LED照明灯自然对流散热之优化与强化

1、LED照明灯自然对流散热之优化与强化本文简述了LED灯散热行业内问题，针对散热片中的自然对流传热进行详细的阐述，总结出最大散热量以及相对应的最佳散热片结构(尺寸)的结论，提出优化设计理念，并认为太阳花式散热片结构最合理，采用对流罩，利用烟囱效应，强化提高散热量。通过实验比较分析，本文优化计算设计的散热片，散热性能得到显著的提高，每瓦散热用铝不到4克，造价不到现产品的十分之一。总之，LED灯散热将不再是问题。一、引论散热问题被认为是LED照明灯中的一大技术难题，是LED灯光衰的根源。散热成本也占了LED灯成本相当部分，散热成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。散热属于传热中的一部分。人类对传热

2、的研究已有上百年的历史，上世纪6070年代是人们对传热研究的顶峰时期，其主要动力是人类开发航空航天的需求。那时候传热技术领域聚集了许多优秀人才，有不少传热研究人员成为知名人士，之后人们对传热研究热情逐渐减小，目前传热学及技术的专业人员非常少。传热学及技术现已非常成熟，就像成熟的果子掉到地上被树叶遮盖，很难被人们看见，以致当电子行业，主要是计算机中的CPU发热量突然大增时，人们没有去拨开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识应用到电子行业内，而是另起炉灶，创造出不少新名词：“主动散热”、“被动散热”、“热沉”等听起来不知是什么意思，英文“Sink”在传热学及技术中也是非常罕见的名

3、词。针对LED灯散热，当前业内缺乏对整个传热流程中的每个传热过程清晰的研究结果。从LED结点到空气与散热片表面的对流(自然)传热，每个过程中的传热温差(即热阻)所占比例，哪个过程的温差最大，以及影响每个传热过程的因素。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

4、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

5、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

6、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

7、升高，比重下降而产生的浮力F：g?重力加速度?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：S?空气流经的表面积，即散热片的散热面积?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应等于流动阻力再加空气动量增加(2 )(在下一节中有较详细的阐述)。降低流动阻力，意味着空气流速u

8、2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，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

9、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)

10、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。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

11、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(2 )同时，还要克服流动阻力。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

12、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

13、，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

14、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Ø86

15、mm，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T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Ø6mm(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

16、优化计算设计，采用了高为120mm的对流罩，散热片外径为Ø88mm，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Ø185mm，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