列車車載LED燈結構散熱分析

楊曉靜

【摘 要】LED照明光源已被廣泛應用于照明系統設備，但由于其光電轉化率較低，大部分電能實際轉化成了熱量，所以如何提高其散熱能力是LED燈產業化解決的關鍵技術之一。本文做的是列車車載LED燈結構散熱分析。對LED的各項原理、結構和光學特點做了簡要的分析，之后確定鋁材料和肋片型散熱器，導入ANSYS軟件進行熱分析，得出其穩態的溫度場分布圖，從而驗證了散熱器各項選擇的合理性，并分析了實際列車中散熱器的散熱情況。

【關鍵詞】LED；散熱；熱分析；ANSYS

1 列車車載LED的意義

本課題做的是列車車載LED燈的結構散熱分析，我們就有必要了解為什么要做這樣的一個設分析。

LED英文單詞Light Emitting Diode的縮寫，即發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。發光二極管具有驅動電壓低、功耗小、壽命長、抗沖擊和抗振動性好、可靠性高等一系列優點。LED是一種新型半導體固態光源，在全球能源日趨緊張和環保壓力日益加大的情況下，使用LED半導體照明已被公認是一種節能環保的重要途徑。

就列車車載中LED的應用優點是：

1）抗震性強，大量減少維護工作；

2）壽命長；

3）配光控制容易，有益于照射面的利用率，且可降低眩光等；

4）體積小，可以安裝在行李架等空間有限的地方；

5）重量輕，通過減輕車輛重量，降低運行時的能耗。

2 LED燈的熱特性

與傳統光源一樣，LED在工作時也會產生熱量。LED芯片的表面積小，正常工作時電流密度大，但是單顆LED的輸出光束又低，所以LED照明設備大多需要多個LED組合而成，而LED燈的體積有限，這就造成LED密集度較大，并且由于LED的光電轉換效率不高，只有20%左右的電能轉為光輸出，其余均轉換成為熱能，因此當LED燈工作時，將會集中產生大量的熱量。熱量若不能盡快有效地耗散，隨之而來的熱將會對LED引起結溫上升、減少芯片出射的光子、使色溫質量下降、加快芯片老化、縮短器件壽命等。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的問題顯得更加突出，因此，對LED燈散熱器結構進行優化設計和熱分析就變得異常關鍵。

3 LED散熱器的材料

選擇散熱器的材料必須了解傳熱學熱能傳遞中的熱傳導。熱傳導的原理是當不同溫度的分子接近時，由于高溫快速分子與低溫低速分子間發生完全彈性碰撞或因自由電子的轉移而產生能量轉移的現象。

導熱系數是表征材料導熱性能優劣的參數，其單位為W/（m*℃）。一般是說金屬材料的導熱系數最高，液體次之，氣體最小。如表1列出了一些金屬材料的導熱系數：

表1 各種材料的導熱系數

從表1可以看出各材料導熱性能的優劣，但是做車載上使用的LED燈，我們必須考慮綜合效益的問題。綜合比較下，金屬的導熱性能確實比其它材料要好很多，金、銀、銅的價格昂貴，而鐵、鋼、鉛等其它金屬的導熱系數太低，現選擇鋁作為散熱器的制作材料。鋁不單只是價格合理、導熱性能好，而且它的密度是金屬中較小的，材質較輕，更加適合在列車上使用。

4 散熱結構的模型

在確定LED燈的散熱結構之前，必須了解熱能傳遞的另一種方式熱對流，熱對流是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。

肋片型的散熱器（如圖1）把電源放到管外，從而可以把半邊鋁殼完全做成散熱器。肋片型采用肋片形狀的散熱結構，大大增加了散熱器面積。電源不放在管內，又可以減少熱量，這就大大延長了LED的壽命。

