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1、高高LED照明技術發展照明技術發展 與太陽能照明應用與太陽能照明應用1New Energy Center黃秉鈞 台大機械系新能源中心民國948月1日高高LED照明之關鍵技術照明之關鍵技術2New Energy Center 半導體材 發光效: 30-50 Lm/W Max junction temp : 120oC 散熱技術 LED內部熱傳 與LED封裝設計與製程有關 燈具散熱設計 與燈具設計有關高高LED散熱之技術問題散熱之技術問題3New Energy Center LED junction 溫限制 Max 120oC (0 hr life) 設計值: 90oC (50,000 hr li
2、fe 70%) 與空氣與空氣(35oC)溫差只剩溫差只剩55oC 能採用風扇 自然對散熱 散熱設計必須滿足燈具光學需求 為容散熱,光源分散排, 低光學效 散熱設計必須滿足燈具造型需求 燈具造型限制散熱設計 成本控制 封裝製程要簡單 體積與重限制 影響造型與成本高高LED照明產品發展現況照明產品發展現況 目前很少看到超過30W的LED燈具 原因猜測: 1. 散熱問題尚未解決 2. 市場尚未成熟, 想太早公開4New Energy Center16W高LED燈LED之熱傳機構之熱傳機構5New Energy CenterTmount電板TjTcapsuleTmountLED之上下游熱傳機構之上下游
3、熱傳機構6New Energy Center LED蕊晶Tj(發光體)?LED底座(Tmount) 與LED封裝設計有關 LED底座(Tmount)?電板(Td)?散熱裝置(Tb)?空氣 (Ta) 與散熱機構(燈具)設計有關TjTmountTbTairTdlamp內部內部 (上游上游)lamp外部外部(下游下游)LED下游散熱問題下游散熱問題7New Energy Center30W LED燈具之散熱最小散熱面積需求 Tj=90oC (50,000hr life) ? LED底座: Tmount=50oC full load 氣溫 Ta=35oC; 假設假設Tb=Td=Tmount(LED底座
4、至散熱板無熱阻) 熱阻 Rma= (50-35)oC/30W=0.5 K/W = 1/hfAf 自然對係 hf= 5 W/m2K (無風態 -最壞情況) ? Af=0.4m2 (雙面)散熱面500400條件條件: 1.四週無障礙物四週無障礙物2.散熱面溫均勻分佈散熱面溫均勻分佈LED熱密熱密8New Energy Center熱密(48W LED為) LED排: 4x4 (電板48mmx48mm) 熱密: 2.1 W/cm2 CPU die ? 20-80 W/cm2(CPU需強風扇噪音60dB)下游散熱徑下游散熱徑9New Energy CenterTmount電板TdLED底座(Tmoun
5、t)?電板(Td) 熱接觸與面積突擴問題 電板(Td)?散熱裝置(Tb) 熱接觸與面積突擴問題 散熱裝置(Tb) ?空氣(Ta) 自然對散熱問題2 spread resistance面積突擴熱阻問題面積突擴熱阻問題 (spread resistance)10New Energy CenterLED的三重突擴熱阻的三重突擴熱阻 LED蕊晶Tj(發光體)?LED底座(Tmount) LED底座(Tmount)?電板(Td) 電板(Td)?散熱裝置(Tb) 散熱裝置(Tb) ?空氣(Ta)3 spread resistance11New Energy CenterLED lamp LED 電板散熱器
6、LED chipLED 底座LED內部突擴熱阻內部突擴熱阻12New Energy Center48W LED電板至散熱板之突擴熱阻電板至散熱板之突擴熱阻13New Energy Center LED 底座(Tmount)?空氣(Ta)之最高容許熱阻: Rma= 0.5 K/W 熱密(48W LED) LED排: 4x4 電板: 48mmx48mm 熱密: 2.1 W/cm2Tmount電板TdLED電板電板(Td)48x48 ?散熱板?散熱板(Tb) 500x5003W Lamp間距: 14mm36W結 結 14New Energy Center 如果只用傳統散熱片散熱, 48W 之LED排
7、(電板)至少要 30x30cm以上,且散熱板 (500x500)厚要4mm以上 光學效低 笨重16W18W16W改善熱傳方法改善熱傳方法15New Energy Center 採傳統熱管(CPU散熱用) Spread resistance 仍高 熱管一彎曲效能劇 應付造型需要,必須彎曲 彎曲又影響造型傳統熱管規格傳統熱管規格(CPU散熱用散熱用)16New Energy Center傳統熱管散熱之熱阻問題傳統熱管散熱之熱阻問題17New Energy Center單支熱管內部熱阻 0.5 K/W(壓扁後)300 mm傳統熱管 8散熱板LED燈48Spread resistance ? K/WL
