隨著基于LED的固態(tài)照明科技對(duì)照明產(chǎn)業(yè)的顛覆性變革的進(jìn)行，照明產(chǎn)品的新機(jī)遇也在各個(gè)角落開(kāi)始顯現(xiàn)，從民用到商用乃至街道照明等各個(gè)方面。然而，LED科技的小秘密是，它帶來(lái)了傳統(tǒng)燈泡未曾有過(guò)的熱量管理方面的挑戰(zhàn)。這與以往曾有的挑戰(zhàn)完全不一樣，且熱度更高。要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久的產(chǎn)品壽命并保持始終如一的光通量和色溫，就必須將熱量從LED結(jié)處引開(kāi)。有許多種材料和制作方案來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量管理，其中擠壓鋁制品(aluminum extrusions)可以廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。

　　建筑師、照明設(shè)計(jì)者、以及其他設(shè)計(jì)人員都為燈具及燈具外殼提出需求，使之提供好看的外觀、拋光和色彩方面的各種選項(xiàng)、并具備結(jié)構(gòu)上的完整性。設(shè)計(jì)工程師正嘗試提供上述的所有特性，但與此同時(shí)，他們還要處理熱量管理的問(wèn)題。照明企業(yè)都希望能提供具備上述特性且成本效益高的產(chǎn)品。

　　人們普遍接受的有關(guān)LED的益處是：更高的燈光質(zhì)量、更大的能源效率、以及由于燈泡的長(zhǎng)壽特性帶來(lái)的更低的維護(hù)成本?？墒?，熱量管理依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。LED器件產(chǎn)生的熱量，不僅對(duì)燈泡的使用壽命有害，而 額外的器件來(lái)增強(qiáng)空且對(duì)燈光的質(zhì)量也有害。如今，工程 流動(dòng)(通常是一只風(fēng)師們要承受兩方面的挑戰(zhàn)，一是開(kāi)發(fā) 流動(dòng)能夠提高散熱器出外觀很棒的產(chǎn)品，一是解決熱量管 某些應(yīng)用中可以促成理問(wèn)題。

圖1散熱器的CFD分析顯示，熱源位于散熱器的中心部位(黃色區(qū)域)。熱量從熱藍(lán)色到紫色)。

　　熱挑戰(zhàn)

　　熱設(shè)計(jì)工程師的目標(biāo)，就是將熱能從熱源移除，并把它散發(fā)到周圍空 的材料來(lái)協(xié)助傳遞熱氣中去，使之離電子元件盡可能地遠(yuǎn)， 散發(fā)速度盡可能地快。照明業(yè)界更愿意使用無(wú)源熱量管理產(chǎn)品(比如散熱 率(thermal conducti器)，而不是有源散熱技術(shù)。典型情況下，有源熱量管理意味著使用一個(gè)額外的器件來(lái)增強(qiáng)空氣在散熱片上的流動(dòng)。加速空氣流動(dòng)能夠提高散熱器的效率，甚至在某些應(yīng)用中可以促成我們使用更小巧的散熱器。然而，有源器件會(huì)提高成本，增加噪音，并且降低系統(tǒng)可靠性。

　　工程師通常會(huì)使用燈具或者外殼的材料來(lái)協(xié)助傳遞熱量。大部分材料都能夠傳導(dǎo)熱量，只是有的效果好，有的效果差。這種能力也被稱作熱導(dǎo)率，用瓦特每米開(kāi)爾文來(lái)度量。

　　不同材料的熱導(dǎo)率范圍非常廣泛。例如，鉆石的熱導(dǎo)率非常高(典型值2200W/mK)，但是如果用于照明產(chǎn)品的話，顯然是過(guò)于昂貴。銅的熱導(dǎo)率也不錯(cuò)(典型值390W/mK)，但是和鋁相比它有兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)：銅的重量是鋁的約三倍，價(jià)格也通常是鋁的五倍。鋁的熱導(dǎo)率不如銅(最大值237W/mK)，但是它具有重量和成本上的優(yōu)勢(shì)，這在許多固態(tài)照明應(yīng)用中都是非常重要的。

