某型飛機LED航行燈散熱器設計及研究

王裕林，楊 帆，李 飛，陳 亮

（1.中國民航飛行學院機務處，廣漢 618307；2.中國民航飛行學院新津分院，成都 611430）

0 引言

航行燈是飛機外部照明系統的重要組成部分之一，在飛機起飛、巡航、著陸等過程中為其提供空中信息。某型飛機的航行燈原廠選用21W白熾燈作為光源。當飛機在地面低速滑行時，由于冷卻氣流不足，會使航行燈以及其附近部件溫度升高，容易發生燈泡過熱損壞、燈罩過熱變形及翼尖復合材料裂紋等故障現象。為了解決上述故障，本文提出一款新型LED燈替代白熾燈，LED燈具有散熱小、耗電低、壽命長、價格低等優點。由于目前半導體制造工藝的限制，LED只有約10%～20%的電能轉化為光能[1]，80%～90%的電能轉化為熱能，造成LED芯片溫度升高，導致LED發光效率降低、使用壽命縮短以及色溫漂移[2]。因此，新型LED航行燈的散熱方式是本文的研究重點。

為了增強LED燈的散熱器能力，國內外學者進行了大量研究。唐帆[3]等基于煙囪效應原理，設計了一種擁有特殊散熱結構的LED異形燈。在沒有散熱器的條件下，可以滿足LED芯片輸入功率小于等于10W時的安全工作要求。周馳[4]等提出一種整體式熱管散熱器，對不同的充液率、產熱功率、傾角進行了散熱自然對流實驗研究和分析，認為整體式熱管散熱器相比于常見的太陽化翅片和平行板散熱器，可以更有效地控制芯片結溫。何凡[2]等針對大功率LED場地照明集成芯片散熱問題，提出了疊片式純鋁散熱器結構，通過增加散熱面積和提高散熱器材料的導熱系數有效降低LED結溫。

本文著重對LED航行燈散熱器的設計方法展開研究，詳細分析了LED芯片散熱路徑，設計了散熱器的基本構型，通過建立LED航行燈的三維模型，采用CAE軟件模擬和實驗兩種方法驗證了LED航行燈的散熱效果，設計過程和結果對相關領域的應用具有重要的參考價值。

1 LED散熱器設計

1.1 理論分析

熱傳遞的基本途徑主要為熱傳導、熱對流、熱輻射。熱傳導主要表現在封裝結構與散熱器中，而熱對流主要靠散熱器來體現[5]。圖1是LED芯片陣列散熱過程中的等效熱阻模型圖，其中MCPCB為熱電分離鋁基板，即LED芯片通過固晶材料直接置于封裝鋁基板的鋁芯上。表1是LED芯片各封裝環節的材料及導熱系數。

LED芯片結溫Tj可以通過式(1)計算得到。

圖1 LED的散熱模型及其等效熱路

式中，PLED是單個芯片熱功率；RLED單個芯片是芯片內部熱阻，包括有源層、襯底和固晶層；Rb是鋁芯熱阻；Rg是導熱膠熱阻；Rh為散熱器熱阻。由于PLED、Rb、Rg受到制造工藝及材料物性的限制，很難有效減少，因此Rh對降低結溫有著重要意義[4]。

表1 LED芯片各封裝環節導熱系數表

1.2 LED散熱器的設計

某航行燈組件由安裝支架、白熾燈、固定螺帽等部件組成（如圖2(a)所示）。該航行燈位于機翼翼尖，由于該航行燈與頻閃燈安裝在同一支架組件上，因此新設計的LED航行燈必須與原安裝支架相兼容。

采用額定功率為20W的單珠LED作為光源，由4串5并LED芯片陣列組成。為了配合原安裝支架的使用，LED散熱器依安裝支架外形進行設計，主要由散熱芯軸與螺紋式散熱片組成（如圖2(b)所示）。散熱器材質導熱系數的大小表明金屬導熱能力的大小，導熱系數越大，熱阻越低，導熱能力越強[6]，為了更好將LED芯片的熱量散發出去，采用高導熱系數的銅作為散熱器的材質。

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立

航行燈采用單珠大功率LED，由球面透鏡、LED芯片、鋁基、散熱器、固定螺帽、安裝支架組成，封裝好的LED芯片焊接在MCPCB（鋁基）上，通過采用導熱粘合劑以及機械螺釘的方式，將MCPCB固定在散熱器上，如圖2(b)所示。

通過絕緣層和玻璃透鏡輻射散發的熱量較少，在數值模擬時忽略其影響，對LED模型理行了簡化處理，建立了LED航行燈的三維模型（如圖3所示），將散熱器模型導入ANSYS Workbench進行穩態散熱分析。在有限元分析軟件按表1建立工程材料數據，設定模型材料屬性。

