室內(nèi)LED照明燈具3類散熱器散熱之謎

目前LED照明燈具的最大技術(shù)難題就是散熱問題，散熱不暢導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源、電解電容器都成了LED照明燈具進(jìn)一步發(fā)展的短板，LED光源早衰的緣由。在使用LVLED光源的燈具方案中，由于LED光源工作在低電壓(VF=3.2V)、大電流(IF=300-700mA)的工作狀態(tài)，發(fā)熱很厲害，傳統(tǒng)燈具的空間狹小，小面積的散熱器很難很快導(dǎo)出熱量。盡管采用了多種散熱方案，結(jié)果都不盡人意，成為L(zhǎng)ED照明燈具一道無解的難題。尋找簡(jiǎn)單易用、導(dǎo)熱性能好，而低成本的散熱材料始終都在努力中。

目前LED光源在上電后，大約30%電能轉(zhuǎn)化為光能，其余的轉(zhuǎn)化成熱能因此要將這么多的熱能盡快導(dǎo)出是LED燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，熱能需要通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射才能散發(fā)。只有盡快導(dǎo)出熱量才能有效降低LED燈具內(nèi)的腔體溫度，才能保護(hù)電源不在持久的高溫環(huán)境下工作，才能避免LED光源因長(zhǎng)期高溫工作而發(fā)生早衰。

LED照明燈具的散熱途徑：

正因?yàn)長(zhǎng)ED光源自身沒有紅外線、紫外線，因此LED光源自身沒有輻射散熱功能，LED照明燈具的散熱途徑只能通過與LED燈珠板密切組合的散熱器來導(dǎo)出熱量。散熱器必須具備熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射的功能。

任何散熱器，除了要能快速地把熱量從發(fā)熱源傳導(dǎo)到散熱器的表面，最主要的還是要靠對(duì)流和輻射把熱量散發(fā)到空氣中去。導(dǎo)熱只解決了傳熱的途徑，而熱對(duì)流是散熱器的主要功能，散熱性能主要由散熱面積、形狀、自然對(duì)流強(qiáng)度的能力決定，熱輻射只是輔助的作用。一般來說，如果熱量從熱源到散熱器表面的距離小于5mm，那么只要材料導(dǎo)熱系數(shù)大于5時(shí)，其熱量就可導(dǎo)出，其余散熱就必須由熱對(duì)流來主導(dǎo)的了。這可以從圖1的導(dǎo)熱系數(shù)和傳導(dǎo)對(duì)流散熱的關(guān)系曲線看出來。

鋁合金散熱器

大多數(shù)的LED照明光源仍然使用低電壓(VF=3.2V)、大電流(IF=200-700mA)的LED燈珠，由于工作時(shí)熱量高，必須使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁合金。通常有壓鑄鋁散熱器、擠壓鋁散熱器、沖壓鋁散熱器。壓鑄鋁散熱器是一種壓力鑄造零件的技術(shù)，將液態(tài)鋅銅鋁合金澆注入壓鑄機(jī)的入料口，經(jīng)壓鑄機(jī)壓鑄，鑄造出事先設(shè)計(jì)模具限定的形狀散熱器。

壓鑄鋁散熱器如圖2所示，生產(chǎn)成本可控，散熱翼無法做薄，很難使散熱面積最大化。LED燈具散熱器常用壓鑄材料為ADC10和ADC12。

擠壓鋁散熱器是將液態(tài)鋁通過固定的模具擠壓成型，然后將棒材通過機(jī)加工切割成需要的形狀的散熱器，后期加工成本較高。擠壓鋁散熱器如圖3所示。散熱翼可以做得很多很薄，散熱面積得到最大的擴(kuò)展，散熱翼工作時(shí)自動(dòng)形成空氣對(duì)流擴(kuò)散熱量，散熱效果較好。常用材料是AL6061和AL6063。

沖壓鋁散熱器是通過沖床和模具對(duì)鋼鐵、鋁合金的板材沖壓、拉升，使之成為杯筒型的散熱器，沖壓成型的散熱器內(nèi)外周邊平滑，因無翼而散熱面積有限。常用鋁合金材料是5052、6061、6063。沖壓件質(zhì)量很小，材料利用率高，是一種低成本方案。沖壓鋁散熱器如圖4所示。

鋁合金散熱器的導(dǎo)熱是比較理想的，比較適用于隔離的開關(guān)恒流電源。對(duì)于非隔離開關(guān)恒流電源來說，需要通過燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做好交流和直流、高壓和低壓電源的隔離，才能通過CE或UL認(rèn)證。

