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集成式大功率LED路灯散热器的结构设计
集成式大功率LED路灯散热器的结构设计
发光二极度管LED( L ight Em itting D iode) ， 作为新一代绿色环保型固体照明光源， 已经成为人们关注的焦点。它具有耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点。LED 发光时会有部分能量转化为热量， 因此会使LED芯片温度升高。而温度对LED芯片的工作性能影响极大， 高温会导致芯片出射的光子减少， 色温质量下降， 加快芯片老化， 缩短器件寿命等严重的后果
　　发光二极度管LED( L ight Em itting D iode) ， 作为新一代绿色环保型固体照明光源， 已经成为人们关注的焦点。它具有耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点。LED 发光时会有部分能量转化为热量， 因此会使LED芯片温度升高。而温度对LED芯片的工作性能影响极大， 高温会导致芯片出射的光子减少， 色温质量下降， 加快芯片老化， 缩短器件寿命等严重的后果。因此为保证LED正常工作， 必须将其散发出来的热量及时的散发出去。目前大功率LED 芯片应用的越来越多， 据资料显示大功率LED 只能将约10% ~15%的输入功率转化为光能， 而将其余85% ~ 90%转化为热能 ， 因此散热问题更为严峻。
　　目前大功率的LED光源又分为两种类型， 一种是阵列分布式大功率LED 光源， 它是将数个LED进行阵列分布布置， 如图1 所示。另一种是集成式大功率LED 光源， 将数颗LED 集成封装在一起， 如图2所示。这两种类型的LED 灯具因LED 芯片布置方式不同， 在配光曲线、占用空间以及散热上面有所不同。相对来说， 集成式大功率LED 光源制成的灯具质量要轻， 在封装材料方面用料要少， 配光方面与阵列分布式大功率LED 光源相比也可以达到路灯照明的要求， 是以后的路灯发展趋势。但是因为散热相比阵列式要难， 因此寿命缩短， 成为阻碍集成式大功率LED光源发展的关键难题。
图1 阵列分布式大功率LED光源
图2 集成式大功率LED光源
　　本文主要是利用ANSYS有限元软件对集成大功率热源LED 路灯散热器进行结构优化设计。大功率LED灯具的使用温度要求在75& 以下， 因此本次优化的目的是在力求在LED 芯片结温降到最低并小于75& 的同时使散热器的质量有所降低。
　　1 热量传递理论与热分析
　　1. 1 热量传递基本理论
　　热量传递主要有三种方法: 热传导、热对流和热辐射。在LED路灯的散热系统里， 三种热量传递方式均有， 但是以热传导和热对流为主。热传导性强弱依赖于产品材料， 已有很多文章就此进行了研究， 而且经研究表明指出解决LED 散热问题的关键不是寻找高热导率的材料而是改变LED 的散热结构或者散热方式， 因此本文主要考虑因散热器结构的不同而导致的散热效果差别。
　　对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式， 把温差记为△t， 并约定永远为正值， 则牛顿冷却公式为:
　　式中h 表面传热系数， 单位W / (m2 K )。
　　A 换热面积， 单位m2。
　　由对流换热速率方程式( 1)可见， 要想增加对流换热量可以通过增加温差， 增加表面传热系数以及增加换热面积三种方法可以达到。对于自然对流换热的LED路灯来说， 增加温差和表面传热系数的方法不方便采用， 因此本文主要是通过增加换热表面积。
　　采用翅片是一种有效的增加换热表面的方法。它可以使热流量沿着肋高度方向传导的同时向周围的环境以对流或对流加辐射的方法散发热量。 散热面积越大， 散热效果越好， 但是并不成简单的比例关系。
　　1. 2 散热器模型建立
　　本文初步设计采用平直翅片散热器如图3所示。它的结构参数包括翅片厚度， 高度， 长度以及基板长度， 宽度和厚度， 利用ANSYS软件对这六个参数进行分析， 进行散热器的结构设计。
