радіатора 2
складається з двох окремих частин, між якими роз-
ташовуються зони конденсації ТПП (див. рис. 3, а).
Концепція #2 — комбінована пасивна: COB-
модуль 1 механічно або пайкою кріпиться через ТІМ
поверх зон випаровування ТПП 3 до центральної
ділянки “задньої” частини радіатора. Зони конден-
сації ТПП розташовуються між “передньою” (вона Рис. 1. Алюмінієвий радіаторний профіль
10 1,4
122
38
6
а) б)
3
11
7,
5
30
Рис. 2. Форма корпусу двофазних теплопередавальних
пристроїв:
а — мідні ТТ або термосифони; б — алюмінієві профільні
ТТ; в — пульсаційна ТТ; г — парова камера
1,8 3
в) г)
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 266 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
3
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
така сама, як у попередньому випадку) та “задньою”
частинами (див. рис. 3, б).
Концепція #3 — виносна пасивна з центральним
радіатором: до конструкції за концепцією #1 до-
дається центральний радіатор, який має виконувати
роль теплоємнісного конструктивного елементу для
зменшення амплітуди коливання температури у ди-
намічних режимах функціонування ТПП при низьких
температурах (див. рис. 3, в).
Вплив типу та кількості двофазних
теплопередавальних пристроїв на теплові
режими
Аналіз такого впливу проводився з огляду на тем-
пературу корпусу COB-модуля ТСОВ у місці контакту
з системою охолодження для трьох представлених
вище концепцій.
Концепція #1
Теплове моделювання проводили для конструк-
тивних модифікацій, описаних у табл. 1.
Результати комп’ютерного моделювання макси-
мальної температури корпусу COB-модуля у місті
контакту з системою охолодження різних модифіка-
цій за концепцією #1 наведено у табл. 2. Аналіз цих
даних свідчить про те, що ефективніше використову-
вати більшу кількість теплових труб / термосифонів
або пульсаційну ТТ з більшою кількістю каналів
(петель). Так, ТСОВ є меншою до 6,3°С при викори-
станні п’яти ТТ / термосифонів порівняно з трьома,
а при використанні пульсаційної ТТ з 24 каналами
порівняно з 12 ця температура може знижуватися на
величину до 11,8°С.
У найкращих модифікаціях, а саме #1.4 (п’ять
теплових труб / термосифонів) та #1.6 (пульсаційна
ТТ з 24 каналами), при температурі навколишнього
середовища 40°С для теплової потужності 200 Вт
існує запас у 8 – 10°С до максимальної допустимої
температури корпусу COB-модуля 100°С.
б)
21
0
2
3 1
254
а)
10
5
1
2
3
254
Таблиця 1
Опис конструкцій на основі концепції #1 з різними типами двофазних ТПП
Модифікація Кількість та вид
ТПП
Конструкція
ТПП
Розміри,
мм Матеріал Теплоносій Додатково
#1.1 3 ТТ з КС Ø7,5 алюміній пентан Дві полки по
30 мм
#1.2 3
ТТ / термосифони
з КС / без КС 3×11 мідь вода
—
#1.3 5
ТТ / термосифонів —
#1.4 5
ТТ / термосифонів
Центральний
радіатор
(концепція #3)
#1.5 1
пульсаційна ТТ
12 каналів
(6 петель) Ø1,8 мідь фреон —
#1.6 1
пульсаційна ТТ
24 канали
(12 петель)
в)
10
5
2
3 1
254
21
0
123
Рис. 3. Концепції конструкції системи охолодження:
а — виносна пасивна; б — комбінована пасивна; в — вино сна
пасивна з центральним радіатором
1 — COB-модуль (100×100 мм); 2 — радіатор; 3 — теплова
труба чи термосифон
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 67ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
4
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Додатково досліджувалася конструкція мо-
дифікації #1.4 (з використанням центрального
радіатора) щодо впливу розташування ТТ / термо-
сифонів — на поверхні центрального радіатора роз-
міром 100×100 мм чи всередині (у профрезерованих
посадочних місцях). Аналіз показав, що додаткове
зниження температури COB-модуля від викори-
стання центрального радіатора складає до 2°С при
розташуванні ТПП на його поверхні та до 6 – 7°С
при вбудовуванні всередину. Тобто очевидно, що при
побудові конструкції за концепцією #3 не слід йти
шляхом спрощення і монтувати ТПП на поверхні ра-
діатора. Також немає сенсу використовувати теплові
труби з алюмінієвого профілю з полками з точки зору
складності їх монтування всередині основи радіатора.
