基于热声效应的功率型LED强化散热机理研究.pdf

申请代码 F050209 受理部门 收件日期 受理编号 国家自然科学基金 国家自然科学基金 申 请 书 申 请 书(2 0 1 0 版)(2 0 1 0 版)资助类别：面上项目 亚类说明：附注说明：项目名称：基于热声效应的功率型 LED 强化散热机理研究 申 请 人：孙大明 电话：0571-87952769 依托单位：浙江大学 通讯地址：浙江大学制冷与低温研究所 323 室 邮政编码：310027 单位电话：0571-88981080 电子邮箱： 申报日期：2010年3月6日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 2 页 版本 1.004.316 基本信息基本信息 ygq/Clt 姓名 孙孙大明 性别男 出生 年月 1976 年 8 月 民 族 汉族 学位 博士 职称副教授 每年工作时间（月）10 电话 0571-87952769 电子邮箱 传真 国别或地区 中国 个 人 通 讯 地 址 浙江大学制冷与低温研究所 323 室 工作单位 浙江大学 申 请 人 信 息 申 请 人 信 息 主 要 研 究 领 域 热声热机，低温制冷机，高效换热器，电子器件散热 名称 浙浙江大学 联系人 陈良 电子邮箱 依托单位信息 依托单位信息 电话 0571-88981080 网站地址 单 位 名 称 中国计量学院 合作研究单位信息 合作研究单位信息 项目名称 基基于热声效应的功率型 LED 强化散热机理研究 资助类别 面上项目 亚 类 说 明 附注说明 申请代码 F050209:发光器件与光源 基地类别 研究年限 2011 年 1 月 2013 年 12 月 研究属性 基础研究 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 申请经费 46.0000 万元 摘 要(限 400 字)：摘 要(限 400 字)：本课题以 LED 芯片、封装结构、散热器、外部气流场构成的整个系统为研究对象，深入探究散热过程机理，致力于全面揭示功率型 LED 的强化散热机理。在理论方面，基于 DES（Detached Eddy Simulation）算法和流固耦合理论，利用计算流体动力学方法建立包含 LED 模块、散热器和外部气流场的整体数学模型，对模型数值求解，研究 LED 封装结构、散热器结构型式和外部气流场条件对散热过程的影响规律。拓展微型热声发动机理论，发展面向对象的 LED 散热策略；在实验方面，搭建功率型 LED 器件的热管理平台，积极运用面向对象的散热策略，研制“能量转换型”热声散热器，将 LED 芯片所产生热量高效转移的同时转换成可直接利用的声场能。通过理论建模、数值计算和实验三种研究手段的有机结合，探索强化功率型 LED 散热的有效途径，为实现功率型 LED 器件的高效散热奠定理论基础。关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个)LED；计算流体动力学；散热；面向对象；热声 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 3 页 版本 1.004.316 项目组主要参与者项目组主要参与者（注:项目组主要参与者不包括项目申请人，国家杰出青年科学基金项目不填写此栏。）编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮箱 项目分工 每年工作时间（月）1 吴吴珂 1979-10-22 男 讲师 博士 浙江大学 0571-88208702 理论分析，数值模拟 10 2 王乐 1981-2-10 女 讲师 硕士 中国计量学院 0571-86875686 LED 模块研制和测试 10 3 严严伟林 1978-7-11 男 工程师 硕士 浙江大学 0571-87952769 热声热机设计和测试 8 4 孙孙久策 1986-11-6 男 博士生 学士 浙江大学 0571-87952769 理论建模，建测试台 10 5 王凯 1988-2-2 男 博士生 学士 浙江大学 0571-87952769 LED 模块整体热测试 10 6 余余炎 1985-9-20 男 硕士生 学士 浙江大学 0571-87952769 数值模拟，实验10 7 徐徐雅 1987-9-19 女 硕士生 学士 浙江大学 0571-87952769 散 热 器 设计，测试 10 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 8 1 2 1 2 2 说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加和产生。国家自然科学基金申请书 2010 版 第 4 页 版本 1.004.316 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一.研究经费 一.研究经费 31.8000 1.科研业务费 10.8000 （1）测试/计算/分析费 3.5000大型软件计算、仪器标定、测试检验等费用。