段俞廷

【關(guān)鍵詞】散熱能力;氣密性;便利

【中圖分類號】TN873 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0032-04

0 引言

隨著社會的發(fā)展，LED燈具逐漸登上歷史舞臺，但從業(yè)者眾多，生產(chǎn)的成品質(zhì)量參差不齊。在成本的限制下，生產(chǎn)出質(zhì)量較差的產(chǎn)品或者為了保證質(zhì)量耗費(fèi)不必要的成本，兩者都不是理想的狀態(tài)。本設(shè)計方案將介紹一種多功能的LED模組，包括高光效、具備良好的散熱能力、支持氣密性檢測并能保護(hù)線纜，在降低成本的同時性能也得到提升。

1 背景概述

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）具有光效高、體積小、光譜窄、開關(guān)時間長等優(yōu)點[1]。與其他傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)?、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等光源相比，具有較低的功率需求、較好的驅(qū)動特性、較快的響應(yīng)速度、較高的抗震能力、較長的使用壽命、綠色環(huán)保及不斷快速提高的發(fā)光效率等突出優(yōu)勢，因此LED光源從發(fā)現(xiàn)到壯大經(jīng)歷不過幾十年就幾乎取代了傳統(tǒng)光源。

LED燈具作為LED光源的載體，如今廣泛應(yīng)用在城市功能照明及城市夜景照明上，其需求量大。這一情況促使LED燈具生產(chǎn)廠家如雨后春筍般層出不窮，導(dǎo)致在市場競爭異常激烈的同時，燈具生產(chǎn)質(zhì)量參差不齊。

LED燈具通常由散熱器、光源組件及線纜、安裝件、外殼等部分組成。散熱、防護(hù)等級、外力破壞是影響LED燈具壽命的三大因素，優(yōu)化LED散熱器散熱效果、提高燈具防護(hù)等級、加強(qiáng)燈具抗外力破壞能力等措施均能延長LED的使用壽命。數(shù)據(jù)顯示：LED電光轉(zhuǎn)化率僅為20%，有80%的能量將轉(zhuǎn)化為熱能。若熱量未能及時傳遞出去，LED的結(jié)溫將升高，進(jìn)而對光效、壽命及波長產(chǎn)生影響[2]。除了LED芯片，LED燈具散熱器接觸導(dǎo)熱良好與否是確保LED燈具穩(wěn)定照明的關(guān)鍵因素，因此充分考慮LED散熱器的制作、結(jié)構(gòu)、安裝等工作是必要的。LED散熱器的主要工作是散熱與防護(hù)[3]。

為提高LED燈具的使用壽命，一般采取以下方法：①為加強(qiáng)散熱效果，需要增大散熱器表面積或者加快熱傳導(dǎo)，通常是增大散熱鰭片（或者其他形狀的散熱結(jié)構(gòu)）的表面積（例如增加散熱鰭片外形上的波紋形狀），或者加裝熱管。②為保證防護(hù)等級，多模組的LED燈具，模組與模組之間的電氣連接使用一拖多的電子鏈接器，燈具電氣部分整體灌膠密封防水。③為防止外物破壞線纜（如嚙齒類動物啃咬），需要增加線纜保護(hù)裝置，例如采用金屬質(zhì)地的保護(hù)外殼。④無法做氣密性檢查時，則需要燈具電氣部分整體灌膠密封防水（與第2點同原理）。上述4種方法單獨(dú)或組合使用的情況大量存在。不但增加了材料種類、燈具整體重量，也使得裝配工序更為煩瑣、費(fèi)時耗力，最直接的后果就是成本大幅增加，削弱了市場競爭力。因此，解決影響LED燈具使用壽命三大因素的同時避免成本大幅度增加，一直是LED燈具設(shè)計師長期研究的課題。

2 設(shè)計方案內(nèi)容

2.1 設(shè)計方案概述

本設(shè)計方案的目的是提供一種多功能LED模組，包括高光效、具備良好的散熱能力、支持氣密性檢測并能保護(hù)線纜。此模組兼容性好，可以與路燈外殼、投光燈外殼、隧道燈外殼等組合做成不同種類的燈具。要解決的技術(shù)問題如下：現(xiàn)有LED模組散熱不好、容易死燈，光效低;氣密性不佳，容易滲漏進(jìn)水損壞;電纜容易被曬老化及被外物、外力破壞;需要單獨(dú)設(shè)計結(jié)構(gòu)件隱藏、保護(hù)線纜。

