LED汽車燈散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析
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[摘要]led車燈亮度高、光色可調(diào)節(jié)、能環(huán)保，使用壽命長(zhǎng)、元件體積小、質(zhì)量輕、防眩目干擾，但由于其在實(shí)際應(yīng)用中，大部分電能轉(zhuǎn)化成了熱量，因此提高LED散熱性能成為提高LED可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。運(yùn)用ANSYSIcepak軟件對(duì)LED汽車燈散熱器的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)散熱仿真分析，研究散熱器三維模型結(jié)構(gòu)的改變和采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱對(duì)LED結(jié)溫的影響。對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的散熱器，分析并得到穩(wěn)定工作的熱分析圖，得出一種散熱效果最佳的結(jié)構(gòu)，使得LED發(fā)光芯片處溫度均在合適范圍內(nèi)。
[關(guān)鍵詞]LED車燈；散熱設(shè)計(jì)；熱分析；ANSYS
0引言
汽車大燈不僅關(guān)系到一款車型的外貌，而且與夜間行車及不良?xì)夂颦h(huán)境中的安全駕駛緊密相關(guān)。20世紀(jì)末，高亮度LED的發(fā)明在技術(shù)上和批量生產(chǎn)上為汽車燈光源LED化鋪平了道路。從目前的車燈市場(chǎng)來(lái)看，LED車燈無(wú)論在車輛原配還是改裝市場(chǎng)中占比越來(lái)越重。但是，LED高功率產(chǎn)品的輸入電能只有15％~30％轉(zhuǎn)換為光能，剩下70％~80％均轉(zhuǎn)換為熱能。由于電子元器件的失效率隨溫度的升高而升高，電子元器件的溫度每升高10℃，其失效率就會(huì)增加一倍左右，同時(shí)電子設(shè)備的平均使用壽命也會(huì)隨著工作溫度的增高而下降，因此對(duì)LED汽車燈散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)就變得更加重要[1-5]。在設(shè)計(jì)LED發(fā)光芯片時(shí)，為能更好地控制結(jié)溫，對(duì)于散熱，主要考慮提高發(fā)光芯片向外殼傳導(dǎo)熱量的能力和提高外殼向外界散熱的能力。本文利用UG進(jìn)行三維建模并使用ANSYSIcepak軟件進(jìn)行散熱分析，分析在采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱條件下，LED汽車燈散熱器的三維模型結(jié)構(gòu)的改變對(duì)散熱性能的影響，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1理論分析
1.1熱傳導(dǎo)
熱傳導(dǎo)是同一介質(zhì)或不同介質(zhì)間由于溫差所產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象。導(dǎo)熱基本規(guī)律由傅里葉定律給出，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定面積的熱流量，其表達(dá)式為QAxt22=-m(1)式中：Q——熱傳導(dǎo)熱流量，W；λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；A——垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，m2；t——沿等溫面法線方向的溫度梯度，℃/m。
1.2對(duì)流換熱
對(duì)流換熱是保證電子設(shè)備散熱的主要方式。對(duì)流換熱是指流動(dòng)的流體（氣體或液體）與其相接觸的固體表面之間，由于不同溫度所發(fā)生的熱量交換過(guò)程。其中，對(duì)流換熱分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流，兩種方式下的對(duì)流換熱系數(shù)以及熱流密度如表1所示[6]，自然對(duì)流是因?yàn)槔?、熱流體的密度差引起的流動(dòng)，而強(qiáng)迫風(fēng)冷是由外力迫使流體進(jìn)行流動(dòng)，是因?yàn)閴毫Σ疃鸬牧鲃?dòng)。對(duì)流換熱可以使用牛頓冷卻公式表達(dá)：Q=hcA（tw-tf）(2)式中：Q——對(duì)流換熱量，W；h——對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；A——壁面的有效對(duì)流換熱面積，m2；tw——固體表面的溫度單位，℃；tf——冷卻流體的溫度單位，℃。
2建立模型
2.1幾何模型
