基于熱聲效應的燈光散熱裝置

劉春旭 武漢理工大學機電工程學院

一、研制背景及意義

近年來，戲劇演出和舞臺表演流行趨勢猛增，觀賞舞臺演出已成為人們生活的重要組成部分。根據調查顯示，我國已建成并投入使用的劇院已達2000余家，其中專業劇場超過1000家，每個劇院平均每年舉行的各類演出達46次以上。舞臺演出增加，隨之而來的是各類燈光設備的大量使用，如：面光燈、聚光燈、柔光燈、回光燈、帕燈、腳光燈。這些燈光設備一般都是大功率的LED燈，燈光照射強度高。大功率的LED燈在長時間的高強度運行下會產生巨大的熱量，這些熱量如果不能及時消散，就會大大降低燈具本身的使用壽命，對燈具芯片的運行帶來影響。同時，聚集的熱量容易與空氣中的粉塵混合，當熱量過高即可能引起爆炸，近年來我國發生的舞臺燈爆炸事故對社會造成了慘重的損失。燈具的散熱問題需社會的關注。

目前，舞臺燈具散熱方式主要采用動降溫，通過在燈光裝置內部設置一個具有PWM調速的電風扇來達到降溫的目的；另一種降溫方式是被動降溫，主要通過改變燈殼外觀，制造出對流空氣，或加入鋁質散熱器將熱傳導出去，來達到降溫的目的。這兩種方式在實際的使用過程中，散熱效益并不高。并且通過風扇散熱的方式散熱時，風扇會產生較大的切風噪音，影響觀眾的觀賞體驗，并且由于半開放式的結構導致灰塵容易進入到裝置中，黏附在芯片的表面，減小散熱的效率，降低裝置的使用壽命。

基于以上背景，本項目組設計了這款基于熱聲效應的燈光散熱裝置，取代傳統散熱方式，提高散熱效率并且才用密封式結構以增加芯片壽命，同時對于社會而言，提高了舞臺燈的安全系數，減少因高溫聚集而引起的舞臺爆炸事故。

二、方案設計

（一）總體方案設計

本項目的主要設計思路如下：1）基于熱聲效應原理，利用軟件進行仿真優化，選用合適的材料，確定最佳參數，并設計滿足發生熱聲效應的諧振管，實現最佳的散熱效果。2）考慮舞臺燈使用過程中的噪聲問題，對內部進行降噪處理，盡量減小噪聲影響。3）解決現有舞臺燈散熱效率低等問題。

圖1 舞臺燈整體圖

圖2 舞臺燈剖視圖

基于以上設計思路，本項目設計了一款基于熱聲效應的燈光散熱裝置，用以解決現有面光燈散熱效率低、容易積攢灰塵導致設備壽命縮短的問題。裝置整體造型如上圖所示，其內部剖視圖如圖2所示。裝置主要包括以下幾個部分：諧振管、封裝基板、板疊、熱端及散熱器、聲源、外殼。外殼及封裝基板采用現有舞臺燈的外殼及封裝基板；諧振管選用鋁合金材料，采用錐型諧振管，能夠起到放大聲壓的作用；板疊是熱聲制冷中的重要組成部分，采用樹脂材料制作板疊，選用平板結構型板疊；諧振管內的氣體微團在聲壓作用下，產生絕熱壓縮和膨脹，聲波在諧振管內形成駐波，板疊熱端的氣團受駐波壓縮，溫度升高向板疊放熱，在板疊的另一端，由于駐波低壓相的絕熱膨脹，氣團溫度低于板疊，從板疊吸熱，形成冷端，氣團往復運動，傳遞熱量，實現散熱。在板疊右側為散熱器，材料為鋁合金，加速熱端散熱。