（2）能源/动力费 1.4000水、电的费用，以 3%计。（3）会议费/差旅费 3.2000每年 2-3 人次参加国内学术会议，调研差旅费。（4）出版物/文献/信息传播费 2.7000版面费、专利费、文献检索、文献传递费。（5）其他 2.实验材料费 8.0000 （1）原材料/试剂/药品购置费 8.0000管路和板材、热声热机制作材料、高压氦气；LED器件、封装材料及清洗剂等。（2）其他 3.仪器设备费 11.0000专门用于本项目研究所必需的仪器设备。（1）购置 7.0000微型压力传感器 3 只、快速响应温度传感器 6 只，补充部分测量仪器。（2）试制 4.0000自制 LED 热管理平台的费用。4.实验室改装费 5.协作费 2.0000试验台的外单位协作加工费。二.国际合作与交流费 二.国际合作与交流费 5.0000 1.项目组成员出国合作交流 3.2000参加 2 人次国际学术交流活动。2.境外专家来华合作交流 1.8000邀请国外专家来课题组交流、访问 1 人次。三.劳务费 三.劳务费 6.9000按规定以 15%计，用于直接参加项目研究的研究生人员的劳务费用。四.管理费 四.管理费 2.3000以 5%计，按基金委规定提取。合 计 合 计 46.0000 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配）与本项目相关的 其他经费来源 其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 5 页 报告正文 报告正文（一）项目的立项依据与研究内容（一）项目的立项依据与研究内容 1.立项依据立项依据 LED（Light Emitting Diode）作为一种半导体固体光源，与传统照明光源相比，具有节能环保、寿命长、响应速度快、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体、抗冲击性好、发光效率高且易控制等显著优点，被认为是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源1。在同样亮度下，LED 耗电仅为白炽灯的 1/8、荧光灯的 1/22。我国是全球第二大耗能国，照明用电量约占全部电能消耗的 12%15%。因此，发展 LED照明具有重要的节能减排意义。自 2003 年 6 月国家半导体照明工程协调领导小组成立以来，国家发改委出台了一系列政策支持 LED 绿色照明工程的发展。2009 年 4 月，科技部在 21 个城市启动“十城万盏”试点示范工程。LED依靠电子在能带间的跃迁产生光。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致光作用将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能3。目前 LED的发光效率仅能达到 10%20%，其余 80%90%的能量转化为热能。LED为热敏元件，如果芯片产生的热量未能高效散出，将导致 PN结结温升高，进而严重影响其性能，具体表现为：（1）发光强度降低4。芯片的发光效率会随着结温的升高而迅速减小，其中蓝、绿、白光 LED 器件的出光量基本呈线性下降，如图 1 所示；（2）芯片的发射光谱发生红移，致使光转换效率下降5；（3）寿命大幅缩短。Narendran等通过实验证实：随芯片节点温度的增加 LED的寿命呈指数形式下降，如图2 所示6；（4）封装材料性能劣化。温度升高会使环氧树脂的透明度严重下降，影响透光性能，减弱 LED光输出7。目前，功率型白光 LED 的光效已超过 110 lm/W，为实现普通照明所需的 1000 lm的光通量，一方面可进一步提高芯片的输入功率，另一方面可将多个芯片按阵列模块方式封装在一起，两种方法均使 LED 的热流密度急剧增加。因此，散热已成为制约 LED发展的关键因素，是当前 LED研究的热点和难点之一。图1 出光量与结温的关系曲线6080100120140-50050100150结温/出光量/%蓝光&白光绿光time 图2 器件寿命与结温关系曲线020000400006000080000100000120000020406080 100 120结温/器件寿命/h 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 6 页 功率型 LED 的散热涉及芯片级、封装级、系统级三个层次的热管理问题8。由于LED是冷光源，受结温的限制，热量绝少以辐射的形式散出，因此传导和对流是主要的散热方式，其散热通路为芯片结?外延层?封装基板?散热装置?周围环境。对芯片级和封装级的热管理，已有研究主要集中在三个方面：一是通过对芯片外延结构优化设计9,10、使用表面粗化技术11等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少热负荷；二是通过优化材料、封装设计等有效减小热阻，加快热量从外延层向封装基板的传导。如选择纳米银膏作为芯片粘接材料12、采用多壁面的碳纳米管和碳黑作为热界面材料13等；三是通过对芯片最小间距14、芯片尺寸与结区温度的关系15、局部高温对芯片有源层的影响16等问题进行研究以减少散热通路中的高温畸点，提高系统可靠性。