知識(shí)整合基礎(chǔ)上的半導(dǎo)體照明“原型創(chuàng)新”

唐林濤 周生力 單 峰

(1.清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院，北京 100084;2.廣東勤上光電股份有限公司研究院，廣東東莞 523565;3.廣東勤上光電股份有限公司北京分公司，北京 100000)

在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，理科、工科、人文、藝術(shù)，各個(gè)學(xué)科在自身的專業(yè)知識(shí)范圍內(nèi)越走越深，與此同時(shí)，也造成了無法沖破的學(xué)科壁壘。生活在專業(yè)孤島上的各類學(xué)家們解釋世界的能力有余，而創(chuàng)造世界的能力不足。21世紀(jì)人類面臨的新問題將無法在單獨(dú)的領(lǐng)域內(nèi)解決，而是必須經(jīng)由彼此相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)家、藝術(shù)家、工程師、設(shè)計(jì)師以及人文學(xué)者，在一個(gè)開放互動(dòng)的環(huán)境中共同解決。

設(shè)計(jì)是人類系統(tǒng)的、有目的的創(chuàng)造活動(dòng)，而不僅僅是輸出造型，或者制造形式美感，當(dāng)然更不應(yīng)該為銷售而制造視覺刺激。當(dāng)下中國(guó)設(shè)計(jì)界的發(fā)展頗為畸形，一方面是“蟻?zhàn)濉痹O(shè)計(jì)師們正在經(jīng)歷的“雷蒙羅維時(shí)代”，以形式制造、體力密集、服務(wù)性為特點(diǎn)的艱難生存，而另一方面則是國(guó)際“明星設(shè)計(jì)師”們的狂歡派對(duì)，以時(shí)尚、中國(guó)元素、個(gè)人主義等為標(biāo)簽異化著設(shè)計(jì)的本體。

基于上述的學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)的設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，本文將探討一條新的途徑，即“整合知識(shí)創(chuàng)新”，供設(shè)計(jì)師選擇。在本質(zhì)上設(shè)計(jì)是一門綜合的學(xué)問。真正的創(chuàng)新設(shè)計(jì)也是在整合各個(gè)學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)上展開的，它誕生于學(xué)科壁壘之間。因此，“整合知識(shí)創(chuàng)新”將成為未來一代的設(shè)計(jì)方法論。下面將通過“半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”實(shí)踐項(xiàng)目來詳細(xì)闡述這一觀點(diǎn)，論述方式將遵循“過程—理解—反思”這一邏輯關(guān)系遞進(jìn)。

1 過程

“半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”項(xiàng)目為L(zhǎng)ED龍頭企業(yè)廣東東莞勤上光電股份有限公司與清華美院、廣州美院、中國(guó)美院、中央美院四所國(guó)內(nèi)最知名的設(shè)計(jì)院校合作而展開的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目。試驗(yàn)性、研究型、前瞻性為該項(xiàng)目的特點(diǎn)，是建立在整合各個(gè)方面知識(shí)基礎(chǔ)上的，在技術(shù)與藝術(shù)完美結(jié)合的基礎(chǔ)上的，在人性與物質(zhì)性相互適應(yīng)的基礎(chǔ)上的，在制造可行性與環(huán)境友好性相協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上的。在項(xiàng)目展開之初，我們確定了基本的研發(fā)邏輯框架圖，如圖1。

圖1 研究邏輯圖

我們的方法可以表達(dá)為“通過研究做設(shè)計(jì)(design through research)①”或者“通過設(shè)計(jì)做研究(research through design)”，也就是說，“設(shè)計(jì)”與“研究”是一體兩面的。“Design Driven and research based”即“以研究為基礎(chǔ)，以設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)”。通過基礎(chǔ)性的研究，我們才找到了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方向與發(fā)力點(diǎn)，而通過具體的設(shè)計(jì)使得進(jìn)一步的研究更深入，更有針對(duì)性。

1.1 第一階段——基礎(chǔ)期

基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知:團(tuán)隊(duì)成員分工合作，分別對(duì)熱學(xué)、光學(xué)、照明工程、LED光源原理、人因、環(huán)境、心理、結(jié)構(gòu)、工藝、材料、各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)學(xué)習(xí)和整理。該部分工作的目的是掃除專業(yè)知識(shí)壁壘，在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前成為該領(lǐng)域的“準(zhǔn)專家”，減少在設(shè)計(jì)過程中的阻礙。同時(shí)，也為與各種專家的溝通建立了專業(yè)術(shù)語系統(tǒng)。

