LED照明燈自然對(duì)流散熱之優(yōu)化與強(qiáng)化

1、LED照明燈自然對(duì)流散熱之優(yōu)化與強(qiáng)化本文簡(jiǎn)述了LED燈散熱行業(yè)內(nèi)問題，針對(duì)散熱片中的自然對(duì)流傳熱進(jìn)行詳細(xì)的闡述，總結(jié)出最大散熱量以及相對(duì)應(yīng)的最佳散熱片結(jié)構(gòu)(尺寸)的結(jié)論，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，并認(rèn)為太陽花式散熱片結(jié)構(gòu)最合理，采用對(duì)流罩，利用煙囪效應(yīng)，強(qiáng)化提高散熱量。通過實(shí)驗(yàn)比較分析，本文優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)的散熱片，散熱性能得到顯著的提高，每瓦散熱用鋁不到4克，造價(jià)不到現(xiàn)產(chǎn)品的十分之一?？傊?，LED燈散熱將不再是問題。一、引論散熱問題被認(rèn)為是LED照明燈中的一大技術(shù)難題，是LED燈光衰的根源。散熱成本也占了LED燈成本相當(dāng)部分，散熱成了LED照明燈普及發(fā)展道路上的攔路虎。散熱屬于傳熱中的一部分。人類對(duì)傳熱

2、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侨祟愰_發(fā)航空航天的需求。那時(shí)候傳熱技術(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)的專業(yè)人員非常少。傳熱學(xué)及技術(shù)現(xiàn)已非常成熟，就像成熟的果子掉到地上被樹葉遮蓋，很難被人們看見，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)，人們沒有去撥開地面上的樹葉，撿起那些熟透的果子，將人類成熟的傳熱知識(shí)應(yīng)用到電子行業(yè)內(nèi)，而是另起爐灶，創(chuàng)造出不少新名詞：“主動(dòng)散熱”、“被動(dòng)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

3、詞。針對(duì)LED燈散熱，當(dāng)前業(yè)內(nèi)缺乏對(duì)整個(gè)傳熱流程中的每個(gè)傳熱過程清晰的研究結(jié)果。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)過程中的傳熱溫差(即熱阻)所占比例，哪個(gè)過程的溫差最大，以及影響每個(gè)傳熱過程的因素。如何降低其熱阻的技術(shù)方向更重要，尤其是熱阻最大的傳熱過程。使有了這些研究結(jié)果，還必須被結(jié)構(gòu)工程師熟知，因?yàn)閭鳠嶙罱K要通過結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。從傳熱學(xué)和技術(shù)來談，LED散熱并不復(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)流傳熱)，其中導(dǎo)熱傳熱可利用現(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(傳熱過程);分析從LED芯片到散熱肋片的

4、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)，必須通過大量的實(shí)驗(yàn)研究。用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，只有學(xué)術(shù)上的意義，沒有實(shí)際工程意義，因?yàn)檎`差太大，目前還有不少公司熱衷推銷此類軟件。導(dǎo)致LED散熱問題被復(fù)雜化的原因有：知識(shí)斷層，擁有成熟的傳熱知識(shí)的人員參與到LED散熱研究的甚少;缺乏專業(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)的專業(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(jì)算機(jī)芯片散熱器服務(wù)的熱管廠商創(chuàng)造了

5、新的商機(jī)，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殺雞用了殺豬刀，那么采用回流式熱管就像殺雞舉起了宰牛刀。臺(tái)灣有一家公司發(fā)明的液態(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)也有類似的企業(yè)，并有一定的知名度，開發(fā)LED液冷散熱技術(shù)，稱已申請(qǐng)有30多項(xiàng)專利。這些受汽車水箱啟發(fā)的發(fā)明者，并不清楚汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用水(液)冷技術(shù)的原因，水在散熱過程所起的作用。自然對(duì)流散熱，無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可靠性高，成本低，自然為L(zhǎng)ED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LED燈散熱片的最佳應(yīng)用結(jié)構(gòu)?太陽花式散熱片，提出采用對(duì)流罩，利用煙囪效

6、應(yīng)強(qiáng)化提高散熱熱量。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)及分析研究得到優(yōu)化和強(qiáng)化，可實(shí)現(xiàn)每瓦散熱用鋁不到4克，散熱成本顯著降低，以后將不用考慮散熱成本。二、自然對(duì)流散熱原理及優(yōu)化散熱過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，散熱片的輻射傳熱所占的分量非常低，因而不予考慮?？諝饬鲃?dòng)帶走的熱量(即散熱量)Q：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)流傳熱過程中，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力是空氣受熱溫度

7、升高，比重下降而產(chǎn)生的浮力F：g?重力加速度?空氣密度V?散熱器的體積TO?環(huán)境大氣溫度Ta?散熱器內(nèi)的空氣溫度空氣流經(jīng)散熱片，散熱片產(chǎn)生的阻力：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越高空氣流量 也就越大。散熱片的散熱量Q還應(yīng)滿足以下公式：h?對(duì)流傳熱系數(shù)(Tw?Ta) ?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

