Thermisch ontwerp in onderwater-LED-armaturen: waar de warmte naartoe gaat

Een onderwaterarmatuur werkt in de beste en slechtste thermische omgeving die tegelijkertijd beschikbaar is. Water voert warmte veel effectiever af dan lucht, en een afgesloten behuizing biedt vrijwel geen mogelijkheid voor warmte om deze te bereiken. Elke beslissing over hoe een onderwaterlamp wordt gebouwd, is een beslissing over die tegenstrijdigheid.

Een afgedichte behuizing is eerder een thermisch probleem dan een afdichtingsprobleem

Afdichting en thermisch ontwerp trekken in tegengestelde richtingen. Een dikkere wand sluit betrouwbaarder af en biedt weerstand tegen de warmtestroom. Potgrond beschermt de elektronica tegen water en kapselt deze ook in, zodat de warmte er doorheen moet reizen. Een verwijderbare afdekking om de bestuurder te bereiken betekent een compressieafdichting, en een compressieafdichting is de verbinding die na verloop van tijd het meest waarschijnlijk gaat lekken.

Het resultaat is dat een onderwaterarmatuur geen gesloten lamp is waaraan een thermisch probleem is verbonden. Het is een thermisch ontwerp met een afdichtingseis, en de geometrie van de behuizing, de wanddikte, het materiaal en de interne bevestigingsmethode komen daar allemaal uit voort.

Voor een koper is dit de reden dat twee armaturen met hetzelfde aantal LED's en hetzelfde wattage zich over een periode van vijf jaar anders kunnen gedragen. De dobbelsteen gedraagt ​​zich identiek. Wat verschilt is hoe snel de warmte het verlaat.

Het hittepad, stap voor stap

Warmte van een LED reist langs een ketting en elke stap in de ketting heeft een thermische weerstand. Het totaal bepaalt de junctietemperatuur.

De verbinding met het pakket, gerepareerd door de LED-fabrikant

Het pakket op het bord, ingesteld door de soldeerverbinding en het padontwerp

Het bord op de behuizing, ingesteld door het interfacemateriaal en de contactdruk

Door de behuizingswand, bepaald door het materiaal en de dikte ervan

Van het oppervlak van de behuizing tot in het water, bepaald door het oppervlak en de beweging van het water

Stap drie en vier zijn waar een fabrikant de meeste invloed heeft, en stap drie is waar goedkope ontwerpen het meeste weggeven. Een metalen-kernplaat die op een machinaal bewerkt oppervlak is geklemd, draagt ​​de warmte goed over. Hetzelfde bord dat op een geverfd oppervlak zit zonder interfacemateriaal, brengt het slecht over, en het verschil komt tot uiting in een hogere junctietemperatuur bij hetzelfde vermogen.

Stap vijf hoort bij de installatie en niet bij het product. Daarom kan een armatuur in twee bassins van hetzelfde formaat verschillend presteren. Daarover hieronder meer.

Waarom water niet alleen een goed koellichaam is

De thermische geleidbaarheid van water is vele malen groter dan die van lucht, en die vergelijking wordt aangehaald alsof daarmee de vraag is opgelost. Dat is niet het geval, omdat de geleiding in water afhankelijk is van het bewegende water.

Water dat in contact komt met een warm oppervlak vormt een grenslaag die het isoleert. In stilstaand water wordt die laag dikker en valt de warmteoverdracht weg. In bewegend water wordt het voortdurend opzij geschoven en blijft de warmteoverdracht hoog. Een armatuur in een vijver zonder circulatie en hetzelfde armatuur in een fonteinbassin met draaiende pomp zijn twee verschillende thermische installaties.

Drie andere effecten zijn van belang bij service:

Opgesloten lucht. Een armatuur dat onder een richel is gemonteerd, of met de voorkant naar beneden gericht, kan een luchtzak tegen het bovenoppervlak houden. Lucht isoleert en de zak is onzichtbaar vanaf boven water.

Stortingen. Biofilm, algen en kalkaanslag hebben allemaal een lage thermische geleidbaarheid. Een behuizing met een zichtbare coating is een behuizing die een deel van zijn koeling heeft verloren.

Sediment. Een armatuur dat half-begraven is in slib in een bassin dat zelden wordt schoongemaakt, heeft het grootste deel van de oppervlakte verloren waarvoor het was ontworpen.

Geen van deze zijn fabricagefouten. Het zijn bedrijfsomstandigheden, en een specificatie die ervan uitgaat dat schoon water beweegt, zou dat ook moeten zeggen, omdat deze aanname is waarop het thermische ontwerp was gebaseerd.

