LED照明燈科學(xué)發(fā)展之路——散熱將不再是問(wèn)題講課稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED照明燈科學(xué)發(fā)展之路散熱將不再是問(wèn)題-LED照明燈科學(xué)發(fā)展之路散熱將不再是問(wèn)題本文簡(jiǎn)述了LED燈散熱行業(yè)內(nèi)問(wèn)題，提出便于實(shí)現(xiàn)LED燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方案，將散熱片劃歸為燈具中的部件，由LED芯和導(dǎo)熱芯構(gòu)成的燈芯，設(shè)計(jì)成系列標(biāo)準(zhǔn)，采用圓錐柱面導(dǎo)熱芯，有效解決燈芯（導(dǎo)熱芯）與散熱片（燈具）之間的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，并認(rèn)為恒流驅(qū)動(dòng)電源更合理。針對(duì)散熱片自然對(duì)流傳熱，本文提出了采用對(duì)流罩，利用煙囪效應(yīng)，強(qiáng)化提高散熱，并簡(jiǎn)述了優(yōu)化理念。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)得出，每瓦散熱用鋁不到4克的顯著結(jié)果，LED燈散熱將不再是問(wèn)題。一、引論

2、LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長(zhǎng)壽命，而被公認(rèn)為下一帶照明技術(shù)，將取代現(xiàn)有的各種照明技術(shù)。LED為冷光源，怕熱，有80之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須有散熱措施，雖然LED發(fā)光技術(shù)已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光達(dá)200lm的報(bào)道，但LED散熱卻是LED照明中非常頭痛，但又還沒(méi)得到有效解決的問(wèn)題，成了LED照明燈普及發(fā)展道路上的攔路虎。阻礙LED照明應(yīng)用普及的最大問(wèn)題是LED燈價(jià)格高，雖然上游的LED晶片廠商瓜分絕大部分利潤(rùn)，有大幅度降價(jià)空間，但要實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)資源有效配置到LED照明整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，有效降低造價(jià)，便于普通民眾購(gòu)買(mǎi)安裝，LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化是必經(jīng)之路，就像現(xiàn)有照明燈（白熾燈、日光燈/節(jié)能燈）那

3、樣。LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化的阻礙就是散熱問(wèn)題的存在。散熱屬于傳熱中的一部分。人類(lèi)對(duì)傳熱的研究已有上百年的歷史，上世紀(jì)6070年代是人們對(duì)傳熱研究的頂峰時(shí)期，其主要?jiǎng)恿κ侨祟?lèi)開(kāi)發(fā)航空航天的需求。那時(shí)代，傳熱技術(shù)領(lǐng)域聚集了許多優(yōu)秀人才，有不少傳熱研究人員成為知名人士，之后人們對(duì)傳熱研究熱情逐漸減小，目前傳熱學(xué)及技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員非常少。傳熱學(xué)及技術(shù)已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被樹(shù)葉遮蓋，不被現(xiàn)在的人們看見(jiàn)，以致當(dāng)電子行業(yè)，主要是計(jì)算機(jī)中的CPU發(fā)熱量突然大增時(shí)，人們沒(méi)有去拔開(kāi)地面上的樹(shù)葉，撿起那些熟透的果子，將人類(lèi)成熟的傳熱知識(shí)移植到電子行業(yè)內(nèi)。而是另起爐灶，創(chuàng)造出不少新名詞：“主動(dòng)散熱

4、”、“被動(dòng)散熱”、“熱沉”等聽(tīng)起來(lái)不知是什么意思，英文“Sink”在傳熱學(xué)及技術(shù)中也是非常罕見(jiàn)的名詞。針對(duì)LED燈散熱，當(dāng)前業(yè)內(nèi)缺乏對(duì)整個(gè)傳熱過(guò)程中的每個(gè)傳熱過(guò)程清晰的研究結(jié)果，分析出：從LED結(jié)點(diǎn)到空氣與散熱片表面的對(duì)流（自然）傳熱、每個(gè)過(guò)程中的傳熱溫差（即熱阻）所占比例，哪個(gè)過(guò)程的溫差最大，即主要矛盾，以及影響每個(gè)傳熱過(guò)程的因素，如何降低其熱阻的技術(shù)方向，尤其是熱阻最大的傳熱過(guò)程，降低其熱阻的技術(shù)方向更重要。既使有了這些研究結(jié)果，還必須被結(jié)構(gòu)工程師所熟知，因?yàn)閭鳠嶙罱K要通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從傳熱學(xué)和技術(shù)來(lái)談，LED散熱并非復(fù)雜，只涉及到傳熱學(xué)中非常小的部分導(dǎo)熱傳熱和對(duì)流傳熱（主要是空氣自然對(duì)流

