Neste blog post, apresentamos um notável estudo de caso realizado pela Celera, uma empresa de alta tecnologia especializada em soluções de gerenciamento térmico para dispositivos e componentes eletrônicos. O caso se concentra no uso da tecnologia Simcenter FLOEFD para simular com precisão a temperatura e o fluxo de calor em iluminação LED de alta potência. Reproduzimos o resumo executivo e as principais descobertas do caso original escrito por Norbert Arthur Frauz, coordenador de engenharia da Celera. O estudo mostra a experiência da Celera em alavancar ferramentas avançadas de simulação e medições precisas para fornecer serviços inovadores de consultoria em gerenciamento térmico para vários setores industriais.
Celera:
A Celera é uma empresa líder em alta tecnologia especializada no fornecimento de soluções de gerenciamento térmico para dispositivos e componentes eletrônicos em vários setores. Ao utilizar tecnologias avançadas, como o software Simcenter FLOEFD, a Celera simula com precisão a distribuição de temperatura e o fluxo de calor, permitindo a identificação de possíveis problemas e o desenvolvimento de soluções eficazes. Com foco na satisfação do cliente, a Celera oferece suporte técnico especializado e produtos de alta qualidade para empresas renomadas em todo o mundo.
Sobre o autor:
Norbert Arthur Frauz é o Coordenador de Engenharia da Celera. É Engenheiro de Controle e Automação, especializado em Fluidos e Termodinâmica. Norbert é responsável pela coordenação de projetos técnicos e de inovação, com amplo conhecimento em simulações CFD aplicadas a semicondutores e luminárias LED de alta potência, com foco na dissipação de calor por convecção natural.
Simulações Térmicas na Indústria de Iluminação LED
Simulando além das propriedades térmicas – propriedades de materiais e calibração de semicondutores
Sumário executivo
A Celera usa a tecnologia Simcenter FLOEFD para simular com precisão a temperatura na junção do LED e o calor espalhado pelos componentes que compõem a luminária. A empresa também utiliza equipamentos avançados de caracterização, Simcenter T3STER e TerraLed, para melhorar a precisão das simulações CFD de componentes eletrônicos. Essas ferramentas permitem que a Celera ofereça serviços de consultoria em gestão térmica de alta tecnologia para diversos setores industriais, fornecendo suporte técnico especializado e produtos de alta qualidade
Introducão
Na Celera, nós fornecemos soluções de gerenciamento térmico para várias indústrias, incluindo iluminação LED de alta potência.
Celera
A Celera é uma empresa de alta tecnologia que fornece soluções de gerenciamento térmico para dispositivos e componentes eletrônicos em vários setores, incluindo o setor de iluminação LED de alta potência. Usando tecnologia avançada, como o software Simcenter FLOEFD, a Celera é capaz de simular com precisão a temperatura e o fluxo de calor em componentes eletrônicos, permitindo identificar problemas e fornecer soluções eficazes para garantir desempenho e durabilidade ideais desses componentes. A empresa atende diversas empresas líderes em seus respectivos setores em diversos países, oferecendo suporte técnico especializado e produtos de qualidade acima da média do mercado.
LEDs de Alta Potência
Utilizando o software FLOEFD em conjunto com a precisão dos resultados medidos pelo Celera, conseguimos identificar um problema em uma luminária de LED para horticultura que estava causando a queima da lente de policarbonato. Por meio de simulações de dinâmica de fluidos e térmicas realizadas com FLOEFD e medições precisas usando equipamentos T3ster e TerraLed, conseguimos entender o comportamento da luminária LED e identificar a causa raiz do problema.
Simulações, resultados e ferramentas
Inicialmente, pensou-se que o problema estava relacionado ao excesso de calor gerado pelos LEDs. No entanto, após caracterizar os LEDs no equipamento, configurar a luminária no software CFD (digital twin) e analisar os resultados da simulação, identificou-se que a causa da queima da lente foi o efeito cascata ocorrido devido à absorção de uma porção do espectro azul emitido pelos LEDs pela lente de policarbonato. Isso levou a um processo de degradação, que diminuiu sua transparência e, consequentemente, mais energia térmica foi absorvida do feixe de luz, levando à carbonização da lente e consequente queima dos LEDs.
Por meio dessa simulação detalhada, que levou em consideração não apenas aspectos elétricos, mas também propriedades do material e propriedades fotométricas, foi possível identificar o real problema e encontrar uma solução para melhorar a luminária LED, evitando assim perdas e insatisfação do cliente. Nosso cliente (Audax) nos enviou algumas luminárias para podermos medir a temperatura na junção dos LEDs após a estabilização térmica. Essas luminárias passaram por testes, e cada um dos LEDs azul, branco e vermelho foi monitorado individualmente para que se conhecessem suas temperaturas máximas, conforme a foto.
Adicionalmente, cada tipo de LED foi testado na esfera integradora TerraLed para determinar sua eficiência luminosa, geração de calor e resistência de junção até a base da placa de circuito impresso.
