用于工业控制中的LED热管理解决方案

照明正在迅速从传统的灯源（如高压钠，金属卤化物，汞蒸气和荧光灯）转变为高亮度发光二极管（HB LED）。 HB LED的收入在2010年增长了108％，达到112亿美元。 1

HB LED照明需要适当的热管理，以利用其中的许多优势LED，包括长L70寿命，即时启动，更好的光学控制，最重要的是，低维护和减少能源使用。除热管理要求外，工业应用还面临其他挑战。组件需要坚固耐用才能正常运行并使元件存活。虽然传统的空气推进器，如轴流风扇，可以提供足够的强制对流散热解决方案，但本文将重点介绍合成射流冷却技术，特别是Nuventix SynJet技术，这是一种用于强制对流冷却的替代空气移动技术。本文将合成喷气技术和互补LED散热器视为坚固可靠的冷却解决方案，可用于恶劣环境，以确保有效的LED热管理解决方案。

合成喷气机

虽然合成喷气机已有多年的研究和研究，但合成喷气机产品对市场来说相对较新。合成射流通过产生周期性抽吸和流体通过孔口喷射而形成，该孔由围绕隔膜的腔中的振荡隔膜产生。喷嘴是“零质量流量”，因此在介质中不需要管道或管道进行冷却。当这些喷嘴指向LED散热器表面时，它们比自然对流更有效地去除热量。 2，3，4

合成喷嘴可以是在很多方面产生了一种机制，但是一种机制是使用电磁铁驱动器来产生振动膜的驱动力，Nuventix用于SynJet的方法（图1）。当膜在腔内振荡时，在围绕腔定位的喷嘴处产生合成射流。使用电磁致动器有许多优点，包括没有移动部件引起摩擦，没有润滑剂，也没有轴承磨损。合成喷气机与传统风动机（如风扇和鼓风机）之间的这些固有设计差异使这些产品在坚固性和使用寿命方面具有不同的区别。风扇和鼓风机的主要故障模式是润滑剂故障。这在合成喷气产品中不存在。 5，6

图1：带振动膜片的合成喷气发动机。

强制冷却的优点

合成射流冷却可实现更小的外形尺寸，更低的工作温度和动态气流控制，从而有效控制LED散热器的温度。合成射流已被证明具有更高的努塞尔数，因此在相同的通道雷诺数下，相对于传统的管道流的有效热传递高出六倍或更多。此外，当比较合成射流冷却的LED散热器（θs-a）的热阻或相同体积流量的管道流时，合成射流的热性能提高了40％。与自然对流相比，合成射流在相同的形状因子散热器中表现出300％的热改善。 7

低流量时的较高传热能力并且对自然对流的显着改进是由于湍流涡旋主导的射流，其增强了热边界层的混合并且允许改善的热性能。例如，图2将100 W设计与强制冷却和自然对流冷却进行了比较。强制对流使冷却性能提高20％（θs-a），体积减小200％，重量减少600％。

图2：自然对流与强制对流。

Nuventix的ZFlow 90和用于筒灯和低棚照明的Spotlight Cooler 60 W和70 W是目前市场上通过Digi-Key用于工业照明的合成喷射冷却产品的一个例子。该聚光灯冷却器采用小型，轻便且经济的设计，采用强制冷却功耗70 W，同时在118至134 mm的外形尺寸下可实现高达10，000流明的光线。

图3：ZFlow90 Spotlight Cooler 60W SynJet。

虽然使用强制冷却具有上述许多优点，但工业照明需要考虑几个因素：可靠性，耐灰尘积聚能力，清洁能力以及承受温度波动的能力。有效的LED灯需要能够承受这些元件的部件。合成喷嘴提供坚固可靠的解决方案。 Nuventix SynJets通常针对高温/湿度，冲击振动，灰尘和电源循环进行测试。 8

接下来的部分重点介绍了进行的各种测试关于Nuventix SynJet设备以及此测试的重要性。

可靠性

工业设施中冷却解决方案的当地环境在很大程度上取决于外壳的结构以及安装的位置和方向。工业设施中的LED照明通常经受各种温度和湿度。 SynJets已经过测试，可以处理-40°C至+ 85°C的高温。

