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LED灯具的散热问题

来源:ofweek 日期:2017/5/31 13:54:15 浏览量:... 分享到:
LED提供了令人振奋的设计机会,一切有关于此的议论时常被这样几个字阻碍:热管理。“当白炽灯泡可以通过辐射消耗热量,LED却几乎不产生红外热量。”普瑞技术营销总监Michael Gershowitz说。因此,LED必须通过热传导进行散热,否则就有如下风险:亮度、寿命、以及颜色稳定性的表现将会减弱。

但是时间和市场需求总有办法将技术推进到这样一个节点,即热管理会很快成为灯具设计中后期的考虑,而不是障碍。随着LED不断迭代,光效也持续呈指数级增长,现今LED效率已超过50%,即:他们将能量转化成光比热量更多。多数OEM厂商已抛弃原有使用LED简单替换传统灯具的做法,转而根据LED光源特点生产特制并优化过的灯具。并且如今LED可以“在更高温度下工作更长时间,且亮度不会衰减。”Acuity Brands Lighting室内新产品开发及技术总监Mark Hand这样表示。

 

LED技术及灯具设计的进步,制造商值得夸耀的事情可不止于此。热管理策略也一直在进步并蓬勃发展。尽管被动散热和主动散热仍是主要选择,但其他的创新技术也在加入其中。

 

被动散热

 

超过90%的LED灯具采用被动散热。在此策略下,LED封装件的热量经由高导热性材质散热器以直接的物理接触方式传导出去。“铝材——通常是经挤压或者压铸成为带鳍片的圆形——由于其质轻,价廉及易制性,是用作散热器的标准材料。”Xicato战略伙伴经理Christopher Reed说。目前,制造商们因其可靠性更亲睐被动散热器。“即便不是完全一样,他们50000小时或者20年后的表现和第一天也是相去不远的。”Reed说。

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图:被动散热——鳍片散热器(来源:baidu)

 

但是哪怕是一个经过检验并证实可靠的解决方案也可以得到改善。在设计师们通过巧妙处理鳍片厚度及间距优化散热器的同时,被动散热策略也发展出一种新的形式——鳍柱散热器。不同于挤压型叶片的是,鳍柱散热器类似于倒置的圆桌上装着大量的桌腿,而LED器件就贴在这个桌子表面。

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图:被动散热——鳍柱散热器(来源:baidu)

 

Reed表示,柱状鳍片使得加热的空气上升然后绕着鳍柱不受阻碍地流出。在一些可旋转的灯具上这一特质具有优势,比如轨道灯。“当你将一个标准的挤压成型的鳍片散热器倾斜时,空气无法在同一个方向或者重力轴上流动,因为它总是要进入到鳍片中去。”Reed说。

 

照明厂商也开始将灯体变成一体化的散热解决方案。采用这种策略,安装在隔热天花系统中的灯具边圈既可以起到修饰作用,又可以散热。同理,CREE Aeroblades系列路灯那些雕刻般的鳍片所起的作用,可不是“花瓶”那么简单。

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图:CREE Aeroblades系列路灯(来源:CREE官网)

 

“随着LED变得越来越高效,所要求的散热器的体积和重量也越来越小。”CREE应用工程副总裁 Mark McClear表示。随之,材料及运输成本也会降低。“当LED变得越来越高效,一切都朝着正确的方向在发展。”McClear说。

 

主动散热

 

被动热管理的便利性经常被散热器的笨重所困扰。这种体积对于小型灯具会是问题,对于密封的户外灯具而言也不合适,并且对于高光通筒灯也不可行。主动散热依靠强制循环空气,而不是自然对流,“使之在一个小得多的空间内散发更多的热量,”Hand如是说。

 

主动散热本身要求使用更多的活动部件,增加成本,所以被OEM厂商接受的进度比较慢。但是,最新的进展使得主动散热方案变得更加高效且可靠。

 

甚至实际上的主动散热方案——风扇——也已取得很大的进步。据Xicato的Reed解释称,长期以来的配置方案是要么使用滑动轴承——典型的由塑料或高分子聚合物材质构成,且易受灰尘集聚及时间的影响——要么就是更加耐用的金属滚珠轴承系统。

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图:某产品采用风扇主动散热和无风扇时的热分布对比(来源:baidu)

 

为了消除风扇轴承与传动轴之间的摩擦,位于加利福利亚州Brea的散热设计公司Sunon引入了磁悬浮技术。为了对付灰尘集聚,这家公司还开发了一个双向回转技术,即机器在运转的最初几秒钟风扇反转,“以脱除扇叶上的灰尘”,Reed说。

