分解一款低成本高散熱性的全新架構(gòu)LED路燈

一、LED散熱行業(yè)內(nèi)問題

　　LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長壽命，而被公認(rèn)為下一帶照明技術(shù)。但是，LED有70％之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須散熱。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的報道，但LED散熱卻是LED照明中非常頭痛的問題，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)用普及的最大問題是LED燈價格高，價格高又是由于熱的問題所致。又由于熱的問題，使得當(dāng)前LED路燈發(fā)展在死亡的邊緣行走。

　　人類對傳熱的研究已有上百年的歷史，傳熱學(xué)及技術(shù)已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被樹葉遮蓋，不被現(xiàn)在的人們看見，以致當(dāng)電子行業(yè)，主要是計算機中的CPU發(fā)熱量突然大增時，人們沒有去拔開地面上的樹葉，撿起那些熟透的果子，將人類成熟的傳熱知識移植到電子行業(yè)內(nèi)。而是另起爐灶，創(chuàng)造出不少新名詞：“主動散熱”、“被動散熱”、“熱沉”等聽起來不知是什么意思，英文“Sink”在傳熱學(xué)及技術(shù)中也是非常罕見的名詞。

　　從傳熱學(xué)和技術(shù)來談，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)熱傳熱和對流傳熱（主要是空氣自然對流傳熱），其中導(dǎo)熱傳熱就可利用現(xiàn)成的傳熱計算機軟件，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，對于對流傳熱，凡涉及到空氣流動，必須通過大量的實驗研究，而用計算機軟件計算，只有學(xué)術(shù)上的意義，沒有實際工程意義，因為誤差太大。

　　導(dǎo)致LED散熱簡單問題被復(fù)雜化的原因有：知識斷層，擁有成熟的傳熱知識的人員參于到LED散熱研究的甚少，缺乏專業(yè)的LED散熱研究機構(gòu)，給行業(yè)內(nèi)明確正確的指導(dǎo)思想。

　　目前行業(yè)內(nèi)從業(yè)的專業(yè)散熱技術(shù)人員，許多是從計算機散熱方面轉(zhuǎn)過來的，自然地將那方面常用的技術(shù)以及商業(yè)行為帶過來，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，給那些原來為計算機芯片散熱器服務(wù)的熱管廠商創(chuàng)造了新的商機，甚至還有提出采用回流式熱管。

　　如果說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)》，這種缺乏基本對流傳熱知識的發(fā)明，竟還獲得國際發(fā)明展金獎。這些受汽車水箱啟發(fā)的發(fā)明創(chuàng)造者，并不清楚汽車發(fā)動機為什么采用水（液）冷技術(shù)的原因，水在散熱過程所起的作用。

二、當(dāng)前LED路燈問題

　　圖1所示LED路燈是當(dāng)前最典型、最普遍采用的結(jié)構(gòu)：散熱片裸露，大張的設(shè)有LED光源芯片的鋁基板，貼裝在散熱片基板上（下方），再加前透明護罩。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計有如下問題：

　　1、傳熱設(shè)計原理問題

　　a、散熱主要是自然對流傳熱，空氣對流流經(jīng)散熱肋片將熱量帶走，因而空氣對流暢通非常重要，自然對流是自下往上而流動，散熱片應(yīng)設(shè)計成讓空氣自下而上穿過散熱肋片［1］ 。

　　但圖1所示當(dāng)前LED路燈的散熱片，空氣對流不暢，對流冷空氣不易均勻地流經(jīng)整個散熱肋片，在散熱片的中心處，空氣溫度高，散熱效果差（表面對流傳熱系數(shù)低下），并且隨著散熱片外尺寸加大，其對流傳熱效果進一步惡化。散熱片尺寸加大一倍，但其散熱效果并不增加一倍，也就是說：圖1所示結(jié)構(gòu)的LED路燈，功率越大，其散熱片尺寸必須加倍地增大。

　　b、散熱肋片之間的間距沒有優(yōu)化。在自然對流散熱過程中，不是一味地增加散熱片面積（加密散熱肋片間距），就能提高散熱量，當(dāng)肋片加密到某一值（最佳值）時，再增加，散熱量反而下降。

　　以上問題所致的結(jié)果：散熱效果低，LED結(jié)溫高；散熱片的尺寸大（即路燈尺寸大），重量沉（十多公斤），散熱成本高居不下。

　　2、制造生產(chǎn)方面問題

　　a、散熱片整體結(jié)構(gòu)尺寸大，無論采用鋁熱壓鑄還是鋁擠出成型，散熱肋片的厚度不能?。?mm以上），因而肋化效率非常低，散熱用鋁多，LED路燈重量沉，其中主要原因在此，散熱成本也就高。

　　b、水密封問題，整體式，大尺寸增加了前透明保護罩與散熱片基板之間水密封技術(shù)難度，密封的內(nèi)室空腔大，又不能采用固化密封膠，水密封可靠性低，造價也高。

　　c、大尺寸的鋁基板與散熱片基板之間的接觸傳熱可靠性問題。尺寸大了就不容易保證鋁基板沒有曲翹變形和凹變形，如果LED芯片正好在變形處，該處鋁基板與散熱片基板面之間的間隙加大，則就導(dǎo)致該處的LED芯片工作溫度上升，該LED芯片可靠性下降。

