汽車燈具內(nèi)部零件表面鍍鋁對熱量的影響

吳曉蘭，Kai SCHWEIKERT

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

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汽車燈具內(nèi)部零件表面鍍鋁對熱量的影響

吳曉蘭，Kai SCHWEIKERT

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

摘要：為了降低材料的成本，在汽車燈具設(shè)計(jì)時需要盡可能地降低內(nèi)部的溫度。通過對模型中零件表面溫度的測量與對比來驗(yàn)證不同鍍鋁面的位置對溫度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只在外側(cè)鍍層不可取，與內(nèi)層鍍層的樣品相比，外層鍍膜可使溫度上升近100%，同時透明的材料鍍鋁比不透明的材料鍍鋁更容易散熱。

關(guān)鍵詞：汽車燈具；鍍鋁；熱傳導(dǎo)；熱輻射

0引言

鍍鋁的工藝被廣泛應(yīng)用于汽車照明燈具上，其主要作用：(1)改變光的傳播方向，從而使燈具的光形滿足法規(guī)的要求；(2)裝飾零件，優(yōu)化視覺效果。但與此同時，鋁層還會對熱量的傳導(dǎo)產(chǎn)生一定的影響，而且不同位置的鋁層會對溫度產(chǎn)生不同的影響。設(shè)計(jì)汽車燈具時，設(shè)計(jì)工程師需要最大化地降低燈具內(nèi)溫度以降低原材料的使用成本，文中采用對比試驗(yàn)驗(yàn)證不同位置的鋁層對燈具內(nèi)部零件表面溫度的影響。

1傳熱基本原理

在導(dǎo)熱模型中，達(dá)到熱平衡后，熱傳導(dǎo)遵循傅里葉熱傳定律：

Q=λ·A·(T1-T2)/L

其中：Q為傳導(dǎo)熱量(W)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃))；A為傳熱面積(m2)；L為導(dǎo)熱長度(m)；(T1-T2)為兩個界面的溫度差(℃)。

除了傳導(dǎo)傳熱以外，輻射傳熱也被考慮在內(nèi)。每種材料都有一種固有的特性，通常被描述成輻射系數(shù)，從而可以利用斯蒂芬-玻爾茲曼定律求得兩個界面之間熱輻射的能量：

其中：Q為輻射熱量(W)；A為熱發(fā)射面積(m2)；ε為表面的輻射性質(zhì)，稱為發(fā)射率，發(fā)射率的值0≤ε≤1；T1、T2為界面的溫度(℃)[1-2]。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了完成試驗(yàn)，按照汽車燈具的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的模型，其中包括殼體2、燈泡1、測試樣件3以及測量溫度的熱電偶。樣品內(nèi)外側(cè)的溫度T1和T2分別用熱電偶5測試。為了保護(hù)熱電偶末端的傳感器免于受到直接的輻射熱，作者在樣品的表面上裝載一個小的方形鋁帶4。

圖1　測試模型

試驗(yàn)過程中，需要確保樣品兩側(cè)的傳感器放置在相同的位置，這是因?yàn)闊襞菔屈c(diǎn)熱源，在測試過程中，測試樣片不同位置受熱的效果不一樣。除此以外，記錄T1和T2前的時間跨度必須足夠長。這么做的目的是為了使其達(dá)到穩(wěn)定的階段，同時也便于比較不同樣品之間的溫度差異。

2.2樣品的制備

為了測試鍍層的影響，作者采用厚度為2.5 mm的PC透明和PC非透明樣片作為鍍鋁基材，分別制備了4種不同狀態(tài)的樣片，如圖2所示。

圖2　樣品的制備

作者用沒有鍍層的樣品(圖2(a))作為參比，鋁鍍層分別添加到基體內(nèi)側(cè)(圖2(b))、基體外側(cè)(圖2(c))以及同時鍍在兩側(cè)(圖2(d))作為樣品進(jìn)行測試。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，所有的樣品必須保證潔凈，并且測試時所有樣片放置在和熱源相同距離的位置。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

PC透明和PC非透明樣片不同鍍鋁狀態(tài)樣品的測試結(jié)果如表1。

表1　實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

3.1PC非透明樣片

分析PC非透明的幾個樣片的測試結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)以下一些規(guī)律：

