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浅谈LED灯具散热结构设计,对设计灯具时有所帮助

来源:灯商生意经 / 作者:刘年兵/ 整编:杨长青

灯商帮【第83期】分享课

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大家好,我是航育照明的刘年兵,今天给大家分享下技术类,也欢迎有问题的提问,大家一起探讨。

LED灯具已经成为第四代光源,在日常生活中已广泛应用。目前LED灯具在结构设计上,还没有完全脱离第三代传统光源设计思维局限,尤其是散热结构还需要优化改进,本次就灯具散热问题与灯商帮朋友专题交流分享,愿各位在设计灯具时有所帮助,具体内容如下:

一、热力学知识概要

热力学三定律是热学的核心,其中与灯具设计关联性紧密的知识是三种传热方式:传导、对流和辐射,就目前灯具散热结构而言,主要的应用是传导和对流。

1、热路

热路就是热能所走的路线,就灯具而言,热路大致是由灯珠、灯板和散热器构成,LED灯珠是热源,灯珠的热量传导进入铝基板,铝基板传导热量进入散热器,散热器再把热能以传导、对流和辐射三种方式输送到散热器表面及附近空气里,最后通过空气热浮力对流,将热量输送到远离灯具的空气里,即完成灯具散热全过程。

2、热阻

热阻就是热量在传输的过程中遇见的阻力,热阻除了和材质有关,还有热路设计的合理性有关。就理论而言,原子和分子晶体热阻最小(除绝对超导),其导热靠晶振,如金刚石、刚玉、优质玉石等,其次是金属,其导热载体为电子,如金、银、铜、铝等,非金属绝缘材料相对热阻很大,如塑料、木质、玻璃等,在热路设计中尽量避免使用热绝缘材料。

3、散热设计注意事项

3.1 热路中断或阻碍

在灯具设计和制造中,常见的热路中断或受阻容易出现在以下几个部位:a灯珠与铝基板之间悬空,b铝基板与散热器之间有空气夹层,c散热器结构不合理等。

空气是热的不良导体,当灯珠与铝基板悬空后,灯珠的热量聚集升温很快,LED芯片结温过高,荧光粉受损,可能伴随有光衰、死灯,电路断路等现象。

铝基板和散热器之间接触面积较大,在组装的过程中,固定螺丝松或者灯板变形,灯板无法与散热器无缝对接,间隙中夹杂大量空气分子,这些空气分子犹如一床棉被,阻碍了灯板与散热器之间的热量传导,导致灯板和灯珠体温高,散热器体温较低,影响灯具使用寿命。

有些设计制造者,缺乏热力学专业知识,一味追求灯具外观和艺术等因素,中断了热路。还有一些设计者考虑到铝材或铁片表面外观本色缺陷,或者为了防止户外气候环境对灯具的腐蚀性,在散热器表面喷涂油漆和塑粉,因为这些材料都是热的不良导体,因此阻碍的散热片的热量传送到空气中,缩短了灯具使用寿命。

3.2、散热有效性

散热片不是越大越好,也不只是表面与空气之间的接触面积越大越好,而是各种因素决定它的散热性能。材质导热性能好、热路畅通、传导对流辐射结构合理等因素都决定散热优劣。

在热路设计合理的情况下,就材质而言,铜散热比型材铝好,型材铝比压铸铝好,压铸铝比塑料好。

就设计结构而言,同等材料,散热有效面积越大越好,特别强调的是,有效散热面积,有些散热面设计的齿片密度过高,表面上与空气接触的散热面积很大,但实际上有些面积是无效的,因为加热后的热空气不能排除,依然携带热量聚集在灯具体内。散热片过密,阻碍了空气热交换对流,散热片与散热片之间相互黑体辐射,相互吸收热量,让空气对流的效率降低。

综上所述,优质的散热片需要充分运用好热力学专业知识,结合灯具本身功能特性,以及艺术、审美等众多因素,综合权衡而设计。

3.3、热对流受阻

有些工程师散热器设计合理,但是没有考虑到空气对流热交换因素,把一个好的散热片安装在一个相对密封的灯罩里,散热器产生的热量传送到其表面的空气中,加热后的空气做对流运动受阻,散热片内的空气运动自由度很小,导致灯具的体温较高。

热对流受阻是目前灯具行业存在的最广泛的问题,设计者要重点考虑,冷空气的进气口和热空气的排气口是否流畅?冷空气能够进入灯体的深度?准确的知道对流空气和无法对流空气所占的比例,尽量缩小无法对流空气的比例。

总而言之,产品是物化的思维,运用好相关专业知识,洞察社会,会得到一款功能和艺术完美的产品。

互动时间

问:刘总,以旋压球泡来说,它的散热到底怎样?

答:有图片吗?要看具体结构才能分析。

答:如果是上图这种,一瓦以内,可以保证寿命。

问:以你看来,怎样做才能达到最佳?

答:公司条件好的,会用热成像仪,看的就很精确,陶瓷可以提高一点功率,这个灯成本低,有市场空间的。刚才你发的这个灯只能体表散热的。

问:如果打上散热孔呢?对流孔。

答:上下两排可以,要形成高度差,靠灯板一圈孔,靠金属螺纹一圈孔,有孔后容易进蚊虫,灯板上不能有空隙,避免蚊虫落到面罩内部。对流你可以参考烟囱,有压力差,还有一个加速的管道模型,有管道了,浮力可以持续加速。

最后感谢灯商帮的群友,因为有这个平台,才让我们更加相互信任共同进步,得到很多扎实干货。我是航育照明的刘年兵也欢迎同行朋友一起来交流,共同进步。

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