LED灯具结构及外观设计方向.doc

LED灯具结构及外观设计当今LED应用产品的热门话题:路灯，受到诸多企业的关注与青睐，国内LED应用产品厂商几乎超过2000家投入生产。在行业展览会上，几乎所有路灯产品大体相同，千人一面，毫无特色。我最近接待一位德国客户，他就直言不讳的说：“我考察你们多家名企的LED路灯产品，不是很满意，安装在德国街道上会影响整体建筑风格环境”。建议我们结合地域文化开发具有工业化的又有艺术品味的设计产品。然而我们LED行业内许多企业没有开发照明产品的经验，有的只是简单结构设计，没有照明创意造型设计，市面上单一的“裸体”路灯，存在着诸多的问题： 一.其材料表面处理（含电源），难以经受长时间恶劣环境的侵蚀。所谓的“裸体”路灯一般是散热器直接裸露在外面。有些厂家认为这样更有利于散热，这样考虑的前提是灯具必须安装在一个比较干净、不受外界恶劣条件影响的环境中。而实际应用中灯具都是直接安装在户外，可能遭遇酸雨、沙尘暴、暴雪、暴晒等各种恶劣环境。由于铝合金比重较小，散热性能优越，所以LED路灯的散热器一般都选用铝合金，但铝合金的化学性能非常活跃，极易和酸碱发生反应，暴露在空气中也非常容易氧化，虽然经过阳极氧化处理后其耐腐蚀性能得到大幅提高，但灯具安装时仍不可能保证氧化膜没有受到破坏。当氧化膜受到破坏后，铝合金活跃的化学性能就能表现出来。在一些污染比较大的地方容易出现酸雨，酸水会积聚在灯体上某些缝隙和凹槽里，雨过天晴后缝隙或凹槽里的酸水可能是酸先挥发，也可能是水先挥发，如果是酸先挥发则会形成酸气，腐蚀灯体，如果是水先挥发，则酸水的浓度会变浓，也会腐蚀灯体。受腐蚀的灯体不仅影响美观、散热，更影响机械性能。另外，“裸体”式的路灯由于散热器本身的结构特性，致使它非常容易积累沙尘和雪。覆盖在散热器上的灰尘会在使铝合金的散热性能大打折扣，积雪也不好，积雪表面上看起来更利于散热，但实际上在寒冷的天气里灯具的散热是足够的，相反如果大量的积雪反而会对灯杆造成巨大的压力。 二.矩形状不符合防风阻要求。我们所说的矩形状是指灯具呈近四方体形状，每个面都呈大面积的平面。这样的平面比较好受力，当风力从某个平面垂直吹过来时，其平面不能将风力分化，从而给灯杆及灯具固定结构造成压力。这种压力在一般情况下表现不明显，但当灯具灯杆经过长时间的老化和腐蚀以后，如若在沿海地区碰上台风，可能会造成灯杆倾斜或者折弯或者灯具掉落的危险。 三. 大功率集中在整块热沉材料上工作，易造成热岛效应。热岛效应在工具书中的解释是：城市气温较四周郊区为高,好像一个温暖的岛屿分布于农村较凉的“海洋”之中,这种现象称为热岛效应。其实在较大的LED路灯散热器上也存在这种现象，尤其是单纯靠自然对流的时候。LED灯具的散热过程最主要的还是靠散热器和空气的对流换热，在排除外界风力影响下主要靠自然对流。自然对流是靠和散热器接触的冷空气被散热器加热后自然上升，旁边的冷空气继续补充进来，通过这样不断循环把热量带走。如果散热器过大的话其中间部分的热空气上升后傍边没有足够的冷空气可以补充（旁边也有光源在发热，空气也相对比较热），这样就会导致中间部分散热效率下降，温度升高，形成热岛效应。热岛中心的LED比周围的LED老化更快，故障更高。四.整体设计带来后期维护的困难。整体式设计是指灯具整个光源腔设计成一个不可维护的整体，或者光源腔和电源腔一起设计成一个不可维护的整体。近几年的实践已经告诉我们LED灯具不可能做到免维护。而这种整体式灯具恰恰是不能维护的，一般上路以后出现故障在高架车上没法完成维护任务，要整个灯换下来带回厂家修理。这种方式迫使厂家从一个制造商变成兼备制造商和服务商的角色，这是需要付出巨大的代价的。 五. 棱角锋利的裸体散热块，不符合灯具安全标准要求。