基于CFD提升LED車燈模組散熱性能研究

樊辰 彭木榮

摘要：隨著車燈技術的發展，LED在車燈中的應用越來越廣泛，尤其是近些年，伴隨大功率LED在前照燈中的應用，LED的散熱問題也逐漸被重視，研究LED散熱結構勢在必行。本文借助流體軟件CFD對兩類散熱器進行基礎研究，從而分析不同參數對不同結構形式LED車燈用散熱器散熱性能影響的規律性，并對比分析，結果表明：在相同的條件下，結構為翅片式的車燈用散熱器比結構為翅柱式的車燈用散熱器的散熱性能要好。

關鍵詞：LED車燈;CFD;散熱;數值模擬

0 引言

隨著汽車燈具的不斷發展，LED技術在車燈應用上的不斷成熟。目前LED車燈除了發揮其基礎的照明作用外，對其還有了更多智能化的要求。實際上，LED車燈系統已經逐漸的演化成了一個相對復雜的汽車子系統[1-4]。功能的多樣化，帶來了功率的不斷增大，功率的不斷增大進而產生了熱量失效問題，熱量失效問題是否能夠得到有效的解決直接影響著整個LED系統的可靠性及光效性，進而會對整個汽車的行車安全產生影響。總而言之，如何在有限的空間內，將大功率LED前照燈所產生的熱量盡可能多的散發出去，是LED光源是否能夠在汽車前照燈中得到廣泛應用的關鍵因素[5，6]。因而，針對大工率LED車燈散熱困難的問題，國內外的許多專家、學者、高效以及各大主機廠都對此展開了深入的研究，也對此積累了一定的經驗，但大部分的研究主要集中在對現有的一些結構進行局部優化或者利用其它新型散熱方式代替目前的散熱方式。本文將借助流體軟件CFD對兩類散熱器進行基礎研究，從而分析不同參數對不同結構形式LED車燈用散熱器散熱性能影響的規律性，為LED汽車前照燈的熱設計奠定理論基礎。

1 數學模型的建立

LED車燈正常點亮工作后，散熱器與外部大氣環境存在能量交換，同時，空氣受熱升溫，會向上運動產生氣流。因此對于外包空氣域的計算需遵守質量、能量及動量守恒定律。

在微元體內的質量處于穩態的條件下，其質量守恒方程如式（3.1）所示。

式中，ρ為空氣密度;t為時間;u，v，w為對應的x，y，z三個方向的速度。

LED光源正常點亮后，其產生的熱量經過PCB傳遞到散熱器，再和外部環境進行能量交換，周圍空氣受熱升溫，沿著散熱片或散熱柱向上運動。散熱器內部只存在熱傳導，在此假設散熱器各向同性。因此該過程的能量守恒過程如式（3.2）所示。

式中，cp為空氣的定壓比熱容;T為空氣溫度;λ為空氣的導熱系數。

2 ?翅片式散熱器的設計及模擬分析

對于LED車燈翅片式散熱器的研究，主要從以下四個方面進行考慮，主要研究翅片高度、基板厚度、翅片厚度、翅片間距四個因素對散熱器散熱性能的影響，進而探究其對LED車燈散熱性能的影響，對不同參數進行不同設計取值并建立其三維分析模型。模型的幾何設計參數如下：基板面積70*50 mm2;翅片高度10 mm起，按10 mm差值遞增;基板厚度0.5 mm起，按0.5 mm差值遞增;翅片厚度1 mm起，按差值0.5 mm差值遞增;翅片間距3 mm起，按1 mm差值遞增。

將建立好的三維數學分析模型導入Autodesk Simulation CFD軟件中，在CFD中建立一個體積為120*210*250 mm3的外包空氣域，模擬散熱器的實際工作環境。最后，對分析模型進行邊界條件及求解器的設置。邊界條件的設置中，外包空氣域六個面的溫度設置為25 °C，模擬室溫環境下的工作狀態;熱源的功率設置為7 W;求解器的設置中，將傳導與對流設置為開，重力的方向設置為沿Z軸負向，迭代步數設置為100步。分別對不同參數的分析模型進行迭代求解、熱量穩態分析，對不同參數穩態模擬得到的結果進行分析，研究其對散熱性能影響的規律性。

