| 全新架构的LED路灯 迎接LED路灯的春天 | |
2010-12-20 13:34:12 中国半导体照明网 秦彪 博士 行业分类:其它 浏览 | |
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一、LED散热行业内问题 LED照明由于其节电、环保、长寿命，而被公认为下一带照明技术。但是，LED有70％之多的电能转化为热能，必须散热。虽然LED发光技术已有飞跃发展，有每瓦发光达200lm的报道，但LED散热却是LED照明中非常头痛的问题，成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。 阻碍LED照明应用普及的最大问题是LED灯价格高，价格高又是由于热的问题所致。又由于热的问题，使得当前LED路灯发展在死亡的边缘行走。 人类对传热的研究已有上百年的历史，传热学及技术已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被树叶遮盖，不被现在的人们看见，以致当电子行业，主要是计算机中的CPU发热量突然大增时，人们没有去拔开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识移植到电子行业内。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词。 从传热学和技术来谈，LED散热并非复杂，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），其中导热传热就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，而用计算机软件计算，只有学术上的意义，没有实际工程意义，因为误差太大。 导致LED散热简单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于到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。 目前行业内从业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似杀鸡用了杀猪刀，那么采用回流式热管就像似杀鸡举起了宰牛刀。台湾有一家公司发明有《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。这些受汽车水箱启发的发明创造者，并不清楚汽车发动机为什么采用水（液）冷技术的原因，水在散热过程所起的作用。 二、当前LED路灯问题
图1所示LED路灯是当前最典型、最普遍采用的结构：散热片裸露，大张的设有LED光源芯片的铝基板，贴装在散热片基板上（下方），再加前透明护罩。这种结构设计有如下问题： 1、传热设计原理问题 a、散热主要是自然对流传热，空气对流流经散热肋片将热量带走，因而空气对流畅通非常重要，自然对流是自下往上而流动，散热片应设计成让空气自下而上穿过散热肋片［1］ 。 但图1所示当前LED路灯的散热片，空气对流不畅，对流冷空气不易均匀地流经整个散热肋片，在散热片的中心处，空气温度高，散热效果差（表面对流传热系数低下），并且随着散热片外尺寸加大，其对流传热效果进一步恶化。散热片尺寸加大一倍，但其散热效果并不增加一倍，也就是说：图1所示结构的LED路灯，功率越大，其散热片尺寸必须加倍地增大。 b、散热肋片之间的间距没有优化。在自然对流散热过程中，不是一味地增加散热片面积（加密散热肋片间距），就能提高散热量，当肋片加密到某一值（最佳值）时，再增加，散热量反而下降。 以上问题所致的结果：散热效果低，LED结温高；散热片的尺寸大（即路灯尺寸大），重量沉（十多公斤），散热成本高居不下。 