ヒートシンクLED用
LED技術の継続的な発展により、LED照明製品はますます注目を集めています。
従来の光源と比較して、LED 光源はソリッドステート冷光ランプであり、長寿命、高い発光効率、無輻射、低消費電力、優れた耐衝撃性と耐振動性、高い安全性という利点があります。 世界中でグリーン照明が一般的に提唱されている今日、LED は新たなグリーン照明光源として広く支持されています。
しかし、LED 照明製品は使用中に過熱する傾向があり、特に一部の高出力 LED 照明製品には深刻な発熱の問題があります。 LED は高温に敏感なコンポーネントです。 大量の熱を発生し、温度が高すぎる場合、照明効果や光の色温度などに直接影響し、LED 照明製品の通常の使用にも重大な影響を及ぼします。
01 LED照明製品の性能に対する高温の影響
放熱性はLED照明製品に求められる重要な性能です。 実際には、LED 照明製品はさまざまな環境で使用されることが多く、これも LED 照明製品の効率に大きな影響を与えます。 LED照明製品の放熱能力を高めるためには、LED照明製品の性能に対する高温の影響を研究する必要があります。
1.1 高温により LED に永久的な損傷が発生します
LEDの動作特性を考慮すると、動作温度がLEDが耐えられる最高温度よりも高い場合、LEDの発光効率が急速に低下し、強い光減衰が形成され、LEDの損傷につながります。 LED。 LED はほとんどが透明なポリスルホン/エポキシ樹脂で封止されています。 熱分解温度が固形分の転移温度（通常15℃）より高い場合、封止材がコロイド状態に変化し、熱膨張係数が急激に上昇し、LEDの断線や破損の原因となります。
1.2 高温は LED の寿命を縮めます
LED のブランドが異なると、光減衰特性も異なります。 LED メーカーは通常、LED 製品を選択するための基準として標準的な光減衰曲線を提供しています。 LED の寿命は光の減衰と密接に関係しています。 長く使用するとLEDの照度が低下し、最終的には消灯します。 一般にLEDの寿命はLEDの光束が30%減衰する時間と定義されています。 高温になると LED の光が減衰し、LED の寿命が短くなります。
(1) LED チップに存在する欠陥は、高い周囲温度で発光領域に侵入するまで急速に拡大し、多数の非発光再結合中心が発生し、LED の発光効率に大きな影響を与えます。 高温環境では、材料の微小欠陥や界面や基板から急速に広がる不純物も発光領域に導入され、多数の深いエネルギー準位が形成され、それによって光の減衰が加速されます。 LEDデバイス。
(2) 高温になると、透明導電性エポキシ樹脂材料が変質して黄色くなり、光透過性能が著しく損なわれます。
(3) 蛍光体の光減衰も LED の光減衰に影響を与える主要な要因であり、高温での蛍光体の減衰は非常に強力です。
1.3 高温は LED の発光効果に影響を与えます
LED の構成材料の一部のパラメータは周囲温度によって変化し、これにより LED デバイスのパラメータが変化し、LED の光出力に直接影響します。 一般に、温度の上昇に伴う光束の減少プロセスは可逆的です。 周囲温度が初期温度に戻ると、光束は回復増加します。 これは、温度が初期状態に戻ると、LED 素子の内部パラメータが変化しなくなり、LED の光出力が初期状態の値に戻ることができるためです。 LED の光束はコールド ルーメンとホット ルーメンに分けられ、それぞれ室温と周囲温度での LED の光出力を表します。
高温が LED の発光効果に影響を与える具体的な理由は次のとおりです。
(1) 周囲温度が上昇すると、LED 照明製品内の電子と正孔の濃度が増加しますが、禁制帯幅の減少により電子の移動度は減少します。
(2) 周囲温度が上昇すると、ポテンシャル井戸内の電子と正孔内の放射の再結合の確率が大幅に減少し、非放射再結合が形成され、それによって LED の内部量子効率が低下します。
(3) 周囲温度の上昇により LED の青色光のピークが長波長側にシフトし、LED の発光波長と蛍光体の励起波長が不一致となり、発光効率が低下します。 LEDによる外光の取り出し効率。
(4) 周囲温度が上昇すると、蛍光体の量子効率が低下し、光出力が低下します。
(5) シリカゲルの性能は温度に大きく影響されます。 使用温度が上昇すると、シリカゲル内の熱応力が増加し、シリカゲルの屈折率が低下し、LEDの光効率に直接影響します。
02 LED照明製品の放熱問題