Концепція #2
Теплове моделювання проводили для конструк-
тивних модифікацій, описаних у табл. 3. Результати,
отримані для теплової потужності 200 Вт, представ-
лено у табл. 4. Аналіз наведених даних дозволяє
зробити такі висновки.
1) Модифікації #2.1 та #1.3, побудовані з п’ятьма
ТТ, дають приблизно однаковий результат.
2) При використанні парової камери температура
корпуса COB-модуля може знизитися на 3°С порівня-
но з варіантом з трьома ТТ. При цьому, враховуючи
складність самої конструкції парової камери та її
вищу вартість, доцільність її використання залиша-
ється під питанням.
3) Встановлення додаткових пульсаційних ТТ з
двох боків радіатора (#2.4) не є доцільним.
4) У найкращих модифікаціях, а саме #2.2 (парова
камера) та #2.3 (пульсаційна ТТ з 24 каналами), при
температурі навколишнього середовища 40°С для
теплової потужності 200 Вт існує запас у 8 – 10°С
до максимальної допустимої температури корпусу
COB-модуля 100°С.
Таблиця 2
Результати моделювання максимальної температури корпусу COB-модуля та теплотехнічних характеристик різних
модифікацій системи охолодження, побудованих за концепцією #1, при тепловій потужності 200 Вт
Модифікація
Температура
навколишнього
середовища, °C
Температура
COB-модуля, °C
(max/min)
Температура
ТПП, °C
(max/min)
Термічний
опір ТПП,
K/Вт
Температура
радіатора, °C
(max/min)
#1.1
25 80 / 76,4 70,2 / 62,2
0,12
65,5 / 60,2
40 96,9 / 93,2 87,1 / 79,0 82,3 /76,9
#1.2
25 82,4 / 77,6 67,6 / 63,8
0,06
64,6/61,3
40 99,2 / 94,4 84,5 / 80,6 81,5 / 78,0
#1.3
25 76,1 / 71,0 65,3 / 63,2
0,06
63,8 / 61,1
40 92,8 / 87,8 82,1 / 80,0 80,6 / 77,8
#1.5
25 85,9 / 84,5 69,8 / 64,9
0,3
66,1 / 62,3
40 101 / 99,4 84,8 / 79,9 81,7 / 77,4
#1.6
25 74,1 / 72,8 65,6 / 63,0
0,3
63,9 / 61,1
40 90,9 / 89,6 82,4 / 79,8 80,7 /77,9
Таблиця 3
Опис конструкцій на основі концепції #2 з різними типами двофазних ТПП
Модифікація Кількість та вид ТПП Конструкція
ТПП Розміри, мм Матеріал Теплоносій
#2.1 5
ТТ / термосифонів з КС / без КС 3×11 мідь вода
#2.2 1 парова камера з КС товщина 3,0 мідь вода
#2.3 1 пульсаційна ТТ 24 канали
(12 петель) Ø1,8 мідь фреон
#2.4
3 пульсаційних ТТ
(по одній зліва та справа
додатково до #2.3)
24 канали
(12 петель) Ø1,8 мідь фреон
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 268 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
5
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Концепція #3
Теплове моделювання проводили для такої кон-
структивної модифікації:
5 ТТ / термосифонів зовнішнім діаметром 8 мм,
сплющені до розмірів 3×11 мм;
корпус з порошковою КС / без КС;
матеріал — мідь;
теплоносій — вода.
