某型飞机LED航行灯散热器设计及研究

2018-03-29王裕林

制造业自动化 2018年3期

王裕林，杨帆，李飞，陈亮

（1.中国民航飞行学院机务处，广汉 618307；2.中国民航飞行学院新津分院，成都 611430）

0 引言

航行灯是飞机外部照明系统的重要组成部分之一，在飞机起飞、巡航、着陆等过程中为其提供空中信息。某型飞机的航行灯原厂选用21W白炽灯作为光源。当飞机在地面低速滑行时，由于冷却气流不足，会使航行灯以及其附近部件温度升高，容易发生灯泡过热损坏、灯罩过热变形及翼尖复合材料裂纹等故障现象。为了解决上述故障，本文提出一款新型LED灯替代白炽灯，LED灯具有散热小、耗电低、寿命长、价格低等优点。由于目前半导体制造工艺的限制，LED只有约10%～20%的电能转化为光能[1]，80%～90%的电能转化为热能，造成LED芯片温度升高，导致LED发光效率降低、使用寿命缩短以及色温漂移[2]。因此，新型LED航行灯的散热方式是本文的研究重点。

为了增强LED灯的散热器能力，国内外学者进行了大量研究。唐帆[3]等基于烟囱效应原理，设计了一种拥有特殊散热结构的LED异形灯。在没有散热器的条件下，可以满足LED芯片输入功率小于等于10W时的安全工作要求。周驰[4]等提出一种整体式热管散热器，对不同的充液率、产热功率、倾角进行了散热自然对流实验研究和分析，认为整体式热管散热器相比于常见的太阳化翅片和平行板散热器，可以更有效地控制芯片结温。何凡[2]等针对大功率LED场地照明集成芯片散热问题，提出了叠片式纯铝散热器结构，通过增加散热面积和提高散热器材料的导热系数有效降低LED结温。

本文着重对LED航行灯散热器的设计方法展开研究，详细分析了LED芯片散热路径，设计了散热器的基本构型，通过建立LED航行灯的三维模型，采用CAE软件模拟和实验两种方法验证了LED航行灯的散热效果，设计过程和结果对相关领域的应用具有重要的参考价值。

1 LED散热器设计

1.1 理论分析

热传递的基本途径主要为热传导、热对流、热辐射。热传导主要表现在封装结构与散热器中，而热对流主要靠散热器来体现[5]。图1是LED芯片阵列散热过程中的等效热阻模型图，其中MCPCB为热电分离铝基板，即LED芯片通过固晶材料直接置于封装铝基板的铝芯上。表1是LED芯片各封装环节的材料及导热系数。

LED芯片结温Tj可以通过式(1)计算得到。

图1 LED的散热模型及其等效热路

式中，PLED是单个芯片热功率；RLED单个芯片是芯片内部热阻，包括有源层、衬底和固晶层；Rb是铝芯热阻；Rg是导热胶热阻；Rh为散热器热阻。由于PLED、Rb、Rg受到制造工艺及材料物性的限制，很难有效减少，因此Rh对降低结温有着重要意义[4]。

表1 LED芯片各封装环节导热系数表

1.2 LED散热器的设计

某航行灯组件由安装支架、白炽灯、固定螺帽等部件组成（如图2(a)所示）。该航行灯位于机翼翼尖，由于该航行灯与频闪灯安装在同一支架组件上，因此新设计的LED航行灯必须与原安装支架相兼容。

采用额定功率为20W的单珠LED作为光源，由4串5并LED芯片阵列组成。为了配合原安装支架的使用，LED散热器依安装支架外形进行设计，主要由散热芯轴与螺纹式散热片组成（如图2(b)所示）。散热器材质导热系数的大小表明金属导热能力的大小，导热系数越大，热阻越低，导热能力越强[6]，为了更好将LED芯片的热量散发出去，采用高导热系数的铜作为散热器的材质。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

航行灯采用单珠大功率LED，由球面透镜、LED芯片、铝基、散热器、固定螺帽、安装支架组成，封装好的LED芯片焊接在MCPCB（铝基）上，通过采用导热粘合剂以及机械螺钉的方式，将MCPCB固定在散热器上，如图2(b)所示。

通过绝缘层和玻璃透镜辐射散发的热量较少，在数值模拟时忽略其影响，对LED模型理行了简化处理，建立了LED航行灯的三维模型（如图3所示），将散热器模型导入ANSYS Workbench进行稳态散热分析。在有限元分析软件按表1建立工程材料数据，设定模型材料属性。

图2 改装前后的航行灯结构图

图3 LED航行灯散热器结构图

2.2 网格划分

采用局部细化的自适应网格划分方法对LED散热器模型进行网格划分，如图4所示。其中，芯片、铝基网格较密，散热器的网格较疏，总网格单元数为165108，节点数为239741。

图4 LED航行灯散热器网格划分图

2.3 有限元分析

LED芯片组件由20个1×1×0.25mm额定功率为1W的芯片阵列组成，LED的工作电流为300mA，LED的光电转换效率大约为20%，即热功率P=U×I×80%=14×0.3×0.8=3.36W。LED芯片阵列的生热率为6.72×108W/m3，散热器与空气之间为自然对流换热，平均对流换热系数为12W/(m2·℃)，环境温度为25℃。计算求得结果如图5所示。

图5 LED航行灯散热器热分析结果

一般来讲，LED芯片的承受最高温度为110℃，设计散热器时考虑安全裕度，LED芯片PN结温度不得高于95℃[7]。热分析结果显示，LED芯片的PN结温度为54.5℃，在正常范围之内。按图6所示的选取4个测试点的温度分别为53.90℃、53.81℃、52.62℃、52.16℃。

3 实验结果验证及分析

3.1 模型验证

为模拟航行灯的工况，在恒温的密闭空间内进行LED散热器的散热实验，用相对密封的纸箱将LED航行灯装置罩住。采用兆信数显直流稳压电源对其进行供电，使用四通道温度采集器及PT100热电阻测量散热器温度，温度采集器使用USB线与PC连接。分别在散热器上选取MCPCB底部、散热器底部、散热器中部及散热式固定螺帽4个不同位置粘贴热电阻传感器，各点位置如图6所示。实验时，通过调节空调将环境温度稳定在25℃左右。按图7连接实验设备，使LED航行灯装置开始工作，通过观察PC端的专用软件显示各测试点的温度变化，以辨实验是否正常。

图6 温度测试点示意图

图7 实验设备布置图

3.2 结果分析

在相同条件下，对每个测试点进行5次测量。LED散热器温度随时间的变化如图8所示，在前30分钟内，温度随时间呈线性增加。温度上升到45℃后，温度变化趋势变缓。在50分钟左右时，温度开始稳定不变。为了能测量到准确的温度数据，待LED稳定工作80分钟左右，且数据采集仪读数稳定后记录4个测试点的温度数据。每次测量间隔时间大约为1小时，确保散热器的温度恢复为常温才开始下一次测试，最后取5次测量的平均值作为实验结果。

图8 散热器的温度曲线图

实验数据和CAE分析结果的比较如表2所示。从整体上看，计算机数值仿真的结果与试验数据有较高的稳合度，误差均小于5%，可以认为该三维模型和CAE分析方法是有效、可靠的。但所有测试点的实验测量温度要比模拟温度低2℃～3℃，可能是因为在三维建模时进行了简化处理，导致模拟时LED芯片的温度不易散出，整体温度要较高。不论是实验还是模拟结果，四个测试点的温度均随离芯片距离增加而下降。