2、制造生产方面问题 a、散热片整体结构尺寸大，无论采用铝热压铸还是铝挤出成型，散热肋片的厚度不能薄（2mm以上），因而肋化效率非常低，散热用铝多，LED路灯重量沉，其中主要原因在此，散热成本也就高。 b、水密封问题，整体式，大尺寸增加了前透明保护罩与散热片基板之间水密封技术难度，密封的内室空腔大，又不能采用固化密封胶，水密封可靠性低，造价也高。 c、大尺寸的铝基板与散热片基板之间的接触传热可靠性问题。尺寸大了就不容易保证铝基板没有曲翘变形和凹变形，如果LED芯片正好在变形处，该处铝基板与散热片基板面之间的间隙加大，则就导致该处的LED芯片工作温度上升，该LED芯片可靠性下降。 3、电源散热及可靠性问题 a、电源裸露，就得采取水密封措施，为了保证电源板内元件，特别是电解电容散热，必须采取灌胶，全灌封工艺，电源成本升（20％左右），即使这样，电解电容的工作温度还是高，寿命减短，电源可靠降低。 b、电源安装在散热片的上方，电源的环境温度人为地提高（可达到50～60℃）。又影响可靠性。 4、整体式结构，一旦有故障，必须整体拆下，进工厂修理，维护困难。不容易形成通用模块标准，不符合现代化工业产品发展规范。 5、观念方面的问题 a、认为铝基板面积要大，设计成与散热片基板面积相当，这样不仅增加铝基板成本，还对散热带来负面影响，如前所述。 b、在户外，散热肋片表面铺有一层灰尘，认为是给散热片穿了一件棉袄，是导致当前LED路灯在户外工作一段后出故障的原因，这种错误的观念在有些发表的文章中都有。大家都知道空调室外机中的冷凝器就是一散热器，如果说由于户外灰尘的影响给现LED路灯的散热片穿了一件棉袄，那么空调室外机中的散热器就穿了十件棉袄，因为空调中的散热器的对流传热系数是十倍于现LED路灯中的散热片。其实灰尘对LED路灯散热片的影响非常小，分析可得出影响不超5％。 c、缺乏空气对流畅通对散热非常重要的理念。有一种LED路灯，在“裸体”式散热片外加了一亮丽外壳，殊不知这样的亮丽外衣就是一件厚厚的棉衣。而且外壳上只有少数的几个孔，根本不能保证空气对流。这样设计LED路灯，光衰死灯是必然的。 d、集中光源问题，图2所示的光源就是集中式光源，认为光源越集中越好，几十瓦不够，要上百瓦。本文不谈集中光源对配光带来的问题，只讨论散热方面问题。从散热这两字都应认识到散热要把热量分散开，集中光源带的问题有：
（1）、加大了集中光源芯片内的热流密度，则就加大了封装芯片内的导热热阻，本文作者有篇文章专门分析了该问题［2］，1个由9颗1X1mm的晶片，每颗一瓦，当9颗晶片之间间距加大到5mm时，结点温度可以降低5℃。 （2）、加大了散热片内的导热（或称热传输）距离，自然整个散热热阻增加。有些公司设计的LED路灯，采用热管技术来解决热传输长的问题，但采用热管的成本太高，这种热管散热器设计为典型CPU或GPU散热器结构，有许多不合理之处，比如热管上的散热肋片就没有尽可能展开，无空气对流畅通非常重要的理念。 e、迷信辐射传热、辐射散热涂料（纳米材料）。 还是以空调室外机中的散热器为例，没有听说过采用辐射涂料提高散热的产品（或例子）。空调技术非常成熟，为什么空调业界的研究人员、工程师没有想到这点，而被LED业界的发明家想到了。为什么这样，是因为辐射散热在我们所关心的应用中，所占的比例非常之小，可以不用关心。 另外基本的辐射传热知识分析［4］：理想的辐射体（黑体）的黑度（衡量物体辐射性能的基本参数）为1.0，而一般油漆（特别是黑色）黑度就可达到0.95，与理想黑体差也就是5％。采用纳米这种高科技（也是高价格）的东西，比一般的油漆，仅辐射散热也就最多提高5％。 三、全新架构的LED路灯
图4示出了本文提出的全新架构的LED路灯外观图，图5是打开上壳的视图。散热器由十个太阳花式散热片拼组构成，固定在下壳上，每个太阳花式散热片配有一个LED光模组，此称为灯芯，通过一颗螺栓固定在每个散热片上。图6示出了该灯芯（光模组）的设计视图。外壳由上下壳构成,在前端由一合页连接，外壳内分隔有独立的电源室，只需一螺丝刀就可便捷打开，顺利地拆装灯芯（光模组）和电源。本文所提出的LED路灯不仅外形美观，结构也非常简单。