一種多功能LED模組包括散熱器、配光透鏡、透鏡膠圈、透鏡壓板、光源組件、防水穿線接頭、防水透氣閥、標(biāo)準(zhǔn)電子連接器等。所述光源組件通過螺釘固定在散熱器上;所述配光透鏡和透鏡壓板通過螺釘固定于散熱器上，配光透鏡膠圈安裝槽內(nèi)需要事先壓入透鏡膠圈，上述材料與散熱器形成的腔體將光源組件包裹在內(nèi);所述標(biāo)準(zhǔn)電子連接器穿過防水穿線接頭，防水穿線接頭通過本身的螺紋固定于散熱器側(cè)面對應(yīng)螺紋孔中;所述防水透氣閥通過本身的螺紋固定于散熱器側(cè)面對應(yīng)的螺紋孔中。

2.1.1 具備良好的散熱能力，通過使用結(jié)構(gòu)設(shè)計恰到好處的散熱器、合理的材料及裝配工藝達(dá)成

如圖1所示，散熱器（以此方案使用型材為例）采用鋁擠壓成型工藝成型，使用材料通常為鋁合金6063-T5，該材料主要合金元素為鎂與硅，具有加工性能佳、擠出性能優(yōu)良等特點，以及良好的抗腐蝕性，能在戶外長時間使用。鋁合金重量輕，強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)高。

該散熱器底面平整，用以裝配光源組件。底面厚度為4 mm，散熱鰭片根部寬度為2 mm，能快速將熱量傳導(dǎo)至散熱鰭片的開放端;散熱鰭片高度為45 mm，外端間隔為7.5 mm，分布較為分散，有利于流通空氣通過底座散熱鰭片時將熱量帶走。保護(hù)光源組件承受長時間的熱量聚集;除了光源組件安裝面，散熱器整體采用陽極氧化表面處理工藝，能阻止鋁型材的氧化。同時，采用噴砂表面處理工藝，進(jìn)一步增大散熱表面積，以利燈具散熱，延長燈具使用壽命;如圖2所示，多模組的情況可以在散熱器底面兩模之間中間部位開長210 mm、寬10 mm、深8.5mm的長槽，露出下方散熱鰭片，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)氣體流通，避免熱島效應(yīng)影響散熱效果。

如圖1所示，散熱器底面預(yù)留光源組件安裝孔位的局部突起≥8 mm，可以安裝6 mm長度以內(nèi)的螺釘，光源組件常用M3螺釘（螺距P為0.5 mm）與散熱器裝配在一起，除去光源組件及其余零件厚度，至少留有8牙，可以起到連接緊固的作用，裝配更為可靠;局部凸起的位置不受限制，可以兼容不同型號的配光透鏡。

2.1.2 支持氣密性檢測并同時具備保護(hù)線纜功能，通過使用合理結(jié)構(gòu)的散熱器和合理的裝配工藝達(dá)成

常規(guī)情況下，路燈、投光燈、隧道燈安裝時根據(jù)設(shè)計需要，存在不同程度的仰角，這決定了燈內(nèi)的模組必定有一側(cè)會高于另一側(cè)。如圖1所示，靠近散熱器底部兩端各設(shè)有一個φ10.5 mm的圓孔，加工成M12×1.5的螺紋，位于低側(cè)的兩孔分別配裝M12金屬防水穿線接頭和M12鋁合金防水透氣閥，位于高側(cè)的兩孔裝配M12帶膠圈的不銹鋼螺釘（喉塞則配套厭氧膠使用）;金屬防水穿線接頭與防水透氣閥固定于模組低側(cè)，即便損壞失效，雨水也不會灌入模組內(nèi)部，提高了安全性;在多模組的情況下，兩模組之間的光源組件采用串聯(lián)方式連接，其線纜（多股線）穿過前述φ10.5 mm的穿線孔就可以隱藏在模組型材中，完全不外露，不用再單獨(dú)設(shè)計線纜隱藏結(jié)構(gòu)且可以不再使用一拖多的電子鏈接器，節(jié)約材料成本的同時又減緩了線材老化及避免了外力破壞。