系统级热管理的核心是外部散热方式的选择，这是解决系统级热管理的核心是外部散热方式的选择，这是解决LED 散热的关键散热的关键。适用于功率型 LED 的外部散热方式必须满足高效率、长寿命、低成本的要求。根据是否需要消耗额外能量外部散热方式分为被动散热方式和主动散热方式。自然对流显然是一种可靠性最高、成本最低的被动散热方式。但自然对流的散热热流密度小，难以满足功率型 LED 的要求。因此，一些更高效的散热方式受到越来越多的关注，如压电风扇17、微喷射流18、热管19、20、微通道21，除热管外均属于需要额外耗能的主动散热方式。各种散热方式特点的比较见表 1。表表1 各种散热方式的比较各种散热方式的比较 散热能力散热能力 耗能耗能 可靠性、安全性可靠性、安全性 成本成本 工作介质环保性工作介质环保性 空气自然对流 弱 无 高度可靠，长寿命，安全 低 好 空气强制对流 较强 耗能 风扇寿命有限制 低 好 热管 强 无 存在启动和工作极限，有安装方向性问题；有绝缘问题 高 存在风险 压电风扇 弱 耗能 存在运动部件，可靠性待检验 高 好 微通道 强 耗能 存在泵的可靠性问题；绝缘问题高 存在风险 微喷射流 强 耗能 存在泵的可靠性问题；绝缘问题高 存在风险 功率型LED芯片级、封装级、系统级三个层次的热管理问题是相互耦合的整体，在各个层次上仍然有多种因素相互影响。已有研究多专注于LED散热通路的某个局部，忽视了各环节间的关联性，尽管已取得了一定的进展，但仍存在如下问题：(1)在理论分析和建模方面在理论分析和建模方面，人为切断了人为切断了LED器件外部散热和内部传热的耦合作用关系器件外部散热和内部传热的耦合作用关系。处理LED器件与外部环境的交界面时，常设定一定常的对流换热系数。事实上，对流换热系数取决于散热器的结构尺寸、空间方位和气流场的状态，定常的对流换热系数无疑掩盖了外部流动和换热的空间分布特性及由此引起的LED器件温度分布的各向不均匀性，不能正确反映真实的传热和散热过程；(2)在散热策略方面在散热策略方面，忽视了功率型忽视了功率型LED因芯片阵列布因芯片阵列布指标指标 散热方式散热方式 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 7 页 设所产生的非均匀散热需求设所产生的非均匀散热需求。在散热装置的构造和布设上缺乏针对性，未针对大功率LED模块上产热的芯片区域采取强化措施，而是“面面俱到、平均用力”。因此，已有散热策略在一定程度上浪费了散热资源，也不利于器件内部温度分布的均匀化；(3)在散热方式上在散热方式上，缺乏高效、节能和长寿命的散热方式与缺乏高效、节能和长寿命的散热方式与LED匹配匹配。已有LED散热方式中，被动散热方式的散热能力有限，不能满足功率型LED的发展趋势；主动散热方式的散热能力强，但能耗高、可靠性低。此外，无论是主动式散热，还是被动式散热，均是将热量进行转移，尚无“产能”型的高效散热方式出现。事实上，事实上，LED产生的热量本质上是一种能量，迫切需要发展一种新型的产生的热量本质上是一种能量，迫切需要发展一种新型的“能量转换型能量转换型”散热方法，把热量高效转移的同时转换成其他形式可以直接利用的能量。此外，在散热策略上，有必要发展一种散热方法，把热量高效转移的同时转换成其他形式可以直接利用的能量。此外，在散热策略上，有必要发展一种“面向对象面向对象”的散热策略，即重点针对功率型的散热策略，即重点针对功率型LED模块热量集中区域的散热策略，这样做既可以节约散热资源，又可以改善模块热量集中区域的散热策略，这样做既可以节约散热资源，又可以改善LED模块的温度分布。这两点的实现对功率型模块的温度分布。这两点的实现对功率型LED器件的发展意义重大，而热声散热法正是可望实现这一目标的理想解决方案器件的发展意义重大，而热声散热法正是可望实现这一目标的理想解决方案。热声散热法是一种基于热声效应原理工作，在热力学、制冷与低温工程学及现代声学基础上交叉产生的全新方法。与传统散热方式相比热声散热法具有如下突出优点与传统散热方式相比热声散热法具有如下突出优点：(1)热声散热法不需要任何外加能量热声散热法不需要任何外加能量，这一点类似于其他被动散热方式，但热声散热方式可实现高得多的散热热流密度但热声散热方式可实现高得多的散热热流密度；(2)热声散热器中除工作气体的振动外不存在任何机械运动部件热声散热器中除工作气体的振动外不存在任何机械运动部件，因而结构简单、运行可靠，制造成本低，可长时间连续工作而无需维护可长时间连续工作而无需维护；(3)热声散热器具有较强的自适应性，能够随热源产生热量的增加而自动增强散热性能热声散热器具有较强的自适应性，能够随热源产生热量的增加而自动增强散热性能，不存在热管等散热方式的工作极限；(4)微型热声散热器可以针对微型热声散热器可以针对LED模块热量集中的区域阵列化布设，易于运用模块热量集中的区域阵列化布设，易于运用“面向对象面向对象”的散热策略的散热策略；(5)热声散热器的工作气体为空气、氮气、氦气等，环保性好。热声散热器的工作气体为空气、氮气、氦气等，环保性好。