本文的LED路灯的特点： 1、采用最佳散热片结构—太阳花式散热片［1，3］。
图7所示的太阳花式散热片：a、肋化效率高，有利于减少铝材用量；b、空气流通截面积大，有利于减小空气流动阻力，有利于提高空气流量，提高散热量；c、发热的芯片热源离散热肋片距离近，即散热片内的导热（热传输）距离近，则散热片内导热热阻低；d、容易加工制造，采用铝挤出成形，再裁切而成，加工成本低。 因而太阳花式散热片为LED照明灯的最佳散热结构。 2、最大散热优化及强化设计 经理论分析及实验证实：当散热片所占空间尺寸一定时，存在一最大自然对流散热量，相对应就有着最佳肋片尺寸，最大散热量与散热片的流通面积成正比［1，3］。 散热片结构尺寸经优化设计，散热量为该尺寸下最大，并利用外壳作为对流罩，利用烟囱抽吸原理，提高空气流量，强化提高散热量。完全可以确保铝基板温度与环境空气温度之差不超过30℃，根据需要还可以更低。有效控制和降低LED芯片结点温度。 3、模块标准化，解决了现场便捷地拆装维护问题
如图8、9所示，松动三颗螺钉就可拆换灯芯，松动十六颗螺钉就颗拆换电源。只用螺丝刀，就可现场完成灯芯的拆装维护工作，解决了LED路灯的维护问题，这是目前LED路灯维护的难题。将来灯芯（光模组）实现通用标准化，路政维护部门可选用不同厂商的灯芯。
4、配光容易，IP级防水，结构简单可靠 每组灯芯＋散热片都是独立的，通过调整每个太阳花式散热片的安装角就调整每个灯芯的灯光照射角，如图10所示，实现所需路面照度分布，即配光容易；防水在灯芯中完成，只要铝基板与灯芯罩以及导线的密封要好即可，采用密封胶可完成，这样结构简单可靠，如图6所示。 5、独立的电源室，保证电源可靠 有了独立的电源室，电源的环境不受LED灯发热的影响，环境温度低，有外壳的保护、防水，电源可设计成开放式，电源中的元件工作温度低，特别有利于电解电容的寿命，保证电源可靠。 6、造价低，尺寸小，重量轻 散热量最大优化设计＋强化散热，大大地减了路灯尺寸大小、重量、成本。120W路灯可减到不到两公斤，外形尺寸仅为460×244×160（单位：毫米），每瓦散热用铝不到4克； 7、风阻和空气动力作用力小 流线形外形，风阻则小；中间是上下通透，则大风时不会产生大的空气动力作用力。 8、流线形造型，美观大方 造价分析： 以功率为120W LED路灯为例。 （1）、外壳套件（包括有散热片）出厂售价定为：200元人民币（含丰厚的利润，本公司将有出售）； 以上三项加起来，共计：1300元人民币，再加拧装20余个螺钉的费用，再加想要的利润就是一台120W LED路灯的售价。并且该LED路灯拥有许多现有LED路灯不具有，但又必须的功能特点，现LED路灯无论从价格和性能上，都不能与之相比。 四、结束语 道路照明，时间长，范围广，被首选为LED照明应用对象。但户外道路，刮风下雨，冰天雪地，环境恶劣，也就是说，LED照明首选了一个最难搞定的对象，使得当前大部分LED路灯公司赔了不少银子，感到眼前的希望渺茫。 本文提出的LED路灯全新架构，解决了散热、防水密封以及维护等LED路灯的关键问题。价格是当前LED路灯代替钠灯的障碍，但从本文上述造价分析，其所述的三项出厂售价还有一半的降价空间。可以说LED路灯的售价，将完全可以低于现钠灯的售价，时间也就是在2012年。 明年（2011年）的春天将是LED路灯的春天。 参考文献： 作者简介：秦彪，清华大学热能系87级博士，主向为能源及环保，传热学及技术是其专业基础，早在85年第一项专利申请就是传热产品。从2006年开始关注计算机散热，申请并获得多系列有关CPU散热的专利，2008年开始研发LED散热，已有系列专利申请，涵盖LED灯具散热、芯片封装、模块标准化，将成熟的先进传热技术引入电子芯片散热领域，将对整个行业产生深远影响。 敬告：本文公开的技术方案涉及到专利知识产权，请务必得到许可，方可使用。 | |
