Comparaison de cinq types de dissipateurs thermiques pour luminaires à LED

Le plus grand défi technique auquel sont actuellement confrontés les luminaires LED est la question de la dissipation de la chaleur. Une mauvaise dissipation de la chaleur fait que l'alimentation du driver LED et les condensateurs électrolytiques deviennent des goulots d'étranglement dans le développement ultérieur des luminaires LED, ainsi que la cause du vieillissement prématuré de la source lumineuse LED.

 

Actuellement, lorsque la source lumineuse LED est allumée, environ 30 % de l'énergie électrique est convertie en énergie lumineuse, tandis que le reste est converti en énergie thermique. Par conséquent, la dissipation rapide de cette grande quantité de chaleur est l'aspect technique clé de la conception structurelle des luminaires LED. L'énergie thermique doit être dissipée par conduction thermique, convection thermique et rayonnement thermique. Ce n'est qu'en dissipant rapidement la chaleur que la température de la cavité à l'intérieur du luminaire LED peut être efficacement réduite, protégeant l'alimentation électrique contre le fonctionnement dans un environnement à haute température soutenu et empêchant la source lumineuse LED de vieillir prématurément en raison d'un fonctionnement à haute température à long terme.

 

Suivons ZP HEAT SINK pour explorer les chemins de dissipation thermique des luminaires LED :

Les sources lumineuses LED n'ayant pas de rayons infrarouges ou ultraviolets, elles n'ont pas de capacité de dissipation de chaleur par rayonnement. Par conséquent, le chemin de dissipation de chaleur des luminaires LED ne peut s'appuyer que sur des dissipateurs thermiques étroitement associés au panneau de perles de lampe LED pour dissiper la chaleur. Les dissipateurs thermiques doivent avoir les fonctions de conduction thermique, de convection thermique et de rayonnement thermique.

 

Tout dissipateur thermique, en plus de conduire rapidement la chaleur de la source de chaleur à la surface du dissipateur thermique, s'appuie principalement sur la convection et le rayonnement pour dissiper la chaleur dans l'air. La conduction thermique ne concerne que le chemin de transfert, tandis que la convection thermique est la fonction principale du dissipateur thermique. Les performances de dissipation thermique sont principalement déterminées par la surface de dissipation thermique, la forme et la capacité de convection naturelle. Le rayonnement thermique ne joue qu'un rôle complémentaire.

 

Les méthodes courantes de dissipation thermique comprennent les dissipateurs thermiques en aluminium moulé sous pression, les dissipateurs thermiques en aluminium extrudé, les dissipateurs thermiques en aluminium estampé, les dissipateurs thermiques composites aluminium-plastique et les dissipateurs thermiques en plastique à haute conductivité thermique.

 

Dissipateur thermique en aluminium moulé sous pression
Le coût de production est contrôlable, mais les ailettes de refroidissement ne peuvent pas être fines, ce qui rend difficile la maximisation de la zone de dissipation thermique. Les matériaux de moulage sous pression courants pour les dissipateurs thermiques des lampes LED sont l'ADC10 et l'ADC12.

 

Dissipateur thermique en aluminium extrudé
L'aluminium liquide est extrudé à travers un moule fixe, puis la barre est découpée à la forme requise du dissipateur thermique par usinage, ce qui entraîne des coûts de post-traitement plus élevés. Les ailettes de refroidissement peuvent être très fines et nombreuses, ce qui élargit considérablement la zone de dissipation thermique. Les ailettes de refroidissement forment automatiquement une convection d'air pour dissiper la chaleur pendant le travail, ce qui permet une meilleure dissipation thermique. Les matériaux courants sont AL6061 et AL6063.

 

 

Dissipateur thermique en aluminium estampé
À l'aide d'une presse à poinçonner et d'un moule, des plaques d'acier ou d'alliage d'aluminium sont estampées et étirées pour former des dissipateurs thermiques en forme de coupelle. Les périphéries intérieures et extérieures des dissipateurs thermiques estampés sont lisses, mais la zone de dissipation thermique est limitée en raison de l'absence d'ailettes. Les matériaux en alliage d'aluminium courants sont les 5052, 6061 et 6063. Les pièces estampées sont légères et présentent une utilisation élevée des matériaux, ce qui en fait une solution à faible coût.

 

 

La conductivité thermique des dissipateurs thermiques en alliage d'aluminium est relativement idéale, ce qui les rend adaptés aux alimentations à courant constant à commutation isolée. Pour les alimentations à courant constant à commutation non isolée, la conception structurelle de la lampe doit assurer l'isolation des alimentations CA et CC, haute tension et basse tension pour passer la certification CE ou UL.

