连忙散热器在LED照明领域的运用北京赛车app软件

日期:2019-11-08编辑作者:北京赛车app软件下载

LED灯在使用温度达到80℃时,灯杯材料的热导率要求为5.910W/m.K。因此以上完全符合使用要求。

大功率LED照明灯具在工作时会产生较多的热量,需要通过散热器将热量汇出并散发到环境中。本文系统地介绍了各类主要散热器特点,并对其材料性能特徵进行了分析和介绍。 LED(Light-emittingDiode的缩写)照明灯具是指采用半导体发光二极体技术做为发光源的一种新型环保照明产品。LED照明灯具有省电节能,易控制、免维护、安全环保、使用寿命长等特点,其使用寿命可达50,000-100,000小时,远超过传统钨丝灯泡的1,000小时及萤光灯管的10,000小时。LED作为一种新型的节能、环保绿色光源产品,其应用前景非常乐观,但LED在工作中发光的同时大部分电能都要转化为热能,如果热量不能及时的散出,LED的结温会不断的升高,当LED结温超过一定的限度就会发生不可逆光衰,造成LED工作寿命降低甚至损坏,因此LED灯具需要散热器将自身产生的热量散出才能正常工作。 一.普通照明大功率LED灯具介绍 1.常见类型球泡灯、射灯、蜡烛灯、管灯、吸顶灯、路灯、车灯等,并根据介面的规格不同有很多型号(部分灯具样品如图1)。 LED照明灯的基本结构包括三大部分,A:发光源结构:即LED灯板包括发光体,LEDPCB板等;B:LED驱动电源,可分为隔离电源和非隔离电源;C:LED散热,散光或导光组件:包括LED散热器、LED灯罩或LED导光体等。其基本如图2。 二.LED高效安全散热器工作原理介绍 散热器的主要作用是将LED晶片工作中产生的热量不断汇出并散发到环境中,使晶片的温度保持在所要求的范围内,从而保证LED灯能够正常工作。从LED晶片产生的热量主要以热传导的方式依次通过LED封装结构件、电路板、灯具散热结构件,後以对流和热辐射的方式把热量从散热结构传至环境中。常见的LED散热器散热模式如图。 散热器的好坏主要取决於在满足安规的条件,散热器的热阻性能。热阻越小,相同条件下LED灯结温越低,LED结温越低,晶片使用寿命就会越长。散热器的热阻应该包括导热热阻和散热热阻两部分。对於一定形状的散热器,导热热阻主要与散热器材料的导热系数有关,导热系数越大,导热热阻越小,导热效果越好;在一定环境条件下,散热热阻主要取决於散热器的散热面积以及散热器表面材料的辐射系数,散热面积越大、辐射系数越高,散热热阻越小,散热效果越好。 三.常见LED散热器不同材质介绍 所谓LED散热器就是能够将LED晶片工作中产生的热量快速地汇出并散发到环境中的一个元件,因此作为散热器仅具有一定的散热面积是不行的,制作散热器的材料必须具有一定的导热性,也就是要具有较高的热导率,才能将晶片产生的热量不断汇出,并终散到环境中;当然对於导热材料,除了导热性外,还应当具有比重小、价格低、强度高、容易加工等特点。 常用材料通常包括金属材料,无机非金属材料和高分子材料三大类,其中高分子材料又包括塑胶、橡胶、化学纤维等。导热材料一般为金属和部分无机非金属材料。在常见金属中,铝和铜的导热系数比较高,但铜的价格高,比重大,加工性不如铝,而铝质散热器完全能满足LED散热的要求,因此在LED金属散热器中以铝质散热器为主,铜质散热器并不多见,另外也有少量散热器是铁质的。导热性好的无机非金属材料加工前一般多为粉末状,需要经过特种工艺加工成型,加工成散热器後基本为陶瓷状;有些无机非金属材料导热系数很高又非常绝缘,但价格很高,如金刚石、氮化硼、氮化铝等;有些虽然导热系数高但不绝缘,类似金属,如石墨、碳纤维等;并且将无机非金属粉末加工成形状复杂的陶瓷散热器是非常困难的,因此,虽然陶瓷LED散热器是有应用的,但存在很大的局限性,需要进一步完善和提高。