图3 初选散热器模型。
　　对与空气中接触的散热器外表面均设为自然对流， 对流系数为7. 5W / ( m2& K )， 环境温度设为40℃， 这样就可以保证一般的情况下LED 路灯的工作温度在75℃& 以下。由于灯罩的密封作用， 模型其他表面均定义为绝热。光源的体积是60 mm& 60mm &8mm。LED 路灯功率为50W， 其中15%转化为光能， 85% 转化为热能， 所以将( 1. 47 &106 )W m- 3的生热率载荷施加于芯片实体上。散热器材料采用ZL104铝合金， 导热率为147W /m& ， 密度为2 650 kg /m3。在常规压力与表面粗糙度的情况下， 取铝铝之间接触热阻为4. 55 &10-4m2& K /W 。
　　1. 3 优化设计
　　正交试验设计法具有完成试验要求所需的实验次数少、数据点分布均匀、可用相应的极差分析方法等对试验结果进行分析等优点。
　　本文为了缩小模拟的运算规模， 分析散热器各结构尺寸变化对其温度场的影响情况， 所以设计正交试验对该参数化模型进行多次热分析。把影响最终温度场分布的六个散热器结构参数作为因素， 每个因素取5个水平(见表1)， 以散热器质量和芯片最高温度为试验指标， 选取正交表L25 ( 56 )。
　　综合考虑LED灯芯的大小以及整个灯体的设计结构， 以及对散热器质量及体积的要求限制， 取翅片个数A 为( 5- 17)片， 翅片高度B 为( 20- 60) mm，翅片厚度C ( 1- 3. 8)mm， 基板厚度D ( 1- 3)mm， 基板长度E 与宽度F 均为( 150- 250)mm。具体五个水平取值如下表1所示。
表1 正交试验的参数表
　　1. 4 试验结果分析
　　实验结果及分析如表2所示。
表2 试验结果数据。
　　从表2可以看出， 翅片数目对芯片结温的影响最大， 翅片高度次之， 以后依次为基板长度、基板厚度、翅片厚度及基板宽度。即A & B & E & D & C & F。
　　翅片厚度对散热器质量影响最大， 翅片高度次之， 以后依次为翅片的数目、基板长度、基板宽度、基板厚度。即C & B & A & E & F & D。
　　根据分析结果绘制各个因素不同水平对温度目标的影响图， 如图4示。
　　根据质量公式可知， 各个参数在其他参数不变的情况下， 参数取值与质量结果成正比关系， 取值越大， 质量越大， 所以不再绘制曲线图。
图4 六个因素不同水平对芯片最高温度的影响
　　由极差分析结果可以得知不同的因素对两个目标的影响是不同的， 同一因素对于两个目标影响也不同。因此对于不同因素数值的选取应本着芯片最高温度保持最低为主要目标， 散热器质量最小为次要目标的原则进行。例如翅片厚度对芯片最高温度影响排在了第六位， 对质量的影响却是最大的。因此可以选择较小的翅片厚度， 在尽量不升高温度的同时， 使质量降低。
　　在25次的实验当中， 可以得知第25 次时， 即A5B 5C 4D3E 2F 1时， 效果最好。此时温度为59. 61&℃ ，散热器质量为1. 61 kg， 结果如图5示。优化以后的结果为A5B 5C1D 5E5F 1。经验证， 此种情况下温度可以降到58. 09&℃ ， 散热器质量降到0. 98 kg。结果如图6示。
　　可见通过正交分析达到了双目标优化设计的目的。
图5 A 5B 5C4D 3E 2F 1散热结构下的稳态温度场。
图6 A 5B 5C1D 5E 5F 1散热结构下的稳态温度场。
　　2 结论与展望
　　本文通过采用正交试验法和仿真模拟实验相结合对集成大功率光源LED路灯散热器进行了研究，用较少次数的仿真实验， 获得能基本上反映全面情况的试验资料， 并研究不同参数对LED 散热及质量的影响的程度， 进而得到一组优化的参数组合。这种优化方法对其他翅片形式同样适用， 对大功率集中式热源LED灯具的推广应用具有重大的意义。
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LED 灯具热量传递过程
