Wärmeableitungsprobleme bei LED-Leuchten: Vergleichsanalyse von fünf Kühlkörpertypen

Eine der größten technischen Schwierigkeiten bei LED-Beleuchtungskörpern ist derzeit das Problem der Wärmeableitung. Eine schlechte Wärmeableitung führt zu Problemen mit der Stromversorgung des LED-Treibers. Elektrolytkondensatoren sind zu einem schwachen Glied in der Weiterentwicklung von LED-Beleuchtungskörpern geworden und führen zu einem vorzeitigen Ausfall der LED-Lichtquelle.

Nur eine schnelle Wärmeabfuhr kann dazu beitragen, die Temperatur im Hohlraum von LED-Lampen und -Laternen zu senken. Außerdem kann die Stromversorgung nicht dauerhaft in einer Umgebung mit hohen Temperaturen betrieben werden, um zu verhindern, dass die LED-Lichtquelle aufgrund von Betrieb bei hohen Temperaturen über einen längeren Zeitraum vorzeitig ausfällt.

Da die LED-Lichtquelle selbst weder Infrarot noch Ultraviolettstrahlung hat, besitzt die LED-Lichtquelle selbst keine Strahlungskühlungsfunktion. Der Wärmeableitungspfad von LED-Beleuchtungskörpern kann nur über die enge Verbindung von LED-Lampenperlenplatten-Kühlkörpern erfolgen, um Wärme abzuführen. Kühlkörper müssen Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung haben.

Jeder Kühlkörper muss nicht nur in der Lage sein, Wärme schnell von der Wärmequelle zur Außenseite des Kühlkörpers zu leiten, sondern er verlässt sich vor allem auf Konvektion und Strahlung, um Wärme an die Luft abzugeben. Wärmeleitung ist nur die Art der Wärmeübertragung, während Wärmekonvektion die Hauptfunktion des Kühlkörpers ist. Die Wärmeableitungsfunktion wird hauptsächlich durch die Fähigkeit des Wärmeableitungsbereichs, der Form und der natürlichen Konvektionsstärke beeinflusst, und Wärmestrahlung spielt nur eine Nebenrolle. Allgemein gilt: Wenn der Abstand zwischen der Wärmequelle und der Außenseite des Kühlkörpers weniger als 5 Millimeter beträgt, kann die Wärme nur dann exportiert werden, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Materials größer als 5 ist. Die übrige Wärmeableitung muss durch Wärmekonvektion dominiert werden.

Die meisten LED-Lichtquellen verwenden immer noch LED-Lampenperlen mit niedriger Spannung (VF=3,2 V) und hohem Strom (IF=200-700 mA). Aufgrund der hohen Hitze beim Betrieb müssen Aluminiumlegierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Es gibt im Allgemeinen Kühlkörper aus Aluminiumdruckguss, Kühlkörper aus extrudiertem Aluminium und Kühlkörper aus gestanztem Aluminium. Aluminium-Kühlkörper aus Druckguss sind eine Art Druckgussteil, bei dem die flüssige Zink-Kupfer-Aluminium-Legierung in den Einlass der Druckgussmaschine gegossen wird. Durch Druckguss der Druckgussmaschine wird der Kühlkörper vorab in eine Form mit begrenzter Form gegossen.

Nachfolgend finden Sie eine vergleichende Analyse von fünf Kühlkörpertypen.

Kühlkörper aus Aluminiumdruckguss
Die Produktionskosten lassen sich kontrollieren, der Kühlkörperflügel kann nicht dünn gemacht werden, und es ist schwierig, die Wärmeableitungsfläche zu maximieren. Für Kühlkörper von LED-Lampen und -Laternen werden üblicherweise Druckgussmaterialien für ADC10 und ADC12 verwendet.

