利用高压钠灯灯具放置一体式LED光源的可行性分析

牟 娜，盛利涛

(1.烟台市政养护管理处，山东 烟台 264000；2.烟台奥星电器设备有限公司，山东 烟台 264003)



利用高压钠灯灯具放置一体式LED光源的可行性分析

牟 娜1，盛利涛2

(1.烟台市政养护管理处，山东 烟台 264000；2.烟台奥星电器设备有限公司，山东 烟台 264003)

目前LED所替换的大功率道路照明灯具，受LED光源散热的影响，均为直接更换灯具，造成了巨大的浪费。本文设计了一款集光源、散热、驱动器于一体的LED光源，对于保留原高压钠灯灯具壳体，直接更换为LED光源的可行性进行了研究分析。实验结果表明，利用高压钠灯灯具放置一体式LED光源完全可行。

高压钠灯；灯具；一体式LED光源；替换

引言

高压钠灯自1961年诞生以来，占据了道路照明灯具的绝大部分。高压钠灯的路灯灯具形态各异，造型优美。近几年，随着LED照明的发展，高压钠灯被取代已是大势所趋，但是，由于LED光源受散热的限制，如果在原高压钠灯灯具壳体内直接更换LED光源，将会严重影响LED光源的寿命，不能完全发挥其长寿命的优点。因此，现在LED替换高压钠灯基本上都是光源灯具整体更换，不但改变了原有路灯的整体美观，而且替换下来的钠灯灯具造成了巨大的浪费。同时，由于LED灯具受模具成本限制，灯型相对单一，难以重现原来高压钠灯灯具形态各异的靓丽风格。针对目前的情况，本文对LED光源直接替换高压钠灯光源进行了实验研究。

1 高压钠灯灯具的结构

由图1可以看出，高压钠灯光源的路灯灯具，除了高压钠灯光源及镇流器外，最主要的部分就是灯具壳体了，高压钠灯的路灯壳体占据了灯具造价的60%以上。在LED替换过程中，大都直接将灯具整体替换掉，造成了巨大的浪费。但如果直接将LED光源内置到高压钠灯的灯具内，受灯具空间及密闭的影响，LED光源的散热很难处理，这样就缩短了LED光源的寿命，与LED光源节能及长寿命的特点不符。要做到在相对较小的钠灯灯具空间内保持良好的散热，就需要增设一套散热系统，势必会增加制造成本。

图1 高压钠灯光源的路灯灯具简图Fig.1 Lamp diagram with high-pressure sodium

2 密闭小空间的散热设计

目前的LED光源寿命普遍在30 000 h以上，采用自动散热的风机，也应该具有相应的寿命。图2中的主动散热风机防护等级为IP65，采用双滚轴传动，为其设计寿命30 000 h。同时，为延长其工作寿命，在LED的驱动电源中添加了控制模块，当灯具后半夜自动降功率调光后，散热器的温度在45℃以下，风机将不运转。这样，风机的寿命基本与光源寿命相符。

目前代替250 W高压钠灯的主流功率为120 W LED灯具，本文的研究就是以120 W一体式LED光源为样本。灯具光源采用CREE XTE 系列，整灯光效为110 lm/W。一体式LED光源由整流罩、驱动器、散热器、风机、LED光源(玻璃透镜内部)、玻璃透镜、光源腔支板组成，如图2所示。

图2 LED一体式光源结构Fig.2 Structure of integral LED source

一体式LED光源设计考虑的因素包括：①最佳的空气流动效率；②最小的合适尺寸；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必须要转换的热量；⑧转移热量所需要的最小风量；⑨灯具允许的最大温升；⑩灯具散热器的风阻。

热转换方程式为

H=CPWΔT

(1)

式中H为转换热量，W为流动动空气重量，CP为空气比热，ΔT为温升。

W=QCFMD

(2)

式中D为空气密度，QCFM为风量。由式(1)、(2)得

(3)

式中P为灯具消耗的电功率，TC为允许的温升。

由公式(3)计算出120 W LED一体式灯具稳定运行所需要的风量为61.6 CFM。

3 模拟仿真

为验证理论的可行性，通过UG建模进行了热流仿真验证，120W LED一体式光源替换高压钠灯光源后灯具的内部结构及空气流通通路如图3所示。

图3 替换后内部结构及空气流动通路Fig.3 Structure of placing with integral LED source and route of air follow

环境中的空气由光源腔支板的通风孔进入到灯具壳体内，补充一体式光源内风机散热所需的气量，一体式光源腔内散热器的热量从散热器的出风口由风机排出。

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

设立仿真条件：环境温度25℃，灯具壳体内空气自由对流。风机的风量为61.6CFM，LED光电转化效率40%，驱动器效率90%。图4为一体式光源替换高压钠灯以后散热器上的热量分布情况。

图5 高压钠灯灯具壳体内散热器热分布图Fig.5 Distribution of the heat sink in high-pressure sodium lamp

由图5可以看出，在环境温度25 ℃，模拟高压钠灯灯具壳体内空气自由流通的条件下，采用风量为61.6 CFM的风机，散热器最大温升31 ℃，计算结果收敛，符合LED散热器温升的设计要求。

4 结论

针对目前LED替换高压钠灯直接更换灯具的情况，本文设计了一种大功率一体式的LED光源，通过保留原高压钠灯灯具壳体，直接替换高压钠灯光源，既节省能源又减少了浪费。通过理论计算以及仿真模拟的测试结果看，设计方法可行。

[1] 廖炫，郭震宁. LED球泡灯塑包铝散热器的设计与实验[J]. 照明工程学报,2016,27(2)：67-71.

[2] 薛晓明， 宋立. 风机盘管用永磁电机控制器IPM模块散热的研究. 科学技术与工程，ISTIC-2012.

[3] 马璐，刘静. 侧面送风冷却LED的热封装方法及其三维数值仿真研究[J]. 照明工程学报， 2011, 22(3):30-36.

[4] 肖晋,朱新华,贾艳玲,等. 某功率单元强迫风冷散热分析和优化[J]. 电子器件, ISTIC -2015.

[5] 张辉,耿学良. 直接空冷风机进口空气流动特性[M]. 中国电机工程学报 2013.

[6] 陈杰.LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究[J]. 照明工程学报,2013,24(3):81-86.

[7] 姚寿广,李春涛,邓江伟.某型LED灯具散热器的散热分析[J].江苏科技大学学报(自然科学版),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