图3是一种热声散热器的结构简图和工作原理示意图，它从热端换热器吸收热量，在热声板叠内利用热声效应把热能转换成声场能。产生的声波既可以用来驱动发电装置发电，也可以驱动热声制冷机对LED进一步冷却。由于热声散热器的腔体完全封闭，对外无声波传出。此外，散热器内气体振荡的频率与固体共振频率相差至少两个数量级，且气体振荡强度不太大，因而不会引起散热器固体结构的振动。图3 热声散热器结构简图和工作原理示意图 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 8 页 “能量转换型”热声散热器本质上是微型热声发动机或其阵列，图3即是由单只微型热声发动机构成的热声散热器。目前，常规热声发动机，即中、大型热声发动机，最高热声转换效率已接近内燃机水平22，热声发动机驱动的制冷机已经达到液氮（-196）、液氢温区（-250）23、24。区别于常规热声发动机，一般把工作频率在1000Hz以上的热声发动机称为微型热声发动机，其特征尺寸在毫米级。理论上，单个微型热声发动机的直径可以减小到几个微米。近年来，由于大规模集成电路、电子器件领域亟需高效、可靠的散热技术，微型热声发动机成为热声热机领域的热点研究方向之一。近年来，由于大规模集成电路、电子器件领域亟需高效、可靠的散热技术，微型热声发动机成为热声热机领域的热点研究方向之一。1999年，美国国防部高级计划研究局提出HERETIC计划(Heat Removal by Thermo-integrated Circuits)，对能与电子芯片一体化封装的微型制冷技术进行研究，其中热声散热技术由罗克维尔科学中心（Rockwell Science Center）、Utah大学、格伦研究中心（Glenn Research Center）等部门负责研究25、26。2001年美国海军研究院的Hofler等人研制了一台微型热声发动机，谐振管长度为112.1 mm，获得了高达149 dB SPL的声压，工作频率为930 Hz27。2004年，Utah大学的Symko O.G.等人对微型热声发动机冷却集成电路做了深入的研究，他们把热声发动机的长度减小到2 cm，工作频率约为2 kHz。当电路板的温度超过空气温度40 时该热声发动机起振，利用热声效应把电路产生的热量转换成声波耗散掉。改进后，该微型热声发动机的需用工作温差已减小到25，通过结构优化有望降低到10 28。2006年，该研究小组的理论研究表明通过进一步把热声发动机微型化，采用氦气为工质，提高工作压力，在电路板上阵列分布热声发动机，可以大大提高散热能力，有望达到每平方厘米几十瓦到几百瓦的散热热流密度29。我国学者对小型、微型热声发动机的关注度也越来越高，尽管起步较晚，但已经取得具有一定水平的研究成果，所研制的小型热声发动机压比达到1.17以上30，微型热声发动机以常压空气为工作介质获得了稳定的声振荡31。需要指出的是，真正将微型热声发动机应用于功率型真正将微型热声发动机应用于功率型LED散热前还需要在理论和实践两个方面深入研究：在理论方面散热前还需要在理论和实践两个方面深入研究：在理论方面，由于微通道流动和传热特性显著，微型热声发动机在许多方面不同于常规的热声发动机，亟需拓展现有线性热声理论，发展出属于微型热声发动机自身的相关理论；在实践方面在实践方面，现有微型热声发动机实验样机在尺寸和性能上均未达到高功率LED器件的散热要求，尚需在设计理论和加工方法上有所创新。高效率、长寿命是LED取代传统照明光源的重要优势，高耗能的主动散热方式必然会削弱LED的固有优势，而现有不耗能和低耗能散热方式受工作机理限制注定不能满足未来高功率LED的散热要求。热声散热方式以其高散热能力、高可靠性、低成本和优良的环保性有望成为功率型热声散热方式以其高散热能力、高可靠性、低成本和优良的环保性有望成为功率型LED散热的理想解决方案。散热的理想解决方案。本课题将基于现代声学、热力学、国家自然科学基金申请书 2010 版 第 9 页 气体动力学、流体网络等基础理论，积极借鉴微通道流体流动和传热领域的研究成果，发展出微型热声发动机的设计理论和方法。综上所述，本课题将以LED芯片、封装结构、散热器、外部气流场等构成的整个系统为研究对象，深入探究功率型LED散热过程机理，设计高效的“能量转换型”热声散热器，从理论和实践两方面解决功率型LED的散热问题。在理论方面，在理论方面，基于DES（Detached Eddy Simulation）算法和流固耦合理论，利用计算流体动力学方法（Computational Fluid Dynamics，CFD）建立包含LED模块、散热器和外部气流场的整体数学模型，对模型数值求解，深入研究LED封装结构、散热器结构型式和外部气流场条件对散热过程的影响规律。在实验方面在实验方面，设计“能量转换型”热声散热器，实践“面向对象”的散热策略，将LED芯片所产生热量高效转移的同时转换成声场能。通过理论建模、数值计算和实验三种研究手段的有机结合，探索强化功率型LED散热的有效途径，为实现功率型LED器件的高效散热奠定理论基础。