產(chǎn)品拆解分析:團(tuán)隊(duì)成員拆解了包括勤上產(chǎn)品在內(nèi)的很多燈具及配件。拆解不是目的，而是手段。拆解的過程同樣是學(xué)習(xí)的過程。所以拆解并不是初期才有的，在項(xiàng)目進(jìn)行的過程中，同樣伴隨著拆解。

研究與設(shè)計(jì):包括研究、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。研究看似是設(shè)計(jì)過程的初期階段。但事實(shí)上在“研究型實(shí)踐”的過程中，“研究”與“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”是一體兩面的，“研究”為“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”提供了方法和途徑，“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”為“研究”提供了對(duì)象和目的。在“研究”的基礎(chǔ)之上，我們進(jìn)行了初步的“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，基本的方向是:一次封裝、電熱分離與單元模組化。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的下一步是對(duì)設(shè)計(jì)的階段性成果進(jìn)行檢驗(yàn)。研究方向的提出是基于對(duì)產(chǎn)品問題的發(fā)現(xiàn)，一次封裝和單元模組化都是對(duì)整燈結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出的構(gòu)想，并由此我們提出將 DFMA(Design for manufacture and assembly)②的思想作為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一;電熱分離是針對(duì)散熱問題提出的，目的是減少熱傳導(dǎo)的層次從而提高散熱效率。散熱問題是目前LED照明產(chǎn)品亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對(duì)這幾個(gè)方向，我們開始思考解決方案，方式是通過制作“原型 (Prototype)”來實(shí)施的。其中，下面的方案完成度比較高，將三個(gè)研究方向全部涵蓋，并首次提出了蜂窩煤通風(fēng)散熱的構(gòu)想 (圖2)。

圖2 蜂窩煤的原理應(yīng)用于散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

檢驗(yàn)的過程包括實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)、測(cè)試、計(jì)算機(jī)模擬等，包括了單元模組化的防水試驗(yàn)，不同封裝結(jié)構(gòu)的散熱測(cè)試和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)散熱片進(jìn)行散熱的計(jì)算機(jī)模擬等。檢驗(yàn)的結(jié)果將直接反饋進(jìn)入下一輪研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，合理可行的設(shè)計(jì)想法將會(huì)被保留，不合理或不可行的將會(huì)被改良。由此形成研究型實(shí)踐的遞進(jìn)式良性循環(huán)。

第一階段總結(jié):該階段的研究是初步的，設(shè)計(jì)方向是模糊的，方案是概念化的，因此，該階段可以表述為“基礎(chǔ)期”。設(shè)計(jì)師進(jìn)入任何一個(gè)既有的領(lǐng)域，都要首先搞清楚設(shè)計(jì)對(duì)象“是什么”以及“為什么 (是這樣)”，然后才會(huì)知道“怎么樣 (進(jìn)行設(shè)計(jì))”。基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知和對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性分析是設(shè)計(jì)師進(jìn)入這個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域的敲門磚，這部分知識(shí)更偏重于“物質(zhì)性”。對(duì)于知識(shí)最快最好的理解方法就是使用知識(shí)，因此，“通過設(shè)計(jì)做研究”是我們這一階段的整體指導(dǎo)方法，這套方法指引著我們從門外漢變成準(zhǔn)專家，從而為真正的創(chuàng)新設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 第二階段——探索期

第一階段的研究使得我們進(jìn)入到了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，并找到了初步方向。為了擴(kuò)展研究思路，在持續(xù)對(duì)主線問題進(jìn)行思考研究的同時(shí)，我們開展了四個(gè)方向的照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)，分別是城市、辦公、商業(yè)和家庭。人在不同的環(huán)境下有不同的行為，則對(duì)“光”具有不同的需求。在半導(dǎo)體照明技術(shù)出現(xiàn)之前，人與光環(huán)境的關(guān)系就已經(jīng)存在了，不管是蠟燭，還是白熾燈、金鹵燈、熒光燈，設(shè)計(jì)的最終指向是合理、舒適、高效、美觀的人工光環(huán)境。因此，這一階段的研究工作也開始逐步轉(zhuǎn)向了“人性”的側(cè)面，更關(guān)注于人、環(huán)境、光三者之間的關(guān)系。

