面向LED汽車前照燈的熱管數值模擬與實驗研究

蔡法星，袁 軍，梁才航

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004)

引言

隨著科技的不斷發(fā)展，大功率LED逐漸被應用到汽車前照燈上，在環(huán)保、節(jié)能以及發(fā)光機理方面LED燈均優(yōu)于傳統(tǒng)的照明燈系統(tǒng)。

普通的LED燈的發(fā)光效率不超過60%，多數車用LED燈的80%的能量轉化成了熱能[1-7]。隨著LED產品功率密度和封裝密度的提高，這將會引起芯片內部熱量聚集，導致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命短等一系列問題[8-10]。

目前市場上LED燈的散熱方式主要有以下幾種：自然冷卻、風冷、液冷散熱、熱管等[11-13]。傳統(tǒng)的風冷和液冷技術成熟，成本較低，目前被許多領域普遍采用。然而，這兩種冷卻技術對于LED熱管理來說存在著一個致命的缺陷——體積過于龐大，由于空間和環(huán)境的限制，導致這兩種方式用于LED熱管理系統(tǒng)時散熱效果大打折扣，從而達不到理想的熱管理效果[14]。結溫是電子設備中的半導體在工作時的實際工作的溫度，而LED大燈的壽命長短與結點溫度有莫大的關聯。通常情況下，LED 燈芯的溫度越高(結溫越高)，其使用壽命就會越短、發(fā)光效率就會越低[11]。離子風散熱的工作原理是：燈體工作時會產生大量的正負電子，正負電子會在電場的作用下相互結合。在結合過程中，正電離子會向負電離子一端移動，此時就會形成一種穩(wěn)定的氣流，燈芯片處的熱量就會隨著這股氣流源源不斷地散出去。這種散熱方式由于無需其他機械結構參與，在帶走熱量的過程不會產生噪音，并且整個結構集成度高、體積小，很適合汽車LED燈的工作環(huán)境，在LED散熱領域有著廣泛的應用前景，當然這種散熱形式也有著不可避免的缺點，它不能像傳統(tǒng)風扇一樣耐灰塵，而且現在離子風散熱器電極的壽命較短，不適用于目前的汽車LED大燈[15]。

熱管是 60 年代發(fā)展起來的依靠內部工作液體相變來實現高導熱性能的傳熱元件，其結構 簡單緊湊、重量輕，但傳熱效率和輸熱能力大大超出一般傳熱器件，被譽為“熱的超導體”[13]。體積小、傳熱效率高的熱管散熱在LED熱管理中則顯得極具優(yōu)勢。在熱傳導和相變介質方面，熱管是一種極具優(yōu)勢的傳熱元器件，這種散熱方式在提高LED系統(tǒng)散熱性能的同時，可大大減少散熱系統(tǒng)的體積，使其在空間有限的情況下也能有良好的散熱。

提高大功率LED燈的散熱性能和可靠性、降低大功率LED燈的尺寸已成為未來LED散熱技術研究的核心內容。因此在 LED前大燈的設計過程中，結合燈的實際工作環(huán)境對其散熱結構進行合理的設計尤為重要。

1 工作原理

1.1 熱管工作原理

常見熱管的工作原理如圖1所示。該熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。將管內抽成1.3×(10-1～10-4)Pa的負壓，然后充入適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體，之后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至另—端。

圖1 熱管工作原理圖[12]Fig.1 Diagram of how heat pipes work

1.2 常見的LED汽車大燈散熱結構

目前市場上主流的LED大燈結構是鋁制外殼散熱，如圖2所示，這幾種LED大燈散熱裝置，包括燈芯、燈罩、散熱鋁制外殼、尾部風扇(或銅編織帶)[16]。LED芯片一般為多個芯片陣列排布，LED燈燈芯與LED基板相連，基板的材質為超導鋁，能有效地傳遞熱量，與基板相連的為鋁制燈體，LED基板在燈體兩側呈對稱式分布，燈芯與基板結合一起組成LED燈，鋁制燈體尾部設有散熱小風扇或者銅編織帶。