 

Dissipateur thermique composite aluminium-plastique
Il s'agit d'un dissipateur thermique avec une coque en plastique thermique et un noyau en aluminium. Le plastique thermique et le noyau du dissipateur thermique en aluminium sont moulés en une seule étape sur une machine de moulage par injection, le noyau du dissipateur thermique en aluminium étant prétraité comme pièce intégrée. La chaleur des billes de la lampe LED est rapidement conduite vers le plastique thermique à travers le noyau du dissipateur thermique en aluminium. Le plastique thermique forme une convection d'air avec ses multiples ailes pour dissiper la chaleur et rayonne une partie de la chaleur depuis sa surface.

 

 

Densité du plastique thermique comparée à l'aluminium moulé sous pression et à la céramique
La densité du plastique thermique est de 40 % inférieure à celle de l'aluminium moulé sous pression et de la céramique. Pour des dissipateurs thermiques de même forme, le poids d'un dissipateur thermique composite aluminium-plastique peut être réduit de près d'un tiers. Par rapport aux dissipateurs thermiques entièrement en aluminium, le coût de traitement est inférieur, le cycle de traitement est plus court et la température de traitement est plus basse. Le produit fini n'est pas facilement cassable. Les clients peuvent utiliser leurs propres machines de moulage par injection pour produire des luminaires aux designs différenciés. Les dissipateurs thermiques composites aluminium-plastique ont de bonnes propriétés d'isolation et répondent facilement aux normes de sécurité.

 

 

Dissipateur thermique en plastique à haute conductivité thermique
Un dissipateur thermique en plastique à haute conductivité thermique est un dissipateur thermique entièrement en plastique dont le coefficient de conductivité thermique est des dizaines de fois supérieur à celui du plastique ordinaire, atteignant 2-9 W/m·K. Il présente d'excellentes capacités de conduction et de rayonnement thermique. Il s'agit d'un nouveau type de matériau isolant de dissipation thermique applicable à diverses lampes de puissance, largement utilisé dans les lampes LED allant de 1 W à 200 W.

Le plastique à haute conductivité thermique a un niveau de tension de tenue jusqu'à 6000 V CA, adapté à une utilisation avec des alimentations à courant constant à commutation non isolées et des alimentations à courant constant linéaires haute tension HVLED. Cela permet à ces luminaires LED de passer facilement des tests de sécurité rigoureux tels que CE, TUV et UL. HVLED fonctionne sous haute tension (VF=35-280VDC) et faible courant (IF=20-60mA), ce qui réduit la chaleur générée par le panneau de perles de lampe HVLED. Les dissipateurs thermiques en plastique à haute conductivité thermique peuvent être fabriqués à l'aide de machines de moulage par injection et d'extrusion traditionnelles.

 

À l'intérieur du dissipateur thermique en plastique à haute conductivité thermique, des ions métalliques de taille nanométrique sont densément répartis parmi les molécules de PLA, qui peuvent se déplacer rapidement à haute température, augmentant ainsi l'énergie de rayonnement thermique. Son activité est supérieure à celle des dissipateurs thermiques en matériaux métalliques. Les dissipateurs thermiques en plastique à haute conductivité thermique résistent aux températures élevées, ne se fissurent pas et ne se déforment pas après cinq heures à 150 degrés. Lorsqu'ils sont utilisés avec des schémas d'entraînement de circuits intégrés à courant constant linéaire haute tension, ils ne nécessitent pas de condensateurs électrolytiques ni de gros inducteurs, ce qui améliore considérablement la durée de vie de l'ensemble de la lampe LED. Les schémas d'alimentation non isolés offrent une efficacité élevée et un faible coût, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications dans les tubes fluorescents et les lampes industrielles et minières à haute puissance.

 

Les dissipateurs thermiques en plastique à haute conductivité thermique peuvent être conçus avec de nombreuses ailettes de refroidissement fines. Les ailettes de refroidissement peuvent être très fines et nombreuses, ce qui élargit considérablement la zone de dissipation de la chaleur. Les ailettes de refroidissement forment automatiquement une convection d'air pour dissiper la chaleur pendant le fonctionnement, ce qui permet une bonne dissipation de la chaleur. La chaleur des perles de lampe LED est directement conduite vers les ailettes de refroidissement à travers le plastique à haute conductivité thermique et rapidement dissipée par convection d'air et rayonnement de surface.

 

La densité des dissipateurs thermiques en plastique à haute conductivité thermique est plus faible que celle de l'aluminium. La densité de l'aluminium est de 2700 kg/m³, tandis que celle du plastique est de 1420 kg/m³, soit environ la moitié de celle de l'aluminium. Par conséquent, pour des dissipateurs thermiques de même forme, le poids des dissipateurs thermiques en plastique n'est que la moitié de celui de l'aluminium. De plus, le traitement est simple, avec un cycle de moulage raccourci de 20-50 %, ce qui réduit également le coût.

 

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