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　　一、引論

　　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)，將取代現(xiàn)有的各種照明技術(shù)。LED為冷光源，怕熱，有80％之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須有散熱措施，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(bào)道，但LED散熱卻是LED照明中非常頭痛，但又還沒得到有效解決的問題，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(jià)格高，雖然上游的LED晶片廠商瓜分絕大部分利潤，有大幅度降價(jià)空間，但要實(shí)現(xiàn)整個社會資源有效配置到LED照明整個產(chǎn)業(yè)鏈中，有效降低造價(jià)，便于普通民眾購買安裝，LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化是必經(jīng)之路，就像現(xiàn)有照明燈（白熾燈、日光燈/節(jié)能燈）那樣。LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化的阻礙就是散熱問題的存在。

　　散熱屬于傳熱中的一部分。人類對傳熱的研究已有上百年的歷史，上世紀(jì)60～70年代是人們對傳熱研究的頂峰時(shí)期，其主要動力是人類開發(fā)航空航天的需求。那時(shí)代，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)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(jì)算機(jī)中的CPU發(fā)熱量突然大增時(shí)，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。

　　針對LED燈散熱，當(dāng)前業(yè)內(nèi)缺乏對整個傳熱過程中的每個傳熱過程清晰的研究結(jié)果，分析出：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，即主要矛盾，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，尤其是熱阻最大的傳熱過程，降低其熱阻的技術(shù)方向更重要。既使有了這些研究結(jié)果，還必須被結(jié)構(gòu)工程師所熟知，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(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(shí)驗(yàn)研究，而用計(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，目前還有不少的公司熱衷推銷此類軟件。

　　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(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)從業(yè)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。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(xiàng)專利。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(jī)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。

　　本文提出了實(shí)現(xiàn)LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方案，將散熱片劃歸為燈具中的部件，由LED芯和導(dǎo)熱芯構(gòu)成的燈芯，將被設(shè)計(jì)制造成系列標(biāo)準(zhǔn)，采用圓錐柱面導(dǎo)熱芯，有效解決燈芯（導(dǎo)熱芯）與散熱片（燈具）之間的熱傳導(dǎo)問題，實(shí)現(xiàn)燈芯與燈具可便捷地拆與裝，結(jié)構(gòu)非常簡單，造價(jià)低，是一條實(shí)現(xiàn)模塊標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)之路，并認(rèn)為恒流驅(qū)動電源更合理。

　　自然對流散熱，無機(jī)械運(yùn)動，可靠性高，成本低，自然地被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(jì)的理念；論述了 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，利用煙囪效應(yīng)強(qiáng)化提高散熱熱量。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)以及分析研究，得到優(yōu)化和強(qiáng)化的結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)每瓦散熱用鋁不到4克的水平，散熱成本顯著降低，以后將不再用考慮散熱所占的成本，總之LED散熱并不難，將不再是問題。

　　二、模塊的科學(xué)劃分

　　圖１、２分別為東芝與夏普推出的LED照明燈，將LED芯片、散熱片以及驅(qū)動電源合為一體，采用現(xiàn)白熾燈一樣的安裝接口，這樣的結(jié)構(gòu)市面上非常多，雖然這樣的設(shè)計(jì)便于普通民眾安裝，替換現(xiàn)白熾燈泡，但造價(jià)高，還有一致命的缺陷——散熱不可靠。

　　將圖１、２所示的LED燈，橫置、豎立或倒立，三種姿態(tài)情況下的散熱效果都不一樣，如果加有燈罩，其散熱效果與燈罩的形狀、大小密切相關(guān)，如果燈罩封閉，或內(nèi)外空氣流通性差，其散熱效果將惡化，光衰將立即表現(xiàn)出，甚至馬上出現(xiàn)損毀情況。因而這類LED燈，將不是LED照明發(fā)展方向。另外，圖１、２所示散熱片本身的結(jié)構(gòu)形式并不理想，散熱成本也不低。

　　球形白熾燈泡，直管式日光燈是由于此形狀便于生產(chǎn)制造，而被采用。歷史的積淀使得人們一提到照明燈，馬上想到球形燈泡和直燈管。人們使用燈，目的是需要光明。LED是新型光源，因而LED照明燈的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從LED光源的特性出發(fā)，建立起新的模式。

　　圖3示出了本文提出的LED照明燈模塊劃分，將散熱片以及驅(qū)動電源劃歸為燈具中的部件，由LED芯、導(dǎo)熱芯以及燈芯罩組成的燈芯，可便捷地從散熱片（燈具）拆下和按裝上，將被設(shè)計(jì)制造成系列獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件。

　　燈芯與燈具的電的連接，是件容易的事，但燈芯與散熱片的熱連接（熱傳導(dǎo)），就不是那么容易的事。圖３示出了解決該問題有效而又簡單的技術(shù)方案：采用圓錐柱接觸傳熱面。園錐柱和圓錐孔，加工容易，精度易保證，加工成本低。采用圓錐柱作為接觸傳熱面的顯著優(yōu)點(diǎn)是保證導(dǎo)熱芯和散熱片兩接觸面之間的接觸壓力足夠大：只要小的軸向力，就可得到被放大數(shù)倍的接觸壓力，因而燈芯和散熱片之間傳熱熱阻得到有效控制，即兩者之間的熱傳導(dǎo)問題得到解決。以下計(jì)算例子進(jìn)一步說明了這一點(diǎn)：

