出纳外勤岗位职责:浅析金属蜂窝散热结构在LED灯具上的应用

摘要：散热器作为功率型LED照明设备的必要部件而受到极大的重视。由多孔材料衍生出的金属蜂窝结构有其独特的散热优势。本文研究了六角蜂窝结构高径比、蜂腔流道表面发射率以及蜂腔倾斜度三个参数对该结构散热性能的影响，并根据分析结果设计了相应的组合金属蜂窝散热器，当其与传统太阳花散热器进行比较时，的确表现出同样良好的散热特性，这样其在质量轻巧和外形的可设计性方面则显现出明显优势。因此，以蜂窝为依托的散热结构设计在LED灯具上的应用将会有着很大的舞台和发展空间。
关键词：蜂窝结构  换热特性  LED灯具
Abstract:  Heat sink is highlighted for special attention as a necessary part of power LED luminary. The metal cellular structure derived from porous material has its own unique cooling advantages. In this paper, the influence the three parameters of hexagonal honeycomb structure would make on heat dispersion will be considered. The parameters include aspect ratio, surface emissivity and obliquity of channels. According to the analytic result, corresponding assembled honeycomb was designed to make a contrast with traditional sunflower cooler. It approved that the former owned the similar good thermal characteristic. Then the advantages of it both in the weight and the appearance become so attractive. Therefore, there must be a big stage for the thermal structure design based on honeycomb in the application of LED lighting.
Key words: honeycomb structure, heat exchange characteristic, LED lamp
引言
LED作为第四代绿色照明光源已被广泛应用于显示和照明系统，但由于其光电转换效率较低，大部分的电能实际转化成了热量，因此提高散热性能成为了大功率LED实现产业化亟需攻克的技术瓶颈。另一方面，为满足照明设备光输出的要求，现今多采用LED光源模组进行设计，从而造成了LED密集度较大，而对于接近80%能量转化成热能的LED来说，在其工作时，将产生大量的热量。若不能将这部分热量在较短的时间内行之有效的耗散，则会带来芯片结温上升，影响器件的内量子效率以及稳定性，缩短使用寿命[1]。而这些则直接表现为LED灯具在光、电、色等方面出现的问题。因此，对于散热结构的分析和优化就变得极其关键。
散热器使用现状
LED灯具散热方案主要集中在风扇主动式散热、鳍片自然散热、热管散热。鉴于风扇的可靠性问题，热管在造型上的限制，大多数的LED灯具都还是选择了被动式散热的方式。从而工作的重点也就集中在控制重量的同时将散热面积最大化。根据散热的三种方式，在导热式散热方面，良好的接触面、良好的导热材料、以及良好的固定方式和散热片的形状都影响着散热器的散热性能；而在对流散热方面，自然对流和强制对流都有各自施展的舞台，自然对流多注重于散热通道与热流的流通吻合度，而强制对流则多把重点放在风扇间的排布或者是风扇与散热孔和散热片分隔的通道间的排布；而提及辐射散热方式，则多集中于对散热器表面进行粗化处理，例如表面喷砂和喷涂等。
散热鳍片则是热管理技术里增加散热面积最常见也是最基本的方式。随着电子器件发热密度愈渐增加，散热的需求日益增加，散热器的应用在有限空间的限制下，有着愈渐走向极限的趋势。在有限的空间内，散热面积并不能无限制的增大，同时还需要考虑到重量和制程工艺的问题，因此，则需要尝试从其他途径出发继续优化其散热性能[2]。设计有效的冷却系统，志在使器件内部的最大温度不超过所要求的水平，以使器件能够正常工作。在LED应用方面，芯片结温则是一个关键的核心指标。当设置对流散热结构受到空间限制时，传导成为有效散热的主要措施。即设计有效的导热结构，以便热能够快速被传递，然后配合对流等散热技术实现热量的耗散。
蜂窝结构之优势
多孔材料是近年来随着多样化需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料。它一方面具有承载所需要高比强度、高比刚度，另一方面具有散热、隔热、吸能、降噪等功能，因此超轻多功能结构的研究是目前的研究热点，同时也代表着未来的发展方向。受多孔材料的启发，蜂窝结构也因其良好的承载和散热性受到了重视。
蜂窝结构和多孔结构在性能上它们有许多的共性。当然，由于蜂窝结构的孔的形貌较为规则、排布有序性强，而相对来说泡沫材料的孔尺寸和孔结构可能在很大范围内是无序分布(主要指金属泡沫，聚合物泡沫的孔结构分布规则得多)，所以在很多性能上和研究手法上它们各有不同。
