汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)

孔春玉+李薇+張玉珊+曾雁+葉潔清

摘 要：本項(xiàng)目基于LED前大燈散熱的問題，提出了一種新型的散熱方式——汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效的解決了外加車燈的散熱問題以及散熱時(shí)汽車車燈的封閉性問題，使LED前大燈得到廣泛的應(yīng)用。此研究降低了車燈在維修更換情況下的復(fù)雜度，提高更換便捷性，降低維修成本。

關(guān)鍵詞：LED前大燈；半導(dǎo)體制冷；冷卻板

中圖分類號(hào)：U463.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）23-0041-02

1 概述

1.1 LED散熱問題限制LED前大燈的全面推廣

LED作為汽車前大燈具有綠色節(jié)能，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但是，LED燈的散熱問題卻是制約其推廣應(yīng)用的瓶頸。到目前為止，LED燈的電光轉(zhuǎn)換效率只有30%左右。LED燈在工作過程中，一方面由于內(nèi)部光子效率不能達(dá)到100%，另一方面，內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射到芯片外部，導(dǎo)致只有少部分電能轉(zhuǎn)化為光能，大約70%的電能都最終變成了熱量。因此，解決散熱問題是LED燈推廣應(yīng)用的前提條件。根據(jù)汽車現(xiàn)代造型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，汽車前大燈的安裝位置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)艙，工作環(huán)境溫度高，若采用LED前大燈，高溫的工作環(huán)境加上LED燈本身的散熱問題，若不改進(jìn)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必將極大縮減LED前大燈的工作壽命。

1.2 熱管技術(shù)和液冷技術(shù)仍存在缺陷

目前較為適用于大功率LED前大燈的散熱方式為熱管技術(shù)和液冷技術(shù)。熱管技術(shù)在熱傳輸上存在著粘性限制、音速限制、飛散限制、毛細(xì)管限制、沸騰限制等缺點(diǎn)。而液冷技術(shù)對(duì)設(shè)備要求高，導(dǎo)致加工成本上升；且因泵等組件數(shù)量增加，加大了漏液風(fēng)險(xiǎn)。因此，結(jié)合LED汽車前照燈的使用環(huán)境，本項(xiàng)目提出一種“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案旨在有效解決LED汽車前照燈的散熱問題以及散熱過程中LED前照燈的密封問題。

因此，結(jié)合LED前大燈的使用環(huán)境，本項(xiàng)目提出一種液冷式半導(dǎo)體散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案旨在有效解決LED前大燈的散熱問題以及散熱過程中的密封問題。

2 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷原理：把一只N型半導(dǎo)體元件和一只P型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的一個(gè)接頭處，電流方向是n→p，溫度下降并且吸熱，這就是冷端。而下面的一個(gè)接頭處，電流方向是p→n，溫度上升并且放熱，因此是熱端。

3 模型建立

3.1 系統(tǒng)建模

本文設(shè)計(jì)的汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)由LED車燈、半導(dǎo)體制冷片、驅(qū)動(dòng)、一體水冷頭、散熱排、散熱風(fēng)扇共同組成。系統(tǒng)將以往龐大的制冷系統(tǒng)微型化，單元式化，將其組合成一個(gè)整體單元，做到結(jié)構(gòu)緊湊，具備制冷量大、質(zhì)量輕、管路短、不易泄漏、減少占用空間的特點(diǎn)。

導(dǎo)體置于扣具與一體水冷頭之間，與LED前大燈直接接觸，一體水冷頭內(nèi)含雙S流道。

在三維制圖軟件SolidWorks中建立汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)模型，其工作過程如下：半導(dǎo)體制冷片冷端進(jìn)行制冷，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)一體水冷頭冷端溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，51單片機(jī)在驅(qū)動(dòng)水泵和散熱排工作的同時(shí)可根據(jù)溫度的不同調(diào)節(jié)水泵的流速和散熱排的轉(zhuǎn)速，從而控制LED前大燈的工作溫度，避免LED前大燈由于工作溫度過高而燒壞。

