擺脫光與熱技術(shù)障礙 LED路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)大躍進(jìn)

　　因具備省電、節(jié)能以及環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，LED燈源可望取代傳統(tǒng)燈源成為新世代路燈主流，惟目前市場(chǎng)產(chǎn)品良莠不一，光、機(jī)、電、熱等系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)仍有待突破，其中，又以光、熱的技術(shù)難度最高，所幸現(xiàn)今技術(shù)瓶頸已有重大突破，將有助于日后路燈市場(chǎng)規(guī)模的加速擴(kuò)大。

　　高油價(jià)、高電價(jià)時(shí)代，如何有效提高照明設(shè)備的效率已成為節(jié)能、減碳的重要工作。隨著LED的發(fā)光效率與壽命提升，讓原本只能做指示或輔助用途的LED燈逐漸拓展到一般照明，可達(dá)成提供夜間交通安全照明與維持夜間治安的路燈設(shè)施，提升整體市容，達(dá)到省電、節(jié)能以及環(huán)保的多功能性。

　　LED路燈質(zhì)量參差不齊

　　LED路燈必須受到高、低氣溫差異以及日曬雨淋的天氣考驗(yàn)，有些產(chǎn)品安裝不到半年就故障。LED路燈良莠不齊，造成使用者信心不足，市場(chǎng)需求自然疲弱。有些專家認(rèn)為，目前LED的發(fā)光效率與高壓鈉燈相較尚有差距，作為裝飾照明和部分環(huán)境照明用無(wú)虞；但若作為道路照明用，目前只適合院(園)區(qū)通道或次干道；同時(shí)作為功能性為主的道路照明(主干道)，尚有諸多技術(shù)問(wèn)題有待克服，如散熱、二次光分布、均勻度等，因此目前尚不宜做主干道照明。

　　光/機(jī)/電/熱四大技術(shù)瓶頸待解

　　LED因?yàn)榘l(fā)光特性，輸入電能約有80%以上轉(zhuǎn)換成熱能必須排出，且LED晶粒屬半導(dǎo)體材料，因此不耐高溫，且發(fā)光效率會(huì)隨芯片溫度上升而降低，散熱變成LED路燈的首要考慮。其次，路燈應(yīng)用須符合道路照明規(guī)范，依照區(qū)域與道路狀況的不同，分別會(huì)根據(jù)照度、照度均勻度等有不同的規(guī)定，因此光學(xué)的設(shè)計(jì)成為L(zhǎng)ED路燈第二大挑戰(zhàn)。其他如LED需要直流驅(qū)動(dòng)，因此排列方式與電源供應(yīng)器的選用都是技術(shù)重點(diǎn)，還有耐風(fēng)壓、耐雷擊、耐震動(dòng)等安全性考慮，都增加LED路燈設(shè)計(jì)困難性。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LED燈具就是要考慮熱、光、電、機(jī)四大部分?，F(xiàn)行市場(chǎng)上技術(shù)瓶頸最高的便是熱與光，以下將就此兩大技術(shù)部分進(jìn)行討論。

　　借散熱機(jī)構(gòu)/被動(dòng)散熱/組件解決散熱問(wèn)題

　　LED芯片可承受的最高溫約為125～150℃。在LED路燈應(yīng)用上，環(huán)境溫度可達(dá)35℃以上，甚至高溫區(qū)域40℃以上，若不能有效散熱(控制結(jié)點(diǎn)溫度)，LED的壽命將快速遞減。根據(jù)Cree的數(shù)據(jù)顯示(圖1)，若可將發(fā)光芯片結(jié)點(diǎn)溫度控制于65℃，LED的整體壽命將可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)(以光衰30%計(jì)算)。

數(shù)據(jù)源：Cree
圖1　LED壽命圖

　　LED燈從芯片開始發(fā)熱，至散熱裝置把熱散掉，整個(gè)熱傳示意圖如圖2。前段從LED芯片到LED底座與LED封裝設(shè)計(jì)有關(guān)，所以選擇耐溫的芯片、熒光粉、封裝材質(zhì)以及熱阻低的封裝設(shè)計(jì)便是首要要件，目前熱阻一般均可達(dá)10K/W以下，較好的技術(shù)已經(jīng)有達(dá)到5K/W的水平。而后段LED底座到空氣端則與散熱機(jī)構(gòu)有關(guān)。

圖2　LED簡(jiǎn)易熱傳示意圖

　　大功率LED的散熱機(jī)構(gòu)一般有幾種形式：

　　? 主動(dòng)散熱
　　加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、水冷散熱技術(shù)、半導(dǎo)體制冷芯片。

　　? 被動(dòng)散熱
　　自然散熱、熱管加鰭片、均溫板加鰭片、回路熱管技術(shù)等。

　　以路燈應(yīng)用來(lái)說(shuō)，戶外安裝風(fēng)扇穩(wěn)定性會(huì)有問(wèn)題，水冷式散熱與半導(dǎo)體制冷芯片則因?yàn)轫氁~外付出更多電力散熱，且散熱端亦須要另外結(jié)構(gòu)散熱，在LED路燈應(yīng)用上，嚴(yán)苛的戶外環(huán)境應(yīng)避免這樣的設(shè)計(jì)。以下將分析被動(dòng)散熱形式的原理和相關(guān)比較。

