一、引論

　　散熱問題被認為是LED照明燈中的一大技術難題，是LED燈光衰的根源。散熱成本也占了LED燈成本相當部分，散熱成了LED照明燈普及發展道路上的攔路虎。

　　散熱屬于傳熱中的一部分。人類對傳熱的研究已有上百年的歷史，上世紀60～70年代是人們對傳熱研究的頂峰時期，其主要動力是人類開發航空航天的需求。那時候傳熱技術領域聚集了許多優秀人才，有不少傳熱研究人員成為知名人士，之后人們對傳熱研究熱情逐漸減小，目前傳熱學及技術的專業人員非常少。傳熱學及技術現已非常成熟，就像成熟的果子掉到地上被樹葉遮蓋，很難被人們看見，以致當電子行業，主要是計算機中的CPU發熱量突然大增時，人們沒有去撥開地面上的樹葉，撿起那些熟透的果子，將人類成熟的傳熱知識應用到電子行業內，而是另起爐灶，創造出不少新名詞：“主動散熱”、“被動散熱”、“熱沉”等聽起來不知是什么意思，英文“Sink”在傳熱學及技術中也是非常罕見的名詞。

　　針對LED燈散熱，當前業內缺乏對整個傳熱流程中的每個傳熱過程清晰的研究結果。從LED結點到空氣與散熱片表面的對流（自然）傳熱，每個過程中的傳熱溫差（即熱阻）所占比例，哪個過程的溫差最大，以及影響每個傳熱過程的因素。如何降低其熱阻的技術方向更重要，尤其是熱阻最大的傳熱過程。使有了這些研究結果，還必須被結構工程師熟知，因為傳熱最終要通過結構來實現。

　　從傳熱學和技術來談，LED散熱并不復雜，只涉及到傳熱學中非常小的部分?導熱傳熱和對流傳熱（主要是空氣自然對流傳熱），其中導熱傳熱可利用現成的傳熱計算機軟件，得到非常準確的解，比如分析LED封裝芯片內的溫度分布（傳熱過程）；分析從LED芯片到散熱肋片的內部溫度分布。但是應特別注意，對于對流傳熱，凡涉及到空氣流動，必須通過大量的實驗研究。用計算機軟件計算，只有學術上的意義，沒有實際工程意義，因為誤差太大，目前還有不少公司熱衷推銷此類軟件。

　　導致LED散熱問題被復雜化的原因有：知識斷層，擁有成熟的傳熱知識的人員參與到LED散熱研究的甚少；缺乏專業的LED散熱研究機構，給行業內明確正確的指導思想；研討會非常之多，但學術氣氛少，商業味較濃。目前行業內的專業散熱技術人員，許多是從計算機散熱方面轉過來的，自然地將那方面常用的技術以及商業行為帶過來。比如，熱管技術被大量應用到大功率LED照明燈（比如路燈）中，給那些原來為計算機芯片散熱器服務的熱管廠商創造了新的商機，甚至還有提出采用回流式熱管。如果說LED燈散熱采用一般熱管像殺雞用了殺豬刀，那么采用回流式熱管就像殺雞舉起了宰牛刀。臺灣有一家公司發明的液態沉浸散熱技術，這種缺乏基本對流傳熱知識的發明，竟還獲得國際發明展金獎。國內也有類似的企業，并有一定的知名度，開發LED液冷散熱技術，稱已申請有30多項專利。這些受汽車水箱啟發的發明者，并不清楚汽車發動機采用水（液）冷技術的原因，水在散熱過程所起的作用。

　　自然對流散熱，無機械運動，可靠性高，成本低，自然為LED燈首選。本文將闡述自然對流散熱原理，最大散熱量以及優化設計的理念；論述LED燈散熱片的最佳應用結構?太陽花式散熱片，提出采用對流罩，利用煙囪效應強化提高散熱熱量。經大量的實驗及分析研究得到優化和強化，可實現每瓦散熱用鋁不到4克，散熱成本顯著降低，以后將不用考慮散熱成本。

　　二、自然對流散熱原理及優化

　　散熱過程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動（對流）將熱量帶走，散熱片的輻射傳熱所占的分量非常低，因而不予考慮�？諝饬鲃訋ё叩臒崃浚�即散熱量）Q：

　　Q=C_p·M·(T₂-T₁)

　　C_p——空氣的比熱，為定值

　　M——空氣流量

　　(T2-T1)——散熱片出口處空氣溫度T₂與進口處空氣溫度T₁的溫差，出口處空氣溫度T₂最高不超過散熱片的壁面溫度T_w，即（T₂-T₁）有最大可能的數值。

　　從公式（1）可以分析得出，最有效提高散熱量的方向是提高空氣流量。

　　自然對流傳熱過程中，驅動空氣流動的動力是空氣受熱溫度升高，比重下降而產生的浮力F：

　　（2）

　　g——重力加速度

　　ρ——空氣密度

　　V——散熱器的體積

　　T_O——環境大氣溫度

　　T_a——散熱器內的空氣溫度

　　空氣流經散熱片，散熱片產生的阻力ƒ：

　�。�3）

　　S——空氣流經的表面積，即散熱片的散熱面積

　　α——流動阻力系數，與散熱片的結構，空氣流動形式密切相關

　　u——空氣在散熱片內的流動速度，流速u越高空氣流量 也就越大。

　　散熱片的散熱量Q還應滿足以下公式：

　　（4）

　　H——對流傳熱系數

　　　（T_w-T_a）——散熱片壁面溫度T_w與散熱片內的空氣溫度T_a的差值，散熱片的溫度T_w受LED芯片結點溫度的限制。

　　以上四個公式約束著自然對流散熱過程，浮力F應等于流動阻力ƒ再加空氣動量增加（ ）。降低流動阻力ƒ，意味著空氣流速u₂增加（即流量M增加），以及浮力F要求下降。從公式（1）可以看出，流量M增加，有利于散熱量Q的提高，浮力F要求下降，從公式（2）可以分析得出，散熱片中的空氣溫度T_a可降低，又從公式（4）可以看出：有利散熱量Q的提高，這說明降低流動阻力，從各方面來講，都對散熱量Q提高有利。

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