辦公照明:首先，團(tuán)隊(duì)內(nèi)的設(shè)計(jì)師閱讀了大量關(guān)于辦公照明規(guī)范的文章，并對(duì)一些大型寫字樓的辦公空間進(jìn)行了考察。根據(jù)LED的發(fā)光特點(diǎn)，我們將辦公照明設(shè)計(jì)的重點(diǎn)聚焦在照度選擇、眩光控制、布光方式這樣三個(gè)部分，并有意識(shí)地區(qū)分了普遍照明、區(qū)域照明與局部照明的不同，使得辦公空間內(nèi)的光環(huán)境可以依據(jù)人的行為需求而調(diào)節(jié)。

商業(yè)照明:人在商業(yè)空間中的行為決定了光如何應(yīng)用。與人的行為相關(guān)的因素非常復(fù)雜，如產(chǎn)品的種類、店面風(fēng)格、顧客的瀏覽路徑、顧客怎樣被重點(diǎn)產(chǎn)品吸引、商品的展示效果以及光對(duì)顧客造成的視覺影響等。從光的角度來看，主要通過對(duì)照度、色溫、照射角度、照射面積、眩光等的控制來實(shí)現(xiàn)空間照明設(shè)計(jì)。

第二階段總結(jié):此階段屬于全面的探索期，工作重點(diǎn)一方面在于人與光環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識(shí)與理解，另一方面在于創(chuàng)新思路的擴(kuò)展。通過對(duì)幾個(gè)方向的LED產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)，我們的觸角延伸到了室內(nèi)的商業(yè)、辦公與家庭環(huán)境內(nèi)，同時(shí)也加深了對(duì)LED光源應(yīng)用方面的理解。

在此階段，我們明確了設(shè)計(jì)應(yīng)該以“整體解決方案”為導(dǎo)向。區(qū)別于獨(dú)立的燈具設(shè)計(jì)，整體解決方案需要根據(jù)特定環(huán)境下人的需求提供系統(tǒng)化的照明方案，是品牌制造商對(duì)用戶需求的深層次把握。我們?cè)谶M(jìn)行三個(gè)室內(nèi)照明方向的設(shè)計(jì)時(shí)，也在盡力貫徹這一理念，在接下來的階段里，創(chuàng)新設(shè)計(jì)趨向于系統(tǒng)化。

我們認(rèn)真總結(jié)分析了勤上在照明領(lǐng)域應(yīng)該具備的優(yōu)勢(shì)是什么，為企業(yè)發(fā)展方向提供了一個(gè)戰(zhàn)略性參考:通過系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提升勤上在LED應(yīng)用與服務(wù)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。這意味著勤上將聚焦于半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的下游，在應(yīng)用上多做文章，而不是投入大量的資金在芯片研發(fā)、封裝等上游技術(shù)上，掌控龐大的LED應(yīng)用和服務(wù)市場(chǎng)，樹立產(chǎn)品與服務(wù)的品牌，在提升LED應(yīng)用和品牌服務(wù)附加值的同時(shí)，倒逼國(guó)外LED核心技術(shù)企業(yè)降低芯片價(jià)格。這是中國(guó)企業(yè)突圍的創(chuàng)新路徑。系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)正是讓企業(yè)掌控國(guó)內(nèi)LED應(yīng)用市場(chǎng)，建立服務(wù)品牌的基礎(chǔ) (圖3)。

圖3 系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)可提升LED應(yīng)用的附加價(jià)值

1.3 第三階段——突破期

在前兩個(gè)階段的知識(shí)積淀下，第三階段是一個(gè)全面的突破期，這是在與勤上合作一年后發(fā)生的。突破主要來自于兩個(gè)方面。首先是在宏觀上，我們梳理了如下的系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“樹狀關(guān)系圖”(圖4)。

圖4 系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“樹狀關(guān)系圖”

創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要在“人性 (藝術(shù)性)”與“物質(zhì)性 (科學(xué)性、技術(shù)性)”兩個(gè)側(cè)面的知識(shí)中汲取營(yíng)養(yǎng)，在整合這兩個(gè)方面知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而作為設(shè)計(jì)成果的果實(shí)也是針對(duì)不同光環(huán)境的系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)研究是基礎(chǔ)性的，需要咨詢各行各業(yè)的各種專家，這就如同樹根的功能，吸收各種知識(shí);創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程是在企業(yè)內(nèi)部發(fā)生的，也就是將各種知識(shí)進(jìn)行整合加工的過程，類似于樹干的功能，將養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)街θ~，而最終提供給用戶的系統(tǒng)化產(chǎn)品與服務(wù)就如同果實(shí)。豐碩甜美的果實(shí)來自于樹根吸收的養(yǎng)分，也來自于樹干的整合、運(yùn)輸與傳遞。因此，企業(yè)在關(guān)注創(chuàng)新成果的同時(shí)，更應(yīng)注重基礎(chǔ)研究與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的組織。