 

噪音是主动散热招致抱怨的另一缘由。比如,在装有轨道灯的房间里,平均每个灯具的音量在15-30分贝,主动散热带来的噪音非常明显。“听上去像一个蜂箱,”Reed说。位于康涅狄格州Farmington的Ebm-Papst公司提供一种运行时只有7分贝的风扇,这是Reed迄今所见最为安静的风扇产品。

 

针对那些对风扇仍有所怀疑的制造商,位于德州Austin的Nuventix提供一种脉冲硅膜技术,此技术可将来自LED的空气排至散热器,进而,散热器体积可减小到独立的被动散热方案的三分之一。合成射流技术,或叫SynJet,“没有任何旋转或摩擦部件。”Nuventix市场营销高级副总裁Tom Dalton说。取而代之的是,它使用LED驱动供电使得薄膜每秒颤动50次——他估计耗电约为0.35-1W——这些绝热脉冲产生湍气流形成一种更好的对流散热方式,这要比由风扇产生的层状气流更佳。Reed说。这项技术,SynJet可以保用5年,可使硅膜扩展到超出极限10%,Nuventix的Dalton说。

 

尽管一些厂商对于主动散热上的活动部件仍有忧虑,但大多数都认同主动散热比被动散热更高效。“散热越多并且悄无声息,情况就会越好。”Gershowitz说道。

 

混合散热管

 

热管技术,是电脑采用的成熟散热机制,结合了主动与被动散热方案这二者的特性,也引起了OEM厂商及照明制造商的兴趣。本质上,热管是由密封金属管,内部填充导热液体构成,它将热量从LED处带走并送往远程的散热系统。尽管由于热源与散热器距离的加大,该系统的效力会减弱,热管仍然使得整体部件与众不同。“这种分离是一个绝好的设计机会。”Gershowitz说道。例如,紧凑型吊装灯具内的热管可将热量传输到一个具有创意的天花顶棚。“设计师们可以想出一些非常吸引人的方案。”他说。

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图:热管技术

 

FrigoDynamics公司已经将一些新的技巧应用到这个技术里面。这家德国公司创造了一种有效的混合散热技术,他们将热管穿过经策略性几何塑形的被动散热器金属叶片里,从而使得散热最大化。“热管是将热量从散热器一面排到另一面的要素。”Reed说。“这在排出热量上非常高效,并且散热器上下都能获得非常均匀恒定的温度。”

 

光明的未来

 

尚未在实践中证明可大展身手的技术,也吸引了来自一些好奇厂商的兴趣。Sandia Corp.一直长期致力于Sandia散热器的开发,这是一种单片金属风扇,依靠气浮轴承旋转,从而消除了物理轴承失效的潜在可能性。

 

如果不谈及散热介质材料,关于热管理策略方面的讨论是不全面的,那是填充在LED金属背板和其散热器之间微小空隙里的物质。选择何种导热衬垫材料填充在空气间隙里,对于LED热量传输是至关重要的。相变材料是一种貌似合理,有效且无论塑料还是金属散热基板都可以选择的材料,Gershowitz如是说。

 

Cambridge Nanatherm也专注于这些微观层面的复杂难题。这家英国公司最近推出了一种纳米陶瓷介电层,供LED PCB板使用,导热系数为7W/mK。MBPCBs通常使用环氧树脂填充物,其导热系数在1-3W/mK之间。Nanotherm称,他们的MBPCBs从LED芯片导出热量的效率比市场上的铝基PCB高20%。

 

除了热管理策略的进步之外,随着LED效率上升的速度——CREE的McClear预计到2020年将达到65%——LED散热将不再是灯具设计上的问题。Acuity的Mark Hand预测:低功率LED会战略性分布地转向自身散热,甚至不再需要专门的热管理策略。“在标尺的最顶端,人们会尝试并从更小的空间获得更高流明,他们将会开始关注导热性高分子聚合物。”这个可以注塑成多元化的LED套件,他表示。

 

普瑞的Gershowitz认为,即使LED效率取得进展,热管理仍需适当保留。“每前进一步……都不是为了降低功率或降低散热方案,OEM厂商会使用相同的散热方案,但是却使用更大的光源。”好消息是:热管理发展的速度,将允许OEM厂商及照明制造商将固态照明扩大到更多市场,丝毫不需担心会烧掉。

 


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