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基于热声效应的灯光散热装置(3)

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表1 板叠材料热物性板叠材料热导率Ks/W·(m·K) 比热容cs/J/(kg·K)树脂 0.19 2000

聚酯薄膜 0.20 1134蜂窝陶瓷 1.5 850

（四）热端的设计及优化

热端是装置中重要的辅助散热部件，装置中设置的热端可以通过声能吸收板叠上的热量，再将热量转移到外界环境中去，起到疏导热量、避免过热、持续降温的作用。

1.热端的位置选择

热端位于板叠后侧，考虑到板叠的长度限制以及热端与板叠的间隙，热端中心放置在距谐振管底部122mm处。

2.热端的结构设计

热端及散热器由热端和四块相同的翅片散热器组成，其结构如下图组所示，四块散热器间隔90°围绕热端放置。

热端需要实现的功能是通过表面与空气接触将热量散失到空气中，此种空气散热效果取决于材料热辐射效率、散热面积、空气对流速度等。因此，一方面，散热器选择散热效果相对较好的铝块作为散热材料、另一方面需要加大与空气的接触面积，因此选择采用翅片结构。

图组4 热端和热端及散热器

（五）系统运行频率确定

热声制冷机系统为1/2波长驻波型热声系统，驻波管长度为λ/2，系统运行的频率可由式（6）给出

式中，f为系统的运行频率；c为声速，在温度为298K，一个标准大气压的环境下，c约为346.15m/s；L为驻波管管长，L =220mm。

得到f≈787Hz。

3.性能分析

使用ANSYS Workbench对灯内稳定工作状态进行分析，调用steady-State Thermal模块进行热稳态分析，导入灯具内部模型，设置各部分材料的传热系数，设灯具的内部生热载荷为7200W/m2，环境温度为298K，谐振管管壁与空气间的对流系数为12W/m2·℃，散热器与空气的对流系数为150 W/m2·℃，稳态时内部的温度分布如图组5所示。

图组5 装置工作时的温度分布

由图组5可知稳态工作时灯基板的温度约为41℃，板叠热端的温度约为56℃，在板叠两端产生了约15℃的温差，散热器温度高于室温9℃左右，证明此装置可以使灯具稳定地处于一个良好的工作温度。

四、节能效益分析

（一）成本估算

外壳以及谐振管由于壁厚大约在，可采用铝材冷挤压成型，其成本主要由模具、金属、后期加工费用组成，按照批量生产件来计算，可推算出单个装置中外壳以及谐振管的成本约为30元。

板叠、散热器由于形状较为复杂，可以采用注塑成型的加工方法，其成本主要由模具、金属以及后期的加工费用组成，按照批量生产件来计算，可推算出单个装置中板叠、冷端以及散热器的成本约为90元。

板叠材质为树脂，可以才用3D打印来进行制作，其成本约为30元。

板叠两侧的盖板可以才用亚克力切割完成，其成本大约为3元。

扬声器采用3瓦/4欧/直径40mm的小喇叭，其成本约为4元/个。

其他的控制芯片、电压转换芯片以及杜邦线、电源线等成本共约30元。

将上述成本相加后，即可得到装置整体的成本，约为187元。

本装置成本与现有面光灯的成本基本持平。

（二）节能效益分析

本装置采用热声制冷效应，将LED灯工作时产生的热量快速转移，保证LED灯的工作温度处于较低水平。根据资料显示，LED灯在温度适宜情况下的理论寿命一般为9万～10万小时，但如果其工作时产生的热量不能及时被转移，工作温度上升到顶点，其理论寿命会大幅下降，低于5万小时，若温度长时间处于较高水平，则其寿命会骤减甚至直接烧毁。使用常规散热的LED灯，由于散热效率较低，且在工作一段时间后，由于灰尘对散热装置造成堵塞，使散热进一步弱化。最终导致LED灯泡极为容易烧毁。使用本散热装置后，能够将LED的工作温度降低3-5℃，使LED灯处在适宜温度下工作。且使用本装置后，温度曲线较为平缓，一般不会出现峰值。

LED灯在适宜温度下工作的实际寿命约为理论寿命的20%，即2万小时左右，若工作温度处于较高水平，则其实际寿命会下降至1500小时左右。

在使用本装置后，不考虑其他因素影响（如电压不稳造成LED烧毁），LED灯的实际使用寿命可以达到2万小时以上。以一个面光灯套件为例，假设一个面光灯所使用的LED灯泡数量为20个，每天工作时间约为15小时。则使用普通散热装置其每年需要消耗的灯泡数为：

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