LED大功率灯具散热技术的创新设计.docVIP

LED大功率灯具散热技术的创新设计 摘 要: LED作为新一代绿色光源，环保型固体照明光源，已经成为人们关注的焦点，正在被广泛的应用于照明行业。它具有耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点。LED 发光时会有部分能量转化为热量，因此会使LED芯片温度升高。而温度对LED芯片的工作性能影响极大，高温会导致芯片射出的光子减少，色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命等严重的后果。因此为保证LED正常工作，必须将其散发出来的热量及时的散发出去。目前大功率LED 芯片应用的越来越多，据资料显示大功率LED 只能将约10%-15%的输入功率转化为光能，而将其余85%-90%转化为热能 ，因此散热问题更为严峻。 本文通过了解LED结温原因，并制定分析对策，利用热量传递的基本原理对大功率热源LED散热器进行技术创新，采用先进鳍片散热技术、热管散热技术及风冷鳍片散热技术等有效地将LED所产生的热量转移，从而保障LED等光电器件的正常运作。 关键字：LED散热；热特性；鳍片散热；热管散热；风冷鳍片散热。 LED发热的原理及散热的必要性 LED是一种新型绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、控制灵活、响应速度快等优点。但是受到当前LED芯片技术限制，目前LED发光效率低,大部分的能量全部转化成了热能。热量的集聚使芯片温度上升会引起LED光通量下降，变差，加速芯片老化使其寿命减短等一系列问题。LED芯片的散热问题已经成为大功率LED技术在照明工程应用的瓶颈。 LED温度与寿命关系图1 LED温度与发光效率关系图2 LED结温产生的原因及对策 产生LED结温的原因： LED芯片内部结构产生的内电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻，当电流流过时会产生焦耳热3； LED芯片内部PN结4的电子与空穴对合并时，一部分产生光，一部份以发热形式把能源消耗掉，最终都以热的形式表现出来； LED芯片内部PN结产生的光不能全部透射出来，一部分由于折射和全反射的存在，光转变成热的形式表现出来； LED芯片内部材料的热阻存在，使LED产生的热量不能及时导出，使结温上升。 降低LED结温的途径有哪些？ 减少LED本身的热阻； 良好的二次散热机构； 减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻； 控制额定输入功率; 降低环境温度 LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终均变成了热，从而抬升了元件的温度。显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。 热散发的基本形式 热传递的基本原理 热传递，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差，就会有热传递现象发生，并且将一直继续到温度相同的时候为止。发生热传递的唯一条件是存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。 热传递的三种方式，即“热传导”、“热对流”和“热辐射”。 热传导：它具有依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，在不产生相对运动，仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量； 热传导示意图 热对流：流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递的过程； 自然对流：靠物体的密度差，引起密度变化的最大因素是温度； 受迫对流：受到机械作用或压力差而引起的相对运动； 热对流示意图 热辐射：物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。 热辐射示意图 影响热传导的因素 散热材料的热传导率 散热结构造成的热阻 热传导材料的形状和尺寸 影响热对流的因素 气体的流动及其速度 液体的比热容及流动速度和体积 影响热辐射的因素 周围环境与介质的热阻性、热辐射本身材料的特性 影响散热的主要因素 导热材料的导热率和热阻。 不同材料接触面的热阻和介质材料的热阻。 散热器材料的材质及散热面积。 散热器结构的形式。 散热器与空气形成热交换的速率。 环境温度和风速的影响。 散热原理分析与技术创新 傅立叶定律5：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即 Q—单位时间传导的热量，简称传热速率，W； A—导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2； λ—比例系数，称为物质的导热系数，W/(m2·K)(或W/(m2·℃)。式中的负号是指热流方向和温度梯度方向相反，即热量从高温向低温传递。傅立叶定律是热传导的基本定律。 导热系数在数值上等于单位导热面积、单位温度