（机械电子工程专业论文）大功率led灯具散热器设计.pdf

学位论文数据集 中图分类号学科分类号 0 8 0 2 0 2 t h l l 论文编号密级公开 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 9 5 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名韩月学号 2 0 0 9 0 0 0 6 9 5 获学位专业名称机械电子工程获学位专业代码 4 3 0 1 0 2 课题来源主管部门( 部委级) 项目研究方向聚合物微纳制造 论文题目大功率l e d 灯具散热器设计 l e d ，聚合物微换热器，高导热聚合物，微型散热器，复合式散热器，散热 关键词测试系统 论文答辩日期 2 0 1 2 0 5 2 5 论文类型开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张亚军教授北京化工大学 机械控制和塑料机械 评阅人1吴大鸣教授北京化工大学 聚合物工程 评阅人2刘颖副教授北京化工大学 聚合物工程 懒员蝴李培杰教授清华大学轻金属材料的研究与开发 答辩委员会：主席杨卫民教授北京化工大学 高分子材料加工 答辩委员1 谢鹏程副研究员北京化工大学 高分子材料先进制造 答辩委员2 杨于光副教授北京化工大学 塑料机械 答辩委员3 丁玉梅副研究员北京化工大学 聚合物加工原理及设备 答辩委员4 马秀清副教授北京化工大学 聚合物加工原理及设备 答辩委员5 李翱讲师北京化工大学 聚合物成型装备及数值计算 答辩委员6 何红副教授北京化工大学 聚合物加工过程理论及设备 答辩委员7 毕超副教授北京化工大学 橡塑装备研究 答辫委员8 党开放讲师北京化工大学 机电系统控制理论 答辩委员9 关昌峰研究员北京化工大学 化工过程及装备 答辩委员1 0 摘要 大功率l e d 灯具散热器设计 摘要 大功率半导体( l e d ) 照明的散热问题一直是阻碍其发展的瓶颈问题 之一。为了解决这个难题，本课题提出了一种新型的灯具封装结构和一种 复合式散热器，该散热器结合了金属导热快，聚合物易于制作复杂的表面 微结构，增加散热面积等特点，提高了散热能力。本文研究内容如下： 1 大功率l e d 球泡灯散热器设计。本文创新性的提出了一种新型的 芯片和灯具的封装结构，采用金属芯片基柱与聚合物散热外壳的结构组合 式换热器，减小了芯片与外壳连接的接触热阻，充分利用金属导热快，聚 合物外壳散热快的特点，有效地解决了功率为3 w 和7 w 的l e d 球泡灯 的散热问题。通过数值模拟对散热器结构进行了优化设计，仿真结果证明 了其结构有效性。 2 针对集成式大功率l e d 路灯的特点，设计了一种聚合物散热器， 对翅片厚度、长度、高度等几何参数，以及表面辐射率和热导率对散热器 性能的影响进行了研究，总结了各因素对散热性能影响的规律，并利用正 交试验分析法进行了多因素研究，并得到了优化后的散热模型，经过数值 模拟发现其能够满足1 0 0 wl e d 路灯的散热要求，并具有成本低、轻便、 抗腐蚀等优点。 3 大功率电子器件的聚合物微通道板式散热器设计。该散热器创新性 的采用聚合物与金属结合的形式，并采用宽度为0 3 m m 的微通道作为主 t 北京化工大学硕士学位论文 要散热结构，该结构能够有效的增加相同外形尺寸的散热器的换热面积。 通过优化设计分析了影响其散热效果的因素，并得到了优化结构。利用聚 合物微注塑加工方法制作了散热器样品。 4 对大功率芯片散热器测试试验系统设计。该系统可以提供稳定的 冷却介质，可对实验中需要的数据进行测量、显示及储存，能够实现对 l e d 芯片的控制。利用上述散热测试系统对所加工的散热器进行测试， 结果显示该散热器具有很好的散热性能。 本文的创新点有： 1 提出了新型的灯具封装结构，采用芯片基柱与散热外壳连接的形 式，有效的减少接触热阻，充分利用金属导热快，聚合物散热快的优点。 2 提出了金属与聚合物复合式的微结构散热器，微结构大幅的增加了 换热面积，金属有效的提高了导热速率，强化了散热能力。 关键词：l e d ，聚合物微换热器，高导热聚合物，微型散热器，复合 式散热器，散热测试系统 i i a b s t r a c t d e s i g no f t h er a d i a t o r sf o rh i g hp o w e rl e d l a m p s a b s t r a c t t h eh e a ti s s u eo fh i g h p o w e rl e dl a m pi so n eo ft h eb o t t l e n e c k p r o b l e m st h a th i n d e ri t sd e v e l o p m e n t t os o l v et h i sp r o b l e m ，an e wp a c k a g e s t r u c t u r ea n dac o m p o s i t er a d i a t o ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ec h a r a c t e ro f t h er a d i a t