Результати, отримані для теплової потужності
300 Вт і 350 Вт, представлено у табл. 5. Аналіз по-
казує, що при 350 Вт та температурі навколишнього
середовища 40°С температура корпусу COB-модуля
перевищує максимально допустиму на 4°С. Додаткові
розрахунки показали, що при довільному розташу-
ванні системи охолодження у просторі, наприклад
горизонтальному, це перевищення може бути ще
більшим (додатково ще до 15°С).
Система охолодження на основі двофазних
теплопередавальних пристроїв
та її тепловий аналіз
На основі проведеного аналізу як базовий був
обраний варіант системи охолодження, що відпові-
дає концепції #3. У конструкції використовувались
п’ять термосифонів діаметром 12 мм. Такий вибір
був зроблений з огляду на спрощення технології
виготовлення: технологічний процес виготовлення
термосифонів, на відміну від теплових труб, не має
етапу спікання капілярної структури; сплющення
корпусу не застосовувалося.
Як теплоносій запропоновано використовувати
пентан, а не воду, для запобігання замерзанню з
можливим руйнуванням корпусу ТПП. Відповідно,
діаметр термосифонів було збільшено до 12 мм для
забезпечення достатніх теплотранспортних характе-
ристик при переході з води на пентан.
Значення термічного опору, яке було отримано
у додатково проведених експериментальних дослі-
дженнях зразків термосифонів, не перевищувало
0,3 К/Вт. Конструкцію базового варіанту системи
охолодження представлено на рис. 4, характеристики
наведено у табл. 6.
Для визначення впливу висоти радіаторів h1 і h2 на
максимальну температуру ТCOB були проведені роз-
рахунки для даних, наведених у табл. 6, при загальній
тепловій потужності Pheat = 360 Вт (чотири модулі COB
по 90 Вт кожний) для різних її значень (при h1 = h2):
100 мм, 125 мм, 200 мм. Відповідні значення темпера-
тури склали 123°С, 118°С, 115°С. Тобто очевидно, що
після 200 мм збільшувати висоту радіаторів не є раціо-
нальним, до того ж кожні 100 мм збільшують масу
радіатора, наведеного на рис. 1, приблизно на 0,5 кг.
Таблиця 4
Результати моделювання максимальної температури корпусу COB-модуля та теплотехнічних характеристик різних
модифікацій системи охолодження, побудованих за концепцією #2, при тепловій потужності 200 Вт
Модифікація
Температура
навколишнього
середовища, °C
Температура
COB-модуля, °C
(max/min)
Температура
ТПП, °C
(max/min)
Термічний
опір ТПП,
K/Вт
Температура
радіатора, °C
(max/min)
#2.1
25 76,0 / 74,9 71,8 / 70,3
0,05
72,3 / 66,8
40 93,4/ 92,3 89,3 / 87,7 89,8 / 84,0
#2.2
25 73,3 / 73,1 69,6 / 69,0 69,4 / 67,4
40 90,8 / 90,6 87,7 / 86,5 86,9 / 84,8
#2.3
25 74,8 / 73,5 71,0 / 69,5
0,3
71,1 / 65,7
40 92,5 / 91,2 82,4 / 79,8 88,8 /83,3
#2.4
25 76,5 / 75,7 70,8 / 70,3 71,0 / 68,8
40 94,2 / 93,4 88,7 / 88,2 88,8 / 86,4
Таблиця 5
Результати моделювання максимальної температури корпусу COB-модуля та теплотехнічних
характеристик системи охолодження, побудованої за концепцією #3
Теплова
потужність,
Вт
Температура
навколишнього
середовища, °C
Температура
COB-модуля, °C
(max/min)
Температура
ТПП, °C
(max/min)
Термічний
опір ТПП,
K/Вт
Температура
радіатора, °C
(max/min)
300
25 79,8 / 78,5 73,4 / 70,5
0,05
74,5 / 79,8
40 96,9 / 95,7 90,5 / 87,7 91,6 /86,9
350
25 86,5 / 85,1 79,1 / 75,7
0,06
71,0 / 68,8
40 104,0 / 102,0 96,4 / 93,1 97,7 / 92,2
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 69ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
6
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Рис. 4. Конструкція системи охолодження:
1 — COB-модулі (38×38 мм, 4 шт.); 2 — радіатор; 3 — тер-
мосифони; 4, 7, 8 — термоінтерфейсний матеріал між COB-