（二）諧振管的設計及優化

諧振管是產生熱聲效應的核心零部件，在本裝置之中諧振管起到利用揚聲器產生的固定頻率的聲波制造駐波的作用。裝置工作時，從揚聲器產生的固定頻率的聲波從諧振管入口端進入后，通過諧振管中間向前傳播（原聲波），聲波到達前方隔音罩后反射回來方向返回（反射波）。這樣，在諧振管內，兩個方向恰好相反、頻率相同而波幅也剛好相同的原聲波與反射波便會產生干涉形成駐波，當我們控制諧振管的長度使之振動方向也完全相同時，駐波效果最為明顯。聲震蕩產生聲壓，引起微小氣團流動，氣團的流動會帶著熱量沿著諧振管從低溫端向高溫段移動。

1.諧振管的長度設計

根據熱聲效應產生的原理，諧振管的長度決定了裝置的諧振頻率，而管內聲場由揚聲器產生，故諧振管的長度與揚聲器產生的聲波直接相關聯，若要產生最為明顯的制冷效果，則要反射波要與原聲波產生最佳駐波（兩波振動方向完全相同，駐波振幅最大），即滿足如下條件：

式中，L為諧振管長度，單位m；c為聲音在介質中的傳播速度，單位為m/s，本裝置中介質為空氣，故c=340m/s；λ為聲波波長，單位為m；f為揚聲器產生的聲波頻率，單位為Hz。

考慮到諧振管長度的限制以及形成駐波強度的問題，上式中n取0。

由于受到聲源頻率的約束、面光燈尺寸以及內部零件尺寸的影響，諧振管總長選用220mm。

2.諧振管的直徑設計

根據相關計算，諧振管寬度并不會影響到熱聲效應的產生，只會改變聲壓的大小，對駐波的位置沒有影響，但考慮到對燈盤的散熱量大小與面光燈的體積限制，諧振管的內徑應當參考燈盤直徑，不宜過大也不宜過小。

3.諧振管的形狀選擇

此處諧振管的形狀主要指諧振管的側曲面，對于駐波型熱聲制冷裝置，諧振管側面會影響聲壓從而影響熱聲制冷效果。

根據諧振管的直徑與錐度變化規律，可以將諧振管的側曲面分為柱面型（即錐度始終為0）、錐形（錐度始終為一固定常數）、雙曲型（錐度按照雙曲線變化）、正余弦型（錐度按照正/余弦曲線變化）、指數型（錐度按照指數規律變化）。

查閱文獻發現，在一定范圍內，各種類型側曲面的諧振管按聲壓比的大小從小到大依次為：錐形管、正弦管、指數管、雙曲管、圓柱管（前三者相近且明顯高于后兩者）。考慮到加工工藝的難度，本裝置中，諧振管的形狀選擇錐形管。

（三）板疊的設計及優化

板疊是熱聲制冷過程中極為重要的一部分，主要負責熱端和冷端之間熱量的交換。熱聲制冷過程中，板疊中的氣體微團反復的壓縮與膨脹，同時伴隨著從熱端向冷端的運動，氣體微團與平行板疊局部結構圖如下圖所示。

圖3 板疊流體微團示意圖

板疊中氣體微團的變化可以分為四個過程：1）微團向靠近聲源的方向移動，聲波壓力逐漸增大，微團體積被壓縮，同時溫度升高；2）氣體微團溫度高于板疊溫度時，微團與板疊之間發生熱傳遞，微團對板疊放熱；3）氣體微團向遠離聲波方向移動時，聲波壓力逐漸減小，從而引起微團膨脹導致降溫；4）當氣體微團溫度低于板疊壁面溫度是，板疊向氣體微團放熱。至此，氣體微團又回到原來位置，開始新一輪得循環。

1.板疊幾何結構參數的確定

模型中選用平行結構板疊，其板疊參數主要可分為幾何結構參數(如板疊長度、板疊間距及孔隙率)，位置參數(板疊的中心位置)，以及板疊材料的熱物性。

①板疊的長度LS

板疊的長度在選取時，通常采用(2)式給出的板疊的無因次長度來計算最佳長度

式中，f為系統的工作頻率，Ls為板疊的長度，c為聲速，在熱聲系統的設計中，無因次值ξ一般取0.5。得到Ls=35mm。

②板疊的間距（2y0）

平行結構板疊的間距及壁厚分別用2y0、2l表示。板疊間距合理的取值范圍在2.5～6倍熱滲透深度，模型中，板疊間距選取4倍的熱滲透深度。熱滲透深度δk由（3）式給出