o ri n c l u d e sm e t a la n d p o l y m e r t h e m e t a lh a s h i g h h e a t t r a n s f e re f f i c i e n c ya n dt h ep o l y m e rw h i c hi se a s yt om a k em i c r os t r u c t u r eo n t h es u r f a c e ，a n dl e a dt ol a r g ec o o l i n ga r e a s t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri s g i v e na sf o l l o w s ： 1 ar a d i a t o rf o rh i g h p o w e rl e db u l bi sd e s i g n e d ，a n dt h eo p t i m i z e d s t r u c t u r ei so b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s a n dan e wt y p eo fp a c k a g e s t r u c t u r ew i t hl e dc h i p sa n dt h er a d i a t o ri sd e s i g n e dw h i c hc o m b i n e sm e t a l a n dt h e r m a lp o l y m e r t h e r e b yt h ec o n t a c tr e s i s t a n c eo fc h i pa n dr a d i a t o rs h e l l i sr e d u c e d 2 ar a d i a t o rm a d eo f p o l y m e rf o ri n t e g r a t e dh i g h p o w e rl e ds t r e e t l a m p si sd e s i g n e d ，a n dt h eg e n e r a ll a w sb e t w e e ns i n g l ef a c t o ra n dt h ec o o l i n g p e r f o r m a n c eo ft h er a d i a t o ra r ea c q u i r e d t h ef a c t o r si n c l u d e t h ef i nh e i g h t ，f i n l e n g t ha n df i nt h i c k n e s s a n dt h em u l t i f a c t o r sa r es t u d i e db yu s i n go r t h o g o n a l e x p e r i m e n t m e t h o dt o o p t i m i z e t h es t r u c t u r e t h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h er a d i a t o rd e s i g n e dm e e t st h ec o o l i n gr e q u i r e m e n t so f i i i 北京化工大学硕士学位论文 10 0 wl e ds t r e e tl a m p ，a n di ti sl i g h t w e i g h t ，c o r r o s i o n - r e s i s t a n ta n dl w oc o s t 3 ap o l y m e rm i c r oc h a n n e lp l a t er a d i a t o ri sd e s i g n e df o rh i g h 。p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s t h ew i d t ho ft h em i c r o c h a n n e li so 3 m mw h i c hi n c r e a s e s t h ec o o l i n ga r e ao ft h er a d i a t o r t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ei s o b t a i n e db y a n a l y z i n gt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h et h e r m a lp e r f o r m a n c e t h et e s ts a m p l e sa r e m a d eb yp o l y m e rm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g 4 a ne x p e r i m e n t s y s t