汽車燈具散熱方式與方法研究

1、汽車燈具散熱方式與方法研究 【摘 要】汽車燈具作為汽車照明與信號裝置的主要實現(xiàn)方式，在近年來隨著技術(shù)工藝的革新也由原來的氙氣燈發(fā)展為如今的led燈，這種燈憑借節(jié)能環(huán)保、使用壽命長，且亮度更高等優(yōu)勢已經(jīng)成為汽車的普遍選擇，但是在散熱方面有一定的待提高性。本文將具體對汽車燈具的散熱方式與方法進行探討研究。 【關(guān)鍵詞】汽車燈具；散熱；方式方法 1 前言 汽車燈具包括內(nèi)部燈和外部燈，其中外部前照燈（大燈）因為是汽車夜間行駛照明的最重要保障和發(fā)出行駛信號的主要途徑，所以對其亮度功率都有很大的要求，一般在40-60w之間，大功率引起高溫度的產(chǎn)生，而高溫卻會對led芯片的發(fā)光效率產(chǎn)生很大的負面影響。因此，研

2、究出高效率的車燈散熱管理技術(shù)是當前車燈設計亟待解決的問題。 2 燈具結(jié)溫與散熱 2.1 led運行熱傳遞過程 led燈作為一種固態(tài)的二極管發(fā)光器，由磷化鎵、磷砷化鎵等iii-v族化合物制成的半導體、具有極高的電光轉(zhuǎn)換性能，led開啟運作后，在外部電場作用下，正向電流流過半導體，內(nèi)部芯片首先產(chǎn)生熱量，再以熱傳導、對流和輻射三種形式進行傳遞，其中，熱傳導是熱量傳遞最主要的傳遞方式。因此通過改變熱傳導能力來提高散熱性能是解決散熱問題的可行辦法。 從一般led燈具的結(jié)構(gòu)來看，led線板空氣熱阻力的大小對散熱性能起到著決定性作用。而這又可從以下三個方面進行分析： （1）線路板熱阻大小的影響因素有：線路板

3、材料、led間距、電阻分布形式、led與線路板連接方式； （2）熱阻大小對芯片產(chǎn)生的熱量能否導出到支架或熱沉上有起到直接性作用； （3）如果線路板到空氣的熱阻值過大，那么傳遞到線路板的熱量會因聚焦過多而使線路板的溫度快速上升到一個過高值，而對led造成加速光衰、器件損壞等危害性后果。 2.2 結(jié)溫的產(chǎn)生 led的光電轉(zhuǎn)換率只有20%，其余都轉(zhuǎn)化為熱量，結(jié)溫由此產(chǎn)生。一般來說，具體產(chǎn)生原由有下面兩種： （1）內(nèi)部量子效率不高。內(nèi)部芯片的電子和空穴復合時，因電流泄漏使pn區(qū)載流子復合率降低而不能完全產(chǎn)生光子，那么這部分泄露的電流和電壓的乘積就是轉(zhuǎn)化成熱能的功率，產(chǎn)生出熱量結(jié)溫； （2）外部量子效率

4、不高。電子和空穴復合時生成的光子無法全部映射到芯片外部而轉(zhuǎn)化成熱能，且絕大多數(shù)的光子因極低的外部量子效率最終都轉(zhuǎn)化成了熱量，形成結(jié)溫的主要部分。 2.3 燈具散熱的重要性 led燈具雖然本身的功率不大，輻射出的熱量也不多，但是因為在功率和光能的轉(zhuǎn)換上，如上文所述，只有一小部分轉(zhuǎn)化為光能，剩余大部分都轉(zhuǎn)換成了熱量，產(chǎn)生較高溫度，而led本身的特性又決定了其在較高溫度集結(jié)的環(huán)境下，芯片的熱密度會升高達上百瓦每立方，結(jié)溫的升高會導致led光輸減少，這種情況下，發(fā)光的效率大大地降低，光衰明顯，且芯片加速地老化，縮短了使用壽命。這就是大功率led等的發(fā)光與散熱之間的矛盾所在。 因此，只有設計出科學合理的