5、傳熱），其中導(dǎo)熱傳熱就可利用現(xiàn)成的傳熱計(jì)算機(jī)軟件，得到非常準(zhǔn)確的解，比如分析LED封裝芯片內(nèi)的溫度分布（傳熱過(guò)程）；分析從LED芯片到散熱肋片的內(nèi)部溫度分布。但是應(yīng)特別注意，對(duì)于對(duì)流傳熱，凡涉及到空氣流動(dòng)，必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，而用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，只有學(xué)術(shù)上的意義，沒(méi)有實(shí)際工程意義，因?yàn)檎`差太大，目前還有不少的公司熱衷推銷(xiāo)此類(lèi)軟件。導(dǎo)致LED散熱簡(jiǎn)單問(wèn)題被復(fù)雜化的原因有：知識(shí)斷層，擁有成熟的傳熱知識(shí)的人員參于到LED散熱研究的甚少，缺乏專(zhuān)業(yè)的LED散熱研究機(jī)構(gòu)，給行業(yè)內(nèi)明確正確的指導(dǎo)思想，研討會(huì)非常之多，但學(xué)術(shù)氣氛少，商業(yè)味較濃。目前行業(yè)內(nèi)從業(yè)的專(zhuān)業(yè)散熱技術(shù)人員，許多是從計(jì)算機(jī)散熱方面轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)

6、的，自然地將那方面常用的技術(shù)以及商業(yè)行為帶過(guò)來(lái)，比如，熱管技術(shù)，被大量應(yīng)用到大功率LED照明燈（比如路燈）中，給那些原來(lái)為計(jì)算機(jī)芯片散熱器服務(wù)的熱管廠商創(chuàng)造了新的商機(jī)。甚至還有提出采用回流式熱管，如果說(shuō)LED燈散熱采用一般熱管像似殺雞用了殺豬刀，那么采用回流式熱管就像似殺雞舉起了宰牛刀。臺(tái)灣有一家公司發(fā)明有液態(tài)沉浸散熱技術(shù)，這種缺乏基本對(duì)流傳熱知識(shí)的發(fā)明，竟還獲得國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)。國(guó)內(nèi)也有類(lèi)似的企業(yè)，并有一定的知名度，開(kāi)發(fā)LED液冷散熱技術(shù)，稱(chēng)已申請(qǐng)有30多項(xiàng)專(zhuān)利。這些受汽車(chē)水箱啟發(fā)的發(fā)明創(chuàng)造者，并不清楚汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為什么采用水（液）冷技術(shù)的原因，水在散熱過(guò)程所起的作用。本文提出了實(shí)現(xiàn)LED照明燈

7、模塊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方案，將散熱片劃歸為燈具中的部件，由LED芯和導(dǎo)熱芯構(gòu)成的燈芯，將被設(shè)計(jì)制造成系列標(biāo)準(zhǔn)，采用圓錐柱面導(dǎo)熱芯，有效解決燈芯（導(dǎo)熱芯）與散熱片（燈具）之間的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)燈芯與燈具可便捷地拆與裝，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，造價(jià)低，是一條實(shí)現(xiàn)模塊標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)之路，并認(rèn)為恒流驅(qū)動(dòng)電源更合理。自然對(duì)流散熱，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可靠性高，成本低，自然地被LED燈首選。本文將闡述自然對(duì)流散熱原理，最大散熱量以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念；論述了LED燈散熱片的最佳應(yīng)用結(jié)構(gòu)太陽(yáng)花式散熱片，提出采用對(duì)流罩，利用煙囪效應(yīng)強(qiáng)化提高散熱熱量。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)以及分析研究，得到優(yōu)化和強(qiáng)化的結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)每瓦散熱用鋁不到4克的水平，散熱成本顯著