e mi sd e s i g n e d t h e f u n c t i o n si n c l u d et h e p r o g r a m m a b l ec o n t r o lo f l e d c h i p s ，p r o v i d i n go f c o n t i n u o u sc o o l i n gm e d i u m f o rt h ee x c h a n g e ra sw h i l ea st h em e a s u r e m e n ta n ds t o r a g eo ft h en e e d e dd a t a t h em i c r o c h a n n e lh e a tr a d i a t o ri st e s t e dw i t ht h i se x p e r i m e n ts y s t e m ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er a d i a t o rh a sag o o dt h e r m a lp e r f o r m a n c e t h ei n n o v a t i o n so ft h i sp a p e ra r e ： 1 an e wl i g h tp a c k a g es t r u c t u r ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , t h ec o n n e c t i o n o ft h ec h i pc o r n e r s t o n ea n dt h er a d i a t o rs h e l lr e d u c e st h ec o n t a c tr e s i s t a n c e e f f e c t i v e l y a m e t a l - p o l y m e rc o m p o s i t em i c r o c h a n n e l r a d i a t o ri s p r o p o s e d t h em i c r oc h a n n e l so nt h es u r f a c ei n c r e a s et h eh e a tt r a n s f e ra r e a sa n dt h e m e t a li m p r o v e st h e h e a tc o n d u c t i o nr a t e k e y w o r d s ：l e d ，p o l y m e r m i c r oh e a te x c h a n g e r s ，h i g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t yp o l y m e r s ，m i c r os c a l eh e a ts i n k ，c o m p o s i t e r a d i a t o r t h e r m a lt e s t i n gs y s t e m 1 v 符号说明 符号说明 接触热阻；o c w 电压v 电流a 克努森数 流体流动的特征长度 分子的平均自由程 流体密度k g m o 流体的流速m s 。 体积外力n 流体比内能j 热通量w m 2 热力学压力p a 第一粘性系数 第二粘性系数 二阶单位张量 导热系数w m k 辐射热通量w m 2 定容比热j ( 1 ( g k ) 气体常数r = 8 3 1 参考面的速度m s 切向能量适应系数 动量适应系数 切向单位矢量和， 壁面的内法向量 比热容比 普朗特常数 埃克特数 特征能量尺度 特征长度尺度 相互作用的两分子问的距离m 水力直径 微槽道高度蛐 微槽道宽度i n l t l 微槽道间距n l l n 铝片与热源的接触面积1 t l n l 2 铝片与导热塑料的接触面积m m 2 材料厚度l m n 为强制对流移除的热量j 传热系数w m - 2 o c 1 v o 1 v ， r c 哇， 0 1b k u 。l a r u f e q p 肛九6 k q r u研吼s n丫ni。r耽h w w 岛& q s 北京化工大学硕士学位论文 传热面积n u n 2 微槽道宽度r n l t l 流体热容能j 质量流量k g s 流体的热容值j k g o c 质量埏 芯片功率w 试验时间s 雷诺数 努谢尔数 器件热阻o c 脶 系统热阻o c 用 从m c p c b 板到芯片金属基板的热阻值o c 脚 芯片的结温o c 耗散功率w 外热阻o c 腑 安装热阻o c 脶 散热器的热阻o c 聊 内热阻o c 脚； l e d 芯片基板的热阻o c 脚 v i k c 5 m m p。唧k贴klk k k 艮即 目录 目录 第一章绪论一1 1 】【半导体固态照明技术1 1 2 微尺度换热技术3 1 3 课题的研究目的和意义6 1 4 关键技术问题与本文研究内容一6 第二章大功率l e d 芯片特性与微尺度散热技术9 2 1 l e d 芯片的热学特性一9 2 1 1 l e d 芯片结温9 2 1 2 大功率l e d 芯片的热学模型9 2 1 3 大功率l e d 灯具热阻网络的建立和计算1 2 2 2 微尺度下流动与传热理论基础1 4 2 2 1 连续介质模型15 2 2 2 分子运动模型。