LED照明製品は一般的に放熱の問題を抱えています。 これに対し、白熱灯や蛍光灯は電力損失が大きいものの、紫外線を直接照射できるため、光源の発熱が非常に小さいです。 LED照明製品が消費するエネルギーのうち、可視光に変換される部分以外にも、その他のエネルギー源が熱に変換されます。
また、LEDパッケージが小さいため、対流や輻射による熱の放散が難しく、大量の熱が蓄積します。
2.1 熱膨張による部品の曲がりや割れの原因
LED照明製品は多くの部品で構成されており、各部品の材質が異なり、熱による伸縮の程度も異なります。 熱膨張中に構成材料が曲がったり亀裂が入ったりするため、製品の放熱が低下し、LED 製品の使用効率が大幅に低下します。
2.2 電子回路の動作障害
導体部品の使用温度が上昇すると電源のインピーダンスが低下し、「温度上昇→インピーダンス低下→電圧上昇→熱増強→温度上昇」の悪循環に陥りやすくなり、場合によっては焼損してしまうこともあります。 。
2.3 高温は材料品質の劣化につながります
一般にLED照明製品に使用されている金属材料は酸化しやすく、温度が高くなるほど酸化速度が速くなります。 高温酸化により LED 照明製品の寿命が短くなる可能性があります。
03 LED照明製品の放熱性能に影響を与える要因
3.1 LED照明製品の放熱性能に対する風向きの影響
研究者らは、風向きが LED 照明製品の熱放散に及ぼす影響について実験を実施しました。 一般に、現実世界のシミュレーション環境では、風向は水平右、垂直上向き、垂直下向きの 3 種類があり、最大風速は 1.50 m/s を超えません。 実験中は、異なるグループが使用する LED 照明製品がまったく同じであることを確認する必要があります。風向きの違いを除き、他のすべての変数は変更しない必要があります。 実験中、LED照明製品の温度測定に注意し、さまざまな風下でのLED照明製品の熱放散率を計算します。 実験により、LED照明製品の放熱過程において、垂直風の影響を大きく受けることが分かりました。 これは主に、垂直下向きの風の方向が自然の空気の対流方向と逆であり、LED 照明製品の最高温度が変化するためです。
3.2 LED照明製品の放熱性能に対する風速の影響
LED照明製品の放熱性能に対する風速の影響を理解するために、研究者らは実験も実施した。 実験では、外部環境が一定であることを確認してから、風速を徐々に増加させる必要があります。 風向が鉛直下向きで風速が小さい場合、LED照明製品の最高温度は高くなります。 風速が増加すると、LED照明製品の温度は徐々に低下します。
04 LED照明製品の放熱最適化対策
LED照明製品の放熱構造を設計する場合、構造層の数が少なく、層の厚さが薄く、層の体積が大きくなり、材料の熱伝導率が大きくなり、放熱性が向上します。 。 また、ランプの形状は長方形のブロックかリングを選択する必要があります。 LED 照明製品の放熱設計は、パッシブ ヒート シンクと補足としてのアクティブ ヒート シンクの設計原則に従い、アクティブな放熱方法を最小限に抑えるか排除する必要があります。
4.1 ヒートシンクの合理的な選択
LEDをパッケージングする際、ヒートシンクや電動ファンが直接接続されていないため、LEDの電源基板が大量の熱を発生するため、LED照明製品の冷却と放熱は非常に難しい問題となっています。 この点で、ヒートシンクを適切に選択する必要があります。 ヒートシンクは、LED照明製品の表面と室内空気との相互接触面積を拡大し、それによってLED照明製品の冷却および放熱効率を向上させることができます。
4.1.1 フィンの選択
通常、ヒートシンクの外面はフィンに機械加工されます。 フィンには多くの種類があり、必要に応じてフィンの数、位置、仕様、傾斜角度、厚みなどを慎重に選択する必要があります。 フィンの形状は通常の直線状のほかに、波状、螺旋状、長円形、錐台状などがあります。 それぞれの形状の製造目的は、室内空気の対流や雨水の排出などを促進し、最適な放熱効果を得ることが目的です。 。
メーカーは主に焼結法と溝付き製造法を使用してヒートシンクを製造しています。 同じ仕様の焼結ヒート パイプは、溝付きヒート パイプと同じ性能を備えています。 このうち、ヒートパイプを焼成する際、フィラーとして銅粉を多量に使用するため、ヒートパイプの毛細管径が小さくなり、貫通力が小さくなる。 焼結ヒートパイプの幅が大きくなると、ヒートパイプの熱伝導効果が弱まってしまいます。 したがって、適切なフィンとヒートパイプを選択して使用する必要があります。 例えば、非常に代表的な LED 照明装置として、LED 街路灯の使用では、街路灯の放熱効率を向上させるために、ヒートパイプ + フィン、ベイパー チャンバー ヒートパイプ + フィンなどの放熱方法が使用されます。
