樊辰 彭木荣

摘要：随着车灯技术的发展，LED在车灯中的应用越来越广泛，尤其是近些年，伴随大功率LED在前照灯中的应用，LED的散热问题也逐渐被重视，研究LED散热结构势在必行。本文借助流体软件CFD对两类散热器进行基础研究，从而分析不同参数对不同结构形式LED车灯用散热器散热性能影响的规律性，并对比分析，结果表明：在相同的条件下，结构为翅片式的车灯用散热器比结构为翅柱式的车灯用散热器的散热性能要好。

关键词：LED车灯;CFD;散热;数值模拟

0 引言

随着汽车灯具的不断发展，LED技术在车灯应用上的不断成熟。目前LED车灯除了发挥其基础的照明作用外，对其还有了更多智能化的要求。实际上，LED车灯系统已经逐渐的演化成了一个相对复杂的汽车子系统[1-4]。功能的多样化，带来了功率的不断增大，功率的不断增大进而产生了热量失效问题，热量失效问题是否能够得到有效的解决直接影响着整个LED系统的可靠性及光效性，进而会对整个汽车的行车安全产生影响。总而言之，如何在有限的空间内，将大功率LED前照灯所产生的热量尽可能多的散发出去，是LED光源是否能够在汽车前照灯中得到广泛应用的关键因素[5，6]。因而，针对大工率LED车灯散热困难的问题，国内外的许多专家、学者、高效以及各大主机厂都对此展开了深入的研究，也对此积累了一定的经验，但大部分的研究主要集中在对现有的一些结构进行局部优化或者利用其它新型散热方式代替目前的散热方式。本文将借助流体软件CFD对两类散热器进行基础研究，从而分析不同参数对不同结构形式LED车灯用散热器散热性能影响的规律性，为LED汽车前照灯的热设计奠定理论基础。

1 数学模型的建立

LED车灯正常点亮工作后，散热器与外部大气环境存在能量交换，同时，空气受热升温，会向上运动产生气流。因此对于外包空气域的计算需遵守质量、能量及动量守恒定律。

在微元体内的质量处于稳态的条件下，其质量守恒方程如式（3.1）所示。

式中，ρ为空气密度;t为时间;u，v，w为对应的x，y，z三个方向的速度。

LED光源正常点亮后，其产生的热量经过PCB传递到散热器，再和外部环境进行能量交换，周围空气受热升温，沿着散热片或散热柱向上运动。散热器内部只存在热传导，在此假设散热器各向同性。因此该过程的能量守恒过程如式（3.2）所示。

式中，cp为空气的定压比热容;T为空气温度;λ为空气的导热系数。

2  翅片式散热器的设计及模拟分析

对于LED车灯翅片式散热器的研究，主要从以下四个方面进行考虑，主要研究翅片高度、基板厚度、翅片厚度、翅片间距四个因素对散热器散热性能的影响，进而探究其对LED车灯散热性能的影响，对不同参数进行不同设计取值并建立其三维分析模型。模型的几何设计参数如下：基板面积70*50 mm2;翅片高度10 mm起，按10 mm差值递增;基板厚度0.5 mm起，按0.5 mm差值递增;翅片厚度1 mm起，按差值0.5 mm差值递增;翅片间距3 mm起，按1 mm差值遞增。

将建立好的三维数学分析模型导入Autodesk Simulation CFD软件中，在CFD中建立一个体积为120*210*250 mm3的外包空气域，模拟散热器的实际工作环境。最后，对分析模型进行边界条件及求解器的设置。边界条件的设置中，外包空气域六个面的温度设置为25 °C，模拟室温环境下的工作状态;热源的功率设置为7 W;求解器的设置中，将传导与对流设置为开，重力的方向设置为沿Z轴负向，迭代步数设置为100步。分别对不同参数的分析模型进行迭代求解、热量稳态分析，对不同参数稳态模拟得到的结果进行分析，研究其对散热性能影响的规律性。

