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LED路燈的散熱設(shè)計

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2014-05-20  瀏覽次數(shù):1012
核心提示:LED路燈散熱技術(shù),一般使用多為導(dǎo)熱板方式,是一片5mm厚的銅板,實際上算是均溫板,把熱源均溫掉;也有加裝散熱片來散熱,但是重量太大。國內(nèi)有廠家采用全球首創(chuàng)的針狀散熱技術(shù),針狀散熱器的散熱效率要比傳統(tǒng)片狀散熱器有很大幅度提高,能使LED結(jié)溫比普通散熱器低15℃以上,并且防水性能比普通鋁型材散熱器要好,同時在重量和體積上也有所改進。另外,針對大功率LED燈具開發(fā)的石墨散熱片也具有良好的導(dǎo)熱和散熱性能。
     傳統(tǒng)LED路燈設(shè)計主要設(shè)計重點在LED的流明數(shù)上,而對的散熱則的關(guān)注較少。實際上,LED的流明數(shù)正在迅速的增加。2009年量產(chǎn)LED的單瓦流明數(shù)已經(jīng)達到100流明,而且這一數(shù)值還在快速地增長。與之對應(yīng)的傳熱學(xué)理論體系已經(jīng)成熟,我們可以使用的傳熱手段也基本明確:傳導(dǎo)、對流、輻射和相變傳熱。因此,在傳熱或者說散熱問題上,我們可以采取的措施是可見的、有限的。

     LED路燈散熱技術(shù),一般使用多為導(dǎo)熱板方式,是一片5mm厚的銅板,實際上算是均溫板,把熱源均溫掉;也有加裝散熱片來散熱,但是重量太大。重量在路燈系統(tǒng)上十分重要,因為路燈高有9米,若太重危險性就增加,尤其遇到臺風(fēng)、地震都可能產(chǎn)生意外.國內(nèi)有廠家采用全球首創(chuàng)的針狀散熱技術(shù),針狀散熱器的散熱效率要比傳統(tǒng)片狀散熱器有很大幅度提高,能使LED結(jié)溫比普通散熱器低15℃以上,并且防水性能比普通鋁型材散熱器要好,同時在重量和體積上也有所改進。另外,針對大功率LED燈具開發(fā)的石墨散熱片也具有良好的導(dǎo)熱和散熱性能。
 
     LED路燈的散熱方式主要有:自然對流散熱、加裝風(fēng)扇強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。加裝風(fēng)扇強制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低,熱管和回路熱管散熱方式成本高。而路燈具有戶外夜間使用、散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等有利于空氣自然對流散熱的優(yōu)點,所以LED路燈建議盡可能選擇自然對流散熱方式。
LED路燈散熱設(shè)計中存在的問題有:散熱翅片面積隨意設(shè)定,散熱翅片布置方式不合理,燈具散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式,影響到翅片效果的發(fā)揮,強調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié),盡管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施:熱管、回路熱管、加導(dǎo)熱硅脂等等,卻沒有認(rèn)識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面積散走,.忽視傳熱的均衡性,如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻,將會導(dǎo)致其中一部分的翅片沒有發(fā)揮作用或作用很有限。
 
     散熱式大功率LED路燈燈具。其目的是解決大功率LED燈具散熱問題,提出一種空氣對流散熱式大功率LED路燈燈具,它包括有燈頭組件、燈具散熱體組件和燈尾組件,燈具散熱體組件為弧弦柱形殼體,兩端開口,其弧柱面兩側(cè)面為立面,立面也開有陣列通孔,在弧弦柱形殼體內(nèi)腔設(shè)有4~10條軸向排列的并與弧柱面和弦柱面固接立筋導(dǎo)熱板,立筋導(dǎo)熱板和弧弦柱形殼體兩側(cè)的兩個立面也都開有陣列通孔,立筋導(dǎo)熱板和弧弦柱形殼體兩側(cè)的兩個立面在燈具散熱體組件內(nèi)形成5~11條熱空氣流動的散熱通道。本實用新型優(yōu)點是散熱體內(nèi)腔有多條熱空氣流動的散熱通道,立筋導(dǎo)熱板也都充當(dāng)散熱面,熱交換面增加,熱排放效率高。
     LED路燈的散熱是需要重點解決的問題之一,不僅直接關(guān)系到LED實際工作時的發(fā)光效率,而且由于LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大,并且戶外這種使用環(huán)境比較苛刻,如果散熱不好會直接導(dǎo)致LED快速老化,穩(wěn)定性降低。因為在戶外使用的道路燈具,應(yīng)具有一定等級的防塵防水功能(IP),良好的IP防護往往會妨礙LED的散熱。解決這個相互矛盾但又都得解決的兩個問題是道路燈具設(shè)計時應(yīng)關(guān)注的一個重要方面。在這一方面也是國內(nèi)把LED應(yīng)用于道路燈具中時出現(xiàn)不合格及不合理的情況最多的。

