用于工業(yè)控制中的LED熱管理解決方案

照明正在迅速從傳統(tǒng)的燈源（如高壓鈉，金屬鹵化物，汞蒸氣和熒光燈）轉(zhuǎn)變?yōu)楦吡炼劝l(fā)光二極管（HB LED）。 HB LED的收入在2010年增長了108％，達(dá)到112億美元。 1

HB LED照明需要適當(dāng)?shù)臒峁芾?，以利用其中的許多優(yōu)勢LED，包括長L70壽命，即時啟動，更好的光學(xué)控制，最重要的是，低維護(hù)和減少能源使用。除熱管理要求外，工業(yè)應(yīng)用還面臨其他挑戰(zhàn)。組件需要堅固耐用才能正常運行并使元件存活。雖然傳統(tǒng)的空氣推進(jìn)器，如軸流風(fēng)扇，可以提供足夠的強(qiáng)制對流散熱解決方案，但本文將重點介紹合成射流冷卻技術(shù)，特別是Nuventix SynJet技術(shù)，這是一種用于強(qiáng)制對流冷卻的替代空氣移動技術(shù)。本文將合成噴氣技術(shù)和互補(bǔ)LED散熱器視為堅固可靠的冷卻解決方案，可用于惡劣環(huán)境，以確保有效的LED熱管理解決方案。

合成噴氣機(jī)

雖然合成噴氣機(jī)已有多年的研究和研究，但合成噴氣機(jī)產(chǎn)品對市場來說相對較新。合成射流通過產(chǎn)生周期性抽吸和流體通過孔口噴射而形成，該孔由圍繞隔膜的腔中的振蕩隔膜產(chǎn)生。噴嘴是“零質(zhì)量流量”，因此在介質(zhì)中不需要管道或管道進(jìn)行冷卻。當(dāng)這些噴嘴指向LED散熱器表面時，它們比自然對流更有效地去除熱量。 2，3，4

合成噴嘴可以是在很多方面產(chǎn)生了一種機(jī)制，但是一種機(jī)制是使用電磁鐵驅(qū)動器來產(chǎn)生振動膜的驅(qū)動力，Nuventix用于SynJet的方法（圖1）。當(dāng)膜在腔內(nèi)振蕩時，在圍繞腔定位的噴嘴處產(chǎn)生合成射流。使用電磁致動器有許多優(yōu)點，包括沒有移動部件引起摩擦，沒有潤滑劑，也沒有軸承磨損。合成噴氣機(jī)與傳統(tǒng)風(fēng)動機(jī)（如風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)）之間的這些固有設(shè)計差異使這些產(chǎn)品在堅固性和使用壽命方面具有不同的區(qū)別。風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)的主要故障模式是潤滑劑故障。這在合成噴氣產(chǎn)品中不存在。 5，6

圖1：帶振動膜片的合成噴氣發(fā)動機(jī)。

強(qiáng)制冷卻的優(yōu)點

合成射流冷卻可實現(xiàn)更小的外形尺寸，更低的工作溫度和動態(tài)氣流控制，從而有效控制LED散熱器的溫度。合成射流已被證明具有更高的努塞爾數(shù)，因此在相同的通道雷諾數(shù)下，相對于傳統(tǒng)的管道流的有效熱傳遞高出六倍或更多。此外，當(dāng)比較合成射流冷卻的LED散熱器（θs-a）的熱阻或相同體積流量的管道流時，合成射流的熱性能提高了40％。與自然對流相比，合成射流在相同的形狀因子散熱器中表現(xiàn)出300％的熱改善。 7

低流量時的較高傳熱能力并且對自然對流的顯著改進(jìn)是由于湍流渦旋主導(dǎo)的射流，其增強(qiáng)了熱邊界層的混合并且允許改善的熱性能。例如，圖2將100 W設(shè)計與強(qiáng)制冷卻和自然對流冷卻進(jìn)行了比較。強(qiáng)制對流使冷卻性能提高20％（θs-a），體積減小200％，重量減少600％。

圖2：自然對流與強(qiáng)制對流。

Nuventix的ZFlow 90和用于筒燈和低棚照明的Spotlight Cooler 60 W和70 W是目前市場上通過Digi-Key用于工業(yè)照明的合成噴射冷卻產(chǎn)品的一個例子。該聚光燈冷卻器采用小型，輕便且經(jīng)濟(jì)的設(shè)計，采用強(qiáng)制冷卻功耗70 W，同時在118至134 mm的外形尺寸下可實現(xiàn)高達(dá)10，000流明的光線。

圖3：ZFlow90 Spotlight Cooler 60W SynJet。

雖然使用強(qiáng)制冷卻具有上述許多優(yōu)點，但工業(yè)照明需要考慮幾個因素：可靠性，耐灰塵積聚能力，清潔能力以及承受溫度波動的能力。有效的LED燈需要能夠承受這些元件的部件。合成噴嘴提供堅固可靠的解決方案。 Nuventix SynJets通常針對高溫/濕度，沖擊振動，灰塵和電源循環(huán)進(jìn)行測試。 8

接下來的部分重點介紹了進(jìn)行的各種測試關(guān)于Nuventix SynJet設(shè)備以及此測試的重要性。

可靠性

工業(yè)設(shè)施中冷卻解決方案的當(dāng)?shù)丨h(huán)境在很大程度上取決于外殼的結(jié)構(gòu)以及安裝的位置和方向。工業(yè)設(shè)施中的LED照明通常經(jīng)受各種溫度和濕度。 SynJets已經(jīng)過測試，可以處理-40°C至+ 85°C的高溫。