4.1.2 材料の選択
ヒートシンクの材質の中でも銅はアルミニウムよりも熱伝導率が良いですが、銅の放熱速度はアルミニウムよりも遅いです。 したがって、銅とアルミニウムの長所を組み合わせた新しい銅アルミニウム複合ヒートシンクが使用可能になります。 銅アルミニウム複合ヒートシンクは、銅がLEDから発生する高熱を素早くアルミニウムに伝え、その高熱をアルミニウム合金フィンで放熱することで放熱効率を高めます。
4.1.3 ヒートシンクチューブの選定
ヒートシンクチューブはヒートシンクの重要な部分です。 ヒートシンクの加熱端が加熱されると、チューブ壁近くの水が瞬時に蒸発して大量の水蒸気が形成され、この部分の圧力が上昇します。 水蒸気は水圧によって冷却端に移動します。 蒸気流が冷却端に到達すると、凝縮して液体状態になり、大量の熱エネルギーを放出し、毛細管力によって蒸散加熱端に到達してサイクルが完了します。
エネルギー消費が高く、ヒートシンクに対する要件が高い一部の LED 照明製品では、ヒートシンク チューブとして金属ヒート パイプを選択できます。 LED照明製品は動作時に大量の熱を発生し、その熱がLED照明製品の内部に伝わる際、ヒートシンクを介して金属ヒートパイプに直接伝わります。 金属ヒートパイプが加熱されるため、熱伝達時に熱が失われません。 ヒートパイプの凝縮部内で熱エネルギーが発生し、その熱エネルギーがヒートパイプ内部に輸送され、熱伝導効果により徐々に金属材料分散シートに伝達される。 熱エネルギーは、分散シートと周囲の冷却空気の自然な熱伝播プロセスを通じて金属材料分散シートから放散されます。
4.2 ラジエーターの合理的な設計
実際のラジエーターの設計では、外部ラジエーターとランプハウジングの組み合わせ、または内蔵ラジエーターと温度制御ファンの組み合わせが一般的に採用されます。 LED デバイスによって発生した熱は、封止されたリードを通して集積回路基板に移動し、ヒートシンクを通して放散されます。 パワー回路基板で発生した熱エネルギーは、集積回路基板周囲の空気や充填材を介してヒートシンクを介して外部に直接分散されます。 伝熱経路における伝熱効率に影響を与える要因を排除するには、伝熱経路に熱伝導率の良い材料を使用したり、経路の断面積を大きくしたり、熱伝導性潤滑剤を使用したりすることが考えられます。製品の接合部に隙間ができないように施工してください。 冷却フィンが熱を外部に放散できない場合、LED デバイスの内部に多量の熱が蓄積する可能性があります。 このため、冷却フィンの表面構造を最適化する対策が必要となる。 典型的な方法は、ラジエーターの放熱面積を増やすために表面により多くのフィンを取り付けることです。
4.3 実際の状況に応じた梱包プロセスの選択
LEDが発生した内部熱は、接着層を介して金属回路基板に伝わり、さらに回路基板から接着層を介してヒートシンクに伝わり、周囲環境に放熱されます。 LEDの放熱設計のポイントとなるのは、封止プロセス、接合材料、基板材料です。 LEDが発生する熱エネルギーは、接続層を介してSi基板に伝達され、さらにSi基板および接合材を介して金属支持体に伝達される必要があります。 構造には良好な電気的および熱的特性が必要です。
4.4 適切な接着材料の選択
LED照明製品の放熱能力を向上させるには、適切な接着材料を選択し、LED照明製品の基本設計を適切に行う必要があります。 一般的にLED照明製品には粘着材が使用されており、粘着材は外部の温度や湿度の影響を受けます。 科学技術の絶え間ない発展に伴い、人々は接着材料も改良してきました。 LED照明製品を設計する際、照明製品の実際の状況に応じて適切な接合材料を選択し、接合材料の熱伝導率と電気伝導率を向上させ、内部構造を簡素化し、LED照明製品の放熱能力を向上させることができます。
05 結論
科学技術の発展に伴い、LED照明製品の放熱問題を解決するには、現実の状況に応じて金属ヒートパイプなどの適切な構成材料を選択する必要があります。 LED 照明製品を使用する場合、ユーザーは製品の放熱性能に注意を払うだけでなく、LED 照明製品の放熱に対する環境要因の影響にも注意する必要があります。
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