高分子材料本身导热性是比较差的,但如果将导热性好的金属粉末或非金属粉末添加到塑胶或橡胶中,制成导热塑胶或橡胶等,其导热性会大幅提高。导热橡胶因其特有的弹性,是其它导热材料无法替代的,因此在某些领域已经广泛应用,但因其刚性较差,作为散热器材料可能不太合适;导热塑胶单独或配以金属嵌件做成的LED散热器是近开发成功的新一代LED散热产品,如果设计得当,可以达到压铸铝散热器的散热效果,并且外表面绝缘,使用更加安全,是今後LED散热器发展的方向。下面就几种常见不同材质的LED散热器简单作一介绍。 1.铝质散热器目前较常见的LED散热器主要是铝质散热器,一般包括压铸铝和拉伸铝散热器两种。主要原因是金属铝的导热系数较高,比重小,易加工,价格便宜等。其中压铸铝散热器是目前常用的,其导热系数70-90W/m.K,外形较美观,形状可多变,价格适中;缺点是本身不绝缘,为了安全需要增加绝缘胶或套,而绝缘胶或套一般导热较差,对散热是不利的,同时成本也会增加。另外,压铸铝散热器模具成本较高,不利於新品的开发;生产过程需要消耗较多的能源,并且二次加工成本偏大。拉伸铝散热器导热系数200W/m.K左右,导热很好,一次加工成本较低,但往往需要二次加工,二次加工成本较高,而且形式较单一,同样需要增加绝缘处理,目前主要用於路灯及较大功率的室内LED照明。 2.导热塑胶散热器由国外几家大公司开发出的导热塑胶LED灯具散热器,不仅解决了铝质散热器本身不绝缘的问题,而且散热器的重量也有所减轻。目前生产LED散热器导热塑胶的公司主要有荷兰的帝斯曼,沙特的SABIC,日本的东丽公司等。导热塑胶主要是由尼龙、PBT等耐热性好的塑胶加入高导热的无机填料,如氮化铝、氮化硼等组成;其本身导热系数通常为通用塑胶的5-15倍,一般只有1-6W/m.K左右。现有导热塑胶的产业化主要局限是成本很高,售价约合100-300元人民币/Kg,制成散热器的价格也比压铸铝散热器高,虽然在一些生产LED灯具的大公司如飞利浦公司等有一定应用,但近期还无法大量替代铝质散热器。 3.Thertrans导热复合材料散热器是近在市场上深受关注的新型LED散热装置,由上海合复新材料科技有限公司独立开发完成。其散热性能优异类似于传统金属散热器,具有类似导热塑胶的电绝缘性能。更为表现突出的是,具有非常高效的工业化成型性能,可采用远低於金属和传统导热塑胶的低温加工成型技术.Thertrans导热复合材料散热器一般由Therpoxy导热复合材料和内嵌金属铝件两部分组成。铝件采用冲压铝材,导热系数200W/m.K以上,这种铝嵌复合材料式散热器的散热性优异,可以与压铸铝散热器的散热效果接近或相当,加工也相对容易。从测试结果,Thertrans复合材料散热器的散热效果可以和相同形状压铸铝散热器接近,或者说相同形状的Thertrans导热塑胶散热器和压铸铝散热器的热阻基本一致。 除了导热散热性能优势外,Thertrans复合材料散热器外形美观,式样多变,可用注塑机加工成型,其重量比相同形状压铸铝散热器低三分之一左右,而且不必另外增加绝缘处理,甚至可以将螺纹口等与散热器一起成型,有效减少了LED灯具生产厂家的组装工序及成本。 Thertrans散热器采用的Therpoxy导热复合材料,其导热系数约为3W/m.K左右,价格只有传统高性能导热塑胶的一半,甚至不到,材料具有导热、绝缘、阻燃、耐热、环保、耐老化、易成型、重量轻、价格较低等特点。其中阻燃可达到UL94V0@0.6mm,符合RoHS环保要求,表面耐击穿电压4000V以上,因此能较好地平衡产业化过程中的性能价格问题,受到较好的市场认可。

