一種適用于LED前照燈散熱系統的設計與分析

宋曉博 葛愛明 王 巍 邱 鵬

(復旦大學信息科學與工程學院光源與照明工程系，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

大功率LED燈具設計除了要成功實現產品的功能之外，還必須充分考慮產品的穩定性、工作壽命和環境適應能力等，而這些都和溫度有著直接或間接的關系。

選取2例LED燈具，分別為3粒LED(5W)組合的和6粒LED(10W)組合的2種。以3顆LED為例，其結構如圖1所示。

2 LED汽車前照燈設計原理

2.1 散熱片結構技術

燈具在點亮后逐漸升溫，最后達到熱穩定狀態，也就是說熱穩定狀態時各點的溫度最高，所以散熱計算一般只考慮穩態情況，瞬態的熱分布情況并不重要。因此應在燈具處于熱穩定狀態時計算燈具的溫度分布并評估其散熱的情況。

根據已知尺寸和參數指標，設計前照燈LED模型如圖2所示，其中上半部為燈罩，下半部為帶翅片的散熱器模型。

燈具傳熱過程中遵循動量守恒定律與能量守恒定律，LED點亮之后，熱量的傳導過程為熱源－鋁基板+導熱膠－散熱片－外殼－外部環境。

仿真計算中，以LED功率P=5W/10W測試，設定環境溫度為20℃，空氣流速flow為0.001m/s。能量energy收斂值為10－7，運用icepak仿真模擬求解，得出速度收斂值分布圖如圖3所示。

圖1 3顆LED燈具的結構

圖2 LED前照燈散熱模型

圖3 熱量收斂分布圖

而溫度云分布圖如圖4所示。

2.2 熱管散熱技術

1963年美國LosAlamos國家實驗室的G.M.Grover發明了一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術應用非常廣泛，自從被引入散熱器制造行業，人們改變了傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠風冷來獲得更好散熱效果的單一散熱模式。見圖5。

圖4 LED前照燈散熱系統溫度云分布

圖5 熱管散熱圖

從熱力學的角度看，物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出現熱從高溫處向低溫處傳遞的現象。熱傳遞有三種方式:輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。在LED的散熱過程中，熱傳導是起主要作用的，熱管利用蒸發制冷，熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的沸點低，容易揮發的液體。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管一段為蒸發端，另外一段為冷凝端，當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。熱管一般支持外接散熱翅片。

3 計算仿真結果與分析

設定不同的邊界條件，使用ICEPAK計算不同條件組合時的LED芯片。并加以比較，得出表格如圖6所示。

圖6 LED前照燈散熱系統溫度隨芯片功率的變化

由圖6可見，在P=4～10W范圍內，最高溫度與芯片功率基本呈線性變化，在P=5W左右時，散熱片的溫度為52℃，符合LED的工作要求，在P=10W時，散熱片的最高溫度已經達到76℃左右，接近LED散熱要求最高溫度的上限，而大功率LED汽車前照燈的功率要求通常要達到15W以上，因此其溫度會更高，經實際測量，P=15W時，散熱片溫度T達到90℃以上，P=20W時，散熱片中心最高溫度超過100℃，這也與軟件模擬的結果相吻合，因此，單純應用散熱片，很難達到大功率LED所需要的散熱要求。

4 改進的散熱片模型

稍加厚散熱片的翅片，并選取銅管作為散熱管，用導熱硅膠粘到散熱片上，得到的改進的散熱片的模型如圖7所示。其中銅管規格為:直徑6mm，長500mm。對稱粘于散熱翅片之間，在室溫為25℃時，經測試。當LED功率P=10W時，散熱片溫度T=48℃＜50℃，銅管溫度從中心到兩邊的溫度分布表如下:

L 5cm 10cm 15cm 20cm 25cm(外端)T 40 38 37 34 32

當LED功率P=15W時，散熱片溫度T=61℃，銅管溫度從中心到兩邊的溫度分布如下:

L 5cm 10cm 15cm 20cm 25cm T 58 55 51 46 42

與無散熱管時的數據對比，基本上達到了LED前照燈的散熱要求。

圖7 改進的LED散熱片結構模型

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