модулем та притискною плитою термосифонів (ТІМ1), між
центральним радіатором та притискною плитою COB (ТІМ2),
між радіатором та термосифонами (ТІМ3); 5 — притискна
плита термосифонів; 6 — основа центрального радіатора
б)
1
7 2 4 5 6 3 8
а)
h23
2
1
a
b
h1
Вплив теплопровідності термоінтерфейсного ма-
теріалу між модулями СОВ та притискною плитою
термосифонів (ТІМ1) і між центральним радіатором
та притискною плитою COB (ТІМ2) на максимальну
температуру ТCOB досліджувався у діапазоні тепло-
провідності від 4,6 Вт/(м·К) (теплопровідна паста)
до 86 Вт/(м·К) (рідкий метал, припій) при товщині
ТІМ 0,8 мм і висоті радіатора 200 мм. При цьому слід
зауважити, що оскільки між радіатором та термо-
сифонами густина теплового потоку є незначною,
вибір ТІМ3 має базуватися лише на конструктивних,
надійнісних та економічних аспектах. Результати
розрахунку наведено у табл. 7, звідки видно, що в
розглянутій конструкції системи охолодження немає
сенсу використовувати матеріали з теплопровідністю
понад 15 Вт/(м·К).
Вплив товщини ТІМ на максимальну температу-
ру поверхні корпусу модулів COB досліджувався у
діапазоні від 0,8 до 0,1 мм. Результати розрахунку,
наведені у табл. 8, показують, що в розглянутій кон-
струкції системи охолодження не слід прагнути до-
сягти при стисненні якнайменших значень товщини
ТІМ1 та ТІМ2, наприклад нижче 0,3 – 0,4 мм.
У табл. 9 наведено дані, які демонструють вплив
термічного опору Rts термосифонів на температур-
ний рівень поверхні COB-модулів. Вочевидь, надалі
важливою задачею є зменшення величини Rts завдяки
інтенсифікації процесів теплообміну в зоні випаро-
вування.
Після теплового аналізу базового варіанту було
проведено уточнення параметрів системи охолоджен-
ня (табл. 10) і запропоновано два основні варіан-
ти її теплової моделі (рис. 5) та сама конструкція
(рис. 6). На відміну від теплової моделі, в конструкції
застосовуються не 5 термосифонів, що проходять
вздовж всієї системи охолодження від краю до краю,
а 10, з яких 5 забезпечують передачу теплоти до лівої
Таблиця 6
Основні конструктивні характеристики базового
варіанту системи охолодження
Параметр Значення
Довжина / висота радіатора, a / h1, мм 254* / 100
Довжина/висота центрального радіатора,
b/ h2, мм 122 / 100
Теплопровідність ТІМ1–3, λ1–3, Вт/мК 4,6
Товщина ТІМ1–3, δ1–3, мм 0,8
Термічний опір термосифонів, Rts, K/Вт 0,3
* Два радіатори по 122 мм та зазор 10 мм між ними
Таблиця 7
Максимальна температура корпусу модулів COB
при Pheat = 360 Вт, h1 = h2 = 200 мм, δ1 = δ2 = 0,8 мм,
Rts = 0,3 K/ Вт для різних значень теплопровідності
ТІМ1 та ТІМ2
Теплопровідність,
λ1,2, Вт/(м·К)
Максимальна тем-
пература ТCOB, °С
4,6 115
15 106
30 105
60 105
86 104
Таблиця 8
Максимальна температура корпусу модулів COB
при Pheat = 360 Вт, h1 = h2 = 200 мм, λ1 = λ2 = 4,6 Вт/(м·К),
Rts = 0,3 K/Вт для різних значень товщини шару
ТІМ1 та ТІМ2
Товщина ТІМ1,2,
δ1,2, мм
Максимальна тем-
пература ТCOB, °С
0,8 115
0,5 110
0,3 106
0,1 106
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 270 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
7
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Рис. 5. Теплові моделі конструкцій системи охолоджен-
ня з чотирма (а) та з шістьома (б) групами радіаторних
профілів
сторони радіатора й 5 до правої. Такий підхід до-
зволяє реалізувати конструкцію радіатора з нахилом
(рис. 6), що забезпечує нормальне функціонування
термосифонів, в яких повернення рідини від зони
тепловідводу (радіатор) до зони теплопідводу (COB-
модуль) здійснюється силами гравітації.