1、测试条件及要求:样品通电待温度稳定后记录各点最高的温度,要求不超过温度限值

LED灯杯作为LED灯的散热器,是使LED灯在工作过程中产生的内部热能更易向外部环境散发,提高了电能转化成光能的效率。

但是由于高分子材料多为热的不良导体,限制了它在导热方面的应用,因而开发具有良好导热性能的新型高分子材料,成为现在导热材料的重要发展方向。特别是近年来,随着大功率电子、电气产品的快速发展,必然会出现越来越多的由于产品发热,导致产品功效降低,使用寿命缩短等问题。有资料表明,电子元器件温度每升高2℃,其可靠性下降10%;50℃时的寿命只有25 ℃时的1/6 。导热填料主要分为两种:一种是导热绝缘填料,如金属氧化物填料、金属氮化物填料等。另一种是导热非绝缘填料,如炭基填料和各种金属填料等。前者主要用于电子元器件封装材料等对电绝缘性能有较高要求的场合,后者则主要用于化工设备的换热器等对电绝缘性能要求较低的场合。填料的类型、粒径大小及分布、填充量和填料与基体间的界面性能对复合材料的热导率都有影响。

目前,广东顺德鸿塑高分子材料有限公司成功开发了以尼龙66、聚苯硫醚为基体树脂的高导热型复合材料投入市场并取得良好地效果。以尼龙66改性的高导热复合材料的的密度为1.5±0.05g/cm3,以聚苯硫醚的高导热复合材料的密度为1.73±0.05g/cm3远低于铝合金材料的密度,可以满足大功率LED散热器的重要要求,HS-PA66-TR40、HS-PPS-TR40在室温状态下达到6.53-8.65W/m.K,是纯尼龙66热导率的26倍,是纯聚苯硫醚热导率的28倍。

测试结果:1:8瓦LED筒灯温度测试:

LED灯行业开发初期最常见的LED灯散热器是铝合金材料挤压或压铸成型,但因其比重大,后加工成本高且效率低等缺点,限制了其在大功率LED散热器的应用。而改性PA66、改性PPS导热材料相比铝合金材料,其具有重量轻、成本低、易加工、可成型复杂形状样品、可循环利用,符合各项环保要求等特点,成为目前LED灯杯的首选材料。

最高温差3.4度2:10瓦LED筒灯温度测试:

测试记录

2、标准条款:IEC60598 12.4

一、概述传统导热材料多为金属和金属氧化物,以及其他非金属材料,如石墨、炭黑、A1N、SiC等。随着科学技术和生产的发展,许多产品对导热材料提出了更高要求,希望其具有更加优良的综合性能,质轻、耐化学腐蚀性强、电绝缘性优异、耐冲击、加工成型简便等。导热绝缘聚合物复合材料因其优异的综合性能越来越多得到广泛应用。

最高温差5.1度五、结果分析从两种不同瓦数的筒灯测试结果看,我们用自制的散热材料生产的筒灯与用铸铝外壳的生产的筒灯在各个测试点的温度相差不大,最高温差不超过6度,全部测试点的温度都低于极限温度,都能使用。从而达到了用散热塑料代替铸铝来生产LED筒灯的目的。

式中,A为复合材料的导热系数,A 和A 分别为聚合物和填料的导热系数, 为填料的体积分数,c 为影响结晶度和聚合物结晶尺寸的因子,C 为形成粒子导热链的自由因子。c越接近1,粒子就越容易形成导热链,其对复合材料导热性能影响也越大。其在后来的研究中发现:在低填充至超高填充范围内MaxwELl-Eucken,Bruggeman,Cheng-Vochen以及Nielsen的理论模型与其它的理论模型相比较,其理论曲线与实验数据基本相符,其它几种理论模型与实验数据都有一定的偏差。三、本文研究的目的目前国内外功率型LED行业灯具普遍使用铸铝作为外壳散热材料,使用散热塑料外壳可节约大量能源和提高生产效率,对于降低LED产品成本具有极为现实的经济意义。使用塑料后还能极大地拓展灯具工程师开发产品的灵和性和创造性,设计更加轻便、美观的产品以便更快的向大众消费者推广。我们基于广泛研究的基础上提出使用散热塑料通过模具生产8瓦、10瓦LED筒灯底座,检查产品各个部位的温度是否合符要求来检验散热塑料是否合格,以便大批量生产。