此外，工業(yè)環(huán)境通常會受到大量灰塵和顆粒堆積，這些灰塵和顆粒會與燈具相互作用，并可能到達(dá)內(nèi)部組件，如LED，電子設(shè)備，驅(qū)動器和冷卻解決方案，影響功能或壽命。

即使入口保護(hù)（IP）的評級也不會揭示產(chǎn)品的使用壽命如何受到惡劣環(huán)境的影響，而是證明其在短期內(nèi)在這些條件下的安全性和運行能力。在這里，我們專注于燈具的冷卻解決方案，該解決方案必須超過LED的壽命，到目前為止，它通過延長LED壽命對燈具的整體壽命有積極貢獻(xiàn)，并且不會進(jìn)一步限制它。 =“font-size：8px;”》 9

鑒于不同產(chǎn)品和環(huán)境的獨特要求，沒有一種標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)定的測試方案可以保證全面適用性。此外，從早期設(shè)計階段到生產(chǎn)發(fā)布階段，必須測量具有可靠性設(shè)計的強(qiáng)大產(chǎn)品，直至預(yù)期的使用環(huán)境。在設(shè)計可靠性時，必須對制造中使用的子組件，材料甚至過程進(jìn)行徹底的審查和鑒定。

因此，最新的SynJet系列產(chǎn)品已經(jīng)消除了所有結(jié)構(gòu)粘合劑接頭，所有材料和部件必須在123°C，》 95％rh下通過60小時高壓滅菌器測試（高加速應(yīng)力測試，HAST），和2個大氣壓。

憑借眾多客戶的投入，Nuventix開發(fā)了一種基于平臺的綜合性合格測試矩陣，用于合成射流產(chǎn)品，有助于預(yù)測所有現(xiàn)實條件下的長壽命性能，其中一些將在下面討論。

熱循環(huán)

熱循環(huán)除了將材料暴露在寬溫度范圍外，還可以解決具有不匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）的設(shè)計，并對接頭和材料性能產(chǎn)生應(yīng)力。通過在-40°C和+ 105°C之間進(jìn)行200次或更多次，在每個溫度下浸泡一小時并且轉(zhuǎn)換斜率為5°C/分鐘且不允許出現(xiàn)故障，此測試增加了適用于強(qiáng)大產(chǎn)品的保證對于惡劣的條件。

濕度

高溫和高濕度的影響可能會令人驚訝。兩個主要領(lǐng)域受到影響：塑料材料降解和金屬腐蝕。所有合成射流類型在85°C和85％r.h下測試至少2，000小時。沒有失敗允許。

循環(huán)冷凝濕度

非常炎熱潮濕的環(huán)境不如冷凝循環(huán)濕度條件那么逼真。這可以通過冷卻裝置然后使其經(jīng)受更溫暖潮濕的空氣來實現(xiàn)（類似于從冰箱中取出水瓶，其通常將從充分潮濕的氣氛中冷凝大量水）。重復(fù)該過程，隨后在實驗室環(huán)境中干燥200次或更多次將帶來與冷凝濕度相關(guān)的材料和設(shè)計缺陷。

HALT

高加速壽命測試（HALT）使用組合步進(jìn)應(yīng)力方法來確定產(chǎn)品的操作余量，并突出顯示設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)。應(yīng)力源包括冷熱應(yīng)力和機(jī)械振動應(yīng)力。下表顯示了由HALT確定的SynJet限制的示例。

圖4：HALT操作和破壞限制。

資格矩陣

下表顯示了使用最新SynJet系列產(chǎn)品完成并傳遞的測試的摘要。除條件外，該表還指出了測試中使用的樣本大小。

類別測試操作條件樣品儲存HAST在123°C，96％rh，2個大氣壓下無60小時3低溫?zé)o-40°C 11運行加速壽命測試是在315°C下3，300小時540最大正常壽命測試是85°C時9，000小時，正在進(jìn)行75低溫是-40°C 87濕度是85°C/85％rh，3，250小時60熱循環(huán)是-40°C - + 105°C，200x 60機(jī)械正弦掃描否5-150 Hz，每軸2G 3次掃描18正弦停留三個峰頂部各10 min，5 G 18隨機(jī)振動是2.2 Grms，20 min。每個軸18沖擊沒有六個半正弦沖擊每個方向，40 G，11 ms 18沖擊測試 - 1，000次沖擊，25 G，10 ms 18環(huán)境灰塵是12小時IEC 60529（IP5X）4循環(huán)濕度是+ 200循環(huán)+50 °C/》 95％rh和+ 5°C/5％r.h.，使得發(fā)生冷凝22冷凍雨循環(huán)是在+ 25°C/95％r.h之間的100個循環(huán)。和-10°C/u.c.r.h。 21

結(jié)論

強(qiáng)制對流冷卻可以提供更小，更輕的設(shè)計，同時保持將HB LED保持在其設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)所需的適當(dāng)熱管理。合成射流技術(shù)是一種用于強(qiáng)制對流冷卻的空氣移動技術(shù)，由于其結(jié)構(gòu)沒有活動部件，摩擦或需要軸承或潤滑劑，因此具有固有的可靠性和堅固性。合成射流產(chǎn)品經(jīng)過嚴(yán)格的認(rèn)證計劃，以確保產(chǎn)品堅固耐用，并可處理廣泛的應(yīng)用空間。

最后，沒有精確的測試能夠預(yù)測所有環(huán)境條件下的性能和可靠性，適用于每種可能的燈具設(shè)計。然而，通過模擬在HB LED燈的預(yù)期壽命期間發(fā)生的最壞情況特定環(huán)境條件，以及對預(yù)期故障模式使用加速壓力測試，可以在惡劣環(huán)境應(yīng)用中獲得合成射流和互補(bǔ)LED散熱器的信心。