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作者:楊尚軒 (2014-07-14);推薦:徐業良(2015-12-11)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所楊尚軒碩士論文「嵌入式LED燈具散熱結構設計之研究與探討」第二章。

第二章  嵌入式LED照明燈具結構介紹

本章節將對嵌入式LED照明燈具結構、作動原理及各零件材質做詳細說明,同時討論常見影響散熱失效之問題

2.1    嵌入式LED照明燈具結構與作動原理介紹

嵌入式LED照明燈具(圖2-1)是由LED ChipLED board、背板、反射片、導光板、擴散片、本體及外環所組成的(圖2-2)。其發光作動原理如圖2-3所示,定電流輸入至LED使成為發光源,再將LED所發出的光,透過由光學設計之導光板,將光源引導至導光板使其充滿導光板內部。在此過程中,因部分光源方向不定,四處散射,故須藉反射片將光源反射至導光板,而後導光板再將其內部光源,折射至擴散片,再經由擴散片作霧化均勻及擴散處理,即成可作照明之光線,進而達到照明的效果。

2-1. 嵌入式LED照明燈具

2-2. 嵌入式LED照明燈具結構圖示

2-3. 嵌入式LED照明燈具作動原理

嵌入式LED照明燈具各材料功能如下:

Ÿ   LED Chip:經由輸入之電流,使LED自身發光,以作為發光源,電流強弱亦決定其發光源強弱;

Ÿ   LED BoardBoard的內部有銅線,用以供應LED電源;另外則用於固定LED Chip並兼具傳導LED發光後所產生熱之功能;

Ÿ   背板:將反射片壓貼於導光板,使反射片不因熱而產生皺折喪失其功能;

Ÿ   反射片:將LED所發出的散射光,反射至導光板,一般以白色較佳;

Ÿ   導光板:將LED所發出的光做導引,靠反射片那一面有經由光學設計的無數聚光點,可將光折射至固定方向;

Ÿ   擴散片:將LED光作霧化均勻及擴散作用,使其光較柔和不刺眼(即不產生眩光),並成為可照明之光;

Ÿ   本體:LED照明燈具之框架,通常以鋁材為主,因其特性輕、塑性高、加工容易,可使燈具變得輕薄短小;同時兼具有散熱鰭片之散熱功能;

Ÿ   外環:將LED Board、背板、反射片、導光板及擴散片,全部固定於本體;一般使以塑膠材質為主,其特性輕、塑性高、加工容易。

2.2    常見影響散熱失效之問題

在第一章有提到,電源輸入至LED時,有10%~20%的電源轉換成光源,80%~90%則轉換為熱能型態,形成高溫。而此高溫,不僅影響LED效能,且會縮短LED壽命,甚至於熱燒毀。本研究則是針對此高溫之散熱排出之結構設計進行探討。然而,並非所有的散熱結構設計,都能有效的作散熱排出,降低LED燈具溫度,其中不乏散熱結構設計錯誤、外在環境因素等所造成的。因此,在探討LED照明燈具之散熱結構最佳化設計之前,先要瞭解熱傳遞原理及影響散熱失效的問題有那些。

熱傳遞方式有三種:熱傳導、熱對流及熱輻射,其原理說明如下[1~3]

(1)   熱傳導:是固體與固體之間的熱流動,是固體的一個分子向另一個分子傳遞振動能的結果。一般是由高溫區流傳至低溫區,又稱溫度梯度。各種材料的熱傳導性能不同,傳導性能好的如金屬,還包括了自由電子的移動,所以傳熱速度快,可以做熱交換器材料;傳導性能不好的如石棉,可以做熱絕緣材料。

(2)   熱對流:熱對流主要是固體與流體接觸面的熱傳現象,當流體通過固體表面時,會產生熱傳現象,形成熱對流。這種熱對流稱為強制熱對流,亦即經由風扇或強制流體流過固體表面,產生散熱現象。一般常見有:個人電腦CPU風扇或塑膠射出模具冷卻管路系統。

(3)   熱輻射:探討物體間輻射熱的傳遞現象,主要是由於物體間溫度差所引起的的電磁輻射,傳導速度取決於熱源的絕對溫度,溫度越高,輻射越強。例如太陽輻射便是由真空區傳入地表。

嵌入式LED照明燈具之散熱設計是採熱傳導與熱對流方式進行散熱作業,根據實務經驗,LED照明燈具常見散熱失效之問題如下:

Ÿ   材質選用不良:未依產品特性及散熱需求選用合適的材料;

Ÿ   熱阻過大:發熱源至散熱末端之過程,其產品零件有間隙過大或缺少熱傳導介面(未塗抹散膏);

Ÿ   散熱鰭片面積未經熱流分析計算:散熱鰭片尺寸大小隨意設定,配置方式不合理,未考慮燈具使用方式,影響鰭片散熱效果;

Ÿ   過份強調散熱傳導環節,而忽略對流散熱環節:例如許多產品設計各式各樣的散熱模組,如鰭片、熱管、塗抹散熱膏等;然而,散熱最終是靠表面積將熱散走,有些產品為美化外觀,表面噴塗不具熱傳導功能之漆,導至高溫未被有效排出,依舊被包覆於燈具內;

Ÿ   散熱細節忽略:散熱鰭片設計未考慮熱傳均勻性,導致溫度分佈不均勻,部分鰭片處於溫度較低狀態,未發揮散熱效果,對散熱作用有限;

Ÿ   未考慮使用環境:各個使用地區之溫度、濕度、沙塵量及氣流之變化,皆會影其散熱效果。

瞭解上述各項之熱傳遞原理及LED照明燈具常見散熱失效之問題後,在後續章節中,將使用ANSYS進行散熱結構分析,可進一步進行量化分析,並利用分析數據探討最佳化。

參考資料

[1]       維基百科http://zh.wikipedia.org/wiki/Wikipedia

[2]       李祥,熱傳學分析,民99,鼎茂圖書出版股份有限公司

[3]       胡凡勳、朱朝煌、邱漢傑譯,熱傳遞學,民100高立圖書有現公司