8、降低，以后將不再用考慮散熱所占的成本，總之LED散熱并不難，將不再是問(wèn)題。（本文不涉及LED封裝內(nèi)的傳熱，這將在以后的文章中闡述并提出有效的解決方案。）二、模塊的科學(xué)劃分圖、分別為東芝與夏普推出的照明燈，將芯片、散熱片以及驅(qū)動(dòng)電源合為一體，采用現(xiàn)白熾燈一樣的安裝接口，這樣的結(jié)構(gòu)市面上非常多，雖然這樣的設(shè)計(jì)便于普通民眾安裝，替換現(xiàn)白熾燈泡，但造價(jià)高，還有一致命的缺陷散熱不可靠。將圖、所示的燈，橫置、豎立或倒立，三種姿態(tài)情況下的散熱效果都不一樣，如果加有燈罩，其散熱效果與燈罩的形狀、大小密切相關(guān)，如果燈罩封閉，或內(nèi)外空氣流通性差，其散熱效果將惡化，光衰將立即表現(xiàn)出，甚至馬上出現(xiàn)損毀情況。因而這類(lèi)燈

9、，將不是照明發(fā)展方向。另外，圖、所示散熱片本身的結(jié)構(gòu)形式并不理想，散熱成本也不低。球形白熾燈泡，直管式日光燈是由于此形狀便于生產(chǎn)制造，而被采用。歷史的積淀使得人們一提到照明燈，馬上想到球形燈泡和直燈管。人們使用燈，目的是需要光明。是新型光源，因而照明燈的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從光源的特性出發(fā)，建立起新的模式。圖3示出了本文提出的LED照明燈模塊劃分，將散熱片以及驅(qū)動(dòng)電源劃歸為燈具中的部件，由LED芯、導(dǎo)熱芯以及燈芯罩組成的燈芯，可便捷地從散熱片（燈具）拆下和按裝上，將被設(shè)計(jì)制造成系列獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件。燈芯與燈具的電的連接，是件容易的事，但燈芯與散熱片的熱連接（熱傳導(dǎo)），就不是那么容易的事。圖示出了解決該問(wèn)題

10、有效而又簡(jiǎn)單的技術(shù)方案：采用圓錐柱接觸傳熱面。園錐柱和圓錐孔，加工容易，精度易保證，加工成本低。采用圓錐柱作為接觸傳熱面的顯著優(yōu)點(diǎn)是保證導(dǎo)熱芯和散熱片兩接觸面之間的接觸壓力足夠大：只要小的軸向力，就可得到被放大數(shù)倍的接觸壓力，因而燈芯和散熱片之間傳熱熱阻得到有效控制，即兩者之間的熱傳導(dǎo)問(wèn)題得到解決。以下計(jì)算例子進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)：例如，導(dǎo)熱芯中間直徑20mm，高h(yuǎn)15mm，與散熱片的錐孔面平均間隙0.03mm,采用普通導(dǎo)熱膏1.0W/mK，燈芯功率為W，可計(jì)算得出導(dǎo)熱芯與散熱片根的平均溫度差：t=Q/Dh=0.38,不到0.4圖中示出，燈芯與散熱片（燈具）的機(jī)械連接采用螺扣，電的連接采用同心接

11、插頭式，普通操作者，不需任何工具，就可方便地將燈芯正確安裝到位。圖所示結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，加工制造容易，造價(jià)也就低。圖中的燈芯罩的作用：1、保護(hù)芯；2、便于操作者安裝；3、二次光學(xué)，設(shè)計(jì)制造出不同光輸燈罩，比如聚光型或散光型，滿(mǎn)足不同場(chǎng)所及應(yīng)用。解決了熱連接（熱傳導(dǎo)）問(wèn)題，燈芯的通用標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)也就近在直尺，將按標(biāo)準(zhǔn)散熱功率來(lái)劃分不同規(guī)格的燈芯，比如：3W、6W、10W、15W、20W，對(duì)應(yīng)著不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)接口，而不像現(xiàn)燈泡（白熾燈）那樣與功率無(wú)關(guān)，只有兩三種接口。因而LED燈芯的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)格有許多種，但種數(shù)還是有限，燈具涉及到裝飾，則就千姿百態(tài)，但其標(biāo)準(zhǔn)散熱量必須達(dá)到規(guī)定的值，燈具將按其標(biāo)準(zhǔn)散熱量

