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LED照明灯具散热结构优化设计李建雄摘要：随着取出荧光粉量子效率以及芯片封装制造技术的不断提升，从性能与结构上来看，LED取得了不小进步。
如何散热结构的设计成了设计人员重点突破的方向，怎么样降低成本，提高灯具的稳定性成了LED照明突破市场的关键点。
关键词：LED灯具普通照明互通式散热结构引言：LED照明灯具设计较为复杂，涉及内容较多，如光学、机械及电子等，其中散热结构作为最为重要的一部分，在灯具使用过程中，极少部分功率会转换为光，而剩余大部分则会转化为热，如果不能够及时、有效处理热能，会极大影响灯具的使用寿命，且在一定程度上影响发光效率，要对LED照明灯具的散热结构进行优化设计。
1 LED照明灯具优势节能、安全性较高，LED照明灯具的整体光效高，并且在反射时，灯具的损失较低，采用数字调光系统，会使省电效果更加明显。
现阶段，同传统高压钠灯相比，LED照明灯具节电能比其节省60%。
将LED照明灯具与太阳能系统配套使用，会发挥出更大效果的能源利用率；维护成本较低，LED照明灯具不需要频繁更换，一般可以使用10年左右。
与此同时，相比于过去的高压钠灯，LED照明灯具在安装造价、铺设、耗电等方面的成本也低很多，就相应的减少了电缆、变压器及工程费用等，配光容易，LED照明灯具的光源非常靠近自然光，同时，可以人为的对光色进行控制，可以利用配光来满足不同领域照明的具体需求。
还可以控制光色的均匀度，不至于像传统光源一样光色太单调；安全环保，LED照明灯具的光源没有辐射，也不会造成光污染，不会对人体造成伤害，维护简单，方便管理，也不需要经常保养，使用寿命较长，短时间内不需要更换。
2 散热设计思路（1）芯片芯板传热早期的LED灯具由于采用LED灯珠，应用范围不广，单芯片的灯珠由于功率不高，发热量有限，所以对散热的要求不高。
而今当0.5W以上高功率LED成为灯具光源的主流时，高功率带又来了高发热量。
为了尽可能提高芯片的散热性能，研究人员不断在LED的芯片结构和材质上进行了很多改进。
led灯散热解决方案近年来，随着LED（Light Emitting Diode，发光二极管）灯的广泛应用，越来越多的人开始关注LED灯散热问题。
因为高温会导致LED 光效下降、寿命缩短甚至失效，而良好的散热设计能够保证LED灯长时间稳定工作。
本文将介绍LED灯散热原理以及几种常见的散热解决方案。
一、LED灯散热原理LED灯产生热量的主要原因是因为电流通过LED芯片时，部分电能被转化为热能。
如果散热不及时，热量会在LED芯片周围积聚，导致LED温度升高。
而LED的发光效率会随着温度的升高而下降，严重时可能会超过芯片能承受的温度极限，从而导致灯的寿命缩短。
二、散热解决方案1. 散热材料选择散热材料是提高LED灯散热效果的关键。
一种常用的散热材料是导热胶，它能有效地将LED芯片与散热器紧密接触，提高热量的传导效果。
此外，金属材料如铝合金等也具有良好的导热性能，可作为散热器的主要材质。
2. 散热器设计散热器的设计是影响LED灯散热效果的重要因素之一。
通常，散热器应具有大的表面积，以增加热量的辐射传播。
同时，设计散热器时应考虑散热器与LED芯片之间的紧密贴合，以提高热量的传导效率。
3. 散热风扇的应用在某些高功率的LED灯中，为了增强散热效果，还可以加装散热风扇。
风扇通过强制循环空气，加速热量的传导和散发，提高LED灯的散热效果。
但需要注意的是，风扇的噪音和功耗也是需要考虑的因素。
4. 散热设计的综合考虑除了上述几种解决方案，还可以根据具体应用环境和要求来综合考虑。
例如，在室内照明中，可以通过合理布局和散热结构设计来提高散热效果；在室外环境中，要考虑防水、防尘等特殊要求。
总结：LED灯散热是保证其正常工作和延长寿命的重要问题。