圖2 常見燈體結構Fig.2 Common lamp body structure

圖2所示的燈體結構因制作方便而被大規(guī)模應用，但是鋁制燈體導熱性能有限，因此本文設計了一種結構來優(yōu)化這種燈體，將微熱管結構加入燈體結構中，以增強散熱。熱管的導熱性能相比起鋁制材料更好，能夠在更短的時間內傳遞更多的熱量[17，18]。由于大燈在工作時熱量經由燈芯傳遞銅質基板，而后再由鋁制基板將熱量傳導至尾部，于是本文將與LED燈基板相連的鋁制燈體換成微熱管，由于微熱管不能很緊密地與基板接觸，中間或多或少或有空隙，于是在微熱管周圍添加導熱硅脂讓熱管與基板密切接觸。

1.3 改進的LED汽車大燈散熱結構

為節(jié)約成本和簡化散熱系統(tǒng)結構，本文采用的熱管為常規(guī)熱管。在不改變熱管性能的基礎上，對熱管進行一定的改進，將其與LED基板相互接觸的部位壓扁，壓扁的目的有三個：

(1)為了讓熱管更好地適應燈體結構；

(2)加大接觸面積，提高熱傳導性能；

(3)減小散熱系統(tǒng)的體積。

為了驗證加入熱管后燈體的散熱性能高于不加入熱管的燈體的散熱性能，設計了一組以熱管為唯一變量的對比實驗，實驗結果如圖3所示。從圖中可以看出，不加入熱管時，LED結溫為113.86 ℃，散熱器末端溫度為41.725 ℃；而加入熱管時LED結溫為68.5 ℃，散熱器末端約為38.5 ℃。顯然優(yōu)化之后的LED散熱能力明顯加強，進一步直觀地證明了假設成立。

圖3 有無熱管結溫對比圖Fig.3 Comparison chart of the junction temperature of the heat pipe

基于上述分析和設計，本文設計出一種面向汽車LED前照燈的熱管散熱系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 大燈模型Fig.4 Headlight model

該系統(tǒng)包括兩個燈芯、兩個基板、一根微熱管、鋁制燈體以及一個風扇，燈芯實際為多個陣列分布，燈芯與基板緊密接觸組成LED燈芯片，熱管的側面呈現圓弧狀，燈體與熱管接觸處也是設有槽狀結構。這種設計能讓熱管與燈體很好的接觸，兩片LED燈芯片在熱管兩側堆成分布，設有燈芯的一端為熱管的蒸發(fā)端，熱管的另一端與燈體后面相連，燈體的材料為超導鋁。燈體尾部的翅片適合鋁制外殼一體的，散熱翅片邊緣具有凸起，凸起與凸起之間留有空隙，目的為增大其散熱面積。小風扇固定在散熱翅片上，目的是進一步加快熱管的散發(fā)。

2 實驗系統(tǒng)與過程

2.1 熱管熱充液介質及充液率的選取

熱充液介質影響熱管的使用途徑，并且還會影響熱管的實際工作效率。用于熱管中充液工質的介質主要有甲醇、甲苯、乙醇、丙酮以及蒸餾水?？紤]到LED燈在工作時的溫度范圍和熱管殼體不能被工質腐蝕的因素，最終決定對蒸餾水、丙酮、乙醇這三種工質進行不同充液率實驗。它們的沸點溫度、工作溫度以及相容殼體材料見表1。

表1 常溫熱管介質沸點與工作溫度Table 1 Boiling point and working temperature of room temperature heat pipe medium

為探究不同工質及其充液率對散熱性能的影響，設計了21組不同變量的對比實驗，實驗的變量為充液工質和充液率，充液率從10%～70%，每隔10%設置一組。工質為3種，分別為乙醇、丙酮和蒸餾水。得到結果如圖5所示。

圖5 充液率、工質與結溫的關系Fig.5 The relationship between liquid filling rate，working fluid and junction temperature

從圖5中可以看出，隨著充液率從10%～70%不斷增加，LED的結溫呈現先減小后增大的趨勢，即LED大燈的散熱性能先增大后減小。對于這三種不同的工質，充液率在30%附近的時候均出現最低結溫分別為：酒精工質57 ℃、丙酮工質52 ℃、蒸餾水工質59 ℃。