***
В роботі було продемонстровано, як проведення
теплового аналізу дозволяє розробити теплову кон-
струкцію системи охолодження потужного світло-
діодного освітлювального пристрою, що підтримує
температуру СОВ-матриць не вище 100°C при темпе-
ратурі навколишнього повітря 40°С. При цьому забез-
печується відвід теплового потоку величиною 360 Вт
при використанні шести груп радіаторних профілів
та 300 Вт при використанні чотирьох таких груп.
Таблиця 9
Максимальна температура корпусу модулів COB
при Pheat = 360 Вт, h1 = h2 = 200 мм, δ1 = δ2 = 0,5 мм,
λ1 = λ2 = 15 Вт/(м·К) для різних значень термічного
опору термосифонів
Термічний опір ТТ,
Rts, К/Вт
Максимальна тем-
пература ТCOB, °С
0,3 107
0,23 104
0,14 100
Таблиця 10
Основні конструктивні характеристики системи
охолодження
Матеріал радіатора алюміній
Ширина профілю радіатора (для однієї
групи), мм 122
Висота радіатора, мм 200
Висота ребер радіатора, мм 31,5
Крок між ребрами, мм 8
ТІМ між СОВ-модулями та притискною
плитою:
– теплопровідність, Вт/(м·°С)
– товщина шару, мм
15,0
0,5
ТІМ між термосифонами та притискною
плитою або радіатором:
– теплопровідність, Вт/(м·°С)
– товщина шару, мм
4,6
0,8
Кількість термосифонів 10
Матеріал термосифонів мідь
Діаметр термосифонів, мм 12
Тепловий опір термосифонів, °С/Вт 0,3
Рис. 6. Загальний вигляд системи охолодження світлодіодних модулів потужного СОП [11]:
1 — світлодіодні COB-модулі; 2 — алюмінієва основа; 3 — рефлектор; 4 — притискна плита; 5 — захисне скло; 6 — алюмі-
нієва рама; 7а, 7б — центральний та основний радіатори; 8 — термосифони; 9 — захисний корпус; 10 — захисні пластини;
11 — опорні пластини; 12 — ручка для транспортування; 13 — кріплення до опорної стійки
9 8 5 3 4 1 6 8 7б 109
13
12
13
8
11
10 12 8 11 7а 7б
5
Вид І
1
3
4 6
2
б)
а)
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 71ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
8
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
Sergii KHAIRNASOV, Dmytro KOZAK
Ukraine, Kyiv, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
E-mail: sergey.khairnasov@gmail.com, dk.kpi.hp@gmail.com
THERMAL ANALYSIS OF COOLING SYSTEMS BASED
ON TWO-PHASE HEAT TRANSFER DEVICES
Lighting devices are critical tools for emergency rescue operations in the dark and other urgent actions in emergency
situations, since it is necessary to ensure a high level of illumination with constant intensity throughout the entire work period.
The current status of semiconductor technologies allows to create highly efficient high-power light sources, suitable for a
number of lighting systems based on LED sources (COB — chip-on-board — modules). However, one of the shortcomings of
LED technology is that a significant proportion of electrical power is converted into heat. Thus, such devices require special
thermal management systems to meet their thermal requirements, which are primarily determined by the optical efficiency
of COB modules, and consequently the total amount of electrical energy converted into heat. Today, the heatsinks based
on passive two-phase heat transfer devices, such as heat pipes or vapor chambers, are widely used in the electronics and
high-power LED lighting devices. In such a case, the thermal analysis of high-power LED lighting devices with such cooling
systems at the early development stage is very important. Thus in this study, we performed a thermal analysis of the three
variants of a thermal management system for a high-power LED lighting device with electrical power of at least 500 W.
