LED 汽車燈散熱器結構設計與散熱分析

陳錦華，何邦貴，周光盛

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

汽車大燈不僅關系到一款車型的外貌，而且與夜間行車及不良氣候環境中的安全駕駛緊密相關。20 世紀末，高亮度LED 的發明在技術上和批量生產上為汽車燈光源LED 化鋪平了道路。從目前的車燈市場來看，LED 車燈無論在車輛原配還是改裝市場中占比越來越重。但是，LED 高功率產品的輸入電能只有15%～30%轉換為光能，剩下70%～80%均轉換為熱能。由于電子元器件的失效率隨溫度的升高而升高，電子元器件的溫度每升高10 ℃，其失效率就會增加一倍左右，同時電子設備的平均使用壽命也會隨著工作溫度的增高而下降，因此對LED汽車燈散熱器結構進行散熱仿真分析和優化設計就變得更加重要[1-5]。

在設計LED 發光芯片時，為能更好地控制結溫，對于散熱，主要考慮提高發光芯片向外殼傳導熱量的能力和提高外殼向外界散熱的能力。

本文利用UG 進行三維建模并使用ANSYS Icepak 軟件進行散熱分析，分析在采用強迫風冷散熱條件下，LED 汽車燈散熱器的三維模型結構的改變對散熱性能的影響，并根據實際情況對散熱器結構進行優化設計。

1 理論分析

1.1 熱傳導

熱傳導是同一介質或不同介質間由于溫差所產生的傳熱現象。導熱基本規律由傅里葉定律給出，表示單位時間內通過給定面積的熱流量，其表達式為

式中：Q——熱傳導熱流量，W；λ——材料導熱系數，W/（m·℃）；A——垂直于導熱方向的截面積，m2；t——沿等溫面法線方向的溫度梯度，℃/m。

1.2 對流換熱

對流換熱是保證電子設備散熱的主要方式。對流換熱是指流動的流體（氣體或液體）與其相接觸的固體表面之間，由于不同溫度所發生的熱量交換過程。其中，對流換熱分為自然對流和強迫對流，兩種方式下的對流換熱系數以及熱流密度如表1 所示[6]，自然對流是因為冷、熱流體的密度差引起的流動，而強迫風冷是由外力迫使流體進行流動，是因為壓力差而引起的流動。

表1 流換熱系數及特性表Tab.1 Flow heat transfer coefficients and characteristics

對流換熱可以使用牛頓冷卻公式表達：

式中：Q——對流換熱量，W；h——對流換熱系數，W/（m2·℃）；A——壁面的有效對流換熱面積，m2；tw——固體表面的溫度單位，℃；tf——冷卻流體的溫度單位，℃。

2 建立模型

2.1 幾何模型

發光源是車燈的核心，現在廣泛應用在汽車上的是鹵素大燈和氙氣大燈，如圖1 所示。

圖1 汽車大燈Fig.1 Auto Lamp

分析原型為某公司的D2H 型LED 散熱器，對其基礎模型進行散熱情況的模擬，并對其結構進行優化設計，具體參數見表2、表3 和表4。

表2 散熱器參數Tab.2 Radiator's performance parameters

表3 翅片的結構尺寸Tab.3 Structural dimensions of fins

表4 散熱器主要材料熱系性能參數Tab.4 Thermal system performance parameters of main radiator materials

在實際使用中，熱量從芯片產生，由PCB板傳到散熱器。其中，芯片與PCB 板上有導電膠，PCB 板與散熱器間涂有導熱膠。D2H 型LED 散熱器整體結構裝配圖和爆炸圖分別如圖2 和圖3所示。本文主要研究LED 散熱器的結構優化，可以忽略導電膠和導熱膠。

圖2 整體結構裝配圖Fig.2 Entity model assembly drawing

圖3 整體結構爆炸圖Fig.3 Entity model exploded drawing

2.2 理論模型

散熱器采用強迫對流，風扇強制空氣對流換熱系數取值范圍為30～100 W/(m2·K)。

PCB 上共有12 顆LED 發光芯片并對稱安裝于鋁基板兩面，其內部結構復雜，因此將其簡化成一個長方體，長度1 mm，寬度1 mm，高度0.23 mm。因為LED 發光芯片較小，可將其簡化為一個熱源面[7]，并假設每顆LED 的性能完全相同。本文主要分析LED 汽車燈散熱器結構對散熱的影響，簡化LED 發光芯片處溫度，模型簡化符合實際情況。對散熱器采用非結構化六面體劃分網格。環境溫度為20 ℃。強迫風冷散熱，Icepak自動求解出雷諾數Re=5.351 03 和貝克萊特數Pe=3.791 03，確定使用湍流。LED 汽車燈總功率20 W，每個燈珠1.6 W，光電效率為20%，總熱功耗為20 W×80%=16 W。

對散熱器采用非結構化六面體劃分網格如圖4 所示。網格劃分element：178 144。圖5 為溫度分布云圖。從圖中可知結溫為83.97 ℃。

圖4 散熱器模型的網格劃分Fig.4 Grid division of radiator model

圖5 散熱器模型溫度云圖Fig.5 Temperature cloud map of radiator model

3 散熱結構設計及溫度測試

3.1 散熱器翅片高度設計的優化分析

原始模型翅片高度為12 mm，模擬翅片的高度分別為8，10，12，14，16，18，20，22，24，26mm。在不同翅片高度下對LED 發光芯片結溫的影響如圖6 所示。

圖6 不同翅片高度的芯片結溫Fig.6 Chip junction temperatures at different fin heights

散熱器的翅片高度發生變化后，散熱器的散熱面積發生了改變。圖6 中可以看出，翅片的高度在8～16 mm 區間時，結溫下降較快；翅片高度大于18 mm 時，結溫有上升的趨勢。分析可知：散熱器翅片高度的增加，使得翅片換熱面積增加，有利于散熱器的散熱，但并不是翅片越高散熱器效果越好。由圖6 可知，采用強迫風冷散熱，當翅片超過18 mm 時，風力減弱，散熱效果也減弱。由此推斷，在翅片高度區間在14～20 mm 中散熱效果最佳。

3.2 散熱器翅片直徑設計的優化分析

原始模型翅片直徑為31 mm，模擬翅片的直徑為27，29，31，33，35，37，39，41，43，45 mm。在不同翅片直徑下對LED 發光芯片結溫的影響如圖7所示。

圖7 不同翅片直徑的芯片結溫Fig.7 Chip junction temperatures with different fin diameters

在散熱器翅片數量不變的前提下，改變翅片的半徑。由圖6 可以看出，在允許安裝的最大半徑內，隨著翅片半徑的增加，直徑在26～34 mm區間時，結溫下降較快，但翅片直徑增加到大于34 mm 后，結溫下降緩慢。由于風扇風量固定不變，因此再增加翅片半徑對于散熱效果不是很明顯。此時，增加翅片只會增加耗材，不會提高散熱效果。由此推斷，在翅片直徑區間在45 mm 中散熱效果最佳。

4 結論

通過分析散熱器翅片的直徑、高度對LED結溫的影響發現，當翅片高度大于14 mm 時，結溫下降較快，而翅片高度大于18 mm 時，結溫呈現上升的趨勢；翅片直徑小于38 mm 時，結溫下降趨勢較快，而翅片直徑大于38 mm 時，結溫下降趨勢緩慢。當散熱器翅片高度為18 mm，直徑為45 mm 時散熱性能最好。