根據這一數據結果，汽車LED大燈散熱器中的熱管充液工質因選擇性能最優(yōu)越的丙酮工質，其充液率控制在30%附近。

2.2 熱管與燈體的結合

燈體結構的加工目的在于去除不需要的結構，為熱管的加入騰出空間。圖6為大燈加工前后的效果對比圖。

圖6 大燈加工前后效果對比圖Fig.6 Comparison chart of the effect of headlamps before and after processing

經過對燈體結構的觀察以及測量，最終決定將熱管制作成如圖7所示結構，具體規(guī)格為：長度80 mm、扁平端厚度為3 mm、圓柱端直徑為6 mm、其中與LED等基板接觸的長度為48 mm。

圖7 熱管外形圖Fig.7 Heat pipe outline diagram

熱管的規(guī)格尺、形狀、充液率以及工質確定好后，下一步就是將熱管與燈體結合，由于加工燈體時存在一定的誤差，無法做到不依靠任何輔助工具的情況下將熱管與燈體完美結合，因此在結合熱管時采用導熱硅膠進行輔助連接，在這里導熱硅膠的作用類似電腦CPU散熱時用到的導熱硅脂，其目的均在于讓發(fā)熱元器件與散熱元器件緊密接觸，充分發(fā)揮散熱元器件的散熱作用。改進后的完整散熱器實物圖如圖8所示。

圖8 改進后的完整散熱器實物圖Fig.8 Improved complete physical drawing of the heatsink

2.3 實驗儀器

實驗儀器主要有一臺可調電源、一臺紅外熱成像儀。LED燈芯片選用的是添鑫光電TX3570芯片，這種芯片單組工作功率為12 W，額定工作電壓為12 V，由于LED大燈的芯片是兩組對稱分布，在調整電壓時應控制在12 V，電流為1 A。紅外熱成像儀的作用是通過電子器件來測量LED結溫，避免在數據測量時人為因素導致的誤差，確保實驗數據的準確性。

2.4 實驗臺的搭建

在搭建實驗臺時所需要準備的儀器有：完整的汽車LED大燈、可調電源、放置LED大燈的支架、FLIR E50紅外熱成像儀以及拍照工具。為了讓得到的數據更加準確，并降低在實驗過程中由于外在因素而導致的實驗失敗率，需要排除外在的因素干擾。在進行實驗前要達到以下幾點要求：第一，LED汽車大燈的熱管與鋁制燈體接觸處用導熱硅膠填充，使各個部件之間良好接觸，同時，忽略各部件之間的接觸熱阻；第二，由于LED大燈在工作時溫度較高，有一部分熱量會通過熱輻射的形式散發(fā)，并且這部分散熱無法避免，因此在實驗室不考慮這部分熱量；第三，由于熱管在工作時，其內部的工作狀態(tài)比較復雜，并且熱成像儀無法對內部的工作狀況進行檢測，因此在分析和計算時，將熱管的導熱率設置為一個恒定值。

實驗臺的搭建步驟：第一步，檢查實驗儀器是否完好，將需要用到的儀器放在一起；第二步，打開可調電源，將電壓、電流的數值調到需要的大小后關閉電源；第三步，用支架以及鐵絲固定好LED大燈；第四步，打開熱成像儀，調至紅外測溫功能，并對準LED燈的芯片位置；第五步，接通電源，讓LED燈工作一段時間；第六步，記錄數據。

2.5 實驗結果

將實驗臺搭建好之后，一共測量兩組數據，一組為不進行任何改裝的原廠LED大燈，另一組為加入熱管優(yōu)化過結構之后的改進版LED大燈。在工作功率上，兩組實驗均采用24 W的功率進行工作，另外，為進一步排除其他光源的影響，實驗進行時盡可能減少使用其他光源，將環(huán)境控制在溫度變化小、無其他光源干擾的環(huán)境中，讓LED大燈自行正常工作。這兩組數據的采集除了有無熱管之外沒有任何不同，實驗結果如圖8所示。

由圖9可知，在24 W的額定工作條件下，不進行任何改裝的原廠LED大燈的節(jié)點溫度在111 ℃左右，在燈體的尾部翅片位置溫度達到了87.9 ℃；加入熱管優(yōu)化過結構之后的改進版LED大燈結點處的溫度在93.2 ℃左右，散熱器尾部的翅片部位溫度在 78.5 ℃左右。