今天先说说LED 灯具热量传递过程对于一个LED 灯具，热量首先从LED 芯片产生，然后通过热传导、对流、辐射三种方式进行传递。结合灯具的实际结构来看，热传导是最主要的传热方式，因此设计人员在考虑如何提高LED 灯具的散热性能的时候，主要是通过改变LED 灯具系统各个环节的热传导能力来达到目的的。图1 是两个典型LED 系统的结构示意[1]，可以看出LED 灯具系统散热性能的好坏直接由LED-线路板-空气的热阻的大小决定，而这个通道中又涉及到三个主要环节:(1) LED 器件自身热阻的大小，直接影响到芯片产生的热量能否导出到支架或热沉上，需要从LED 封装结构、封装材料、制作工艺方面来提高LED 散热性能;(2) 从LED 到线路板的热阻， 往往由线路板的材料、LED 之间的间距、电阻的分布、LED 与线路板的连接方式决定;(3) 如果线路板到空气的热阻过大，即使热量都从芯片传到金属线路板上，聚焦的热量会使线路板的温度急剧上升，导致温度过高，增加了LED 失效的可能性，造成LED 光衰加剧、寿命缩短。因此，我们从这三方面提高LED 灯具的散热能力，从而控制LED 结温在一定范围内。
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要点1：所属板块　LED 创业板综 电子元件 高送转 广东板块 深圳特区要点2：经营范围　一般经营项目:兴办实业(具体项目另行申报);国内贸易,货物进出口、技术进出口。许可经营项目:研究开发、生产及销售LED灯及其散热器组件、电脑散热器、汽车散热器及其组件、变频器散热器、医疗设备散热器等工业散热器、热传导散热材料、散热器热管、散热模块模组、计算机软硬件及配件、数控设备、检测测试设备的技术开发、生产和销售、并提供相关技术信息咨询和服务。公司的经营范围以工商行政管理机关核准的经营范围为准。公司根据自身发展能力和业务需要,可适当调整投资方向及经营范围。要点3：电子产品新型散热器件的研发、生产和销售　公司主营业务为电子产品新型散热器件的研发、生产和销售。近年来,随着电子技术迅猛发展,电子元器件的集成度、封装密度以及工作时钟频率不断提高,工作过程中产生大量热量,使元器件的结温上升,如果不能将热量及时散发出去,将影响电子产品性能及使用寿命。为保证电子产品及其元器件在规定温度范围内正常工作,目前广泛采取的解决措施是使用散热器等外部散热冷却装置。散热器是传导、释放热量的一系列装置的统称,其通过传导、对流、辐射等热传递方式将电子元器件工作过程中产生的大量热量散发到外界环境中,实现降温目的。要点4：电子产品散热器件设计与制造　相比于道路照明市场,广场、运动场、车站、码头等户外照明市场对照明产品光照效果、稳定性、质量及技术要求更高,在这些户外照明领域LED照明产品普及率还相对较低,其替代传统照明还需要一个市场深入认知的过程。随着电源、芯片、散热等技术的逐步成熟,可靠、稳定、高性能大功率LED户外照明产品的持续推出,以及市场认知的进一步深化,LED照明在广场、运动场、车站、码头等户外领域的应用有望迎来爆发性增长。要点5：产品设计优势　公司重视产品设计与创新,形成了一套成熟的散热产品设计理念。公司LED照明散热组件的设计研发涵盖产品概念设计、散热功能设计、结构设计、材料选择、成本规划、电源及光源搭配、照度、光照效果、灯具造型等LED照明应用的各要素,有效解决不同照明应用场景下LED照明散热及终端应用问题。公司PC散热配件产品设计充分结合散热效率、静音、安全性需求,提供PC高效静音散热解决方案。要点6：技术创新优势　公司重视散热技术研发,在PC散热配件生产研发实践过程中,形成了如压固、扣FIN、无缝紧配等一系列核心技术,有效提升了产品散热性能,简化了产品生产工艺。公司重视散热技术在不同领域的创新应用,将PC散热技术创新应用于LED照明散热领域,形成鳍片式散热结构及热管铆接等一系列LED照明散热技术,“大功率LED灯用热管铆接鳍片散热系统技术”项目在第十届中照照明奖评选中获得“科技创新奖一等奖”,“热管直接接触散热技术”荣获中国照明学会半导体照明技术与应用专业委员会“中国LED首创奖”优秀奖。