LED是一种冷光源,其发光机理是由能带之间的电子跃迁产生光,光谱不包含红外成分,通过红外辐射几乎没有办法散去产生的热量,所以研究的LED散热的问题,主要是从热如何传递出去和热的产生两个问题进行,即产热和散热。LED系统内的热传递路径是比较复杂的,芯片散热途径可以沿着两个垂直方向被简化:一个是从芯片到透镜和反射杯,转移到周围环境中。大量相关的实验研究已经表明,这一途径的散热量非常少,几乎可以忽略不计,另一种是经过芯片、粘贴胶、金属基板、散热器最后到周围环境。52411
LED前照灯所用的LED光源都是功率比较大的而且在可靠性等诸多方面要求较高,如何解决LED光源的热量问题是保障灯具使用可靠性的最关键也是比较难克服的一个技术难题。
国外研究应用现状
(1)主动式散热
主动散热方式可以细分为风冷散热、液冷散热以及热管散热等。主动散热的优点就是散热性能强,散热较快,但也存在容易产生噪音及散热相对不稳定等缺点。
早在2006年,Yan Lai等人通过报道提出了一种通过液体冷却来给LED汽车前照灯散热的方案。这中冷却方案的系统工作原理就是用小电泵让水流动起来,流经光源冷板然后再经过冷热交换器最后流回到电泵,这个过程中热量通过水流被带走。但是这种方案的散热结构会相对复杂一点,车灯的空间要做出比较大的相应的改动,而且另一方面增加的液体回路可靠性方面也并不太好,所以对于目前LED前照灯来说还是不太适合使用这个方案。[9]
海拉为新一代凯迪拉克Fscalade白金版开发了一种由7个LED光源构成的全LED前照灯。每个LED光源带配备了一个主动式散热装置也就是冷却风扇。LED光源元件产生的热量是通过一个“热池”装置传递出来,传递出来的热量最后由每个光源自带的冷却风扇主动散发出去。[2]
(2)被动式散热
被动散热一般是通过灯具本身结构的散热片将LED热源产生的热量自然地散发到环境空气中。被动散热的特点就是散热速度较慢但散热稳定,热源功率较大时散热器会比较大,在空间有限的情况下很难满足大功率LED灯的散热要求。
2007年5月丰田汽车发布的雷克萨斯LS600h,当时采用了非常多的新汽车技术,可以说很好的体现出当时汽车技术的最高水准。其中,LED前照灯就是其中最大的一个亮点,是当时世界上第一辆使用LED前照灯的汽车。为了降低LED热量对灯具性能产生的影响。就使用了这样一种散热方法:在同一个灯具中LED光源元件数目使用较多,降低单个元件的发热量的同时再把这些LED光源元件布置在较大的空间内,这样的设计就比较方便LED的散热,而且当时还运用了热管的散热技术。[4]
2012年12月日产发布的LEAF上使用了LED前照灯。每个前照灯的光源都是2个白光LED论文网。利用热流解析技术来保证灯具良好的散热,将前照灯的热阻尽量降低。分别从两方面来降低热阻,首先确保LED芯片跟散热片之间的接触面积比较的均匀,这是降低热阻的第一步。而在前照灯后续的热管理方面,采用散热膏和散热片,散热片的大小设计的较为合适。该前照灯在散热上并不采用风冷的散热技术。[17]
国内发展现状
在国内,林卫国和刘依等人设计了 LED 车灯的散热装置三维模型,并以此模型用软件进行了 LED 车灯在无任何散热装置、风扇散热、翅片散热器和翅片散热器加风扇 4 种情况下的热耦合分析, 结果表明,功率型LED 车灯在翅片散热器加风扇的方式下,LED 车灯的热耦合满足使用要求。[6]
刘晨阳等人运用软件设计了LED 前照灯模型。这个模型在散热上采用风冷的散热方式。他们运用 ANSYS 仿真分析得出其在不同对流状态条件下的温度场分布。并且通过实际实验测试了LED前照灯的温度。测试中发现 LED 的结温始终能控制在 80℃以下。因此得出此模型能够很好满足LED汽车前照灯的散热要求。[4]