18 第三章大功率l e d 球泡灯散热器设计19 3 13 w 球泡灯模型建立1 9 3 2 球泡灯模型结构优化2 2 3 2 1 间距2 5 m m 的灯具模型2 4 3 2 2 间距4 m m 的灯具模型2 6 3 2 3 间距5 m m 的灯具模型2 8 3 2 4 翅片表面带微结构的模型3 0 3 2 57 wl e d 球泡灯模型及优化设计3 2 3 3 小结3 4 第四章大功率l e d 路灯散热器设计3 5 4 1 基于l e d 路灯的单因素散热性能研究3 6 4 1 1 无翅片时散热器的散热情况3 7 4 1 2 翅片高度对散热效果的影响3 8 4 1 3 翅片厚度对散热效果的影响3 9 4 1 4 翅片长度对散热效果的影响4 1 4 1 5 翅片间距对散热效果的影响4 2 4 1 6 表面辐射率对散热性能的影响4 2 4 1 7 导热率对散热效果的影响4 3 4 2 基于l e d 路灯的多因素散热性能研究4 4 4 2 1l e d 路灯散热器自然对流模型设计4 5 4 2 2l e d 路灯散热器优化设计结果分析4 7 4 3 小结5 0 第五章l e d 微型散热器实验研究。5 1 v n 北京化工大学硕士学位论文 5 1 强制对流微型散热器散热性能研究5 1 5 1 1 微散热器相关计算5 2 5 1 2 微型散热器结构优化5 4 5 2l e d 灯具散热试验系统6 0 5 2 1l e d 灯具散热测试试验平台设计6 0 5 2 2l e d 灯具散热试验系统工作原理6 l 5 2 3 散热实验平台的组装6 2 5 2 4 实验步骤6 3 5 3 微型塑料散热器测试实验6 4 5 3 15 wl e d 芯片微型散热器性能测试实验6 5 5 3 27 w l e d 芯片微型散热器性能测试实验6 9 5 3 31 0 w l e d 芯片微型散热器性能测试实验7 2 5 4 小结7 3 第六章总结与展望7 5 6 1 本课题的工作总结7 5 6 2 本文的不足及进一步的工作7 6 参考文献7 7 致谢8 1 研究成果及发表的学术论文8 3 作者和导师简介8 5 v i i i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1l i g h t i n gt e c h n o l o g yo f s e m i c o n d u c t o rs o l i d s t a t e 1 1 2m i c r o s c a l eh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g y 3 1 3r e s e a r c ho b j e c t i v ea n di m p o r t a n c eo f t h i sd i s s e r t a t i o n 6 1 4t h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m sa n dc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o n 6 c h a p t e r 2c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp o w e rl e d c h i pa n dm i c r ，o s c a l ec o o l i n g t e c h n o l o g y 9 2 1t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h el e d c h i p 9 2 1 1j u n c t i o nt e m p e r a t u r eo f l e d c h i p 9 2 1 2t h e r m a lm o d e lf o rh i 曲p o w e rl e dc h i p s 9 2 1 3t h ee s t a b l i s h m e n ta n dc a l c u l a t i o no ft h e r m a lr e s i s t a n c en e t w o r ko fh i g h p o w e r l e d l a m p s 1 2 2 3t h et h e o r e t i c a lb a s i so f t h em i c r o s c a l ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r 1 4 2 3 1c o n t i n u u mm o d e l _ 1 5 2 3 2m o l e c u l a rm o t i o nm o d e l 18 c h a p t e r3d e s i g no ft h er a d i a t o rf o rh i g hp o w e r l e db u l b 1 