     國內(nèi)使用中出現(xiàn)的不合格及不合理的情況基本有:
    (1)對LED采用了散熱器,但LED連線的接線端子及散熱器的設(shè)計無法達到IP45及以上等級,無法滿足GB7000.5/IEC6598-2-3 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
 
    (2)采用普通的道路燈具外殼,在燈具出光面內(nèi)用矩陣式LED,這種設(shè)計雖說能滿足IP試驗,但是由于燈具內(nèi)的不通風(fēng)會造成在工作時,燈具內(nèi)腔的溫度會升高到50℃~80℃,在如此高的工況下,LED的發(fā)光效率是不可能高的,同時LED的使用壽命也將大打折扣計,實際上存在明顯的不合理情況。
 
    (3)在燈具內(nèi)采用了儀表風(fēng)扇對LED及散熱器進行散熱,其進風(fēng)口設(shè)計在燈具的下方,以避免雨水的進入,出風(fēng)口設(shè)計在下射LED光源的四周。這樣也能有效避免雨水的進入,另外散熱器和LED(光源腔)不處于同一空腔內(nèi),這種設(shè)計如做的好,按燈具的IP試驗要求,能順利通過。這一方案,不僅解決了LED的散熱問題,而且同時滿足了IP等級的要求。但是這種看似良好的設(shè)計,實際上存在明顯的不合理情況。因為在我國絕大多數(shù)道路燈具的使用場合,空中的飛塵量是較大的,有時會達到很大(例如起沙塵暴),這類燈具在一般條件下使用一段時間后(約三個月至半年),其內(nèi)部散熱器的縫隙內(nèi)就會塞滿灰塵,使散熱器效果大打折扣,最后還會使LED因工作溫度過高而使用壽命明顯縮短。這一方案的不足是在于不能持久良好地使用。
 
     要兼顧道路燈具中LED的散熱及IP防護,較合理的設(shè)計指導(dǎo)思想是:
     a、在關(guān)鍵的散熱位置,采用導(dǎo)熱板。導(dǎo)熱板是在金屬板的內(nèi)部,均布有供冷媒流動的細導(dǎo)管,并在細導(dǎo)管內(nèi)充有冷媒,當(dāng)導(dǎo)熱板的某一部位受熱時,細導(dǎo)管內(nèi)的冷媒會快速流動而使熱量迅速地傳導(dǎo)。好的導(dǎo)熱板的熱傳導(dǎo)系數(shù)可以達到同厚度銅材板的8~12倍,雖說價格較高,但如在關(guān)鍵部位使用,對LED的散熱將起到事半功倍的作用。
     b、把燈具的外殼設(shè)計成散熱器狀。大部分的道路燈具外殼是鋁材的,直接利用燈具外殼外面作為散熱器既可以保證IP防護等級的要求,也可以得到很大的散熱面積,另外,燈具外殼組成的散熱器在有落塵時,可以通過自然的風(fēng)雨而沖洗,從而可保證散熱器工作的持續(xù)有效性。
QQ截圖20140520204541
     解決方法
     燈衰竭解決建議
     要解決這些既存問題,建議路燈廠商從基本材料上著手,從根本由內(nèi)而外的解決高功率LED熱源問題。舉例來說在發(fā)光組件與鋁基板的黏合時,導(dǎo)熱膠就扮演關(guān)鍵角色,有些廠商以為導(dǎo)熱膠膜或?qū)崮z墊的導(dǎo)熱系數(shù)要好,膜厚要越厚越好,卻沒想熱阻問題。導(dǎo)熱系數(shù)再好,碰到膜厚的熱阻也沒用。更何況導(dǎo)熱膠膜或軟質(zhì)導(dǎo)熱墊片,并不能真正的與基板密合,貼合面其實存在著許多孔隙。這些孔隙在電子顯微鏡下觀看,就像是空洞的氣穴,也就是另一種形式的熱阻質(zhì)。在這么多干擾熱傳導(dǎo)的熱阻存在之下,散熱導(dǎo)熱的效率無形中就被降低了。
 