金属蜂窝结构具有良好的比刚度和比强度，同时由于它拥有较好的单向流通性，可以使较大流速流体通过时仍能维持层流，尽管层流热交换系数比同样情况下的湍流热交换系数低，但也由于金属蜂窝较大的面积密度、允许通过高速流体和超强的可设计性等诸多优点，使其在散热结构设计领域中有着举足轻重的地位和应用前景。
关于蜂窝结构散热性能的研究，近些年来得到了许多国际知名学者的重视。这是因为蜂窝散热结构背景很强，包括电子工业和航空航天业关键部件的主动热控技术、化工工业催化剂载体的等温控制技术、汽车工业的尾气催化以及动力、冶金、轻工等工业部门得到大量应用的紧凑式换热器等。不同学者所基于的物理模型非常类似，基本上都是蜂窝结构在一个热环境下工作，通过流经结构的冷却流体与蜂窝壁面的对流换热使蜂窝冷却;或反之，流体的温度较高而整个蜂窝结构浸入在一个冷环境中。研究目的是寻求合理的蜂窝类型和蜂窝排布，使总的热交换量最大化，同时尽量减少用于克服流体在散热设元件流道内的阻力所耗费的机械功率[3]。蜂窝散热结构设计中定义了一个概念——散热效率，用以表征蜂窝散热结构设计的优劣。散热效率因子越高代表蜂窝散热结构设计越优，设计者一方面可以通过提高散热量来提高散热效率，另一方面也可以通过降低流体在流道内的阻力损耗达到提高散热效率的目的。本文则主要分析影响蜂窝热稳态热性能的几何参数，同时对比了通过几何参数优化设计出的蜂窝散热器结构与传统太阳花散热器结构在散热性能方面的表现。
六角蜂窝结构几何参数研究
蜂窝侧壁面导热和蜂窝内表面间辐射换热是金属蜂窝内热量传递的主要方式。
以正六角蜂窝结构单元（图1）作为研究对象，其热性能用当量导热系数（Equibalent thermal conductivity，ETC）来表征[4]。根据Fourier定律，当量导热系数为：                   (1)
式中，ΔT为上下面板间温度差，Q为上下表面间总换热量。
4.1 高径比对λeq的影响研究
在单位面积蜂窝重量不变的前提下，我们研究了蜂窝高径比η=h/d对蜂窝当量导热系数的影响。从图2中可以看出，在所研究的温度范围内，随着高径比减少，蜂窝当量导热系数在增大。同时温度越高，这种变化越明显。这是由于随着高径比η的增大，上下表面间角系数减小，辐射换热量减小。此外，高径比增加，必然导致蜂窝壁面厚度减小，蜂窝导热面积变小，从而使蜂窝内导热减弱。因此，减小蜂窝高径比既可提高辐射热流量，也可增强壁面导热，是提高当量导热系数一个有效途径。
4.2 蜂腔发射率对λeq的影响研究
蜂腔流道的表面发射率也是影响当量导热系数的一个因素。随着发射率的提高，当量导热系数明显增大，并且随着温度升高愈加明显。若要提高蜂窝的有效导热系数，则可提高蜂腔壁的表面辐射率。
4.3 蜂腔倾斜度对λeq的影响研究
采用以下关联式可以对蜂窝结构内自然对流影响进行初步估算
  (2)
式中，Ra数统一定义为:Ra=gβΔTh3/(αυ)。式中:g=9.8m/s2,ΔT为上下面板温差;α是空气热扩散系数;θ为蜂窝轴线与垂直方向夹角;为运动粘性系数.。在倾斜30。时最容易发生导热向自然对流转变[5]。计算中所对应的不同Ra数是通过改变蜂窝高度h得到。 
蜂窝模型建立和分析
结合以上的计算结果，我们自行设计了在相应几何参数上进行优化的金属蜂窝结构的散热器（图4）。采用计算流体力学有限体积法进行模拟计算，比较了该设计与传统太阳花散热器（图5）在热处理方面的表现。
该结构采用了组合蜂窝结构，集合了多种不同的几何图形组合后构成了不同的通道和通风孔。设计的前提是保证蜂窝结构散热器与太阳花散热器在使用热源、重量、材质以及外观尺寸方面保持一致，再对它们的散热性能进行比较。
通过对二者的热学模拟，其温度表现见表1.从二者的温度分布云图（图6）可以看出，蜂窝结构有着同样良好的散热表现，这也证实了蜂窝结构在热处理方面可以同传统散热表现优秀的太阳花媲美，然而蜂窝结构还具有质量轻巧和设计自由度高的优势，这将给灯具设计者留下更多的发挥空间，可以在重量和外形上进一步寻求设计上的最优点。
表1 测试点温度对比
Weight[g] T-sp [°C] T-fin [°C]
Modle 1-Honeycomb 　190.37 49.57095075 44.98548201
Modle 2-sunflower 　193.72 49.94274501 47.80050169

前景展望
金属蜂窝结构具有较大的单位体积流固界面的面积、通道可以承受通过高速流体以及很强的可设计性等诸多优点，使其在散热结构件设计领域有着广泛的适用性。也正因为它的可设计性，组合蜂窝应运而生。图6则是几种简单的二维组合蜂窝结构。
传统的蜂窝结构是单一的多胞结构，而鉴于功能方面的需求，组合蜂窝则在传统蜂窝的基础上更富灵活性和艺术性。本文中设计的结构也正是组合蜂窝结构的一个简单尝试，根据不同功能的应用，组合蜂窝就如排列组合般具有千变万化的可能，在二维和三维结构中都将有无限的设计和应用空间。而散热器的功能以及设计感的提升，也将给予LED照明产业一个不小的震撼和鼓舞。
参考文献：
[1]刘一兵.GaN基蓝光LED关键技术进展[D].湖南大学：湖南大学，2008
[2]刘鹏.超轻多孔材料及电子设备散热性能分析与设计[D].大连理工大学：大连理工大学，2007
[3]王博.更我结构多功能优化设计[D].大连理工大学：大连理工大学，2007
[4]李东辉，夏新林.金属蜂窝结构的稳态热性能[J].工程热物理学报，2008，第29卷第12期：2094
[5]董葳，范绪箕.热防护系统中六角蜂窝腔内的流动换热研究[J].空气动力学学报，2005，第23卷第4期：496
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