8、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，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，這說明降低流動(dòng)阻力，從各方面來講，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

9、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。太陽花式結(jié)構(gòu)散熱片，如圖1所示，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)離散熱肋片很近，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。這說明：太陽花式結(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V一定，所占空間尺寸一定，散熱器中的空氣溫度T提高，有利于提高浮力F，但從公式(4)

10、得出，這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，通過增加散熱肋片數(shù)量(即肋片密度)，來提高散熱面積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。以上分析說明：在自然對(duì)流傳熱中，通過增加散熱肋片密度(減小肋片之間的間隙)來增加散熱面積，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)過大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該結(jié)論，并總結(jié)出最佳肋片密度的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，可以

11、計(jì)算出優(yōu)化的LED燈散熱片。三、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2、3所示，利用煙囪的抽吸原理，提高空氣流經(jīng)散熱片的流量，來達(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)，可以通過理論計(jì)算來分析，如圖4所示，采用控制體積法來分析，根據(jù)控制體內(nèi)動(dòng)量平衡原理，可以推導(dǎo)出：(5)此說明：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。空氣動(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V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

12、結(jié)論，對(duì)流罩的抽吸力與對(duì)流罩內(nèi)的體積V成正比，因而對(duì)于某些情況下，比如由于裝飾需要，燈具的高度尺寸有限制，可以通過增加截面積尺寸，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5所示的LED路燈，散熱片為10個(gè)等六邊形太陽花式散熱片，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，散熱片采用太陽花式，LED芯只能朝上或朝下，如圖2、3所示。要解決燈光平射問題，可采用如圖6、7所示LED燈，對(duì)流罩采用透明材料制成

13、，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)出的朝上的光線，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)光線的平射角。對(duì)于隧道燈，或類似的照明燈，就可采用圖6、7所示的結(jié)構(gòu)。燈芯：太陽花式散熱片被證明為最佳LED燈散熱片，LED芯集中設(shè)置在導(dǎo)熱柱的端面，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。LED芯片焊接在鋁(或銅)基板上，通過中心一顆螺釘(或螺栓)將基板固定在散熱片的導(dǎo)熱柱的端面(注意保證兩接觸面平整，接觸緊密，并加有導(dǎo)熱膏);通過導(dǎo)線(穿過導(dǎo)熱柱)與電源連接;還設(shè)置有燈芯罩。其作用有：保護(hù)LED芯片以及二次光學(xué)作用(比如散光或聚光等)，特別是對(duì)于戶外用的LED燈，防水密封非

14、常重要，引出導(dǎo)線以及燈芯罩與基板之間采用密封膠封裝，可得到可靠的防水密封，滿足戶外應(yīng)用的要求?；搴蚅ED芯片、以及燈芯罩就構(gòu)成獨(dú)立發(fā)光模組，被稱為燈芯。燈芯可以設(shè)計(jì)制造成獨(dú)立的系列標(biāo)準(zhǔn)部件(比如4W、6W、8W、12W、16W、20W)，加上各種二次光學(xué)形式的燈芯罩，就可得到多種標(biāo)準(zhǔn)的燈芯，供用戶選用。這樣將產(chǎn)生出專業(yè)生產(chǎn)制造燈芯的廠商，而燈具廠商則專心燈具的制造，只要滿足散熱要求，設(shè)計(jì)出各種各樣造型的燈具滿足民眾的不同需求，形成分工合作的現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈，LED燈的成本及價(jià)格將迅速下降。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較圖9是某廠現(xiàn)標(biāo)稱為20W的LED筒燈的散熱片的照片，外形直徑為Ø86

15、mm，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10中的實(shí)驗(yàn)曲線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Tw(設(shè)置有5個(gè)電熱偶)與環(huán)境空氣溫度TO的差。圖10中的曲線C為該散熱片加設(shè)有沖孔的網(wǎng)罩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，孔網(wǎng)的規(guī)格為Ø6mm(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10中的實(shí)驗(yàn)曲線A為本文設(shè)計(jì)的散熱片散熱特性實(shí)驗(yàn)曲線，采用太陽花式鋁材散熱片，結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)

16、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Ø88mm，重為80克。與曲線B比較可以看出，當(dāng)T(Tw?To)為30時(shí)，本文設(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，采用本文設(shè)計(jì)的散熱片，溫度可降低10之多。本文設(shè)計(jì)的散熱片成本也就是2元人民幣多點(diǎn)(按25元/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。圖11(a)是某廠現(xiàn)標(biāo)稱為60W的LED筒燈，外徑為Ø185mm，高為130mm，其散熱片采用熱管加肋片結(jié)構(gòu)，圖11(b)示出了其拆除沖孔網(wǎng)罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖12中的散熱特性曲線F和E分別為該散熱片帶網(wǎng)罩和無網(wǎng)罩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較兩曲線可得：網(wǎng)罩對(duì)散熱量影響是明顯的。圖12中的曲線D是采用本文的優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)的散熱器的散熱特性曲線，是由7個(gè)等六邊形太陽花式散熱片拼裝成的，最大外徑為