　　? 自然散熱
　　自然散熱利用熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射作為基本的散熱原理。主要系利用熱傳導(dǎo)將熱導(dǎo)到燈具外壁面，再藉由燈具表面積或鰭片與周圍空氣的對(duì)流散熱和對(duì)周圍物體的輻射散熱(圖2)。

　　? 熱管加鰭片
　　熱管的傳熱現(xiàn)象，利用物質(zhì)相變化時(shí)，可吸收或散發(fā)高熱能的現(xiàn)象，因此使得熱管為具備極高的熱傳效率之設(shè)備。一般熱管仍須在冷凝端加鰭片散熱，已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，多應(yīng)用于計(jì)算機(jī)類設(shè)備中。
　　? 均溫板加鰭片
　　均溫板與熱管的原理與理論架構(gòu)相同，只有熱傳導(dǎo)的方向不相同，熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的，是線的熱傳導(dǎo)方式，而均溫板的熱傳導(dǎo)方式是二維的，是面的熱傳導(dǎo)方式。
　　? 回路熱管散熱
　　當(dāng)熱量從蒸發(fā)器傳至回路熱管內(nèi)的工作介質(zhì)，工作介質(zhì)吸收熱量后蒸發(fā)流向冷凝器，釋放熱量冷凝后，再藉由蒸發(fā)器內(nèi)多孔材料的毛細(xì)力，重新回到蒸發(fā)器，重復(fù)循環(huán)。

　　在被動(dòng)散熱的原件中，回路熱管恰好補(bǔ)足熱管與均溫板無(wú)法遠(yuǎn)距離熱傳這一塊，可將熱導(dǎo)至較遠(yuǎn)或較容易散熱的地方。

　　回路熱管技術(shù)原本應(yīng)用于太空科技、人造衛(wèi)星等，在LED照明是一項(xiàng)新嘗試，原理如圖3(A)，應(yīng)用示意如圖3(B)，散熱管可利用燈殼散熱，不須多加裝鰭片，若考慮美觀，可將散熱管繞置于燈殼內(nèi)部。

圖3　(A) 回路熱管示意圖 (B)回路熱管LED燈具應(yīng)用示意圖

　　散熱組件基本上只是一個(gè)工具，沒(méi)有真正所謂的優(yōu)劣之分，重要的乃是利用這些工具達(dá)到優(yōu)化應(yīng)用散熱之目的。下列將針對(duì)上述散熱機(jī)構(gòu)在LED路燈上應(yīng)用作相關(guān)比較。
　　? 自然散熱
　　優(yōu)點(diǎn)為散熱成本最低、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，較偏向于小瓦數(shù)散熱，如MR16的應(yīng)用。
　　市場(chǎng)上以自身結(jié)構(gòu)本體散熱方式的LED路燈產(chǎn)品，多為100瓦以下的產(chǎn)品，乃利用LED燈珠排放密度低的方式，克服熱通量過(guò)高的問(wèn)題，但松排列卻產(chǎn)生光學(xué)上可能有多重影像的現(xiàn)象。
在實(shí)際應(yīng)用上，若燈具利用鰭片散熱(鰭片外露于大氣中)，應(yīng)特別注意落塵或其他異物等積累于鰭片上，以至于造成散熱效果降低，影響LED壽命。
　　? 熱管加鰭片
　　目前市場(chǎng)較成熟的熱管技術(shù)，一般單支直徑6毫米的圓管熱管便可解決約40～50瓦的熱量，考慮折彎、打扁效率的折損，一支熱管約可解決30～40瓦左右的熱量。
以一個(gè)100瓦的燈具來(lái)說(shuō)，約三支熱管便可將熱帶出LED模塊，接著導(dǎo)至鰭片散熱。針對(duì)高瓦數(shù)如100瓦以上的LED路燈產(chǎn)品，此為較合理、成本較低廉的解決方式。此散熱方式為目前LED路燈市場(chǎng)上的大宗。
　　? 均溫板加鰭片
　　均溫板最大的優(yōu)點(diǎn)是解決高熱通量的散熱，或是解決突擴(kuò)熱阻，將不易散熱的點(diǎn)熱源，拓展成較易散熱的面熱源，如圖4業(yè)界所做的模擬比較。圖中左以單純鋁板加鰭片、中為三根熱管加鰭片、右為均溫板加鰭片，整個(gè)溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱源在整個(gè)散熱模塊的右方時(shí)，三根熱管加鰭片很明顯優(yōu)于單純鋁板加鰭片，但若利用均溫板，很明顯的溫度分布更佳，熱阻也從0.61K/W再降至0.54K/W。這是強(qiáng)調(diào)傳熱的均勻性，以確定鰭片的利用率。

圖4　鋁板、熱管與均溫板之散熱模擬比較

　　均溫板加鰭片的散熱方式最大的限制是，熱管可以把熱往水平或垂直方向傳遞，但均溫板僅能往垂直方向傳遞，便造成在燈具外型設(shè)計(jì)上的限制(圖5)。目前市場(chǎng)上利用此散熱方式的廠家并不多，應(yīng)用的方式為六至八顆LED為一模塊，以多模塊組合成大瓦數(shù)的LED路燈。

圖5　均溫板與熱管熱傳方式之比較

　　? 回路熱