9 3 1m o d e l i n go f 3 wl e db u l b 1 9 3 2s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no f t h eb u l bm o d e l 2 2 3 3 1l e db u l bm o d e l ：f i ns p a c e2 5 m m 2 4 3 3 2l e db u l bm o d e l ：f i ns p a c e4 m m 2 6 3 ：；3l e db u l bm o d e l ：f i ns p a c e5 m m ：2 8 ：；3 4l e db u l bm o d e lw i t hs u r f a c em i c r o s t r u c t u r e 3 0 3 3 5s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no f 7 wb u l bm o d e l 3 2 ：；3c h a p t e rs u m m e r y ；3 4 c h a p t e r 4d e s i g no ft h er a d i a t o rf o rh i g hp o w e rl e ds t r e e tl a m p s 。3 5 4 1s t u d yo f t h e r m a lp e r f o r m a n c eo fl e ds t r e e t1 a m p sb a s e do ns i n g l e f a c t o r 3 6 4 1 1t h e r m a lp e r f o r m a n c eo f r a d i a t o rw i t h o u tf i n 3 7 4 1 2i n f l u e n c ef a c t o r - f i nh e i g h t f ：；l ； 4 1 3i n f l u e n c ef a c t o r - f i nt h i c k n e s s 3 9 4 1 4i n f l u e n c ef a c t o r - f i nl e n g t h 4 1 4 1 5i n f l u e n c ef a c t o r - 】；i ns p a c e 4 2 4 1 6i n f l u e n c ef a c t o r - s u r f a c ee m i s s i v i t y 4 2 4 1 7i n f l u e n c ef a c t o r - t h e r r n a lc o n d u c t i v i t y 4 3 4 2s t u d yo f t h e r m a lp e r f o r m a n c eo f l e ds t r e e tl a m p sb a s e do nm u l t i f a c t o r 4 4 4 2 1d e s i g no f r a d i a t o rf o rl e ds t r e e t1 a m pu n d e rn a t u r a lc o n v e c t i o n 4 5 4 2 2o p t i m i z a t i o nr e s u l t so f t h er a d i a t o rf o rl e ds t r e e tl a m p s 4 7 i x 北京化工大学硕士学位论文 4 ac h a p t e rs u m m e r y 5 0 c h a p t e r5s t u d yo f m i c r o s c a l eh e a tr a d i a t o rf o rh i g hp o w e rl e dl a m p s 。5 1 5 1s t u d yo f t h e r m a lp e r f o r m a n c eo f t h ef o r c e dc o n v e c t i o nm i c r o s c a l eh e a ts i n k 5 1 5 1 1c a l c u l a t i o no f t h em i c r oh e ：a ts i n k 5 2 5 1 2s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no f m i c r oh e a ts i n k 5 4 5 2d e s i g no f e x p e r i m e n ts y s t e mf o rl e d s “6 u 5 2 1e x p e r i m e n ts y s t e mf o rl e d sh e a ts i n k s 6 0 5 2 2w o r k i n gp r i n c i p l e so f t h e r m a lt e s ts y s t e m 6 1 5 2 3t h ea s s e m b l yo f t h ec o o l i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r