The cooling systems’ designs were based on aluminium heat sinks with different two-phase heat transfer devices: heat pipes
(copper powder heat pipes and aluminium grooved heat pipes), thermosyphons, pulsating heat pipes and vapor chambers. The
paper presents the results of thermal simulation and their analysis. Based on the thermal analysis of the cooling system, the
authors propose a design and demonstrate that using copper thermosyphons with a diameter of 12 mm filled with pentane in
the aliminium heatsink increases its efficiency and ensures the heat dissipation by natural air convection into the environment
of at least 360 W at a maximum temperature of the LED COB module case of 100°C.
Keywords: LED lighting device, cooling system, natural convection, heat sink, heat pipe, thermosyphon, thermal analysis, heat
transfer, temperature filed.
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.64
UDC 536.248.2
REFERENCES
1. Yurtseven M.B., Mete S., Onaygil S. The effects of temperature
and driving current on the key parameters of commercially available,
high-power, white LEDs. Lighting Res. Technol., 2016, vol. 48, iss. 8,
pp. 943 – 965. https://doi.org/10.1177/1477153515576785
2. Chang M.-H., Das D., Varde P.V., Pecht M. Light emitting
diodes reliability review. Microelectron. Reliab., 2012, vol. 52, iss. 5,
pp. 762 – 782. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.07.063
3. Hamidnia M., Luo Y., Wang X.D. Application of micro/nano
technology for thermal management of high power LED packaging —
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Yurtseven M.B., Mete S., Onaygil S. The effects of temperature
and driving current on the key parameters of commercially available,
high-power, white LEDs. Lighting Res. Technol., 2016, vol. 48, iss. 8,
pp. 943 – 965. https://doi.org/10.1177/1477153515576785
2. Chang M.-H., Das D., Varde P.V., Pecht M. Light emitting
diodes reliability review. Microelectron. Reliab., 2012, vol. 52, iss. 5,
pp. 762 – 782. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.07.063
3. Hamidnia M., Luo Y., Wang X.D. Application of micro/nano
technology for thermal management of high power LED packaging
— A review. Appl. Therm. Eng., 2018, vol. 145, рр. 637 – 651. https://
doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.09.078
4. Pryde J.R. Development of effective thermal management
strategies for LED luminaries. Thesis. Loughborough University, UK,
2017. URL: https://dspace.lboro.ac.uk/2134/26687
5. Kayumov D., Bulatbaev F., Kayumova I. et al. An engineering
approach for the qualitative assessment of the luminous flux of led
lamps. Int. J. Energy Clean Environ., vol. 24, no. 1, pp. 31 – 43, 2023.
https://doi.org/10.1615/InterJEnerCleanEnv.2022043776
6. Xiao C., Liao H., Wang Y. et al. A novel automated
heat-pipe cooling device for high-power LEDs. Appl. Therm.
Eng., vol. 111, pp. 1320 – 1329, 2017. https://doi.org/10.1016/j.
applthermaleng.2016.10.041
7. Jouhara H., Chauhan A., Nannou T. et al. Heat pipe based
systems — Advances and applications. Energy, 2017, vol. 128,
pp. 729 – 754. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.04.028
8. Jouhara H., Reay D., McGlen R. et al. Heat Pipes: Theory,
Design and Applications, Elsevier Ltd., 2024. https://doi.org/10.1016/
C2019-0-04865-0
9. Heat pipe heat sink design. Celsia. URL: https://celsiainc.com/
heat-sink-blog/heat-pipe-heat-sink-design/
10. Козак Д.В., Хайрнасов С.М., Ніколаєнко Ю.Є. Експе-
риментальна верифікація чисельної моделі радіатору системи
охолодження потужного світлодіодного освітлювального при-
строю. Труди 26-ї МНПК «Сучасні інформаційні та електронні
технології», Україна, Одесса, 2025, c. 58-59. URL: https://www.
old.tkea.com.ua/siet/archive/2025/MIET_2025_58.pdf
11. Письменний Є.М. та ін. Потужний світлодіодний освіт-
лювальний пристрій. Патент України на корисну модель №159438.
