Un’idea “luminosa” per i fari delle automobili

 I diodi ad emissione luminosa (LED) vengono sempre più spesso utilizzati per i fanali delle autovetture e si stima che, entro il 2020, il 20% delle automobili ne saranno equipaggiate. Il basso consumo energetico ne migliora l’efficienza, mentre le dimensioni ridotte consentono una maggiore libertà nella realizzazione di progetti sofisticati e innovativi. Il principale ostacolo a un utilizzo più diffuso dei LED è rappresentato dalla gestione termica. Normalmente il 70% dell’energia si converte in calore, e i LED sono perfino più sensibili rispetto ad altre tecnologie di illuminazione perché - come accade per gli altri semiconduttori - le loro giunzioni devono essere fresche per funzionare correttamente. La maggior parte dei fari a LED utilizza heat sink in alluminio o rame, e il raffreddamento ad aria forzata o liquido per dissipare il calore.
Momentive Materials Performance (Momentive) ha sviluppato la Thermal Pyrolytic Graphite (TPG), un nuovo materiale che offre il quadruplo della conducibilità termica del rame ad un quarto del peso. L’elevata conducibilità del TPG deriva dai cristalli di grafite ’orientati’ in una struttura stratificata. Per commercializzare questo nuovo materiale per applicazioni automotive, Momentive ha deciso di sviluppare nuovi progetti di dissipatore di calore che potessero migliorare le prestazioni degli attuali fari LED. Realizzare e testare un unico prototipo richiederebbe settimane di lavoro e svariati tentativi ma, sfruttando ANSYS Fluent, il software CFD (Computational Fluid Dynamics), gli ingegneri Momentive hanno potuto prevedere con precisione le prestazioni di progetti di gestione termica alternativi in soli 15 minuti. In un’applicazione generica, gli ingegneri hanno dimostrato che - grazie alla simulazione - la TPG può raddoppiare la luminosità di un LED mantenendo le stesse premesse progettuali di gestione termica. In alternativa, eliminando un ventilatore utilizzato per il raffreddamento ad aria forzata, gli ingegneri potrebbero ridurre i costi di gestione termica e il consumo energetico, nonché migliorare l’affidabilità del faro, il tutto mantenendo la stessa luminosità. Una volta ultimati, i progetti sono stati prototipati e le prestazioni dei gruppi LED hanno rispettato perfettamente le previsioni della simulazione.

SIMULARE IL PROGETTO ORIGINALE

La temperatura di giunzione del diodo di un faro LED aftermarket deve essere mantenuta al di sotto dei 120° C. Il progetto originale raffredda il LED grazie a un dispersore di calore, un heat sink con alette e una ventola elettrica. Gli ingegneri Momentive hanno utilizzato ANSYS CFD per modellare tutti i componenti dell’insieme e aggiunto al modello la conduttività termica di ogni componente. L’input di calore è stato stimato al 70% dei 30 watt totali di potenza dei due LED e specificato come fonte di calore volumetrica nel chip. Il modello è stato simulato con un flusso di aria forzata di 3 piedi cubici al minuto. La simulazione prevedeva una resistenza termica complessiva di 5,9 C/W. Il dispositivo è stato inoltre dotato di termocoppie nel die, dispersore di calore, heat sink fin e base, nonché “alloggiamento” leggero. Le temperature in ogni posizione come funzione della potenza in ingresso sono state raccolte dopo aver raggiunto un equilibrio. Le previsioni derivanti dalla simulazione corrispondevano ai dati sperimentali, confermando l’esattezza della simulazione.

PROGETTAZIONE MIGLIORATA DELLE ALETTE

Partendo dallo studio del modello, i dissipatori (heat sink fin e heat sink base) sono stati identificati come i colli di bottiglia del flusso di calore. Il passo successivo è stato quello di modificarne il design per migliorare la conduzione termica e validarne le prestazioni attraverso la modellazione CFD. Gli ingegneri Momentive hanno modificato nel modello il materiale dei dissipatori, optando per un laminato costituito da un nucleo TPG con un rivestimento di stagno. Poiché TPG è un materiale morbido - dovuto alle forze di van der Waals (forze attrattive o repulsive tra molecole chiamate così in onore dello studioso Johannes Diderik van der Waals che ne formulò la legge nel 1873) tra gli strati di grafene - deve in genere essere contenuto in alcune membrane strutturali. In questo caso, è stato identificato un rivestimento di stagno sottile per proteggere il materiale TPG dall’umidità e dall’abrasione e consentire il riflusso e la saldatura del materiale TPG direttamente sulla base di alluminio. L’elevata conducibilità termica del materiale TPG può diffondere il calore in modo più uniforme su tutta la struttura delle alette, utilizzandone la superficie in modo più efficiente. I risultati di simulazione hanno prodotto una resistenza termica di 4,7 C/W,  del 20% inferiore a quella del progetto iniziale.

DESIGN MIGLIORATO

Successivamente, gli ingegneri Momentive hanno analizzato il progetto per facilitare il flusso di calore attraverso la stretta base del dissipatore, iniziando con la sostituzione di quest’area con una piastra TPG a forma di T inserita in un contenitore di alluminio dotato di una cavità con la stessa forma. Le giunzioni opacizzate ad alta temperatura presenti tra il materiale TPG metallizzato e i componenti in alluminio offrono eccellenti interfacce termiche e altissima capacità di adesione in grado di sopportare le temperature di saldatura “a valle” che si sviluppano quando LED die e alette TPG vengono saldati. La simulazione ha mostrato che la base del dissipatore di calore TPG riduce il gradiente di temperatura lungo il collo dell’heat sink e delle alette e aumenta l’area effettiva di dispersione. I risultati di simulazione per il LED con heat sink core TPG hanno prodotto un’ulteriore riduzione della resistenza termica del 29% (la resistenza termica nominale è di 3,0 C/W), assicurando una riduzione totale del 49% rispetto al progetto base. Grazie alla simulazione si è giunti alla conclusione che in questa specifica applicazione, sostituendo heat sink fin e base con un materiale basato su TPG, si avrebbe il doppio di potenza al LED, raddoppiandone la luminosità senza aumentare la temperatura di giunzione rispetto al progetto base. I risultati di simulazione sono stati poi confermati dalla misurazione dei prototipi a LED costruiti sulla base dei progetti di cui sopra. Ulteriori esplorazioni hanno inoltre evidenziato che il faro potrebbe essere utilizzato a una potenza di 30 watt senza la necessità di una ventola elettrico, riducendo efficacemente costo, peso e consumo di energia e aumentandone l’affidabilità grazie all’eliminazione di un potenziale punto di rottura. In futuro, gli ingegneri Momentive si avvarranno della simulazione per evidenziare ai clienti dell’industria automobilistica, aerospaziale, delle telecomunicazioni e della difesa i vantaggi delle soluzioni di gestione termica basate su TPG. L’utilizzo della simulazione all’inizio del processo di progettazione risulta fondamentale per l’efficienza energetica e le prestazioni di tutte le elettroniche ad alta potenza.

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