主要参考文献主要参考文献 1 GUO Hua,ZHOU Tai-ming.Expected application of LEDs in city landscape lightingC.International Forum on LED&Semiconductor Lighting,2004:137-139.2 Zukauskas A,Shur M S,Gaska R.Introduction to Solid-State Lighting.New York:John WileySons,Inc.2002:2l-29.3 Arik M,Petroski J,Weaver S.Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications:Light emitting diodesC.In:IEEE Inter society Conference on Thermal Phenomena,Hawaii,USA,2001:113-120.4 Gu Y M,Narendran N.A non-contact method for determining junction temperature of phosphor converted white LEDsC.Third International Conference on Solid State Lighting,Proc.SPIE,2004,5187:107-114.5 Narendran N,Gu Y M.Life of LED-based white light sourcesJ.IEEE J.Disp.Tech.,2005,1(1):167-171.6 Barton D L,Osinski M,Perlin P,et al.Single-quantum well InGaN green light emitting diodes degradation under high electrical stressC.Reliability Physics Symposium Proceedings,USA.1998.7 Xa C,LeBoeuf S F,DEvelyn M P.Blue and near-ultraviolet light-emitting diodes on free-standing GaN substratesJ.Appl.Phys.Lett.,2004,84(21):4313-4315.8 Cheong M G,Choi RJ,Suh E K,et al.Bias effect on the luminescent properties of rectangular and trapezoidal quantum-well strueturesJ.Appl.Phys.Lett.,2003,82(4):625-626.9 Fujii T,Gan Y,Sharma R,et a1.Increase in the extraction efficiency of GaN-based light emitting diodes via surface rougheningJ.Appl.Phys.Lett.,2004,84(6):855-857.10 Hsu C C,Wang S J,Liu C Y,et al.Metallic wafer and chip bonding for LED packagingC.In:Proc 5th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics,Tadpei:IEEE,2003,1:26.11 Zhang K,Xiao G W,Wong C K Y,et a1.Study on thermal interface material with carbon nanotubes and carbon black in high-brightness LED packing with flip-chipC.In:Proc 55th Electronic Components and Technology.Orlando:IEEE,2005:60-65.国家自然科学基金申请书 2010 版 第 10 页 12 Wang T,Lei G,Chen X,et al.Improved thermal performance of high-power LED by using low-temperature sintered chip attachment.International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging,2009:581-584.13 Petroski J.Understanding longitudinal fin heat sink orientation sensitivity for Light Emitting Diode(LED)lighting applicationsC.In:Proc International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition,Maui,Hawaii:IEEE,2003:111-117.14 罗小兵,刘胜,江小平,程婷.