     熱阻要低要用對導(dǎo)熱膠,推薦網(wǎng)印施工的軟陶瓷導(dǎo)熱膠。網(wǎng)印施工的軟陶瓷導(dǎo)熱膠不同于傳統(tǒng)的貼合式導(dǎo)熱膠膜,軟陶瓷導(dǎo)熱膠是軟質(zhì)半液態(tài),在網(wǎng)印機刮刀涂布于鋁基板時,導(dǎo)熱粒子會滲入基板表面的孔隙并予填補到滿。這樣就會形成一個完全平整沒有孔隙的平面,與LED磊晶載板黏合時會完全的密合。這樣一來就把熱阻減少到最低程度,熱度就能迅速的被傳導(dǎo)出去,自然就降低了LED晶粒的環(huán)境溫度,也延長磊晶的壽命以及大幅延緩光衰的發(fā)生。此外由于網(wǎng)印施工的軟陶瓷導(dǎo)熱漆具有延展性,在高溫烘烤或回焊時,會隨著鋁基板的熱脹冷縮一起變化,應(yīng)力非常小,不會造成鋁基板彎翹,更不會爆板。
 
     在LED燈具的外部保護推薦采用LED燈具軟陶瓷散熱漆。這種噴涂式軟陶瓷散熱漆可直接噴涂于LED燈具外部,施工操作簡便,可適應(yīng)各種形狀的散熱結(jié)構(gòu),也可調(diào)整成不同色彩,因應(yīng)景觀設(shè)計的需求。噴涂式散熱漆內(nèi)的軟陶瓷粒子,是經(jīng)過奈米化處理,粒子細微不僅易于噴槍操作,也讓同一涂布面積上的導(dǎo)熱粒子又多又密集,讓溫度揮發(fā)透散的面積也變大,讓LED燈具的熱能迅速的傳導(dǎo)出去。軟陶瓷散熱漆屬于熱固型材料,符合RoHS環(huán)保安全規(guī)范,施工程序簡便也無需任何特殊機具,經(jīng)過烘烤后熱固,可長時間承受LED的高溫不會有質(zhì)變問題。在戶外使用的LED路燈、景觀燈、或是LED廣告廣告牌、也都會面臨風(fēng)吹雨打、酸雨鳥糞、空氣粉塵、黑煙排放hELlip;等等的酸堿侵害。所以這種噴涂式軟陶瓷散熱漆一定要具備抗酸堿的特性,的抗酸堿值幅度在PH3~11,可以有效保護LED戶外燈具外觀不被侵蝕。
 
     LED燈具的成本結(jié)構(gòu)隨著封裝技術(shù)、載板設(shè)計、散熱模塊結(jié)構(gòu)的精進發(fā)展,質(zhì)量不斷的提升,成本也隨著技術(shù)發(fā)展及市場需求而下降。但是投入在材料改進的廠商還不多,這主要是跟臺灣工商發(fā)展的歷程與習(xí)性相關(guān)。臺灣廠商長于制程與設(shè)計,在材料基礎(chǔ)研發(fā)上著墨較少。所以在解決技術(shù)問題或降低成本等議題上,比較偏向采購思維或是生管思維。但是美日廠商在第一時間點,會從應(yīng)用材料上去思考,從創(chuàng)新的角度去降低成本,提升質(zhì)量及增加獲利。
 
     應(yīng)用場所
     LED路燈主要應(yīng)用、主干路、次干路、支路、工廠、學(xué)校、園林、城市廣場、庭院等道路照明。
     1、輸出功率及光通量的提高還需要從大功率白光LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進一步提升。在二次光學(xué)設(shè)計方面,LED的輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗朗伯型和蝙蝠翼型比較適用,通過二次光學(xué)設(shè)計,使得LED的光照范圍、光度曲線符合道路照明的需求。
LED在道路燈具中使用的最普遍形式主要是在燈具內(nèi),在一個幾乎是平板的安裝面(也是反光面)上,裝上了矩陣式的LED,這種設(shè)計方式是不可能得到良好的燈具配光的。
 
 
 
 
 
 
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