LED车灯散热器优化研究

郁秋华

【摘 要】LED是新一代的绿色照明光源，但其亮度和寿命会随着结温度的升高而降低，改善LED的散热问题亟需解决。本文以市场上两款典型LED汽车前照灯为研究对象，利用UG建立其简化三维模型，并通过Ansys Fluent软件进行温度场模拟，对比分析不同翅片厚度和间距对LED散热性能的影响，从而找出其最优翅片散热器结构。

【关键词】LED散热器;数值模拟;结温

中图分类号： TN312.8文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）22-0021-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.008

0 前言

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是当今最具竞争力和发展前景的固体光源。LED的光电转换效率为20%～30%，其余的电能全部转化为热能，如果这些热量不及时散出去，LED结温居高不下，将会产生光强减少、光谱偏移、色温升高、使用寿命降低等一系列问题，最终影响车灯的正常工作。因此，LED的散热问题[1]是LED车灯发展的应用中亟待解决的关键问题。

目前市场上的大功率LED车灯产品基本都采用传统的翅片被动散热方法。通过在基础表面上扩展表面，从而有效增加换热面积，然后通过自然对流的方式将热量散发出去。影响翅片散热器散热性能的因素多种多样，包括有：总体结构、厚度、高度、宽度、翅片间距以及材料等。散热器的结构无法统一，只能针对每种型号进行单独优化。本文选取市面上两款典型LED前照灯，采用数值仿真软件Fluent进行温度场模拟。在自然对流条件下，对LED翅片散热器进行研究，对比分析不同的翅片厚度和间距对散热性能的影响，找出其最优翅片散热器结构。

1 数值建模

1.1 模型建立

为分析大功率LED翅片散热器的温度场和流场分布，必须首先建立其模型。基于网格划分和减少计算量的考虑，借助三维绘图软件UG对模型进行简化，去除了安装卡扣、倒角、螺栓孔等复杂结构。图1是三款LED前照灯散热器几何简化模型示意图。

1.2 网格划分

网格是CFD模型的几何表达形式，网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。图2为LED前照灯散热器网格示意图。模型网格通过ICEM绘制，采用非结构化四面体网格，网格质量均在0.3以上，说明网格质量优良。对LED芯片和PCB板进行局部加密，同时对散热器的上下投影空间的流体域进行加密，以确保精确反映上浮气流的流动与换热状态。

1.3 计算模型设置

计算模型使用基于压力方程的求解器，选用k-ε两方程湍流模型[2]，同时开启Fluent中特殊计算选项：full buoyancy effects（考虑全部浮力效应）;enhanced wall treatment（强化壁面处理）。压力方程选择body-force-weighted来强化体积力在求解中的反映;气体选用不可压缩理想气体，环境温度25℃。两组前照灯散热器材料均为铸铝，PCB板的材料均设置为铝基板。

由于LED芯片的封装材料导热能力差，因此忽略封装材料的散热，以面热源的形式模拟LED芯片发热。将芯片与基板未接触的壁面设置为绝热壁面，将芯片与基板接触的壁面定义为热流壁面，不同型号LED芯片的热流参数设置见表1。模拟出的LED芯片温度为节点温度Ts[3]，需要按相应的LED的热阻值进行计算，得出芯片结温Tj。

2 模拟结果及分析

2.1 Ⅰ型前照灯散热器结果分析

图3为Ⅰ型散热器温度云图。可以看出11颗LED芯片所处区域温度分布各不相同，上半部分的温度高于下半部分的温度。一方面是由于上下部分LED颗数不同导致功率不同，另一方面是因为自然对流气流沿翅片向上运动，散热效果因此也就变差。图4为Ⅰ型散热器流场Z方向切面速度矢量及温度云图对比。右半部切面中贴近LED芯片处的气流由于凹槽的阻滞作用使得对流带走的热量更少。因此，散热器温度最高值出现在上半部右侧的凹槽附近。

及温度云图对比

图5为不同厚度的翅片其LED芯片最高结温随翅片间距的变化曲线，当然，散热器的厚度和成本直接相关，企业倾向于采用最低的制造成本来满足车灯的散热效果。

综合考虑散热效果和成本，翅片间距小于9mm和翅片厚度大于2mm的设计是不可取的，最优散热结构为：翅片间距9mm，翅片厚度1mm。

2.2 Ⅱ型前照灯散热器结果分析

图6为Ⅱ型散热器温度云图。高温区集中于PCB板前端以及散热器底部正中的翅片处。从图7的Z方向切面速度矢量和温度云图可以看出自然对流的主要气流流向，从散热器U型槽底部流向PCB板所在的热区，之后从散热器的后方将热量带走。而散热器上方翅片由于U型槽对气流的阻挡，对流换热弱于底部翅片。

图8为不同翅片厚度下LED芯片最高结温随翅片间距的变化示意图。翅片间距10mm为LED芯片结温的变化趋势拐点，10mm前结温呈下降趋势，而10mm后结温快速上升。因此Ⅱ型散热器的最优翅片间距为10mm。而翅片厚度方面，2.5-3.5mm的厚度反而散热效果更好。

3 结论

本文选取市面上两款典型LED前照灯为研究对象，采用数值仿真软件Fluent进行温度场模拟，分析其自然对流流场流态，对比不同翅片厚度和间距对散热性能的影响。得出以下结论。

（1）Ⅰ型前照灯LED散热器：翅片厚度越薄，LED芯片结温越低，最优散热结构为：翅片间距9mm，翅片厚度1mm。

（2）Ⅱ型前照灯LED散热器：2.5-3.5mm的厚度散热效果更好。翅片间距10mm为LED芯片结温的变化趋势拐点。最优散热结构为：翅片间距10mm，翅片厚度2.5-3mm。

【參考文献】

[1]黄型钢.汽车LED前大灯光热耦合散热仿真分析研究[D].华南理工大学，2018.

[2]Fei C，Kai W，Zong Q，et al.Design method of high-efficient？LED headlamp lens[J].Optics Express，2010，18（20）：20926.

[3]王薇，樊洪明.基于平板微热管阵列的大功率LED散热技术[J].照明工程学报，2018，v.29（04）：88-94.