式中，K為氣體工質的導熱率，KS=0.0267W/（m·K）；ρm為氣體的平均密度，ρm=1.1691kg/m3；Cp為氣體的定壓比熱容，Cp=1.005kJ/(kg·K)；ω為角頻率，ω=2πf。得到2y0=4δk=0.38mm。

③板疊的孔隙率φ及壁厚

板疊的孔隙率φ可近似為y0/(y0+l)，其取值范圍應在1/6到1/2之間，隨著板疊孔隙率的增加，板疊內部的粘度損失逐漸降低，使得板疊內部溫度梯度逐漸增大，從而導致板疊溫差增大，因此模型中板疊孔隙率取1/2，得到壁厚為0.38mm。

2.板疊位置參數的確定

板疊的中心位置Xs要綜合考慮制冷功率Qc、聲功W和制冷性能系數COP來確定。

無量綱化的板疊制冷功率和消耗聲功率分別為：

表1 無量綱化參數

式中，Tm為冷熱端溫差，設Tm=15℃；σ為氣體的普朗特數，σ=0.75；γ為氣體的定壓比熱和定容比熱容之比，γ=1.4；D=1%；p1為動壓，p1=1000Pa。

考慮到方便加工與計算，板疊中心位置Xs取165mm。

3.板疊材料的確定

板疊材料也對熱聲制冷的效果有一定影響，當板疊材料的軸向導熱率較小時，板疊的軸向散熱少，熱聲性能較好，同時，板疊的徑向換熱能力應較好。板疊的選用原則是導熱差，熱容大，但兩者往往相斥。目前使用的板疊材料主要以非金屬為主，經對比，選用樹脂材料作為板疊材料。

表1 板疊材料熱物性

聚酯薄膜 0.20 1134蜂窩陶瓷 1.5 850

（四）熱端的設計及優化

熱端是裝置中重要的輔助散熱部件，裝置中設置的熱端可以通過聲能吸收板疊上的熱量，再將熱量轉移到外界環境中去，起到疏導熱量、避免過熱、持續降溫的作用。

1.熱端的位置選擇

熱端位于板疊后側，考慮到板疊的長度限制以及熱端與板疊的間隙，熱端中心放置在距諧振管底部122mm處。

2.熱端的結構設計

熱端及散熱器由熱端和四塊相同的翅片散熱器組成，其結構如下圖組所示，四塊散熱器間隔90°圍繞熱端放置。

熱端需要實現的功能是通過表面與空氣接觸將熱量散失到空氣中，此種空氣散熱效果取決于材料熱輻射效率、散熱面積、空氣對流速度等。因此，一方面，散熱器選擇散熱效果相對較好的鋁塊作為散熱材料、另一方面需要加大與空氣的接觸面積，因此選擇采用翅片結構。

圖組4 熱端和熱端及散熱器

（五）系統運行頻率確定

熱聲制冷機系統為1/2波長駐波型熱聲系統，駐波管長度為λ/2，系統運行的頻率可由式（6）給出

式中，f為系統的運行頻率；c為聲速，在溫度為298K，一個標準大氣壓的環境下，c約為346.15m/s；L為駐波管管長，L =220mm。

得到f≈787Hz。

3.性能分析

使用ANSYS Workbench對燈內穩定工作狀態進行分析，調用steady-State Thermal模塊進行熱穩態分析，導入燈具內部模型，設置各部分材料的傳熱系數，設燈具的內部生熱載荷為7200W/m2，環境溫度為298K，諧振管管壁與空氣間的對流系數為12W/m2·℃，散熱器與空氣的對流系數為150 W/m2·℃，穩態時內部的溫度分布如圖組5所示。

圖組5 裝置工作時的溫度分布

由圖組5可知穩態工作時燈基板的溫度約為41℃，板疊熱端的溫度約為56℃，在板疊兩端產生了約15℃的溫差，散熱器溫度高于室溫9℃左右，證明此裝置可以使燈具穩定地處于一個良好的工作溫度。