2.1翅片高度對散熱器散熱性能的影響

采用單因素法探究翅片高度、基板厚度、翅片厚度、翅片間距對散熱器散熱性能的影響，在探究某一個因素時，其他因素不變，只取探究的該因素為唯一變量，對翅片高度在10 mm-100 mm的范圍內按10 mm差值進行多次取值，將翅片高度進行不同取值后建立的物理模型，導入CFD軟件中進行穩態模擬，對得到的模擬結果進行整理分析，觀察溫度隨高度的變化趨勢，研究得到：當翅片高度在10 mm-100 mm的范圍內變化時，LED結溫、PCB最高溫度，散熱器最高溫度隨著翅片高度的增加而逐漸降低，LED結溫由10 mm時的88.4 °C降低到100 mm時的58.3 °C，降溫效果顯著。

2.2基板厚度對散熱器散熱性能的影響

在本次研究中，當基板厚度在10 mm-100 mm的范圍內變化時，LED結溫、PCB最高溫度，散熱器最高溫度隨著基板厚度的增加而逐漸降低，LED結溫由0.5 mm時的72.2 °C降低到5 mm時的65.2 °C，在4.5 mm的變化范圍內，溫度有效降低7 °C，降溫效果顯著。

2.3翅片厚度、翅片間距對散熱器散熱性能影響

綜合分析得到：翅片厚度越薄越好，翅片間距在8 mm-10 mm時散熱性能較好，同時分析認為，翅片間距越小，翅片的個數會增加，有利于增加散熱面積，但是，間距也不宜過小，間距過小，會導致翅片間的空氣流通性變差，導致導熱阻力增大，不利于散熱。

3 ?翅柱式散熱器的設計及模擬分析

對LED車燈翅柱式散熱器的探討，和翅片式散熱器的研究思路一致，同時，為了比較兩種結構的散熱效果，研究因素及論證因素的變化范圍需保持一致，這樣對兩種不同的結構方案方具有可比性。對于LED車燈翅柱式散熱器的研究得到：（1）當翅柱高度在10 mm-100 mm的范圍內變化時，LED結溫、PCB最高溫度、散熱器最高溫度隨著翅柱高度的增加逐漸降低;（2）當基板厚度在10 mm-100 mm的范圍內變化時，LED結溫、PCB最高溫度，散熱器最高溫度隨著基板厚度的增加而逐漸降低;（3）翅柱直徑越小越好，直徑在8 mm-9 mm時散熱性能較好;翅柱直徑減小，翅柱的個數會增加，有利于增加散熱面積，但是，間距也不宜過小，間距過小不利于空氣的流通，由此會導致導熱阻力變大，不利于散熱。

4不同結構形式散熱器模擬結果對比

在本次研究中，相同翅高時，翅片式散熱器的散熱性能優于翅柱式散熱器;相同類型的散熱器中，翅高為40 mm時，其散熱效果比翅高為30 mm時的優異;翅片式散熱器，翅片厚度越薄越好，翅片間距（純空氣域）在9-11 mm之間較好;翅柱式散熱器，翅柱直徑越小越好，翅柱間距（純空氣域）在10-11.5 mm之間較好;但是在設計具體散熱器時，還需考慮實際加工過程中加工工藝可實現的可能性，翅片厚度越薄、翅柱直徑越小，加工工藝難度越大，同時，整個翅片或者翅柱變薄，還會導致根部的強度變小，影響散熱器在正常使用時的可靠性。通過以上的分析，結構為翅片式的散熱器散熱效果優于結構為翅柱式的散熱器。

參考文獻：

[1]付賢政，胡良兵. LED燈的散熱問題研究[J]. 照明工程學報，2011，22（3）：73-77.

[2]周青超，柏澤龍，魯路. 白光LED遠程熒光粉技術研究進展與展望[J]. 中國光學，2015，8（3）：313-328.

[3]孫宏強. 淺析LED技術在汽車燈具系統中的應用[J]. 輕型汽車技術，2014，（7）：27-34.

[4]YAN Z，LIU G X，KHAN J M，et al. Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors[J].Nat Commun，2012（3）：827.

[5]LI X，FANG M，WANG W，et al. Graphene heat dissipation film for thermal management of hot spot in electronic device[J]. J Mater Sci：Mater Electron，2016，27（7）：7715-7721.

[6]BAE S H，SHABANI R，LEE J B，et al. Graphene-based heat spreader for flexible electronic devices[J]. IEEE Trans Electron Device，2014，61（12）：4171-4175.

基金項目：湖南鐵路科技職業技術學院院級課題—基于CFD的LED車燈散熱及石墨烯熱控涂層性能研究（課題編號：HNTKY-KT2021-3）