3.2 冷卻板建模

汽車LED前大燈的冷卻板（如圖1所示）由迷宮流道1、直流道2，進(jìn)水口3和出水口4組成，冷卻水從進(jìn)水口3進(jìn)入，在迷宮流道的左右兩部分分別以“S”型流動(dòng)。這種左右對(duì)稱的流動(dòng)方式使板溫均勻，在散熱過程中，水溫沿流動(dòng)方向逐漸升高，最高溫度通常出現(xiàn)在中間偏后位置，為了減小整個(gè)冷卻板的溫差，將高溫部分流道變窄，縮小流道截面積，增大流速以提高局部散熱效果。

在三維制圖軟件SolidWorks中建立汽車LED前大燈的冷卻板模型，其特征在于：直流道呈菱形分布，迷宮流道布置在菱形中部，進(jìn)水口和出水口呈對(duì)角線分布，冷卻水從進(jìn)水口進(jìn)入后，分別流過迷宮流道、直流道，最后匯聚至出水口。將冷卻板安裝在汽車LED前照燈后方，豎直放置。迷宮流道和直流道的深度為10mm。

4 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

4.1 技術(shù)關(guān)鍵

（1）半導(dǎo)體散熱效率高：半導(dǎo)體能在LED大燈開啟后迅速制冷使其溫度維持在35℃-50℃，而與半導(dǎo)體熱端相貼合的一體水冷頭，則采用單程雙向流動(dòng)的“雙S”流道，其有效增大了液體與一體水冷頭導(dǎo)熱板的接觸面積，快速帶走半導(dǎo)體熱端的熱量。

（2）溫度自動(dòng)控制：51單片機(jī)會(huì)根據(jù)溫度高低實(shí)時(shí)控制

散熱排的轉(zhuǎn)速和水泵的流速以達(dá)到降溫的目的。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

LED前大燈的溫度隨工作時(shí)間的增加而上升，當(dāng)燈溫高于35℃時(shí)，半導(dǎo)體、散熱片、散熱風(fēng)扇等組成的整套系統(tǒng)開始工作，且系統(tǒng)功率隨著LED前大燈溫度升高成線性增長，使LED前大燈的溫度維持在35℃到50℃。本團(tuán)隊(duì)模擬環(huán)境溫度為60℃，測(cè)得溫度值如下：LED前大燈工作溫度48.7℃，極限溫度115℃；半導(dǎo)體熱端工作溫度73.4℃，極限溫度80℃。

5 系統(tǒng)的測(cè)試成效

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的散熱效果，使用第二代實(shí)體在模擬環(huán)境溫度為60℃的條件下進(jìn)行測(cè)試，在0-250秒內(nèi)，LED前大燈半導(dǎo)體散熱和風(fēng)冷散熱的實(shí)測(cè)溫度結(jié)果如圖2所示。

由圖2分析可得：本系統(tǒng)可在100s內(nèi)使LED前大燈溫度從48℃下降至38℃，此后燈溫維持在36-40℃內(nèi)；而利用風(fēng)冷散熱的LED前大燈溫度在160s內(nèi)從48℃上升至71℃，此后燈溫維持在70℃左右。對(duì)比可得，本系統(tǒng)具有散熱速度快，散熱效率高的特點(diǎn)。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)首先利用半導(dǎo)體制冷片體積小且可靠性高的特點(diǎn)，將半導(dǎo)體制冷片置于扣具與一體水冷頭之間，與LED前大燈直接接觸，加快LED前大燈的散熱速度，且在溫度控制上遵循半導(dǎo)體快速制冷原理以達(dá)到控制LED前大燈工作溫度的效果。其次，在對(duì)半導(dǎo)體制冷片熱端進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，首次將雙“S”流道應(yīng)用于汽車LED前大燈的“空調(diào)”液冷散熱系統(tǒng)，有效地解決了傳統(tǒng)型流道水量需求大且各流道流量分配不均等問題。

參考文獻(xiàn)：

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