איך לפתור את בעיית פיזור החום של נורות רחוב LED בעוצמה גבוהה?

למה נורת הרחוב LED בעוצמה גבוהה שלכם מחממת — והעיצוב הקירורי שפותר זאת

תאורת רחוב LED בעוצמה של 120 וואט ממירה כ־35–40% מההספק החשמלי הניתן לה לאור, וכ־60–65% לחום — כלומר כ־72–78 וואט של אנרגיה תרמית שחייבת לעבור מתווך ה-LED לאויר הסביבתי באופן רציף במשך 12 שעות כל לילה, 365 לילות בשנה, לאורך עשור. אם החום מצטבר בתווך ה-LED מהר יותר מאשר גוף התאורה מסוגל להתיר אותו, טמפרטורת התווך עולה מעל סף קריטי של 85° צלזיוס — נקודת המעבר שבה ירידה בהארה של דיודות הניאון (LED) מאיצה מירידה הדרגתית של 3–5% לכל 10,000 שעות לירידה קטסטרופלית של 20–30% באותה תקופה, וכך תאורת הרחוב המדורגת ל-50,000 שעות עד לנקודת L70 מגיעה לאותה נקודה כבר לאחר 20,000 שעות.

שרשרת פיזור החום באורות רחוב LED מורכבת מארבעה מקטעים, והמקטע החלש ביותר קובע את טמפרטורת המפגש. מקטע 1: הממשק התרמי בין שבב ה־LED ללוח מעגל מדפסת ליבתי מתכת (MCPCB) — חיבור לחצן או שכבת דבק תרמי בעובי של כ־50–100 מיקרון, אשר חייב להעביר חום עם התנגדות תרמית מינימלית (מתחת ל־1.5°‏צ/ווט ליישומים בעלי הספק גבוה). מקטע 2: הממשק בין הלוח MCPCB לספיגת האלומיניום — בדרך כלל שכבת שמן תרמי או סגסוגת תרמית הממלאת פערים מיקרוסקופיים באוויר בין שני המשטחים, מאחר שהאוויר הוא מוליך תרמי גרוע פי 10,000 מאלומיניום. מקטע 3: ספיגת האלומיניום עצמה — גוף יצוק במתכת עם סנפירים משולבים המגדילים את שטח הפנים המוגבה לאויר הסביבתי פי 10–20 לעומת משטח שטוח בעל אותו עקבה. מקטע 4: הקונוויקציה הפסיבית — זרימת האויר הטבעית על פני הסנפירים, הנגרמת על ידי הפרש הטמפרטורה בין משטח הסנפיר החם לאויר הסביבתי הקריר יותר. ללא מאווררים, ללא משאבות — אורות הרחוב LED חייבים לפזר 78 ווט חום בשקט ובלי חלקים נעים, מאחר שכל מכשיר קירור מכני יוצר נקודת כשל שתיכשל לפני שה־LEDs עצמם.

האיירולוקס, יצרנית לאום של תאורה חיצונית LED מתקדמת, עם יותר מ-13 שנות ניסיון בייצור, מעצבת גופי מנורות רחוב LED מאלומיניום יצוק במכונה. הגאומטריה של הצלבים אופטימלית: המרחק ביניהם, הגובה והעובי מחושבים עבור טווח הספק הספציפי (30–120 וואט למנורות רחוב סולריות, עד 150 וואט למנורות רחוב מחוברות לרשת) כדי לשלב ביצועי קירור טובים עם קשיחות מבנית, משקל קל ועמידות בפני עומסי רוח על העמוד.

אלמנטים עיצוביים שקובעים את ביצועי הקירור

גאומטריית הסנפירים בקרום של מנורת רחוב LED חייבת לאזן בין שלוש דרישות מתחרות. רוחב גדול יותר בין הסנפירים (8–12 מ״מ) משפר את הקונבקציה הפסיבית, משום שהאוויר זורם בחופשיות רבה יותר בין הסנפירים, אך מקטין את שטח הפנים הכולל של הסנפירים הזמין להעברת חום. רוחב קטן יותר בין הסנפירים (4–6 מ״מ) מגדיל את שטח הפנים, אך מגביל את זרימת האוויר, וכתוצאה מכך נוצר הצטברות חום במקלות הצרים, מה שעלול להגביר את טמפרטורת המפגש למרות השטח הגדול יותר — תוצאה שלא אינטואיטיבית, אשר אושרה על ידי סימולציה תרמית. קרומי מנורות הרחוב ה־LED של HAIROLUX, המיוצרים מאלומיניום יצוק-דפוס, משתמשים ברווח אופטימלי בין הסנפירים, אשר אושר על ידי סימולציה תרמית עבור טווח ההספק של כל מוצר; הקרום פועל גם ככיסוי המבני (מוגן מפני לחות בדרגת IP65/IP66) וגם כסנפיר קירור עיקרי — עיצוב דו-תפקידי שמבטל את הממשק התרמי הנפרד בין סנפיר הקירור לקרום, אשר היה מוסיף התנגדות תרמית.

יישום במציאות: מבחן התנגדות חום על כביש במזרח התיכון

פרויקט תאורה של כביש בערב הסעודית דרש תאורת רחוב LED בעוצמה של 150 וואט על עמודים בגובה 12 מטר לאורך כביש מדברי, כאשר טמפרטורת הסביבה בקיץ עולה באופן קבוע על 45° צלזיוס ביום ונשארת מעל 35° צלזיוס בלילה — תנאי שמקטינים קיצוניים את היכולת של ניקוז חום דרך הולכה פסיבית בתאורת רחוב LED, מאחר שההפרש בטמפרטורה בין המניע החום לסביבה קטן מ־~50° צלזיוס (בטמפרטורת סביבה של 25° צלזיוס) ל־~25° צלזיוס (בטמפרטורת סביבה של 45° צלזיוס). הפרויקט התקין בתחילה תאורת רחוב LED מספקן שלא ביצע אימות תרמי לפעולת סביבה חמה — תוך 18 חודשים, ירדה עוצמת האור ב־25–30%, והגיעה מתחת לתקן העצמה המינימלית הנדרש לכביש.

