汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)

孔春玉+李薇+張玉珊+曾雁+葉潔清

摘 要：本項目基于LED前大燈散熱的問題，提出了一種新型的散熱方式——汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效的解決了外加車燈的散熱問題以及散熱時汽車車燈的封閉性問題，使LED前大燈得到廣泛的應(yīng)用。此研究降低了車燈在維修更換情況下的復(fù)雜度，提高更換便捷性，降低維修成本。

關(guān)鍵詞：LED前大燈；半導(dǎo)體制冷；冷卻板

中圖分類號：U463.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0041-02

1 概述

1.1 LED散熱問題限制LED前大燈的全面推廣

LED作為汽車前大燈具有綠色節(jié)能，壽命長等優(yōu)點。但是，LED燈的散熱問題卻是制約其推廣應(yīng)用的瓶頸。到目前為止，LED燈的電光轉(zhuǎn)換效率只有30%左右。LED燈在工作過程中，一方面由于內(nèi)部光子效率不能達到100%，另一方面，內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射到芯片外部，導(dǎo)致只有少部分電能轉(zhuǎn)化為光能，大約70%的電能都最終變成了熱量。因此，解決散熱問題是LED燈推廣應(yīng)用的前提條件。根據(jù)汽車現(xiàn)代造型設(shè)計特點，汽車前大燈的安裝位置靠近發(fā)動機艙，工作環(huán)境溫度高，若采用LED前大燈，高溫的工作環(huán)境加上LED燈本身的散熱問題，若不改進散熱系統(tǒng)設(shè)計，必將極大縮減LED前大燈的工作壽命。

1.2 熱管技術(shù)和液冷技術(shù)仍存在缺陷

目前較為適用于大功率LED前大燈的散熱方式為熱管技術(shù)和液冷技術(shù)。熱管技術(shù)在熱傳輸上存在著粘性限制、音速限制、飛散限制、毛細管限制、沸騰限制等缺點。而液冷技術(shù)對設(shè)備要求高，導(dǎo)致加工成本上升；且因泵等組件數(shù)量增加，加大了漏液風(fēng)險。因此，結(jié)合LED汽車前照燈的使用環(huán)境，本項目提出一種“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案旨在有效解決LED汽車前照燈的散熱問題以及散熱過程中LED前照燈的密封問題。

因此，結(jié)合LED前大燈的使用環(huán)境，本項目提出一種液冷式半導(dǎo)體散熱系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案旨在有效解決LED前大燈的散熱問題以及散熱過程中的密封問題。

2 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷原理：把一只N型半導(dǎo)體元件和一只P型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的一個接頭處，電流方向是n→p，溫度下降并且吸熱，這就是冷端。而下面的一個接頭處，電流方向是p→n，溫度上升并且放熱，因此是熱端。

3 模型建立

3.1 系統(tǒng)建模

本文設(shè)計的汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)由LED車燈、半導(dǎo)體制冷片、驅(qū)動、一體水冷頭、散熱排、散熱風(fēng)扇共同組成。系統(tǒng)將以往龐大的制冷系統(tǒng)微型化，單元式化，將其組合成一個整體單元，做到結(jié)構(gòu)緊湊，具備制冷量大、質(zhì)量輕、管路短、不易泄漏、減少占用空間的特點。

導(dǎo)體置于扣具與一體水冷頭之間，與LED前大燈直接接觸，一體水冷頭內(nèi)含雙S流道。

在三維制圖軟件SolidWorks中建立汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)模型，其工作過程如下：半導(dǎo)體制冷片冷端進行制冷，當溫度傳感器檢測一體水冷頭冷端溫度達到預(yù)設(shè)溫度時，51單片機在驅(qū)動水泵和散熱排工作的同時可根據(jù)溫度的不同調(diào)節(jié)水泵的流速和散熱排的轉(zhuǎn)速，從而控制LED前大燈的工作溫度，避免LED前大燈由于工作溫度過高而燒壞。

3.2 冷卻板建模

汽車LED前大燈的冷卻板（如圖1所示）由迷宮流道1、直流道2，進水口3和出水口4組成，冷卻水從進水口3進入，在迷宮流道的左右兩部分分別以“S”型流動。這種左右對稱的流動方式使板溫均勻，在散熱過程中，水溫沿流動方向逐漸升高，最高溫度通常出現(xiàn)在中間偏后位置，為了減小整個冷卻板的溫差，將高溫部分流道變窄，縮小流道截面積，增大流速以提高局部散熱效果。

在三維制圖軟件SolidWorks中建立汽車LED前大燈的冷卻板模型，其特征在于：直流道呈菱形分布，迷宮流道布置在菱形中部，進水口和出水口呈對角線分布，冷卻水從進水口進入后，分別流過迷宮流道、直流道，最后匯聚至出水口。將冷卻板安裝在汽車LED前照燈后方，豎直放置。迷宮流道和直流道的深度為10mm。

4 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標

4.1 技術(shù)關(guān)鍵

（1）半導(dǎo)體散熱效率高：半導(dǎo)體能在LED大燈開啟后迅速制冷使其溫度維持在35℃-50℃，而與半導(dǎo)體熱端相貼合的一體水冷頭，則采用單程雙向流動的“雙S”流道，其有效增大了液體與一體水冷頭導(dǎo)熱板的接觸面積，快速帶走半導(dǎo)體熱端的熱量。

（2）溫度自動控制：51單片機會根據(jù)溫度高低實時控制

散熱排的轉(zhuǎn)速和水泵的流速以達到降溫的目的。

4.2 技術(shù)指標

LED前大燈的溫度隨工作時間的增加而上升，當燈溫高于35℃時，半導(dǎo)體、散熱片、散熱風(fēng)扇等組成的整套系統(tǒng)開始工作，且系統(tǒng)功率隨著LED前大燈溫度升高成線性增長，使LED前大燈的溫度維持在35℃到50℃。本團隊模擬環(huán)境溫度為60℃，測得溫度值如下：LED前大燈工作溫度48.7℃，極限溫度115℃；半導(dǎo)體熱端工作溫度73.4℃，極限溫度80℃。

5 系統(tǒng)的測試成效

為驗證該系統(tǒng)的散熱效果，使用第二代實體在模擬環(huán)境溫度為60℃的條件下進行測試，在0-250秒內(nèi)，LED前大燈半導(dǎo)體散熱和風(fēng)冷散熱的實測溫度結(jié)果如圖2所示。

由圖2分析可得：本系統(tǒng)可在100s內(nèi)使LED前大燈溫度從48℃下降至38℃，此后燈溫維持在36-40℃內(nèi)；而利用風(fēng)冷散熱的LED前大燈溫度在160s內(nèi)從48℃上升至71℃，此后燈溫維持在70℃左右。對比可得，本系統(tǒng)具有散熱速度快，散熱效率高的特點。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)首先利用半導(dǎo)體制冷片體積小且可靠性高的特點，將半導(dǎo)體制冷片置于扣具與一體水冷頭之間，與LED前大燈直接接觸，加快LED前大燈的散熱速度，且在溫度控制上遵循半導(dǎo)體快速制冷原理以達到控制LED前大燈工作溫度的效果。其次，在對半導(dǎo)體制冷片熱端進行散熱設(shè)計時，首次將雙“S”流道應(yīng)用于汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)，有效地解決了傳統(tǒng)型流道水量需求大且各流道流量分配不均等問題。

參考文獻：

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