　　例如，導(dǎo)熱芯中間直徑Ф＝20mm，高h(yuǎn)＝15mm，與散熱片的錐孔面平均間隙△＝0.03mm,采用普通導(dǎo)熱膏λ＝1.0W/m·K，燈芯功率為Ｑ＝１２W，可計(jì)算得出導(dǎo)熱芯與散熱片根的平均溫度差：

　　△t=Q·△/λ·D·л·h=0.38℃,不到0.4℃

　　圖３中示出，燈芯與散熱片（燈具）的機(jī)械連接采用螺扣，電的連接采用同心接插頭式，普通操作者，不需任何工具，就可方便地將燈芯正確安裝到位。圖３所示結(jié)構(gòu)非常簡單，加工制造容易，造價(jià)也就低。

　　圖３中的燈芯罩的作用：保護(hù)LED芯；便于操作者安裝；二次光學(xué)，設(shè)計(jì)制造出不同光輸燈罩，比如聚光型或散光型，滿足不同場所及應(yīng)用。

　　解決了熱連接（熱傳導(dǎo)）問題，燈芯的通用標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)也就近在直尺，將按標(biāo)準(zhǔn)散熱功率來劃分不同規(guī)格的燈芯，比如：3W、6W、10W、15W、20W，對應(yīng)著不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)接口，而不像現(xiàn)燈泡（白熾燈）那樣與功率無關(guān)，只有兩三種接口。因而LED燈芯的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)格有許多種，但種數(shù)還是有限，燈具涉及到裝飾，則就千姿百態(tài)，但其標(biāo)準(zhǔn)散熱量必須達(dá)到規(guī)定的值，燈具將按其標(biāo)準(zhǔn)散熱量劃分，其接口與其標(biāo)準(zhǔn)散熱量的燈芯接口相對應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)可以這樣，10W（標(biāo)準(zhǔn)散熱功率）的燈芯可以安裝到12W的燈具上，但12W的燈芯則不能安裝到10W的燈具上，這都可以通過接口中的結(jié)構(gòu)差異來實(shí)現(xiàn)。由于每種燈具有其相應(yīng)的固定安裝形式，其散熱性能也就穩(wěn)定，因而不用擔(dān)心用戶安裝時(shí)，改變其散熱性能，即散熱穩(wěn)定可靠。

　　本文所提出的模塊劃分，使得燈具和燈芯的散熱熱阻以及導(dǎo)熱熱阻檢測標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)操作制定更為容易，燈具只要實(shí)驗(yàn)測定出相對標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)熱芯的散熱性能曲線，就可計(jì)算出散熱熱阻；燈芯只要實(shí)驗(yàn)測定出，LED結(jié)點(diǎn)溫度與一標(biāo)準(zhǔn)散熱片上的溫度差，計(jì)算出燈芯的導(dǎo)熱熱阻即可。有了燈具和燈芯的散熱以及導(dǎo)熱熱阻的檢測標(biāo)準(zhǔn)和操作的規(guī)程，就容易快速鑒別各種產(chǎn)品的優(yōu)劣。目前還沒有鑒別LED燈散熱性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)及操作，而是采用非常原始的方法，比如路燈，采用現(xiàn)場工作1000小時(shí)，多家企業(yè)產(chǎn)品一起進(jìn)行PK，測定其光衰情況，這種鑒別既不科學(xué)，又非常麻煩，比如夏天期間測定結(jié)果和冬天期間的結(jié)果是不一樣，因?yàn)槎牡臍鉁赜凶兓承┑貐^(qū)變化非常大。

　　依據(jù)本文提出的模塊劃分，以及模塊具體的結(jié)構(gòu)，就可容易制定出統(tǒng)一的燈芯與散熱片（燈具）的機(jī)械接口標(biāo)準(zhǔn)和電的連接接口標(biāo)準(zhǔn)，以及電源標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)還可形成國際化標(biāo)準(zhǔn)。有了這些統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，燈具廠商將專心地根據(jù)不同需求，設(shè)計(jì)制造出各種各樣的燈具；燈芯廠商專心芯片封裝，燈芯制造，開發(fā)全自動生產(chǎn)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，降低成本，研發(fā)出內(nèi)封裝熱阻更低的芯片封裝結(jié)構(gòu)；晶片廠商專心晶片的研發(fā)、生產(chǎn)，更多的投入到如何降低成本，提高光電效率；電源廠商專注電源，專用驅(qū)動芯片的開發(fā)，提高電源效率，降低產(chǎn)品成本。在LED照明產(chǎn)業(yè)鏈中的各級廠商，分工明確、既緊密配合，又相互獨(dú)立，構(gòu)建一完善的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)連，社會資源又將被合理地配置到各個鏈中，成本價(jià)格將顯著降低，LED照明燈普及將近在眼前。

　　總之，本文提出LED照明燈的模塊劃分的科學(xué)之處：①散熱穩(wěn)定可靠；②容易實(shí)現(xiàn)LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化，以及相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程，完善整個產(chǎn)業(yè)鏈，降低造價(jià)。

　　三、關(guān)于電源標(biāo)準(zhǔn)

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