12、劃分，其接口與其標(biāo)準(zhǔn)散熱量的燈芯接口相對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)可以這樣，10W（標(biāo)準(zhǔn)散熱功率）的燈芯可以安裝到12W的燈具上，但12W的燈芯則不能安裝到10W的燈具上，這都可以通過(guò)接口中的結(jié)構(gòu)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于每種燈具有其相應(yīng)的固定安裝形式，其散熱性能也就穩(wěn)定，因而不用擔(dān)心用戶(hù)安裝時(shí)，改變其散熱性能，即散熱穩(wěn)定可靠。本文所提出的模塊劃分，使得燈具和燈芯的散熱熱阻以及導(dǎo)熱熱阻檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)操作制定更為容易，燈具只要實(shí)驗(yàn)測(cè)定出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)熱芯的散熱性能曲線(xiàn)，就可計(jì)算出散熱熱阻；燈芯只要實(shí)驗(yàn)測(cè)定出，LED結(jié)點(diǎn)溫度與一標(biāo)準(zhǔn)散熱片上的溫度差，計(jì)算出燈芯的導(dǎo)熱熱阻即可。有了燈具和燈芯的散熱以及導(dǎo)熱熱阻的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和操作

13、的規(guī)程，就容易快速鑒別各種產(chǎn)品的優(yōu)劣。目前還沒(méi)有鑒別LED燈散熱性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)及操作，而是采用非常原始的方法，比如路燈，采用現(xiàn)場(chǎng)工作1000小時(shí)，多家企業(yè)產(chǎn)品一起進(jìn)行PK，測(cè)定其光衰情況，這種鑒別既不科學(xué)，又非常麻煩，比如夏天期間測(cè)定結(jié)果和冬天期間的結(jié)果是不一樣，因?yàn)槎牡臍鉁赜凶兓承┑貐^(qū)變化非常大。依據(jù)本文提出的模塊劃分，以及模塊具體的結(jié)構(gòu)，就可容易制定出統(tǒng)一的燈芯與散熱片（燈具）的機(jī)械接口標(biāo)準(zhǔn)和電的連接接口標(biāo)準(zhǔn)，以及電源標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)還可形成國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)。有了這些統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，燈具廠商將專(zhuān)心地根據(jù)不同需求，設(shè)計(jì)制造出各種各樣的燈具；燈芯廠商專(zhuān)心芯片封裝，燈芯制造，開(kāi)發(fā)全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，提高生

14、產(chǎn)效率，降低成本，研發(fā)出內(nèi)封裝熱阻更低的芯片封裝結(jié)構(gòu)；晶片廠商專(zhuān)心晶片的研發(fā)、生產(chǎn)，更多的投入到如何降低成本，提高光電效率；電源廠商專(zhuān)注電源，專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片的開(kāi)發(fā)，提高電源效率，降低產(chǎn)品成本。在LED照明產(chǎn)業(yè)鏈中的各級(jí)廠商，分工明確、既緊密配合，又相互獨(dú)立，構(gòu)建一完善的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)連，社會(huì)資源又將被合理地配置到各個(gè)鏈中，成本價(jià)格將顯著降低，LED照明燈普及將近在眼前?？傊?，本文提出LED照明燈的模塊劃分的科學(xué)之處：散熱穩(wěn)定可靠；容易實(shí)現(xiàn)LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化，以及相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程，完善整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，降低造價(jià)。關(guān)于電源標(biāo)準(zhǔn)：本文認(rèn)為應(yīng)選用恒流驅(qū)動(dòng)，燈芯中LED芯片采用串聯(lián)式（局部有并聯(lián)），如

