未來散熱趨勢——主動冷卻技術提高LED照明強度

　　對于通用照明應用來說，今年將會是非常重要的一年；相比2010年，今年的照明市場有望增長59%。置換燈具或者利用SSL來替代現(xiàn)有白熾燈和熒光燈發(fā)展迅速。用戶多看重LED燈具的高能效、長壽命和低維護費用。LEDs每年為商業(yè)和城市節(jié)約數(shù)百萬美元的能量和維護費用，并為用戶提供高效、高質量的照明環(huán)境。

　　盡管如此，還需要對LED進行改進，以便讓LED成為零售業(yè)、居住和室外照明應用的主要選擇。成本和照明強度是目前LED照明普及的主要局限。

　　LED的生產成本有望在2015年大幅度降低。美國能源部預計，在未來的五年內，LED燈具的生產成本將降低40%至50%。政府財政補貼和減價政策還將進一步降低LED成本。

　　照明強度是利用LED燈具的另一個主要考慮因素。盡管LED技術不斷發(fā)展，但是僅靠被動冷卻技術來生產高照明度LED難度很大。使用被動散熱片來進行冷卻的LED數(shù)量巨大，這也使得置換工程難度變大。如果使用小型散熱片的話，燈具由于受到熱損害將更易變質；還會使得其照明度明顯下降。

　　LED燈具散熱問題

　　散熱是影響LED燈具照明強度的一個主要因素。LED燈具比傳統(tǒng)的白熾燈能效高80%，但是其LED組件和驅動器電路散熱量很大。如果這些熱量沒有適當?shù)呐欧懦鋈?，LED燈具的發(fā)光度和壽命將會急劇下降。

　　散熱片能解決低照明度LED燈具的散熱問題。燈具廠商能生產40W LED替代燈以及60W LED替代燈。高照明度LED燈具就會遇到散熱問題。一個散熱片是無法解決75W或者100W LED燈具的散熱問題的。

　　對高亮度燈泡的需求顯而易見，75W和100W燈泡占據(jù)了照明市場很大份額。市場都渴望利用LED燈具固有的節(jié)能和維修優(yōu)勢。2007年的美國能源獨立和安全法案要求從2012年起使用更高效率的照明燈具。這些新要求促使消費者們尋找照明質量好、壽命高并且照明度強的燈具來替代現(xiàn)有的白熾燈。

　　為了達到理想的照明強度，必須使用主動冷卻技術來解決LED 燈具組件釋放的熱量。一些主動冷卻解決方案例如風扇的壽命沒有LED燈具高。為了給高亮度LED燈具提供一個實用的主動冷卻解決方案，散熱技術必須是低能耗的；并且能適用于小型燈具；其壽命要與燈源相似或高于燈源。

　　合成射流冷卻法

圖1：空氣釋放時的合成射流速度向量（點擊圖片放大）

　　合成射流技術為LED燈具提供了一個主動冷卻解決方案；并為全球許多大型照明公司采用。這種緊湊冷卻模組解決了目前阻礙LED燈具發(fā)展的所有難題：散熱、小型設計以及可靠性。

　　合成射流替代了傳統(tǒng)的風扇；對于LED散熱來說是一個極佳的選擇。通過隔膜的運動，引起氣流在開口處的周期性吸入與發(fā)射，從而形成了射流；如圖1所示。圖1中前三個畫面顯示了氣體的發(fā)射階段：此階段形成了帶有旋渦的射流；射流處氣體向下對流。一旦旋渦流向下行，開口處附近的空氣就會被帶動，從而形成射流；如圖1中后兩個畫面所示。

　　該急速湍流空氣每秒脈沖數(shù)可達30至200，沖破熱界面層，提高從熱源（主要是LED散熱片）出散發(fā)的大部分熱量；從而排放掉大量的熱。這種高速脈沖氣流能精確放置于需要冷卻的地方，例如散熱片翼；從而進一步提高合成射流的散熱效率。

　　合成射流技術優(yōu)點很多。第一，該技術散熱量更多；與傳統(tǒng)的射流技術相比，需要的空氣量更少。散熱片尺寸要比原來的小三分之二，并且要輕許多；從而減少燈具的尺寸，并使得替換更加方便；同時還能維持有效的照明強度。合成射流與主動冷卻相關的層流相比，散熱效率要高50%。

　　這種合成射流型設計適用于任何LED燈具的設計：更換、室外照明、零售、工業(yè)照明等。合成射流能夠以傳統(tǒng)的鼓風機無法實現(xiàn)的方式使氣流發(fā)生變化，從而完成獨特的設計。

　　最后，這種合成射流的規(guī)格耐久性高，對維持LED燈具的高壽命很有幫助。該模組部件移動沒有任何摩擦，從而使得這種設計更可靠、壽命更長、更抗灰塵和污染、并且無任何噪音。

　　置換燈具發(fā)光效率更高

　　下面就是使用合成射流技術的LED置換燈具的例子。Ledon Lamp GmbH公司專門生產高效LED燈具。Ledon公司研發(fā)了一款接近A-Lamp規(guī)格的白熾燈替換LED燈具，效率高達75W至100W。盡管不是真正的A-Lamp規(guī)格，但是該公司還是希望其燈泡能適用于大眾用戶。通過使用合成射流散熱技術，Ledon公司燈具照明強度極高；這是該公司之前從未達到過的。

　　為了達到75W和100W的效率，Ledon公司在其研發(fā)的燈泡頂端放置了合成射流器。放置在該合成射流器頂端是是一個散熱器；該散熱器能夠將熱量從LED燈具傳導至散熱片。散熱片為合成射流器形成排氣口，從而讓氣流通過，并將氣流引導至散熱片翼端。合成射流器頂端的排氣口在散熱片邊沿以及散熱片翼端呈放射狀放置，從而讓合成射流器達到理想的散熱效果。

　　為了冷卻驅動器電子件，合成射流器一端與驅動器外殼相連。驅動器外殼低端的通風口打開通風，從而有效冷卻驅動器電子件從而達到75W以及100W的效率。如果沒有合成射流器的靈活性，所有這些設計都無法完成。

　　PAR38 參照設計

圖2：采用Nuventix公司SynJet散熱引擎的PAR38參照設計模塊（點擊圖片放大）

　　Nuventix也為其PAR38置換燈具（如圖2）研發(fā)了一種散熱管理參照設計方案。這種參照設計，在與Nuventix的SynJet（如圖3）配合的情況下，能為照明設計者提供設計LED組件的系統(tǒng)；設計出的LED組件效率高達2500流明，并且適用于PAR38規(guī)格燈具。而目前LED PAR38置換燈具效率僅為1500流明。

圖3：震蕩隔膜合成射流引擎

　　這種設計與德州儀器公司（IT）的電器驅動控制設備類似；該公司控制設備通過將分散的原件整合在一個IC上，從而形成更小規(guī)格的燈具。

　　SynJet散熱模組在PAR38參照設計中冷卻量可達40W，消耗能量低于500mW。另外，SynJet和TI的IC為燈具設計者們帶來更多的選擇余地；燈具規(guī)格更小而照明強度更高，適用的LED數(shù)量相應更少。