圖2鋁制品的熱導(dǎo)率隨著散熱器制作工藝的不同而變化。

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　　計(jì)算流體力學(xué)

　　為了幫助確定恰當(dāng)?shù)臒崃抗芾矸桨福こ處焸兺ǔ?huì)使用專門的軟件來(lái)為產(chǎn)品及其熱特性建立模型。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)用來(lái)模擬產(chǎn)品的導(dǎo)熱特性，有限元分析(FEA)則用來(lái)檢查器件結(jié)構(gòu)的完整性。圖1示出了一個(gè)CFD分析的例子。在每個(gè)產(chǎn)品中，有著許多依賴于產(chǎn)品尺寸、形狀和應(yīng)用場(chǎng)合(例如室內(nèi)還是室外)的變量。通過(guò)將FEA和CFD的分析結(jié)果同這些變量相結(jié)合，就可能設(shè)計(jì)出成本效益最高的產(chǎn)品，既符合設(shè)計(jì)工程師的需求，也符合熱量工程師的要求。

　　歷史上，照明行業(yè)曾經(jīng)選擇了鋁作為熱量管理的材料。其可變因素是，鋁材要么是鑄造成型，要么是擠壓成型。然而，對(duì)LED來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)了新的熱性能挑戰(zhàn)，以及多種多樣的可能要求采用全新散熱方法的固態(tài)照明產(chǎn)品形狀參數(shù)。正因?yàn)槿绱?，照明行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始在某些熱量管理應(yīng)用中使用熱塑性塑料和石墨材料。

　　在本文的剩下部分里，我們將評(píng)審LED燈具中最常應(yīng)用的解決熱量管理難題的四種材料和制造工藝組合。它們是：·擠壓型鋁制品

　　·鑄造型鋁制品(Aluminum castings)

　　·注塑成型熱塑制品(Injection-molded thermo-plastics)，以及

　　·模壓石墨(molded graphite)

　　存在著一些特定的設(shè)計(jì)、應(yīng)用場(chǎng)合或者應(yīng)用環(huán)境，在那里上述四種材料/工藝組合中的任意一種都可以使用。

　　擠壓還是鑄造

　　擠壓鋁制品和鑄造鋁制品在LED熱量管理中是最經(jīng)常被用到的。在2012年，僅Sapa -家就為照明行業(yè)提供了數(shù)百萬(wàn)磅的擠壓鋁制品。這種增長(zhǎng)的動(dòng)力來(lái)源于其相對(duì)于鑄造鋁制品而言更好的熱效率、設(shè)計(jì)靈活性以及成本優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而說(shuō)明設(shè)計(jì)師們正逐漸發(fā)現(xiàn)鑄造鋁制品并非這些應(yīng)用的主流解決方案。

　　在照明業(yè)界使用的有幾種不同類型的鑄造方式。一種是小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合，比如定制的街道照明，這時(shí)可以采用砂模鑄造( sand-castings)。其他一些類型包括各類永久模鑄造制品( permanent-mold castings)，用于中等規(guī)模的場(chǎng)合，比如標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)或倉(cāng)庫(kù)照明應(yīng)用。此外，壓鑄(die castings)方法用于大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)合，例如通過(guò)零售商出售的各類照明燈具。

　　就關(guān)聯(lián)成本來(lái)說(shuō)，砂模鑄造的模具加工成本最低，其典型值在$5，000至$10，000之間，卻具有最高的計(jì)件價(jià)格(piece price)。永久模模具的典型價(jià)格范圍在$15，000至$30，000之間。砂模和永久模的計(jì)件價(jià)格高度依賴于其所要求的次級(jí)加工量。

　　與砂模及永久模相比，壓鑄工藝有較低的計(jì)件價(jià)格，且通常只需最少的次級(jí)加工量，但是模具制造成本最高，會(huì)達(dá)到$50，000至$100，000之間。注塑模具制模成本同壓鑄模的制模成本差不多。