塑料包鋁散熱器

塑包鋁散熱器是一種導(dǎo)熱塑料外殼鋁芯的散熱器。導(dǎo)熱塑料與鋁散熱芯在注塑機(jī)上一次成型，鋁散熱芯做埋件，需要預(yù)先進(jìn)行機(jī)械加工。LED燈珠的熱量通過鋁散熱芯快速傳導(dǎo)給導(dǎo)熱塑料，導(dǎo)熱塑料利用它的多翼形成空氣對(duì)流散熱，利用它的表面輻射部分熱量。

塑包鋁散熱器一般利用導(dǎo)熱塑料本來的顏色白色(圖5)和黑色(圖6)，黑色塑料的塑包鋁散熱器的輻射散熱效果更好一點(diǎn)。導(dǎo)熱塑料一種熱塑性材料，材料的流動(dòng)性、密度、韌性、強(qiáng)度都易于注塑成型，具有很好的耐冷熱沖擊循環(huán)特性，絕緣性能優(yōu)良。導(dǎo)熱塑料輻射系數(shù)優(yōu)于普通的金屬材料。導(dǎo)熱塑料密度比壓鑄鋁和陶瓷小40%，同樣形狀的散熱器，塑包鋁的重量可減少將近三分之一;與全鋁散熱器相比較加工成本低，加工周期短，加工溫度低;成品不易碎;客戶自備注塑機(jī)可進(jìn)行燈具差異化外形設(shè)計(jì)生產(chǎn)。塑包鋁散熱器絕緣性能好，容易通過安規(guī)。

高導(dǎo)熱塑料散熱器

高導(dǎo)熱塑料散熱器最近發(fā)展很快，高導(dǎo)熱塑料散熱器一種全塑料的散熱器，它的導(dǎo)熱系數(shù)比普通塑料高幾十倍，達(dá)2-9w/mk，具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)、熱輻射能力;可應(yīng)用于各種功率燈具的新型絕緣散熱材料，可廣泛應(yīng)用于1W～200W的各類LED燈具。

高導(dǎo)熱塑料耐壓等級(jí)可達(dá)交流6000V，適合采用非隔離開關(guān)恒流電源、HVLED的高壓線性恒流電源。使這類LED照明燈具易于通過CE、TUV、UL等嚴(yán)格安規(guī)檢測(cè)。HVLED采用高電壓(VF=35-280VDC)、小電流(IF=20-60mA)工作狀態(tài)，HVLED燈珠板的發(fā)熱因此而降低。高導(dǎo)熱塑料散熱器采用傳統(tǒng)的注塑、擠塑機(jī)均可。一次成型，成品光潔度高。大幅提升生效率，造型設(shè)計(jì)靈活度高，可充分發(fā)揮設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念。高導(dǎo)熱塑料散熱器采用PLA(玉米淀粉)聚合而成，全降解、無殘留、無化學(xué)污染，生產(chǎn)過程無任何重金屬污染，無污水，無廢氣，符合全球環(huán)保要求。

高導(dǎo)熱塑料散熱體內(nèi)部PLA分子間密布納米級(jí)金屬離子，在高溫下可快速運(yùn)動(dòng)，增加熱輻射能量。其活力優(yōu)于金屬材料散熱體。高導(dǎo)熱塑料散熱器耐高溫，150℃五小時(shí)不破裂，不變形，配合高壓線性恒流IC驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)用，無需電解電容和大體積電感，大幅提升LED整燈壽命，非隔離電源方案，效率高、成本低。特別適合日光燈管、大功率工礦燈的應(yīng)用。

高導(dǎo)熱塑料散熱器可以設(shè)計(jì)很多精密的散熱翼，散熱翼可以做得很多很薄，散熱面積得到最大的擴(kuò)展，散熱翼工作時(shí)自動(dòng)形成空氣對(duì)流擴(kuò)散熱量，散熱效果較好。LED燈珠的熱量通過高導(dǎo)熱塑料直接到散熱翼，通過空氣對(duì)流和表面輻射快速散熱。

高導(dǎo)熱塑料散熱器密度要比鋁輕。鋁的密度是2700kg/m3，而塑料的密度為1420kg/m3，差不多為鋁的一半，所以同樣形狀的散熱器，塑料散熱器的重量只有鋁的1/2。而且加工簡(jiǎn)單，其成型周期可以縮短20-50%，這也就降低了成本的動(dòng)力。球泡燈的高導(dǎo)熱塑料散熱器如圖7所示;5WMR16的高導(dǎo)熱塑料散熱器如圖8所示;7W球泡燈的一體化光電模塊和高導(dǎo)熱塑料散熱器如圖9所示;120W工礦燈的高導(dǎo)熱塑料散熱器如圖10所示。