利用高壓鈉燈燈具放置一體式LED光源的可行性分析

牟 娜，盛利濤

(1.煙臺市政養護管理處，山東 煙臺 264000；2.煙臺奧星電器設備有限公司，山東 煙臺 264003)

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利用高壓鈉燈燈具放置一體式LED光源的可行性分析

牟 娜1，盛利濤2

(1.煙臺市政養護管理處，山東 煙臺 264000；2.煙臺奧星電器設備有限公司，山東 煙臺 264003)

目前LED所替換的大功率道路照明燈具，受LED光源散熱的影響，均為直接更換燈具，造成了巨大的浪費。本文設計了一款集光源、散熱、驅動器于一體的LED光源，對于保留原高壓鈉燈燈具殼體，直接更換為LED光源的可行性進行了研究分析。實驗結果表明，利用高壓鈉燈燈具放置一體式LED光源完全可行。

高壓鈉燈；燈具；一體式LED光源；替換

引言

高壓鈉燈自1961年誕生以來，占據了道路照明燈具的絕大部分。高壓鈉燈的路燈燈具形態各異，造型優美。近幾年，隨著LED照明的發展，高壓鈉燈被取代已是大勢所趨，但是，由于LED光源受散熱的限制，如果在原高壓鈉燈燈具殼體內直接更換LED光源，將會嚴重影響LED光源的壽命，不能完全發揮其長壽命的優點。因此，現在LED替換高壓鈉燈基本上都是光源燈具整體更換，不但改變了原有路燈的整體美觀，而且替換下來的鈉燈燈具造成了巨大的浪費。同時，由于LED燈具受模具成本限制，燈型相對單一，難以重現原來高壓鈉燈燈具形態各異的靚麗風格。針對目前的情況，本文對LED光源直接替換高壓鈉燈光源進行了實驗研究。

1 高壓鈉燈燈具的結構

由圖1可以看出，高壓鈉燈光源的路燈燈具，除了高壓鈉燈光源及鎮流器外，最主要的部分就是燈具殼體了，高壓鈉燈的路燈殼體占據了燈具造價的60%以上。在LED替換過程中，大都直接將燈具整體替換掉，造成了巨大的浪費。但如果直接將LED光源內置到高壓鈉燈的燈具內，受燈具空間及密閉的影響，LED光源的散熱很難處理，這樣就縮短了LED光源的壽命，與LED光源節能及長壽命的特點不符。要做到在相對較小的鈉燈燈具空間內保持良好的散熱，就需要增設一套散熱系統，勢必會增加制造成本。

圖1 高壓鈉燈光源的路燈燈具簡圖Fig.1 Lamp diagram with high-pressure sodium

2 密閉小空間的散熱設計

目前的LED光源壽命普遍在30 000 h以上，采用自動散熱的風機，也應該具有相應的壽命。圖2中的主動散熱風機防護等級為IP65，采用雙滾軸傳動，為其設計壽命30 000 h。同時，為延長其工作壽命，在LED的驅動電源中添加了控制模塊，當燈具后半夜自動降功率調光后，散熱器的溫度在45℃以下，風機將不運轉。這樣，風機的壽命基本與光源壽命相符。

目前代替250 W高壓鈉燈的主流功率為120 W LED燈具，本文的研究就是以120 W一體式LED光源為樣本。燈具光源采用CREE XTE 系列，整燈光效為110 lm/W。一體式LED光源由整流罩、驅動器、散熱器、風機、LED光源(玻璃透鏡內部)、玻璃透鏡、光源腔支板組成，如圖2所示。

圖2 LED一體式光源結構Fig.2 Structure of integral LED source

一體式LED光源設計考慮的因素包括：①最佳的空氣流動效率；②最小的合適尺寸；③最小的噪音；④最低的能耗；⑤最大的可靠性；⑥最佳的成本；⑦必須要轉換的熱量；⑧轉移熱量所需要的最小風量；⑨燈具允許的最大溫升；⑩燈具散熱器的風阻。

熱轉換方程式為

H=CPWΔT

(1)

式中H為轉換熱量，W為流動動空氣重量，CP為空氣比熱，ΔT為溫升。

W=QCFMD

(2)

式中D為空氣密度，QCFM為風量。由式(1)、(2)得

(3)

式中P為燈具消耗的電功率，TC為允許的溫升。

由公式(3)計算出120 W LED一體式燈具穩定運行所需要的風量為61.6 CFM。

3 模擬仿真

為驗證理論的可行性，通過UG建模進行了熱流仿真驗證，120W LED一體式光源替換高壓鈉燈光源后燈具的內部結構及空氣流通通路如圖3所示。

圖3 替換后內部結構及空氣流動通路Fig.3 Structure of placing with integral LED source and route of air follow

環境中的空氣由光源腔支板的通風孔進入到燈具殼體內，補充一體式光源內風機散熱所需的氣量，一體式光源腔內散熱器的熱量從散熱器的出風口由風機排出。

圖4 UG建模的仿真模型Fig.4 Simulation model by UG

設立仿真條件：環境溫度25℃，燈具殼體內空氣自由對流。風機的風量為61.6CFM，LED光電轉化效率40%，驅動器效率90%。圖4為一體式光源替換高壓鈉燈以后散熱器上的熱量分布情況。

圖5 高壓鈉燈燈具殼體內散熱器熱分布圖Fig.5 Distribution of the heat sink in high-pressure sodium lamp

由圖5可以看出，在環境溫度25 ℃，模擬高壓鈉燈燈具殼體內空氣自由流通的條件下，采用風量為61.6 CFM的風機，散熱器最大溫升31 ℃，計算結果收斂，符合LED散熱器溫升的設計要求。

4 結論

針對目前LED替換高壓鈉燈直接更換燈具的情況，本文設計了一種大功率一體式的LED光源，通過保留原高壓鈉燈燈具殼體，直接替換高壓鈉燈光源，既節省能源又減少了浪費。通過理論計算以及仿真模擬的測試結果看，設計方法可行。

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Analysis of the Feasibility of Using Integrated LED Light Source Placed in High Pressure Sodium Lamp

MU Na1，SHENG Litao2

(1.YantaiMunicipalConservationandManagementDepartment,Yantai264000;2.YantaiAoxingElectricalEquipmentCo.,Ltd.,Yantai264003)

The high power road lighting lamps and lanterns which are replaced by LED are influenced by the heat dissipation of LED light source, are all direct replacement lamps, which caused a huge waste.In this paper, a kind of LED light source with light source, heat radiation and drive was designed, which installed in the box of the high-pressure sodium without replacing the lamp box. And the feasibility of it was studied and analyzed. Experimental results show that high power high pressure sodium lamp light source can be substituted to integral LED source directly.

high-pressure sodium; lamp; integral LED source; substitution

TN2

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.029