通过选用适当的散热材料，合理设计散热器以及加装散热风扇，可以有效地解决LED灯散热问题。
在实际应用中，应根据具体情况进行综合考虑，以确保LED灯在高效、安全、稳定工作的同时，具备良好的散热性能。
led灯散热解决方案随着人们对一种新型照明器具的广泛认可，LED灯在越来越多的场合被广泛应用。
然而，LED灯在工作时会产生大量的热量，需要一种有效的散热解决方案来保证其长期稳定工作。
本文将针对LED灯散热的问题，提出几种解决方案。
方案一：散热风扇这种解决方案是最常见的一种方法，散热风扇可以通过调节风速和转速来改变散热性能。
相比被动式散热，它可以更快速地将热量排出。
而且，风扇的寿命也比被动式散热组件要长。
但是，风扇在运行时会产生噪音问题，减少LED灯的使用寿命。
方案二：减小LED灯的密度这种方法是通过尽可能减小LED灯之间的间距，以减少LED 灯之间的热量影响。
这种方法的优点是在散热方面更好，与方案一相比，可以降低噪音，但是会导致制造成本的增加。
方案三：牵引散热这种方法是通过将散热器安装在LED灯的顶部，通过一个小电机使用振动来牵引散热。
这种方法优点是相比于方案一，没有噪音问题，并且可以使得LED灯使用寿命更长。
缺点是较高的制造成本及需要更大的空间来放置散热组件。
方案四：利用散热管散热管的使用依赖于热量的传导，这种解决方案可以通过两个散热体相连接来使热量得到传导，并将热量转移到较大的散热组件上。
这种方法的优点是能减少制造和工艺成本，缺点是需要更多的空间来安装散热组件。
需要注意的是，散热管在使用时还需要考虑管的长度和管的数量，以确保有效的散热效果。
结论在LED灯散热方面，使用各种散热组件都有其优点和缺点。
灯具制造商应该选择一个散热解决方案，以确保其灯具在不影响性能的前提下长期稳定工作。
同时，灯具制造商应该考虑有效控制成本，以确保产品的市场竞争力。
led灯散热解决方案LED灯散热解决方案1. 引言随着LED（Light Emitting Diode，发光二极管）应用的广泛普及，人们对其进行了更高的要求，包括更大的亮度和更长的寿命。
然而，高亮度LED的工作温度也相应增加，这给LED灯的散热带来了挑战。
良好的散热设计能够有效降低LED的工作温度，延长其寿命。
本文将介绍led灯散热解决方案，以帮助设计师合理解决这一问题。
2. 散热原理LED灯在工作时会产生热量，如果不能及时有效地将热量散发出去，将会导致LED的温度升高。
过高的温度会降低LED的光效，甚至损坏LED。
因此，散热是保证LED长期稳定工作的关键。
散热的原理主要有三种：2.1 空气对流散热空气对流是利用空气的流动来带走LED灯产生的热量。
散热片或散热器的设计可以增加表面积，加速周围空气的流动，提高对流散热效果。
为避免灰尘等杂物堵塞风道，维护通风畅通也十分重要。
2.2 热传导散热热传导散热是指利用好导热材料，通过导热基板等方式，将LED灯产生的热量迅速传导到周围环境。
导热材料应具有高热导率，以确保效果。
同时，热源和散热器之间的接触面积和接触压力也需要充分考虑。
2.3 辐射散热当LED灯的温度高于周围环境时，会通过辐射的方式将热量传递出去。
LED灯的外壳设计应具备较大的表面积，充分发挥辐射散热的效果。
同时，LED灯的外壳材料也应选择具备较好的热辐射特性的材料。
3. 散热解决方案根据上述散热原理，以下列举几种常见的LED灯散热解决方案：3.1 散热片散热方案散热片是一种将热量从LED灯传导到周围环境中的散热方式。
通过选择合适的散热片材料，如铝材等，并将散热片缠绕在LED灯的散热部分，可以有效地提高LED灯的散热效果。
此外，散热片的设计应考虑到空气对流的影响，例如设置散热片孔洞以增加空气流动。
3.2 散热器散热方案散热器是通过放大导热界面的表面积，帮助热量更快地散发到周围环境中的散热方式。
常见的散热器材料包括铝和铜，它们具有较高的热导率。