Tj, Tc, en waarom je de kasttemperatuur kunt meten

LED-fabrikanten publiceren een maximale junctietemperatuur, meestal rond de 125 graden of 150 graden, afhankelijk van het pakket. Het verbindingspunt bevindt zich in de matrijs en kan in een afgewerkte armatuur niet rechtstreeks worden gemeten.

Wat kan worden gemeten is de temperatuur van de behuizing, en wat fabrikanten doen is de relatie tussen deze twee voor een bepaald ontwerp vaststellen. Dit is de reden waarom LM-80-rapporten worden uitgevoerd bij gespecificeerde kasttemperaturen in plaats van bij een omgevingswaarde: de kasttemperatuur is de randvoorwaarde die het laboratoriumresultaat koppelt aan het echte product.

Twee gevolgen voor kopers:

Wanneer een leverancier een lumenbehoudscijfer claimt, vraag dan bij welke kasttemperatuur deze is gemeten en hoe dat zich verhoudt tot de kasttemperatuur van de voltooide armatuur in gebruik.

Wanneer u een armatuur specificeert, beschrijf dan de bedrijfstoestand en niet alleen de elektrische vereisten. Het bereik van de watertemperatuur, het debiet en of het armatuur ooit aan lucht wordt blootgesteld, zijn de factoren waarvan het thermische ontwerp afhankelijk is.

Meestal is de bestuurder het eerste dat faalt

Het LED-pakket is robuust en voorspelbaar. De voeding ook niet, want deze bevat elektrolytische condensatoren waarvan de levensduur halveert bij ongeveer elke tien graden temperatuurstijging.

In een onderdompelbare armatuur zit de driver op de slechtst beschikbare plaats: afgesloten, zonder luchtstroom, vaak naast de LED's die hij aanstuurt. Een bestuurder in die positie is een slijtageartikel met een levensduur, geen permanent onderdeel.

Dit is het sterkste argument om de twee te scheiden. Een ontwerp waarbij de bestuurder zich buiten het water bevindt, aan de droge kant in een geventileerde ruimte of een technische ruimte, haalt het meest temperatuur-gevoelige onderdeel uit de slechtste thermische omgeving en verandert de storingsmodus van het hele systeem.

Als de driver geïntegreerd moet worden, zijn de praktische vragen of de armatuur geopend kan worden om deze te vervangen, en of het vervangende onderdeel een voorraadonderdeel is. Een verzegelde eenheid met een defecte driver is een volledige vervanging van het armatuur, en de kosten daarvan worden gedomineerd door de toegang.

Droogloop: wat gebeurt er als de pomp stopt en de lampen blijven branden

Een dompelarmatuur is ontworpen met water aan de andere kant van de behuizing. Verwijder het water en de laatste stap van het warmtepad wordt vervangen door lucht, die grofweg twintig keer slechter is als geleider en oneindig slechter zonder convectie in een gesloten bassin.

De gevolgen komen in een bepaalde volgorde:

De temperatuur van de behuizing stijgt, evenals de junctietemperatuur

De lichtopbrengst neemt af, omdat de LED-efficiëntie afneemt naarmate de chip warmer wordt

Kleurverschuivingen, omdat de kanalen met verschillende snelheden drijven

De condensatoren van de driver verouderen sneller

Door thermische spanning wordt de afdichting in een cyclus gebracht, en de afdichting is de volgende mislukking

Een functie die de lampjes laat branden terwijl de pomp uitstaat, doet dit elke keer. Het kan het eerste seizoen overleven. Wat het niet zal doen, is de levensduur bereiken die in de datasheet wordt beschreven, omdat de datasheet een andere toestand beschrijft.

De remedie is een controlebeslissing en geen productbeslissing. Verbind de verlichting met de pomp, zodat de lampen niet zonder stroom kunnen werken, of gebruik een armatuur waarvan het thermische ontwerp blootstelling aan lucht tolereert, en zeg welke van de twee van toepassing is in de specificatie. De derde optie, zonder stroom doorgaan en de verkorte levensduur accepteren, is een legitieme commerciële keuze zolang iedereen in het gesprek weet dat dit de keuze is die wordt gemaakt.

Zet de bedrijfsconditie in de specificatie in plaats van deze aan de hand van conclusies over te laten, en als het bassin de doorstroming niet kan garanderen, behandel de vergrendeling dan als onderdeel van de elektrische reikwijdte in plaats van als een bedieningsinstructie.