發(fā)光源是車燈的核心，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在汽車上的是鹵素大燈和氙氣大燈，如圖1所示。分析原型為某公司的D2H型LED散熱器，對(duì)其基礎(chǔ)模型進(jìn)行散熱情況的模擬，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體參數(shù)見表2、表3和表4。在實(shí)際使用中，熱量從芯片產(chǎn)生，由PCB板傳到散熱器。其中，芯片與PCB板上有導(dǎo)電膠，PCB板與散熱器間涂有導(dǎo)熱膠。D2H型LED散熱器整體結(jié)構(gòu)裝配圖和爆炸圖分別如圖2和圖3所示。本文主要研究LED散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以忽略導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠。
2.2理論模型
散熱器采用強(qiáng)迫對(duì)流，風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對(duì)流換熱系數(shù)取值范圍為30~100W/(m2·K)。PCB上共有12顆LED發(fā)光芯片并對(duì)稱安裝于鋁基板兩面，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此將其簡(jiǎn)化成一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度1mm，寬度1mm，高度0.23mm。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光芯片較小，可將其簡(jiǎn)化為一個(gè)熱源面[7]，并假設(shè)每顆LED的性能完全相同。本文主要分析LED汽車燈散熱器結(jié)構(gòu)對(duì)散熱的影響，簡(jiǎn)化LED發(fā)光芯片處溫度，模型簡(jiǎn)化符合實(shí)際情況。對(duì)散熱器采用非結(jié)構(gòu)化六面體劃分網(wǎng)格。環(huán)境溫度為20℃。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，Icepak自動(dòng)求解出雷諾數(shù)Re=5.35103和貝克萊特?cái)?shù)Pe=3.79103，確定使用湍流。LED汽車燈總功率20W，每個(gè)燈珠1.6W，光電效率為20%，總熱功耗為20W×80%=16W。對(duì)散熱器采用非結(jié)構(gòu)化六面體劃分網(wǎng)格如圖4所示。網(wǎng)格劃分element：178144。圖5為溫度分布云圖。從圖中可知結(jié)溫為83.97℃。
3散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溫度測(cè)試
3.1散熱器翅片高度設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析
原始模型翅片高度為12mm，模擬翅片的高度分別為8，10，12，14，16，18，20，22，24，26mm。在不同翅片高度下對(duì)LED發(fā)光芯片結(jié)溫的影響如圖6所示。散熱器的翅片高度發(fā)生變化后，散熱器的散熱面積發(fā)生了改變。圖6中可以看出，翅片的高度在8~16mm區(qū)間時(shí)，結(jié)溫下降較快；翅片高度大于18mm時(shí)，結(jié)溫有上升的趨勢(shì)。分析可知：散熱器翅片高度的增加，使得翅片換熱面積增加，有利于散熱器的散熱，但并不是翅片越高散熱器效果越好。由圖6可知，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，當(dāng)翅片超過(guò)18mm時(shí)，風(fēng)力減弱，散熱效果也減弱。由此推斷，在翅片高度區(qū)間在14~20mm中散熱效果最佳。
3.2散熱器翅片直徑設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析
原始模型翅片直徑為31mm，模擬翅片的直徑為27，29，31，33，35，37，39，41，43，45mm。在不同翅片直徑下對(duì)LED發(fā)光芯片結(jié)溫的影響如圖7所示。在散熱器翅片數(shù)量不變的前提下，改變翅片的半徑。由圖6可以看出，在允許安裝的最大半徑內(nèi)，隨著翅片半徑的增加，直徑在26~34mm區(qū)間時(shí)，結(jié)溫下降較快，但翅片直徑增加到大于34mm后，結(jié)溫下降緩慢。由于風(fēng)扇風(fēng)量固定不變，因此再增加翅片半徑對(duì)于散熱效果不是很明顯。此時(shí)，增加翅片只會(huì)增加耗材，不會(huì)提高散熱效果。由此推斷，在翅片直徑區(qū)間在45mm中散熱效果最佳。
4結(jié)論
通過(guò)分析散熱器翅片的直徑、高度對(duì)LED結(jié)溫的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)翅片高度大于14mm時(shí)，結(jié)溫下降較快，而翅片高度大于18mm時(shí)，結(jié)溫呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；翅片直徑小于38mm時(shí)，結(jié)溫下降趨勢(shì)較快，而翅片直徑大于38mm時(shí)，結(jié)溫下降趨勢(shì)緩慢。當(dāng)散熱器翅片高度為18mm，直徑為45mm時(shí)散熱性能最好。
作者:陳錦華 何邦貴 周光盛 單位:昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院