對比樣片a、c與樣片b、d的結(jié)果， 鋁層面朝光源一側(cè)的樣片溫度要明顯偏低，即T1a>T1b,T1c>T1d，最低溫度出現(xiàn)在鋁層面朝熱源的一側(cè)的樣品b上。這一現(xiàn)象完全遵循傅里葉熱傳導(dǎo)定律，鋁的熱傳導(dǎo)率要遠(yuǎn)大于塑料的熱傳導(dǎo)率，在其他條件不變的前提下，鋁層的表面溫度要低于塑料表面的溫度。

對比樣片a、b與樣片c、d的結(jié)果，背朝光源一面有鋁層的樣片表面溫度要偏高，即T2c>T2a,T2d>T2b。最高溫度出現(xiàn)在現(xiàn)在只有背朝光源一面有鋁層的樣片c上。這一現(xiàn)象同樣遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律，鋁的發(fā)射率要遠(yuǎn)小于塑料的發(fā)射率，在其他條件不變的前提下，鋁層的表面溫度要高于塑料表面的溫度。

將這兩種理論結(jié)合起來可以初步解釋造成表1中溫度差異的原因，然而就這點(diǎn)而言，作者并不能對由熱傳導(dǎo)和熱輻射所造成的熱損失的比率做出準(zhǔn)確的論斷。另外，鍍鋁層的反射性也可能造成熱源發(fā)出的可見光和輻射熱都以一個較低的比率被吸收。

3.2PC透明樣片

對PC透明基體進(jìn)行分析，在上一部分中對PC非透明基體進(jìn)行的分析同樣適用。由于樣品本身的性質(zhì)，作者可以觀察到更多的現(xiàn)象。這幾組樣品的溫度普遍低于PC非透明，解釋如下：樣品由光源加熱，可見光由電磁輻射將能量傳導(dǎo)到樣品上，這一部分取決于材料本身的性質(zhì)。對于不透明的PC而言，可見光的能量部分被轉(zhuǎn)化成熱能。相反，對PC透明而言，可見光會直接穿過板材而不被吸收，這也解釋了當(dāng)使用PC透明和PC非透明基材時，前者樣品a和樣品c的溫度比后者低。而比較樣品b時，兩者溫差不明顯，這是因?yàn)闆]有光能夠直接照射到裸露的基體表面上，沒有可見光被吸收，所有的熱損失都發(fā)生在紅外區(qū)。由于PC透明的輻射系數(shù)和著色的PC的輻射系數(shù)接近，樣品外側(cè)的熱損失相等，因而樣品表現(xiàn)出相近的性能。

4結(jié)論

綜上所述，鍍鋁層的位置差異將對測試樣品的溫度產(chǎn)生巨大的影響。對那些暴露在光線下的表面而言，鍍鋁層可以降低其溫度。而只在外側(cè)鍍層不可取，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與內(nèi)層鍍層的樣品相比，外層鍍膜可使溫度上升近100%。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)盡可能有效地將其應(yīng)用于汽車燈具照明系統(tǒng)中，降低汽車燈具內(nèi)部的溫度，從而降低原材料的使用成本。

參考文獻(xiàn):

【1】INCROPERA F P,DEWITT D P,BERGMAN T L.傳熱和傳質(zhì)基本原理[M].6版.葛新石,葉宏,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

【2】STEPHAN K,MAYINGER F,STEPHAN P,et al.Thermodynamik-Einsto_systeme[M].19th ed.Springer Vieweg,2013.

Relationship between the Position of Aluminium Coating and HeatInside the Automotive Lighting

WU Xiaolan, Kai SCHWEIKERT

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting System Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213000,China)

Abstract:To reduce the material cost, the internal temperature inside the automotive lighting should be decreased as much as possible while designing. To verify the temperature influence of different position of aluminum coating, measure and contrast analysis were made. The test shows it is impossible to make the aluminum coating on the outer layer, the temperature is twice the one aluminum coating on the inner layer. Meanwhile, it’s easier for heat radiating to aluminum coating on transparent materials via non-transparent ones.

Keywords:Automotive lighting; Aluminum coating; Heat conduction; Heat radiation

收稿日期：2015-10-10

作者簡介：吳曉蘭(1978—)，女，碩士，主要負(fù)責(zé)原材料在汽車燈具上的應(yīng)用工作。E-mail:shaoying@xyl.cn。

中圖分類號:TQ153.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)01-049-02