圖2 改裝前后的航行燈結構圖

圖3 LED航行燈散熱器結構圖

2.2 網格劃分

采用局部細化的自適應網格劃分方法對LED散熱器模型進行網格劃分，如圖4所示。其中，芯片、鋁基網格較密，散熱器的網格較疏，總網格單元數為165108，節點數為239741。

圖4 LED航行燈散熱器網格劃分圖

2.3 有限元分析

LED芯片組件由20個1×1×0.25mm額定功率為1W的芯片陣列組成，LED的工作電流為300mA，LED的光電轉換效率大約為20%，即熱功率P=U×I×80%=14×0.3×0.8=3.36W。LED芯片陣列的生熱率為6.72×108W/m3，散熱器與空氣之間為自然對流換熱，平均對流換熱系數為12W/(m2·℃)，環境溫度為25℃。計算求得結果如圖5所示。

圖5 LED航行燈散熱器熱分析結果

一般來講，LED芯片的承受最高溫度為110℃，設計散熱器時考慮安全裕度，LED芯片PN結溫度不得高于95℃[7]。熱分析結果顯示，LED芯片的PN結溫度為54.5℃，在正常范圍之內。按圖6所示的選取4個測試點的溫度分別為53.90℃、53.81℃、52.62℃、52.16℃。

3 實驗結果驗證及分析

3.1 模型驗證

為模擬航行燈的工況，在恒溫的密閉空間內進行LED散熱器的散熱實驗，用相對密封的紙箱將LED航行燈裝置罩住。采用兆信數顯直流穩壓電源對其進行供電，使用四通道溫度采集器及PT100熱電阻測量散熱器溫度，溫度采集器使用USB線與PC連接。分別在散熱器上選取MCPCB底部、散熱器底部、散熱器中部及散熱式固定螺帽4個不同位置粘貼熱電阻傳感器，各點位置如圖6所示。實驗時，通過調節空調將環境溫度穩定在25℃左右。按圖7連接實驗設備，使LED航行燈裝置開始工作，通過觀察PC端的專用軟件顯示各測試點的溫度變化，以辨實驗是否正常。

圖6 溫度測試點示意圖

圖7 實驗設備布置圖

3.2 結果分析

在相同條件下，對每個測試點進行5次測量。LED散熱器溫度隨時間的變化如圖8所示，在前30分鐘內，溫度隨時間呈線性增加。溫度上升到45℃后，溫度變化趨勢變緩。在50分鐘左右時，溫度開始穩定不變。為了能測量到準確的溫度數據，待LED穩定工作80分鐘左右，且數據采集儀讀數穩定后記錄4個測試點的溫度數據。每次測量間隔時間大約為1小時，確保散熱器的溫度恢復為常溫才開始下一次測試，最后取5次測量的平均值作為實驗結果。

圖8 散熱器的溫度曲線圖

實驗數據和CAE分析結果的比較如表2所示。從整體上看，計算機數值仿真的結果與試驗數據有較高的穩合度，誤差均小于5%，可以認為該三維模型和CAE分析方法是有效、可靠的。但所有測試點的實驗測量溫度要比模擬溫度低2℃～3℃，可能是因為在三維建模時進行了簡化處理，導致模擬時LED芯片的溫度不易散出，整體溫度要較高。不論是實驗還是模擬結果，四個測試點的溫度均隨離芯片距離增加而下降。

表2 實驗測試溫度與CAE分析結果對比

4 結論

1）為了配合原支架的使用，新型LED散熱器依安裝支架外形進行設計。基于CAE方法，針對LED芯片和散熱結構，構建了包括LED芯片、MCPCB、散熱器等構件的三維數學模型。

2）運用ANSYS Workbench穩態熱分析模塊進行熱仿真，計算機數值仿真的結果與試驗數據吻合較好，表明該三維模型和CAE方法可有效地應用于LED散熱分析，且該新設計的散熱器能有效降低LED結溫溫度，滿足LED航行燈的散熱要求。

[1]姬文飛.大功率LED燈具散熱系統的設計和研究[D].上海交通大學,2009.

[2]何凡,陳清華,劉娟芳,等.集成芯片LED場地照明燈新型疊片散熱器熱分析[J].發光學報,2014,35(6):742-747.

[3]唐帆,郭震寧,林介本,等.無散熱器LED異形燈設計與實驗[J].光學學報,2016,(9):267-272.

[4]周馳,左敦穩,孫玉利.自然對流下LED集成芯片整體式熱管散熱器性能實驗研究[J].發光學報,2014,35(11):1394-1400.

[5]李鵬.發光二極管(LED)燈具的熱分析與散熱設計[J].光源與照明,2008,(4):10-11.

[6]饒連江.基于ANSYS的LED燈具熱分析[J].照明工程學報,2010,21(1):53-57.

[7]李菊華. LED燈具熱設計與仿真[D].杭州電子科技大學,2011.