我们所说的棱角锋利是指灯体某些金属零部件出现多个锐利的尖角。这种尖角的存在至少有3点弊处。其一，加工及搬运过程难以保护，容易卷曲。其二，表面处理困难，不管是电镀还是喷塑，工件本身都要带电，在尖角处容易出现“聚电”现象，或者导致该处烧坏，或者导致涂层（镀层）过后，这都是我们不愿意看到的。其三，容易伤及操作工人，我见过某厂家就有一款灯因棱角太锋利到时转配工人经常刮破手，更危险的是如果工人在高架车上装灯的时候如果被刮伤可能会由于本能反应将手松开，后果不堪设想。 针对以上五个问题，我们来探讨一些解决方案。对第一、二个问题，我认为可以给灯具加一个流线型的上盖，流线型的上盖不要有大面积的平面，并且最好是中间高，周边低。当然盖子上要有设计合理的散热孔和导流面。1.盖子可以减轻暴晒的紫外线对散热器表面保护层的破坏；2.流线型的形状不利于雨水在上面停留积聚，能大部分的水直接导向地面，减少酸碱物质对灯具的腐蚀；3.流线型面能大幅减少积聚在上面的沙尘和雪，利于散热也减少灯杆和灯具压力；4. 流线型面能将风力分化成多个方向的力，减少灯杆和灯具压力。 对第三、四个问题，我建议将灯具“化整为零”，放弃整体式设计，改为模块化设计，关于模块化设计的优点，笔者曾在多篇文章提到。 对第五个问题，我建议灯具设计工程师要站在操作工人的角度考虑，在设计中尽量关注细节性的问题，其实这个问题很容易解决。相信在近年来实际使用过程中暴露出来的故障，很多企业在花了许多冤枉钱和反复的折腾是否意识到这类问题呢？我们的设计工程师要感悟常规照明的精髓，他们积累了多少年的经验，特别是造型设计，因为受气体放电灯光源限制难以具备条件制作精美造型，但其现有诸多造型设计还是达到了，“白天观景，夜晚观灯”的效果。而我们现今的LED光源因其个头小，阵列方式灵活的特点可以做成“变形金刚”般的产品设计。诸如； 深圳鹏城是否构思设计大鹏展翅的雄鹰灯，潍坊是风筝城何不可以设计风筝灯，香山的红叶，海滨城市的海豚，益阳的竹乡，盱眙的龙虾，湖州的湖笔，太空的飞碟等等，都可以做成想像型产品。每个地方都有自己独特的地域文化和风情，根据地方特色所设计的灯具才能更受到人们的欢迎，也能让来客更了解当地的特色。做到以科技创造生活，以艺术传播文化。 我几年前构思创意设计的“长空利剑”、“古筝情缘”、“丹凤红叶”、“航母旗舰”。“太空飞碟”、“法拉蒂”、“海豚”、“南海雄鹰”。近期构思创意设计：“UFO”、“一叶情缘”、“拳击手”、“美女蛇”、“葫芦娃”、得到了海内外客户及同行的青睐。近期若干作品： 灯具设计是具有生命力的，是有思想的，作为照明灯具设计师，除精通照明常识还要具备自己有一个普通安装维修工的思想。须具备艺术修养、懂建筑思维、美工理念、音乐欣赏、要懂得发现生活的美，感受生活的美，把自己的情感融合进作品里去。 LED灯具要走工业化设计，考虑到量产化，由于竞争日益加剧，中国市场日趋国际化，对大多数中国灯具企业而言，不可能什么都搞、这样可能什么都搞不好，搞不精，因为中小企业缺乏市场网络和品牌的支撑。走专业化发展之路，产品少而精，注重产品品质、品牌做出来后自然有批量， 企业的发展重心应该放在如何开发品质更好、寿命更长、价格更低的产品上,这才能创造消费者、企业与政府多赢的局面。 一个民族要站起来可以靠武力，一个民族要富起来可以靠经济，但一个民族要强起来，只能靠文化。LED要强盛起来，靠产业文化的推广。“艺术点亮生活”期盼着LED应用产品风姿多彩的美好世界早日到来。影响LED灯具光衰的因素 单颗LED白灯在老化板上检测出来的数据，与把LED白灯组装成一个灯具老化时检测出来的数据，肯定是有点出入的。 这个差异的大小，取决于LED工作时的电性参数和灯具的设计情况，以及灯具使用的环境。首先，选择什么样的LED白灯。这点很重要，LED白灯的质量可以说是很重要的因素。