(天津三安光电有限公司 天津 300384)
摘要：ＬＥＤ （发光二极管）作为一种新型的光源， 凭借其体积小、绿色环保、寿命长等优点， 成为汽车照明系统光源应用的主要趋势。目前ＬＥＤ 光源主要应用在汽车刹车灯、转向灯、倒车灯、尾灯以及仪表用灯等方面。同时， 一些高档轿车公司逐步将大功率高亮度ＬＥＤ 作为汽车前照灯光源使用。功率型ＬＥＤ 的驱动电流高达１ Ａ， 如果不能及时有效地将其所产生热量传递出去， 将会引起芯片内部热量聚集， 导致ＬＥＤ 发光效率下降、主波长偏移、寿命缩短等一系列可靠性问题。
关键词：半导体制冷技术；LED前照灯散热器设计优化
LED技术在汽车上的应用仍存在技术限制，散热不良导致的热效应问题是主要的瓶颈之一。长期处于较高的温度环境中工作，LED的寿命受到很大影响，光学性能也会受到很大的冲击，这对汽车的安全驾驶有很大的负面影响。因此解决LED灯的散热问题很重要。
1 LED工作原理
传统照明中，光源的发光原理可归纳为两种：一种方式是白炽灯类，加热灯丝至白炽状态，使其发光；另一种方式是卤素灯类，通过惰性气体放电，继而发光，两者均会导致大量的能量损失。LED光源是基于光电转换而工作的，属于半导体发光，发光原理跟以上两种方式截然不同。工作时，由于电流注入，产生了剩余电子和空穴，在PN结中，非平衡空穴与电子复合发光，能量损失较小，所以与传统光源相比，寿命更长，光效也高。LED芯片的主体是半导体晶片，封装在环氧树脂中。半导体晶片的构成主要有三个区域，即P型区、中间区和N型区。空穴多分布在P型中，量子阱分布在中间区域，电子分布在N型中。没有电流通过即零偏置状态时，N型区中电子向P型区扩散，P型区中空穴向N型区扩散，从而在界面两边耗尽区产生内部电场，抵消扩散，达到平衡状态。当在PN结两端施加一个正向偏压时，带负电的电子和带正电的空穴会在量子阱内复合，多余的能量则以光子的形式辐射出来。光子产生后，由于因芯片内部吸收或是全反射，使得光子不能全部从芯片输出。输入电能受电流注入效率、辐射发光量子效率以及芯片外部光取出效率的影响。
2 基于半导体制冷技术的LED前照灯散热器设计与优化
（1）散热器材料。大功率芯片散热对散热器的要求主要有两点，一是吸热快，能够迅速有效吸收芯片散发出的热，传导至环境中；二是热容量要比较大，能够存储大量热。因此，所选取的散热材料需同时具备高导热系数与比热容。常见材料的导热系数值与比热值分别综合考虑成本与散热性能，选择铝作为基本散热材料。纯铝的硬度较低，难以切削成型，实际制造中，厂家通常添加约2％的其他金属成分来提高硬度，导热系数也随之改变，散热器采用铝合金，导热系数高，质量轻，加工特性优良，便于挤压成型。
（2）调整热管散热器角度，测试不同倾斜角度下LED芯片结温的变化。以热管水平放置为基准，设置倾斜角度分别测定不同倾角下芯片结温随输入功率的变化，以反映工作性能最佳的倾角。环境温度为25。C，热管充液率为10％，芯片结温随热管倾角改变而发生变化芯片结温逐渐上升，一定时间后趋于稳定，无明显波动，当热管倾角芯片结温最低，发热功率为25W时最终稳定温度散热效果最佳；当热管倾角为0。时，散热效果最差。工作倾斜角度变化的过程中，芯片温度逐渐降低，散热性能增强；而随芯片发热功率的增加，这种变化不再明显，工作倾角对散热的影响逐步减小。热管倾斜角度对芯片结温的影响主要与热管外对流换热热阻相关。
