厂房照明用led工矿灯开发案.doc

厂房照明用LED工矿灯开发案 　　1、引言：　　在工厂的能耗中，照明能耗占有一定的分量。例如在一个4万平方米的厂房建筑物中，照明用电负荷约为400KW,因此，在工厂照明灯具的选用中，如何实现节能、环保是摆在工厂设计者一个重要的课题。采用新型LED光源为基础的照明灯具，除了节能环保外，它还具有寿命长、响应时间快、光色纯光线集中等优点，近年来，广受消费者的青睐。　　2、LED照明设计关键技术　　新技术 、新材料和新工艺不断应用到大功率 LED光源的设计中，为大功率 LED灯具设计奠定了坚实的基础 .由于同为 LED光源的应用产品差异性较大，其设计 、测试等标准的出台具有一定滞后性 ,所以导致不同厂家生产的产品在结构、性能等方面互换性较差 .同时，LED灯具产品本身就是一个机、光、电等因素的整合，其设计更是涉及到众多领域的技术。　　3、LED工矿灯设计实例　　LED工矿灯的设计，涉及较多细节，我们按照以下几个重要的注意事项，逐一分析讨论，以此来体现设计流程和方法，如图所示：　　功率选择　　光源选择　　散热设计　　机构设计　　光学设计　　3.1 功率选择　　传统工矿灯以250W或400W高压钠灯和金卤灯居多，和新型的LED灯具的特性对比，有着较为明显的差别，见下表： 　　考虑到在实际使用中的高压钠灯和金卤灯光衰及二次出光问题，其实际发光效率远低于80lm/W,往往无法达到标称的7成。依此我们首次开发的LED工矿灯功率设定为120W左右，一旦光照效果符合预期，即比传统灯具节能超过50%.　　3.2 光源选择　　目前市面上大功率LED光源比较知名的品牌有：CREE、OSRAM、NICHIA、Lumileds（最早的LED），另外台湾厂商的晶元、艾迪森以及国内的封装大厂深圳万润、珠海瑞丰、江西联创等也是应用较为普及的品牌。　　为保证产品的稳定性，此工矿灯我们选用最为知名的CREE光源。　　3.3 散热设计：　　在大功率LED 中，散热是个大问题。例如，1 个10W 白光LED 若其光电转换效率为20%,则有 8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此散热设计也是我们最为重要的内容，以下我们分别从铝基板和散热器两方面结合，来探讨散热设计。　　3.3.1 基板选用　　在LED产品应用中﹐通常需要将多个LED光源组装在一电路基板上。电路基板除了扮演承载LED模块结构的角色外﹐另一方面﹐随着LED输出功率越来越高﹐基板还必须扮演散热的角色﹐以将LED晶体产生的热传派出去﹐因此在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方面的要求。针对基板，我们分别比较了FR4、陶瓷基板以及MCPCB.　　（1）FR4导热系数约0.36W/m·K,无法满足高功率LED照明散热要求；　　（2）Ceramic导热系数大于80W/m·K,价格昂贵、加工性差，无法大面积使用；　　（3）MCPCB导热系数大于2.0W/m·K,价格适中、加工性强，技术成熟可批量生产。　　3.3.2 散热器设计　　散热器的作用就是吸收基板或芯片传递过来的热量，然后发散到外界环境，保证LED芯片的温度正常。绝大多数散热器均经过精心设计，可适用于自然对流和强制对流的情况。即主动式散热器和被动式散热器。其各自的性能特点见下表：　　考虑到成本及稳定性，我们选用被动散热方式。而被动散热器，根据材料，又分为铝挤型（Al Extrusion）散热器和铝压铸型（Al Die-Casting）散热器。各自的特点如下：　　关于Heat sink上使用HeatpipeFinVapor-Champer,经过测试，emitter温度下降不多，再根据工程用灯的稳定性要求，故不考虑使用。　　3.4 机构设计　　机构设计涉及不仅涉及整灯的机械结构，也涉及到灯具的外形美观。接下来，我们从以下四方面来进行压铸散热器的具体设计。　　A. Best Look　　对于外观，我们设想了以下两种形式。　　C. Best Thermal　　散热器的散热性能很大程度是由散热器的机构设计有决定的。材料同为ADC-12的压铸铝，当散热器的外经、Fin片高度、Fin片密度等参数不同时，散热性能可能相差甚远。设计过程中，我们分别选用了四种不同结构的散热器，对其进行了热流仿真模拟，如下图　　通过热流仿真模拟，我们发现Case4的热性能最好。如下表：　　同时，我们可以得出以下结论：　　（1）降低Fin高度的同时增大Heat sink的外径可得到更为有效的散热效果。　　（2）同样重量的Heat sink,增高高度与增大散热器直径相比，后者可达到更为有效的散热效果。