LED工矿灯散热模式大比拼
[ 本帖最后由 jshlrg 于 2011-12-31 15:43 编辑 ]
LED工矿灯散热技术大比拼（上）作者：杨子杰工矿灯一般用在工厂的车间、加油站、仓库、大型超市等，对于地域边远依靠发电机提供电能的牧场、军营等解决照明使用LED工矿灯更显示其优越性，通常100W以下的LED工矿灯在技术层面已经没有大的难题；但诸如码头、造船厂的厂房、大型车站等场合需要200W~500W的LED工矿灯替代传统的照明灯具目前难度还是很大的，其原因主要是散热难题所困扰，而超大功率的LED灯具在未来几年将会有极大的发展空间。功率大了相应的LED工矿灯四个主要组成部分，即：光源、机械结构、驱动电源及散热（光、机、电、热）都出现一些难题，相比其中原本排在第四位的散热问题更加突出了，需要加大力度给予解决。LED 的发光机理是靠PN 结中的电子在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格震荡将其余的能量转化为热能；通常业内将LED散热分为一次散热技术和二次散热技术，一次散热技术指LED 的芯片封装工序散热，热流途径为LED 芯片传导到封装芯片的热沉之上，二次散热技术指LED 照明灯具的散热设计，热流途径为LED芯片的封装热沉到周围的空气，事实上提高发光效率、减少热能产生是根本，无奈现在的技术还不能解决，大量的热由二次散热工序来完成。对于大多数LED 灯具设计师来说，LED 封装厂商提供完整的LED 封装芯片及其热性能参数，其主要任务是进行符合工业造型的二次散热设计， 设计时需要考虑的问题主要有：散热器的有效散热面积、热的传导方式、空气流态、表面辐射率等，还需要考虑制造工艺、成本、使用特性等，下面专题分析的均为二次散热问题。纵观大功率LED的散热机构一般有以下形式：主动式散热（强制散热）
加装风扇強制散热、水冷散热技术、LED照明制冷晶片。上述三种方式都有很强的散热能力，完全有能力解决高功率LED工矿灯的散热需求，其缺点是：安装风扇在稳定性方面有人们所耽心的寿命不匹配和维修更换风扇问题；优点是散热能力强，需要较少的散热片因此节省材料，重量轻；水冷式和LED照明制冷晶片具有比风冷更强的散热能力，但均需要額外付出更多电力散热，且散热端还需要另外设置结构散熱，故应有的很少。图一LED风扇强制散热工矿灯 5 天前 上传下载附件 (27.44KB) 5 天前 上传下载附件 (21.48KB)
图一LED风扇强制散热工矿灯---散热器内中心上部安装风扇说明：因为有风扇强制散热，散热片可以做的很密，体积比自然散热小很多被动散热（自然散热）
自然散热：利用热传导、热对流以及热辐射作为基本的散热原理。结构形式有以下几种：1.靠材料散热：自然散热产品占据LED散热市场的主流，以压铸成型和挤压成型为主要系列，工矿灯大多是垂直向下照射，故多选用铝挤压型材即太阳花形式，太阳花结构形式符合散热机理，可以有效进行热冷空气的交换；还有用铝压铸工艺通过结构设计成鳍片状、框架状、多柱状等多种形式，由于其基本原理是依靠铝材料传导，靠结构创造对流，靠面积的辐射进行散热，传热和散热效率取决于结构的优劣，这种模式想要解决100W以上的LED工矿灯散热问题必须是非常优秀的设计，到200W以上难度就更大了。 有些研究人员研制散热片表面纳米涂层，也有研制具有高导热系数的硅脂，在产品测试时发现有些许改善，但往往没有期望值那么高。图二工矿灯太阳花型材散热器和平板式型材散热器 5 天前 上传下载附件 (23.16KB) 5 天前 上传下载附件 (27.26KB) 图二工矿灯太阳花型材散热器和平板式型材散热器 另有采用石墨材料解决散热，在光源下面衬垫一片薄薄的石墨片据称是利用石墨具有高导热系数传热，这时接触热阻会把其优势抵消殆尽而难以得到好的散热效果；用柱形带鳍片的石墨直接做成散热器应用于较低功率的LED工矿灯效果应该不错，当功率大特别是散热片外露时，石墨容易脆裂就成为人们很难接受的缺点了。2.小热管加鰭片：热管利用液体物质遇热吸收热量汽化散发高潜热、经冷凝变回液体的两相变化进行热传导，因此使得热管具备极高的热传效率，传导的再快而没有快速的冷凝使热管正常运转是是无法发挥热管的效能的，故此热管必須在冷凝端安装足够面积的鰭片散熱（利用水冷或风冷热管会更好的发挥传热作用），为了使热管内液体满足工作温度的条件，通常需要管内抽真空并进行可靠的封闭，这项严格的工艺暴露出热管安全上的不足，一旦渗漏没有保护措施有可能损伤元件。图三工矿灯小热管焊鳍片散热器 5 天前 上传下载附件 (19.9KB) 5 天前 上传下载附件 (32.7KB)
图三工矿灯小热管焊鳍片散热器
