LED照明灯自然对流散热之优化与强化Word下载.doc
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如何降低其热阻的技术方向更重要，尤其是热阻最大的传热过程。
使有了这些研究结果，还必须被结构工程师熟知，因为传热最终要通过结构来实现。
从传热学和技术来谈，LED散热并不复杂，只涉及到传热学中非常小的部分?
导热传热和对流传热（主要是空气自然对流传热），其中导热传热可利用现成的传热计算机软件，得到非常准确的解，比如分析LED封装芯片内的温度分布（传热过程）;
分析从LED芯片到散热肋片的内部温度分布。
但是应特别注意，对于对流传热，凡涉及到空气流动，必须通过大量的实验研究。
用计算机软件计算，只有学术上的意义，没有实际工程意义，因为误差太大，目前还有不少公司热衷推销此类软件。
导致LED散热问题被复杂化的原因有：
知识断层，拥有成熟的传热知识的人员参与到LED散热研究的甚少;
缺乏专业的LED散热研究机构，给行业内明确正确的指导思想;
研讨会非常之多，但学术气氛少，商业味较浓。
目前行业内的专业散热技术人员，许多是从计算机散热方面转过来的，自然地将那方面常用的技术以及商业行为带过来。
比如，热管技术被大量应用到大功率LED照明灯（比如路灯）中，给那些原来为计算机芯片散热器服务的热管厂商创造了新的商机，甚至还有提出采用回流式热管。
如果说LED灯散热采用一般热管像杀鸡用了杀猪刀，那么采用回流式热管就像杀鸡举起了宰牛刀。
台湾有一家公司发明的液态沉浸散热技术，这种缺乏基本对流传热知识的发明，竟还获得国际发明展金奖。
国内也有类似的企业，并有一定的知名度，开发LED液冷散热技术，称已申请有30多项专利。
这些受汽车水箱启发的发明者，并不清楚汽车发动机采用水（液）冷技术的原因，水在散热过程所起的作用。
自然对流散热，无机械运动，可靠性高，成本低，自然为LED灯首选。
本文将阐述自然对流散热原理，最大散热量以及优化设计的理念;
论述LED灯散热片的最佳应用结构?
太阳花式散热片，提出采用对流罩，利用烟囱效应强化提高散热热量。
经大量的实验及分析研究得到优化和强化，可实现每瓦散热用铝不到4克，散热成本显著降低，以后将不用考虑散热成本。
二、自然对流散热原理及优化
散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动（对流）将热量带走，散热片的辐射传热所占的分量非常低，因而不予考虑。
空气流动带走的热量（即散热量）Q：
Cp?
?
空气的比热，为定值
M?
空气流量
（T2-T1）?
散热片出口处空气温度T2与进口处空气温度T1的温差，出口处空气温度T2最高不超过散热片的壁面温度Tw，即（T2-T1）有最大可能的数值。
从公式
（1）可以分析得出，最有效提高散热量的方向是提高空气流量。
自然对流传热过程中，驱动空气流动的动力是空气受热温度升高，比重下降而产生的浮力F：
g?
重力加速度
ρ?
空气密度
V?
散热器的体积
TO?
环境大气温度
Ta?
散热器内的空气温度
空气流经散热片，散热片产生的阻力ƒ：
S?
空气流经的表面积，即散热片的散热面积
α?
流动阻力系数，与散热片的结构，空气流动形式密切相关
u?
空气在散热片内的流动速度，流速u越高空气流量也就越大。
散热片的散热量Q还应满足以下公式：
h?
对流传热系数
（Tw?
Ta）?