　　3、電源散熱及可靠性問題

　　a、電源裸露，就得采取水密封措施，為了保證電源板內(nèi)元件，特別是電解電容散熱，必須采取灌膠，全灌封工藝，電源成本升（20％左右），即使這樣，電解電容的工作溫度還是高，壽命減短，電源可靠降低。

　　b、電源安裝在散熱片的上方，電源的環(huán)境溫度人為地提高（可達(dá)到50～60℃）。又影響可靠性。

　　4、整體式結(jié)構(gòu)

整體式結(jié)構(gòu),一旦有故障，必須整體拆下，進工廠修理，維護困難。不容易形成通用模塊標(biāo)準(zhǔn)，不符合現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展規(guī)范。

　　5、觀念方面的問題

　　a、認(rèn)為鋁基板面積要大，設(shè)計成與散熱片基板面積相當(dāng)，這樣不僅增加鋁基板成本，還對散熱帶來負(fù)面影響，如前所述。

　　b、在戶外，散熱肋片表面鋪有一層灰塵，認(rèn)為是給散熱片穿了一件棉襖，是導(dǎo)致當(dāng)前LED路燈在戶外工作一段后出故障的原因，這種錯誤的觀念在有些發(fā)表的文章中都有。大家都知道空調(diào)室外機中的冷凝器就是一散熱器，如果說由于戶外灰塵的影響給現(xiàn)LED路燈的散熱片穿了一件棉襖，那么空調(diào)室外機中的散熱器就穿了十件棉襖，因為空調(diào)中的散熱器的對流傳熱系數(shù)是十倍于現(xiàn)LED路燈中的散熱片。其實灰塵對LED路燈散熱片的影響非常小，分析可得出影響不超5％。

　　c、缺乏空氣對流暢通對散熱非常重要的理念。有一種LED路燈，在“裸體”式散熱片外加了一亮麗外殼，殊不知這樣的亮麗外衣就是一件厚厚的棉衣。而且外殼上只有少數(shù)的幾個孔，根本不能保證空氣對流。這樣設(shè)計LED路燈，光衰死燈是必然的。

　　d、集中光源問題，圖2所示的光源就是集中式光源，認(rèn)為光源越集中越好，幾十瓦不夠，要上百瓦。本文不談集中光源對配光帶來的問題，只討論散熱方面問題。從散熱這兩字都應(yīng)認(rèn)識到散熱要把熱量分散開，集中光源帶的問題有：

　　（1）、加大了集中光源芯片內(nèi)的熱流密度，則就加大了封裝芯片內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻，本文作者有篇文章專門分析了該問題［2］，1個由9顆1X1mm的晶片，每顆一瓦，當(dāng)9顆晶片之間間距加大到5mm時，結(jié)點溫度可以降低5℃。

　?。?）、加大了散熱片內(nèi)的導(dǎo)熱（或稱熱傳輸）距離，自然整個散熱熱阻增加。有些公司設(shè)計的LED路燈，采用熱管技術(shù)來解決熱傳輸長的問題，但采用熱管的成本太高，這種熱管散熱器設(shè)計為典型CPU或GPU散熱器結(jié)構(gòu)，有許多不合理之處，比如熱管上的散熱肋片就沒有盡可能展開，無空氣對流暢通非常重要的理念。

　　e、迷信輻射傳熱、輻射散熱涂料（納米材料）。

　　還是以空調(diào)室外機中的散熱器為例，沒有聽說過采用輻射涂料提高散熱的產(chǎn)品（或例子）。空調(diào)技術(shù)非常成熟，為什么空調(diào)業(yè)界的研究人員、工程師沒有想到這點，而被LED業(yè)界的發(fā)明家想到了。為什么這樣，是因為輻射散熱在我們所關(guān)心的應(yīng)用中，所占的比例非常之小，可以不用關(guān)心。

　　另外基本的輻射傳熱知識分析［4］：理想的輻射體（黑體）的黑度（衡量物體輻射性能的基本參數(shù)）為1.0，而一般油漆（特別是黑色）黑度就可達(dá)到0.95，與理想黑體差也就是5％。采用納米這種高科技（也是高價格）的東西，比一般的油漆，僅輻射散熱也就最多提高5％。

三、全新架構(gòu)的LED路燈

　　圖4示出了本文提出的全新架構(gòu)的LED路燈外觀圖，圖5是打開上殼的視圖。散熱器由十個太陽花式散熱片拼組構(gòu)成，固定在下殼上，每個太陽花式散熱片配有一個LED光模組，此稱為燈芯，通過一顆螺栓固定在每個散熱片上。圖6示出了該燈芯（光模組）的設(shè)計視圖。外殼由上下殼構(gòu)成 ,在前端由一合頁連接，外殼內(nèi)分隔有獨立的電源室，只需一螺絲刀就可便捷打開，順利地拆裝燈芯（光模組）和電源。本文所提出的LED路燈不僅外形美觀，結(jié)構(gòu)也非常簡單。

