車燈LED風扇模型減噪措施研究

李祥兵　吳小兵　王春才　肖義武

摘 要：散熱一直是制約LED在車燈領域全面推廣的關鍵技術。采用風扇模型來進行主動散熱，對提高LED可靠性具有重要作用。結合當前LED散熱風扇模型出現(xiàn)的噪聲等問題，對LED散熱的風扇模型產(chǎn)生的噪聲進行了深入研究，這對后期LED采用主動散熱具有一定的指導意義。

關鍵詞：LED；主動散熱；風扇模型；減噪

中圖分類號：TM 711 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0044-05

Abstract： thermal dissipation is always considered as the bottle-neck issue for the widespread promotion of LED technology on vehicle lamps. The active cooling with fan is always of great significance to improve the feasibility of LED. By presenting and analyzing the noise caused by fan which used on LED cooling， it is deeply investigated the measures for de-noising. The measures and proposals will be of great significance for active cooling research in the future.

Key Words： LED； Active cooling； Fan model； De-noising

前 言

在當前神龍公司燈具開發(fā)領域，LED（發(fā)光二極管）光源的運用正越來越廣泛。而對大功率LED運用于前大燈的近遠光功能，由于LED模塊本身耐熱方面的技術瓶頸，目前也只是在個別車型剛開始嘗試。

LED本身是一種直接將電能轉化為可見光的器件，它可以直接將電能轉化為光能。根據(jù)光與功率之間的當量關系，Km =683lm/w，也就是說1W的輻通量在最理想的情況下（黑體輻射）可能產(chǎn)生683lm的光通量，所以，即使LED的光效達到當前預期的200lm/W，也不能將全部的能量轉換為光能輸出，其余大部分都轉化成了熱能。從比較權威的數(shù)據(jù)來看，LED在輸入電能后，只有約15%到20%的能量轉換為光能，而其余多達80%以上的能量都轉化成了熱能。因此，從LED的能量轉化模式來看，LED燈具的散熱問題將是一個長期存在的問題。

通常，對于小功率的LED（1W以下），其發(fā)熱問題并不嚴重，一般采用普通的封裝結構和材料即可保證正常使用。從汽車LED光源的失效模式來看，LED光衰導致失效的可能性很大，而這一問題的根本解決，需要從LED的散熱方面著手。過高的熱量會使 LED 的結溫升高，產(chǎn)品壽命、亮度、穩(wěn)定性等下降，如果散熱解決不好，會導致LED產(chǎn)品迅速老化、失效。因此，LED 照明產(chǎn)品廣泛推廣應用的關鍵技術之一就是散熱技術。LED散熱技術中，采用被動散熱（如翅片技術、NTC（熱敏電阻）電路等）的方式較多，而對于汽車近遠光這種大功率的高發(fā)熱電路，需要借助外界手段來實現(xiàn)有效散熱。

本文從LED的驅(qū)動電路板（PCB）的主動散熱角度，探索了LED光源采用風扇模型散熱時，對風扇的葉片進行優(yōu)化的可能性，基于此建立了相關模型并完成了相關的分析工作。

1 LED主動散熱現(xiàn)狀分析

車燈LED主動散熱模塊中，強制風冷是散熱的主要形式，而軸流風扇是電子器件熱設計中的關鍵部件。隨著LED電子器件功率和發(fā)熱量的不斷增加，冷卻風扇的功率、轉速及葉片尺寸也大幅增大，其運轉產(chǎn)生的流動損失和氣動噪聲問題也隨之凸顯。為了減小流動損失，降低風扇噪聲，傳統(tǒng)研究主要從葉面造型、改變?nèi)~片排列方式入手，盡管取得了相當?shù)某尚?，但仍然不能很好地解決氣流粘性引起的摩擦損失、附面層分離引起的渦流損失及旋渦與分離流引起的損失，對于葉片表面湍流邊界層或流動分離形成的尾跡噪聲也不能有效控制。因此，針對葉片表面邊界層流場開展電子器件冷卻風扇的減阻降噪研究，對于減小風扇能耗、改善工作環(huán)境具有重要的理論價值和實際意義。

現(xiàn)有的研究成果中，吉林大學趙要珍對裸扇情況下通過改變?nèi)~片夾角來研究葉片不等夾角布置對風扇性能的影響，在綜合考慮了風扇流量和噪聲的前提下，得出了四葉片夾角的最佳布置為 70°110°-70°-110°。但這僅限于裸扇的情況，實際應用時，應考慮周圍環(huán)境的影響。