散热片壁面温度Tw与散热片内的空气温度Ta的差值，散热片的温度Tw受LED芯片结点温度的限制。
以上四个公式约束着自然对流散热过程，浮力F应等于流动阻力ƒ再加空气动量增加（ρ2）（在下一节中有较详细的阐述）。
降低流动阻力ƒ，意味着空气流速u2增加（即流量M增加），以及浮力F要求下降。
从公式
（1）可以看出，流量M增加，有利于散热量Q的提高，浮力F要求下降，从公式
（2）可以分析得出，散热片中的空气温度Ta可降低，又从公式（4）可以看出：
有利散热量Q的提高，这说明降低流动阻力，从各方面来讲，都对散热量Q提高有利。
降低流动阻力系数α，能有效降低流动阻力。
当散热片的肋片，上下竖立设置，空气由下向上直接穿过散热片时，低温空气直接进入散热肋片，由公式（4），有利于对流传热，空气的流动方向与浮力方向一致，阻力最小。
因而散热片应设计成上下贯通的结构，避免空气弯曲流动，涡流出现。
依据公式（3），流动阻力与空气在散热片中的流速的平方成正比，因而降低流速能有效降低流动阻力。
增大空气在散热片中的流通面积，既能不减小空气流量M，又能降低流速。
太阳花式结构散热片，如图1所示，LED芯片将集中在中心导热柱截面上，不仅发热源（LED芯片）离散热肋片很近，导热柱内导热热阻小，而且LED芯片集中，所占的截面积小，即空气的有效流通面积大，因而有利于流动阻力减小。
这说明：
太阳花式结构的散热片，是LED灯散热的最佳结构。
从制造方面讲，采用铝挤出工艺，制造出太阳花铝型材，再裁切就成了散热片，可制造出各种外形的散热片，生产效率高，工序少，造价也就低。
由公式
（2）分析：
如果散热器的体积V一定，所占空间尺寸一定，散热器中的空气温度T提高，有利于提高浮力F，但从公式（4）得出，这不利于散热肋片与空气的对流传热（即散热）。
从公式（4）中分析，通过增加散热肋片数量（即肋片密度），来提高散热面积S，有利于提高散热量，但从公式（3）分析，却相应地提高了流动阻力ƒ。
以上分析说明：
在自然对流传热中，通过增加散热肋片密度（减小肋片之间的间隙）来增加散热面积，以达到提高散热量的目的，但存在着相反、矛盾的因素，因而散热量提高有限，甚至有可能得到降低散热量的相反结果。
可以得出结论：
当散热片所占空间尺寸一定时，存在最大自然对流散热量，相对应就有着最佳肋片结构（肋片密度），最大散热量与散热片的流通截面积成正比。
本文作者经过大量的实验证实了该结论，并总结出最佳肋片密度的计算经验公式，可以计算出优化的LED灯散热片。
三、自然对流散热强化提高
在散热片的上方设置对流罩，如图2、3所示，利用烟囱的抽吸原理，提高空气流经散热片的流量，来达到散热量的强化提高。
对流罩产生的抽吸力（即浮力），可以通过理论计算来分析，如图4所示，采用控制体积法来分析，根据控制体内动量平衡原理，可以推导出：
（5）
此说明：
抽吸力在增加空气的动量（ρ2）同时，还要克服流动阻力ƒ。
空气动量增加，意味着空气流量增加，由公式
（1）可得，有利散热量提高。
抽吸力与对流罩内的体积V成正比，提高对流罩内的空气温度，有助于提高抽吸力。
进一步的分析还可得出：
要有高的抽吸力，散热片应尽可能设置在对流罩最低端，散热片要紧奏。
根据以上得出的结论，对流罩的抽吸力与对流罩内的体积V成正比，因而对于某些情况下，比如由于装饰需要，灯具的高度尺寸有限制，可以通过增加截面积尺寸，达到同等的体积，同等的抽吸力。
在产品设计时，可以充分利用灯具上的灯罩作为对流罩，既有装饰作用，又有强化提高散热量的作用。
对于筒灯，自然地将灯筒设计成对流罩。
图5所示的LED路灯，散热片为10个等六边形太阳花式散热片，采用蜂窝型结构拼合成，设置有大尺寸的后壳，后壳顶开有通气孔，后壳就构成了对流罩。
对流罩竖立设置时，对流罩的抽吸作用最有效，散热片采用太阳花式，LED芯只能朝上或朝下，如图2、3所示。