15、圖4所示，每個(gè)LED芯片（或并聯(lián)組）設(shè)有旁路保護(hù)元件，該元件的作用，一旦所配的LED芯片損壞，成斷開(kāi)路狀態(tài)，則由于電壓過(guò)高（比如兩倍于LED最高電壓），該元件擊穿，形成永久性短路，使得不因一兩個(gè)LED芯片損壞，而使整個(gè)燈芯報(bào)廢。比如一個(gè)12W的LED燈，共有12顆LED芯片，如果有兩顆損壞，光亮度有下降，則可通電流調(diào)節(jié)端子，調(diào)大電流，補(bǔ)償降低的亮度，因而燈的可靠性高。采用恒流驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)點(diǎn)還有：一、更容易實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電源，比如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的恒流電流定為350mA。15W的燈芯，額定電壓也就是43V。芯片的額定電流與LED芯片中的晶片面積有關(guān)，也就容易調(diào)整設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足統(tǒng)一額定電流標(biāo)準(zhǔn)的晶片，另外

16、，還可以通過(guò)局部芯片并聯(lián)，比如兩三顆LED芯片并聯(lián)，達(dá)到統(tǒng)一額定電流（如350mA）；二、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、元器件少、成本低，電源效率高。由于工作電流低（350mA），開(kāi)關(guān)功率管BG的開(kāi)關(guān)損耗也就小，則電源效率高；采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)恒流（350mA），可將開(kāi)關(guān)功率管BG都集成到驅(qū)動(dòng)IC中（如圖4中虛線(xiàn)所示），并且額定功率范圍大，從1W到70W（市電為AC220V）范圍工作。輸出功率越大（LED芯串聯(lián)越多），電源的輸出工作電壓也高，因而開(kāi)關(guān)功率管BG承受的開(kāi)關(guān)電壓就越小，開(kāi)關(guān)損耗也就越小，電源的效率也就更高。三、自然對(duì)流散熱原理及優(yōu)化散熱過(guò)程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動(dòng)（對(duì)流）將熱量帶走，散熱片的輻射

17、傳熱所占的分量非常低，因而不于考慮?？諝饬鲃?dòng)帶走的熱量（即散熱量）Q：Q=CpM(T2-T1)(1)Cp空氣的比熱，為定值。M空氣流量。(T2-T1)散熱片出口處空氣溫度T2與進(jìn)口處空氣溫度T1的溫差，出口處空氣溫度T2最高不超過(guò)散熱片的壁面溫度Tw，即(T2-T1)有最大可能的數(shù)值。從公式（1）可以分析得出，最有效提高散熱量的方向是提高空氣流量。自然對(duì)流傳熱過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力是：空氣受熱溫度升高，比重下降而產(chǎn)生的浮力F：F=Vg(o-a)dv=Vgo(1-)dv(2)g重力加速度?？諝饷芏?。V散熱器的體積。O環(huán)境大氣溫度。a散熱器內(nèi)的空氣溫度?？諝饬鹘?jīng)散熱片，散熱片產(chǎn)生的阻力：=Sg

18、u2ds(3)S空氣流經(jīng)的表面積，即散熱片的散熱面積。流動(dòng)阻力系數(shù)，與散熱片的結(jié)構(gòu)，空氣流動(dòng)形式密切相關(guān)。u空氣在散熱片內(nèi)的流動(dòng)速度，流速u(mài)越高空氣流量也就越大。散熱片的散熱量Q還應(yīng)滿(mǎn)足以下公式：Q=Sh(TwTa)ds（4）h對(duì)流傳熱系數(shù)。(TwTa)散熱片壁面溫度Tw與散熱片內(nèi)的空氣溫度Ta的差值，散熱片的溫度Tw受LED芯片結(jié)點(diǎn)溫度的限制。以上四個(gè)公式約束著自然對(duì)流散熱過(guò)程，浮力F應(yīng)等于流動(dòng)阻力再加空氣動(dòng)量增加（2）（在下一節(jié)中有較詳細(xì)的闡述）。降低流動(dòng)阻力，意味著空氣流速u(mài)2增加（即流量M增加），以及浮力F要求下降。從公式（1）可以看出，流量M增加，有利于散熱量Q的提高，浮力F要求下降