导热塑料使用的基体聚合物主要有:PA(尼龙),FEP,PPS,PP,PI 环氧树脂,POM,PS 及PS与PE复合材料等。聚合物基导热复合材料的国内外研究现状:聚合物基导热复合材料是通过添加导热填料来提高高分子材料的导热性能。一般是以高分子聚合物(如聚烯烃、环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等)为基体,较好导热性能的金属氧化物如A1203、MgO,导热及绝缘性能良好的金属氮化物AIN、BN,以及高热导率的金属材料如Cu、AI等为导热填料,进行二相或多相体系的复合。目前欧洲和日本及美国都有公司报道有成熟产品在推广使用。例如:荷兰皇家帝斯曼集团工程塑料推出了21世纪以来的第一种新型聚合物:StanylTC系列导热塑料可用于LED; 成为向LED照明应用的塑料散热管理解决方案的全球领先供应商。美国先进陶瓷公司和EPIC公司开发出热导率达20.35W/(m?K)的BN/聚丁烯(PB)复合工程塑料,可用普通工艺如模压成型制备而得,主要可用于电子封装、集成电路板、电子控制元件、计算机壳体等。国内利用模压法制备了氮化铝环氧树脂(EP)导热复合材料,AIN含量、粒径、硅烷偶联剂及加工工艺对体系导热性能的影响。研究表明,随着A1N含量、粒径的增加,体系的导热性能不断提高;偶联剂的加入增强了AIN和环氧树脂的界面粘结性能,减小了界面间的热阻,从而有利于体系导热性能的提高。当AIN粒径为5.3微米含量为67v01%时,AIN/EP导热复合材料的热导率为14W/(m?K)。二、导热机理导热高分子材料的导热性能最终由高分子基体、导热填料以及它们之间的相互作用来共同决定。高分子基体中基本上没有热传递所需要的均一致密的有序晶体结构或载荷子,导热性能相对较差。作为导热填料来讲,其无论以粒状、片状、还是纤维状存在,导热性能都比高分子基体本身要高。当导热填料的填充量很小时,导热填料之间不能形成真正的接触和相互作用,这对高分子材料导热性能的提高几乎没有意义;只有当高分子基体中,导热填料的填充量达到某一临界值时,导热填料之间才有真正意义上的相互作用,体系中才能形成类似网状或链状的形态一即导热网链。当导热网链的取向与热流方向一致时,导热性能提高很快;体系中在热流方向上未形成导热网链时,会造成热流方向上热阻很大,导热性能很差。因此,如何在体系内最大程度地在热流方向上形成导热网链成为提高导热高分子材料导热性能的关键所在。导热理论模型:目前,导热胶黏剂的研究主要集中在填充型导热胶黏剂的研究上,结构型导热胶黏剂的研究还鲜有报道。许多研究者曾提出各种模型对填充导热材料的热导率进行预测,但理论模型所讨论的填充量一般集中在低填充或中等填充(体积分数10% ~30%)上,而很少提及在高填充及超高填充下的理论值与实验结果的相符合的情况。Agari Y 』提出了适用于高填充及超高填充量的理论模型。该理论模型认为:在填充聚合物体系中,若所有填充粒子聚集形成的传导块与聚合物传导块在热流方向上是平行的,则复合材料导热率最高;若与热流方向相垂直,则复合材料的导热率为最低。该理论模型充分考虑了粒子对复合材料热性能的影响,并假定粒子的分散状态是均匀的,从而得到了理论等式。其表达式为:A=VfC21g),2 (1一 )lg(c1A1)

四、结果测试本文使用自行研制的散热材料制作8瓦、10瓦LED筒灯底座取代原先使用的铸铝底座制作成8瓦、10瓦LED筒灯低座,按照标准IEC60598 12.4使用多路温升测试仪测试灯杯各点温度。图片:

3、测试仪器:多路温升测试仪

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