הרשאה החליפה את יחידות נורות הרחוב הלא-פועלות המבוססות על דיודות פולטות אור (LED) במנורות HAIROLUX שתוכננו במיוחד לסביבות עם טמפרטורת סבירה גבוהה: שטח פנים מוגדל של הסנפירים (סנפירים עמוקים יותר, אורך מארז מוארך), חומר ממשק תרמי בעל ביצועים גבוהים יותר בין לוח הבקרה המודפסת עם מוליכים מתקדמים (MCPCB) למקרר, ונהגי LED שנועדו לפעול בטמפרטורה סביבתית של 70° צלזיוס במקום הטמפרטורה הסטנדרטית של 50° צלזיוס. לאחר 3 שנים של פעילות באותם תנאי מדבר, ירידה באינטנסיביות האור שנמדדה הייתה 8% — בתוך מסלול ה-L70 הצפוי ליותר מ-50,000 שעות. העיצוב התרמי של מנורת הרחוב HAIROLUX המבוססת על דיודות פולטות אור הוכיח כי פעילות בטמפרטורות סביבתיות גבוהות ניתנת לפתרון באמצעות הנדסה, ולא מהווה מגבלה מובנית בטכנולוגיית ה-LED.

שאולות נפוצות

מהי טמפרטורת החיבור המקסימלית המותרת של דיודה פולטת אור (LED)?

85°צ הוא טמפרטורת המפרק המקסימלית הסטנדרטית בתעשייה לפעולת נורות רחוב LED לטווח ארוך. מעל 85°צ, ירידה באינטנסיביות האור מואצת באופן לא ליניארי. ב-105°צ, נורה LED שנועדה לפעול 50,000 שעות עד לנקודת L70 עשויה להגיע לאותה נקודה כבר לאחר 15,000 שעות בלבד. מערכות התחממות של נורות רחוב LED של HAIROLUX מעוצבות כך שימשיכו לשמור על טמפרטורת המפרק מתחת ל-80°צ גם בתנאי סביבה קיצוניים.

למה להשתמש באלומיניום לגופי נורות רחוב LED?

לאלומיניום יש מוליכות תרמית של כ-200 וואט למטר לקלווין — כלומר, טובה פי 800 ביחס לפלסטיק (0.25 וואט למטר לקלווין) ופי 5 ביחס לפלדה (40 וואט למטר לקלווין). אלומיניום יצוק במתכת מספק גם חוזק מבני, עמידות לתהליכים קורוזיביים ויכולת מחזור מלאה. גופי נורות רחוב LED של HAIROLUX עשויים מאלומיניום יצוק במתכת עם סנפירים מובנים לפיזור חום.

האם קירור פעיל (מאווררים) יכול להאריך את חיי הנורות?

קירור פעיל מפחית את טמפרטורת המפגש בטווח הקצר, אך מוסיף מאוורר בעל תקופת חיים טיפוסית של 30,000–50,000 שעות — קצרה יותר מדרוג ה-50,000+ שעות של נורת רחוב LED. כאשר המאוורר נכשל, טמפרטורת המפגש של ה-LED עולה באופן חדה וה-LEDs מתלכדים במהירות. קירור פסיבי (מאגר חום + الحمل טבעי) אינו כולל חלקים נעים כלל ואינו כפוף לתקלות — זהו העיצוב המועדף לאורך החיים של נורות רחוב LED.

איך הצטברות אבק משפיעה על קירור נורת רחוב LED?

אבק על סנפירים של מאגר החום פועל כשכבת בידוד, ומקטין את העברת החום לאויר הסביבתי ב-5–15%, בהתאם לעובי הצטברות האבק. עיצובי סנפירים שמתנקים בעצמם — סנפירים משופעים כלפי מטה עם משטחים חלקים — מפחיתים את השארות האבק בהשוואה למשטחים אופקיים. הגאומטריה של הסנפירים chez HAIROLUX לוקחת בחשבון הן ביצועי חום והן עמידות לזיהום.

האם דרגת ה-IP של נורת רחוב LED משפיעה על הקירור?

דרגות הגנה גבוהות יותר (IP66 לעומת IP65) מספקות הגנה טובה יותר מפני לחות ואבק, אך עלולות להגביל את זרימת האוויר הפנימית ול לכוד חום בתוך המיכל החסום. העיצוב האופטימלי מאוזן בין החיסום (להגנה סביבתית) לנתיבי הולכה תרמית שעוברים דרך המיכל – החום מועבר דרך דפנות המיכל בהולכה, ולא דרך חלל האוויר החסום בזרימה.

איך אפשר לאשר את הביצועים התרמיים של מנורת רחוב LED?

בקש את דוח הדמיה התרמית של היצרן, אשר מציג את טמפרטורת המפגש במקסימום הטמפרטורה הסביבתית של הפרויקט, ולא בתנאי מעבדה של 25° צלזיוס. בקש את נתוני בדיקת LM-80 עבור מודל ה-LED הספציפי בשימוש, וכן את התחזיות לפי TM-21 הכוללות את טמפרטורת המפגש בפועל של המנורה במקום ההתקנה (ולא את טמפרטורת המפגש באידיאליות כפי שמציגה חברת ה-LED). HAIROLUX מספקת מסמכים תרמיים יחד עם הצעות המחיר לפרוייקטים.