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研究生:林容萱
研究生(外文):Rong-syuan Lin
論文名稱:MR16LED燈具主動式散熱之設計
論文名稱(外文):The Design of Active Heat Dissipation Structure of MR16 LED Lamps
指導教授:林舜天林舜天引用關係
指導教授(外文):Shun-Tian Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:燈具風扇LED透鏡設計
外文關鍵詞:LampsFanLEDLens design
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MR16-LED燈具在市售產品中皆以鰭片方式進行被動式散熱,受限於MR16規格之體積限制,當亮度欲往上提升,被動式之傳熱方式就會遇到散熱的瓶頸,因此就必須有別以往的被動式散熱,而走向主動式散熱。本文研究高功率MR16 LED燈具,主要結構設計為COB LED模組搭配散熱鰭片、燈杯及燈座,依熱轉換方程式評估及選用最佳風扇型式,藉由風扇提高空氣對流係數進行主動式散熱。利用光學模擬軟體針對透鏡之曲率半徑設計,進行照度及場型模擬,分析最佳曲率半徑之透鏡,並觀察在此曲率半徑設計於不同照射距離下的照度變化,模擬數據顯示照度值在CNS規範下,可應用於檯燈使用於製圖及閱讀場合或當做廁所、走廊、樓梯、休息室等場所的照明燈具。完成整體燈具結構設計進行溫度量測,觀察改變驅動COB LED功率、風扇功率的溫度變化,及模擬實際使用狀況進行光通量及照度量測,實驗結果顯示設計之燈具隨著驅動LED功率逐漸增加,各量測位置點的溫度也隨著增加,當驅動LED功率達到原產品之額定功率兩倍時,散熱結構還是能將LED所產生的熱量逐漸帶出,持續的與環境空氣進行熱交換,而使LED正常運作且各量測溫度點達穩定狀態。實際量測光通量之數值顯示,設計之最佳透鏡曲率參數使出光率達90%。照度量測值與光學模擬數值誤差為10%左右,可得光學模擬在此分析上的可行性及可靠性。根據上述針對MR16 LED燈具之散熱設計、透鏡設計進行的探討分析,可做為未來實際應用時之參考及改良。
In the conventional MR16 lamps market, there are almost passive heat dissipation by heat sink. However, restricted by the standard volume of MR16, when the power increases, the traditional heat dissipation way doesn’t meet the requirement. That is, the heat transfer hits the bottleneck. Therefore, there must have a different way of heat dissipation by the past, and the active heat dissipation is proposed. This paper studied the high power MR16 LED lamps, the main structural design is COB LED module with heat sinks according to heat transfer equation and a well-designed fan. The best designed fan is utilized to enhance convection coefficient by active heat transfer. By using optical simulation software to design the curvature of lens and analyze the luminances at different distances under this curvature. The simulation data show that the luminance under CNS standard is used as luminance lamp and widely applied in many places such as studio, library, restroom ...etc. After completing the whole structural design, measured the temperature with varying the power of COB LED and fan. Besides, simulated the luminous flux and lumination under practical usage. The result indicates that the temperature increases with enhancing the power of LED. When the power of LED is double, the heat is transferred by the heat structure. Therefore, the LED can perform normally under this stable condition. The practical measurement of luminous flux indicates that the extraction rate under the best design curvature of lens is 90%, and the errors between the measurement of luminous flux and the optical simulation is about 10%, this shows that the analysis of optical simulation is practicable and reliable. According to the above discussion about heat transfer structure design of MR16 LED lamps and lens design, these can be applied to practical uses in the future.
