LED車燈散熱器優化研究

郁秋華

【摘 要】LED是新一代的綠色照明光源，但其亮度和壽命會隨著結溫度的升高而降低，改善LED的散熱問題亟需解決。本文以市場上兩款典型LED汽車前照燈為研究對象，利用UG建立其簡化三維模型，并通過Ansys Fluent軟件進行溫度場模擬，對比分析不同翅片厚度和間距對LED散熱性能的影響，從而找出其最優翅片散熱器結構。

【關鍵詞】LED散熱器;數值模擬;結溫

中圖分類號： TN312.8文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）22-0021-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.008

0 前言

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）是當今最具競爭力和發展前景的固體光源。LED的光電轉換效率為20%～30%，其余的電能全部轉化為熱能，如果這些熱量不及時散出去，LED結溫居高不下，將會產生光強減少、光譜偏移、色溫升高、使用壽命降低等一系列問題，最終影響車燈的正常工作。因此，LED的散熱問題[1]是LED車燈發展的應用中亟待解決的關鍵問題。

目前市場上的大功率LED車燈產品基本都采用傳統的翅片被動散熱方法。通過在基礎表面上擴展表面，從而有效增加換熱面積，然后通過自然對流的方式將熱量散發出去。影響翅片散熱器散熱性能的因素多種多樣，包括有：總體結構、厚度、高度、寬度、翅片間距以及材料等。散熱器的結構無法統一，只能針對每種型號進行單獨優化。本文選取市面上兩款典型LED前照燈，采用數值仿真軟件Fluent進行溫度場模擬。在自然對流條件下，對LED翅片散熱器進行研究，對比分析不同的翅片厚度和間距對散熱性能的影響，找出其最優翅片散熱器結構。

1 數值建模

1.1 模型建立

為分析大功率LED翅片散熱器的溫度場和流場分布，必須首先建立其模型。基于網格劃分和減少計算量的考慮，借助三維繪圖軟件UG對模型進行簡化，去除了安裝卡扣、倒角、螺栓孔等復雜結構。圖1是三款LED前照燈散熱器幾何簡化模型示意圖。

1.2 網格劃分

網格是CFD模型的幾何表達形式，網格質量對CFD計算精度和計算效率有重要的影響。圖2為LED前照燈散熱器網格示意圖。模型網格通過ICEM繪制，采用非結構化四面體網格，網格質量均在0.3以上，說明網格質量優良。對LED芯片和PCB板進行局部加密，同時對散熱器的上下投影空間的流體域進行加密，以確保精確反映上浮氣流的流動與換熱狀態。

1.3 計算模型設置

計算模型使用基于壓力方程的求解器，選用k-ε兩方程湍流模型[2]，同時開啟Fluent中特殊計算選項：full buoyancy effects（考慮全部浮力效應）;enhanced wall treatment（強化壁面處理）。壓力方程選擇body-force-weighted來強化體積力在求解中的反映;氣體選用不可壓縮理想氣體，環境溫度25℃。兩組前照燈散熱器材料均為鑄鋁，PCB板的材料均設置為鋁基板。

由于LED芯片的封裝材料導熱能力差，因此忽略封裝材料的散熱，以面熱源的形式模擬LED芯片發熱。將芯片與基板未接觸的壁面設置為絕熱壁面，將芯片與基板接觸的壁面定義為熱流壁面，不同型號LED芯片的熱流參數設置見表1。模擬出的LED芯片溫度為節點溫度Ts[3]，需要按相應的LED的熱阻值進行計算，得出芯片結溫Tj。

2 模擬結果及分析

2.1 Ⅰ型前照燈散熱器結果分析

圖3為Ⅰ型散熱器溫度云圖?？梢钥闯?1顆LED芯片所處區域溫度分布各不相同，上半部分的溫度高于下半部分的溫度。一方面是由于上下部分LED顆數不同導致功率不同，另一方面是因為自然對流氣流沿翅片向上運動，散熱效果因此也就變差。圖4為Ⅰ型散熱器流場Z方向切面速度矢量及溫度云圖對比。右半部切面中貼近LED芯片處的氣流由于凹槽的阻滯作用使得對流帶走的熱量更少。因此，散熱器溫度最高值出現在上半部右側的凹槽附近。

及溫度云圖對比

圖5為不同厚度的翅片其LED芯片最高結溫隨翅片間距的變化曲線，當然，散熱器的厚度和成本直接相關，企業傾向于采用最低的制造成本來滿足車燈的散熱效果。

綜合考慮散熱效果和成本，翅片間距小于9mm和翅片厚度大于2mm的設計是不可取的，最優散熱結構為：翅片間距9mm，翅片厚度1mm。

2.2 Ⅱ型前照燈散熱器結果分析

圖6為Ⅱ型散熱器溫度云圖。高溫區集中于PCB板前端以及散熱器底部正中的翅片處。從圖7的Z方向切面速度矢量和溫度云圖可以看出自然對流的主要氣流流向，從散熱器U型槽底部流向PCB板所在的熱區，之后從散熱器的后方將熱量帶走。而散熱器上方翅片由于U型槽對氣流的阻擋，對流換熱弱于底部翅片。

圖8為不同翅片厚度下LED芯片最高結溫隨翅片間距的變化示意圖。翅片間距10mm為LED芯片結溫的變化趨勢拐點，10mm前結溫呈下降趨勢，而10mm后結溫快速上升。因此Ⅱ型散熱器的最優翅片間距為10mm。而翅片厚度方面，2.5-3.5mm的厚度反而散熱效果更好。

3 結論

本文選取市面上兩款典型LED前照燈為研究對象，采用數值仿真軟件Fluent進行溫度場模擬，分析其自然對流流場流態，對比不同翅片厚度和間距對散熱性能的影響。得出以下結論。

（1）Ⅰ型前照燈LED散熱器：翅片厚度越薄，LED芯片結溫越低，最優散熱結構為：翅片間距9mm，翅片厚度1mm。

（2）Ⅱ型前照燈LED散熱器：2.5-3.5mm的厚度散熱效果更好。翅片間距10mm為LED芯片結溫的變化趨勢拐點。最優散熱結構為：翅片間距10mm，翅片厚度2.5-3mm。

【參考文獻】

[1]黃型鋼.汽車LED前大燈光熱耦合散熱仿真分析研究[D].華南理工大學，2018.

[2]Fei C，Kai W，Zong Q，et al.Design method of high-efficient？LED headlamp lens[J].Optics Express，2010，18（20）：20926.

[3]王薇，樊洪明.基于平板微熱管陣列的大功率LED散熱技術[J].照明工程學報，2018，v.29（04）：88-94.