m 6 2 5 2 4e x p e f i m e n t a lp r o c e d u r e s o j 5 3t e s to f t h em i c r o s c a l ep l a s t i cr a d i a t o rf o rl e d s 6 4 5 3 1t e s to f t h em i c r or a d i a t o rf o r5 wl e dc h i p 6 5 5 3 2t e s to f t h em i c r or a d i a t o rf o r7 wl e dc h i p s 6 9 5 3 3t e s to f t h em i c r or a d i a t o rf o r1 0 wl e dc h i p s 7 2 5 4c h a p t e rs u m m e r y 7 3 c h a p t e r6s u m m a r y a n do u t l o o k 7 5 6 1c o n c l u s i o n 7 5 6 2d i s a d v a n t a g e sa n df u r t h e rw o r k “7 6 r e f e r e n c e s 。7 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 l a c h i e v e m e n t sa n da c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e d 8 3 a u t h o ra n d s u p e r v i s o ri n f o r m a t i o n 8 5 x 第一章绪论 1 1 半导体固态照明技术 第一章绪论 半导体照明也就是固态照明，是指使用全固态发光部件作为光源的照明技术，主 要包括有机物发光二极管( o l e d ，o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ) 和发光二极管( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 。由于其具有发光效率高、节能环保、灯具寿命长、易于维护 等特点，正在掀起人类照明史上的又一场照明光源的革新，被称为新一代的照明光源。 半导体照明也凭借其具有的应用领域广和技术先进的特点，被业界评为最有前途的发 展方向【1 2 1 。 这些年来照明行业的发展也说明了半导体照明技术的重要性和优势，主要表现在 以下几个方面：在世界范围内，有2 1 的电能用在照明上，采用转换效率高的冷固态 光源不仅可以节省一半的能量还能获得更好的照明质量；根据有关数据，到2 0 2 0 年 照明行业因使用半导体照明技术将节省1 1 5 0 亿美元；l e d 照明技术的应用会延长光 源的使用寿命，预期寿命至少是1 0 万小时【3 。7 】。目前，l e d 灯具的能源利用率是所有 灯具中最高的。 半导体照明是高亮度发光二级管( l e d ) 在应用方面开拓的一个崭新的领域，l e d 一 作为新光源取代传统的白炽灯和荧光灯等势在必行，这个发展方向已成为当代照明行 业的发展目标。随着照明技术的不断发展以及发光材料和半导体生产工艺的不断改 进，l e d 芯片的出光效率和能源利用率都会有很大的提耐2 1 。目前通过在蓝色l e d 芯片中添加相应的荧光粉可以制得光效在8 0 1 m w 的白色l e d ，远超过传统白炽灯 和荧光灯的发光效率【8 1 。大功率l e d 灯具的实用已经备受关注，它不仅能够占领传统 照明领域，同时也在向着装饰照明领域和汽车照明领域发展。l e d 作为半导体固体发 光器件，被业界认为是2 1 世纪最有前途的新光源，被视为将取代白炽灯和目光灯等 传统照明光源成为下一代照明用得主光源p j 。 l e d 灯具相对于传统照明光源具有很多优势： ( 1 ) 发光效率高：参照传统的光源发光效率的定义计算出来的l e d 芯片的出光效 率并不高，只有2 0 左右，但l e d 出光光谱比较单一，主要集中在对照明有利的可 见光区，8 0 至9 0 的可见光转换效率是作为光源的绝佳对象；( 2 ) 耗能少：目前的 单颗l e d 芯片的功率主要是0 0 5 到1 0 w ，通过小芯片的集成方式可以制作出不同功 率的灯具，从而满足各种不同的照明需求，减少浪费；( 3 ) 出光质量高，由于上述的可 见光转换效率高的原因，再加上单色l e d 芯片光谱较狭窄，多分布在可见光区，决 北京化工大学硕士学位论文 定了其优异的光线质量；( 4 ) 可靠，耐用，寿命长：没有易碎的玻璃外壳，光源不是寿 命低的钨丝，维护和保养成本低，寿命在9 1 0 万小时以上；( 5 ) 工作电压低，使用安 全；( 6 ) 响应速度快，适合高频率工作；( 7 ) 全固态，无污染；( 8 ) 应用灵活多变：l e d 芯片体积小，光源造型易于实现，能做成点光源、线光源、面光源等从而适应不同工 作要求；( 9 ) 控制灵活方便：通过对控制电路的控制可以很容易的实现亮度调节以及动 态变化控制【1 0 1 1 j 。 