要点7：生产工艺优势　公司自成立以来就一直从事电子产品新型散热器件的研发、生产销售,在生产的过程中非常重视工艺流程的改进及生产自动化改造。公司结合产品特点及生产工艺特点,自行研发、定制一批关键自动化生产设备,不断优化生产工艺流程。工艺流程的改进及生产自动化水平的提高一方面提升了产品的品质,增强了公司产品质量管理能力,另一方面,工艺改进大大提高了产品生产效率,提高了公司产品规模供应能力,降低了生产成本。通过多年经验的积累,公司的生产工艺已经非常成熟。要点14：拟1.72亿元收购炯达能源剩余49%股权　日公告,公司拟发行股份购买浙江炯达能源科技有限公司49%股权,交易作价为17,150.00万元。本次交易完成后,公司将持有炯达能源100%股权。炯达能源为专业提供LED城市绿色照明一站式解决方案的节能服务企业。交易对方承诺,标的公司2018年-2020年扣除非经常性损益后归属于母公司的净利润将分别不低于3,500万元、4,000万元、4,500万元。通过本次交易,公司可以加快发展LED照明业务,提高公司LED照明业务的市场占有率,拓宽公司在市政、工程照明领域的业务。要点8：拟1.275亿元收购炯达能源51%股权拓展LED照明业务　日公告,公司拟以自筹资金127,500,000元收购浙江炯达能源科技有限公司51%的股权。炯达能源是专业提供LED城市绿色照明一站式解决方案的节能服务企业,本次收购,是公司对LED照明业务的有益拓展。要点15：拟公开摘牌收购锂电材料公司圣比和实业49.5%股权　日公告,公司拟以自有资金公开摘牌收购云南锡业集团有限责任公司持有的个旧圣比和实业有限公司49.5%股权,标的资产在云南省产权交易所的挂牌底价为9,456.38万元人民币。圣比和实业是云南省锂离子电池材料领域的龙头企业、中国西部地区最大的锂离子电池正极材料生产企业和综合实力最强的锂电材料制造商之一。要点12：自愿锁定股份　自公司股票上市之日起三十六个月内,不转让或者委托他人管理本次发行前本人直接及间接持有的公司股份,也不由公司回购本人直接及间接持有的该部分股份。要点9：散热器生产基地建设项目　本项目预计投资总额34,277.54万元,本项目拟在广东省惠州市东江高新科技产业园建设集生产车间、仓库、办公楼、员工宿舍楼及相应配套设施于一体的生产基地,购置先进生产设备,引进先进生产工艺。通过建设场地和购置设备满足现有PC散热配件、LED照明散热组件产能规模的需求,实现现有生产场地的逐渐搬迁,同时针对LED照明散热组件产品进行扩产,并对产品结构进行调整,满足LED照明散热组件日益增长的市场需求。要点10：研发中心建设项目　本项目拟投资5,893.65万元,其中场地投入1,680.00万元;设备投入3,176.00万元;研发费用757.00万元;基本预备费280.65万元。本项目拟在广东省惠州市东江高新科技产业园建设新的研发中心,通过改善研发设计人员工作环境、引进先进的研发设备、扩充研发设计团队,建设一流的产品与技术研发中心,增强公司的研发能力和技术创新能力,提高公司产品的技术竞争力。研发中心是公司进行PC散热配件、LED照明散热组件产品研发及散热新技术、新产品开发与产业化的基础。要点11：股利分配　公司上市后将在足额计提法定公积金、任意公积金后,在符合现金分红的条件且公司未来十二个月内无重大资金支出发生的情况下,公司每个年度以现金方式累计分配的利润不少于当年实现的可分配利润的20%。要点13：稳定股价措施　公司首次公开发行股票并上市后三年内,如公司股票收盘价格连续20个交易日低于最近一期经审计的每股净资产,公司将通过控股股东增持股份、公司全体董事(独立董事除外)和高级管理人员增持公司股票以及公司回购股份等措施来稳定股价。您现在的位置：-->常见问题
户外LED显示屏如何有效的散热
　 &&LED显示屏由于像素点密集本身发热量就大，长时间户外使用，内部温度势必逐步攀升，特别是面积比较大的【户外LED显示屏】散热则变成一个必须重视的问题，LED显示屏散热间接影响着LED显示屏的使用寿命，甚至直接影响到LED显示屏的正常使用和安全。如何散热也成了显示屏必须考虑的问题。