目錄
摘要 I
ABSTRACT III
致謝 V
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章、前言 1
第二章、基礎理論與文獻探討 3
2.1 文獻探討 3
2.2 LED 原理與製程介紹 5
2.3 熱傳基本觀念 8
2.5 風扇原理與特性 11
2.6 照明原理與基礎 15
2.6.1透鏡設計理論 15
2.6.2 光度學基本單位 15
2.6.3 積分球(Integrating Sphere)原理 17
2.6.4 色溫(Color Temperature) 18
2.6.5 演色性(Color Rendering) 19
第三章 實驗結構設計與流程 21
3.1 散熱方式 21
3.2 風扇之選用 21
3.3 Chip on Board LED的選用 26
3.4 MR16結構設計 27
3.4.1 風扇座設計 27
3.4.2 燈杯設計 27
3.4.3 散熱鰭片設計 28
3.4.4 實驗結構 28
3.5 透鏡的設計 34
3.5.1 透鏡曲率半徑之照度關係 36
3.5.2 照射距離與照度之關係 36
3.6實驗設備 40
3.7實驗流程 42
第四章、實驗結果與討論 43
4.1 5W COB LED工作溫度及光通量比較 43
4.2 驅動LED功率的影響 49
4.3 風扇驅動功率之影響 50
4.4 實際光通量與模擬之比較 54
4.5 實際照度與模擬之比較 55
第五章 結論 57
第六章 參考文獻 59

圖目錄
圖 1.1 常見MR16 LED 燈具 2
圖 2.1 以碳化矽為基板之LED結構 7
圖 2.2 以藍寶石為基板之LED結構 7
圖 2.3 離心式、斜流式、軸流式之風扇性能比較 13
圖 2.4 風扇散熱系統 14
圖 2.5 積分球示意圖 18
圖 2.6 CIE 色度圖上之黑體軌跡 19
圖 2.7 CIE 色度區塊示意圖 20
圖 3.1 35x35x6軸流扇 23
圖 3.2 30x30x6 軸流扇 23
圖 3.3 30x30x3 離心扇 23
圖 3.4 以D30x30x6及D35x35x6風扇在不同驅動功率下 25
之轉數比較 25
圖 3.5以D30x30x6及D35x35x6風扇在不同驅動功率下之風量比較 25
圖 3.6 LUSTRON V 26
圖 3.7 NHA105NW5-3 26
圖 3.8 風扇座 30
圖 3.9 燈杯 30
圖 3.10 散熱鰭片 30
圖 3.11 燈座 30
圖 3.12 市售之風扇形狀 30
圖 3.13 改良後風扇形狀 30
圖 3.14 吸氣孔及排氣孔設計 31
圖 3.15 LED模組定位設計 31
圖 3.16 結構定位設計 31
圖 3.17 MR16 LED 設計圖 32
圖 3.18 柱銷之加工方式 32
圖 3.19 各部位加工之零件 33
圖 3.20 MR16 LED 燈具加工零件之組合圖 33
圖 3.21 平凸透鏡 34
圖 3.22 光學模擬模型建構零件圖 34
圖 3.23 光學模擬模型建構組合圖 35
圖 3.24 透鏡曲率定義 35
圖 3.25 最大照度值及照射距離定義 35
圖 3.26 以不同透鏡曲率在照射距離1 m下之光通量比較 38
圖 3.27以不同透鏡曲率在照射距離1 m下之照度比較 38
圖 3.28以不同透鏡曲率在不同照射距離下之光通量比較 39
圖 3.29 以不同透鏡曲率在不同照射距離下之最大照度比較 39
圖 3.30 溫度測試設備 40
圖 3.31 積分球量測設備 41
圖 3.32 照度量測設備 41
圖 4.1 溫度量測點 43
圖 4.2 以LUSTRON及NHA105NW為LED光源在不同驅動功率之LED底部溫度變化值 45
圖 4.3 以LUSTRON及NHA105NW為LED光源在不同驅動功率
之光通量變化值 45
圖 4.4 LUSTRON V在驅動功率7.4 W下溫度與時間變化曲線圖.. 46
圖 4.5 LUSTRON V在驅動功率8.7 W下溫度與時間變化曲線圖 ..46
圖 4.6 LUSTRON V在驅動功率10.4 W下溫度與時間變化曲線圖 47
圖 4.7 NHA105NW在驅動功率7.4 W下溫度與時間變化曲線圖 …47
圖 4.8 NHA105NW在驅動功率8.7 W下溫度與時間變化曲線圖 …48
圖 4.9 NHA105NW在驅動功率10.4 W下溫度與時間變化曲線圖 .48
圖 4.10 以NHA105NW為光源之驅動功率與光效率變化 50
圖 4.11 風扇驅動功率在0.4W下之溫度與時間變化曲線圖 52
圖 4.12 風扇驅動功率在0.24W下之溫度與時間變化曲線圖 52
圖 4.13 風扇驅動功率在0.21W下之溫度與時間變化曲線圖 53
圖 4.14 曲率21 mm 之透鏡 54
圖 4.15 最大照度值與照射距離之模擬與實驗比較 55

表目錄
表 2.1 常見材料之熱傳導係數 9
表 2.2 自然對流與強制對流係數 10
表 3.1 各風扇之規格 24
表 3.2 軸流扇性能比較 24
表 3.3 5W COB LED規格 26
表 3.4 以不同透鏡曲率在固定照射距離1 m下之最高照度及光通量比較 37
表 3.5 以不同透鏡曲率在不同照射距離下之最高照度值及光通量變化 37
表 4.1 以LUSTRON V為LED光源在不同驅動功率下之溫度變化值... 44
表 4.2以NHA105NW為LED光源在不同驅動功率下之溫度變化值... 44
表 4.3 驅動D35x35x6風扇在不同瓦數下之溫度變化值 51
表 4.4 以D35x35x6在不同驅動功率下之散熱能力變化 51
表 4.5 CNS照明標準 56
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