2.1.3 高光效，通過選用質(zhì)量優(yōu)良的燈珠、選配合適的構(gòu)配件及合理的裝配工藝達(dá)成

光源組件指包含貼好燈珠的電路板和配光透鏡等。其中，電路板材料推薦使用導(dǎo)熱系數(shù)高的鋁基板;貼片燈珠大引腳，與鋁基板接觸面積大，導(dǎo)熱比直插燈珠快;光源組件與散熱器之間通常采用導(dǎo)熱硅脂或?qū)峁枘z片，能抵消微觀上兩者表面的不平整，使兩者接觸更加緊密，增強(qiáng)熱傳導(dǎo)，改善散熱效果。

貼片燈珠排布緊湊，發(fā)光面大，出光均勻，光效高、可耐受溫度高，產(chǎn)品較直插式燈珠穩(wěn)定、壽命長;使用的配光透鏡，光源腔內(nèi)含有專門的透鏡硅膠，能夠更多地捕獲LED燈珠發(fā)出的光，減少光線在光源腔內(nèi)的折射，減小損耗，能夠在提高光效的同時進(jìn)一步保護(hù)LED燈珠（例如運(yùn)輸過程中的震動，硅膠可以起到緩沖作用;硅膠替代了原有光源腔內(nèi)的空氣，空氣的導(dǎo)熱率很低，提高了熱傳導(dǎo)的效率，使燈珠處于高溫的時間減少），配光透鏡通過專業(yè)配光開模，其配光曲線更適合相應(yīng)場景的應(yīng)用。

配光透鏡一般采用PC或者PMMA材料，質(zhì)地不論是相較于6063鋁合金的底座還是304不銹鋼的螺釘，硬度欠佳?？梢酝ㄟ^增加透鏡壓板，使透鏡周邊螺釘孔受力更均勻，不會造成安裝后螺釘口周圍的局部變形塌陷，配光透鏡內(nèi)的透鏡防水圈變形均勻，從而提高產(chǎn)品氣密性。

2.1.4 該模組設(shè)計的其他優(yōu)點

（1）該模組的設(shè)計符合CSA016-2015標(biāo)準(zhǔn)（即國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)LED照明應(yīng)用與接口要求），這說明在絕大部分的燈具外殼上，該模組都可以直接安裝，不需要增加構(gòu)配件，節(jié)約成本，通用性高。

（2）該散熱器型材剖面為對稱設(shè)計，生產(chǎn)過程中，擠壓機(jī)出力均勻，能夠可靠地提高產(chǎn)品的合格率，降低生產(chǎn)成本。

（3）該模組零部件連接均采用螺釘，使用電批或者套筒等簡單的工具即可以完成全部的組合安裝工作，結(jié)構(gòu)簡單，便于進(jìn)行組裝，具有較好的便利性。

2.2 附圖說明

圖1為本設(shè)計方案LED模組（以二模為例）的散熱器剖面圖;圖2為本設(shè)計方案LED模組（以二模為例）的主視、左視圖;圖3為本設(shè)計方案LED模組（以二模為例）的爆炸圖;圖4為本設(shè)計方案LED模組透鏡壓板的主視圖;圖5為本設(shè)計方案LED模組散熱器的主視圖和俯視圖;圖6為本設(shè)計方案LED模組光源組件的主視圖;圖7為本設(shè)計方案LED模組配光透鏡的主視圖、后視圖和A-A剖面圖。

圖中各標(biāo)號所代表的部件列表如下。1不銹鋼螺釘M3×8;2透鏡壓板：201φ3.5 mm通孔;3配光透鏡：301定位柱，302光源腔體（含硅膠），303 φ3.2 mm通孔，304線腔體，305防水膠圈槽;4透鏡防水圈;5不銹鋼螺釘M3×5;6光源組件：601貼片燈珠，602φ3.5 mm通孔，603φ3 mm通孔，604φ7.5 mm通孔，605φ7.5 mm通孔;7散熱器：701-704模組側(cè)面孔攻牙M12×1.5的4個螺紋孔，705模組側(cè)面孔在模組上表面打通的腰孔，706模組側(cè)面孔在模組上表面打通的圓孔，707螺紋孔M3（可以攻穿），708螺紋孔M3（不可攻穿），709 φ2.5 mm定位孔;8硅膠墊圈;9不銹鋼螺釘M12×16（此圖為螺釘，也可以選用喉塞）;10多股線（L，N兩相）;11金屬防水透氣閥;12標(biāo)準(zhǔn)電子連接器;13金屬防水穿線接頭。

