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(tái)市政養(yǎng)護(hù)管理處，山東 煙臺(tái) 264000；2.煙臺(tái)奧星電器設(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 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(tái)市政養(yǎng)護(hù)管理處，山東 煙臺(tái) 264000；2.煙臺(tái)奧星電器設(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 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(fèi)。本文設(shè)計(jì)了一款集光源、散熱、驅(qū)動(dòng)器于一體的LED光源，對(duì)于保留原高壓鈉燈燈具殼體，直接更換為L(zhǎng)ED光源的可行性進(jìn)行了研究分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(lái)，占據(jù)了道路照明燈具的絕大部分。高壓鈉燈的路燈燈具形態(tài)各異，造型優(yōu)美。近幾年，隨著LED照明的發(fā)展，高壓鈉燈被取代已是大勢(shì)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(nèi)直接更換LED光源，將會(huì)嚴(yán)重影響LED光源的壽命，不能完全發(fā)揮其長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。因此，現(xiàn)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(lái)的鈉燈燈具造成了巨大的浪費(fèi)。同時(shí)，由于LED燈具受模具成本限制，燈型相對(duì)單一，難以重現(xiàn)原來(lái)高壓鈉燈燈具形態(tài)各異的靚麗風(fēng)格。針對(duì)目前的情況，本文對(duì)LED光源直接替換高壓鈉燈光源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 高壓鈉燈燈具的結(jié)構(gòu)

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(zhèn)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(jù)了燈具造價(jià)的60%以上。在LED替換過(guò)程中，大都直接將燈具整體替換掉，造成了巨大的浪費(fèi)。但如果直接將LED光源內(nèi)置到高壓鈉燈的燈具內(nèi)，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(jié)能及長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)不符。要做到在相對(duì)較小的鈉燈燈具空間內(nèi)保持良好的散熱，就需要增設(shè)一套散熱系統(tǒng)，勢(shì)必會(huì)增加制造成本。

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

2 密閉小空間的散熱設(shè)計(jì)

目前的LED光源壽命普遍在30 000 h以上，采用自動(dòng)散熱的風(fēng)機(jī)，也應(yīng)該具有相應(yīng)的壽命。圖2中的主動(dòng)散熱風(fēng)機(jī)防護(hù)等級(jí)為IP65，采用雙滾軸傳動(dòng)，為其設(shè)計(jì)壽命30 000 h。同時(shí)，為延長(zhǎng)其工作壽命，在LED的驅(qū)動(dòng)電源中添加了控制模塊，當(dāng)燈具后半夜自動(dòng)降功率調(diào)光后，散熱器的溫度在45℃以下，風(fēng)機(jī)將不運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣，風(fēng)機(jī)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(qū)動(dòng)器、散熱器、風(fēng)機(jī)、LED光源(玻璃透鏡內(nèi)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(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of integral LED source

一體式LED光源設(shè)計(jì)考慮的因素包括：①最佳的空氣流動(dòng)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(zhuǎn)換的熱量；⑧轉(zhuǎn)移熱量所需要的最小風(fēng)量；⑨燈具允許的最大溫升；⑩燈具散熱器的風(fēng)阻。

熱轉(zhuǎn)換方程式為

H=CPWΔT

(1)

式中H為轉(zhuǎn)換熱量，W為流動(dòng)動(dòng)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(fēng)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(jì)算出120 W LED一體式燈具穩(wěn)定運(yùn)行所需要的風(fēng)量為61.6 CFM。

3 模擬仿真

為驗(yàn)證理論的可行性，通過(guò)UG建模進(jìn)行了熱流仿真驗(yàn)證，120W LED一體式光源替換高壓鈉燈光源后燈具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及空氣流通通路如圖3所示。

圖3 替換后內(nèi)部結(jié)構(gòu)及空氣流動(dòng)通路Fig.3 Structure of placing with integral LED source and route of air follow

環(huán)境中的空氣由光源腔支板的通風(fēng)孔進(jìn)入到燈具殼體內(nèi)，補(bǔ)充一體式光源內(nèi)風(fēng)機(jī)散熱所需的氣量，一體式光源腔內(nèi)散熱器的熱量從散熱器的出風(fēng)口由風(fēng)機(jī)排出。

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

設(shè)立仿真條件：環(huán)境溫度25℃，燈具殼體內(nèi)空氣自由對(duì)流。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為61.6CFM，LED光電轉(zhuǎn)化效率40%，驅(qū)動(dòng)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(nèi)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(huán)境溫度25 ℃，模擬高壓鈉燈燈具殼體內(nèi)空氣自由流通的條件下，采用風(fēng)量為61.6 CFM的風(fēng)機(jī)，散熱器最大溫升31 ℃，計(jì)算結(jié)果收斂，符合LED散熱器溫升的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

針對(duì)目前LED替換高壓鈉燈直接更換燈具的情況，本文設(shè)計(jì)了一種大功率一體式的LED光源，通過(guò)保留原高壓鈉燈燈具殼體，直接替換高壓鈉燈光源，既節(jié)省能源又減少了浪費(fèi)。通過(guò)理論計(jì)算以及仿真模擬的測(cè)試結(jié)果看，設(shè)計(jì)方法可行。

[1] 廖炫，郭震寧. LED球泡燈塑包鋁散熱器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 照明工程學(xué)報(bào),2016,27(2)：67-71.

[2] 薛曉明， 宋立. 風(fēng)機(jī)盤(pán)管用永磁電機(jī)控制器IPM模塊散熱的研究. 科學(xué)技術(shù)與工程，ISTIC-2012.

[3] 馬璐，劉靜. 側(cè)面送風(fēng)冷卻LED的熱封裝方法及其三維數(shù)值仿真研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào)， 2011, 22(3):30-36.

[4] 肖晉,朱新華,賈艷玲,等. 某功率單元強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱分析和優(yōu)化[J]. 電子器件, ISTIC -2015.

[5] 張輝,耿學(xué)良. 直接空冷風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣流動(dòng)特性[M]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2013.

[6] 陳杰.LED筒燈散熱仿真及光源布局優(yōu)化研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào),2013,24(3):81-86.

[7] 姚壽廣,李春濤,鄧江偉.某型LED燈具散熱器的散熱分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,28(4):370-374.

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