列車車載LED燈結(jié)構(gòu)散熱分析

楊曉靜

【摘 要】LED照明光源已被廣泛應(yīng)用于照明系統(tǒng)設(shè)備，但由于其光電轉(zhuǎn)化率較低，大部分電能實(shí)際轉(zhuǎn)化成了熱量，所以如何提高其散熱能力是LED燈產(chǎn)業(yè)化解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文做的是列車車載LED燈結(jié)構(gòu)散熱分析。對LED的各項(xiàng)原理、結(jié)構(gòu)和光學(xué)特點(diǎn)做了簡要的分析，之后確定鋁材料和肋片型散熱器，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行熱分析，得出其穩(wěn)態(tài)的溫度場分布圖，從而驗(yàn)證了散熱器各項(xiàng)選擇的合理性，并分析了實(shí)際列車中散熱器的散熱情況。

【關(guān)鍵詞】LED；散熱；熱分析；ANSYS

1 列車車載LED的意義

本課題做的是列車車載LED燈的結(jié)構(gòu)散熱分析，我們就有必要了解為什么要做這樣的一個(gè)設(shè)分析。

LED英文單詞Light Emitting Diode的縮寫，即發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。發(fā)光二極管具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、壽命長、抗沖擊和抗振動(dòng)性好、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。LED是一種新型半導(dǎo)體固態(tài)光源，在全球能源日趨緊張和環(huán)保壓力日益加大的情況下，使用LED半導(dǎo)體照明已被公認(rèn)是一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。

就列車車載中LED的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)是：

1）抗震性強(qiáng)，大量減少維護(hù)工作；

2）壽命長；

3）配光控制容易，有益于照射面的利用率，且可降低眩光等；

4）體積小，可以安裝在行李架等空間有限的地方；

5）重量輕，通過減輕車輛重量，降低運(yùn)行時(shí)的能耗。

2 LED燈的熱特性

與傳統(tǒng)光源一樣，LED在工作時(shí)也會產(chǎn)生熱量。LED芯片的表面積小，正常工作時(shí)電流密度大，但是單顆LED的輸出光束又低，所以LED照明設(shè)備大多需要多個(gè)LED組合而成，而LED燈的體積有限，這就造成LED密集度較大，并且由于LED的光電轉(zhuǎn)換效率不高，只有20%左右的電能轉(zhuǎn)為光輸出，其余均轉(zhuǎn)換成為熱能，因此當(dāng)LED燈工作時(shí)，將會集中產(chǎn)生大量的熱量。熱量若不能盡快有效地耗散，隨之而來的熱將會對LED引起結(jié)溫上升、減少芯片出射的光子、使色溫質(zhì)量下降、加快芯片老化、縮短器件壽命等。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的問題顯得更加突出，因此，對LED燈散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱分析就變得異常關(guān)鍵。

3 LED散熱器的材料

選擇散熱器的材料必須了解傳熱學(xué)熱能傳遞中的熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的原理是當(dāng)不同溫度的分子接近時(shí)，由于高溫快速分子與低溫低速分子間發(fā)生完全彈性碰撞或因自由電子的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，其單位為W/（m*℃）。一般是說金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)最高，液體次之，氣體最小。如表1列出了一些金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)：

表1 各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)

從表1可以看出各材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣，但是做車載上使用的LED燈，我們必須考慮綜合效益的問題。綜合比較下，金屬的導(dǎo)熱性能確實(shí)比其它材料要好很多，金、銀、銅的價(jià)格昂貴，而鐵、鋼、鉛等其它金屬的導(dǎo)熱系數(shù)太低，現(xiàn)選擇鋁作為散熱器的制作材料。鋁不單只是價(jià)格合理、導(dǎo)熱性能好，而且它的密度是金屬中較小的，材質(zhì)較輕，更加適合在列車上使用。

4 散熱結(jié)構(gòu)的模型

在確定LED燈的散熱結(jié)構(gòu)之前，必須了解熱能傳遞的另一種方式熱對流，熱對流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。

肋片型的散熱器（如圖1）把電源放到管外，從而可以把半邊鋁殼完全做成散熱器。肋片型采用肋片形狀的散熱結(jié)構(gòu)，大大增加了散熱器面積。電源不放在管內(nèi)，又可以減少熱量，這就大大延長了LED的壽命。

圖1 肋片型散熱器截面圖

5 LED燈散熱分析問題歸結(jié)

LED燈散熱器的上表面放置LED的發(fā)光體，即熱量從上表面流入。下表面、兩外側(cè)面和肋片部分為直接與空氣接觸的散熱區(qū)，無任何外力因素，屬于空氣自然對流表面?zhèn)鳠帷?/p>