 

Kühlkörper aus extrudiertem Aluminium
Flüssiges Aluminium wird durch eine feste Matrize extrudiert, und dann wird der Stab bearbeitet und in die gewünschte Form des Kühlkörpers geschnitten. Die Nachbearbeitungskosten sind höher. Der extrudierte Aluminiumkühlkörper ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Kühlkörperflügel kann viel dünner gemacht werden, die Wärmeableitungsfläche wird maximiert, und der Kühlkörperflügel erzeugt beim Arbeiten automatisch eine Luftkonvektionsdiffusion der Wärme, und der Wärmeableitungseffekt ist besser. Häufig verwendete Materialien sind AL6061 und AL6063.

 

Kühlkörper aus gestanztem Aluminium
Das Stanzen von Aluminiumkühlkörpern erfolgt durch Pressen und Formen von Stahl, wobei Aluminiumlegierungsbleche gestanzt und hochgezogen werden, sodass ein becher- und rohrförmiger Kühlkörper entsteht. Durch das Stanzen wird eine glatte Kühlkörperoberfläche um den Umfang herum gebildet, da keine Flügel vorhanden sind und die Wärmeableitungsfläche begrenzt ist. Häufig verwendete Aluminiumlegierungen sind 5052, 6061 und 6063. Die Qualität der gestanzten Teile ist sehr gering, die Materialausnutzungsrate ist hoch, es handelt sich um eine kostengünstige Methode.

 

Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers aus Aluminiumlegierung ist zufriedenstellender und er eignet sich besser für eine Konstantstromversorgung mit Barriereschaltung. Bei der nicht blockierenden Konstantstromversorgung mit Schaltung ist es notwendig, die AC- und DC-, Hochspannungs- und Niederspannungsversorgung durch die strukturelle Gestaltung von Lampen und Laternen gut zu blockieren, um eine CE- oder UL-Zertifizierung zu erhalten.

Kunststoffbeschichteter Aluminiumkühlkörper
Kunststoffbeschichteter Aluminiumkühlkörper ist eine Art Kühlkörper mit wärmeleitender Kunststoffschale und Aluminiumkern. Thermoplast und Aluminiumkühlkörperkern werden in einer Spritzgussmaschine geformt. Aluminiumkühlkörperkerne werden als vergrabene Teile hergestellt und müssen vorbearbeitet werden. Die Wärme von LED-Lampenperlen wird durch den Aluminiumkühlkörperkern schnell an den Thermoplast weitergeleitet. Thermoplast nutzt seine mehrflügelige Zusammensetzung zur Wärmeableitung durch Luftkonvektion und verwendet seine Oberfläche, um einen Teil der Wärme abzustrahlen.

 

Kunststoffummantelte Aluminiumkühlkörper verwenden üblicherweise die Originalfarben Weiß und Schwarz von thermisch leitfähigem Kunststoff. Die Wärmeableitungswirkung von schwarz ummantelten Aluminiumkühlkörpern ist etwas besser. Wärmeleitfähiger Kunststoff ist ein thermoplastisches Material. Das Material ist leicht zu spritzgießen, weist eine gute Kälte- und Thermoschockbeständigkeit auf und verfügt über eine ausgezeichnete Isolierfunktion. Der Strahlungskoeffizient von wärmeleitfähigem Kunststoff ist besser als der von gewöhnlichen Metallmaterialien. Die Dichte von wärmeleitfähigem Kunststoff ist 40 % kleiner als die von Kühlkörpern gleicher Form aus Aluminiumdruckguss und Keramik. Kunststoffbeschichtetes Aluminium kann um fast ein Drittel des Gewichts eingespart werden. Im Vergleich zu Kühlkörpern aus reinem Aluminium sind die Verarbeitungskosten niedriger, der Verarbeitungszyklus kurz und die Verarbeitungstemperatur niedrig. Das Produkt ist nicht zerbrechlich. Die Spritzgussmaschine des Kunden kann die Form für Design und Herstellung von Lampen und Laternen differenzieren. Kunststoffummantelte Aluminiumkühlkörper haben eine gute Isolierfunktion und erfüllen problemlos die Sicherheitsvorschriften.

Kunststoffkühlkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Kühlkörper aus Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit haben sich in letzter Zeit rasant entwickelt. Kühlkörper aus Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind Kühlkörper, die vollständig aus Kunststoff bestehen. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist Dutzende Male höher als die von herkömmlichen Kunststoffen, bis zu 2-9 W/mK. Sie weisen eine gute Wärmeleitung und Wärmeabstrahlung auf. Sie können in einer Vielzahl neuer Isoliermaterialien für Powerlampen und -laternen verwendet werden und sind in allen Arten von LED-Lampen und -Laternen von 1 W bis 200 W weit verbreitet.

 

Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat eine Nennspannung von bis zu 6000 V, geeignet für die Auswahl von nicht isolierten geschalteten Konstantstromversorgungen, HVLED-Hochspannungs-Linear-Konstantstromversorgungen. Diese Art von LED-Beleuchtungskörper besteht problemlos CE, TÜV, UL und andere strenge Sicherheitstests. HVLED wählt Betriebsbedingungen mit hoher Spannung (VF=35-280 VDC), kleiner Strom (IF=20-60 mA), wodurch die Wärme der HVLED-Perlenplatte reduziert wird. Kühlkörper aus Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit können durch herkömmliche Spritzgussverfahren oder Extrusionsmaschinen hergestellt werden. Einmaliges Formen, hohe Produktqualität. Die Produktionseffizienz wird erheblich verbessert, die Modellierungsplanungssensibilität kann die Planungskonzepte des Planers voll ausschöpfen. Kühlkörper aus Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden durch PLA-Polymerisation (Maisstärke) hergestellt, vollständig abbaubar, keine Rückstände, keine chemische Verschmutzung, der Produktionsprozess ohne Schwermetallverschmutzung, ohne Abwasser, ohne Abgase, im Einklang mit globalen Umweltanforderungen.

Die internen PLA-Moleküle des Kunststoffkühlkörpers mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind dicht mit nanoskaligen Metallionen gefüllt, die sich bei hohen Temperaturen schnell bewegen und Wärmestrahlungsenergie abgeben können. Seine Vitalität ist besser als die des Kühlkörpers aus Metallmaterial. Der Kunststoffkühlkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist hochtemperaturbeständig, 150 Grad für fünf Stunden ohne Rissbildung, nicht verformt, mit Verwendung eines linearen Hochspannungs-Konstantstrom-IC-Antriebsprogramms, ohne Elektrolytkondensatoren und Induktoren mit großem Volumen, verlängert die Lebensdauer der LED-Lampe erheblich, nicht isoliertes Stromversorgungskonzept, hohe Effizienz, niedrige Kosten. Besonders geeignet für Leuchtstoffröhren, Hochleistungslampen für Industrie und Bergbau.

Kühlkörper aus Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit können mit vielen präzisen Kühlkörperflügeln gestaltet werden. Die Kühlkörperflügel können größer und dünner sein, wodurch die Wärmeableitungsfläche eine maximale Ausdehnung erhält. Der Betrieb der Kühlkörperflügel bewirkt automatisch eine Wärmeableitung durch Luftkonvektion, wodurch die Wärmeableitungswirkung besser ist. Die Wärme der LED-Lampenperlen gelangt durch den Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit direkt zum Kühlkörperflügel, und durch Luftkonvektion und Oberflächenstrahlung erfolgt eine schnelle Wärmeableitung.

Kunststoffkühlkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind leichter als Aluminium. Die Dichte von Aluminium beträgt 2700 kg/m3, während die Dichte von Kunststoff 1420 kg/m3 beträgt, also fast die Hälfte von Aluminium. Bei gleicher Form des Kühlkörpers wiegt der Kunststoffkühlkörper also nur halb so viel wie der von Aluminium. Er ist leicht zu verarbeiten und sein Formzyklus kann um 20-50 % verkürzt werden, was auch die Kosten der Vorteile senkt.

 

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