led散热器技术参数LED散热器技术参数随着LED技术的快速发展，LED灯具在照明行业中得到了广泛的应用。
然而，由于LED本身在工作过程中会产生大量的热量，如果不能有效散热，会导致LED的寿命缩短甚至出现故障。
因此，LED散热器成为了LED灯具设计中非常重要的一个组成部分。
本文将从散热器的材质、结构、尺寸和散热性能等方面，对LED散热器的技术参数进行详细介绍。
一、材质LED散热器常用的材质包括铝、铜和陶瓷等。
铝具有优良的导热性能和轻质的特点，能够快速将LED产生的热量传导到散热器表面，并且具有较好的散热效果。
铜的导热性能更好，但相对较重，适用于一些有特殊散热要求的LED灯具。
陶瓷散热器由于其特殊的材质和结构，具有良好的隔热性能和导热性能，能够有效地将热量从LED传导到散热器表面，并通过辐射和对流的方式散热。
二、结构LED散热器的结构通常由散热板和散热片组成。
散热板是散热器的基座，用于与LED灯珠接触，将其产生的热量传导到散热片上。
散热片通过增加表面积，提高热量的散发效率。
此外，散热器还可以通过风扇或风道来增强散热效果，提高散热器的整体散热性能。
三、尺寸LED散热器的尺寸对其散热性能有着重要的影响。
散热器的尺寸越大，表面积越大，散热效果也就越好。
然而，尺寸过大会增加LED 灯具的体积和重量，不利于应用。
因此，在设计LED散热器时，需要根据实际需求合理选择尺寸，以在满足散热要求的同时，尽量减小体积和重量。
四、散热性能LED散热器的散热性能通常通过热阻来衡量，单位为摄氏度每瓦特（℃/W）。
热阻越小，代表散热器具有更好的散热性能。
热阻的计算公式为：热阻 = (散热器表面温度 - 环境温度) / 散热功率。
在实际应用中，为了保证LED的工作温度不超过规定范围，需要根据LED的功率和工作环境的温度等因素，选择合适的散热器，并计算其热阻是否满足要求。
LED散热器的技术参数包括材质、结构、尺寸和散热性能等方面。
大功率LED灯的散热性能分析随着LED（发光二极管）的发展和应用，大功率LED灯已经取代传统的照明设备成为主流。
在LED灯的设计中，散热性能是至关重要的一环。
因为LED芯片的发光效率很高，但是会产生大量的热量，如果不能及时散热，会导致LED灯的寿命缩短，光衰加快，从而影响灯具的使用效果和维护成本。
大功率LED灯的散热性能是指：LED固定在散热器上，将LED芯片和驱动电路产生的热量通过散热器传递到环境中，并保持灯具整体温度不超过LED芯片最大温度，从而实现LED灯长时间稳定工作。
散热器的选择与设计至关重要。
一般来说，散热器是采用铝制材料制作的。
由于铝具有良好的导热性能，且重量轻、价格便宜等优点，因此被广泛应用。
散热器的形状多种多样，包括圆柱形、方形、矩形等。
但是，散热器的散热效率与其表面积有关。
表面积越大，散热效率越高。
大功率LED灯的散热性能分析还需要考虑散热接口。
一般来说，散热接口采用导热硅脂或散热垫。
导热硅脂可以填充LED芯片与散热器之间的空隙，增加热量的传导。
散热垫是一种塑料材料，具有导热、绝缘、隔音等特性。
散热垫可以被粘贴在散热器的表面，增加散热面积，提高散热效率。
在LED灯的设计中，还要考虑LED芯片和驱动电路的散热。
尤其是驱动电路产生的热量更容易被忽视。
为了确保LED灯具的正常运行，驱动电路的热量也应该通过散热器传递到环境中。
因此，在LED灯具的设计中，需要考虑如何使PWM（脉冲宽度调制）芯片和电容散热。
此外，增加加热保护电路也是应该考虑的因素。
总之，大功率LED灯的散热性能分析需要考虑多个因素，包括散热器的选择与设计、散热接口的使用和LED芯片、驱动电路的散热等。
只有全面分析上述因素，才能保证LED灯具的正常运行。
LED灯具散热知识-⾮常有⽤在普通的数字电路设计中，我们很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯⽚的功耗⼀般很⼩，在正常的⾃然散热条件下，芯⽚的温升不会太⼤。