四、節能效益分析

（一）成本估算

外殼以及諧振管由于壁厚大約在0.1mm-0.2mm，可采用鋁材冷擠壓成型，其成本主要由模具、金屬、后期加工費用組成，按照批量生產10000件來計算，可推算出單個裝置中外殼以及諧振管的成本約為30元。

板疊、散熱器由于形狀較為復雜，可以采用注塑成型的加工方法，其成本主要由模具、金屬以及后期的加工費用組成，按照批量生產10000件來計算，可推算出單個裝置中板疊、冷端以及散熱器的成本約為90元。

板疊材質為樹脂，可以才用3D打印來進行制作，其成本約為30元。

板疊兩側的蓋板可以才用亞克力切割完成，其成本大約為3元。

揚聲器采用3瓦/4歐/直徑40mm的小喇叭，其成本約為4元/個。

其他的控制芯片、電壓轉換芯片以及杜邦線、電源線等成本共約30元。

將上述成本相加后，即可得到裝置整體的成本，約為187元。

本裝置成本與現有面光燈的成本基本持平。

（二）節能效益分析

本裝置采用熱聲制冷效應，將LED燈工作時產生的熱量快速轉移，保證LED燈的工作溫度處于較低水平。根據資料顯示，LED燈在溫度適宜情況下的理論壽命一般為9萬～10萬小時，但如果其工作時產生的熱量不能及時被轉移，工作溫度上升到頂點，其理論壽命會大幅下降，低于5萬小時，若溫度長時間處于較高水平，則其壽命會驟減甚至直接燒毀。使用常規散熱的LED燈，由于散熱效率較低，且在工作一段時間后，由于灰塵對散熱裝置造成堵塞，使散熱進一步弱化。最終導致LED燈泡極為容易燒毀。使用本散熱裝置后，能夠將LED的工作溫度降低3-5℃，使LED燈處在適宜溫度下工作。且使用本裝置后，溫度曲線較為平緩，一般不會出現峰值。

LED燈在適宜溫度下工作的實際壽命約為理論壽命的20%，即2萬小時左右，若工作溫度處于較高水平，則其實際壽命會下降至1500小時左右。

在使用本裝置后，不考慮其他因素影響（如電壓不穩造成LED燒毀），LED燈的實際使用壽命可以達到2萬小時以上。以一個面光燈套件為例，假設一個面光燈所使用的LED燈泡數量為20個，每天工作時間約為15小時。則使用普通散熱裝置其每年需要消耗的燈泡數為：

365×15×20÷1500=73（個）

即使用普通散熱器的舞臺燈每年需要消耗約73個LED燈。

使用本裝置后，每個舞臺燈需要消耗的LED燈泡數為：

365×15×20÷20000≈5.48（個）

每個舞臺配置有各類燈約為51臺，以一個舞臺為例，計算為期5年的LED燈泡消耗數量。

使用普通散熱裝置需要消耗：

51×73×5≈18615（個）

使用本裝置需要消耗：

51×5.48×5≈1397（個）

則使用本裝置后，每個舞臺每5年可減少LED燈泡消耗數量為17218個，平均每年可減少消耗量約為3443個。

綜上，使用本裝置后可以大幅度減少LED燈泡的消耗量，節能效益較為明顯。

五、創新點及應用前景

（一）創新點

1.燈光散熱裝置的設計大大提高了燈光裝置的壽命以及安全性；

2.散熱裝置標準化尺寸的設計，便于機械化操作，提高維修效率；

3.熱聲效應的應用解決了純機械式散熱效率低、噪音大的問題。

（二）應用前景

本燈光散熱裝置的使用特性符合國家政策綠色環保發展的要求；同時熱聲效應的應用為燈光散熱問題提供了更高效安全的新思路。該作品可以應用于歌劇院、演唱會舞臺等面光燈大量使用的場所，若產品得到大量推廣，可在一定程度上緩解我國由于舞臺高溫粉塵爆炸引起的事故，提高燈光裝置的使用壽命，符合綠色發展的發展趨勢。