LED工矿灯散热技术大比拼（上）作者：杨子杰工矿灯一般用在工厂的车间、加油站、仓库、大型超市等，对于地域边远依靠发电机提供电能的牧场、军营等解决照明使用LED工矿灯更显示其优越性，通常100W以下的LED工矿灯在技术层面已经没有大的难题；但诸如码头、造船厂的厂房、大型车站等场合需要200W~500W的LED工矿灯替代传统的照明灯具目前难度还是很大的，其原因主要是散热难题所困扰，而超大功率的LED灯具在未来几年将会有极大的发展空间。功率大了相应的LED工矿灯四个主要组成部分，即：光源、机械结构、驱动电源及散热（光、机、电、热）都出现一些难题，相比其中原本排在第四位的散热问题更加突出了，需要加大力度给予解决。LED 的发光机理是靠PN 结中的电子在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格震荡将其余的能量转化为热能；通常业内将LED散热分为一次散热技术和二次散热技术，一次散热技术指LED 的芯片封装工序散热，热流途径为LED 芯片传导到封装芯片的热沉之上，二次散热技术指LED 照明灯具的散热设计，热流途径为LED芯片的封装热沉到周围的空气，事实上提高发光效率、减少热能产生是根本，无奈现在的技术还不能解决，大量的热由二次散热工序来完成。对于大多数LED 灯具设计师来说，LED 封装厂商提供完整的LED 封装芯片及其热性能参数，其主要任务是进行符合工业造型的二次散热设计， 设计时需要考虑的问题主要有：散热器的有效散热面积、热的传导方式、空气流态、表面辐射率等，还需要考虑制造工艺、成本、使用特性等，下面专题分析的均为二次散热问题。纵观大功率LED的散热机构一般有以下形式：主动式散热（强制散热）
加装风扇強制散热、水冷散热技术、LED照明制冷晶片。上述三种方式都有很强的散热能力，完全有能力解决高功率LED工矿灯的散热需求，其缺点是：安装风扇在稳定性方面有人们所耽心的寿命不匹配和维修更换风扇问题；优点是散热能力强，需要较少的散热片因此节省材料，重量轻；水冷式和LED照明制冷晶片具有比风冷更强的散热能力，但均需要額外付出更多电力散热，且散热端还需要另外设置结构散熱，故应有的很少。图一LED风扇强制散热工矿灯 5 天前 上传下载附件 (27.44KB) 5 天前 上传下载附件 (21.48KB)
图一LED风扇强制散热工矿灯---散热器内中心上部安装风扇说明：因为有风扇强制散热，散热片可以做的很密，体积比自然散热小很多被动散热（自然散热）
自然散热：利用热传导、热对流以及热辐射作为基本的散热原理。结构形式有以下几种：1.靠材料散热：自然散热产品占据LED散热市场的主流，以压铸成型和挤压成型为主要系列，工矿灯大多是垂直向下照射，故多选用铝挤压型材即太阳花形式，太阳花结构形式符合散热机理，可以有效进行热冷空气的交换；还有用铝压铸工艺通过结构设计成鳍片状、框架状、多柱状等多种形式，由于其基本原理是依靠铝材料传导，靠结构创造对流，靠面积的辐射进行散热，传热和散热效率取决于结构的优劣，这种模式想要解决100W以上的LED工矿灯散热问题必须是非常优秀的设计，到200W以上难度就更大了。 有些研究人员研制散热片表面纳米涂层，也有研制具有高导热系数的硅脂，在产品测试时发现有些许改善，但往往没有期望值那么高。图二工矿灯太阳花型材散热器和平板式型材散热器 5 天前 上传下载附件 (23.16KB) 5 天前 上传下载附件 (27.26KB) 图二工矿灯太阳花型材散热器和平板式型材散热器 另有采用石墨材料解决散热，在光源下面衬垫一片薄薄的石墨片据称是利用石墨具有高导热系数传热，这时接触热阻会把其优势抵消殆尽而难以得到好的散热效果；用柱形带鳍片的石墨直接做成散热器应用于较低功率的LED工矿灯效果应该不错，当功率大特别是散热片外露时，石墨容易脆裂就成为人们很难接受的缺点了。2.小热管加鰭片：热管利用液体物质遇热吸收热量汽化散发高潜热、经冷凝变回液体的两相变化进行热传导，因此使得热管具备极高的热传效率，传导的再快而没有快速的冷凝使热管正常运转是是无法发挥热管的效能的，故此热管必須在冷凝端安装足够面积的鰭片散熱（利用水冷或风冷热管会更好的发挥传热作用），为了使热管内液体满足工作温度的条件，通常需要管内抽真空并进行可靠的封闭，这项严格的工艺暴露出热管安全上的不足，一旦渗漏没有保护措施有可能损伤元件。图三工矿灯小热管焊鳍片散热器 5 天前 上传下载附件 (19.9KB) 5 天前 上传下载附件 (32.7KB)
图三工矿灯小热管焊鳍片散热器
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