　　本文的LED路燈的特點：

　　1、采用最佳散熱片結(jié)構(gòu)—太陽花式散熱片［1，3］。

　　圖7所示的太陽花式散熱片：a、肋化效率高，有利于減少鋁材用量；b、空氣流通截面積大，有利于減小空氣流動阻力，有利于提高空氣流量，提高散熱量；c、發(fā)熱的芯片熱源離散熱肋片距離近，即散熱片內(nèi)的導(dǎo)熱（熱傳輸）距離近，則散熱片內(nèi)導(dǎo)熱熱阻低；d、容易加工制造，采用鋁擠出成形，再裁切而成，加工成本低。

　　因而太陽花式散熱片為LED照明燈的最佳散熱結(jié)構(gòu)。

　　2、最大散熱優(yōu)化及強化設(shè)計

　　經(jīng)理論分析及實驗證實：當(dāng)散熱片所占空間尺寸一定時，存在一最大自然對流散熱量，相對應(yīng)就有著最佳肋片尺寸，最大散熱量與散熱片的流通面積成正比［1，3］。

　　散熱片結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，散熱量為該尺寸下最大，并利用外殼作為對流罩，利用煙囪抽吸原理，提高空氣流量，強化提高散熱量。完全可以確保鋁基板溫度與環(huán)境空氣溫度之差不超過30℃，根據(jù)需要還可以更低。有效控制和降低LED芯片結(jié)點溫度。

　　3、模塊標(biāo)準(zhǔn)化，解決了現(xiàn)場便捷地拆裝維護問題

　　如圖5所示，打開上蓋，松開燈芯上的導(dǎo)線與電源室內(nèi)接線端子的連接，松開固定螺釘，就可將燈芯（光模組）拆下。只用螺絲刀，就可現(xiàn)場完成燈芯的拆裝維護工作，解決了LED路燈的維護問題，這是目前LED路燈維護的難題。將來燈芯（光模組）實現(xiàn)通用標(biāo)準(zhǔn)化，路政維護部門可選用不同廠商的燈芯。

　　4、配光容易，IP級防水，結(jié)構(gòu)簡單可靠

　　每組燈芯＋散熱片都是獨立的，通過調(diào)整每個太陽花式散熱片的安裝角就調(diào)整每個燈芯的燈光照射角，實現(xiàn)所需路面照度分布，即配光容易；防水在燈芯中完成，只要鋁基板與燈芯罩以及導(dǎo)線的密封要好即可，采用密封膠可完成，這樣結(jié)構(gòu)簡單可靠，如圖6所示。

　　5、獨立的電源室，保證電源可靠

　　有了獨立的電源室，電源的環(huán)境不受LED燈發(fā)熱的影響，環(huán)境溫度低，有外殼的保護、防水，電源可設(shè)計成開放式，電源中的元件工作溫度低，特別有利于電解電容的壽命，保證電源可靠。

　　6、造價低，尺寸小，重量輕

　　散熱量最大優(yōu)化設(shè)計＋強化散熱，大大地減了路燈尺寸大小、重量、成本。120W路燈可減到不到兩公斤，外形尺寸僅為460×244×160（單位：毫米），每瓦散熱用鋁不到4克；

　　7、風(fēng)阻和空氣動力作用力小

　　流線形外形，風(fēng)阻則??；中間是上下通透，則大風(fēng)時不會產(chǎn)生大的空氣動力作用力。

　　8、流線形造型，美觀大方

　　造價分析：

　　以功率為120W LED路燈為例。

（1）、外殼套件（包括有散熱片）出廠售價定為：200元人民幣（含豐厚的利潤，本公司將有出售）；
（2）、120W電源出廠售價定：300元人民幣（利潤豐厚）；
（3）、燈芯（光源模組，圖6所示）：120顆1W LED芯片，每顆5元，即600元，再加基板，燈芯罩、加工費即利潤200元，則小計800元。

　　以上三項加起來，共計：1300元人民幣，再加擰裝20余個螺釘?shù)馁M用，再加想要的利潤就是一臺120W LED路燈的售價。并且該LED路燈擁有許多現(xiàn)有LED路燈不具有，但又必須的功能特點，現(xiàn)LED路燈無論從價格和性能上，都不能與之相比。

　　四、結(jié)束語

　　道路照明，時間長，范圍廣，被首選為LED照明應(yīng)用對象。但戶外道路，刮風(fēng)下雨，冰天雪地，環(huán)境惡劣，也就是說，LED照明首選了一個最難搞定的對象，使得當(dāng)前大部分LED路燈公司賠了不少銀子，感到眼前的希望渺茫。

　　本文提出的LED路燈全新架構(gòu)，解決了散熱、防水密封以及維護等LED路燈的關(guān)鍵問題。價格是當(dāng)前LED路燈代替鈉燈的障礙，但從本文上述造價分析，其所述的三項出廠售價還有一半的降價空間?？梢哉fLED路燈的售價，將完全可以低于現(xiàn)鈉燈的售價，時間也就是在2012年。