分解一款低成本高散熱性的全新架構LED路燈

一、LED散熱行業(yè)內問題

　　LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長壽命，而被公認為下一帶照明技術。但是，LED有70％之多的電能轉化為熱能，必須散熱。雖然LED發(fā)光技術已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光達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，傳熱學及技術已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被樹葉遮蓋，不被現在的人們看見，以致當電子行業(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。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”在傳熱學及技術中也是非常罕見的名詞。

　　從傳熱學和技術來談，LED散熱并非復雜，只涉及到傳熱學中非常小的部分—導熱傳熱和對流傳熱（主要是空氣自然對流傳熱），其中導熱傳熱就可利用現成的傳熱計算機軟件，得到非常準確的解，比如分析LED封裝芯片內的溫度分布（傳熱過程）；分析從LED芯片到散熱肋片的內部溫度分布。但是應特別注意，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，只有學術上的意義，沒有實際工程意義，因為誤差太大。

　　導致LED散熱簡單問題被復雜化的原因有：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，給行業(yè)內明確正確的指導思想。

　　目前行業(yè)內從業(yè)的專業(yè)散熱技術人員，許多是從計算機散熱方面轉過來的，自然地將那方面常用的技術以及商業(yè)行為帶過來，比如，熱管技術，被大量應用到大功率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》，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）冷技術的原因，水在散熱過程所起的作用。

二、當前LED路燈問題

　　圖1所示LED路燈是當前最典型、最普遍采用的結構：散熱片裸露，大張的設有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。這種結構設計有如下問題：

　　1、傳熱設計原理問題

　　a、散熱主要是自然對流傳熱，空氣對流流經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，散熱片應設計成讓空氣自下而上穿過散熱肋片［1］ 。

　　但圖1所示當前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所示結構的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。

　　以上問題所致的結果：散熱效果低，LED結溫高；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、制造生產方面問題

　　a、散熱片整體結構尺寸大，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難度，密封的內室空腔大，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（可達到50～60℃）。又影響可靠性。

　　4、整體式結構

整體式結構,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準，不符合現代化工業(yè)產品發(fā)展規(guī)范。

　　5、觀念方面的問題

　　a、認為鋁基板面積要大，設計成與散熱片基板面積相當，這樣不僅增加鋁基板成本，還對散熱帶來負面影響，如前所述。

　　b、在戶外，散熱肋片表面鋪有一層灰塵，認為是給散熱片穿了一件棉襖，是導致當前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LED路燈的散熱片穿了一件棉襖，那么空調室外機中的散熱器就穿了十件棉襖，因為空調中的散熱器的對流傳熱系數是十倍于現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的幾個孔，根本不能保證空氣對流。這樣設計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。從散熱這兩字都應認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的熱流密度，則就加大了封裝芯片內的導熱熱阻，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9顆晶片之間間距加大到5mm時，結點溫度可以降低5℃。

　?。?）、加大了散熱片內的導熱（或稱熱傳輸）距離，自然整個散熱熱阻增加。有些公司設計的LED路燈，采用熱管技術來解決熱傳輸長的問題，但采用熱管的成本太高，這種熱管散熱器設計為典型CPU或GPU散熱器結構，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品（或例子）?？照{技術非常成熟，為什么空調業(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心的應用中，所占的比例非常之小，可以不用關心。

　　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）為1.0，而一般油漆（特別是黑色）黑度就可達到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、全新架構的LED路燈

　　圖4示出了本文提出的全新架構的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）的設計視圖。外殼由上下殼構成 ,在前端由一合頁連接，外殼內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，結構也非常簡單。

　　本文的LED路燈的特點：

　　1、采用最佳散熱片結構—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，即散熱片內的導熱（熱傳輸）距離近，則散熱片內導熱熱阻低；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構。

　　2、最大散熱優(yōu)化及強化設計

　　經理論分析及實驗證實：當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］。

　　散熱片結構尺寸經優(yōu)化設計，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℃，根據需要還可以更低。有效控制和降低LED芯片結點溫度。

　　3、模塊標準化，解決了現場便捷地拆裝維護問題

　　如圖5所示，打開上蓋，松開燈芯上的導線與電源室內接線端子的連接，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）實現通用標準化，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，結構簡單可靠

　　每組燈芯＋散熱片都是獨立的，通過調整每個太陽花式散熱片的安裝角就調整每個燈芯的燈光照射角，實現所需路面照度分布，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線的密封要好即可，采用密封膠可完成，這樣結構簡單可靠，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、風阻和空氣動力作用力小

　　流線形外形，風阻則?。恢虚g是上下通透，則大風時不會產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余個螺釘的費用，再加想要的利潤就是一臺120W LED路燈的售價。并且該LED路燈擁有許多現有LED路燈不具有，但又必須的功能特點，現LED路燈無論從價格和性能上，都不能與之相比。

　　四、結束語

　　道路照明，時間長，范圍廣，被首選為LED照明應用對象。但戶外道路，刮風下雨，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，解決了散熱、防水密封以及維護等LED路燈的關鍵問題。價格是當前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，將完全可以低于現鈉燈的售價，時間也就是在2012年。