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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200lm的報道，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照明應用普及的最大問題是LED燈價格高，雖然上游的LED晶片廠商瓜分絕大部分利潤，有大幅度降價空間，但要實現(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，便于普通民眾購買安裝，LED照明燈的模塊標準化是必經(jīng)之路，就像現(xiàn)有照明燈（白熾燈、日光燈/節(jié)能燈）那樣。LED照明燈模塊標準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60～70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，目前傳熱學及技術(shù)的專業(yè)人員非常少。傳熱學及技術(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(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”在傳熱學及技術(shù)中也是非常罕見的名詞。

　　針對LED燈散熱，當前業(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，因為傳熱最終要通過結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

　　從傳熱學和技術(shù)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(xiàn)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(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(shù)上的意義，沒有實際工程意義，因為誤差太大，目前還有不少的公司熱衷推銷此類軟件。

　　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(gòu)，給行業(yè)內(nèi)明確正確的指導思想，研討會非常之多，但學術(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，許多是從計算機散熱方面轉(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(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)明創(chuàng)造者，并不清楚汽車發(fā)動機為什么采用水（液）冷技術(shù)的原因，水在散熱過程所起的作用。

　　本文提出了實現(xiàn)LED照明燈模塊標準化技術(shù)方案，將散熱片劃歸為燈具中的部件，由LED芯和導熱芯構(gòu)成的燈芯，將被設計制造成系列標準，采用圓錐柱面導熱芯，有效解決燈芯（導熱芯）與散熱片（燈具）之間的熱傳導問題，實現(xiàn)燈芯與燈具可便捷地拆與裝，結(jié)構(gòu)非常簡單，造價低，是一條實現(xiàn)模塊標準化科學之路，并認為恒流驅(qū)動電源更合理。

　　自然對流散熱，無機械運動，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)化設計的理念；論述了 LED燈散熱片的最佳應用結(jié)構(gòu)—太陽花式散熱片，提出采用對流罩，利用煙囪效應強化提高散熱熱量。經(jīng)大量的實驗以及分析研究，得到優(yōu)化和強化的結(jié)果，可實現(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，雖然這樣的設計便于普通民眾安裝，替換現(xiàn)白熾燈泡，但造價高，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照明燈的設計，應該從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，將被設計制造成系列獨立的標準部件。

　　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），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)點是保證導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問題得到解決。以下計算例子進一步說明了這一點：

　　例如，導熱芯中間直徑Ф＝20mm，高h＝15mm，與散熱片的錐孔面平均間隙△＝0.03mm,采用普通導熱膏λ＝1.0W/m·K，燈芯功率為Ｑ＝１２W，可計算得出導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，造價也就低。

　　圖３中的燈芯罩的作用：保護LED芯；便于操作者安裝；二次光學，設計制造出不同光輸燈罩，比如聚光型或散光型，滿足不同場所及應用。

　　解決了熱連接（熱傳導）問題，燈芯的通用標準化的實現(xiàn)也就近在直尺，將按標準散熱功率來劃分不同規(guī)格的燈芯，比如：3W、6W、10W、15W、20W，對應著不同規(guī)格的標準接口，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燈芯的標準接口規(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)，但其標準散熱量必須達到規(guī)定的值，燈具將按其標準散熱量劃分，其接口與其標準散熱量的燈芯接口相對應。設計時可以這樣，10W（標準散熱功率）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)差異來實現(xiàn)。由于每種燈具有其相應的固定安裝形式，其散熱性能也就穩(wěn)定，因而不用擔心用戶安裝時，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熱熱阻檢測標準以及實驗操作制定更為容易，燈具只要實驗測定出相對標準的導熱芯的散熱性能曲線，就可計算出散熱熱阻；燈芯只要實驗測定出，LED結(jié)點溫度與一標準散熱片上的溫度差，計算出燈芯的導熱熱阻即可。有了燈具和燈芯的散熱以及導熱熱阻的檢測標準和操作的規(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)劣的標準及操作，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，多家企業(yè)產(chǎn)品一起進行PK，測定其光衰情況，這種鑒別既不科學，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，因為冬夏的氣溫有變化，某些地區(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）的機械接口標準和電的連接接口標準，以及電源標準，這些標準還可形成國際化標準。有了這些統(tǒng)一的標準，燈具廠商將專心地根據(jù)不同需求，設計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之處：①散熱穩(wěn)定可靠；②容易實現(xiàn)LED照明燈的模塊標準化，以及相應的檢測標準和操作規(guī)程，完善整個產(chǎn)業(yè)鏈，降低造價。

　　三、關(guān)于電源標準

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