此外，工业环境通常会受到大量灰尘和颗粒堆积，这些灰尘和颗粒会与灯具相互作用，并可能到达内部组件，如LED，电子设备，驱动器和冷却解决方案，影响功能或寿命。

即使入口保护（IP）的评级也不会揭示产品的使用寿命如何受到恶劣环境的影响，而是证明其在短期内在这些条件下的安全性和运行能力。在这里，我们专注于灯具的冷却解决方案，该解决方案必须超过LED的寿命，到目前为止，它通过延长LED寿命对灯具的整体寿命有积极贡献，并且不会进一步限制它。 =“font-size：8px;”》 9

鉴于不同产品和环境的独特要求，没有一种标准或设定的测试方案可以保证全面适用性。此外，从早期设计阶段到生产发布阶段，必须测量具有可靠性设计的强大产品，直至预期的使用环境。在设计可靠性时，必须对制造中使用的子组件，材料甚至过程进行彻底的审查和鉴定。

因此，最新的SynJet系列产品已经消除了所有结构粘合剂接头，所有材料和部件必须在123°C，》 95％rh下通过60小时高压灭菌器测试（高加速应力测试，HAST），和2个大气压。

凭借众多客户的投入，Nuventix开发了一种基于平台的综合性合格测试矩阵，用于合成射流产品，有助于预测所有现实条件下的长寿命性能，其中一些将在下面讨论。

热循环

热循环除了将材料暴露在宽温度范围外，还可以解决具有不匹配的热膨胀系数（CTE）的设计，并对接头和材料性能产生应力。通过在-40°C和+ 105°C之间进行200次或更多次，在每个温度下浸泡一小时并且转换斜率为5°C/分钟且不允许出现故障，此测试增加了适用于强大产品的保证对于恶劣的条件。

湿度

高温和高湿度的影响可能会令人惊讶。两个主要领域受到影响：塑料材料降解和金属腐蚀。所有合成射流类型在85°C和85％r.h下测试至少2，000小时。没有失败允许。

循环冷凝湿度

非常炎热潮湿的环境不如冷凝循环湿度条件那么逼真。这可以通过冷却装置然后使其经受更温暖潮湿的空气来实现（类似于从冰箱中取出水瓶，其通常将从充分潮湿的气氛中冷凝大量水）。重复该过程，随后在实验室环境中干燥200次或更多次将带来与冷凝湿度相关的材料和设计缺陷。

HALT

高加速寿命测试（HALT）使用组合步进应力方法来确定产品的操作余量，并突出显示设计中的薄弱环节。应力源包括冷热应力和机械振动应力。下表显示了由HALT确定的SynJet限制的示例。

图4：HALT操作和破坏限制。

资格矩阵

下表显示了使用最新SynJet系列产品完成并传递的测试的摘要。除条件外，该表还指出了测试中使用的样本大小。

类别测试操作条件样品储存HAST在123°C，96％rh，2个大气压下无60小时3低温无-40°C 11运行加速寿命测试是在315°C下3，300小时540最大正常寿命测试是85°C时9，000小时，正在进行75低温是-40°C 87湿度是85°C/85％rh，3，250小时60热循环是-40°C - + 105°C，200x 60机械正弦扫描否5-150 Hz，每轴2G 3次扫描18正弦停留三个峰顶部各10 min，5 G 18随机振动是2.2 Grms，20 min。每个轴18冲击没有六个半正弦冲击每个方向，40 G，11 ms 18冲击测试 - 1，000次冲击，25 G，10 ms 18环境灰尘是12小时IEC 60529（IP5X）4循环湿度是+ 200循环+50 °C/》 95％rh和+ 5°C/5％r.h.，使得发生冷凝22冷冻雨循环是在+ 25°C/95％r.h之间的100个循环。和-10°C/u.c.r.h。 21

结论

强制对流冷却可以提供更小，更轻的设计，同时保持将HB LED保持在其设计参数范围内所需的适当热管理。合成射流技术是一种用于强制对流冷却的空气移动技术，由于其结构没有活动部件，摩擦或需要轴承或润滑剂，因此具有固有的可靠性和坚固性。合成射流产品经过严格的认证计划，以确保产品坚固耐用，并可处理广泛的应用空间。

最后，没有精确的测试能够预测所有环境条件下的性能和可靠性，适用于每种可能的灯具设计。然而，通过模拟在HB LED灯的预期寿命期间发生的最坏情况特定环境条件，以及对预期故障模式使用加速压力测试，可以在恶劣环境应用中获得合成射流和互补LED散热器的信心。