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　　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(duì)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(duì)傳熱研究的頂峰時(shí)期，其主要?jiǎng)恿κ侨祟愰_發(fā)航空航天的需求。那時(shí)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(duì)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(jì)算機(jī)中的CPU發(fā)熱量突然大增時(shí)，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(shí)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(dòng)散熱”、“被動(dòng)散熱”、“熱沉”等聽起來(lái)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(duì)LED燈散熱，當(dāng)前業(yè)內(nèi)缺乏對(duì)整個(gè)傳熱流程中的每個(gè)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(duì)流（自然）傳熱，每個(gè)過程中的傳熱溫差（即熱阻）所占比例，哪個(gè)過程的溫差最大，以及影響每個(gè)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?yàn)閭鳠嶙罱K要通過結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　從傳熱學(xué)和技術(shù)來(lái)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(duì)流傳熱（主要是空氣自然對(duì)流傳熱），其中導(dǎo)熱傳熱可利用現(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(duì)于對(duì)流傳熱，凡涉及到空氣流動(dòng)，必須通過大量的實(shí)驗(yàn)研究。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(shí)斷層，擁有成熟的傳熱知識(shí)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(huì)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(jì)算機(jī)散熱方面轉(zhuǎn)過來(lái)的，自然地將那方面常用的技術(shù)以及商業(yè)行為帶過來(lái)。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(lái)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(tái)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(duì)流傳熱知識(shí)的發(fā)明，竟還獲得國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)。國(guó)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(qǐng)有30多項(xiàng)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(dòng)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(duì)流散熱，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可靠性高，成本低，自然為L(zhǎng)ED燈首選。本文將闡述自然對(duì)流散熱原理，最大散熱量以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念；論述LED燈散熱片的最佳應(yīng)用結(jié)構(gòu)?太陽(yáng)花式散熱片，提出采用對(duì)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)及分析研究得到優(yōu)化和強(qiáng)化，可實(shí)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(duì)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(dòng)（對(duì)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。空氣流動(dòng)帶走的熱量（即散熱量）Q：

　　Q=C_p·M·(T₂-T₁)

　　C_p——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T_w，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(duì)流傳熱過程中，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力是空氣受熱溫度升高，比重下降而產(chǎn)生的浮力F：

　?。?）

　　g——重力加速度

　　ρ——空氣密度

　　V——散熱器的體積

　　T_O——環(huán)境大氣溫度

　　T_a——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ƒ：

　?。?）

　　S——空氣流經(jīng)的表面積，即散熱片的散熱面積

　　α——流動(dòng)阻力系數(shù)，與散熱片的結(jié)構(gòu)，空氣流動(dòng)形式密切相關(guān)

　　u——空氣在散熱片內(nèi)的流動(dòng)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：

　　（4）

　　H——對(duì)流傳熱系數(shù)

　　?。═_w-T_a）——散熱片壁面溫度T_w與散熱片內(nèi)的空氣溫度T_a的差值，散熱片的溫度T_w受LED芯片結(jié)點(diǎn)溫度的限制。

　　以上四個(gè)公式約束著自然對(duì)流散熱過程，浮力F應(yīng)等于流動(dòng)阻力ƒ再加空氣動(dòng)量增加（ ）。降低流動(dòng)阻力ƒ，意味著空氣流速u₂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T_a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(dòng)阻力，從各方面來(lái)講，都對(duì)散熱量Q提高有利。

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