Опубл. 28.05.2025, бюл. № 22.
Дата надходження рукопису
до редакції 10.06 2025 р.
A review. Appl. Therm. Eng., 2018, vol. 145, рр. 637 – 651. https://
doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.09.078
4. Pryde J.R. Development of effective thermal management
strategies for LED luminaries. Thesis. Loughborough University, UK,
2017. Available: https://dspace.lboro.ac.uk/2134/26687
5. Kayumov D., Bulatbaev F., Kayumova I. et al. An engineering
approach for the qualitative assessment of the luminous flux of led
lamps. Int. J. Energy Clean Environ., vol. 24, no. 1, pp. 31 – 43, 2023.
https://doi.org/10.1615/InterJEnerCleanEnv.2022043776
6. Xiao C., Liao H., Wang Y. et al. A novel automated
heat-pipe cooling device for high-power LEDs. Appl. Therm.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 272 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
9
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ
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/).
Eng., vol. 111, pp. 1320 – 1329, 2017. https://doi.org/10.1016/j.
applthermaleng.2016.10.041
7. Jouhara H., Chauhan A., Nannou T. et al. Heat pipe based
systems — Advances and applications. Energy, 2017, vol. 128,
pp. 729 – 754. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.04.028
8. Jouhara H., Reay D., McGlen R. et al. Heat Pipes: Theory,
Design and Applications, Elsevier Ltd., 2024. https://doi.org/10.1016/
C2019-0-04865-0
9. Heat pipe heat sink design. Celsia. Available: https://celsiainc.
com/heat-sink-blog/heat-pipe-heat-sink-design/
10. Kozak D. V., Khairnasov S. M., Nikolaenko Yu. E.
Experimental verification of a numerical model of the heatsink used
in the cooling system for powerful LED lighting devices. Proc. of
the XXVІ ISPC “Modern information and electronic technologies”,
Ukraine, Odesa, 2025, pp. 58 – 59. Available: https://www.old.tkea.
com.ua/siet/archive/2025/MIET_2025_58.pdf
11. Pysʹmennyy Ye. M. et al. Potuzhnyy svitlodiodnyy
osvitlyuvalʹnyy prystriy [Powerful LED lighting device]. Patent of
Ukraine for a utility model No. 159438, 2025.
РЕЦЕНЗЕНТИ НОМЕРА
Бараннік Володимир Вікторович, докт. техн. наук, професор, Харківський національний
університет імені В. Н. Каразіна, м. Харків
Бондарев Андрій Петрович, докт. техн. наук, професор, Національний університет «Львівська
політехніка», м. Львів
Бондаренко Олександр Федорович, канд. техн. наук, доцент, КПІ імені Ігоря Сікорського,
м. Київ
Глушеченко Едуард Миколайович, канд. техн. наук, начальник відділу, НВП «Сатурн», м. Київ
Дружинін Анатолій Олександрович, докт. техн. наук, завідувач кафедри, Національний
університет «Львівська політехніка», м. Львів
Єфіменко Анатолій Афанасійович, докт. техн. наук, доцент, Національний університет
«Одеська політехніка», м. Одеса
Костильов Віталій Петрович, докт. фіз.-мат. наук, старший научный сотрудник, Інститут
фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова, м. Київ
Романюк Ігор Степанович, канд. техн. наук, заступник генерального директора, ТДВ «Завод
Кварц», м. Чернівці
Садченко Андрій Валерійович, канд. техн. наук, доцент, Національний університет «Одеська
політехніка», м. Одеса
Трофімов Володимир Євгенович, канд. техн. наук, доцент, Національний університет
«Одеська політехніка», м. Одеса
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-384 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-10T01:00:23Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/4a/5186b5fd5c7b7dd96e1c5388f56dc04a.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-3842026-06-09T12:16:57Z Thermal analysis of cooling systems based on two-phase heat transfer devices Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв Khairnasov, Sergii Kozak, Dmytro LED lighting device, cooling system, natural convection, heat sink, heat pipe, thermosyphon, thermal analysis, heat transfer, temperature filed вітлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплова труба термосифон тепловий аналіз теплообмін температурне поле Lighting devices are critical tools for the emergency rescue operations at the dark as well for the other urgent actions directly in the area of emergency situations, since it is necessary to ensure a high level of illumination with constant intensity during the entire time of work. The current status of semiconductor technologies allows to create highly efficient high-power light sources, which allows to develop of a number of lighting systems based on LED