汽車照明用LED散熱的特性研究

肖樂樂，魯祥友，彭 超，戴 林，司成龍

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

汽車照明用LED散熱的特性研究

肖樂樂，魯祥友*，彭 超，戴 林，司成龍

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

LED作為第四代照明光源應用于汽車照明已經是一種必然的趨勢。針對汽車照明用LED散熱問題，提出了一種以銅粉燒結塊為吸液芯的銅-水復合冷凝段重力式熱管（HP）散熱系統，并且實驗研究了冷凝側對流換熱系數、LED粘結材料導熱系數以及熱管充液率對芯片結溫的影響。結果表明：1）對流換熱系數與芯片結溫呈負相關，并且在對流換熱系數增加到50～70 W/m2K之間時，芯片結溫下降趨于平穩；2）LED粘結材料的導熱系數越大（≥100 W/m·K），越有利于降低芯片結溫；3）加熱功率偏小（≤3 W）時，充液率為50%時最利于降低芯片結溫，加熱功率偏大（≥5 W）時，充液率為60%最為合適。

重力式熱管；LED結溫；對流換熱系數；粘結材料導熱系數；充液率

LED（light-emitting diode)由于具備長壽命、低能耗等優點，已經成為新一代汽車照明光源[1-5]。然而，散熱能力差一直是制約大功率LED應用于汽車照明的主要技術瓶頸之一[6-7]。將熱管（HP）散熱技術應用到LED散熱過程中，是目前解決上述問題的新方向。

如文獻[8]針對LED芯片發熱問題，設計了90 W汽車前照燈散熱裝置并且運用ANSYS軟件分別分析了自然對流和強制對流對散熱裝置的影響，結果發現采用強制對流均溫板式散熱效果優于自然對流。文獻[9]提出一種基于LED前照燈散熱用導熱板+熱沉的散熱方式，通過模擬和試驗的方法研究了導熱板長度、環境溫度、散熱器傾斜角度和芯片封裝深度等因素對芯片結溫的影響。

文獻[10]設計了一款可以代替鹵素燈泡的高效LED前照燈，并且采用導熱硅脂當做LED散熱材料，以實驗和模擬的方式研究了高效LED前照燈的熱分布和散熱特性。文獻[11]提出了一種應用于大功率LED汽車前照燈散熱的熱電制冷器裝置，比較了空氣冷卻與液體冷卻的制冷性能，并且分析了熱電制冷裝置的換熱性能、啟動性能以及冷卻流體的流速對LED前照燈散熱的影響。文獻[12]設計了一套LED前照燈系統，以實驗和模擬的方式研究了前照燈散熱性能，結果發現利用熱管散熱的效果明顯優于自然對流散熱，同時得出了熱管充液率與熱管長度的關系。文獻[13]建立了LED車燈散熱模型，通過模擬的方法得到了散熱器的最優結構參數，并且研究了散熱器結構的排列方式、高度等因素對散熱性能的影響。文獻[14]提出了一種利用放電產生的離子風進行LED前照燈的散熱方案，實驗研究了不同環境溫度下，針電極排布形式和放電間距對LED散熱的影響，結果表明這種采用這種新型散熱方式的冷卻效果明顯優于現有的散熱方式。文獻[15]提出了一種應用于LED前照燈散熱的半導體制冷方案，并且與采用風冷和液冷的散熱方式進行了對比，結果發現采用半導體制冷分別于風冷和液冷聯合散熱的最佳驅動電流分別3.0 A和5.0 A。文獻[16]提出了一種雙層基板LED車燈散熱模塊來增加LED硅膠的導熱途徑，并對具有不同結構的上層基板模塊進行了模擬與分析，結果表明：整體式和肋片式的LED車燈模塊優于傳統LED車燈模塊。

本文提出一種新型的應用于汽車照明LED散熱的熱管裝置，研究了對流換熱系數、粘結材料導熱系數以及熱管充液率對芯片結溫的影響。

1 實驗裝置與條件

1.1 實驗裝置

如圖1、2所示，本實驗采用的是銅-水復合冷凝段重力式熱管（HP），是一種依靠相變（液體/蒸汽）換熱的能量傳遞裝置。該重力式熱管主要由蒸發箱體、多管式冷凝器以及內部工質流道構成。所采用的吸液芯為銅粉燒結塊結構，為熱管系統提供循環動力。蒸發箱內壁設置有內部肋片，增大內部工質的受熱面積，為了便于安裝在汽車燈罩內，冷凝器類型為自然風冷卻的帶肋片式冷凝器。

圖1 試驗用熱管結構圖

圖2 試驗用熱管原理及其測點布置圖

該重力熱管系統的工作原理如下：在LED散熱溫度達到熱管啟動溫度時，液態工質在蒸發器內腔受熱汽化，蒸汽進入多管式冷凝器與空氣進行換熱，蒸汽冷凝后變成液態工質，在毛細芯產生的毛細力作用下流回到蒸發器里，完成一次循環。

1.2 實驗條件

如圖2所示，本裝置采用圓形薄膜電阻加熱器來模擬汽車照明用LED芯片：直徑為25 mm；厚度為0.1 mm；最大加熱功率為20 W。本實驗一共布置了10對T型熱電偶（-100～400℃）來測量各點溫度值，其中電阻加熱器和蒸發箱底面分別布置 T7～T8 和 T5～T6、T9～T10。圖 3 顯示了當環境溫度為25℃時，在沒有采用熱管散熱的情況下5組輸入功率對應的芯片結溫。

