LED照明燈自然對流散熱之優(yōu)化與強(qiáng)化

1、LED照明燈自然對流散熱之優(yōu)化與強(qiáng)化本文簡述了LED燈散熱行業(yè)內(nèi)問題，針對散熱片中的自然對流傳熱進(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)計理念，并認(rèn)為太陽花式散熱片結(jié)構(gòu)最合理，采用對流罩，利用煙囪效應(yīng)，強(qiáng)化提高散熱量。通過實驗比較分析，本文優(yōu)化計算設(shè)計的散熱片，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年代是人們對傳熱研究的頂峰時期，其主要動力是人類開發(fā)航空航天的需求。那時候傳熱技術(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)，主要是計算機(jī)中的CPU發(fā)熱量突然大增時，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

3、詞。針對LED燈散熱，當(dāng)前業(yè)內(nèi)缺乏對整個傳熱流程中的每個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流(自然)傳熱，每個過程中的傳熱溫差(即熱阻)所占比例，哪個過程的溫差最大，以及影響每個傳熱過程的因素。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，因為傳熱最終要通過結(jié)構(gòu)來實現(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)熱傳熱和對流傳熱(主要是空氣自然對流傳熱)，其中導(dǎo)熱傳熱可利用現(xiàn)成的傳熱計算機(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，對于對流傳熱，凡涉及到空氣流動，必須通過大量的實驗研究。用計算機(jī)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，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：知識斷層，擁有成熟的傳熱知識的人員參與到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)，這種缺乏基本對流傳熱知識的發(fā)明，竟還獲得國際發(fā)明展金獎。國內(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)，稱已申請有30多項專利。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。自然對流散熱，無機(jī)械運(yùn)動，可靠性高，成本低，自然為LED燈首選。本文將闡述自然對流散熱原理，最大散熱量以及優(yōu)化設(shè)計的理念;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)大量的實驗及分析研究得到優(yōu)化和強(qiáng)化，可實現(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(對流)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?？諝饬鲃訋ё叩臒崃?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。自然對流傳熱過程中，驅(qū)動空氣流動的動力是空氣受熱溫度

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?流動阻力系數(shù)，與散熱片的結(jié)構(gòu)，空氣流動形式密切相關(guān)u?空氣在散熱片內(nèi)的流動速度，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。以上四個公式約束著自然對流散熱過程，浮力F應(yīng)等于流動阻力再加空氣動量增加(2 )(在下一節(jié)中有較詳細(xì)的闡述)。降低流動阻力，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，這說明降低流動阻力，從各方面來講，都對散熱量Q提高有利。降低流動阻力系數(shù)，能有效降低流動阻力。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，低溫空氣直接進(jìn)入散熱肋片，由公式(4)，有利于對流傳熱，空氣的流動方向與浮力方向一致，阻力最小。因而散熱片應(yīng)設(shè)計成上下貫通的結(jié)構(gòu)，避免空氣彎曲流動，渦流出現(xiàn)。依據(jù)公式(3)，流動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)地提高了流動阻力。以上分析說明：在自然對流傳熱中，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，存在最大自然對流散熱量，相對應(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)過大量的實驗證實了該結(jié)論，并總結(jié)出最佳肋片密度的計算經(jīng)驗公式，可以

11、計算出優(yōu)化的LED燈散熱片。三、自然對流散熱強(qiáng)化提高在散熱片的上方設(shè)置對流罩，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。對流罩產(chǎn)生的抽吸力(即浮力)，可以通過理論計算來分析，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量(2 )同時，還要克服流動阻力?？諝鈩恿吭黾?，意味著空氣流量增加，由公式(1)可得，有利散熱量提高。抽吸力與對流罩內(nèi)的體積V成正比，提高對流罩內(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)置在對流罩最低端，散熱片要緊奏。根據(jù)以上得出的

12、結(jié)論，對流罩的抽吸力與對流罩內(nèi)的體積V成正比，因而對于某些情況下，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)計時，可以充分利用燈具上的燈罩作為對流罩，既有裝飾作用，又有強(qiáng)化提高散熱量的作用。對于筒燈，自然地將燈筒設(shè)計成對流罩。圖5所示的LED路燈，散熱片為10個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)成了對流罩。對流罩豎立設(shè)置時，對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，對流罩采用透明材料制成

13、，此時對流罩就是燈罩，LED芯朝上，對流罩內(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)動光線的平射角。對于隧道燈，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燈的成本及價格將迅速下降。四、實驗結(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中的實驗曲線B為該散熱片的散熱特性實驗結(jié)果，縱坐標(biāo)Q為散熱功率，單位為W，實驗采用電熱片加熱，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)罩的實驗結(jié)果，孔網(wǎng)的規(guī)格為Ø6mm(孔徑)×2mm(孔間隙)，加設(shè)網(wǎng)罩，增加了空氣的流動阻力，因而散熱性能有明顯下降。圖10中的實驗曲線A為本文設(shè)計的散熱片散熱特性實驗曲線，采用太陽花式鋁材散熱片，結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)

16、優(yōu)化計算設(shè)計，采用了高為120mm的對流罩，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，本文設(shè)計的散熱片的散熱量是現(xiàn)所示產(chǎn)品的1.5倍，可以計算得出，表面對流傳熱系數(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燈實際發(fā)熱量為17.5W計算，采用本文設(shè)計的散熱片，溫度可降低10之多。本文設(shè)計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)罩的實驗結(jié)果，比較兩曲線可得：網(wǎng)罩對散熱量影響是明顯的。圖12中的曲線D是采用本文的優(yōu)化計算設(shè)計的散熱器的散熱特性曲線，是由7個等六邊形太陽花式散熱片拼裝成的，最大外徑為