突破性的另一個(gè)方面在于具體的散熱設(shè)計(jì)方面。現(xiàn)有LED產(chǎn)品的散熱器存在“熱島”問題，即熱量并沒有充分與空氣熱交換;于是我們的突破口變成了由蜂窩煤原理引出的垂直對(duì)流散熱結(jié)構(gòu)，這是在第一階段就已經(jīng)出現(xiàn)的概念，但是我們到此才發(fā)現(xiàn)這個(gè)概念的重要意義。

垂直對(duì)流結(jié)構(gòu)的研發(fā)過程:概念不會(huì)憑空出現(xiàn)。垂直對(duì)流散熱的想法一方面基于前期對(duì)LED散熱問題的持續(xù)研究;另一方面在于設(shè)計(jì)師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的積累和想象力的發(fā)揮。在與清華大學(xué)熱能系柯道友教授的交流過程中，我們對(duì)散熱過程中的空氣流動(dòng)規(guī)律有了進(jìn)一步理解。傳統(tǒng)路燈的散熱片出現(xiàn)“熱島”效應(yīng)，即冷空氣無法補(bǔ)充到散熱片密集的縫隙中，熱量積聚在根部。如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)的散熱器

圖5 中傳統(tǒng)的散熱器僅僅根據(jù)熱源功率去推算表面積，而不考慮空氣的流動(dòng)性，因此造成了“熱島效應(yīng)”，即中間、根部的鰭片由于沒有空氣流動(dòng)而過熱。

設(shè)計(jì)中的直覺、靈感與頓悟來自于持續(xù)的思考，也來自于日常生活中的常識(shí)。常識(shí)中都蘊(yùn)含了最基本的科學(xué)原理。無論是蜂窩煤還是煙囪，其基本原理都是通過冷熱空氣之間的壓力差而加速空氣流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了燃燒速度的加大。在被動(dòng)散熱情況下(無風(fēng)扇或泵等)，改變空氣流動(dòng)方向，加大空氣流速，可以提高熱交換的效率。因此，我們還是回到了最初圖2的原型上來，依據(jù)蜂窩煤的原理，利用空氣自下而上的對(duì)流實(shí)現(xiàn)散熱目的。

從概念到最終的產(chǎn)品有很長(zhǎng)的路要走。基于此突破口，我們開始了一系列的構(gòu)想、分析、模擬與試驗(yàn)。最初設(shè)想將散熱片設(shè)計(jì)成流線型、沒有死角的“鐘乳石”結(jié)構(gòu)，空氣在流線型散熱片表面應(yīng)該會(huì)跑的更快，于是出現(xiàn)了下面的方案:每一個(gè)芯片四周是通氣的孔，每一個(gè)通氣孔的四周是四個(gè)芯片，這樣產(chǎn)生最大效率的空氣流通性，產(chǎn)生的熱量迅速與空氣熱交換。鐘乳石狀的雙曲面造型，既是合熱學(xué)的，又是合自然的，同時(shí)也是合美學(xué)的。而且，完全的曲面更有利于雨水沖刷，不積灰塵與鳥糞(圖6)。流線型對(duì)散熱的作用只是理論上的構(gòu)想，而實(shí)際效果必須通過測(cè)試。熱學(xué)工程師李文峰利用三維模型進(jìn)行了熱學(xué)模擬。經(jīng)過模擬測(cè)試，發(fā)現(xiàn)空氣的流動(dòng)規(guī)律和想象的不同，空氣遇熱迅速上升，無法碰到鐘乳石的頂端，如圖7。

圖6 根據(jù)蜂窩煤原理設(shè)計(jì)的路燈，流線型的鐘乳石形態(tài)

圖7 熱學(xué)模擬測(cè)試圖

圖7 中根據(jù)流速場(chǎng)與熱密度場(chǎng)的圖可以看出，該方案熱傳導(dǎo)性能很好，但是熱交換性能不好，空氣在鐘乳石表面的流速不高，未實(shí)現(xiàn)煙囪效應(yīng)的流速加快。