随着芯⽚速率的不断提⾼，单个芯⽚的功耗也逐渐变⼤，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔腾ＣＰＵ的功耗可达到25W。
当⾃然条件的散热已经不能使芯⽚的温升控制在要求的指标之下时，就需要使⽤适当的散热措施来加快芯⽚表⾯热的释放，使芯⽚⼯作在正常温度范围之内。
通常条件下，热量的传递包括三种⽅式：传导、对流和辐射。
传导是指直接接触的物体之间热量由温度⾼的⼀⽅向温度较低的⼀⽅的传递，对流是借助流体的流动传递热量，⽽辐射⽆需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。
在实际应⽤中，散热的措施有散热器和风扇两种⽅式或者⼆者的同时使⽤。
散热器通过和芯⽚表⾯的紧密接触使芯⽚的热量传导到散热器，散热器通常是⼀块带有很多叶⽚的热的良导体，它的充分扩展的表⾯使热的辐射⼤⼤增加，同时流通的空⽓也能带⾛更⼤的热能。
风扇的使⽤也分为两种形式，⼀种是直接安装在散热器表⾯，另⼀种是安装在机箱和机架上，提⾼整个空间的空⽓流速。
与电路计算中最基本的欧姆定律类似，散热的计算有⼀个最基本的公式：温差 = 热阻 × 功耗在使⽤散热器的情况下，散热器与周围空⽓之间的热释放的"阻⼒"称为热阻，散热器与空⽓之间"热流"的⼤⼩⽤芯⽚的功耗来代表，这样热流由散热器流向空⽓时由于热阻的存在，在散热器和空⽓之间就产⽣了⼀定的温差，就像电流流过电阻会产⽣电压降⼀样。
同样，℃。
选择散热器时，除了机散热器与芯⽚表⾯之间也会存在⼀定的热阻。
热阻的单位为/W械尺⼨的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。
热阻越⼩，散热器的散热能⼒越强。
下⾯举⼀个电路设计中热阻的计算的例⼦来说明：设计要求：芯⽚功耗： 20⽡芯⽚表⾯不能超过的最⾼温度： 85℃环境温度（最⾼）： 55℃计算所需散热器的热阻。
目前led灯的几种散热方式主动散热:包括加装风扇强制散热、水冷散热技术、半导体制冷芯片。
(2)被动散热:包括自然散热、热管加鳍片、均温板加鳍片、回路热管散热等。
以路灯应用来说，在户外安装风扇，会有稳定性方面的问题，水冷式散热与半导体制冷芯片则需要额外付出更多电能来散热，且散热端也需要另外的结构来散热。
因此，在路灯应用上，严苛的户外环境应避免上述被动散热的设计。
在被动散热的原件中回路热管恰好补足了热管与均温板无法远距离传热这一点，可将热导至较远或较容易散热的地方。
①自然散热:自然散热采用热传导、热对流及热辐射作为基本的散热原理。
具体而言，它主要是利用热传导将热导到灯具外壁面流和对周围物体的辐射来散热的。
，再借由灯具表面积或鳍片与周围空气的对自然散热的优点为散热成本最低、结构最简单，较偏向于小瓦数散热，如MR16的应用。
市场上以自身结构本体散热方式的led灯路灯产品多为100 W以下的产品，且利用led灯灯珠排放密度低的方式来克服热通量过高的问题，但松排列却可能会在光学上产生多重影像的现象。
在实际应用时，若灯具利用鳍片散热(鳍片外露于大气中)，则应特别注意避免落尘或其他异物等积累于鳍片上，以免造成散热效果降低，影响led灯寿命。
②热管加鳍片:热管是一种新型高效的传热元件。
它利用介质热变化来吸收或散发高热能。
热管已成为具备极高的热传效率的设备。
一般热管仍需要在冷凝端加鳍片散热。
这种散热手段具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率、不需要维修等优点。
热管加鳍片是目前市场较成熟的热管技术，一般单支直径为6 mm的圆管热管便可解决40^50 W的热量，考虑折弯、打扁效率的折损，一支热管可解决30^-40 W的热量。
