LED照明灯具的散热片设计
2016-10-29 09:41:25
LpR上出现了一个案例，设计了一款LED灯的散热片。作者从仿生学的角度对散热片设计提出了自己独到的见解。
当前LED照明给人的感觉是跟新技术，高科技，环保，高档，这些词联在一起的。而市面上大多数的设计都是基于实用性的考虑，完全没有考虑美感和协调感。比如这个：
看上去简单粗暴，乡土气息扑面而来，像是设计师刚从城乡结合部大学深造回来后的作品。
更不用说这款了，看上去让人生理上严重不适。
当然也有人意识到了这点，于是有的LED灯为了兼顾外形，不让散热片直接暴露在观众的眼皮底下，就设计了外层罩子，里面是散热片，两者兼顾。但是说实话，这种设计的散热效果是大打折扣。
于是问题就变成了：如何设计一款漂亮的，性能优越的并且与周遭环境和谐共存的LED灯的散热片呢？
有人尝试了。
世界上没有无缘无故的爱，也没有无缘无故的恨，更没有无缘无故的设计，特别是对老外来讲，假设这个散热片是我设计的，老外问我是根据什么来做的？我回答：我昨晚做梦梦到的。我觉得这个老外马上会跳楼。
废话少说，这款散热片是根据自然仿生学原理来设计的，原文里，作者提到了这个事实：大自然是神奇的设计师，经过百万年的漫长的进化，人的血管回路，树叶的叶脉和树根的形状都很相似，而且它们有一个共同的目的，就是为了用最少的材料来传送最大的资源（营养），所以血管，树根的表面积是经过大自然筛选过的，是能在最少用料情况下传输最大资源的。
讲到这里，估计聪明的你已经明白是怎么回事了。对的，就是你想的那样！这个散热片仿生的对象就是树根和血管的枝杈形状。
为了基于同一个标准比较，作者设计了一个限制条件：
LED 发热量7W 。
散热片 尺寸限制：直径50mm 高度50mm。
散热片 核心的core 直径 5x5mm 。
用CFD 计算比较结果如下：
3号设计的热阻最小，即7个齿的散热片效果最好。最差的5号设计比3号效果差12%。
为什么会有这个区别？
答案是因为自然对流散热下的LED灯具，其辐射和对流的换热效率是需要平衡的，如果单独强调面积，那么结果就是把翅片间距设计的很小，导致对流效果变差。反之，翅片间距过大，导致总面积减小，也达不到最佳效果，所以CFD的功能就在这里，我们可以通过它来甄选最优方案。
此处可以参考这一篇博客，探讨辐射和对流的关系。
把3号设计拿出来，单独设计一个没有叉齿的散热片，且截面积与3号设计几乎一样（误差<1%）。再比较它们俩的效果：
从图上看，右图设计齿间的风俗比较均匀，且热阻比左图低了约8.3%。
最后，作者设计了这么一款概念产品，从性能和外观上达到了平衡点。
希望以后的LED灯具设计越来越人性化，像苹果手机一样，把性能藏在设计背后。促使大家都使用LED灯具，希望这个行业尽快迎来春天。
当前LED照明给人的感觉是跟新技术，高科技，环保，高档，这些词联在一起的。而市面上大多数的设计都是基于实用性的考虑，完全没有考虑美感和协调感。比如这个：
看上去简单粗暴，乡土气息扑面而来，像是设计师刚从城乡结合部大学深造回来后的作品。
更不用说这款了，看上去让人生理上严重不适。
当然也有人意识到了这点，于是有的LED灯为了兼顾外形，不让散热片直接暴露在观众的眼皮底下，就设计了外层罩子，里面是散热片，两者兼顾。但是说实话，这种设计的散热效果是大打折扣。
于是问题就变成了：如何设计一款漂亮的，性能优越的并且与周遭环境和谐共存的LED灯的散热片呢？
有人尝试了。
世界上没有无缘无故的爱，也没有无缘无故的恨，更没有无缘无故的设计，特别是对老外来讲，假设这个散热片是我设计的，老外问我是根据什么来做的？我回答：我昨晚做梦梦到的。我觉得这个老外马上会跳楼。
废话少说，这款散热片是根据自然仿生学原理来设计的，原文里，作者提到了这个事实：大自然是神奇的设计师，经过百万年的漫长的进化，人的血管回路，树叶的叶脉和树根的形状都很相似，而且它们有一个共同的目的，就是为了用最少的材料来传送最大的资源（营养），所以血管，树根的表面积是经过大自然筛选过的，是能在最少用料情况下传输最大资源的。
讲到这里，估计聪明的你已经明白是怎么回事了。对的，就是你想的那样！这个散热片仿生的对象就是树根和血管的枝杈形状。
为了基于同一个标准比较，作者设计了一个限制条件：
LED 发热量7W 。
散热片 尺寸限制：直径50mm 高度50mm。
散热片 核心的core 直径 5x5mm 。
用CFD 计算比较结果如下：
3号设计的热阻最小，即7个齿的散热片效果最好。最差的5号设计比3号效果差12%。
为什么会有这个区别？
答案是因为自然对流散热下的LED灯具，其辐射和对流的换热效率是需要平衡的，如果单独强调面积，那么结果就是把翅片间距设计的很小，导致对流效果变差。反之，翅片间距过大，导致总面积减小，也达不到最佳效果，所以CFD的功能就在这里，我们可以通过它来甄选最优方案。
此处可以参考这一篇博客，探讨辐射和对流的关系。
把3号设计拿出来，单独设计一个没有叉齿的散热片，且截面积与3号设计几乎一样（误差<1%）。再比较它们俩的效果：
从图上看，右图设计齿间的风俗比较均匀，且热阻比左图低了约8.3%。
最后，作者设计了这么一款概念产品，从性能和外观上达到了平衡点。
希望以后的LED灯具设计越来越人性化，像苹果手机一样，把性能藏在设计背后。促使大家都使用LED灯具，希望这个行业尽快迎来春天。
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