　　热量的传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。
　　导热：气体导热是由气体分子不规则运动时互相碰撞的结果。金属导体中的导热主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。
　　对流：指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称自然对流。若流体的运动由外力(风扇等)引起的，则称为强迫对流。
　　辐射：物体以电磁波形式传递能力的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量，且有能量形式的转换，即热能转换为辐射能及辐射能转换成热能。
　　选择散热方式时，应考虑下列因素：led显示屏的热流密度、体积功率密度、总功耗、表面积、体积、工作环境条件(温度、湿度、气压、尘埃等)等。
　　按传热机理，有自然冷却、强迫空气冷却、直接液体冷却;蒸发冷却;热电致冷;热管传热等散热方式。
　　【户外LED显示屏】的散热设计方法
　　发热电子零部件与冷风的热交换面积，发热电子零部件与冷风的温度差，直接影响散热效果。这就涉及进入led显示屏箱体的风量大小设计，风道的设计。通风管道设计时，尽量采用直管道输送空气，避免采用急剧拐弯和弯曲的管道。通风管道应避免骤然扩展或骤然收缩。扩展的张角不要超过20o，收缩的锥角不要大于60o。通风管道应尽量密封，所有搭接都应顺着流动方向。
　　【户外LED显示屏】箱体设计时，有几点需注意：
　　进气孔应设置在箱体下侧，但不要过低，以免污物和水进入安装在地面的箱体内。
　　排气孔应设置在靠近箱体的上侧。
　　空气应自箱体下方向上方循环，应采用专用的进气孔或排气孔。
　　应使冷却空气从发热电子零部件中流过，同时需防止气流短路。
　　进气孔、出气处需设置过滤网，以防杂物进入箱体。
　　设计时应使自然对流有助于强迫对流
　　设计时需确保进气口与排气口远离。要避免重复使用冷却空气。
　　要保证散热器齿槽方向与风向平行，散热器齿槽不能阻挡风路。
　　风扇安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风口常常会受到各种阻挡，其性能曲线会发生变化。根据实际经验，风扇的进出风口最好与阻挡物有40mm的距离，如果有空间限制，也应至少有20mm。
【户外LED显示屏】的维护方案，一个要做好散热的的措施，二是使用上应避免操作不当。一般建议配置风扇或空调来加强散热的功能。
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led照明灯具散热的技术改善
所属分类：发布时间： 08:13
　　LED照明灯具散热是基于诸如发光二极管（LED）之类的半导体光源的光照，提供了传统荧光灯、HID和白炽灯的可行替换方案。LED的功能优点和益处包括高能量转换和光学效率、耐久性、较低的操作成本和很多其他功能优点和益处。LED技术的最近进展已经提供了使能许多应用中的多种照明效果的高效且鲁棒的全光谱照明源。体现这些源的一些灯具以照明模块为特征，照明模块包括能够产生不同颜色（例如红、绿和蓝）的一个或多个LED以及用于独立控制LED的输出以生成多种颜色和颜色变化照明效果的处理器。
　　一般地，LED照明灯具操作以将电能转化成光能。虽然光束是冷的，但是灯具本身产生热作为来自能量转换的副产品。当被产生且维持持续时间段时，过量的热可损坏LED系统的温度敏感组件。为解决该问题，散热器被用作灯具外壳的一部分以从这些敏感组件汲取走热。
　　在典型的散热器设计中，诸如例如铝之类的导热材料被浇铸或形成成被设计成借助于例如传导、对流和辐射而将热从电子器件传递走至灯具外部的形状。为了最大化热传递，散热器设计旨在在准许充足空气流动的同时具有可能的最大量的表面区域。使能空气流动的在散热器上的区域可有助于自然对流且可提供用于强制空气行进的区域。例如，可产生强制对流的风可行经散热器的这些区域。这些设计旨在将电子器件的温度维持到可延长灯具寿命的充足水平。