要解决灯光平射问题，可采用如图6、7所示LED灯，对流罩采用透明材料制成，此时对流罩就是灯罩，LED芯朝上，对流罩内设置有反射镜，从LED芯发出的朝上的光线，经反射镜反射成平射，如果反射镜的反射角可调，就可调动光线的平射角。
对于隧道灯，或类似的照明灯，就可采用图6、7所示的结构。
灯芯：
太阳花式散热片被证明为最佳LED灯散热片，LED芯集中设置在导热柱的端面，具体结构如图8所示。
LED芯片焊接在铝（或铜）基板上，通过中心一颗螺钉（或螺栓）将基板固定在散热片的导热柱的端面（注意保证两接触面平整，接触紧密，并加有导热膏）;
通过导线（穿过导热柱）与电源连接;
还设置有灯芯罩。
其作用有：
保护LED芯片以及二次光学作用（比如散光或聚光等），特别是对于户外用的LED灯，防水密封非常重要，引出导线以及灯芯罩与基板之间采用密封胶封装，可得到可靠的防水密封，满足户外应用的要求。
基板和LED芯片、以及灯芯罩就构成独立发光模组，被称为灯芯。
灯芯可以设计制造成独立的系列标准部件（比如4W、6W、8W、12W、16W、20W），加上各种二次光学形式的灯芯罩，就可得到多种标准的灯芯，供用户选用。
这样将产生出专业生产制造灯芯的厂商，而灯具厂商则专心灯具的制造，只要满足散热要求，设计出各种各样造型的灯具满足民众的不同需求，形成分工合作的现代化工业产品的产业链，LED灯的成本及价格将迅速下降。
四、实验结果分析比较
图9是某厂现标称为20W的LED筒灯的散热片的照片，外形直径为Ø
86mm，高65mm，是采用铝挤出工艺制造的散热片型材，经多种机械加工工序才完成，净重250克，散热面S为0.1m2。
图10中的实验曲线B为该散热片的散热特性实验结果，纵坐标Q为散热功率，单位为W，实验采用电热片加热，从电功率仪读出发热量;
横坐标ΔT为散热片上的导热板（与铝基板相贴）的温度Tw（设置有5个电热偶）与环境空气温度TO的差。
图10中的曲线C为该散热片加设有冲孔的网罩的实验结果，孔网的规格为Ø
6mm（孔径）×
2mm（孔间隙），加设网罩，增加了空气的流动阻力，因而散热性能有明显下降。
图10中的实验曲线A为本文设计的散热片散热特性实验曲线，采用太阳花式铝材散热片，结构尺寸经优化计算设计，采用了高为120mm的对流罩，散热片外径为Ø
88mm，重为80克。
与曲线B比较可以看出，当∆T（Tw?
To）为30℃时，本文设计的散热片的散热量是现所示产品的1.5倍，可以计算得出，表面对流传热系数h提高了两倍，折算成每瓦散热用铝材为3.6克/瓦。
如果按LED灯实际发热量为17.5W计算，采用本文设计的散热片，温度可降低10℃之多。
本文设计的散热片成本也就是2元人民币多点（按25元/Kg挤铝型材计算），而现所示产品，要加30%之多的切削耗量，以及烦琐的机械切削工序，生产效率非常低，费用要达到近20元/件。
图11（a）是某厂现标称为60W的LED筒灯，外径为Ø
185mm，高为130mm，其散热片采用热管加肋片结构，图11（b）示出了其拆除冲孔网罩的内部结构。
图12中的散热特性曲线F和E分别为该散热片带网罩和无网罩的实验结果，比较两曲线可得：
网罩对散热量影响是明显的。
图12中的曲线D是采用本文的优化计算设计的散热器的散热特性曲线，是由7个等六边形太阳花式散热片拼装成的，最大外径为Ø
185mm，对流罩高为120mm。
与现产品比较（曲线F），散热量得到显著提高，当温度差∆T（Tw?
To）为25℃时，散热量提高了50%。
现产品（如图11（b）所示），采用热管，结构复杂，生产工序多，生产效率低，其造价需要100多元/件。
而本文设计的散热器，铝材重为285克，按25元/Kg计算，也就是7.5元/件，不到现图11所示产品的十分之一。
以上实验结果及分析比较说明：
本文提出的LED灯散热片技术方案，采用太阳花式散热片，经优化处理，散热成本显著下降，可以说：
LED灯散热将不是问题，不用再考虑其散热成本。
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