照明正在迅速從傳統的燈源（如高壓鈉，金屬鹵化物，汞蒸氣和熒光燈）轉變為高亮度發光二極管（HB LED）。 HB LED的收入在2010年增長了108％，達到112億美元。 1

HB LED照明需要適當的熱管理，以利用其中的許多優勢LED，包括長L70壽命，即時啟動，更好的光學控制，最重要的是，低維護和減少能源使用。除熱管理要求外，工業應用還面臨其他挑戰。組件需要堅固耐用才能正常運行并使元件存活。雖然傳統的空氣推進器，如軸流風扇，可以提供足夠的強制對流散熱解決方案，但本文將重點介紹合成射流冷卻技術，特別是Nuventix SynJet技術，這是一種用于強制對流冷卻的替代空氣移動技術。本文將合成噴氣技術和互補LED散熱器視為堅固可靠的冷卻解決方案，可用于惡劣環境，以確保有效的LED熱管理解決方案。

合成噴氣機

雖然合成噴氣機已有多年的研究和研究，但合成噴氣機產品對市場來說相對較新。合成射流通過產生周期性抽吸和流體通過孔口噴射而形成，該孔由圍繞隔膜的腔中的振蕩隔膜產生。噴嘴是“零質量流量”，因此在介質中不需要管道或管道進行冷卻。當這些噴嘴指向LED散熱器表面時，它們比自然對流更有效地去除熱量。 2，3，4

合成噴嘴可以是在很多方面產生了一種機制，但是一種機制是使用電磁鐵驅動器來產生振動膜的驅動力，Nuventix用于SynJet的方法（圖1）。當膜在腔內振蕩時，在圍繞腔定位的噴嘴處產生合成射流。使用電磁致動器有許多優點，包括沒有移動部件引起摩擦，沒有潤滑劑，也沒有軸承磨損。合成噴氣機與傳統風動機（如風扇和鼓風機）之間的這些固有設計差異使這些產品在堅固性和使用壽命方面具有不同的區別。風扇和鼓風機的主要故障模式是潤滑劑故障。這在合成噴氣產品中不存在。 5，6

圖1：帶振動膜片的合成噴氣發動機。

強制冷卻的優點

合成射流冷卻可實現更小的外形尺寸，更低的工作溫度和動態氣流控制，從而有效控制LED散熱器的溫度。合成射流已被證明具有更高的努塞爾數，因此在相同的通道雷諾數下，相對于傳統的管道流的有效熱傳遞高出六倍或更多。此外，當比較合成射流冷卻的LED散熱器（θs-a）的熱阻或相同體積流量的管道流時，合成射流的熱性能提高了40％。與自然對流相比，合成射流在相同的形狀因子散熱器中表現出300％的熱改善。 7

低流量時的較高傳熱能力并且對自然對流的顯著改進是由于湍流渦旋主導的射流，其增強了熱邊界層的混合并且允許改善的熱性能。例如，圖2將100 W設計與強制冷卻和自然對流冷卻進行了比較。強制對流使冷卻性能提高20％（θs-a），體積減小200％，重量減少600％。

圖2：自然對流與強制對流。

Nuventix的ZFlow 90和用于筒燈和低棚照明的Spotlight Cooler 60 W和70 W是目前市場上通過Digi-Key用于工業照明的合成噴射冷卻產品的一個例子。該聚光燈冷卻器采用小型，輕便且經濟的設計，采用強制冷卻功耗70 W，同時在118至134 mm的外形尺寸下可實現高達10，000流明的光線。

圖3：ZFlow90 Spotlight Cooler 60W SynJet。

雖然使用強制冷卻具有上述許多優點，但工業照明需要考慮幾個因素：可靠性，耐灰塵積聚能力，清潔能力以及承受溫度波動的能力。有效的LED燈需要能夠承受這些元件的部件。合成噴嘴提供堅固可靠的解決方案。 Nuventix SynJets通常針對高溫/濕度，沖擊振動，灰塵和電源循環進行測試。 8

接下來的部分重點介紹了進行的各種測試關于Nuventix SynJet設備以及此測試的重要性。

可靠性

工業設施中冷卻解決方案的當地環境在很大程度上取決于外殼的結構以及安裝的位置和方向。工業設施中的LED照明通常經受各種溫度和濕度。 SynJets已經過測試，可以處理-40°C至+ 85°C的高溫。