圖9 改進前后LED大燈的熱成像顯示對比圖Fig.9 Improved thermal image display comparison chart of front and rear LED headlights

通過實驗結果可知，從數值上，相比未經改造的LED大燈，改造后的大燈芯片處的結溫降低了17.8 ℃，尾部翅片處的溫度降低了9.4 ℃。熱管結構對散熱率的確有很大的改善，加入熱管后，芯片處的溫度能夠更高效地傳至尾部，而后再有尾部的小風扇進行強制對流散熱，讓燈體的溫度有了一個整體的下降。散熱器的散熱性能有了很大提升，在長期使用過程中也能保證LED燈的壽命以及發(fā)光效率。

3 數值模擬分析

3.1 建立模型

ANSYS Workbench仿真平臺是目前 ANSYS公司推出的一種新型的可提供協作仿真環(huán)境的軟件。ANSYS仿真過程主要分為三個步驟：預處理、計算分析、后置處理。

在進行網格劃分之前，導入Solidworks中建立的模型。在劃分網格時選擇劃分方式為自動劃分網格[19-21]，劃分時單元的尺寸為0.5 mm，劃分結果如圖10所示。

圖10 網格劃分效果圖Fig.10 Meshing renderings

3.2 數值模擬

在進行仿真參數設計時，將LED光源看作一個整體模型，其發(fā)熱的形式設定為內部發(fā)熱；芯片基板材料設置為合金銅材質，其導熱系數固定為170 W/(m·K)。

微熱管視作恒定導熱率鋁合金材料，其導熱系數設定為2 500 W/(m·K)；燈具殼體材料是鋁合金材料，導熱系數為210 W/(m·K)；環(huán)境的初始溫度設置為25 ℃；在仿真時尾部的小風扇結構去除，取代風扇作用的為尾部翅片位置的一個對流換熱設定，對流換熱系數設定為50 W/(m·K)。在進行沒有加入熱管結構的LED汽車大燈仿真實驗時，除了沒有熱管這個結構的導熱系數設定之外，其他參數的輸定均與此相同。

3.3 模擬結果

圖11為改進前后LED大燈的仿真模擬對比圖。由圖可知，未加入熱管時LED大燈的最高溫度為113.08 ℃，最低溫度為73.078 ℃；加入熱管時的LED大燈的最高溫度出現在LED芯片附近，溫度為90.061 ℃；最低溫度在尾部的翅片位置，溫度為60.87 ℃。

圖11 改進前后LED大燈的仿真模擬對比圖Fig.11 Improved simulation comparison chart of front and rear LED headlights

在整個仿真溫度圖中，LED芯片的上端由于沒有其他結構可以進行散熱，整個芯片的上部分均是高溫部分，這一現象符合實際，而在芯片往下的結構中，溫度呈現遞減的趨勢，原因是相比較上半部分，下半部分有鋁制導熱外殼以及熱管的冷凝端，溫度是呈現逐步遞減的形式。

將改進前后LED大燈的仿真模擬進行比較可以得出，加入熱管結構之后，芯片處的溫度降低了約23 ℃；尾部翅片的溫度降低了約13 ℃。從溫度降低的數值上來講，熱管結構發(fā)揮了其優(yōu)越的導熱性能，整個燈體的溫度都得到了一定的降低，能極大地延長其使用壽命。

4 結論

(1)提出了一種基于熱管的LED汽車大燈散熱裝置，包括熱管的加工，燈體的加工等。在此基礎上還探討了不同充液率、工質對LED燈結溫的影響，實驗得到LED大燈散熱器中的熱管充液工質選擇性能最優(yōu)越是丙酮工質，其充液率在30%左右更能發(fā)揮熱管的導熱性能。

(2)搭建實驗臺利用熱成像儀以及ANSYS workbench軟件仿真軟件分別對本文設計的基于熱管的LED汽車大燈散熱裝置進行實驗和數值模擬。熱成像儀測得的數據加入熱管后燈芯處和尾部翅片的溫度分別降低了約18 ℃和9.4 ℃，虛擬仿真得到的數據加入熱管后燈芯處和尾部翅片的溫度分別降低了23 ℃和13 ℃。驗證了本文設計的基于熱管的LED汽車大燈散熱裝置的可行性和優(yōu)化效果。