19、，從公式（2）可以分析得出，散熱片中的空氣溫度Ta可降低，又從公式（4）可以看出：有利散熱量Q的提高，這說(shuō)明降低流動(dòng)阻力，從各方面來(lái)講，都對(duì)散熱量Q提高有利。降低流動(dòng)阻力系數(shù)，能有效降低流動(dòng)阻力。當(dāng)散熱片的肋片，上下豎立設(shè)置，空氣由下向上直接穿過(guò)散熱片時(shí)，低溫空氣直接進(jìn)入散熱肋片，由公式（4），有利于對(duì)流傳熱；空氣的流動(dòng)方向與浮力方向一致，阻力最小。因而散熱片應(yīng)設(shè)計(jì)成上下貫通的結(jié)構(gòu)，避免空氣彎曲流動(dòng)，渦流出現(xiàn)。依據(jù)公式（3），流動(dòng)阻力與空氣在散熱片中的流速的平方成正比，因而降低流速能有效降低流動(dòng)阻力。增大空氣在散熱片中的流通面積，既能不減小空氣流量M，又能降低流速。太陽(yáng)花式結(jié)構(gòu)散熱片，如圖5所

20、示，LED芯片將集中在中心導(dǎo)熱柱截面上，不僅發(fā)熱源（LED芯片）離散熱肋片根距離近，則導(dǎo)熱柱內(nèi)導(dǎo)熱熱阻小，而且LED芯片集中，所占的截面積小，即空氣的有效流通面積大，因而有利于流動(dòng)阻力減小。這說(shuō)明：太陽(yáng)花式結(jié)構(gòu)的散熱片，是LED燈散熱的最佳結(jié)構(gòu)。從制造方面講，采用鋁擠出工藝，制造出太陽(yáng)花鋁型材，再裁切就成了散熱片，可制造出各種外形的散熱片，生產(chǎn)效率高，工序少，造價(jià)也就低。由公式（2）分析：如果散熱器的體積一定，所占空間尺寸一定，散熱器中的空氣溫度a提高，有利于提高浮力F，但從公式（4）得出，卻不利于散熱肋片與空氣的對(duì)流傳熱（即散熱）。從公式（4）中分析，通過(guò)增加散熱肋片數(shù)量（即肋片密度），來(lái)提

21、高散熱面積S，有利于提高散熱量，但從公式（3）分析，卻相應(yīng)地提高了流動(dòng)阻力。以上分析說(shuō)明：在自然對(duì)流傳熱中，通過(guò)增加散熱肋片密度（減小肋片之間的間隙）來(lái)增加散熱面積，以達(dá)到提高散熱量的目的，但存在著相反、矛盾的因素，因而散熱量提高有限，甚至有可能得到降低散熱量的相反結(jié)果?？梢缘贸鼋Y(jié)論：當(dāng)散熱片所占空間尺寸一定時(shí)，存在一最大自然對(duì)流散熱量，相對(duì)應(yīng)就有著最佳肋片結(jié)構(gòu)（肋片密度），最大散熱量與散熱片的流通截面積成正比。本文作者經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該結(jié)論，并總結(jié)有最佳肋片密度的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算出優(yōu)化的LED燈散熱片。四、自然對(duì)流散熱強(qiáng)化提高在散熱片的上方設(shè)置對(duì)流罩，如圖6、7所示，利用煙囪的抽吸

22、原理，提高空氣流經(jīng)散熱片的流量，來(lái)達(dá)到散熱量的強(qiáng)化提高。對(duì)流罩產(chǎn)生的抽吸力（即浮力），可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)分析，如圖8所示，采用控制體積法來(lái)分析，根據(jù)控制體內(nèi)動(dòng)量平衡原理，可以推導(dǎo)出：FVgo(1-)dv=2B+（5）此說(shuō)明：抽吸力在增加空氣的動(dòng)量（2）同時(shí)，還要克服流動(dòng)阻力?？諝鈩?dòng)量增加，意味著空氣流量增加，由公式（1）可得，有利散熱量提高。抽吸力與對(duì)流罩內(nèi)的體積成正比，提高對(duì)流罩內(nèi)的空氣溫度，有助于提高抽吸力。進(jìn)一步的分析還可得出：要有高的抽吸力，散熱片應(yīng)盡可能設(shè)置在對(duì)流罩最低端，散熱片要緊奏。根據(jù)以上得出的結(jié)論，對(duì)流罩的抽吸力與對(duì)流罩內(nèi)的體積成正比，因而對(duì)于某些情況下，比如由于裝飾需要，燈