以一个100 W的灯具来说，约三支热管便可将热带出led灯模块，接着导至鳍片散热。
针对高瓦数(如100 W以上)的led灯路灯产品，热管加鳍片是一种较合理、成本较低廉的解决方式，这种散热方式为目前led灯路灯市场上的大宗。
led灯散热解决方案LED灯散热解决方案。
LED灯具作为一种新型的照明产品，具有节能、环保、寿命长等优点，受到了广泛的关注和应用。
然而，由于LED灯具在工作过程中会产生较多的热量，如果散热不好，会影响LED的寿命和性能。
因此，LED灯散热解决方案成为了LED照明行业亟待解决的难题之一。
一、散热原理。
LED灯具在工作时，电流通过LED芯片，芯片产生光能的同时也会产生一定的热量。
如果不能及时将这些热量散发出去，LED芯片温度就会升高，导致LED 灯具的性能下降，甚至缩短LED的使用寿命。
因此，LED灯散热解决方案的关键在于有效地将LED产生的热量散发出去，保持LED芯片的温度在一个安全的范围内。
二、散热解决方案。
1. 散热结构设计。
LED灯具的散热结构设计是解决LED散热问题的首要环节。
合理的散热结构设计可以有效地增大LED灯具的散热面积，提高散热效率。
一般来说，采用铝材或铜材作为散热器材料，通过设计散热片、散热柱等结构来增加散热面积，提高散热效果。
2. 散热材料选择。
散热材料的选择对于LED灯具的散热效果至关重要。
目前常用的散热材料有铝材、铜材、陶瓷等。
铝材具有良好的导热性能和成型性，是目前应用最广泛的散热材料之一。
而铜材的导热性能更好，但成本较高。
陶瓷材料则具有绝缘性能和耐高温性能，适合用于一些特殊环境下的LED灯具。
3. 散热风扇应用。
在一些高功率的LED灯具中，散热风扇的应用是提高散热效率的重要手段。
散热风扇通过强制对流的方式，将散热片上的热量迅速带走，有效地降低LED芯片的温度。
同时，合理的散热风扇设计也可以减小LED灯具的体积和重量，提高产品的可靠性和使用寿命。
4. 散热系统优化。
除了上述的散热解决方案外，还可以通过优化LED灯具的散热系统来提高散热效果。
例如，通过热管技术将热量从LED芯片传导到散热器上，再通过散热风扇将热量带走；或者采用热导胶将LED芯片和散热器紧密接触，提高热量的传导效率等。
LED的核心部分是PN结，注进的电子与空***在PN结复合时把电能直接转换为光能，但是并不是所有转换的光能都够发射到LED外，它会在PN结和环氧树脂/硅胶内部被吸收片转化热能这种热能是对灯具产生巨大副作用，假如不能有效散热，会使LED内部温度升高，温度越高，LED的发光效率越低，且LED的寿命越短，严重情况下，会导致LED晶片立即失效，所以散热还是大功率LED应用的巨大障碍。
LED的核心部分是PN结，注进的电子与空***在PN结复合时把电能直接转换为光能，但是并不是所有转换的光能都够发射到LED外，它会在PN结和环氧树脂/硅胶内部被吸收片转化热能这种热能是对灯具产生巨大副作用，假如不能有效散热，会使LED内部温度升高，温度越高，LED的发光效率越低，且LED的寿命越短，严重情况下，会导致LED晶片立即失效，所以散热还是大功率LED应用的巨大障碍。
现有散热技术现有散热技术：101为散热铝型材；102为导热硅胶垫片/硅脂；103一10 6组成铝基板，其中103为铝板，104为尽缘层，105为敷铜层，106为阻焊层201一2 04组成LED灯，其中201为电极，202为LED底座，203为LED的PN结，204为硅胶，然后使用锡膏将LED焊接与铝基板的敷铜层上如图l玄色箭头所示：LED的PN结发出的热量经过LED底座一锡膏焊接层一敷铜层一尽缘层一铝板一导热硅胶垫片/硅脂一散热铝型材一散发于空气中，这样完成散热过程。
