一种适用于LED前照灯散热系统的设计与分析

宋晓博 葛爱明 王 巍 邱 鹏

(复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

大功率LED灯具设计除了要成功实现产品的功能之外，还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命和环境适应能力等，而这些都和温度有着直接或间接的关系。

选取2例LED灯具，分别为3粒LED(5W)组合的和6粒LED(10W)组合的2种。以3颗LED为例，其结构如图1所示。

2 LED汽车前照灯设计原理

2.1 散热片结构技术

灯具在点亮后逐渐升温，最后达到热稳定状态，也就是说热稳定状态时各点的温度最高，所以散热计算一般只考虑稳态情况，瞬态的热分布情况并不重要。因此应在灯具处于热稳定状态时计算灯具的温度分布并评估其散热的情况。

根据已知尺寸和参数指标，设计前照灯LED模型如图2所示，其中上半部为灯罩，下半部为带翅片的散热器模型。

灯具传热过程中遵循动量守恒定律与能量守恒定律，LED点亮之后，热量的传导过程为热源－铝基板+导热胶－散热片－外壳－外部环境。

仿真计算中，以LED功率P=5W/10W测试，设定环境温度为20℃，空气流速flow为0.001m/s。能量energy收敛值为10－7，运用icepak仿真模拟求解，得出速度收敛值分布图如图3所示。

图1 3颗LED灯具的结构

图2 LED前照灯散热模型

图3 热量收敛分布图

而温度云分布图如图4所示。

2.2 热管散热技术

1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明了一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术应用非常广泛，自从被引入散热器制造行业，人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠风冷来获得更好散热效果的单一散热模式。见图5。

图4 LED前照灯散热系统温度云分布

图5 热管散热图

从热力学的角度看，物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式:辐射、对流、传导，其中热传导最快。在LED的散热过程中，热传导是起主要作用的，热管利用蒸发制冷，热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的沸点低，容易挥发的液体。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。热管一般支持外接散热翅片。

3 计算仿真结果与分析

设定不同的边界条件，使用ICEPAK计算不同条件组合时的LED芯片。并加以比较，得出表格如图6所示。

图6 LED前照灯散热系统温度随芯片功率的变化

由图6可见，在P=4～10W范围内，最高温度与芯片功率基本呈线性变化，在P=5W左右时，散热片的温度为52℃，符合LED的工作要求，在P=10W时，散热片的最高温度已经达到76℃左右，接近LED散热要求最高温度的上限，而大功率LED汽车前照灯的功率要求通常要达到15W以上，因此其温度会更高，经实际测量，P=15W时，散热片温度T达到90℃以上，P=20W时，散热片中心最高温度超过100℃，这也与软件模拟的结果相吻合，因此，单纯应用散热片，很难达到大功率LED所需要的散热要求。

4 改进的散热片模型

稍加厚散热片的翅片，并选取铜管作为散热管，用导热硅胶粘到散热片上，得到的改进的散热片的模型如图7所示。其中铜管规格为:直径6mm，长500mm。对称粘于散热翅片之间，在室温为25℃时，经测试。当LED功率P=10W时，散热片温度T=48℃＜50℃，铜管温度从中心到两边的温度分布表如下:

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

当LED功率P=15W时，散热片温度T=61℃，铜管温度从中心到两边的温度分布如下:

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

与无散热管时的数据对比，基本上达到了LED前照灯的散热要求。

图7 改进的LED散热片结构模型

［1］唐顺杰，郑相周，宋天斌，熊 洁，朱婷婷.大功率LED灯具散热分析.中国照明电器，2010.2.

［2］Jang Sun Ho，Shin Moo Whan.Thermal analysis and modeling of led arrays for automotive headlamp，PROCEEDINGSOFTHE ASME INTERNATIONAL MECHANICAL ENGINEERING CONGRESS AND EXPOSITION 2007，VOL5:ELECTRONICSAND PHOTONICS，2008.

［3］冯华云，孟庆恩等.LED汽车前照灯研究现状.灯与照明，2009.12.

［4］罗静.大功率LED汽车前照灯散热设计.汽车工程师，2011.3.

［5］刘志伟.LED前照灯研究.光机电信息，2009.4.

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