LED前照燈在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中實(shí)施熱流體 - 全文

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　　要想降低LED前照燈的耗電量，只通過第一回中提到的配光控制來減少白色LED的光損失，并在少數(shù)幾個(gè)地方獲得所期望的配光特性是不夠的。此外還必須能夠在高效狀態(tài)下使用白色LED。而其中的關(guān)鍵就在于如何使白色LED產(chǎn)生的熱量釋放出去的散熱設(shè)計(jì)。其實(shí)，輸入白色LED的功率大都變成了熱能。如果這些熱量使白色LED的溫度上升，則發(fā)光效率就會(huì)下降，導(dǎo)致發(fā)熱量增加。這樣一來，就會(huì)陷入發(fā)光效率進(jìn)一步下降、發(fā)熱量變得更大的惡性循環(huán)。

　　圖1：前照燈熱設(shè)計(jì)的定位

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　　圖2：LED前照燈的建模

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　　此次市光工業(yè)在LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)中使用了熱流體解析模擬技術(shù)。在前照燈散熱設(shè)計(jì)中使用熱流體解析模擬的情況并不少見，不過，此次是在更上游的設(shè)計(jì)過程，也就是樹脂等材料的耐熱性、對(duì)流、部件布局及散熱片的設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用了該模擬技術(shù)，由此高效推進(jìn)了散熱設(shè)計(jì)。

　　前照燈的熱設(shè)計(jì)經(jīng)過基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試制試驗(yàn)以及設(shè)計(jì)變更這四大過程后應(yīng)用于產(chǎn)品(圖1)。據(jù)市光工業(yè)負(fù)責(zé)散熱設(shè)計(jì)的菊池和重(開發(fā)本部核心工程部模擬課資深專家、解析技術(shù)高級(jí)工程師)介紹，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，雖然模擬用模型的建模難度并不高，所花工時(shí)并不多，但通過計(jì)算獲得的信息卻占到了整個(gè)設(shè)計(jì)的60%之多(圖2)。此次LED前照燈通過在這一基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬技術(shù)，獲得了顯著效果。

　　由于能夠分離光和熱，可應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中

　　那么，此次為何能夠在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬呢?其答案就在于LED前照燈中的熱量的流動(dòng)特點(diǎn)。從白色LED為起點(diǎn)的散熱路徑來看，其流動(dòng)途徑為：

　　作為發(fā)熱源的LED芯片

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　　配備LED芯片封裝的安裝基板

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　　使安裝基板的熱量向整個(gè)封裝底面擴(kuò)散的熱擴(kuò)散器

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　　散熱裝置(散熱片等)的連接部

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　　散熱裝置(散熱片等)

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　　外部空氣

　　可以說，從白色LED到外部空氣的整個(gè)路徑均為串聯(lián)狀態(tài)(圖3)。而鹵燈及HID燈等已有光源的散熱路徑頗為復(fù)雜。原因在于燈源本身同時(shí)向外部空氣放射光與熱。也就是說無法以簡(jiǎn)單的串聯(lián)狀態(tài)體現(xiàn)出來。因此，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的散熱模型較為復(fù)雜，只能在試制試驗(yàn)及設(shè)計(jì)變更的過程中使用模擬。

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　　圖3：前照燈用白色LED和散熱路徑(圖片由市光工業(yè)提供)

　　LED的光線是從表面向外部空氣放射，而熱量是從背面向前照燈的外殼放射，光與熱處于分離狀態(tài)。由于LED表面的熱放射可忽略不計(jì)，因此熱量的流動(dòng)途徑便如上所述。所以，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的建模變得簡(jiǎn)單，能夠?qū)嵤崃黧w解析模擬。憑借模擬效果，此次LED前照燈的熱解析實(shí)現(xiàn)了±2℃的計(jì)算精度，只用兩天時(shí)間就完成了散熱設(shè)計(jì)。

　　利用模擬對(duì)散熱片等部分進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并掌握大致形狀及基本性能后，市光工業(yè)試制了1次產(chǎn)品。然后經(jīng)過最佳形狀和細(xì)微部分的設(shè)計(jì)，進(jìn)入了對(duì)最終形狀下的散熱性能進(jìn)行確認(rèn)的量產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于計(jì)算精度較高，因此還有可能在下次及以后不試制產(chǎn)品便使用于量產(chǎn)。此次是市光工業(yè)首次量產(chǎn)LED前照燈，因此還是試制了實(shí)際產(chǎn)品。另外，散熱片及配光控制用反光鏡等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的熱模擬耗時(shí)約2個(gè)半小時(shí)，而白色LED到散熱片只需1個(gè)半小時(shí)。此次將散熱片等部分劃分為約70萬個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行了計(jì)算。

　　降低散熱片和連接部的熱阻

　　據(jù)市光工業(yè)介紹，此次進(jìn)行LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)時(shí)，還探討了散熱路徑中的散熱片連接部及散熱片本身的設(shè)計(jì)。其原因在于，LED產(chǎn)品是在LED芯片乃至熱擴(kuò)散器都收放在白色LED封裝內(nèi)的狀態(tài)下從LED廠商采購(gòu)的，前照燈廠商無法變更。

　　在散熱片連接部及散熱片方面，要解決的問題是如何降低連接部和散熱片本身的熱阻。要想降低連接部的熱阻，尤為重要的是：(1)使用線夾、彈簧及螺釘?shù)葋肀３謱咨獿ED按壓在散熱片上的壓力及均勻的接觸面積;(2)考慮采用散熱膏及導(dǎo)熱片，并對(duì)其伴隨時(shí)間的劣化以及面積、厚度進(jìn)行管理。在散熱片方面，需要在不組合冷卻扇、且不影響前照燈設(shè)計(jì)的大小及形狀上下工夫。此次進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)前提是向每個(gè)白色LED輸入的10W功率中會(huì)有9W變成熱量。由于所配白色LED的最大額定值為130℃(白色LED的表面溫度)，因此是按照任何用途都不會(huì)達(dá)到130℃進(jìn)行的設(shè)計(jì)。