Limitations of passive thermal management for a-line solid state lighting technologies

Abstract

Energy has been one of the most important problems for the last few decades. Efficient use of energy is as important as efficiency in energy production and transportation. Solid state lighting (SSL) technology may reduce consumed energy in buildings from 20 percent to less than 5 percent. Light emitting diodes (LEDs) have recently been evolved as a novel lighting technology that is over 7-10 times more efficient than conventional-old incandescent lamps. Although LED lighting systems have many other advantages as being more reliable and having longer lifetimes than conventional energy lighting systems like environmentally hazardous fluorescent lamps, they are based on solid state technology with thermal limitations. Low junction temperature requirement is one of the most important challenges for the high luminosity LED lighting systems, which also have high heat generation rates. Junction temperature of LEDs is directly related with reliability, lifetime, light output and quality. Therefore, thermal management is crucial for LED lighting systems. Passive thermal management of LED lighting systems has many advantages as simplicity, reliability, low cost and silent operation. Nevertheless high cooling capacity requirement means large passive cooling components, which push the limits of the form factor standards. Besides the size and weight limitations, tight interaction between thermal management and optical design obligate researchers to develop all components in a compact system. In this study, different passive air-cooling thermal management systems for high luminosity A-line LED lamps are investigated. Commercial A-line LED bulbs with various passive cooling approaches and designs are experimentally studied in order to bring thermal, optical and dimensional limitations of passively cooled A-line SSL systems into view. A new system level passive thermal management approach based on buoyancy driven chimney effect is computationally developed. The optical design of the system is also computationally developed at the same time. All computational results are validated with the experimental results. Computational and experimental results of the developed and manufactured system are analyzed, and the system is computationally optimized. Finally, several figure of merits (FOMs) are developed for SSL systems for the advancement of science and technology. Thus, various commercially available bulbs and developed prototypes are compared to bring various design options into view.

Enerji son bir kaç on yıldır en önemli problemlerden biri olmuştur. Enerjinin verimli kullanılması enerjinin üretimindeki ve taşınmasındaki verimlilik kadar önemlidir. Katı hal aydınlatma (SSL) teknolojisi binalarda tüketilen enerjiyi yüzde 20'den yüzde 5'ten daha aşağıya düşürebilir. Geleneksel akkor lambalardan 7-10 kere daha verimli olan ışık yayan diyotlar (LED) son dönemde özgün bir aydınlatma teknoloji olarak gelişti. LED aydınlatma sistemleri, çevreye zararlı florasan lambalar gibi geleneksel aydınlatma sistemlerine nazaran daha güvenilir olma ve daha uzun kullanım ömrüne sahip olma gibi avantajlara sahip olsa da, termal limlitleri olan katı hal teknolojisine dayanırlar. Düşük jonksiyon sıcaklığı ihtiyacı yüksek aydınlatma gücüne ve ısı üretimine sahip LED aydınlatma sistemleri için en büyük problemlerden biridir. LED'lerin jonksiyon sıcaklığı, güvenilirlik kullanım ömrü, ışık çıkışı ve ışık kalitesi ile doğrudan ilgilidir. Bu yüzden, sistemin diğer gereksinimlerine de cevap vermesi gereken ısıl yönetim LED aydınlatma sistemleri için çok önemlidir. LED aydınlatma sistemlerinin pasif ısıl yönetimi basitlik, güvenilirlik, düsük maliyet ve sessiz çalışma gibi avantajlara sahiptir. Buna rağmen yüksek soğutma kapasitesi ihtiyacı, form faktör standartlarının sınırlarını zorlayan büyük pasif soğutma komponentleri anlamına gelmektedir. Boyut ve ağırlık limitlerinin yanında, ısıl yönetim ve optik dizayn arasındaki sıkı etkileşim araştırmacıları bütün komponentleri kompakt bir sistem olarak birlikte gelişitirmesine mecbur etmektedir. Bu çalışmada, yüksek ışık gücüne sahip sandart A serisi LED lambaları için olan farklı pasif hava-soğutma ısıl yönetim sistemleri araştırılmaktadır. Çeşitli pasif soğutma yaklaşımlarına ve tasarımlarına sahip ticari A serisi LED lambalar, pasif olarak soğutulan A serisi SSL sistemlerinin boyutsal, termal ve optik limitlerini ortaya çıkarmak için deneysel olarak çalışılmaktadır. Boyansi ile çalışan baca etkisine dayanan sistem seviyesindeki yeni bir ısıl yönetim yaklaşımı sayısal olarak geliştirildi. Sistemin optik dizaynı da aynı zamanda sayısal olarak geliştirilmiştir. Bütün sayısal sonuçlar deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. Geliştirilen ve üretilen sistemin sayısal ve deneysel sonuçlar analiz edilmiştir ve sayısal olarak optimize edilmiştir. Son olarak, bilim ve teknolojinin ilerlemisine katkı sağlayacak SSL sistemleri için çeşitli başarım ölçüleri (FOM) geliştirilmiştir. Böylece ticari olarak temin edilebilir çeşitli lambalar ve geliştirilen prototipler karşılaştırılarak çeşitli tasarım seçenekleri gözler önüne serilmiştir.