LED汽車燈散熱器結構設計探析

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[摘要]led車燈亮度高、光色可調節、能環保，使用壽命長、元件體積小、質量輕、防眩目干擾，但由于其在實際應用中，大部分電能轉化成了熱量，因此提高LED散熱性能成為提高LED可靠性的關鍵技術之一。運用ANSYSIcepak軟件對LED汽車燈散熱器的散熱設計進行結構散熱仿真分析，研究散熱器三維模型結構的改變和采用強迫風冷散熱對LED結溫的影響。對比不同結構的散熱器，分析并得到穩定工作的熱分析圖，得出一種散熱效果最佳的結構，使得LED發光芯片處溫度均在合適范圍內。

[關鍵詞]LED車燈；散熱設計；熱分析；ANSYS

0引言

汽車大燈不僅關系到一款車型的外貌，而且與夜間行車及不良氣候環境中的安全駕駛緊密相關。20世紀末，高亮度LED的發明在技術上和批量生產上為汽車燈光源LED化鋪平了道路。從目前的車燈市場來看，LED車燈無論在車輛原配還是改裝市場中占比越來越重。但是，LED高功率產品的輸入電能只有15％~30％轉換為光能，剩下70％~80％均轉換為熱能。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℃，其失效率就會增加一倍左右，同時電子設備的平均使用壽命也會隨著工作溫度的增高而下降，因此對LED汽車燈散熱器結構進行散熱仿真分析和優化設計就變得更加重要[1-5]。在設計LED發光芯片時，為能更好地控制結溫，對于散熱，主要考慮提高發光芯片向外殼傳導熱量的能力和提高外殼向外界散熱的能力。本文利用UG進行三維建模并使用ANSYSIcepak軟件進行散熱分析，分析在采用強迫風冷散熱條件下，LED汽車燈散熱器的三維模型結構的改變對散熱性能的影響，并根據實際情況對散熱器結構進行優化設計。

1理論分析

1.1熱傳導

熱傳導是同一介質或不同介質間由于溫差所產生的傳熱現象。導熱基本規律由傅里葉定律給出，表示單位時間內通過給定面積的熱流量，其表達式為QAxt22=-m(1)式中：Q——熱傳導熱流量，W；λ——材料導熱系數，W/（m·℃）；A——垂直于導熱方向的截面積，m2；t——沿等溫面法線方向的溫度梯度，℃/m。

1.2對流換熱

對流換熱是保證電子設備散熱的主要方式。對流換熱是指流動的流體（氣體或液體）與其相接觸的固體表面之間，由于不同溫度所發生的熱量交換過程。其中，對流換熱分為自然對流和強迫對流，兩種方式下的對流換熱系數以及熱流密度如表1所示[6]，自然對流是因為冷、熱流體的密度差引起的流動，而強迫風冷是由外力迫使流體進行流動，是因為壓力差而引起的流動。對流換熱可以使用牛頓冷卻公式表達：Q=hcA（tw-tf）(2)式中：Q——對流換熱量，W；h——對流換熱系數，W/（m2·℃）；A——壁面的有效對流換熱面積，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

發光源是車燈的核心，現在廣泛應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，對其基礎模型進行散熱情況的模擬，并對其結構進行優化設計，具體參數見表2、表3和表4。在實際使用中，熱量從芯片產生，由PCB板傳到散熱器。其中，芯片與PCB板上有導電膠，PCB板與散熱器間涂有導熱膠。D2H型LED散熱器整體結構裝配圖和爆炸圖分別如圖2和圖3所示。本文主要研究LED散熱器的結構優化，可以忽略導電膠和導熱膠。

2.2理論模型

散熱器采用強迫對流，風扇強制空氣對流換熱系數取值范圍為30~100W/(m2·K)。PCB上共有12顆LED發光芯片并對稱安裝于鋁基板兩面，其內部結構復雜，因此將其簡化成一個長方體，長度1mm，寬度1mm，高度0.23mm。因為LED發光芯片較小，可將其簡化為一個熱源面[7]，并假設每顆LED的性能完全相同。本文主要分析LED汽車燈散熱器結構對散熱的影響，簡化LED發光芯片處溫度，模型簡化符合實際情況。對散熱器采用非結構化六面體劃分網格。環境溫度為20℃。強迫風冷散熱，Icepak自動求解出雷諾數Re=5.35103和貝克萊特數Pe=3.79103，確定使用湍流。LED汽車燈總功率20W，每個燈珠1.6W，光電效率為20%，總熱功耗為20W×80%=16W。對散熱器采用非結構化六面體劃分網格如圖4所示。網格劃分element：178144。圖5為溫度分布云圖。從圖中可知結溫為83.97℃。

3散熱結構設計及溫度測試

3.1散熱器翅片高度設計的優化分析

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LED發光芯片結溫的影響如圖6所示。散熱器的翅片高度發生變化后，散熱器的散熱面積發生了改變。圖6中可以看出，翅片的高度在8~16mm區間時，結溫下降較快；翅片高度大于18mm時，結溫有上升的趨勢。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，采用強迫風冷散熱，當翅片超過18mm時，風力減弱，散熱效果也減弱。由此推斷，在翅片高度區間在14~20mm中散熱效果最佳。

3.2散熱器翅片直徑設計的優化分析

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LED發光芯片結溫的影響如圖7所示。在散熱器翅片數量不變的前提下，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，隨著翅片半徑的增加，直徑在26~34mm區間時，結溫下降較快，但翅片直徑增加到大于34mm后，結溫下降緩慢。由于風扇風量固定不變，因此再增加翅片半徑對于散熱效果不是很明顯。此時，增加翅片只會增加耗材，不會提高散熱效果。由此推斷，在翅片直徑區間在45mm中散熱效果最佳。

4結論

通過分析散熱器翅片的直徑、高度對LED結溫的影響發現，當翅片高度大于14mm時，結溫下降較快，而翅片高度大于18mm時，結溫呈現上升的趨勢；翅片直徑小于38mm時，結溫下降趨勢較快，而翅片直徑大于38mm時，結溫下降趨勢緩慢。當散熱器翅片高度為18mm，直徑為45mm時散熱性能最好。

作者:陳錦華 何邦貴 周光盛 單位:昆明理工大學機電工程學院