举些例子，同样的以晶元14mil白光段芯片为代表，用普通环氧树脂做的底胶与白光胶与封装胶水封装出来的LED白灯，单颗点亮在30度的环境下，一千小时后，衰减数据为光衰70%；如果用D类低衰胶水封装，在同样的老化环境下，千小时光衰为45%；如果C类低衰胶水封装，在同样的老化环境下，千小时光衰为12%；如果B类低衰胶水封装，在同样的老化环境下，千小时光衰为-3%；如果A类低衰胶水，在同样的老化环境下，千小时光衰为-6%。为何不同的封装工艺会导致如何大的差异呢？最主要的一个原因在于LED芯片怕热。偶尔短时间内受热超过一百多度，那是不要紧的，怕就怕在长期处于高温之下，就是对LED芯片的一种莫大的损害。一般来说，普通环氧树脂的导热系数很小，因此，当LED芯片点亮工作的时候，LED芯片要发射出热量，而普通环氧树脂导热能力有限，所以，当你从LED白灯的外部测量出LED支架的温度有45度的时候，LED白灯内的芯片中心温度有可能超过了80度。LED的温度节点其实就是80度，那么，当LED芯片在节温的温度中工作的时候，是非常的受煎熬的，这就加快了LED白灯的老化。当LED芯片在工作的时候，中心温度产生了100度的高温，它可以马上通过支架引脚98%把热量导出来，从而减少热量对它的伤害。所以，LED白灯支架温度是60度的时候，它的芯片中心温度可能就只是61度而已。从上面的数据可以看出来，选择什么样封装工艺的LED白灯，直接决定LED灯具的光衰情况。其次，LED灯珠工作环境温度。根据单颗LED白灯老化时的数据来看，LED白灯如果只有一个点亮工作，同时，它所处的环境温度是30度的话，那么，单颗LED白灯工作时的支架温度不会超过45度。这个时候，这颗LED的寿命会很理想。如果有100颗LED白灯同时点亮工作，它们之间的间隔只是11.4mm的情况下，那么，灯堆的周边的LED白灯的支架温度也可能不会超过45度，但灯堆中间的那些LED白灯有可能达到65度的高温。这个时候，对LED灯珠就是一个考验。那么，聚在中间的那些LED白灯，理论上光衰就会快一点，而灯堆周边的LED白灯，光衰就会慢一点。但如果LED灯珠相隔25mm以上，那么，它们互相发散的热量就不会那么积聚了，这个时候，每个LED白灯支架的温度应该会少于50度以下，就比较利于LED的正常工作。如果LED工作的环境是在比较冷的地方，整年的平均温度可能只是15度左右，或更小，那对于LED来说，寿命就更长了。或者，LED工作的时候，旁边有个小风扇在吹着，帮它驱散热气，这样子对LED的寿命也是挺有帮助的。反正大家应该要知道，LED是怕热的，温度越高，LED寿命越短，温度越低，LED寿命越长。LED理想的工作温度当然是在负5到零度之间。但这基本上是不可能的。所以，我们了解到LED灯珠理想的工作参数后，就尽可能的在设计灯具的时候，加强导热，散热的功能。反正温度越低，LED寿命越长。再次，LED灯珠的工作电性参数设计。根据实验结果，LED白灯在驱动电流越低的情况下，发射的热量越小，当然了，亮度也就越小了。据调查，LED太阳能灯饰电路的设计，LED的驱动电流一般只是5-10mA；灯具所用的灯珠数目具大的产品，如达到500个以上的，或更多的，驱动电流一般只是10-15mA，而一般大众化的LED应用灯饰的驱动电流，只是15-18mA，绝少有人把电流设计到20mA以上的。而实验结果也表明，在14mA的驱动电流下，并且，加了盖子不透风，里面的空气温度达到71度的环境下，低衰产品，千小时光衰为零，2000小时光衰为3%，这就说明这种低衰LED白灯在这样的环境下使用已达到了它的最大限度，再大就是对它的一种损害了。因为老化用的老化板没有散热功能，所以，LED工作时产生的热量基本上是没法传导到外面去的。实验上证明了这一点。