綜合前人的很多研究可以明確，采用葉片圓周上的不等間隔分布，能夠降低風扇的旋轉噪聲，但風扇噪聲的總能量沒有減少，只是使噪聲能量的頻譜分布發(fā)生了改變，即在葉片通過頻率及其諧波頻率上，噪聲能量有所減少，但在風扇轉速整數(shù)倍的次諧波頻率上，噪聲能量有所增加。采用葉片不等間隔分布，是將原來集中在通過頻率上的噪聲能量分散一部分到次諧波頻率上，這樣噪聲總能量在較寬的頻帶上被平分，削減了噪聲的峰值，從而降低了噪聲。同時，頻譜結構發(fā)生了改變，噪聲能量的結構從高頻轉向低頻，A計權聲級下降。只要葉片布置不是嚴重的不等間隔，那么葉片圓周不等間隔布置不會明顯地影響風扇效率和風量。

2 風扇噪聲的影響因素分析

風扇噪聲主要由旋轉噪聲和渦流噪聲組成。旋轉噪聲主要是旋轉葉片周期性擾動氣體引起空氣的壓力脈動而發(fā)出的噪聲。渦流噪聲是風扇旋轉時使周圍的空氣產(chǎn)生渦流。這些渦流由于粘滯力的作用，又會分裂成一系列的小渦流。渦流和渦流的分裂會使空氣發(fā)生擾動，形成壓力波動，從而激發(fā)出噪聲。渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲，當其振動頻率與葉片的固有頻率接近時，會產(chǎn)生系統(tǒng)共振，使得噪聲增加。

風扇本身結構影響其噪聲的主要因素有：風扇的葉片形狀、葉片材料、葉片數(shù)、風扇的輪轂比、葉片安裝角口、葉片間夾角、葉片布置的平衡等。

風扇安裝條件對風扇性能的影響也較大。如風扇與護風罩之間的徑向間隙，風扇與護風罩、散熱器、發(fā)動機的軸向間隙等，對風扇的噪聲、性能都有較大影響。

3 一種新型的LED冷卻風扇降噪策略

從公式（1）、（2）、（3）分析，在通常情況下，優(yōu)化風扇噪聲采取的措施有：

3.1 選擇合理的風扇設計參數(shù)

主要包括：風扇風量 Va 分別與風扇轉速 n 和風扇直徑 D3 成正比；在滿足熱平衡的前提下，盡量降低風扇的風量；風扇直徑：風扇風量分別與風扇轉速 n 和風扇直徑 D3成正比.而風扇噪聲升壓級 Lp 與風扇轉速 n6 和風扇直徑 D8 成正比，即：

， 。所以，當風扇風量一定時，盡可能取較大直徑和低轉速的風扇，以便于降噪。

3.2 風扇最高轉速的確定

風扇的風量、風壓分別與風扇轉速的一次方、二次方成正比，因此風扇轉速首先要滿足風量和風壓的需求。風扇風量按照所需風量最大值計算，所需風壓P = Dpn+DP1 ，其中Dpn為散熱器的阻力；DP1為除散熱器外所有的阻力。風扇的噪聲主要由風扇的葉尖切割擾動氣流產(chǎn)生，所以風扇葉片頂部的圓周速度對噪聲的影響十分大，最好控制在70 m/s以下，最高不能超過120m/s；風扇外徑處的圓周速度πnD22 / 60，因此，風扇轉速最大不可超過 60.70/（πD22 ） 。

3.3 設計高效率低噪聲的風扇

風扇葉片的形狀確定：常見的剛性葉片風扇有以下幾種形式，如圖1：

4 實驗驗證

從圖2可以看出，選擇前掠型風扇，其實際噪聲較小，風量較大；選擇風扇護風圈的直徑D=120mm（依據(jù)神龍公司現(xiàn)開發(fā)的某款車型的LED大燈實際尺寸確定），葉片直徑d1=115mm，輪轂直徑 d2=77mm。對同一類型的風扇，采用柔性吸力面葉片表面、柔性壓力面葉片表面、雙柔性面葉片表面（在相應的表面貼上一層光滑的柔性薄膜）做成B、C、D三只風扇，原型風扇定義為A。整車通常能提供的電壓V=13.5V下測量數(shù)據(jù)，得出壓力和流量的曲線、流量和靜壓效率的曲線、流量和全壓效率的曲線。同一個風扇在葉片上分別設置四種不同表面的試驗風扇模型。風扇表面形成防柔性表面后效果圖以及局部細節(jié)圖如圖3：