圖1 肋片型散熱器截面圖

5 LED燈散熱分析問題歸結

LED燈散熱器的上表面放置LED的發光體，即熱量從上表面流入。下表面、兩外側面和肋片部分為直接與空氣接觸的散熱區，無任何外力因素，屬于空氣自然對流表面傳熱。

綜上所述，可將問題歸結為這樣的問題進行求解。散熱器所有部位均用鋁制造，鋁的導熱系數為236W/（m*℃），該LED燈的功率為20W，有80%的能量轉化成熱量形式，并全部被散熱器的上表面吸收，散熱器上表面的有效吸熱面積為0.02448m2，下表面、兩外側面和肋片部分為空氣自然對流傳熱，空氣自然對流傳熱系數為1～10W/（m2×K），由于燈是在列車上使用，所以空氣對流傳熱系數取5W/（m2×K）較合適，列車上空氣的溫度為室溫25℃，其余各面均無熱量的流入與流出。計算出上表面的熱流密度為653.6W/m2。

6 利用ANSYS軟件分析散熱器

做有限元熱分析首先確定一個模型，模在Pro/E軟件中把模型建好，然后導入ANSYS軟件進行分析。出現如圖2所示模型。

選擇好分析類型、單元類型、材料屬性、單元尺寸，劃分網格后，出現如圖3所示網格劃分結果模型。

圖2 導入ANSYS的散熱器模型 圖3 網格劃分結構模型

選擇熱分析類型，對上表面施加熱流密度載荷，下表面、兩外側面和肋片施加對流載荷，并輸入空氣溫度25。

運算求解，輸出溫度場分布的彩色云圖，出現圖4顯示溫度分布結果。

從結果中可以看出散熱器的橫截面溫度場分布情況，其中最高溫度是64.004℃，紅色區域為最高溫度出現在散熱器的上表面，該區域放置發光體。也就是說LED工作時的溫度為64.004℃，而LED燈在80℃以下的溫度工作即可達到技術要求。溫度最低是43.174，溫度的最低出現在肋片外沿上，這和預想的一樣。溫度從肋片外沿到上表面逐漸升高，顏色不同說明溫度的變化。

肋片型散熱器的溫度變化線整體現出一個向上的弧線，這正式由于中間肋片比較長，兩邊比較短，使中間散熱較好所引起的。由于總體的結構限制，肋片的長度不能再加長，又要保證散熱器的剛度，以至于肋片不能向上表面延伸，這樣的肋片設計已經達到了散熱效果的頂峰。

換個角度觀察散熱器的溫度場，如圖5所示。

圖4 散熱器橫截面溫度分布

圖5 散熱器溫度分布三維圖

在圖3-15溫度場的分布中，等溫線是均勻分布的關于徑向對稱一條直線，這說明了散熱器中任何一個截面的溫度分布都顯圖4所示。也證明了在做有限元熱分析時，該散熱器的溫度分布與散熱器的長度無關，圖5準確地說明了該分析的正確性。

7 實際中LED燈的散熱情況

通過以上對散熱器模型的有限元熱分析，結果顯示該模型的溫度在正常工作溫度范圍內，而且這只是僅僅考慮空氣自然對流換熱，LED發出的熱量全部被散熱器所吸收的理想狀態下。根據傳熱學的知識，熱能傳遞有三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。熱輻射是物體因熱的原因由電磁波來發出輻射能的方式，而散熱器的輻射能力比周圍環境的高，這肯定有熱量通過熱輻射的方式傳導出去。其實LED燈發出的熱量全部被散熱器吸收，這只是理想狀態下，發光體的下部是散熱器，上部是擴光罩，其熱量會散發到發光體和擴光罩的空氣中，致使擴光罩的溫度升高，這就有擴光罩與外部空氣存在自然對流傳熱。

不管哪種形式的傳熱，只有使溫度比理想狀態下更低。對于在理想狀態下分析都能達到正常工作的情況下，實際中LED燈的溫度更加不會影響到正常工作，該散熱器結構符合LED燈實際工作的要求。

在列車上使用LED燈是隨處的，不單車廂，像行李架、地角燈、閱讀燈、廁所上都使用，甚至于車頭大燈也可以使用LED燈。如圖6所示列車上使用的整體效果。

圖6 列車上使用LED燈

8 結束語

本文明確完成了列車車載LED燈結構散熱分析，這僅僅是局限于列車車載上的設計，實際上LED燈的使用已經在很多地方發揮出作用了。分析中可以看到，做LED燈散熱器有限元熱分析時，我們根本做不到呈現列車車載的實際環境，只是在最接近的狀態下完成分析，這點上仍需做得更到位些。

[責任編輯：王楠]