5、散熱管理系統(tǒng)，才能保證led燈具的正常、持久高效地運行，確保汽車行駛安全，也延長了使用壽命，降低了維護成本。 3 燈具散熱的方式方法 根據(jù)上文所述的熱量產(chǎn)生的過程及原因，在具體的燈具散熱技術(shù)開發(fā)和實施中，有以下幾種方式方法： 3.1 內(nèi)部方法 內(nèi)部方法即從led燈具自身著手，根據(jù)其結(jié)構(gòu)性能提出的方法： （1）改進led的封裝技術(shù)，實行金屬表面絕緣，減少導熱性，再從間距、分布及連接方式等方面，降低內(nèi)部熱阻，加快散熱速率； （2）一方面提高光子和電能的轉(zhuǎn)化率，減少光子向熱能的轉(zhuǎn)化機率；另一方面提供工藝技術(shù)，減少電流泄漏的機率提高載流子復合率； （3）可通過提高led允許的最大結(jié)點溫度值來增加最大允

6、許的散熱設計溫差，增強散熱設計的可操作性和散熱實效。 3.2 外部方法 所謂外部方法，是指通過利用不同的散熱裝置，從而從led外部實現(xiàn)散熱： （1）直接把金屬線路板作為熱沉向外部環(huán)境散發(fā)熱量，經(jīng)過自然空氣的流動作用，實現(xiàn)線卻降溫； （2）調(diào)整散熱片結(jié)構(gòu)，擴大現(xiàn)有的面積、選用導熱性能佳的鋁材，提高傳導效率。但這種方式只能適用于較低熱流密度的led 系統(tǒng)，對于高熱流密度則不適用； （3）在燈源處加裝小型的散熱風扇，與燈具同事運作，形成與外界空氣熱交換的強制對流，這樣風扇在加速散熱片散熱的同時，對流空氣也直接把部分熱量從線板帶走，實現(xiàn)散熱。但此法中的風扇只能吹散led外部的一部分熱量，無法作用到起線

7、板內(nèi)部，且在汽車行駛過程中存在不穩(wěn)定因素，因此此法尚待提高； （4）在led燈具的背面加裝帶有針肋的熱沉，同時加裝電壓風散來散熱。但此法只適用于小功率管的led燈具。 3.3 微觀方法 （1）使用純鋁為基礎(chǔ)材料，采用量子調(diào)控技術(shù)，加入熱運動簡諧振動頻率高的聲子晶體材料，并加入一些遏制非簡諧振動的聲子晶體材料，制成具有高比熱容、快速平衡性能和能夠與空氣快速熱交換的高性能散熱材料； （2）用技術(shù)手段提高熱量流動的速度和頻率，使其進行技術(shù)型性主動散熱； （3）加入溫度范圍更寬的熱電波轉(zhuǎn)換材料，將熱能轉(zhuǎn)換成頻域更寬的電磁波向空間發(fā)射； （4）使用技術(shù)手段來豐富熱子轉(zhuǎn)化成光子的頻域，加大散熱效率。 綜上

8、所述，要實現(xiàn)led燈具的散熱，最主要就是采用最短的熱路徑，擴大散熱面積，想辦法讓熱量以最高的速率輸導出去，最終確保把led燈具運行溫度控制在安全標準范圍以內(nèi)，提高燈具的質(zhì)量和使用可靠性。 4 結(jié)束語 以led為載體的汽車燈具是控制方便、節(jié)能環(huán)保、操作響應快等諸多優(yōu)點，是汽車安全行駛的重要工具，但燈具的散熱問題作為作為led本身美中不足的缺憾，也是汽車燈具制造行業(yè)不斷努力攻克的難題。我們還需要進行不斷地積累經(jīng)驗、更新研究，在現(xiàn)有的技術(shù)方案下精益求精，力爭把這一世界性難題完美解決。 參考文獻： 1郭威.大功率led的熱管理j.華中科技大學，2013（6）. 2張志輝.汽車燈具散熱方式與方法研究j.科技創(chuàng)業(yè)月刊，2015（2）.