LED底座导热系数约为80W/mk；锡膏焊接层导热系数大于60W/mk；敷铜层的导热系数约为40OW/mk，铝板和铝型材的导热系数约为200W/mk，尽缘层的导热系数约为I w/mk，导热硅胶垫片/硅脂约为SW/mk，但是越靠近LED的PN结，热流密度越高，且导热硅胶片/硅脂已经有铝板横向导热均温了，这样尽缘层的热流密度要比导热硅胶垫片/硅脂的热流密度高很多，所以综上所述，可以明显看出散热瓶颈在于铝基板的尽缘层。
LED灯散热及余热回收系统胡红利刘斐(西安交通大学,西安710049)摘要本文介绍了一种基于半导体热电元件和热管技术的LED灯散热及余热回收系统,该系统根据四季外界温度的变化自动控制散热,实现节能的目的。
本文给出了一种设计实例并分析其结构及工作过程,对其优势特点进行对比分析并对其应用前景进行了展望。
关键词热电转换热管余热回收The Heat Dissipating and the Remaining HeatRecycling System of LED LightHu Hongli Liu Fei(Xi.an Jiaotong University,Xi.an710049)Abstract:This paper introduces the heat dissipating and the remaining heat recycling system of L ED light w hich bases on the semiconductor thermoelectric elements and heat pipe technology.This system can control automatically according to the seasonal temperature variation and achieve energy2saving purpose.This paper also gives a design exa mple and analyses its structure and working process.Finally,we make a c omparative analysis on its advanta ges and forecast its application prospect.Key words:thermoelectric c onversion;heat pipe;remaining heat rec ycling引言目前市场上的L ED灯主要采用自然散热的方法。
从传热学角度讲,自然散热的散热原理是自然对流和热辐射,即借助灯具外壁面、尤其是翅片对周围空气对流散热及对周围物体辐射散热,这种散热依靠灯具自身的结构形式实现散热。
因此提高散热效果的途径主要是通过优化设计,增加散热面积和通风对流效果以及改善表面辐射系数,由此带来的问题是增加尺寸和成本。
尺寸的增加势必导致外观笨重,影响美观和品位,而在发热功率增大时散热成本徒增而且散热量有限。
除此之外,LED电光转化效率不高,至少有50%的电能被以热能的形式白白散失掉,对资源是一种很大的浪费。
针对现在LED灯散热方式成本高、外观笨重、散热效率低等缺点,本文提出了一种可回收散热能量的L ED照明系统,利用半导体热电转化和热管散热技术,不仅实现了高效散热,而且可将部分余热转换,使其变为电能再利用,从而实现节能的目的[1]。
1热管原理及应用热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G. M.Grover发明的一种传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,通过在全封闭真空管内工质的蒸发和冷凝传递热量。
热管作为一种高效导热元件,其导热性能是优良导热材料(铜、银)的几倍、甚至上万倍,具有/超导热体0之称。
另外,热6中国照明电器C HINA LIG HT&LIG HTING2009年第1期管还具有较高的等温性和热流密度可以变换等重要优点,这些因素是考虑将热管应用到LE D 灯上的主要原因。