基于微喷射流的高功率 LED散热方案的数值和实验研究J.中国科学(E 辑:技术科学),2007,37(9):1194-1204.15 Chen J H,Liu C K,Chao Y L,et al.Cooling performance of silicon-based thermoelectric device on high power LEDC.In:Proc 24th International Conference on thermo electrics,USA:University of Clemson,2005:53-56.16 Acikalin T,Garimella S V,Petroski J,et a1.Optimal design of miniature piezoelectric fans for cooling light emitting diodesC.In:Proc 9th Intersociety Conference on Thermal and Thermo mechanical Phenomena in Electronic Systems,New York:IEEE,2004,1:663-671.17 Kim L,Choi J H,Jang S H,et al.Thermal analysis of LED array system with heat pipeJ.Thermochimica Acta,2007,455:2125.18 鲁祥友,华泽钊,刘美静,程远霞.基于热管散热的大功率 LED热特性测量与分析J.光电子激光,2009,20(1):5-8.19 Arik M,Weaver S.Chip scale thermal management of high brightness LED packagesC.In:Fourth International Conference on Solid State Lighting Proceedings of the SPIE,USA.SPIE,2004,5530:214-223.20 Petroski J.Spacing of high-brightness LEDs on metal substrate PCBs for proper thermal performanceC.Proceedings ITHERM,2004,2:507-514.21 吴惠颖,钱可元,胡飞等.倒装大功率白光 LED 热场分析与测试J.光电子激光,2005,16(5):511-514.22 S.Backhaus and G.W.Swift.“A Thermoacoustic Stirling Heat Engine”,Nature,1999,399:335-338.23 Qiu L.M.,Sun D.M.,Yan W.L.,et al.Investigation on a thermoacoustically driven pulse tube cooler working at 80 K.Cryogenics,2005,45(5):380-385.24 Hu J.Y.,Luo E.C.,Dai W.,et al.A heat-driven thermoacoustic cryocooler capable of reaching below liquid hydrogen temperature.Chinese Science Bulletin,2007,52(4):574-576.25 Reh-Lin Chen,Ya-Chi Chen,et al.Development of Miniature Thermoacoustic Refrigerators.40th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,January 14-17,2002/Reno,NV.26 Chialun Tsai,Reh-Lin Chen,et al.Micro-machined stack component for miniature thermoacoustic refrigerator.Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS).2002,149-151.27 Thomas J.Hofler,Jay A.AdeffAn optimized miniature Hofler tube，Acoustics Research Letters Online,2001.28 O.G.Symko.Design and development of high-frequency thermoacoustic engines for thermal management in microelectronics,Microelectronics Journal,2004,35:185191 29 O.G.Symko.Acoustic approach to thermal management:miniature thermoacoustic engines.IEEE,2006.30 余国瑶,罗二仓,张晓东等.