l e d 作为一种新型的绿色照明产品，已经被广泛应用到生活中的很多地方： ( 1 ) 显示屏照明：l e d 灯具应用于大型广告牌已经形成一定规模，预期增长稳定； ( 2 ) 车用照明灯具：因为l e d 的显著优点，车用灯具包括车内的各类指示灯，背光灯， 阅读灯和外部的四大灯等均逐渐被l e d 灯具替代；( 3 ) 各类灯饰：照明灯饰正在形成 一种独立的产业；( 4 ) 背光源：主要应用在液晶l c d 显示器上包括笔记本，液晶电视 和手机，许多产品已经进入生产应用阶段；( 5 ) 交通信号指示灯：因为具有彩色l e d 芯片，所以不再需要彩色透膜，从而提高了信号灯具的出光效率，使得指示灯效果更 明显；( 6 ) 通用照明应用：l e d 今后重点的发展方向是短波和长波，前者的应用领域 主要是生物制药和普通白光照明，后者主要用于光通讯和光传输等领域；( 7 ) 特殊照明： 由于l e d 芯片有良好的抗震性和密封性，同时灯具的热辐射低，体积小，对于矿井 作业，野外作业，防爆以及军事行动照明等对光源有特殊要求的场合非常合适【1 2 1 4 j 。 鉴于l e d 照明技术显著的优势以及半导体照明技术发展的极大潜力，如表1 所 示，各国在面对半导体照明这个具有巨大经济收益和良好发展前景的市场时，都根据 本国国情纷纷制定了关于发展l e d 照明的国家规划。走在前列有美国，欧盟，亚洲 的日本，台湾，韩国等。美国由国家能源部设立了相关研究项目，计划耗资5 亿美元， 耗时1 0 年，在全国范围内的1 3 个科研机构，照明公司和大学内来研发半导体照明技 术；欧盟于2 0 0 0 年7 月启动了自己的照明工程“彩虹计划”，负责研发的是6 个照 明公司和两所相关大学的实验室；日本则注资5 0 亿日元启动了“2 l 世纪光计划 ，预 计在2 0 0 6 年将传统灯具包括白炽灯，荧光灯，规模化的替换成l e d 灯具；我国台湾 也在筹备实施自己的“照明光源开发计划 ，参与其中的包括1 6 个相关科研机构和 大学【1 5 - l6 1 。 2 第一章绪论 表1 - 1 主流灯具的对比 t a b 1 - 1c o m p a r i s o no fl a m p s 照明方式特点 荧光灯 荧光灯省电，寿命5 0 0 0 小时，但是废弃物有汞污染，易碎。 白炽钨丝灯能量消耗高、发光效率低、寿命短( 1 0 0 0 小时) 、容易损坏，对视力有影响， 后期光源亮度会减弱等问题。 高亮度l e d 灯能量消耗小一节约能源；无汞金属等污染一环保；十万小时一寿命长；防冲击和 具 防震动能力强一稳定；灯具的响应快速、灯具体积小巧等特点 我国于2 0 0 3 年启动了半导体固体照明工程项目，并确定上海、厦门、深圳等城 市为半导体照明工程试验基地。2 0 0 3 年底又追加了产业技术开发项目，要求我国自 主研发的白光l e d 芯片在“十一五”结束时其发光效率超过1 3 0 1 m w ；同时科技部“国 家半导体照明工程”计划自2 0 0 7 年开始将白炽灯逐步替换为半导体照明灯具，荧光 灯替代计划预期在2 0 1 2 年后完成【1 7 1 。 2 0 0 8 年北京奥运会，融合了l e d 灯光设计的开闭幕式现场表演着实给观众们留 下了深刻的印象。l e d 灯具不仅应用在了大型的l e d 显示器以及装饰景观照明上， 还有超过8 0 的道路照明灯具使用的是以太阳能供电的l e d 灯具l l 引。2 0 1 0 年在上海 举办的世界博览会上l e d 灯具可谓是夜晚的主角，各类景观照明灯具，装饰灯具共 同“绽放”，可谓美轮美奂。这场在世界面前上演的“半导体照明秀 凸显了l e d 照明在现代照明领域的重要地位。被誉为第四代照明光源的半导体照明技术在世博会 上充分展示了它的实力，上海世博园也因为其大量的使用l e d 照明灯具而成为全世 界规模最大的l e d 灯具展示斟拶j 。 1 2 微尺度换热技术 随着微米纳米科技的发展，零件微小化，设备微型化的趋势越来越明显，对微型 零部件的加工精度，材料，生产效率等的要求在不断提高。伴随微电子技术，微光学 技术，微机械加工技术等介入传统的生物学，医学以及传统的机械加工领域，微纳米 器件的需求量越来越大，其功率也在不断加大，由此而来的散热问题也就成为了业界 研究的热点【2 0 】。 微尺度传热是在上个世纪八九十年代提出的，是为了解决高密度电子器件的冷却 难题和微电子系统中的换热问题。微尺度传热与宏观传热有着很多不同的地方，它的 特点是在时间和空间的尺度微细到一定的程度后，传热和介质流动过程表现出了不同 于宏观尺度的物理特征。伴随技术的发展，冷却设备逐渐向紧凑化，微细化和高性能 的方向发展，研究人员不得不考虑因此而产生的对热量和物质传递有影响的微尺度效 北京化工大学硕士学位论文 应问题【2 1 2 翻。 微型换热器就是在这种背景下应运而生的，所谓微型换热器是指换热器用于进行 热量交换的管道或者槽道向微米纳米级别方向发展，并借助于微尺度效应进行换热的 设备。可以通过换热器的特征尺寸来与常规换热器区分。一般微型换热器的特征尺寸 应该在o 1 1 m m 之间，主要与传统换热器的不同点是，该种散热器采用微通道结构， 体积小，结构紧凑，有效传热面积大，换热效率高，质量轻等优点瞄引。 针对微尺度换热器技术，很多的研究机构都进行了广泛的研究。清华大学的王补 宣和彭晓峰两人对矩形微槽道中冷