sources (COB — chip-on-board — modules). But one of shortcoming of LED technology is a significant part of the electrical power is converted into the heat. So, such devices require special thermal management systems to ensure thermal requirements, which is determined primarily by the optical efficiency of COB modules and, accordingly, the total amount of electrical energy converted into heat. Today the heatsink based on passive two-phase heat transfer devices, such as heat pipes or vapor chambers, are widely used in the electronics and high-power LED lighting devices. In this case the thermal analysis of high-power LED lighting devices with such cooling systems at the early development stage is very important. So, in this work the thermal analysis of the three variants of high-power LED lighting device thermal management system with electrical power not less than 500 W was performed. The cooling systems designs based on aluminium heat sink with different two-phase heat transfer devices: heat pipes (copper powder heat pipes and aluminium grooved heat pipes), thermosyphons, pulsating heat pipes and vapor chamber were considered. The results of thermal simulation and their analysis of the above-mentioned cooling system variants options are shown in the paper. Based on thermal analysis of the cooling system design has been proposed and it has been shown that copper thermosyphons application with diameter 12 mm and with working fluid pentane in the aliminium heatsink increases its efficiency and ensures the heat dissipation at least 360 W by natural air convection into the environment at a maximum temperature of the LED COB module case of 100°C. Проведено тепловий аналіз трьох варіантів системи охолодження (СО) на основі двофазних теплопередавальних пристроїв, за результатами якого було запропоновано конструкцію СО світлодіодного освітлювального пристрою з електричною потужністю не менш ніж 500 Вт. Наведено результати розрахунку теплотехнічних характеристик СО (температурного поля, максимального теплового потоку). Показано, що використання термосифонів, вбудованих у радіатор системи охолодження, підвищує її ефективність та забезпечує розсіювання теплового потоку не менше ніж 360 Вт природною конвекцією повітря у навколишнє середовище при максимальній температурі корпусу світлодіодної матриці 100°С. 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/TKEA2025.1-2.64 10.15222/TKEA2025.1-2.64 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2025): Technology and design in electronic equipment; 64-72 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 64-72 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.64/341 Copyright (c) 2025 Sergii Khairnasov, Dmytro Kozak http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | вітлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплова труба термосифон тепловий аналіз теплообмін температурне поле Khairnasov, Sergii Kozak, Dmytro Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв |
| title | Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв |
| title_alt | Thermal analysis of cooling systems based on two-phase heat transfer devices |
| title_full | Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв |
| title_fullStr | Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв |
| title_full_unstemmed | Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв |
| title_short | Тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв |
| title_sort | тепловий аналіз систем охолодження на основі двофазних теплопередавальних пристроїв |
| topic | вітлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплова труба термосифон тепловий аналіз теплообмін температурне поле |
| topic_facet | LED lighting device cooling system natural convection heat sink heat pipe thermosyphon thermal analysis heat transfer temperature filed вітлодіодний освітлювальний пристрій система охолодження природна конвекція радіатор теплова труба термосифон тепловий аналіз теплообмін температурне поле |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.64 |
| work_keys_str_mv | AT khairnasovsergii thermalanalysisofcoolingsystemsbasedontwophaseheattransferdevices AT kozakdmytro thermalanalysisofcoolingsystemsbasedontwophaseheattransferdevices AT khairnasovsergii teplovijanalízsistemoholodžennânaosnovídvofaznihteploperedavalʹnihpristroív AT kozakdmytro teplovijanalízsistemoholodžennânaosnovídvofaznihteploperedavalʹnihpristroív |