圖3 不同功率下的芯片結溫

2 結果與分析

2.1 對流換熱系數對結溫的影響

對流換熱系數是影響汽車照明用LED結溫的一個重要因素，當LED封裝形狀、環境溫度等條件一定時，LED結溫與熱管冷凝段的對流換熱系數密切相關。圖4顯示了不同加熱功率下，對流換熱系數與芯片結溫變化的關系。分析圖4可知，隨著對流換熱系數的增加，芯片結溫均減小，表明對流換熱系數與芯片結溫呈負相關，并且在對流換熱系數增加到50～70 W/m2K之間時，芯片結溫下降趨于平穩。這是因為當汽車進氣格柵處的空氣流速增大，流經冷凝端翅片表面時不能及時與翅片換熱，因此高流速的空氣帶走的熱量也會有一個最大值。另外，加熱功率增加，結點與環境的溫差增大，芯片結溫隨對流換熱系數的增加也下降地越快。

2.2 芯片粘結材料的導熱系數對結溫的影響

芯片粘結材料的導熱系數直接影響著芯片散熱效率，圖5、圖6分別顯示的是同類導熱膠厚度為0.02 mm和0.2 mm時，3種導熱系數不同的芯片粘結材料與芯片結溫的關系。從圖5、圖6可以明顯看出，導熱膠的厚度越大，其傳熱熱阻越大，因此芯片結溫越高，不利于芯片散熱。所以，根據設計需要，導熱膠的厚度應盡量小。另外，隨著加熱功率增加，應用不同導熱系數粘結材料的芯片結溫均呈上升趨勢，而且，當導熱系數越小時，芯片結溫上升的越快。在考慮設計成本和加工方法時，選擇導熱系數較大的粘結材料對降低LED結溫是非常有利的。

2.3 熱管充液率對結溫的影響

熱管充液率是決定熱管換熱性能和換熱效率的一個重要參數。熱管充液率偏小，液態工質在受熱后全部蒸發為氣態，之后LED繼續將熱量傳遞給熱管蒸發端，內部氣態工質變為過熱蒸汽，無法再和LED進行換熱；反之，熱管充液率偏大，液態工質受熱后部分氣化，蒸發箱內部仍為液相區，這部分未蒸發的液態工質不僅增加了蒸發器的傳熱熱阻，還減小了整個熱管系統的理想蒸發空間和理想蒸發量。

圖4 對流換熱系數與結點溫度的關系

圖5 功率與結溫的關系(導熱膠0.05mm)

圖6 功率與結溫的關系(導熱膠0.2mm)

圖7顯示了熱管充液率與汽車照明LED結溫的關系。從圖7可以看出，隨著充液率的增加，不同加熱功率下LED結溫均出現先減小后增大的趨勢，并且出現結溫最低值。當加熱功率小于3 W時，LED結溫在充液率為50%時出現最低值；當加熱功率大于5 W時，LED結溫在充液率為60%時出現最低值。其原因是當加熱功率偏小時，充液率為50%能滿足換熱所需要的蒸發量，但是當加熱功率偏大時，充液率為50%已經不能滿足換熱所需的蒸發量，因此在充液率為60%時出現結溫最低值。但是，過量的充液率是不利于熱管系統換熱的，由于熱管系統的結構，過量的充液率減小了熱管系統的理想蒸發空間。

圖7 不同下充液率下的芯片結溫

3 結論

針對汽車照明用LED散熱問題，本文提出了一種以銅粉燒結塊為吸液芯的銅-水復合冷凝段重力式熱管（HP）散熱系統，并且實驗研究了冷凝側對流換熱系數、LED粘結材料導熱系數以及熱管充液率對芯片結溫的影響。結果表明：

（1）對流換熱系數與芯片結溫呈負相關，并且在對流換熱系數增加到50～70 W/m2K之間時，芯片結溫下降趨于平穩；

（2）LED粘結材料的導熱系數越大（≥100 W/m·K），越有利于降低芯片結溫；

（3）加熱功率偏小（≤3 W）時，充液率為50%時最利于降低芯片結溫，加熱功率偏大（≥5 W）時，充液率為60%最為合適。

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Study on cooling characteristics of LED for the automobile lighting

XIAO Le-le,LU Xiang-you*,PENG Chao,DAI Lin,SI Cheng-long
(School of Environment and Energy Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230601,China）

LED,a fourth generation lighting source,used in automotive lighting is an inevitable trend.As for the heat dissipation problem of automotive lighting LED,this paper puts forward a copper powder sintering as a wick of copper-water gravity heat pipe(HP)and experimentally research the effect of convective coefficient,coefficient of thermal conductivity and charging rate on junction temperature respectively.The results showed that:1)convective coefficient is negatively correlated with junction temperature,and when the convective coefficient reaches to 50～70 W/m2K,the junction temperature gets a smooth trend;2)the greater the coefficient of thermal conductivity(≥100 W/m·K)is,the faster the junction temperature reduce;3)when the heating power is less than 3 W,the optimal filling ratio is 50%and when the heating power is greater than 5 W,the optimal filling ratio is 60%.

gravity heat pipe;LED junction temperature；convective coefficient;coefficient of thermal conductivity;filling ratio

TN312.8，TK172.4

A

1004-4329（2017）02-027-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）02-027-04

2017-03-22

國家自然科學基金(51076107)；安徽省高等學校省級自然科學研究項目（KJ2014A039）；國家級大學生科技創新創業訓練計劃項目（201610878019）資助。

肖樂樂（1992－ ），男，碩士生，研究方向：電子器件散熱。

魯祥友（1973－ ），男，博士，副教授，研究方向：照明節能。Email：gaoyunwansu@163.com。