　　针对用于发光设备的创新散热器方法和装置。例如，典型的散热器设计的问题在于他们仅可在某些取向上有效操作。将照明灯具安装在其他取向上可导致被阻挡的流体流动，该流体流动通常将有助于热耗散。作为示例，垂直放置被设计成以水平散热片（fin）操作的散热器可产生对于空气行进的阻挡且可负面影响散热器性能。另一问题在于这些设计的散热器散热片可产生捕获水和碎屑的通道，尤其当它们被用于室外应用中时。这样的通道可通过减少散热器与周围空气或用于散热的其他合适流体相接触的表面区域而降低散热器性能。
　　与这些散热器设计形成对照，本申请的示例性方面可减少灯具取向对热性能的影响和/或可减小通道内的水/碎屑淤积。因此，本文描述的示例性实施例可减轻与上面描述的散热器设计相关联的问题以改进散热器效力并由此增加照明器的寿命和可靠性。例如，依照一个特征，散热器的散热片可成角度并设计成准许在多个不同取向上相对不受阻碍的流体流动。此处，多组散热片可被分离以使得流体能够流经分离区域中的散热片以及流经多组散热片内形成的通道。这些快速淬火炉在分离区域可使得流体能够在与流体流经各组散热片中形成的通道的方向不同的方向上流动。因此，这些特征可减少由于当散热器被安装在各种不同取向上时的热过载所致的灯具故障的风险，由此向用户提供选择用于光灯具的期望取向的更多自由度。另外，散热器可包括倾斜和/或弯曲的表面，其准许水的排出和诸如例如灰尘和污物之类的碎屑的脱落。这些特征可避免水淤积，水淤积可负面影响热性能且可腐蚀金属和装饰涂层。
　　用于发光设备的散热器包括形成在散热器的表面上的第一流体通道的第一组散热片和形成在散热器表面上的第二流体通道的第二组散热片。此处，第二组散热片邻近第一组散热片。第一组的散热片基本上平行并且第二组的散热片也基本上平行。进一步，在第一组的散热片与第二组的散热片之间的平均角度大于或等于&且小于或等于&。如上面指示的，该散热片配置可准许在多个不同取向上的相对不受阻碍的流体流动。进一步，与散热片组之间的通道的笔直耦合相比，使散热片成角度可增加给定流体流在其上流经由所述组形成的通道的散热器总表面区域，这进而可改进散热器的热耗散属性。
　　依照一个实施例，第一组的散热片的最靠近第二组散热片的端点与第二组的最靠近第一组的端点相分离。散热片之间的该分离使得流体能够在与由平行散热片形成的流体通道的方向交叉或以其他方式不同的方向上沿着散热器行进。特别地，该分离可确保流体流动不受该方向上的散热片阻碍。因此，用户可在多个不同取向上安装和调整散热器灯具，所述取向使得散热器能够为发光设备提供充足的热耗散。在该实施例的一个版本中，第一组的散热片的端点被设置在第二组的散热片的端点之上。此处，多组散热片可形成跨越散热器表面的至少一部分的直接、不受阻碍的通道以准许相对大量的流体流动穿过散热器，这可改进散热器的热耗散功能。可选地，第一组的散热片的端点中的每个被设置在第二组的散热片的端点中的对应端点的正上方。该特征使得流体能够从一组散热片的通道无缝流动到其他组散热片的通道，而同时提供上面讨论的直接通道。可替换地，在该实施例的另一版本中，第一组的散热片的端点被设置在第二组的散热片的端点之下。该特征可使得流体能够在与由平行散热片形成的流体通道的方向交叉或以其他方式不同的大体方向上围绕散热片以迂回或曲折路径流动。该迂回或曲折路径准许流体在散热器的较大表面区域上流动，并且进而可改进散热器提供的热耗散。可选地，第一组的散热片的端点中的每个可被中心地设置在第二组中形成的第二流体通道中的对应通道中。附加地或可替换地，第二组的散热片的端点中的每个可被中心地设置在第一组中形成的第一流体通道中的对应通道中。这些特征使得流体能够稳定和一致地围绕散热片流动以提供跨越散热器表面的至少一部分的更均匀的热耗散。
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