進(jìn)一步的改進(jìn)是將散熱片延伸到空氣流動(dòng)的空隙上，理論上應(yīng)該讓空氣更容易帶走熱量，如圖8。

圖8 將鰭片伸到空氣流動(dòng)的孔中間，可以加速熱交換

模擬測(cè)試結(jié)果證明，將散熱片延伸至空隙位的方式是正確的，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，我們又進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，包括三維模型和實(shí)體模型 (圖9)。

在這一階段路燈散熱模塊的研究中，我們充分理解并實(shí)踐垂直對(duì)流散熱的結(jié)構(gòu)，對(duì)路燈模塊散熱片的結(jié)構(gòu)以及組合方式進(jìn)行了大量研究，最終確定了如圖10所示的方案。在1∶1CNC加工出原型后，我們進(jìn)行了實(shí)際的熱測(cè)試。

圖9 應(yīng)用于熱學(xué)模擬與實(shí)際熱測(cè)試的原型結(jié)構(gòu)

圖10 熱成像圖

圖10 是模塊原型的熱成像圖，結(jié)果顯示，在將芯片功率從1W加大到3W情況下，散熱效果非常良好，在相同熱功率下，優(yōu)于現(xiàn)在的被動(dòng)式散熱器。

合乎科學(xué)原理的散熱結(jié)構(gòu)還需要合適的生產(chǎn)工藝去實(shí)現(xiàn)，如果工藝復(fù)雜、成本高則不符合DFMA原則，也就不是一個(gè)好的設(shè)計(jì)。因此，在這一階段，我們也開始整合結(jié)構(gòu)、材料與加工工藝方面的知識(shí)。一般的鋁散熱器大多采用拉伸的工藝，但是該工藝并不適用于蜂窩散熱的結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)的研究了鋁材的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、加工方式與基本模具原理以及價(jià)格等多方面知識(shí)后，我們最終選定了“冷擠壓”工藝。材料選擇為工業(yè)用純鋁，熱導(dǎo)系數(shù)(217.7w/mk)高于一般的鋁擠型散熱器 (6063為201w/mk)。表面噴涂黑色納米漆。黑色可增加輻射散熱功能，納米漆通過表面的微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了表面積的最大化。

如果一個(gè)設(shè)計(jì)方案不包含其實(shí)現(xiàn)方式的話，再好的想法也只是空中樓閣，這也是設(shè)計(jì)師知識(shí)結(jié)構(gòu)里非常重要的一個(gè)側(cè)面，因?yàn)闆]有工程師或者科學(xué)家能夠給予系統(tǒng)答案，他們只能是在某一個(gè)問題點(diǎn)上的助手，而全面的解決需要在設(shè)計(jì)師的大腦中構(gòu)建完成。

第三階段總結(jié):這個(gè)階段是我們的突破期，在城市、辦公、商業(yè)等領(lǐng)域都找到了突破口，特別是垂直對(duì)流散熱結(jié)構(gòu)的研發(fā)，為通用性的設(shè)計(jì)難題找到了解決方案。由于其合乎基本的物理學(xué)原理，垂直對(duì)流散熱的模式也必將成為未來的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些是硬性的成果。在軟性成果方面，“整合知識(shí)創(chuàng)新樹狀結(jié)構(gòu)”的梳理，更清晰了我們的研發(fā)組織結(jié)構(gòu)，也為未來“井噴式”的創(chuàng)新找到了路徑。接下來，在繼續(xù)完善以上三個(gè)方向設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們將研究領(lǐng)域延伸到家庭，酒店以及博物館、學(xué)校等方向。

此階段更深一步的感想是:提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案并非我們的主要目的，隨著研究的深入，完善半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，為企業(yè)建立長(zhǎng)期持久的創(chuàng)新機(jī)制，才是我們產(chǎn)學(xué)研工作的核心價(jià)值所在。

1.4 第四階段——完善期

第四階段是概念產(chǎn)品走向成熟的階段。垂直對(duì)流散熱的結(jié)構(gòu)終于實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。首先是路燈得到了完善。除了散熱結(jié)構(gòu)的最終確定，還包括了單元模數(shù)、電路結(jié)構(gòu)、透鏡及防水、電源模組等一系列的相關(guān)問題解決。“對(duì)流散熱”僅僅是一個(gè)突破口，它成功的融入到路燈的系統(tǒng)當(dāng)中，是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程。