热管的热阻一般可分为七部分，分别为热量到蒸发段外壁的传热热阻、外壁到蒸发段内壁的导热热阻、蒸发段的传热热阻、工质流动压降的热阻、冷凝段的传热热阻、冷凝段壁面的导热热阻、冷凝段外壁与周围的传热热阻。因为热管水平或竖直放置时，蒸发段为沸腾换热，工作时换热系数相差不大，所以蒸发段内部的热阻对散热器换热的影响微乎其微，而热管冷凝段外部对流换热产生的影响较大。水平放置时，冷凝段热沉也处于水平位置，热空气流动不畅使得热量无法及时散发。随热管倾角增大，热沉倾角也相应增加，散热器近场环流作用减小，倾角增大到热沉肋片处空气受热上升，与肋片下的冷空气形成自下而上的流动状态，换热效率大大提高；受热空气上升后温度逐渐降低，又会重新向下回落，与自下而上的冷空气形成对流，随发热功率增大，这种对流作用更明显，换热性能逐渐减弱。在实际使用过程中，应注意安装倾角与前照灯配光性能之问的相互影响。在实际应用中，车灯往往布置在汽车发动机仓附近，工作时环境温度会更高，芯片结温还将继续上升。会造成光效降低甚至光源损坏。所以试验中利用恒温箱模拟实际工作情境，提高环境温度，研究系统结温的变化。可见，在较高温度下，阵列热管传热效果显著。引脚温度、铝基板温度均随热电制冷片驱动电流的增大呈先减小后增大趋势。当制冷片发热端为风冷时，热端翅片温度随着制冷片输入电流的增大而逐步升高，且上升幅度逐渐增大，而当制冷片发热端为液冷时，制冷片输入电流对热端热沉表面温度影响较小。在优化过程中， 参数优化的思路顺序是翅片个数、翅片厚度、底座边长和翅片高度。确定翅片厚度时， 在第一步确定翅片个数的基础上进行优化， 采用正交设计的方法来确定翅片个数和翅片厚度库， 以期得到最佳的翅片个数和翅片厚度。对比相同条件下的芯片结温，发现使用阵列热管具有明显优势。对散热器加装风扇，确定了风扇最佳转速，并结合车辆行驶时逆向风速，设计了散热通道，使得前照灯散热器在汽车不同工况下通过不同方式加强散热，以减小综合能耗。
（3）基于逆向气流的散热通道设计。汽车前照灯位于汽车车头位置，常安装在发动机舱内，使用环境与其他照明用灯具不同。当车辆正常行驶时，周围温度较高，但与此同时，行驶中产生的逆向风速不可忽视。汽车快速行驶中，车头处风速与车速相近，合理利用逆向风速能够有效加强LED前照灯的对流换热。所以，研究中，考虑在阵列热管散热器肋片上开槽，以配合整车车灯结构与布置，形成散热通道。车头外部，汽车前照灯底部线条与中网格栅相连，增大保险杠两侧格栅面积，增加冷空气进气量。车头内部，发动机进气栅、肋片通道、侧面排气栅形成一个空气流动路径。当汽车行驶时，外部空气从发动机进气栅导入前照灯散热系统，沿着肋片开槽及肋片间距导出热沉上热量，最后热量从车身侧面排出。散热肋片上的开槽位置和宽度根据所匹配的车型、发动机仓的空间和造型来决定，一方面使得行驶时逆向气流能够沿着通道，在散热器中形成强对流，带走LED芯片产生的热量；另一方面能够改善气流速度场与温度梯度场的协同性。增大车速，将得到更好的散热效果。当汽车怠速或停车时，由风扇强化散热，从而减小能耗。
在节能环保、低碳经济的大背景下，LED作为第四代照明光源应用到汽车前照灯上，将有效提高前照灯寿命、效率和光质量，但散热却是需要解决的技术难题。研究中，探究大功率LED汽车前照灯的整体散热特性。
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