一种热管嵌入式LED筒灯的设计与开发

聂丛伟

摘要：在大型会议室、宾馆大堂、展厅及中高档商场等照明质量要求较高的重要场所的LED照明工程改造过程中通过对目前最常用的嵌入式的金卤筒灯的特点和光电学参数的研究分析，设计开发了一款基于热管嵌入式的大功率筒灯。

关键词：热管嵌入；LED筒灯；设计

1 金卤灯筒灯应用现状：

从二十世纪六十年代金卤灯诞生以来，金卤灯一直被公认为高效的宽光谱光源而被迅速推广应用。尤其是在二十世纪九十年代开始，大量的应用到了大型会议室、宾馆大堂、展厅及中高档商场等照明质量要求较高的重要场所，并占有了大量的市场份额，已经安装的150W的金卤筒灯数量极大，色温一般分为：3000k，4000k，显色指数在80左右，光通量8000lm。这些场合大量使用金卤灯筒灯。

2 LED筒灯基本介绍

筒灯是室内照明灯具的主要灯具，占室内照明市场30%以上的份额。目前嵌入式LED筒灯的常用规格为7W，12W，18W，20W，飞利浦嵌入式筒灯最大功率20W，欧普、史福特筒灯最大为18W，雷士商业灯具最大20W，工程用灯具35W，其他非品牌灯具大多以20W以内为主，个别有35～40Wled筒灯，但可靠性未经认证。按LED灯具效率100～110lm/W计算，灯具的最大光通量最大也不超过4000lm，光通量最高仅能替代70W以下金卤灯，而150w嵌入式筒灯的光通量一般在8000lm左右，由于LED光源对散热要求严格，150W嵌入式金卤灯刚好介于LED体积与功率的瓶颈区域，无法跨越，如果不改变筒灯开孔尺寸，无法达到替换的目标。

嵌入式筒灯是在屋顶上開孔将灯具镶嵌在天花上，最大特点就是能保持建筑装饰的整体统一与完美，不会因为灯具的设置而破坏吊顶艺术的完美统一。

3 LED替换换金卤筒灯

对于大型会议室、宾馆大堂、展厅及中高档商场等照明质量要求较高的场所（层高一般在6米～20米之间），150W嵌入式的金卤筒灯已是设计师的首选。金卤灯光源光通量尽管较高，但受灯具效率的影响，150W金卤筒灯的整灯光通量在8000lm左右，它的直径一般是6吋、8吋、10吋，整灯光效在50～60lm/W。在LED已普遍应用的今天，光效显然不满足节能指标的要求。除此之外，金卤灯有以下不可克服的缺点：

1）灯具启动时间，需要1～2分钟方可达到正常亮度；

2）熄灭不能马上启动，需要等3～5分钟灯具冷却后才能再次开启，无法接入应急照明系统；

3）高温环境使得镇流器电器元件退化加速，启动时伴有蜂鸣，与箱体共振产生噪音；

4）使用久了，灯具色温会有偏移，不同批次的产品色温也有偏差；

5）灯具点亮时产生高温，具有安全隐患，同时也需要更大功率的空调带走热量，增加额外的空调负荷；

6）灯具内部含汞，破损后对环境会有污染。

尽管150W嵌入式金卤筒灯有以上缺点，但由于在LED技术成熟之前，金卤灯是光效最高的光源，已大量的应用到大型会议室、宾馆大堂、展厅及中高档商场等重要场所，装修风格已经定型。在不改变装修条件下，现有的LED筒灯在8～10吋一般最大功率30～40W，光通量4000lm，无法实现简单替换150w金卤筒灯（8000lm）。为此，非常有必要设计一款能替代常见金卤灯筒灯的LED筒灯。

4 热管嵌入式LED筒灯的开发与设计

采用LED光源模组，通过对散热通道设计、快速更换结构设计、专用电源及可靠性等关键技术开展研究工作，开发出采用原结构外壳作为支撑结构，不改变任何吊顶装修效果，采用等光通量对150W嵌入式金卤筒灯快速替换。

4.1 LED光源模组

通过实验和理论模拟成功优化了蓝光波长与荧光粉组合匹配，找到了功率LED的光效、色温、显色指数、色容差的最佳结合点，并实现了规模化生产。色温3000K，显色指数大于90，LED光源模组光效达到150lm/W。

4.2 热管嵌入式散热设计

将热管吸取的热量向铝锭安装座导热，以加快散热效果，而在热管这个结构中，底部（热管）热，顶部（热管）凉，在热管内部中形成对流现象，加快散热效果，为了使热管内部的热量更好的进行传导，而在热管中加载了一个倒置漏斗，热管底部热量受热，介质受热向上流动，在漏斗的收集下沿漏斗上升，而漏斗外侧的介质将填充受热介质上流产生的空间，利用流动加快了热管底部的热量传导给介质腔的介质，另外还可以利用套管，使受热介质沿热管管壁上流，在这一过程，热量快速通过管壁向铝锭安装座散热，而顶部的介质则在中间向下流动。更好的加快散热效率。如下图所示：

4.3 专用电源及可靠性

LED供电系统（POWER）设计：采用宽电压范围，高转化效率和高稳定度的开关电源，为LED灯具供电，避免电压波动造成的照明状态变化的影响。采用PWM恒流模式，PWM 调光是通过改变 PWM 方波信号占空比来获得对等电流。它利用驱动器反复开关来获得占空比不斷变化的方波，从而改变输出电流，调节 LED 亮度。PWM调光能够提供高质量光源，应用简单且效率高。如果采用PWM 恒流，在频率不高的时候可能会产生一定频率的频闪，长时间处于高频频闪的光环境中，会使人眼产生视觉疲劳。而固定工作频率、工作模式的 LED驱动器以及 PWM 调光机制被用于高端照明场合，来获得大于 60KHz 的调光信号频率，其可有效避免光源闪烁或抖动。

5 结语

通过对LED筒灯的设计与开发，利用原有的金属结构，合理设计热通道及对LED进行可靠性设计，开发8000lm以上的LED光源模组，对150W金卤筒灯进行快速简单替换，是相应国家绿色制造技术的号召，达到真正的节约资源，纯绿色的照明改造。

参考文献：

[1]王晓明，郭伟玲.LED新一代照明光源.

[2]裴小明.半导体照明的LED光源.