此外，“垂直對(duì)流散熱”的結(jié)構(gòu)還被移植到了筒燈上。這一原理本身就是“原型創(chuàng)新”，它是可以被廣泛的擴(kuò)展為一個(gè)龐大的產(chǎn)品線。筒燈的測(cè)試結(jié)果證明，這一原理的移植是行之有效的。在人民大會(huì)堂項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，我們也是成功利用了垂直對(duì)流散熱的原理，設(shè)計(jì)出了滿足大會(huì)堂這種特殊環(huán)境要求的燈具。除了利用垂直對(duì)流散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)的幾款產(chǎn)品，我們還著力開發(fā)了一款強(qiáng)調(diào)LED可控性的“滑動(dòng)控制”燈。

“拉風(fēng)壹號(hào)”路燈的產(chǎn)品化:承接上一階段的研究結(jié)果，我們繼續(xù)將概念深入的產(chǎn)品化。首先，單元模塊的結(jié)構(gòu)經(jīng)過了多次的改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終確定了如下圖的結(jié)構(gòu)方式。模塊散熱器采用冷擠壓工藝加工。這種方式的確定也是設(shè)計(jì)師和制造商討論分析的結(jié)果，并且根據(jù)工藝狀況多次調(diào)整方案，其中既包括了可實(shí)現(xiàn)性，也包括了成本分析 (圖11)。

圖11 最終模塊設(shè)計(jì)爆炸圖

其次，整個(gè)路燈的結(jié)構(gòu)方案也經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，設(shè)計(jì)師和工程師進(jìn)行了多次討論并對(duì)方案反復(fù)修改，這是一個(gè)結(jié)構(gòu)與造型相互配合的過程。根據(jù)該路燈的產(chǎn)品特點(diǎn)，我們給它命名為“拉風(fēng)壹號(hào)”(圖12、圖13)。

圖12 “拉風(fēng)壹號(hào)”路燈整體結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖13 “拉風(fēng)壹號(hào)”路燈產(chǎn)品外觀

與勤上公司的上一代產(chǎn)品以及當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的其他廠商產(chǎn)品比較，拉風(fēng)壹號(hào)具有如下特點(diǎn):采用模塊化的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)芯片 (熱源)產(chǎn)生的熱量，先通過交叉型的鰭片導(dǎo)向模塊間的縫隙，并在模塊組合的情況下形成“煙囪”，從而使得空氣的上下流動(dòng)加快。這樣的結(jié)構(gòu)，使得每一個(gè)芯片的四周都是“煙囪”，而每一個(gè)“煙囪”的四周都是芯片，這樣形成了均勻分布的流速場(chǎng)和通風(fēng)量，消除了熱源周圍的“熱島”，實(shí)現(xiàn)了“被動(dòng)式散熱”的最優(yōu)。因此，在相同的出光能力下，拉風(fēng)壹號(hào)體積小、重量輕、散熱好、成本低。

最后，整燈結(jié)構(gòu)確定后進(jìn)行了樣品制作，并進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。結(jié)果證明我們的設(shè)計(jì)的確要優(yōu)于前代產(chǎn)品，并且用DFMA的原則來比較前代產(chǎn)品和最新設(shè)計(jì)，以實(shí)際數(shù)據(jù)證明了新設(shè)計(jì)的價(jià)值 (圖14)。

圖14 拉風(fēng)壹號(hào)的整燈熱測(cè)試結(jié)果

垂直對(duì)流散熱筒燈:路燈的初步產(chǎn)品化并不是唯一目的，我們所實(shí)踐的“原型創(chuàng)新”應(yīng)該像種子一樣盛開出各種花朵。所以在這一階段的工作中，我們還將垂直對(duì)流散熱的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到筒燈的應(yīng)用上。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明垂直對(duì)流散熱應(yīng)用在筒燈上也有極大的優(yōu)勢(shì)。20W以上的筒燈一直是LED照明的一個(gè)瓶頸，其關(guān)鍵就在于大的熱密度就需要更大體積的散熱器。在相同的規(guī)格尺寸下 (如4英寸、6英寸等)，采用垂直對(duì)流結(jié)構(gòu)方式，則可以承載更大的熱密度，也就為更大功率的芯片應(yīng)用于各種高照度要求環(huán)境掃除了障礙。此基礎(chǔ)上，我們將設(shè)計(jì)深化如圖15所示。