高频热声斯特林发动机的实验研究.工程热物理学报,2009,30(1):17-20.31 金滔,张葆森,贾正中,陈国邦.微型热声驱动器的实验研究.低温工程,2006,149(1):12-15.国家自然科学基金申请书 2010 版 第 11 页 2项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题 本课题拟从LED芯片、封装材料和结构、散热器、外部气流场等对高功率LED模块散热特性的影响出发，利用计算流体动力学（CFD）方法建立包含LED模块、散热器和外部气流场的整体数学模型，把面向对象的散热策略应用于LED散热，创新发展热声散热法。通过物理实验对数学模型进行验证和修正，基于理论分析结果指导样机研制，对功率型LED的散热机理进行系统研究。研究内容：研究内容：1 理论建模和数值计算方面理论建模和数值计算方面 基于DES算法和流固耦合理论，充分考虑LED器件封装结构、外部气流场条件、透光和吸光材料的光热转换等的影响，利用计算流体动力学（CFD）方法建立功率型LED散热问题的多尺度多物理量场耦合的整体数学模型。对数学模型数值求解，获得整体的温度分布、流场分布、换热系数分布等。深入研究LED封装结构、散热器结构型式和外部气流场条件对散热过程的影响规律，探索强化功率型LED散热的有效途径；2 散热策略和散热方式方面散热策略和散热方式方面 发展面向对象的LED散热策略。拓展微型热声发动机理论，设计一种“能量转换型”热声散热器。实践面向对象的LED强化散热策略，针对大功率LED模块上的热量集中区域布设热声散热器，将功率型LED模块产生的热量高效转移的同时转换成一种可以直接利用的机械能声场能；3 实验方面实验方面 搭建功率型LED模块的热管理和测试平台，利用热成像仪、正向压降法、热电偶相结合的方法对LED器件的温度场进行测量，充分发挥不同测量方法的优点，同时得到LED器件的总体温度分布和关键点温度。采用微型压力传感器获得热声散热器内的声场分布，并推算出散热功率。把理论研究结果应用到LED模块和微型热声散热器的结构设计上，根据实验测量结果对理论模型进行改进。研究目标：研究目标：1 基于DES算法和流固耦合理论，利用计算流体动力学（CFD）方法建立包含LED模块、散热器和外部气流场的整体数学模型。探明LED封装结构、散热器结构型式和外部气流场条件对功率型LED模块散热过程的影响规律；2 发展面向对象的散热策略，并将其应用于功率型LED散热，在提高散热效率的同时改善LED器件内的温度分布；3 拓展微型热声发动机理论，研制高效的“能量转换型”热声散热器用以强化功率型LED散热；4 搭建功率型LED模块的热管理和测试平台，验证上述理论模型、热声散热器设 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 12 页 计方法和热管理理论的正确性和有效性。基于该平台的实践，形成较为系统的LED热管理方法。拟解决的关键科学问题：拟解决的关键科学问题：本课题将从理论和实验两方面解决功率型LED器件的散热问题，拟解决的关键科学问题如下：1 LED散热机理研究具有多尺度多物理量场耦合的特点，为对这一科学问题深入、系统的研究，本课题将建立包含功率型LED模块、散热器和外部气流场的整体数学模型；2“能量转换型”热声散热器本质上是微型热声发动机或其阵列，本课题将基于现代声学、热力学、气体动力学、流体网络理论等基础理论，结合微通道流体流动和传热的特点，发展微型热声发动机的设计理论和方法；3 将面向对象的散热策略应用于功率型LED散热，针对大功率LED模块上的热量集中区域布设微型热声发动机。采取措施降低微型热声发动机的需用工作温差，解决热声发动机间的同步性问题，实现高热流密度散热。3拟采取的研究方案及可行性分析拟采取的研究方案及可行性分析 本课题拟采用理论建模、数值计算及物理实验相结合的研究方法，以理论建模和定量分析为先导，以实验测量为验证物理模型和发现新问题的主要手段，以数值计算作为有益拓展。并随时关注和借鉴其他学科的先进研究成果及创新方法，发挥学科交叉优势。同时，加强国内和国际学术交流，拓展研究思路和提高研究水平。研究方案：研究方案：本课题以功率型LED器件的强化散热机理为研究对象，致力于从理论和实践两方面解决存在的散热问题，具体研究方案如下：首先，基于DES算法和流固耦合理论，利用计算流体动力学（CFD）方法建立包含LED模块、散热器和外部气流场的整体数学模型。通过求解数理方程，获取LED模块从芯片到外部气流场之间热传递通路的总体情况和局部细节，重点考察系统级散热方式对封装结构内温度分布的影响。通过分析LED封装结构的热传导过程，采取措施降低散热通路上各组件的热阻，确保在散热主方向上温差足够小。通过温度梯度分析，确定热量集中区域和温度畸高点，优化封装结构和材料，确保与散热通路垂直的截面上的温度均匀性；其次，拓展现有线性热声理论，发展微型热声发动机理论，设计“能量转换型”热声散热器。通过优化设计微型热声发动机的换热器、板叠和谐振腔降低需用工