A PERFORMANCE STUDY OF USING THERMOELECTRIC INTEGRATED WITH A CLOSED LOOP LIQUID COOLING SYSTEM FOR TEMPERATURE REDUCTION IN HIGH POWER LED

Abstract

The purpose of this research is to design a high power LEDs cooling system using Thermo- electric device combined with a liquid-cooled loop system. 10 watts each are used in the high power LED’s, which have red, green and blue LED lights combined in the internal of one LED. The Experiments uses high power LEDs 10W 20W 40W and 80W, respectively. It was found that the minimal supply of electricity to the Thermoelectric at 0.5A can control the temperature of the LED high power to be steady at 60°C according to manufacturer specification. The comparison of three cooling systems comprised of Closed-loop liquid cooling, Heat pipe cooling and Heatsink cooling systems the room temperature 25°C. The Closed-loop liquid cooling system can reduce temperature up to 73.75% of high power LEDs compared to the Heat pipe cooling system at 5.63% and the Heatsink cooling system at 10.01%. The closed-loop liquid cooling system can also maintain the illumination in the form of Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD) values which is a necessity for the plant's photonics, being equal to 31.51 μmol.m-2.s-1 which was higher than using Heat pipe cooling system at 0.07 μmol.m-2.s-1 and Heatsink cooling system at 1.45 μmol.m-2.s-1. The LEDs with Closed-loop liquid cooling system can produce a maximum light intensity equal to 1187 lux, which is higher than using the Heat pipe cooling on Heatsink cooling system. Considering the cost of cooling system, the three systems found that the Closed-loop liquid cooling system uses a higher investment than the other two cooling systems, being 2,320 baht, 975 baht and 825 baht, respectively. Therefore, considering the investment cost of PPFD per 1 μmol.m-2.s-1 with distribution on the area of 1 m2 shows that the Closed-loop liquid cooling system cost 131.0 baht per unit which was the highest cost compared to the other two systems. However, the Closed-loop liquid cooling system can reduce the temperature of the high power LEDs and create the PPFD values that plants need for photosynthesis better than other systems.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบระบบระบายความร้อนของหลอดแอลอีดีกำลังงานสูงโดยการใช้แผ่นเทอร์โมอิเล็กทริกร่วมกับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำแบบวงปิด และ ศึกษาสมรรถนะการใช้แผ่นเทอร์โมอิเล็กทริกร่วมกับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำกับหลอดแอลอีดีกำลังงานสูง หลอดแอลอีดีกำลังงานสูงที่ใช้มีขนาดหลอดละ 10 W ซึ่งมีหลอด แอลอีดีแสงสีแดง แสงสีเขียว และแสงสีน้ำเงิน อยู่ในหลอดเดียวกัน โดยทำการทดลองกับหลอดแอลอีดีกำลังงานสูงขนาด 10 W 20 W 40 W และ 80 W ตามลำดับ จ่ายกระแสไฟฟ้าให้แผ่นเทอร์โมอิเล็กทริกน้อยที่สุดเท่ากับ 0.5A ซึ่งสามารถควบคุมอุณหภูมิของหลอดแอลอีดีกำลังงานสูงได้ไม่เกิน 60°C ตามรายละเอียดที่ผู้ผลิตระบุไว้ โดยทำการเปรียบเทียบการระบายความร้อน 3 ระบบคือ ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำแบบวงปิด ระบบระบายความร้อนด้วยฮีทไปป์ และระบบระบายความร้อนด้วยฮีทซิงค์ ขณะทดลองควบคุมอุณหภูมิห้องอยู่ที่ 25°C ทั้งนี้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ สามารถลดอุณหภูมิของหลอดแอลอีดีกำลังงานสูง สูงสุดเท่ากับ 73.75 % เมื่อเปรียบเทียบจะเห็นได้ว่าระบบระบายความร้อนด้วยน้ำนี้ ระบายความร้อนได้มากกว่าระบบระบายความร้อนฮีทไปป์คิดเป็น 5.63 % และมากกว่าระบบระบายความร้อนด้วยฮีทซิงค์เท่ากับ 10.01% และระบบระบายความร้อนด้วยน้ำยังสามารถรักษาสภาพการส่องสว่างในรูปแบบของค่า Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD) ที่มีความจำเป็นต่อการสังเคราะห์แสงของพืช สูงสุดเท่ากับ 31.51 μmol.m-2.s-1 ซึ่งพบว่าสูงกว่าระบบระบายความร้อนด้วยฮีทไปป์เท่ากับ 0.07 μmol.m-2.s-1 และระบบระบายความร้อนด้วยฮีทซิงค์เท่ากับ 1.45 μmol.m-2.s-1 ในทำนองเดียวกันหลอดแอลอีดีที่ติดตั้งระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสามารถสร้างค่าความเข้มแสง (Light Intensity) ได้สูงสุดเท่ากับ 1187 lux ซึ่งมีค่าความเข้มแสงสูงกว่าระบบระบายความร้อนด้วยฮีทไปป์และระบบระบายความร้อนด้วยฮีทซิงค์ เมื่อพิจารณาความคุ้มทุนทางเศรษฐศาสตร์ของระบบระบายความร้อนทั้ง 3 ระบบ พบว่าระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมีการลงทุนที่สูงกว่าระบบระบายความร้อนอื่นๆเท่ากับ 2,320 บาท 975บาท 825บาท ตามลำดับ ดังนั้นการลงทุนราคาต่อค่า PPDF ที่ 1 μmol.m-2.s-1 ที่มีการกระจายค่า PPDF บนพื้นที่ 1 m2 จะเห็นได้ว่าระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมีค่าใช้จ่ายต่อหน่วยอยู่ที่ 131.0 บาทซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูงสุดเมื่อเปรียบเทียบระบบอื่น แต่อย่างไรก็ตามระบบระบายความร้อนด้วยน้ำสามารถลดอุณหภูมิของหลอดแอลอีดีได้ดีที่สุด และสร้างค่า PPDF ที่พืชต้องการใช้ในการสังเคราะห์แสงได้ดีเช่นกัน