圖15 4英寸的筒燈可應(yīng)用48W的LED芯片，其散熱性能良好

除了作為一般筒燈安裝使用外，本產(chǎn)品的最大特點(diǎn)還在于能夠和室內(nèi)出風(fēng)口結(jié)合，利用已有的風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)，在不另外耗費(fèi)能源的情況下，變被動(dòng)式散熱為主動(dòng)式散熱，不但節(jié)省了室內(nèi)裝修成本，節(jié)約了能源，也加強(qiáng)了散熱效果 (圖16)。

圖16 主動(dòng)式散熱模型

圖16 中與室內(nèi)“新風(fēng)系統(tǒng)”相結(jié)合的筒燈，既是照明，也是出風(fēng)口，在不增加任何附加能源消耗的情況下實(shí)現(xiàn)了風(fēng)冷效果，變被動(dòng)式散熱為主動(dòng)式散熱。

2 原型創(chuàng)新

在維基百科的解釋上，“原型”即首創(chuàng)的模型，代表同一類型的人、物或觀念。古羅馬的拱或者中國(guó)的斗拱是個(gè)結(jié)構(gòu)原型，被多少代建筑師創(chuàng)造性的再次使用;四合院也是原型，其規(guī)模大可到王府甚至故宮;費(fèi)孝通從江村可以說整個(gè)中國(guó)的文化脈絡(luò)，那么江村就是文化原型;俄狄浦斯是古希臘的悲劇原型，我們還可以從現(xiàn)在的電影里發(fā)現(xiàn)，比如張藝謀的《滿城盡帶黃金甲》。

原型是具有基因編碼性質(zhì)的東西，也許是一種原理結(jié)構(gòu)，一種類型，甚至一種組織方式，或者觀念。如同蒲公英的種子，它是可以穿越時(shí)間與空間，傳播和落地發(fā)芽生根的。在半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中，垂直對(duì)流的散熱模式是一個(gè)符合科學(xué)原理的“結(jié)構(gòu)原型”，它可以應(yīng)用于路燈、筒燈、吊燈等等各種照明產(chǎn)品中。不管從“物質(zhì)性”的角度還是“人性”的角度出發(fā)，我們的原型創(chuàng)新都是一種“最初的創(chuàng)造”。從原理到結(jié)構(gòu)再到造型，從人的動(dòng)機(jī)到行為再到對(duì)象物的千變?nèi)f化，只有真正的“原型創(chuàng)新”才能賦予產(chǎn)品DNA的特性。

因此，我們也可以更深一步的理解， “原型創(chuàng)新”更是一種觀念，一種思維方法，一種工作方式，一條研究途徑，一種創(chuàng)新的組織模式，一個(gè)美好的學(xué)術(shù)愿景。

設(shè)計(jì)是一門強(qiáng)調(diào)組合的學(xué)問，因此，任何知識(shí)都可能成為“設(shè)計(jì)內(nèi)”的知識(shí)。在本項(xiàng)目中，蜂窩煤或者煙囪的知識(shí)來自于日常生活，屬于常識(shí)性知識(shí)，但是卻蘊(yùn)含了最基本的物理學(xué)。此外，冷擠壓的純鋁成型工藝、DFMA、電路的爬電距離、IP67的防水等級(jí)、PC透鏡的老化等等一系列知識(shí)，這些都是關(guān)于“物質(zhì)性”的知識(shí)，它們是相互關(guān)聯(lián)的;而人、光、環(huán)境、行為等側(cè)面，則屬于“人性”的知識(shí)。這些知識(shí)都需要在最終的產(chǎn)品中得以體現(xiàn)。因此，可以說設(shè)計(jì)整合的是“人”的知識(shí)系統(tǒng)與“物”的知識(shí)系統(tǒng)。

當(dāng)前，我們國(guó)家過分的強(qiáng)調(diào)科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新，而忽視了設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要性。設(shè)計(jì)是風(fēng)，科學(xué)技術(shù)則是蒲公英的種子，只有在風(fēng)的帶引下它們才會(huì)找到社會(huì)、人文的土壤，才會(huì)變成產(chǎn)品，生根發(fā)芽。因此，設(shè)計(jì)師的職責(zé)就在于打破專業(yè)壁壘，將各個(gè)學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通，創(chuàng)新出真正適合人類生活方式的產(chǎn)品。因此，創(chuàng)新的過程亦即知識(shí)整合的過程。

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