此外，工業環境通常會受到大量灰塵和顆粒堆積，這些灰塵和顆粒會與燈具相互作用，并可能到達內部組件，如LED，電子設備，驅動器和冷卻解決方案，影響功能或壽命。

即使入口保護（IP）的評級也不會揭示產品的使用壽命如何受到惡劣環境的影響，而是證明其在短期內在這些條件下的安全性和運行能力。在這里，我們專注于燈具的冷卻解決方案，該解決方案必須超過LED的壽命，到目前為止，它通過延長LED壽命對燈具的整體壽命有積極貢獻，并且不會進一步限制它。 =“font-size：8px;”》 9

鑒于不同產品和環境的獨特要求，沒有一種標準或設定的測試方案可以保證全面適用性。此外，從早期設計階段到生產發布階段，必須測量具有可靠性設計的強大產品，直至預期的使用環境。在設計可靠性時，必須對制造中使用的子組件，材料甚至過程進行徹底的審查和鑒定。

因此，最新的SynJet系列產品已經消除了所有結構粘合劑接頭，所有材料和部件必須在123°C，》 95％rh下通過60小時高壓滅菌器測試（高加速應力測試，HAST），和2個大氣壓。

憑借眾多客戶的投入，Nuventix開發了一種基于平臺的綜合性合格測試矩陣，用于合成射流產品，有助于預測所有現實條件下的長壽命性能，其中一些將在下面討論。

熱循環

熱循環除了將材料暴露在寬溫度范圍外，還可以解決具有不匹配的熱膨脹系數（CTE）的設計，并對接頭和材料性能產生應力。通過在-40°C和+ 105°C之間進行200次或更多次，在每個溫度下浸泡一小時并且轉換斜率為5°C/分鐘且不允許出現故障，此測試增加了適用于強大產品的保證對于惡劣的條件。

濕度

高溫和高濕度的影響可能會令人驚訝。兩個主要領域受到影響：塑料材料降解和金屬腐蝕。所有合成射流類型在85°C和85％r.h下測試至少2，000小時。沒有失敗允許。

循環冷凝濕度

非常炎熱潮濕的環境不如冷凝循環濕度條件那么逼真。這可以通過冷卻裝置然后使其經受更溫暖潮濕的空氣來實現（類似于從冰箱中取出水瓶，其通常將從充分潮濕的氣氛中冷凝大量水）。重復該過程，隨后在實驗室環境中干燥200次或更多次將帶來與冷凝濕度相關的材料和設計缺陷。

HALT

高加速壽命測試（HALT）使用組合步進應力方法來確定產品的操作余量，并突出顯示設計中的薄弱環節。應力源包括冷熱應力和機械振動應力。下表顯示了由HALT確定的SynJet限制的示例。

圖4：HALT操作和破壞限制。

資格矩陣

下表顯示了使用最新SynJet系列產品完成并傳遞的測試的摘要。除條件外，該表還指出了測試中使用的樣本大小。

類別測試操作條件樣品儲存HAST在123°C，96％rh，2個大氣壓下無60小時3低溫無-40°C 11運行加速壽命測試是在315°C下3，300小時540最大正常壽命測試是85°C時9，000小時，正在進行75低溫是-40°C 87濕度是85°C/85％rh，3，250小時60熱循環是-40°C - + 105°C，200x 60機械正弦掃描否5-150 Hz，每軸2G 3次掃描18正弦停留三個峰頂部各10 min，5 G 18隨機振動是2.2 Grms，20 min。每個軸18沖擊沒有六個半正弦沖擊每個方向，40 G，11 ms 18沖擊測試 - 1，000次沖擊，25 G，10 ms 18環境灰塵是12小時IEC 60529（IP5X）4循環濕度是+ 200循環+50 °C/》 95％rh和+ 5°C/5％r.h.，使得發生冷凝22冷凍雨循環是在+ 25°C/95％r.h之間的100個循環。和-10°C/u.c.r.h。 21

結論

強制對流冷卻可以提供更小，更輕的設計，同時保持將HB LED保持在其設計參數范圍內所需的適當熱管理。合成射流技術是一種用于強制對流冷卻的空氣移動技術，由于其結構沒有活動部件，摩擦或需要軸承或潤滑劑，因此具有固有的可靠性和堅固性。合成射流產品經過嚴格的認證計劃，以確保產品堅固耐用，并可處理廣泛的應用空間。

最后，沒有精確的測試能夠預測所有環境條件下的性能和可靠性，適用于每種可能的燈具設計。然而，通過模擬在HB LED燈的預期壽命期間發生的最壞情況特定環境條件，以及對預期故障模式使用加速壓力測試，可以在惡劣環境應用中獲得合成射流和互補LED散熱器的信心。