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LED路燈的散熱設計

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2014-05-20  瀏覽次數(shù):952
核心提示:LED路燈散熱技術,一般使用多為導熱板方式,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,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熱和散熱性能。
     傳統(tǒng)LED路燈設計主要設計重點在LED的流明數(shù)上,而對的散熱則的關注較少。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。與之對應的傳熱學理論體系已經(jīng)成熟,我們可以使用的傳熱手段也基本明確:傳導、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,一般使用多為導熱板方式,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、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,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、加裝風扇強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。加裝風扇強制散熱方式系統(tǒng)復雜、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路燈散熱設計中存在的問題有:散熱翅片面積隨意設定,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、加導熱硅脂等等,卻沒有認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重不均勻,將會導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,其弧柱面兩側面為立面,立面也開有陣列通孔,在弧弦柱形殼體內(nèi)腔設有4~10條軸向排列的并與弧柱面和弦柱面固接立筋導熱板,立筋導熱板和弧弦柱形殼體兩側的兩個立面也都開有陣列通孔,立筋導熱板和弧弦柱形殼體兩側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,立筋導熱板也都充當散熱面,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計時應關注的一個重要方面。在這一方面也是國內(nèi)把LED應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計無法達到IP45及以上等級,無法滿足GB7000.5/IEC6598-2-3 標準的要求。
 
    (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,這種設計雖說能滿足IP試驗,但是由于燈具內(nèi)的不通風會造成在工作時,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)采用了儀表風扇對LED及散熱器進行散熱,其進風口設計在燈具的下方,以避免雨水的進入,出風口設計在下射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,較合理的設計指導思想是:
     a、在關鍵的散熱位置,采用導熱板。導熱板是在金屬板的內(nèi)部,均布有供冷媒流動的細導管,并在細導管內(nèi)充有冷媒,當導熱板的某一部位受熱時,細導管內(nèi)的冷媒會快速流動而使熱量迅速地傳導。好的導熱板的熱傳導系數(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,導熱膠就扮演關鍵角色,有些廠商以為導熱膠膜或?qū)崮z墊的導熱系數(shù)要好,膜厚要越厚越好,卻沒想熱阻問題。導熱系數(shù)再好,碰到膜厚的熱阻也沒用。更何況導熱膠膜或軟質(zhì)導熱墊片,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的熱阻存在之下,散熱導熱的效率無形中就被降低了。
 
     熱阻要低要用對導熱膠,推薦網(wǎng)印施工的軟陶瓷導熱膠。網(wǎng)印施工的軟陶瓷導熱膠不同于傳統(tǒng)的貼合式導熱膠膜,軟陶瓷導熱膠是軟質(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,可適應各種形狀的散熱結構,也可調(diào)整成不同色彩,因應景觀設計的需求。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燈具的成本結構隨著封裝技術、載板設計、散熱模塊結構的精進發(fā)展,質(zhì)量不斷的提升,成本也隨著技術發(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)展的歷程與習性相關。臺灣廠商長于制程與設計,在材料基礎研發(fā)上著墨較少。所以在解決技術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。
 
     應用場所
     LED路燈主要應用、主干路、次干路、支路、工廠、學校、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、芯片工藝等基礎層次進一步提升。在二次光學設計方面,LED的輻射形式有朗伯型、側射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領域,根據(jù)設計經(jīng)驗朗伯型和蝙蝠翼型比較適用,通過二次光學設計,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,這種設計方式是不可能得到良好的燈具配光的。
 
 
 
 
 
 
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