从热力学的角度讲,物体的吸热、放热是相对的,只要存在温度差,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。
热传递的辐射、对流、传导三种方式中,热传导最快。
热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。
图1为热管工作原理示意图。
热管内部被抽成负压状态,充入适当的液体,这种液体沸点低,容易挥发。
管壁有吸液芯,由毛细多孔材料构成。
热管一端为蒸发端,另外一端为冷凝端。
当热管一端受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,蒸气在微小的压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端,如此循环不止,热量由热管一端传至另外一端。
这种循环是快速进行的,热量可以被源源不断地传导开来[2]。
图1 热管工作原理示意图基于热管原理制成的热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器。
热管换热器显著的特点是:结构简单,换热效率高,在传递相同热量的条件下,热管换热器的金属耗量少于其他类型的换热器。
换热流体通过换热器时的压力损失比其他换热器小,因而动力消耗也小。
由于冷、热流体是通过热管换热器不同部位换热的,而热管元件相互又是独立的,因此即使固定在灯架内的某根热管失效、穿孔也不会对冷、热流体间的隔离与换热有多大影响。
考虑到热管的快速导热性和很好的环境适应性,Neopac 公司于2005年9月将热管散热技术应用在LED 灯具上[3]。
2 半导体热电转化器件原理及应用1821年,赛贝克发现,把两种不同的金属导体接成闭合电路时,如果把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中,则电路中就会有电流产生。
这一现象称为塞贝克(Seebeck)效应,这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。
塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差,该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。
例如,铁与铜的冷接头为1e ,热接头处为100e ,则有512mV 的温差电动势产生。
图2为塞贝克效应示意图。
设导体A 和B 的自由电子密度为N A 和NB,且有N A>NB,电子扩散的结果使导体A 失去电子而带正电,导体B 则因获得电子而带负电,在接触面形成电场。
这个电场阻碍了电子继续扩散,达到动态平衡时,在接触区形成一个稳定的电位差,即接触电势。
图2 塞贝克效应示意图半导体的温差电势最明显,可用作热电转换器件。
如图3,若将P 型半导体和N 型半导体在热端连接,则在冷端可得到一个电压,将很多个这样的PN串联结合起来并使其一端处于高温状态,另一端处于低温状态时,由于高温端的热激发作用较强,空穴和电子浓度也比低温端高,在这种载流子浓度梯度的驱动下,空穴和电子向低温端扩散,从而在低温开路端形成电势差[4]。
图3 半导体温差发电堆实际结构示意图3 LED 散热及能量收集系统311 系统综述结合上述散热和热电转换技术,本文提出的L ED胡红利等:LED 灯散热及余热回收系统7灯散热及能量回收系统能量流程包括散热、热电转化和储能三大部分,其系统流程如图4所示。
余热首先通过内基板传导到LED 平面后,经过两条能量流动链,第一条是通过半导体热电器件实现余热转换成电能的过程;第二条是通过热管技术使热能快速转移的过程,这条链上配合的可控风扇实现了这条能量链的自动调节。
