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摘要：LED照明灯具散热结构设计是LED照明灯具设计的重要内容，并且提高LED灯的快速散热，减小大量的热量对LED元器件的损害是当前LED芯片及元器件发展的重要方向，同时也是LED灯的发展瓶颈。基于此，本文阐述了LED照明灯具的主要特征以及散热性能对LED照明灯具的主要影响，对LED照明灯具散热结构设计要点进行了探讨分析，旨在促进LED照明灯具产业的健康发展。
关键词：LED照明灯具；特征；散热性能；影响；结构设计要点
LED照明灯具结构设计较为复杂，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，一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，在一定程度上影响发光效率，且会极大影响灯具的使用寿命，因此必须提高LED照明灯具的散热结构设计水平。以下就LED照明灯具散热结构设计要点进行探讨。
1 LED照明灯具的主要特征
LED照明灯具具有节能、安全性较高以及整体光效高等特征。与传统光源相比，LED光源的发光效率已经由原来的不到10lm/W提高到180lm/W以上，光效远高于传统光源，且其发光效率仍有较大提高的潜力。LED光源使用低压直流驱动，一般供电电压在6~24V之间，因此安全性能比较好，特别适用于公共场所。另外在外界环境较好的条件下，LED光源比传统光源的寿命长，即使频繁开关，也不影响其使用寿命，一般可以使用10年左右，维护成本比传统灯具低。LED光源通过改变电流、化学修饰、单色光混合等方法，可以实现可见光波段各种颜色的发光和变色，即使对于白光LED也可以制作成各种色温的光源，不至于像传统光源一样光色太单调。LED光源在生产过程中无需添加金属汞，因此LED废弃后，不会造成汞污染，其废弃物几乎可以全部回收利用，不仅节约了资源，还保护了环境它是最环保的光源之一。
2散热性能对LED照明灯具的主要影响
2.1散热性能对LED照明灯具寿命的影响分析。LED发光的原理是由于大量活跃的电子在PN结中不断的运动，由动能转化成了大量的光能。LED 发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。LED 的光效目前可以达到180lm/W，其电光转换效率大约只有 30~40%左右，也就是说大约 60%的电能都变成了热能，使得灯具内部的温度上升。LED 的寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低 10℃寿命会延长 2 倍。除此以外 LED 的发热还会使得其光谱移动；色温升高；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题。如果不采取相应的散热措施，随着使用时间的推移，LED照明灯具的内部温度就会持续上升，不断降低发光效率，就会缩短使用寿命，散热处理不好，到了一定的程度，还会烧坏灯具。因此，解决散热问题最关键的部分，就是如何以最快的速度、最大化的将PN结处产生的热量传导出去。所以说，LED 的散热是 LED 灯具的设计中最为重要的一个问题，是延长灯具使用寿命的关键问题。
2.2散热性能对LED照明灯具环境的影响分析。热的传递方式有三种：传导、对流和辐射。在LED照明灯具散热结构设计前，首先考虑的是使用环境，然后根据使用环境，在这三种散热方式中选出最佳的散热方式，最后确定灯具的散热结构，只有这样，我们才能设计出性能更好的LED照明灯具。现在有很多设计人员不重视这一前提条件，尤其是一些商家为了能吸引顾客，不断地在灯具的外形上做文章，导致目前LED照明灯具结构各式各样，让人眼花缭乱，但大部分只是通过增加散热面积试图来解决散热问题，没有考虑到更多的环境因素，致使最终无法改善散热问题。
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3 LED照明灯具散热结构设计要点的分析
3.1 LED照明灯具自然冷却散热器设计要点的分析
LED灯具散热设计要考虑流过的固体边界和黏性对流体流动的阻力所产生的影响，使流动中的流体受到局部和沿程阻力的干扰。对此，LED散热器的设计应考虑到自然冷却时边界层温度较厚等情况，若齿之间距离过小，就容易交叉各自的热边界，会干扰到齿表面的对流。一般情况下，自然冷却散热器的鳍片间距应超过12mm，如果散热器的鳍片高度低于10mm，散热器的鳍片间距则应按照超过1.2倍鳍片高度的原则来设计。
3.2 LED照明灯具散热器的鳍片数量设计分析
散热面积就是暴露在环境之中是所有表面积之和。散热器的散热面积越大，则热容量也就越大。散热器的鳍片数量越多，散热面积越大，其热量也就散发的越快，但是鳍片的数量并不是随便增加，其受加工工艺的限制。若鳍片布局较密，则对流不能有效进行，进而导致散热效果不理想。一般来说，鳍片数量不宜超过40片。
3.3 LED照明灯具散热器的鳍片高度与厚度设计要点分析
提高LED照明灯具散热器的鳍片厚度能快速将热量从基板导出，但并不能增加散热器的散热面积，对灯具整体温度影响不大，相反其厚度增加会使散热器重量增加，进而提高成本。据以往工艺经验，翅片的厚度在大于1毫米的前提下，可以最大程度的将散热器的基板厚度减小。而对于散热器的鳍片高度来说是不能无限做高（这里不谈生产工艺方面），从散热效率看，当高度超过44mm时，对于系统散热没有多大影响。也就是说多余的部分增加了重量，增加了成本但没有起到散热作用。所以散热器的鳍片的厚度和高度在设计时一定要综合考虑。
3.4 LED照明灯具散热器表面处理设计要点分析
对散热器的表面处理的方法也对散热器功能的发挥有着重要的影响。经过相关实验显示，表面处理采取黑色比白色散热效果要好一些。这是由于黑色表面更容易吸收外界的辐射热，而白色表面会反射出一部分。根据物理学经典辐射定律——一切物体的辐射本领等于它的吸收本领，非黑体的吸收本领永远小于同温度下的黑体。所以，同等条件下将非黑色和黑色物体散热能力相比，黑色物体散热明显更快，而且颜色越深，对热能的发射率和吸收率就越高。所以发黑处理散热器表面可以增加表面辐射系数增强辐射换热。
3.5改善对流环境
常用的对流散热的方式主要有两种，一种是自然对流；另一种是强制对流。目前大部分灯具都是通过自然对流的方式进行散热，靠近散热器基板周围的空气受热，密度变小，与远离散热器基板的空气形成密度差，从而使空气沿散热器的鳍片不断往上走，从而带走散热器上的热量。当散热鳍片平行分布的时候，空气直接从散热器鳍片两侧往上走，却不能进入散热器鳍片之间对散热器进行有效冷却。为解决这个问题可以通过在散热器鳍片上开扰流孔或开缝的方式强化散热器对流。当然如果散热器鳍片设计成阵列机构而非平行结构，散热效果会更好。但对于大功率LED灯具或特殊环境使用的灯具来说，自然对流是远远不够，需要通过加装风扇等方式对对流环境进行改善。
4结束语
综上所述，散热结构对LED照明灯具的稳定性具有重要影响，为了充分发挥LED灯具的功能，需要对其散热结构进行合理设计，优化LED照明灯具散热的调整，从而促进LED照明灯具的发展，推动节能环保型社会的进步。
参考文献
[1]张正道.LED灯具散热设计概述[J].光源与照明，2017（09）.
[2]潘裕等.大功率LED灯散热器结构设计[J].山东工业技术，2018（05）.
论文作者:黄奕
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/5
标签：散热器论文; 照明灯具论文; 灯具论文; 光源论文; 结构设计论文; 环境论文; 要点论文; 《防护工程》2018年第5期论文;