一、引論

　　LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長(zhǎng)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(méi)得到有效解決的問(wèn)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(wèn)題是LED燈價(jià)格高，雖然上游的LED晶片廠(chǎng)商瓜分絕大部分利潤(rùn)，有大幅度降價(jià)空間，但要實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)資源有效配置到LED照明整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，有效降低造價(jià)，便于普通民眾購(gòu)買(mǎi)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(wèn)題的存在。

　　散熱屬于傳熱中的一部分。人類(lèi)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?lèi)開(kāi)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(duì)傳熱研究熱情逐漸減小，目前傳熱學(xué)及技術(shù)的專(zhuān)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(shù)葉遮蓋，不被現(xiàn)在的人們看見(jiàn)，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(méi)有去拔開(kāi)地面上的樹(shù)葉，撿起那些熟透的果子，將人類(lèi)成熟的傳熱知識(shí)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(dòng)散熱”、“被動(dòng)散熱”、“熱沉”等聽(tīng)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(jiàn)的名詞。

　　針對(duì)LED燈散熱，當(dāng)前業(yè)內(nèi)缺乏對(duì)整個(gè)傳熱過(guò)程中的每個(gè)傳熱過(guò)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(duì)流(自然)傳熱、每個(gè)過(guò)程中的傳熱溫差(即熱阻)所占比例，哪個(gè)過(guò)程的溫差最大，即主要矛盾，以及影響每個(gè)傳熱過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)流傳熱(主要是空氣自然對(duì)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(guò)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(guò)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(méi)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(xiāo)此類(lèi)軟件。

　　導(dǎo)致LED散熱簡(jiǎn)單問(wèn)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)的人員參于到LED散熱研究的甚少，缺乏專(zhuān)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)從業(yè)的專(zhuān)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(shuō)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(tái)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(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(lèi)似的企業(yè)，并有一定的知名度，開(kāi)發(fā)LED液冷散熱技術(shù)，稱(chēng)已申請(qǐng)有30多項(xiàng)專(zhuān)利。這些受汽車(chē)水箱啟發(fā)的發(fā)明創(chuàng)造者，并不清楚汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為什么采用水(液)冷技術(shù)的原因，水在散熱過(guò)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)燈芯與燈具可便捷地拆與裝，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)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(dòng)電源更合理。

　　自然對(duì)流散熱，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可靠性高，成本低，自然地被LED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;論述了 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)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(wèn)題。 (本文不涉及LED封裝內(nèi)的傳熱，這將在以后的文章中闡述并提出有效的解決方案。)

　　二、模塊的科學(xué)劃分

　　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(lèi)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(dòng)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(wèn)題有效而又簡(jiǎn)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(wèn)題得到解決。以下計(jì)算例子進(jìn)一步說(shuō)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(jiǎn)單，加工制造容易，造價(jià)也就低。