Nessas medições iniciais, já notamos que as temperaturas de junção não eram muito altas e por si só não levariam ao derretimento das lentes. Com esses dados obtidos de medições empíricas de laboratório, caracterizamos a simulação FLOEFD. Ao analisar os resultados da simulação, constatou-se que a simulação representava fielmente o funcionamento real da luminária e as temperaturas na luminária estavam em uma faixa operacional segura.
Entramos em contato com o fabricante das lentes de policarbonato para obter mais informações sobre as propriedades de absorção das lentes. Com essas novas curvas, caracterizamos o material no software e configuramos os comprimentos de onda emitidos por cada um dos LEDs e simulamos novamente. Desta vez, o resultado foi totalmente diferente, e já durante a estabilização da simulação, o software nos informou que a lente estava derretendo. Ao analisar os resultados, vimos que a lente foi submetida a temperaturas muito mais altas do que poderia suportar, mas não a partir da base dos LEDs, mas sim absorvida pelo feixe de luz.
Fatores que afetam a análise
As análises realizadas com o FLOEFD levam em consideração vários fatores, incluindo geometria do produto, condições operacionais, materiais e propriedades térmicas. Esses fatores afetam diretamente as condições de fluxo e transferência de calor, que podem ser analisadas com o FLOEFD. Por exemplo, em uma análise de luminárias, a geometria e os materiais da luminária podem afetar a distribuição de temperatura e a condensação/formação de gelo. As condições de operação, como temperatura ambiente e potência da luminária, também afetam diretamente esses resultados.
Resultado e objetivos da análise
Os resultados das análises realizadas com o FLOEFD incluem informações detalhadas sobre o desempenho do produto, incluindo fluxo, temperatura e transferência de calor. Esses resultados podem ser usados para otimizar o projeto do produto, melhorar a eficiência energética e garantir que o produto atenda aos requisitos regulamentares e de segurança. Os objetivos das análises incluem reduzir o tempo de desenvolvimento do produto, melhorar a qualidade do produto e reduzir os custos de prototipagem e teste. Além disso, as análises realizadas com o FLOEFD ajudam a aumentar a confiança no projeto do produto, reduzindo o risco de falhas e problemas de desempenho.
FLOEFD é uma tecnologia de simulação computacional de dinâmica de fluidos computacionalmente eficiente e fácil de usar. Ele permite que os engenheiros realizem análises avançadas de fluidos e transferência de calor diretamente no CAD, ajudando a identificar rapidamente problemas de projeto e reduzir o tempo de desenvolvimento do produto. Com o FLOEFD, as análises de fluxo, transferência de calor e mecânica dos fluidos podem ser realizadas em uma ampla gama de aplicações, desde luminárias e eletrônicos automotivos até turbinas a gás. |
Conclusão
Utilizamos as ferramentas FLOEFD há vários anos e sua importância para ajudar nossos clientes a desenvolver projetos melhores e mais rápidos continua crescendo. No caso citado acima, ao utilizar essas soluções em conjunto, conseguimos identificar um problema bem específico que provavelmente não teria sido encontrado de outra forma.
Com base nesses dados, a Celera conseguiu ajudar o cliente a desenvolver soluções mais eficientes e seguras, como a substituição do material da lente e a adição de uma manta de grafite para melhorar o contato térmico entre a placa de circuito impresso e o dissipador de calor. Estas soluções permitiram reduzir significativamente o risco de falha prematura do LED, garantindo maior durabilidade e fiabilidade do produto final.
Além disso, o uso do FLOEFD também possibilitou uma melhora significativa na eficiência luminosa das luminárias LED. Com os resultados obtidos nas simulações, a Celera conseguiu otimizar o projeto do sistema óptico das luminárias, aumentando a intensidade da luz emitida e reduzindo a perda de luz. Essa melhoria resultou em maior eficiência energética das luminárias, proporcionando economia de energia para os usuários finais. Em resumo, os estudos realizados com a FLOEFD permitiram à CELERA desenvolver produtos mais eficientes, seguros e confiáveis, agregando valor aos seus clientes e ao mercado.
Sobre o autor
Norbert Arthur Frauz. Coordenador de Engenharia da Celera, Engenheiro de Controle e Automação, Especialista em Fluidos e Termodinâmica, Coordenador de Projetos Técnicos e de Inovação, com amplo conhecimento em simulações CFD aplicadas a semicondutores e luminárias LED de alta potência e com dissipação por convecção natural.
Referências:
CELERA Fibras “http://www.celerafibras.com.br/", Campinas SP Brazil, 2023.
ASTM International "ASTM D5470-12, Standard test method for thermal transmission properties of thin thermally conductive solid" Philadelphia PA USA, 2012.
Clemens J. M. Lasance and András Poppe, "Thermal Management for LED Applications" Springer, New York NY USA, 2014.
Frank Incropera and David DeWitt, "Fundamentals of Heat and Mass Transfer", 4th Edition, Wiley, New York NY USA, 1996.
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