23、具的高度尺寸有限制，可以通過(guò)增加截面積尺寸，達(dá)到同等的體積，同等的抽吸力。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以充分利用燈具上的燈罩作為對(duì)流罩，既有裝飾作用，又有強(qiáng)化提高散熱量的作用。對(duì)于筒燈，自然地將燈筒設(shè)計(jì)成對(duì)流罩。圖9所示的LED路燈，散熱片為10個(gè)等六邊形太陽(yáng)花式散熱片，采用蜂窩型結(jié)構(gòu)拼合成，設(shè)置有大尺寸的后殼，后殼頂開(kāi)有通氣孔，后殼就構(gòu)成了對(duì)流罩。對(duì)流罩豎立設(shè)置時(shí)，對(duì)流罩的抽吸作用最有效，散熱片采用太陽(yáng)花式，LED芯只能朝上或朝下，如圖6、7所示。要解決燈光平射問(wèn)題，可采用如圖10、11所示LED燈，對(duì)流罩采用透明材料制成，此時(shí)對(duì)流罩就是燈罩，LED芯朝上，對(duì)流罩內(nèi)設(shè)置有反射鏡，從LED芯發(fā)出的朝上的光

24、線(xiàn)，經(jīng)反射鏡反射成平射，如果反射鏡的反射角可調(diào)，就可調(diào)動(dòng)光線(xiàn)的平射角。對(duì)于隧道燈，或類(lèi)似的照明燈，就可采用圖10、11所示的結(jié)構(gòu)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較圖12是某廠現(xiàn)標(biāo)稱(chēng)為20W的LED筒燈的散熱片的照片，外形直徑為86mm，高65mm，是采用鋁擠出工藝制造的散熱片型材，經(jīng)多種機(jī)械加工工序才完成，凈重250克，散熱面S為0.1m2。圖13中的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)B為該散熱片的散熱特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，縱坐標(biāo)Q為散熱功率，單位為W，實(shí)驗(yàn)采用電熱片加熱，從電功率儀讀出發(fā)熱量；橫坐標(biāo)T為散熱片上的導(dǎo)熱板（與鋁基板相貼）的溫度w(設(shè)置有5個(gè)電熱偶)與環(huán)境空氣溫度TO的差。圖13中的曲線(xiàn)C為該散熱片加設(shè)有沖孔的網(wǎng)罩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

25、，孔網(wǎng)的規(guī)格為6mm(孔徑)2mm（孔間隙），加設(shè)網(wǎng)罩，增加了空氣的流動(dòng)阻力，因而散熱性能有明顯下降。圖13中的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)為本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的散熱片散熱特性實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，采用太陽(yáng)花式鋁材散熱片，結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)，采用了高為120mm的對(duì)流罩，散熱片外徑為88mm，重為80克。與曲線(xiàn)比較可以看出，當(dāng)T(TwTo)為30時(shí)，本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的散熱片的散熱量是現(xiàn)所示產(chǎn)品的1.5倍，可以計(jì)算得出，表面對(duì)流傳熱系數(shù)h提高了兩倍，折算成每瓦散熱用鋁材為3.6克/瓦。如果按LED燈實(shí)際發(fā)熱量為17.5W計(jì)算，采用本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的散熱片，溫度可降低10之多。本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的散熱片成本也就是2元人民幣多點(diǎn)（按25元