8、ED照明散熱問題之解決最佳方案照明散熱問題之解決最佳方案18New Energy Center 採最先進熱管(微米熱傳科技) 迴熱管迴熱管 (loop heat pipe)3W Lamp間距14mm !迴 熱 管迴 熱 管 Loop Heat Pipe19New Energy Center 合作開發: 台大新能源中心 江機電(陽傑)公司 俄斯科學院與Maidanik合作20New Energy CenterMaidanik之 子MikhailMikhail之 合夥Boris市場助秘 書MaidanikConventional Heat Pipe Return liquid flow subje
9、ct to high flow resistance Thin wick structure Long liquid flow distance Low rate of heat transport Limited distance of heat transport21New Energy CentervaporLiquid return through wickEvaporator sectionCondenser sectionadiabatic sectionwickHeat inHeat out22New Energy Center迴 熱 管迴 熱 管蒸發器 Evaporator凝板
10、 CondenserQQQ柔性毛細軟管柔性毛細軟管Liquid flowwickVapor channelHeat flowcontainer23New Energy Center Micro technology (micro wick structure) 微米科技 Long-distance heat transport (0.3-10m) High rate of heat transport (30-6000W) Against gravity Flexible geometryLHP特點特點24New Energy Center 通管可任意彎曲 可配合燈具造型 可長距傳熱 低spr
11、ead resistance 可傳送大熱 用於高LED 缺點: 太貴 (太空用:15萬美元)Small quantity production test (max 70 sets/day)25New Energy Center 產成本產成本: USD 10 (100W LHP)微米毛細材26New Energy CenterMaidanik (Russia)NEC KL-255-30-350NEC KL-255-5-350LHP Reliability Test27New Energy Center LHP reliability Startup stability Chemical stab
12、ility Structure strength Durability to vibration etc Reliability test with heating 1hr, non-heating 1 hr (12 cycles per day) at 80W or 120W at horizontal and different tilted angles Performance measurement every weekLHP Reliability Test (fully automatic)28New Energy CenterKL100-CU-10: 80W (Th-Ta40oC
13、) Ta30oC 100W (Th-Ta50oC) Ta27oC29New Energy Center30New Energy CenterKL100-CU-10 (391 days) Evaporator thermal resistance Rhv 0.15-0.20K/W Overall thermal resistance: Rha 0.5 K/WEvaporator thermal resistanceLoop heat pipe thermal resistance Rhv 由加熱端Th至蒸氣出口端Tv之熱阻31New Energy CenterThTvFan failure du
14、ring test (about once every 4 months)32New Energy CenterFan failures(4/21/04)633天續測試天續測試33New Energy CenterKL100-CU-07 (648 days)34New Energy Center Evaporator thermal resistance: Rhv=0.050.09K/W Overall thermal resistance: Rha 0.6 K/WKL100-07Q=101W, Th=85oC, Tv=75.5oC, Tc=65oC, Ta=24.6oC Rhv=0.092 K/W; Rha=0.60 K/W35New Energy Center