2.3 具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本設(shè)計方案的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本設(shè)計方案，并非用于限定本設(shè)計方案的范圍。組裝過程如下。

（1）將一個9螺釘不銹鋼螺釘M12×16穿入一個8硅膠墊圈，數(shù)量為2個，安裝于7散熱器701、702螺紋端口;將11金屬防水透氣閥（經(jīng)過試水合格后）安裝于7散熱器704螺紋端口;將13金屬防水穿線接頭安裝于7散熱器703螺紋端口;將10多股線從7散熱器705腰孔一頭穿入，另一頭穿出;將12標(biāo)準(zhǔn)電子連接器穿入13金屬防水穿線接頭并擰緊，其中一條線從7散熱器705腰孔一頭穿出，另一條線從7散熱器705腰孔另一頭穿出。

（2）將6光源組件放在7散熱器上，10多股線與12標(biāo)準(zhǔn)電子連接器的線穿過6光源組件605通孔4，用5螺釘2穿過602通孔1將其緊固，用量8;將上一步穿好的10多股線與12標(biāo)準(zhǔn)電子連接器的線找好6光源組件上對應(yīng)的焊盤位置焊接好。

（3）將4透鏡防水圈按入3組合透鏡305防水膠圈槽之后，將3配光透鏡翻轉(zhuǎn)過來，301定位柱對準(zhǔn)603及709，將2透鏡壓板201通孔與303通孔，707螺紋孔對齊，用1螺釘將三者緊固，此時304光源腔體內(nèi)的硅膠包裹住601貼片燈珠，10多股線及12標(biāo)準(zhǔn)電子連接器的出線部分及焊點在304線腔體內(nèi)。

模組在組裝完成后需要進(jìn)行檢測：①準(zhǔn)備功率計、智能電量測試儀等。將標(biāo)準(zhǔn)電子連接器的端頭與可調(diào)電源連接，通電觀察燈珠的暗亮情況，確認(rèn)模組電氣方面是否合格。②準(zhǔn)備空壓機(jī)、氣槍、氣管、減壓閥、氣門芯等，接通氣槍、氣管、減壓閥。將減壓閥氣壓調(diào)至0.15 MPa，擰下M12鋁合金防水透氣閥，氣門芯安裝于散熱器上M12×1.5的螺紋孔，接通氣槍、氣管、減壓閥，將減壓閥氣壓調(diào)好，隨時觀察并保持氣壓，觀察是否有以下不良現(xiàn)象：模組內(nèi)無法注入氣壓，原因為模組進(jìn)氣孔堵塞或氣門芯壞;模組注入氣壓后從配光透鏡四周漏氣，原因為沒有安裝透鏡防水圈;模組注入氣壓后放入水箱中配光透鏡側(cè)面冒泡，原因為安裝透鏡螺釘沒有緊固到位或透鏡防水圈安裝不到位;模組注入氣壓后放入水箱中，若金屬防水穿線接頭處冒泡，原因為金屬防水穿線接頭安裝時硅膠墊圈變形量過大或過小。

通過上述檢測步驟，這款產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中就可以檢查模組的氣密性狀態(tài)和電氣狀態(tài)，杜絕不良產(chǎn)品安裝到工程現(xiàn)場，降低了維修率，大大增加了產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。

3 結(jié)語

本文主要結(jié)合一種多功能LED模組，包括高光效、具備良好的散熱能力、支持氣密性檢測并能保護(hù)線纜。結(jié)合生產(chǎn)線組裝、工程應(yīng)用安裝時工程人員提出的一些問題進(jìn)行案例分析，從中總結(jié)LED模組設(shè)計經(jīng)驗，并提供一款解決問題的LED模組整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，為新產(chǎn)品及其他LED燈具壽命短、散熱差、組裝麻煩、工程應(yīng)用安裝煩瑣等問題的解決提供了思路和參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉木清.LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2]劉木清.LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]張甫江.淺談大功率LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014（30）：36.