2.1翅片高度对散热器散热性能的影响

采用单因素法探究翅片高度、基板厚度、翅片厚度、翅片间距对散热器散热性能的影响，在探究某一个因素时，其他因素不变，只取探究的该因素为唯一变量，对翅片高度在10 mm-100 mm的范围内按10 mm差值进行多次取值，将翅片高度进行不同取值后建立的物理模型，导入CFD软件中进行稳态模拟，对得到的模拟结果进行整理分析，观察温度随高度的变化趋势，研究得到：当翅片高度在10 mm-100 mm的范围内变化时，LED结温、PCB最高温度，散热器最高温度随着翅片高度的增加而逐渐降低，LED结温由10 mm时的88.4 °C降低到100 mm时的58.3 °C，降温效果显著。

2.2基板厚度对散热器散热性能的影响

在本次研究中，当基板厚度在10 mm-100 mm的范围内变化时，LED结温、PCB最高温度，散热器最高温度随着基板厚度的增加而逐渐降低，LED结温由0.5 mm时的72.2 °C降低到5 mm时的65.2 °C，在4.5 mm的变化范围内，温度有效降低7 °C，降温效果显著。

2.3翅片厚度、翅片间距对散热器散热性能影响

综合分析得到：翅片厚度越薄越好，翅片间距在8 mm-10 mm时散热性能较好，同时分析认为，翅片间距越小，翅片的个数会增加，有利于增加散热面积，但是，间距也不宜过小，间距过小，会导致翅片间的空气流通性变差，导致导热阻力增大，不利于散热。

3  翅柱式散热器的设计及模拟分析

对LED车灯翅柱式散热器的探讨，和翅片式散热器的研究思路一致，同时，为了比较两种结构的散热效果，研究因素及论证因素的变化范围需保持一致，这样对两种不同的结构方案方具有可比性。对于LED车灯翅柱式散热器的研究得到：（1）当翅柱高度在10 mm-100 mm的范围内变化时，LED结温、PCB最高温度、散热器最高温度随着翅柱高度的增加逐渐降低;（2）当基板厚度在10 mm-100 mm的范围内变化时，LED结温、PCB最高温度，散热器最高温度随着基板厚度的增加而逐渐降低;（3）翅柱直径越小越好，直径在8 mm-9 mm时散热性能较好;翅柱直径减小，翅柱的个数会增加，有利于增加散热面积，但是，间距也不宜过小，间距过小不利于空气的流通，由此会导致导热阻力变大，不利于散热。

4不同结构形式散热器模拟结果对比

在本次研究中，相同翅高时，翅片式散热器的散热性能优于翅柱式散热器;相同类型的散热器中，翅高为40 mm时，其散热效果比翅高为30 mm时的优异;翅片式散热器，翅片厚度越薄越好，翅片间距（纯空气域）在9-11 mm之间较好;翅柱式散热器，翅柱直径越小越好，翅柱间距（纯空气域）在10-11.5 mm之间较好;但是在设计具体散热器时，还需考虑实际加工过程中加工工艺可实现的可能性，翅片厚度越薄、翅柱直径越小，加工工艺难度越大，同时，整个翅片或者翅柱变薄，还会导致根部的强度变小，影响散热器在正常使用时的可靠性。通过以上的分析，结构为翅片式的散热器散热效果优于结构为翅柱式的散热器。

参考文献：

[1]付贤政，胡良兵. LED灯的散热问题研究[J]. 照明工程学报，2011，22（3）：73-77.

[2]周青超，柏泽龙，鲁路. 白光LED远程荧光粉技术研究进展与展望[J]. 中国光学，2015，8（3）：313-328.

[3]孙宏强. 浅析LED技术在汽车灯具系统中的应用[J]. 轻型汽车技术，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.

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基金項目：湖南铁路科技职业技术学院院级课题—基于CFD的LED车灯散热及石墨烯热控涂层性能研究（课题编号：HNTKY-KT2021-3）