50瓦半导体照明光源技术

河南省瑞光印务股份有限公司提供 河南省瑞光印务股份有限公司提供 50 瓦半导体照明光源技术瓦半导体照明光源技术 发光二极管作为半导体照明光源具有发光效率高 寿命长的优点 但是它在工作时大部分 能量都转化成热量 只有小部分能量转化为光能 如果散热问题不解决好 热量的积聚会 导致发光二极管 PN 结的结温升高 而结温的上升会直接导致发光效率的下降和寿命的降 低 所以半导体照明光源的散热问题成了技术瓶颈 我们采用回路热管和散热片为散热结构 与发光二极管组成带有散热结构的半导体照明光 源 取得了较好的效果 传热方式的选择传热方式的选择 通常的传热方式有三种 即热辐射 热传导和热对流 热辐射在 LED 散热结构中所起作用 甚少 热传导则以结构层方式传热 热对流是指由于流体的宏观运动 与物体的表面之间 的热量传递过程 此外还有水或其他液体的相变换热 空气的自然对流过程对流换热系数 h 为1 10 W m2K 水的自然对流换热系数为20 100 W m2K 而水的相变换热系数要大得 多 沸腾进程为2500 3500 W m2K 蒸气凝结为5000 25000 W m2K 热管技术正是将两相相变传热和热对流这二种传热方式巧妙结合的传热技术 它是利用热 量本身作为能源将热量转移 这无疑是最理想的方案 热管技术热管技术 它是由美国 G W Grover 所发明的 最早应用于航天技术 热管是依靠自身内部工作介质 液体和气体两相变化来实现传热的导热元件 热管的一端为蒸发端 另一端为冷凝端 当 受热端将工作液体蒸发成气相 吸收大量热量 气体经过管中空腔流到冷凝端 气体冷凝 时放出热量 液体通过管壁的毛细结构流回受热端 如此完成吸热 放热循环 可在一定 温度差下将热量源源不断地从热端传到冷端 其特点是重量轻 结构简单 热传输量大 速度快 耐用寿命达10年以上 导热能力比同样重量的铜高 100倍以上 俄罗斯科学院的 Maidanik 发明了比单管热管导热效率更高而不受位置变化影响的回路热管 其气流和液流为同一方向 且受重力影响较小 河南省瑞光印务股份有限公司提供 河南省瑞光印务股份有限公司提供 我们采用带散热片的回路热管组成半导体照明光源的导热和散热结构 取得了较高的发光 效率保持率和可靠性 经测定 我们所用回路热管在50W 时热阻仅为 0 5 W 而传统的直管热管热阻较大 在4 6 W 热学结构设计热学结构设计 图1为光源热学结构设计示意图 其总热阻为 R总 R1 2 R2 3 R3 4 R4 5 R5 6 R6 7 1 LED 功率器件热阻为 R1 5 我们采用自制的热阻仅为3 W 的1W 功率器件 R5 6为焊 料或粘结剂层的热阻 回路热管的热阻为0 5 W 式 1 可简化为 R总 R1 5 R5 6 R6 7 2 光源回路热管摆放角度对散热效果的影响光源回路热管摆放角度对散热效果的影响 表1 热管位置对光源散热的影响 回路散热温度热管摆放位置角度 高温端 低温端 水平 悬空 0 5344 水平 桌面上 0 5446 光向下与水平 30 角 30 5547 光向下与水平 60 角 60 5548 光垂直向下90 5651 光垂直向上 90 5944 河南省瑞光印务股份有限公司提供 河南省瑞光印务股份有限公司提供 注 光源为11 5W 按理回路热管的摆放位置对导热效果影响不大 不如直管热管冷端在下方会使导热效果变 差而影响较大 但是我们采用的是回路热管加散热片的散热结构 散热片的摆放位置会影 响气流的形成 当水平放置时 特别是悬空状态下 散热片处于垂直平行的情况下 最易 形成气流 所以无论高温端 蒸发器端 和低温端 冷凝端 温度都比较低 具有较好的 散热效果 有一定角度散热效果稍差是对流稍差所致 垂直放置时 散热片处于水平状态 难以形成对流 散热效果变差 所以在工作状态时 一定要将散热片位置设计成垂直于水 平面位置 半导体照明光源的总光通量和发光效率半导体照明光源的总光通量和发光效率 本实验所采用功率 LED 均为自制90lm W 器件 表2 从测试结果看 采用多热管 发光效率保持值明显增大 但从成本考虑 显然 单热管加 大散热片的结构更为合理 从同时期发表的半导体照明光源的功率和发光效率看 采用回路热管的半导体照明光源比 采用直管热管和 COB 工艺的结果 都有明显优势 表3 工作寿命试验工作寿命试验 我们对25W 和50W 两种半导体照明光源进行了正常工作寿命试验 实验仍在继续中 现将初步结果列于表4 表2 半导体照明光源的总光通量和发光效率 型号电流 A 电压 V 功率 W 光通量 lm 发光效率 lm W 25W A 单管 1 5715 9725 071763 270 3 25W B 双管 1 7414 425 062104 884 1 河南省瑞光印务股份有限公司提供 河南省瑞光印务股份有限公司提供 50W 单管大片 2 2822 0450 13594 171 7 50W 双管 2 2722 0450 053593 771 8 50W 叁管 2 5519 750 244040 680 5 注 1 测试单位 上海照明灯具研究所 2 测量仪器 远方 GO DS 系统 光强积分仪 表3 本工作与其他实验结果的比较 半导体照明 光 源 功率 W 发光效率 lm W 特征发布日期 American Bright2065COB 无热管2008 9 8 艾迪森光电2050COB 无热管2008 8 7 Neopac2050直管热管2007 8 18 2570 3单回路热管 2584 1双回路热管 5071 8双回路热管 5071 7单回路热管 大片 本工作 5080 5叁回路热管 2008 9 表4 工作寿命试验 日期功率 W 光通量 lm 发光效率 lm W 起止 工作时间 h 起止起止起止 变化率 09 2 77 11369650 8251 833665362672 1270 0 3 09 2 77 11369651 6951 693235327662 5863 38 1 3 09 2 77 11369628 028 981905208368 0471 88 5 6 09 3 37 11319234 3232 041412135441 1442 26 2 7 注 此光通量数据采用积分球测量 结果偏低 仅供相对比较 从一段时间的工作寿命试验结果看 一个半导体照明光源发光效率下降3 另三个尚有 1 3 5 6 的增加 更长时间的工作寿命试验还在继续中 河南省瑞光印务股份有限公司提供 河南省瑞光印务股份有限公司提供 结论结论 1 采用带散热片的回路热管作为散热结构 制成25W 和50W 半导体照明光源 回路热 管起导热作用 配上较大的散热片才能更好的发挥散热作用 2 选用热阻小的功率 LED 是制成高效长寿命半导体照明光源的条件之一 3 散热片的设计位置应有利于形成空气对流 以达到散热的最佳效果 4 带有散热片的回路热管在目前大功率半导体照明光源的应用中有重要作用 如可大 大减少路灯 的重量 采用