在整車發(fā)動機啟動時所提供的13.5V 電壓模式下風扇的轉速測量結果為：轉速 n=2670 r/min；扣除轉速浮動的部分，各電壓下都取平均轉速。計算風扇各電壓下葉片最小線速度和最大線速度如下：

風扇葉片在13.5V 電壓下葉片線速度范圍為：13.7～20.5m/s。

經(jīng)查相應的專業(yè)數(shù)據(jù)可知，在風速為10～17m/s 的范圍內(nèi)，具有最佳減阻效果的仿生柔性表面的厚度為0.6mm。而13.5V 電壓下，風扇葉片線速度范圍為13.7～20.5m/s，雖然速度上限已經(jīng)超出17m/s，但是超出的幅度不大，實驗可以繼續(xù)進行。圖4是根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出的壓力和流量對比曲線。

A、B、C、D 四種風扇流量和全壓效率曲線圖，如圖6所示。A 風扇最大全壓效率為 55.94%，B 風扇最大靜壓效率為61.55%，C風扇最大全壓效率為60.64%，D 風扇最大全壓效率為59.54%。B、C、D 三種柔性表面的風扇全壓效率相對于A剛性表面的風扇最大全壓效率，B風扇全壓效率最大提高5.61%，C 風扇全壓效率最大提高4.7%，D 風扇全壓效率最大提高 3.6%。

如圖7所示，四種風扇最大噪聲值出現(xiàn)在頻率31.5Hz處，A風扇最大聲壓級為63.7dB，B風扇最大聲壓級61.5dB，C風扇最大聲壓級62.08dB，D風扇最大聲壓級61.69dB。次最大噪聲值出現(xiàn)在250Hz 處，噪聲峰值也都集中在頻率20～1000Hz 之間，風扇噪聲屬于中低頻噪聲。

相對于原型A風扇，三種仿生柔性表面的風扇也都出現(xiàn)了不同幅度的降噪效果，其中B風扇峰值噪聲最大降低2.2dB，C風扇峰值噪聲最大降低1.62dB，D風扇峰值噪聲最大降低2.01dB?？偟膩砜矗陔妷簽?3.5V時，仿生柔性表面的三種風扇同樣起到了降噪效果，其中B風扇降噪效果為最佳，D風扇也起到較好的降噪效果，C風扇降噪效果較B、D兩種風扇稍差。

5 結果分析

在13.5V電壓模式下，分別對A、B、C、D 共四個風扇進行了試驗。從試驗結果可以看出，相對于剛性葉片表面的A風扇，另外三種具有仿生柔性葉片表面的B、C、D風扇，無論是PQ（壓力-流量性能）性能曲線、靜壓效率以及全壓效率，都得到了不同程度的提高，三種風扇提高的幅度為 B>C>D。這說明，具有仿柔性葉片表面的風扇相對于原型風扇具有減小阻力、提高效率的作用，而葉片吸力面柔性表面的風扇減阻增效的作用好于葉片吸力面和壓力面都是仿柔性表面的風扇，葉片吸力面和壓力面都是仿生柔性表面的風扇減阻增效的作用，又好于葉片壓力面仿生柔性表面的風扇。

6 結論

在13.5V電壓模式下，完成了風扇參數(shù)性能試驗和風扇噪聲性能試驗。試驗結果表明，具有仿生柔性的葉片表面能夠減小阻力，增加風扇的效率，同時風扇的噪聲在中低頻率范圍內(nèi)得到了有效控制。其中在葉片吸力面設置仿生柔性表面各項試驗指標最好，其次是葉片雙面都設置仿生柔性表面，最差是在葉片壓力面設置仿生柔性表面。

噪聲是風扇運行時一個很重要的特征，這種特征是不可避免的，但是應盡力抑制。風扇噪聲是指導風扇設計、評價風扇綜合性能、風扇選型匹配的一個重要的參考指標。風扇在一定的工況下運行時，產(chǎn)生的噪聲主要包括氣動噪聲、機械噪聲和電磁噪聲。對于一般的LED冷卻風扇而言，風扇主體部分都是一次澆筑成型，制造裝配精度比較高，采用的電機都是小型電機，機械噪聲和電磁噪聲比較小。

在LED散熱方面，由于國內(nèi)LED風扇散熱的技術瓶頸，風扇的噪聲水平一直較大，因而風扇很多都是通過國外直接采購獲得，成本較高，整個LED的模組的成本非常昂貴。若采用柔性表面（吸力表面和吸、壓力表面），對提高LED的散熱效果和抑制噪聲顯然是很顯著的，這對后期LED主動散熱方面的設計具有重要的指導作用。

參考文獻：

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