未来散热趋势——主动冷却技术提高LED照明强度

中心议题：
       *高效、高质量的LED灯具
       *低能耗散热技术
       *合成射流技术优点多
  
对于通用照明应用来说，今年将会是非常重要的一年；相比2010年，今年的照明市场有望增长59%。置换灯具或者利用SSL来替代现有白炽灯和荧光灯发展迅速。用户多看重LED灯具的高能效、长寿命和低维护费用。LEDs每年为商业和城市节约数百万美元的能量和维护费用，并为用户提供高效、高质量的照明环境。

尽管如此，还需要对LED进行改进，以便让LED成为零售业、居住和室外照明应用的主要选择。成本和照明强度是目前LED照明普及的主要局限。

LED的生产成本有望在2015年大幅度降低。美国能源部预计，在未来的五年内，LED灯具的生产成本将降低40%至50%。政府财政补贴和减价政策还将进一步降低LED成本。

照明强度是利用LED灯具的另一个主要考虑因素。尽管LED技术不断发展，但是仅靠被动冷却技术来生产高照明度LED难度很大。使用被动散热片来进行冷却的LED数量巨大，这也使得置换工程难度变大。如果使用小型散热片的话，灯具由于受到热损害将更易变质；还会使得其照明度明显下降。

LED灯具散热问题

散热是影响LED灯具照明强度的一个主要因素。LED灯具比传统的白炽灯能效高80%，但是其LED组件和驱动器电路散热量很大。如果这些热量没有适当的排放出去，LED灯具的发光度和寿命将会急剧下降。

散热片能解决低照明度LED灯具的散热问题。灯具厂商能生产40W LED替代灯以及60W LED替代灯。高照明度LED灯具就会遇到散热问题。一个散热片是无法解决75W或者100W LED灯具的散热问题的。

对高亮度灯泡的需求显而易见，75W和100W灯泡占据了照明市场很大份额。市场都渴望利用LED灯具固有的节能和维修优势。2007年的美国能源独立和安全法案要求从2012年起使用更高效率的照明灯具。这些新要求促使消费者们寻找照明质量好、寿命高并且照明度强的灯具来替代现有的白炽灯。

为了达到理想的照明强度，必须使用主动冷却技术来解决LED 灯具组件释放的热量。一些主动冷却解决方案例如风扇的寿命没有LED灯具高。为了给高亮度LED灯具提供一个实用的主动冷却解决方案，散热技术必须是低能耗的；并且能适用于小型灯具；其寿命要与灯源相似或高于灯源。

合成射流冷却法

图1：空气释放时的合成射流速度向量（点击图片放大）

合成射流技术为LED灯具提供了一个主动冷却解决方案；并为全球许多大型照明公司采用。这种紧凑冷却模组解决了目前阻碍LED灯具发展的所有难题：散热、小型设计以及可靠性。

合成射流替代了传统的风扇；对于LED散热来说是一个极佳的选择。通过隔膜的运动，引起气流在开口处的周期性吸入与发射，从而形成了射流；如图1所示。图1中前三个画面显示了气体的发射阶段：此阶段形成了带有旋涡的射流；射流处气体向下对流。一旦旋涡流向下行，开口处附近的空气就会被带动，从而形成射流；如图1中后两个画面所示。

该急速湍流空气每秒脉冲数可达30至200，冲破热界面层，提高从热源（主要是LED散热片）出散发的大部分热量；从而排放掉大量的热。这种高速脉冲气流能精确放置于需要冷却的地方，例如散热片翼；从而进一步提高合成射流的散热效率。

合成射流技术优点很多。第一，该技术散热量更多；与传统的射流技术相比，需要的空气量更少。散热片尺寸要比原来的小三分之二，并且要轻许多；从而减少灯具的尺寸，并使得替换更加方便；同时还能维持有效的照明强度。合成射流与主动冷却相关的层流相比，散热效率要高50%。

这种合成射流型设计适用于任何LED灯具的设计：更换、室外照明、零售、工业照明等。合成射流能够以传统的鼓风机无法实现的方式使气流发生变化，从而完成独特的设计。

最后，这种合成射流的规格耐久性高，对维持LED灯具的高寿命很有帮助。该模组部件移动没有任何摩擦，从而使得这种设计更可靠、寿命更长、更抗灰尘和污染、并且无任何噪音。

置换灯具发光效率更高

下面就是使用合成射流技术的LED置换灯具的例子。Ledon Lamp GmbH公司专门生产高效LED灯具。Ledon公司研发了一款接近A-Lamp规格的白炽灯替换LED灯具，效率高达75W至100W。尽管不是真正的A-Lamp规格，但是该公司还是希望其灯泡能适用于大众用户。通过使用合成射流散热技术，Ledon公司灯具照明强度极高；这是该公司之前从未达到过的。

为了达到75W和100W的效率，Ledon公司在其研发的灯泡顶端放置了合成射流器。放置在该合成射流器顶端是是一个散热器；该散热器能够将热量从LED灯具传导至散热片。散热片为合成射流器形成排气口，从而让气流通过，并将气流引导至散热片翼端。合成射流器顶端的排气口在散热片边沿以及散热片翼端呈放射状放置，从而让合成射流器达到理想的散热效果。

为了冷却驱动器电子件，合成射流器一端与驱动器外壳相连。驱动器外壳低端的通风口打开通风，从而有效冷却驱动器电子件从而达到75W以及100W的效率。如果没有合成射流器的灵活性，所有这些设计都无法完成。
 

PAR38 参照设计

图2：采用Nuventix公司SynJet散热引擎的PAR38参照设计模块（点击图片放大）

Nuventix也为其PAR38置换灯具（如图2）研发了一种散热管理参照设计方案。这种参照设计，在与Nuventix的SynJet（如图3）配合的情况下，能为照明设计者提供设计LED组件的系统；设计出的LED组件效率高达2500流明，并且适用于PAR38规格灯具。而目前LED PAR38置换灯具效率仅为1500流明。

图3：震荡隔膜合成射流引擎

这种设计与德州仪器公司（IT）的电器驱动控制设备类似；该公司控制设备通过将分散的原件整合在一个IC上，从而形成更小规格的灯具。

SynJet散热模组在PAR38参照设计中冷却量可达40W，消耗能量低于500mW。另外，SynJet和TI的IC为灯具设计者们带来更多的选择余地；灯具规格更小而照明强度更高，适用的LED数量相应更少。