在应用中根据季节的变化,以第一条能量链为图4 系统流程图主,第二条为辅,以实现L ED 灯安全、高效地工作。
312 结构设计系统主要包括LED 平面光源、内外散热基板、热管散热器、片式半导体热电转换器件、散热翅片、双金属温度开关、散热风扇和储能电池。
在实际应用中可根据不同要求灵活设计,图5为一种LE D 灯散热及余热回收系统结构示意图。
1-LED 平面光源;2-内基板;3-片式热电转换器;4-外基板;5-散热翅片;6-热管散热器;7-输出导线;8-风扇接线器;9-散热风扇;10-储能转换单元;11-网罩图5 一种LED 灯散热及余热回收系统示意图LED 平面光源背部紧贴于内基板的下表面,散热器紧贴于内基板的上表面;每个外基板外侧设置有散热翅片;每个外基板内侧面与内基板外侧面之间设置有片式热电转换器,热电转换器与内基板外侧紧贴的一面为热端;热电转换器与外基板内侧紧贴的一面为冷端,各热电转换器的冷、热端通过串、并或串并此结构中的片式热电转换器,由基于塞贝克效应的半导体温差发电组件构成;散热器为热管散热器,其包括设置在散热风扇下方的散热翅片组和若干个热管,热管的一端为冷端,连接散热翅片组;热管的另一端为热端,连接一个紧贴在内基板上表面的铝座板,该铝座板上设置有双金属片温度开关,其输入端电连接储能转换单元;该双金属片温度开关的输出端电连接散热风扇,内、外基板由易导热的金属铜板制成;散热翅片由多个薄铝片按倒U 形串联而成。
313 工作过程L ED 平面光源由许多PN 结颗粒组成,当其发光时仅有20%~30%的能量转换成光,其余70%~80%的能量则转换成热,这些余热如果不散发出去不仅会严重影响灯的寿命,而且还存在安全隐患。
为了保证LED 灯工作在安全的温度范围内,参照图4的系统流程图,首先是将聚集于L ED 平面光源的热量通过直接热传导的方式均匀分布于内基板。
然后从节能方面考虑循环再利用发光产生的余热,即利用半导体热电转换器将热量转换成电能并经过储能转化单元暂存和转化后输出为部分L ED 照明用电及根据8 中国照明电器2009年第1期具体环境给散热风扇供电。
在半导体热电转换器冷端的外基板外侧加散热翅片作辅助散热,以增大半导体热电转换器热、冷两端温差,提高热电转换效率。
考虑到半导体热电效率和四季外界温度的不同,由内置双金属片温度开关的热管散热器和散热风扇组成余热疏散模块。
其中热管散热器通过热管技术将内基板过多热量转移到其上部的倒U型散热翅片组,再结合风扇进行散热。
双金属片温度开关是以温度值作为控制O N P OFF的温度组件。
其原理是利用金属受热后弯曲的特性使内部的开关产生动作。
分手动复归及自动复归型,本系统使用的是自动复归型。
由于现有半导体热电转化器的热电效率并不是很高,如果在夏天室外温度较高时,势必会导致热量累积于基板周围无法散掉,我们用双金属片温度开关控制散热风扇来解决。
一个典型的应用过程如下所述:一个双金属温度开关的闭合温度为50e,另一个为55e。
根据LED功率大小具体设置散热翅片尺寸和风扇功率大小,当L ED 平面光源的温度达到50e时,即开关处感应到的温度达到50e时,一个开关闭合,控制风扇半速运转。
这个状态是春秋季灯周围环境温度达到30e左右时会出现的情况。
当L ED平面光源的温度达到55e时两个开关都闭合,从而控制风扇全速运转,尽快散掉累积的余热。
这是在夏季灯周围环境温度达到40e 左右时会出现的情况。
而在冬季或春秋季夜晚可能不会开启风扇,完全利用散热翅片组就可以使L ED 平面光源温度低于50e,所转化的电能全部用于辅助照明。
因为所用开关为自动复归型,所以风扇的开启或关闭完全由LED平面光源温度决定,实现了真正的自动控制。
总的来说,本系统在保证最大可能的余热回收利用率的同时,根据实际情况将热电转化过程中可能危害LED光源的多余热量及时散出,达到了安全、高效、节能的目的。