Ingegoten of bruikbaar: de afweging-in eenvoudige bewoordingen

Twee bouwfamilies domineren.

Volledig ingepot. De elektronica is ingekapseld in een compound in de behuizing. De warmtespreiding is goed, de afdichting is de meest robuuste die verkrijgbaar is en er zijn geen interne verbindingen die kunnen lekken. Het is ook niet te repareren: als de driver uitvalt, wordt het armatuur vervangen.

Verzegeld maar te openen. De aandrijving en de pakking zijn bereikbaar. Reserveonderdelen en een lange levensduur zijn mogelijk, en de afdichtingstaak is moeilijker omdat er een compressieverbinding is die correct moet worden gemaakt, en na elke interventie opnieuw -op de juiste manier moet worden gemaakt.

De keuze wordt meestal voor u gemaakt door of het water afgevoerd kan worden. Een zwembad dat jaarlijks wordt geleegd, kan een ingemaakte armatuur accepteren, omdat vervanging gepland is in plaats van storend. Een bassin dat nooit leegloopt, of een zwembad dat continu in gebruik is, pleit voor een armatuur waarvan de verbruiksonderdelen bereikbaar zijn zonder een kubieke meter water te verplaatsen.

Wat een thermische test eigenlijk laat zien

Een thermische test op een dompelarmatuur is niet één enkele meting. Het is een reeks metingen die worden uitgevoerd totdat de temperatuur niet meer stijgt, onder omstandigheden die moeten worden vermeld voordat het resultaat iets betekent.

Wat een nuttig testrapport u oplevert:

De watertemperatuur tijdens de test, en of deze constant werd gehouden of mocht drijven

Of het water stilstond of circuleerde, en in welk tempo, als dat bekend is

De kasttemperatuur op het gedefinieerde meetpunt, en waar dat punt zich bevindt

Het daadwerkelijk tijdens de test opgenomen vermogen, in plaats van het nominale getal

De duur en het bewijs dat de steady state is bereikt

Het laatste item is waar versneld testen blijkt. Een armatuur met een gegoten metalen behuizing heeft een aanzienlijke thermische massa en de behuizing warmt langzaam op. Bij een test die na dertig minuten stopt, wordt gemeten hoe de behuizing opwarmt, en niet hoe de armatuur zes uur lang blijft staan. Als een rapport de inweektijd niet vermeldt, is de kasttemperatuur daarin voorlopig.

Voor een koper is het praktische gebruik van een thermisch rapport eerder een vergelijking dan een absoluut oordeel. Twee leveranciers die op dezelfde beschreven voorwaarde testen, kunnen met elkaar worden vergeleken. Twee leveranciers die een enkele temperatuur zonder testomstandigheden opgeven, kunnen helemaal niet worden vergeleken.

Wat te specificeren

Schrijf deze in de specificatie en het thermische ontwerp heeft iets waartegen getoetst moet worden:

Het watertemperatuurbereik tijdens gebruik, inclusief de koudste en warmste verwachte temperatuur

Of het water in beweging is of zich nog steeds op de bevestigingspositie bevindt, en de veronderstelde stroming

Of het armatuur ooit zonder water van stroom kan worden voorzien, en zo ja, voor hoe lang

De maximale luchttemperatuur wanneer het bassin leeg is en het armatuur in de volle zon staat

Of de driver nu geïntegreerd of op afstand is, en indien op afstand, waar deze is geïnstalleerd

Of het armatuur bruikbaar moet blijven als het nooit wordt leeggemaakt

Waar we zitten

We bouwen onderdompelbare armaturen met de driver geïntegreerd of op afstand, en we geven de bedrijfsconditie aan die het thermische ontwerp aanneemt in plaats van deze aan de hand van conclusies over te laten. Als de verlichting van een bassin onafhankelijk van de pomp werkt, adviseren wij een vergrendeling en leveren wij de bedradingsdetails.

Als uw schema verlichting geeft zonder gegarandeerde waterstroom, geef dit dan aan tijdens de aanvraagfase. Een IP68 onderwaterlamp en een12V fonteinlichtEr zijn verschillende thermische gevallen, en het antwoord verandert met de montage. Onsbedrijfsprofielbeschrijft hoe wij omgaan met sollicitatievragen.

Controle van een droog-toepassing met stilstaand- water

Vertel ons het pompschema, het bassintype en de montagepositie en wij vertellen u welke van onze modellen geschikt is voor de toepassing en welke niet.