一種適用于LED前照燈散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

宋曉博 葛愛(ài)明 王 巍 邱 鵬

(復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光源與照明工程系，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

大功率LED燈具設(shè)計(jì)除了要成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能之外，還必須充分考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、工作壽命和環(huán)境適應(yīng)能力等，而這些都和溫度有著直接或間接的關(guān)系。

選取2例LED燈具，分別為3粒LED(5W)組合的和6粒LED(10W)組合的2種。以3顆LED為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 LED汽車(chē)前照燈設(shè)計(jì)原理

2.1 散熱片結(jié)構(gòu)技術(shù)

燈具在點(diǎn)亮后逐漸升溫，最后達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，也就是說(shuō)熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)各點(diǎn)的溫度最高，所以散熱計(jì)算一般只考慮穩(wěn)態(tài)情況，瞬態(tài)的熱分布情況并不重要。因此應(yīng)在燈具處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)計(jì)算燈具的溫度分布并評(píng)估其散熱的情況。

根據(jù)已知尺寸和參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)前照燈LED模型如圖2所示，其中上半部為燈罩，下半部為帶翅片的散熱器模型。

燈具傳熱過(guò)程中遵循動(dòng)量守恒定律與能量守恒定律，LED點(diǎn)亮之后，熱量的傳導(dǎo)過(guò)程為熱源－鋁基板+導(dǎo)熱膠－散熱片－外殼－外部環(huán)境。

仿真計(jì)算中，以L(fǎng)ED功率P=5W/10W測(cè)試，設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，空氣流速flow為0.001m/s。能量energy收斂值為10－7，運(yùn)用icepak仿真模擬求解，得出速度收斂值分布圖如圖3所示。

圖1 3顆LED燈具的結(jié)構(gòu)

圖2 LED前照燈散熱模型

圖3 熱量收斂分布圖

而溫度云分布圖如圖4所示。

2.2 熱管散熱技術(shù)

1963年美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover發(fā)明了一種稱(chēng)為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，自從被引入散熱器制造行業(yè)，人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠風(fēng)冷來(lái)獲得更好散熱效果的單一散熱模式。見(jiàn)圖5。

圖4 LED前照燈散熱系統(tǒng)溫度云分布

圖5 熱管散熱圖

從熱力學(xué)的角度看，物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差存在的時(shí)候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。熱傳遞有三種方式:輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。在LED的散熱過(guò)程中，熱傳導(dǎo)是起主要作用的，熱管利用蒸發(fā)制冷，熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)姆悬c(diǎn)低，容易揮發(fā)的液體。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端，當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。熱管一般支持外接散熱翅片。

3 計(jì)算仿真結(jié)果與分析

設(shè)定不同的邊界條件，使用ICEPAK計(jì)算不同條件組合時(shí)的LED芯片。并加以比較，得出表格如圖6所示。

圖6 LED前照燈散熱系統(tǒng)溫度隨芯片功率的變化

由圖6可見(jiàn)，在P=4～10W范圍內(nèi)，最高溫度與芯片功率基本呈線(xiàn)性變化，在P=5W左右時(shí)，散熱片的溫度為52℃，符合LED的工作要求，在P=10W時(shí)，散熱片的最高溫度已經(jīng)達(dá)到76℃左右，接近LED散熱要求最高溫度的上限，而大功率LED汽車(chē)前照燈的功率要求通常要達(dá)到15W以上，因此其溫度會(huì)更高，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，P=15W時(shí)，散熱片溫度T達(dá)到90℃以上，P=20W時(shí)，散熱片中心最高溫度超過(guò)100℃，這也與軟件模擬的結(jié)果相吻合，因此，單純應(yīng)用散熱片，很難達(dá)到大功率LED所需要的散熱要求。

4 改進(jìn)的散熱片模型

稍加厚散熱片的翅片，并選取銅管作為散熱管，用導(dǎo)熱硅膠粘到散熱片上，得到的改進(jìn)的散熱片的模型如圖7所示。其中銅管規(guī)格為:直徑6mm，長(zhǎng)500mm。對(duì)稱(chēng)粘于散熱翅片之間，在室溫為25℃時(shí)，經(jīng)測(cè)試。當(dāng)LED功率P=10W時(shí)，散熱片溫度T=48℃＜50℃，銅管溫度從中心到兩邊的溫度分布表如下:

L 5cm 10cm 15cm 20cm 25cm(外端)T 40 38 37 34 32

當(dāng)LED功率P=15W時(shí)，散熱片溫度T=61℃，銅管溫度從中心到兩邊的溫度分布如下:

L 5cm 10cm 15cm 20cm 25cm T 58 55 51 46 42

與無(wú)散熱管時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比，基本上達(dá)到了LED前照燈的散熱要求。

圖7 改進(jìn)的LED散熱片結(jié)構(gòu)模型

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