26、/Kg擠鋁型材計(jì)算），而現(xiàn)所示產(chǎn)品，要加30%之多的切削耗量，以及煩瑣的機(jī)械切削工序，生產(chǎn)效率非常低，費(fèi)用要達(dá)到近20元/件。表1列出了20W筒燈現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)際照明情況下的散熱特性，與本專(zhuān)利技術(shù)樣品的比較，圖14為本專(zhuān)利技術(shù)樣品照片，圖15為本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)圖，所用的LED芯片為CreeXlampXP-E，現(xiàn)產(chǎn)品采用了10顆，專(zhuān)利改進(jìn)一也用10顆，專(zhuān)利改進(jìn)二用9顆，都采用串聯(lián)?？偣β什捎霉β视?jì)實(shí)測(cè)出的數(shù)據(jù)，包括了驅(qū)動(dòng)電源的損耗。TwLed芯片所焊在鋁基板的溫度，現(xiàn)產(chǎn)品是采用了6根熱電偶，貼在鋁基板表面所測(cè)溫度的平均值，本專(zhuān)利改進(jìn)則采用了兩根熱電偶，在鋁基板側(cè)鉆有1.2mm，深4mm的孔，兩熱電偶插入

27、孔中測(cè)得的溫度平均值。從表1可以看出，采用本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的LED燈產(chǎn)品，溫度降低了9。圖16（a）是某廠現(xiàn)標(biāo)稱(chēng)為60W的LED筒燈，外徑為185mm，高為130mm，其散熱片采用熱管加肋片結(jié)構(gòu)，圖16（b）示出了其拆除沖孔網(wǎng)罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖17中的散熱特性曲線(xiàn)F和E分別為該散熱片帶網(wǎng)罩和無(wú)網(wǎng)罩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較兩曲線(xiàn)，可得：網(wǎng)罩對(duì)散熱量影響是明顯的。圖17中的曲線(xiàn)D是采用本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)的散熱器的散熱特性曲線(xiàn)，是由7個(gè)等六邊形太陽(yáng)花式散熱片拼裝成的，最大外徑為185mm，對(duì)流罩高為120mm。與現(xiàn)產(chǎn)品比較（曲線(xiàn)F），散熱量得到顯著提高，當(dāng)溫度差T(TwTo)為25時(shí)，散熱量提高了50%。

28、現(xiàn)產(chǎn)品（如圖16（b）所示），采用熱管，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)工序多，生產(chǎn)效率低，其造價(jià)需要100多元/件。而本專(zhuān)利設(shè)計(jì)的散熱器，鋁材重為285克，按25元/Kg計(jì)算，也就是7.5元/件，不到現(xiàn)圖14所示產(chǎn)品的十分之一。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析比較說(shuō)明：本專(zhuān)利提出的LED燈散熱片技術(shù)方案，采用太陽(yáng)花式散熱片，經(jīng)優(yōu)化處理，散熱成本顯著下降，可以說(shuō)：LED燈散熱將不是問(wèn)題，不用再考慮其散熱成本。敬告本文公開(kāi)的技術(shù)方案涉及到專(zhuān)利知識(shí)產(chǎn)權(quán)，請(qǐng)務(wù)必得到許可，方可使用。作者簡(jiǎn)介：秦彪，清華大學(xué)熱能系87級(jí)博士，主向?yàn)槟茉醇碍h(huán)保，傳熱學(xué)及技術(shù)是其專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，早在85年第一項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)就是傳熱產(chǎn)品。從2006年開(kāi)始關(guān)注計(jì)算機(jī)散

29、熱，申請(qǐng)并獲得多系列有關(guān)CPU散熱的專(zhuān)利，2008年開(kāi)始研發(fā)LED散熱，已有系列專(zhuān)利申請(qǐng)，涵蓋LED燈具散熱、芯片封裝、模塊標(biāo)準(zhǔn)化，將成熟的先進(jìn)傳熱技術(shù)引入電子芯片散熱領(lǐng)域，將對(duì)整個(gè)行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。相關(guān)閱讀：HYPERLINK/info/2010825/2010825102239.shtmlt_blankLED照明燈科學(xué)發(fā)展之路散熱將不再是問(wèn)題2010-8-25HYPERLINK/info/2010730/2010730104447.shtmlt_blank別提散熱耐熱與隔熱才是LED王道2010-7-30HYPERLINK/info/2010727/2010727104052.shtmlt

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