綜上所述，可將問題歸結(jié)為這樣的問題進(jìn)行求解。散熱器所有部位均用鋁制造，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236W/（m*℃），該LED燈的功率為20W，有80%的能量轉(zhuǎn)化成熱量形式，并全部被散熱器的上表面吸收，散熱器上表面的有效吸熱面積為0.02448m2，下表面、兩外側(cè)面和肋片部分為空氣自然對流傳熱，空氣自然對流傳熱系數(shù)為1～10W/（m2×K），由于燈是在列車上使用，所以空氣對流傳熱系數(shù)取5W/（m2×K）較合適，列車上空氣的溫度為室溫25℃，其余各面均無熱量的流入與流出。計(jì)算出上表面的熱流密度為653.6W/m2。

6 利用ANSYS軟件分析散熱器

做有限元熱分析首先確定一個(gè)模型，模在Pro/E軟件中把模型建好，然后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析。出現(xiàn)如圖2所示模型。

選擇好分析類型、單元類型、材料屬性、單元尺寸，劃分網(wǎng)格后，出現(xiàn)如圖3所示網(wǎng)格劃分結(jié)果模型。

圖2 導(dǎo)入ANSYS的散熱器模型 圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)模型

選擇熱分析類型，對上表面施加熱流密度載荷，下表面、兩外側(cè)面和肋片施加對流載荷，并輸入空氣溫度25。

運(yùn)算求解，輸出溫度場分布的彩色云圖，出現(xiàn)圖4顯示溫度分布結(jié)果。

從結(jié)果中可以看出散熱器的橫截面溫度場分布情況，其中最高溫度是64.004℃，紅色區(qū)域?yàn)樽罡邷囟瘸霈F(xiàn)在散熱器的上表面，該區(qū)域放置發(fā)光體。也就是說LED工作時(shí)的溫度為64.004℃，而LED燈在80℃以下的溫度工作即可達(dá)到技術(shù)要求。溫度最低是43.174，溫度的最低出現(xiàn)在肋片外沿上，這和預(yù)想的一樣。溫度從肋片外沿到上表面逐漸升高，顏色不同說明溫度的變化。

肋片型散熱器的溫度變化線整體現(xiàn)出一個(gè)向上的弧線，這正式由于中間肋片比較長，兩邊比較短，使中間散熱較好所引起的。由于總體的結(jié)構(gòu)限制，肋片的長度不能再加長，又要保證散熱器的剛度，以至于肋片不能向上表面延伸，這樣的肋片設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了散熱效果的頂峰。

換個(gè)角度觀察散熱器的溫度場，如圖5所示。

圖4 散熱器橫截面溫度分布

圖5 散熱器溫度分布三維圖

在圖3-15溫度場的分布中，等溫線是均勻分布的關(guān)于徑向?qū)ΨQ一條直線，這說明了散熱器中任何一個(gè)截面的溫度分布都顯圖4所示。也證明了在做有限元熱分析時(shí)，該散熱器的溫度分布與散熱器的長度無關(guān)，圖5準(zhǔn)確地說明了該分析的正確性。

7 實(shí)際中LED燈的散熱情況

通過以上對散熱器模型的有限元熱分析，結(jié)果顯示該模型的溫度在正常工作溫度范圍內(nèi)，而且這只是僅僅考慮空氣自然對流換熱，LED發(fā)出的熱量全部被散熱器所吸收的理想狀態(tài)下。根據(jù)傳熱學(xué)的知識，熱能傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。熱輻射是物體因熱的原因由電磁波來發(fā)出輻射能的方式，而散熱器的輻射能力比周圍環(huán)境的高，這肯定有熱量通過熱輻射的方式傳導(dǎo)出去。其實(shí)LED燈發(fā)出的熱量全部被散熱器吸收，這只是理想狀態(tài)下，發(fā)光體的下部是散熱器，上部是擴(kuò)光罩，其熱量會散發(fā)到發(fā)光體和擴(kuò)光罩的空氣中，致使擴(kuò)光罩的溫度升高，這就有擴(kuò)光罩與外部空氣存在自然對流傳熱。

不管哪種形式的傳熱，只有使溫度比理想狀態(tài)下更低。對于在理想狀態(tài)下分析都能達(dá)到正常工作的情況下，實(shí)際中LED燈的溫度更加不會影響到正常工作，該散熱器結(jié)構(gòu)符合LED燈實(shí)際工作的要求。

在列車上使用LED燈是隨處的，不單車廂，像行李架、地角燈、閱讀燈、廁所上都使用，甚至于車頭大燈也可以使用LED燈。如圖6所示列車上使用的整體效果。

圖6 列車上使用LED燈

8 結(jié)束語

本文明確完成了列車車載LED燈結(jié)構(gòu)散熱分析，這僅僅是局限于列車車載上的設(shè)計(jì)，實(shí)際上LED燈的使用已經(jīng)在很多地方發(fā)揮出作用了。分析中可以看到，做LED燈散熱器有限元熱分析時(shí)，我們根本做不到呈現(xiàn)列車車載的實(shí)際環(huán)境，只是在最接近的狀態(tài)下完成分析，這點(diǎn)上仍需做得更到位些。

[責(zé)任編輯：王楠]